TW201137350A - Molecule detection device formed in a semiconductor structure - Google Patents

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201137350 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係關於用於偵測、量化、識別及/或離 析分子之小規模系統，且更特定言之係關於形成於半導體 結構中之平面奈米通道及偵測器。 【先前技術】 層析為一種用於離析混合物之技術。一混合物可包含兩 種或兩種以上組份，例如，兩種或兩種以上不同分子或化 口物。該混合物可進一步包含用於使該兩種或兩種以上組 伤（溶質）增溶的溶劑。在層析中，將所溶解之混合物稱為 流動相。應注意，如本文中在術語流動相及固定相中所使 用，術語「相」意謂物質之物理上不同形式。流動相表示 物質（亦即，所溶解之混合物）之移動或流動性。固定相表 示固定相之物質不流動。層析涉及使流動相通過固定相。 固定相為執行層析之裝置（層析裝置）之部分且基於流動相 與固定相之間的差異分割自混合物中之其他組份離析出待 量;貝J之刀析物。被注入至層析固定相中的試樣混合物中之 、、且伤基於其與固定相相互作用的強度而行進不同距離。單 分子或其他組份在層析通道内部之滯留時間指示分子或 其他組份之性質(諸如’疏水性或大小)。另外，通過層析 通道之特定組份的特定延遲時間可用以識別該組份。 層析技術對生命科學研究為必不可少的，因為其有用於 醫藥產品之純化及分析檢定兩者。福接至層析裝置之偵測 器lb夠彦生針對滯留時間所標繪的信號以產生溶離峰值。 152638.doc 201137350 等峰值之刀析允§午關於被注入至層析裝置中之混合物 的組成作出判定。另外，由於不同化合物在層析裝置之固 疋相内具有不同滯留時間，因此可藉由在不同峰值溶離期 間獨立收集流出物來離析此等化合物及分子。 層析技術藉由固^相結構、形.狀及定向而變化。管柱層 析可涉及裝填管柱（Packed c〇lumn)，亦即，裝填有常常為 樹月曰或珠粒基質之固定相的管。或者，管柱層析可涉及一 15柱亦即，一營.其具有結合（例如，共價地結合） 管之内J的固疋相且具有穿過管之長度之未阻塞開口。 組份通過固定相之移動速率的差異係根據不同類型之組份 的不同滯留時間。 平面層析為固^相存在於平面上的離析技術。經由觀測 以流動相存在之不同組份穿過平面層析裝置之固定相的不 同移動速率而％•到混合物之分析。在各種應用中廣泛實賤 薄層及紙層析。在平面層析中，固定相可為特殊層析紙或 諸如石夕膠、氧化銘或纖維素之惰性基材的薄、平坦層。在 紙層析中，可將試樣塗覆至極性赛料㈣心⑷物質。 將溶劑塗覆至紙。隨著溶劑穿過紙而上升，溶劑遇到試樣 混合物。試樣混合物中之組份隨著溶劑在紙上行進，其中 極性較小之彼等組份行進得更遠。層析製程之流動相之 同狀態亦以正使用之氣態流動相及液態流動相兩 &

人所已知。 ‘ Q 【發明内容】 舉例而言，本發明之原理提供用於偵測-或多個分子之 152638.doc 201137350 半導體裝置、層析裝置及積體電路及用於形成用於偵測一 或多個分子之一半導體裝置的方法。 根據本發明之一第一態樣，一種用於偵測一或多個分子 之半導體裝置包含：一通道，其形成於一半導體結構内； 及至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該半導體結構 内。該至少一偵測器偵測該通道中之該一或多個分子。該 半導體裝置可視情況包含形成於該半導體結構内之一或多 個額外通道。 根據本發明之一第二態樣，呈現一種用於偵測一或多個 分子之層析裝置。該層析裝置包含上述半導體裝置。該層 析裝置操作以自一組份混合物離析出至少一組份及/或偵 測一組份混合物中之至少一組份。 根據本發明之一第三態樣，呈現一種用於偵測一或多個 分子之積體電路。該積體電路包含上述半導體裝置及一耦 接至該半導體裝置之該至少一偵測器的處理器裝置。該至

一或多個分子之該偵測而產生一信號。該處理器裝置操作 以至少部分地基於該信號而產生—輸出。 根據本發明之一第四態樣， 一種用於形成用於偵測一或

測、識別單一分子以及一個以上 中之該一或多個分子。 上述半導體裝置操作以偵 -分子及/或對其計數。 152638.doc 201137350 有利地，例如，本發明之原理提供用於偵測、量化及/ 或識別分子之裝置（例如，層析裝置），該等裝置對少量材 料以及較小分子及組份敏感、不需要高壓下之流體及相關 聯泵且具有整合之偵測器，因此避免可降低量測準確度的 遠端偵測。 本發明之此等及其他特徵、目標及優點將自結合隨附圖 式閱讀的本發明之說明性實施例之以下[實施方式]而變得 顯而易見。 【實施方式】 本文中將在平面奈米通道（按寬度為數十奈米（nm)的規 模）之說明性單晶片實施例的情形下來描述本發明之原 理，該等平面奈米通道與允許偵測單一或多個分子或自單 一或多個分子偵測電流的整合裝置一起直接形成於矽、砷 化錄或其他半導體中n應瞭解，本發明之技術不限 於本文中所展示及描述之特定裝置及方法。更確切而言， 本發明之原理係廣泛地針對用於偵測、量化、識別及/或 離析分子及化合物的奈米規模裝置及技術（例如，層析裝 置及技術）。為此，可對所展示之實施例作出在本發明之 範_内的眾多修改。並不意欲存在或不應推斷出關於本文 中所描述之特定實施例的限制。 如本文中所使用，術語接迈或於具有包括（但不限 於）以下各項之意義：鄰接、接觸及以操作方式接觸。詳 言之且關於奈米通道、半導體及/或形成於半導體内之裝 置，接近或接近於可包括（但不限於）電耦接或耦接至。如 152638.doc 201137350 本文中所使用，術語摩#具有包括（但不限於）接近於的意 思。 如本文中所使用’術語_為用以接觸電路之非金屬部 分（例如’半導體或其他非金屬電導體）的電導體。術語導 體用於導體420以區分導體42〇與電極21〇 ;然而在廣泛 意義上’可將導體420視為電極。 如本文巾所使用，術語^^料電磁波譜之可量化 研究。其可比更-般術語電磁分光學更為特定之處在於， 分光光度學處料見光、近紫外線及近紅外線。以龙屬 料用以執行分光光度學^分光光度計含有或具有來自光 偵測器或光度計（亦即，用於量測光強度之裝置）之輸入且 可依據光之色彩或波長量測光強度。分光光度計可含有或 提供輸出至光源以提供光以供光偵測器偵測。分光光度計 之普遍應用為光吸收之量測。 存在非常適用於小規模層析以用於生命科學應用的許多 結構。先前之層析裝置使用起來可常為麻煩的且對諸如生 物材料之少量材料不敏感。舉例而言，傳統層析技術可需 要高壓下之流體及泵，其耦接至可堵塞並引入量測可變性 的獨立離析及偵測裝置。存在使層析裝置更小且更具整合 J·生之趨勢，但最小之習知層析離析裝置通常處於數百微米 的規模且耦接至獨立偵測系統。 本發明之實施例可包括一或多個子面奈次道道，其各自 包含位於裝置之基板（諸如，矽晶圓）之平面中的窄管（例 如，直徑為大約數奈米）^該管可視情況内襯有特定用於 152638.doc 201137350 裝置目的的額外材料。該管具有輸入及輸出開口，其中除 經特定產生以用於介接至如本文中所描述之感測器、電極 或光源的開口外，沿管之長度無額外開口。在晶圓之平面 中具有通道允許與基板或矽晶圓上或中的電子裝置容易地 介接。應理解’奈米通道可為（例如）平面奈米通道《或 者’奈米通道可不位於基板之平面中，而是位於與基板之 平面偏斜的平面中，或奈米通道可彎曲或以其他方式形成 使得其不位於單一幾何平面中。 本發明之例示性原理係針對通過一或多個奈米通道之分 子或若干類型之分子的偵測、量化、識別及/或離析。應 注意，一或多個分子之量化及識別可包括一或多個分子之 偵測。亦即，為了對一或多個分子計數或識別一或多個分 子可此需要{貞測一或多個分子。 將描述用於量化、識別、離析及/或偵測一或多個分子 之平面奈米通道的若干實施例。本發明之例示性實施例包 括（仁不限於）：！）用於晶片上量化、識別、離析及/或偵測 分子之奈米通道；Η)具有奈米通道結構與偵測組件之直接 整合的平面矽裝置；Hi)用於電子調節通過速率以進行分 子選擇的奈米通道；及iv)小的大小從而賦能整體並行操 作，其中穩健性及敏感性具有相應增加。 僅藉由非限制性實例，奈米通道之實施例可識別及/或 量匕混σ物之組份（例如，分子或化合物）。奈米通道識 別及置化組份的一種例示性方式使用組份之層析離析以用 ;在稍後量化。在此狀況下，不需要對個別分子計數。當 152638.doc 201137350 混合物或其部分經過奈米通道時，可感測電流。電流與流 經奈米通道之混合物或其部分内的不同成分相關。另一方 面在不視為層析之程序中，個別分子可經過奈米通道。 基於其經過之方式，可對分子計數及/或識別分子。此程 序不具有層析離析。 本發明之一例示性特徵為奈米通道（例如，層析裝置内 之毛、、田s不米通道），其具有足夠小（例如，小於約1 〇〇 nm) 以偵測單一分子或組份的直徑。根據本發明之實施例，本 發明之另-例示性特徵為操作以自一組份混合物離析出至 少一組份之奈米通道裝置。 用於本發明之製造實施例之半導體技術可與用於製造積 體電路、光债測器、微機電系統（MEMS)及其他半導體裝 置（例如，包括場效電晶體之電晶體、電容器、電感器' 電阻器及互連件）的超大規模整合（VLSI)製造方法相容。 使用此等技術’可在半導體結構内形成奈米通道。美國 專利第7,351，648號（其揭示内容以引用之方式併人本文中） 描述"種可用以在+導體中形成奈米通道的VLSI相容方 法。 根據本發明之原理，可至少部分地在奈米通道㈤如， 毛細管層析奈米通道）周圍或接近於奈米通道而將各種偵 測裝置1合至半導體結構中。偵測裝置可包括(例如)光 源光偵測器、電流量測裝置或_特定層析製程所要之其 他感測器裝置整合至包含奈米通道之半導體結構中 避免了與將層析官柱或通道耗接至獨立摘測裝置相關聯的 152638.doc 201137350 問題。舉例而言’可避免與耗接、堵塞及將可變性引入至 量測中相關聯的問題。 可形成/、有結構之奈米通道，該結構積聚或蓄集 (P〇〇1)被輸入至混合物奈米通道中的混合物或其—部分了 可進行經蓄集之混合物或其一部分的光學量測。提供積聚 或蓄集之結構可為（例奈米通道之一部&，該部分具有 比；Π米通匕的另一部分大的截面（例如，大至約兩倍以 上）舉例而。，可形成沿奈米通道之長度具有不同直徑 的奈米通道。奈米通道之較大直徑區段可積聚或蓄集分析 物（例如，待偵測或量測之分析物）以用於更好地耦接至接 近於奈米通道而形成於半導體的光偵測器或其他偵測裝 置。或者，奈米通道可耦接至基板中含有混合物或其部分 之蓄集區域的其他結構（例如，空腔結構）。可進行蓄集區 域中之分析物的光學量測。 本發明之某些實施例使用一或多個分子通過奈米通道或 奈米通道之一部分的蓆疗矽苟，以便識別分子類型及/或 對經過奈米通道之分子之數目計數。偵測器（例如，光偵 測器及相應光源）可偵測一或多個分子至奈米通道或奈米 通道之部分中的進入《另一偵測器可偵測一或多個分子自 奈米通道或奈米通道之部分的退出。可自偵測器之輸出信 號判定一或多個分子穿過奈米通道或奈米通道之部分的2 越時間（亦即，飛行時間）。舉例而言，可自輸出信號判定 每一分子花費多長時間來個別地移動穿過奈米通道或奈米 通道之部分。在進入及退出奈米通道或奈米通道之部分時 152638.doc 201137350 對每一分子之個別偵測使得能夠對分子計數（量化）直藉由 飛行時間資訊識別分子。舉例而言，可藉由將分子之飛行 時間與各種類型之分子的已知或預定飛行時間比較來識別 彼分子之類型。 或者，包含在通道中之兩個點（例如，通道入口及通道 出口，或通道内之兩個點）處耦接至電極或電導體之電流 量測裝置的偵測器可提供資訊以判定穿過奈米通道或奈米 通道之一部分的渡越時間（或在奈米通道或奈米通道之部 分内的滞留時間），因此判定分子之類型。另外，此偵測 器可提供資訊以對通過奈米通道之分子之數目計數。圖2a 及圖2b中所呈現之奈米通道裝置200、圖3a及圖3b中所呈 現之奈米通道裝置3〇〇或圖4a及圖4b中所呈現之奈米通道 裝置400可使用飛行時間識別分子之類型且量化（例如，藉 由分子之類型來量化）通過奈米通道之分子之數目。 可使用上文所提及之技術來形成用於偵測、量化、識別 及/或離析分子或化合物的裝置（例如，層析裝置），其包含 許多奈米通道。僅藉由實例，本發明之一實施例包含具有 數百或數千個平行奈米通道的結構，該等奈米通道係使用 與形成積體電路及/或偵測器（例如，光偵測器）相容之製造 技術來形成。可在單一平面或多個平面上形成半導體裝置 内之奈米通道以增加整合之奈米通道之數目。另外，可增 加平行及/或平面奈米通道之間的距離以使偵測裝置之間 的與兩個鄰近奈米通道相關聯之串擾最小化。 圖1至圖7呈現包含奈米通道（例如奈来通道14〇)且形 152638.doc •12· 201137350 成於半導體結構（例如，半導體結構110)或基板内之奈米通 道裝置之說明性實例。該等奈米通道裝置為半導體裳置。 圖la、圖2a、圖3a、圖4a及圖5為例示性奈米通道裝置之 自頂向下圖。奈米通道裝置包含沿軸線A-B形成於半導體 結構110内的奈米通道。圖lb、圖2b、圖3b、圖4b及圖6為 奈米通道裝置之截面圖’該等戴面包括一奈米通道之轴線 A-B或三個奈米通道之轴線A1-B1、A2-B2及A3-B3。半導 體結構110可包含矽。如圖3b及圖6之截面中所展示，可形 成具有複數個層（例如’圖3b之層110A、110B及110C)的半 導體結構110。或者，半導體結構11〇可包含單一半導體 塊’其中（例如）藉由蝕刻而形成特徵。半導體結構之處理 及包含多個半導體層之半導體結構的形成在此項技術中為 熟知的。 包含一或多個奈米通道之層析裝置可操作以自一組份混 合物離析出至少一組份及/或偵測來自一組份混合物之至 少一組份。根據本發明之實施例之奈米通道裝置可（例如） 為層析裝置之至少一部分。 除奈米通道裝置外’半導體裝置亦可包含MEms及電子 裝置’該等電子裝置可包括可（例如）結合奈米通道裝置使 用之以下各項中之任一者：電晶體；電容器；電感器；電 阻器，功能裝置；處理器（例如，處理器裝置）；以及電路 及系統。奈米通道裝置及（視情況）MEMS及/或電子裝置可 (例如）藉由用以形成積體電路之半導體處理（有時稱為積體 電路或VLSI電路處理）而形成。此種處理在相關技術中為 152638.doc •13- 201137350 熟知的。因此，可將包含如本文中所描述之太 心π未通道裝置 及（視情況）MEMS及/或電子裝置（包括與奈米通道相關聯之 偵測器）的半導體結構視為積體電路。 半導體結構110内所包含之例示性半導體裝置 J匕3用 於偵測混合物之進入奈米通道裝置之奈米通道的單—八 子、一個以上分子或組份的偵測器。例示性谓測器包括一 偵測器、電流量測裝置及電流偵測器。舉例而言：摘測: 可包含電子電路（例如’與奈米通道整合至半導體裝置中 的電子電路）。電子電路可包含（例如）電晶體及/或處理器 裝置。電子電路可為（例如）處理裝置。 在本發明之一實施例中，奈米通道為半導體結構ι〇〇内 之大致圓柱形結構。該圓柱形結構在垂直於圓柱體之轴線 的平面中具有圓形截面。其他實施例包含具有不同於圓柱 形之通道狀或管狀形狀的奈米通道，例如，具有大致方 形、矩形、橢圓形、不規則形或垂直於奈米通道之軸線之 其他截面的通道。奈米通道形狀之其他實例為直立立方體 (亦即，矩形箱）、橢圓柱體或具有不規則形狀截面之管。 奈米通道之截面及因此該奈米通道可藉由跨 面之平面中的最長尺寸（例如，圓形截面之直徑或== 面之對角線）而特徵化。如本文中所使用，跨越截面及在 戴面之平面中的此最長尺寸稱為奈米通道之特性尺寸。對 於圓柱形奈米通道而言，特性尺寸為圓柱體之直徑，對於 矩形奈米通道而言，特性尺寸為在垂直於奈米通道之最長 軸線之平®中的矩形戴面的對角線。奈米通道可具有（例 152638.doc 14 201137350 如）位於平行於半導體結構100之表面或平行於半導體結構 1 〇〇之基板之表面的平面中的轴線。 在一實施例中，奈米通道之特性尺寸可為相對較小的， 例如，小於約1〇〇 nm。某些實施例可包含具有小於約1〇 nm 或甚至小於約1 nm之特性尺寸的一或多個奈米通道。然 而，本發明之實施例不限於此等小尺寸，而是可包含具有 大於約100 nm之特性尺寸的奈米通道。 本發明之某些實施例包含奈米通道之内壁之全部或一部 分上的選擇性塗層。該塗層可起如下作用：提供、增強或 輔助鑑別或區分不同分子；提供層析裝置中之更好梯度 (例如，不同類型之分子中之至少一者的濃度梯度）；提供 一分子混合物之組份（例如，一混合物之不同類型的分子） 的更好離析；及/或改良穿過奈米通道之至少一部分的渡 越時間在識別分子上的鑑別力。舉例而言，圖丨a、圖丨b、 圖2a、圖2b、圖3a、圖3b、圖4a、圖4b、圖5、圖6、圖8 及圖9中所展示之奈米通道裝置之奈米通道可具有塗層。 該塗層可包含（例如）塗佈奈米通道之内壁之至少一部分的 不可混溶液體、結合至奈米通道之内壁之表面的至少一部 分的液體薄膜或塗佈奈米通道之内壁之至少一部分的固體 膜。 圖la及圖lb描繪根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置100，該奈米通道裝置1〇〇包含奈米通道140、耦接 至奈米通道140之試樣入口 120及耦接至奈米通道140之出 口 UO。奈米通道裝置100可為（例如）用於偵測、量化、識 152638.doc •15· 201137350 別及/或離析分子或化合物之裝置（例如’ 一將試樣提供至奈米通道140。出口 13。用於)在： 物通過奈米通道140之後使試樣（流出物）之至少一部分離開 通道。 在圖lb中，展示在奈米通道140内發生之分子的識別、 量化及/或離析，或層析。使試樣之分析物分子150進入至 試樣入口 120中。至少分析物分子15〇(例如，待偵測離 析或量測之分析物分子）流經奈米通道14〇且被溶離而作為 流出物穿過出口 130。在一說明性實施例中，分析物分子 150或其至少一部分（例如，待偵測、離析或量測之分析物） 藉由電梯度而移動穿過奈米通道14〇。電梯度可用以調節 分子通過速率以用於分子選擇。在另一說明性實施例中， 分析物分子150或其至少一部分（例如，待偵測、離析或量 測之分析物）藉由壓力梯度而移動穿過奈米通道14〇。藉由 對輸入試樣（例如，液體或氣體輸入試樣）之加壓而自試樣 入口 120至出口 13〇建立此梯度。該梯度基於固有性質（諸 如’大小或疏水性）而產生分子物質之相應梯度。 圖2a及圖2b描繒根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置200，該奈米通道裝置2〇〇包含奈米通道14〇、試樣 入口 120、出口 130及兩個電極21〇。奈米通道裝置2〇〇可為 (例如）用於偵測、量化、識別及/或離析分子或化合物之裝 置（例如’層析裝置）。兩個電極21〇耦接至奈米通道14〇之 末端且形成於試樣入口12〇及出口丨3〇中。在一說明性實施 例中’電極210可用以將電位或電梯度施加至奈米通道14〇 152638.doc • 16· 201137350 或跨越奈来通道140而施加電位或電梯度。電位或電梯度 可用以控制帶電混合物穿過奈米通道14〇之流動。藉由電 場而沿奈米通道之長度建立電梯度。 電極210亦可電耦接至電流量測裝置（偵測器）22〇，該電 . 流量測裝置（偵測器）220操作以藉由監視或判定流經奈米通 道140之離子電流來監視或判定一或多個分子在奈米通道 140内部之滯留時間。電流量測裝置22〇電耦接至電極2ι〇 中之一者（例如，出口 130處之電極210)且電耗接至電壓源 230。電壓源230電耦接至另一電極21〇(例如，試樣入口 120處之電極210)。電壓源230可供應電壓以形成電梯度。 可將電壓源230視為電流源以提供電流從而形成電梯度。 應注意’輕接至電極210之電流量測裝置22〇可起作用以 進行以下中之任一者或兩者：對作為由瞬間電流（例如， 電流尖波）所展現之離散事件的個別分子計數；或對展現 為一更連續電流之整體分子流（例如，多個分子）計數。 電流量測裝置220可連同奈米通道裝置2 〇〇而整合於半導 體結構110内、輕接至奈米通道140且操作以量測流經奈来 通道140之電流。電壓源可（但未必）整合至半導體結構11〇 • 中。整合之電壓源之實例包括太陽能電池及電磁或射頻 . (RF)電感電壓源。 圖3 a及圖3 b描繪根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置300，該奈米通道裝置300包含奈米通道14〇、試樣 入口 120、出口 130及耗接至奈米通道之一或多個光债測器 310。在圖3a及圖3b中，展示在奈米通道下方耦接至奈米 152638.doc • 17· 201137350 通道的兩個光偵測器310。奈米通道裝置300可為（例如）用 於 <貞測、量化、識別及/或離析分子或化合物之裝置（例 如，層析裝置）。光偵測器3 10與奈米通道裝置整合、以光 學方式耦接至奈米通道140且操作以執行來自進入至入口 120中之試樣之分析物分子（例如，待偵測、離析或量測之 分析物）的光學量測（例如，無光學透鏡之量測）。光偵測器 310可定位或整合於奈米通道140上方或下方。在一說明性 實施例中，光偵測器310可包含能夠偵測低強度信號之單 光子突崩二極體（SPAD)。光偵測器210可感測奈米通道14〇 内之光及/或光照度之改變。光偵測器210可能未必包括聚 焦光學裝置。 儘管在圖3a及圖3b中說明具有兩個光偵測器310之奈米 通道裝置300 ’但本發明之實施例並不如此受限制。涵蓋 僅具有一個光偵測器3 10及具有三個或三個以上光偵測器 3 10的實施例。 舉例而言，在通常稱為半導體製程之前段製程（FE0L)部 分之半導體處理的初期階段期間，光偵測器3 1 〇可如所展 示形成於奈米通道下方。舉例而言，可使用晶圓結合製程 將光摘測器310形成於奈米通道上方（光偵測器31〇未展示 位於奈米通道上方）。光偵測器31〇可如圖3b中所展示具有 位於光偵測器3 1 〇與奈米通道14〇之間的半導體材料，或可 形成奈米通道140之壁之部分。光偵測器31〇與奈米通道 140之間的半導體材料允許光在奈米通道14〇與光偵測器 3 10之間通過。 152638.doc -18- 201137350 僅藉由非限制性實例，可藉由一個、兩個或兩個以上光 源3 11將光引入至奈米通道中。如圖3a及圖3b中所展示， 光源3 11可耦接至奈米通道140之頂部且定位成跨越奈米通 道140而大致在光偵測器3 10之正對面。光源3 11可提供光 以供光偵測器310偵測。光可通過奈米通道140内之分析 物。如圖3a及圖3b中所展示，在兩個光偵測器310耗接至 奈米通道140之底部且兩個光源311輕接至奈米通道14〇之 頂部且每一光源311跨越奈米通道140而大約在光偵測器 310之正對面的情況下，奈米通道14〇之兩個部分藉由光源 3 11照明。該光在通過奈米通道140内之分析物之後係藉由 相應光偵測器3 10來偵測。可將光偵測器3 1 〇及用於提供照 明以供光偵測器3 1 0偵測之相應光源3 11視為偵測器單元、 光學偵測器單元或簡單地光學偵測器或偵測器。 對於一實例而言，一個或兩個光源3丨丨可提供來自分光 光度计之光或可結合分光光度計而提供光。光源311可搞 接至为光光度s十及/或視為分光光度計之部分。光痛測器 3 10可耦接至分光光度計，可將輸入提供至分光光度計之 至少部分及/或可視為分光光度計之光感測部分（亦即，光 偵測器）。 對於另一實例而言，每一光源可為雷射器。奈米通道裝 置可進-步包含光源31 〇(例如，提供來自分光光度計之光 或結合分光光度計而提供光的雷射器或光源）。 如上文所描述，奈米通道裝置3〇〇可使用飛行時間識別 分子類型且量化（例如’藉由分子類型來量化）通過奈米通 152638.doc •19- 201137350 道140之分子之數目。 圖化及圖朴展示根據本發明之—例示性實施例之奈米通 道裝置彻，該奈米通道裝置4〇〇包含奈米通道44〇、試樣 入口㈣、出σ 13G絲接至奈米通道例之電導體42〇。夺 米通道裝置4_接至電流量測裝置彻及電壓源43〇。奈 米通道裝置_可為（例如）用於㈣、量化 '識別及/或離 析分子或化合物之裝置（例如，層析裝置）。電流量測裝置 41〇電耦接至導體420中之一者（例如，朝向出口 13〇之導體 420)及電壓源430。電壓源430電耦接至另一導體42〇(例 如，朝向試樣入口 120之導體420)。電壓源43〇可供應電壓 以形成電梯度。可將電壓源430視為電流源以提供電流從 而形成電梯度。 除導體420可形成奈米通道440之壁之一部分之外，奈米 通道440類似於奈米通道140。導體420可包含（例如）金屬及/ 或半導體材料。 奈米通道裝置400與奈米通道裝置200類似之處在於，導 體420類似於電極210，此係因為導體420可用於藉由電場 而沿奈米通道之長度在奈米通道440中建立電梯度。電才弟 度可用以控制帶電混合物穿過奈米通道440的流動。然 而，奈米通道裝置400與奈米通道裝置200不同之處在於， 導體420可定位於奈米通道440之末端處或定位於奈米通道 440之長度内比末端更深處，其中電極210在試樣入口 12〇 及出口 130内定位於奈米通道440之末端處或附近。因此， 對於奈米通道裝置400而言，電梯度及電場係在奈米通道 152638.doc -20· 201137350 400之位於導體420之間的彼部分内，而對於奈米通道裝置 200而言，電梯度及電場可延伸奈米通道之整個長度。 如圖4a及圖4b中所展示，導體420可在奈米通道44〇之末 端處、接近於奈米通道440之末端或朝向奈米通道44〇之末 端而麵接至奈米通道440。僅藉由實例，導體42〇可在奈米 通道440周圍形成連續環、形成至奈米通道44〇之單點接 點，或形成與奈米通道440之多（例如，兩）點接點。導體 420可形成奈米通道44〇之壁之—部分且可與試樣或流經奈 米通道440之組份實體接觸以及電接觸。如圖牦及圖仆中 所屐示，導體420為在奈米通道44〇周圍為連續的。或者， 導體420可僅在奈米通道44G周圍之圓周％ _部/分處（例 如，在奈米通道440之頂部）接觸奈米通道。應注音， 至導體420之電流量測裝置彻可起作用以崎以;中之任 -者或兩者：對作為由瞬間電流(例如，電流尖波)所展現 之離散事件的個別分子計數；或對展現為一更連續電流之 整體分子流（例如，多個分子）計數。 電流量測褒置41〇可連同奈米通道裝置而整合於半導體 結構⑽内、_接至奈米通道14〇且操作以量測流經奈米通 道140之電流°在-說明性實施例中，導體420可經由原子 層沈積（ALD)製程而形成於奈米通道内。 必）整合至半導體結構u〇中。 疗U仁未 圖5展示根據本發明之— ^目闰β太丄 員她例心/丁…卡通道裝置500的傰 編，儘 包含二個Α致平行之奈米通達 440_1、440_2 及 44〇_3、導體· 八Ν戎樣入口 520及共同 J52638.doc 201137350 出口 530。本半、s μ '、木通道440-1、440-2及440-3中之每一者 接至偵測器(例如，光偵測器(未圖示)或電流量剛裝： 41〇)。搞接至電流量測裝置410之每-奈米通道44〇1、 440-2及440-3亦可耦接至電壓源43〇，如參看圖牦及圖 描述且如圖5中所〜 所展不。在一特疋貫施例中，該等奈 道中之一此太止η , $ it 二不未通道耦接至第一類型之偵測器（例如， 偵測器），且該算太本、3、若Λ ,,., /寻奈未通道中之一些奈米通道耦接至第二 :型之债測器(例％，具有或不具有耗接之電壓源的電： 量測裝置）。奈米通道裝置5〇〇可為（例如）用於偵測、量 化、識別及/或離析分子或化合物之裝置（例如，層析裝 置）。三個電流量測裝置41〇及電壓源43〇連同相關聯導體 420中之母一者類似於(例如，關於整合、置放、耦接及作 用而類似）奈米通道裝置400之電流量測裝置410及電壓源 430連同相關聯導體42〇。共同試樣入口 52〇耦接至所有^ 個:米通道440，且將試樣提供至所有三個奈米通道々々ο。 共同出口 530耦接至所有三個奈米通道44〇，且允許流出物 自所有二個奈米通道44〇流出。有利地，可增加奈米通道 之間的距離以減少通道之間的通道串擾。在本發明之一額 外態樣中，可形成具有實質上在共同平面（例如，實質上 平行於半導體結構110之上表面的共同平面）内之軸線（Α1_

Bl、Α2-Β2及Α3-Β3)的三個奈米通道44(Μ、44〇_2及44〇 3。 儘管奈米通道裝置500之說明性實施例包含三個奈米通 道440-1、440-2及440-3，但本發明之其他實施例並不如此 受限制。涵蓋包含三個以上奈米通道44〇或包含僅兩個奈 152638.doc -22- 201137350 米通道440的其他實施例。奈米通道44〇之大數目（例如， 多達數千個）為有利的以改良準確度、穩健性及/或敏感 性。儘管奈米通道裝置5〇〇之說明性實施例包含三個實質 上平行之奈米通道44(M、44〇_2及44〇_3，但本發明之其他 實施例並不如此受限制且可包含不平行之奈米通道彻。 圖6展不根據本發明之一實施例之奈米通道裝置6〇〇的截 面圖，該奈米通道裝置6〇〇包含奈米通道64〇、試樣入口 120及出口 13〇。例示性奈米通道裝置6〇〇耦接至光偵測器 3 10。奈米通道裝置6〇〇可為（例如）用於偵測、量化、識別 及/或離析分子或化合物之裝置（例如，層析裝置）。除奈米 通道640之形狀之外，奈米通道裝置6〇〇類似於奈米通道裝 置1〇〇。奈米通道640包含第一部分64〇八、第二部分64〇b 及第三部分640C。第一部分640A耦接至試樣入口 12〇，且 自試樣入口 120接收試樣。第二部分64〇]5耦接至第一部分 64〇A且自第一部分640A接收試樣之至少一部分。第三部 分640C輕接至第二部分64〇b且自第二部分640B接收試樣 之至少一部分。出口 13〇耦接至第三部分64〇c，且自第三 部分640C接收試樣（流出物）之至少一部分。第二部分64〇B 具有大於第三部分640C之直徑、臨界尺寸或截面面積且視 情況大於第一部分640 A之直徑或截面面積的直徑、臨界尺 寸或截面面積。以此方式，奈米通道裝置6〇〇具有奈米通 道640之經調節直徑、臨界尺寸或截面面積。可藉由此項 技術中已知之半導體處理來形成不同奈米通道直徑、臨界 尺寸或截面面積。較寬之第二部分640B積聚分析物以供光 152638.doc -23· 201137350 偵測器310更好地偵測。 奈米通道裝置600與奈米通道裝置3〇〇類似之處在於，奈 米通道裝置600包含至少-光伯測器31〇且可自光源3ιι接 收光《在奈米通道裝置600中，除在奈米通道裝置6〇〇中光 偵測器310及光源3〗1可定位於奈米通道64〇之較寬部分（例 如，第二部分640B)或蓄集部分上之外，光偵測器31〇及光 源3 11之置放、操作及數目類似於奈米通道裝置3 中之光 偵測器3 10及光源3 11之置放、操作及數目。 可將奈米通道裝置600視為在奈米通道之蓄集部分之一 为中&供分析物之蓄集（例如，分析物之積聚）及光學量 測的奈米通道裝置之一實例。提供蓄集（例如，分析物之 積聚）之奈米通道裝置之另一實例為在半導體結構100中具 有獨立蓄集結構的裝置《該獨立蓄集結構代替奈米通道之 具有較大截面面積之部分或該獨立混合結構係除奈米通道 之具有較大截面面積之部分之外的結構。該蓄集結構可為 (例如）半導體結構1 00中之一或多個空腔，該一或多個空腔 耗接至奈米通道且經組態以用分析物（亦即，試樣）之至少 一部分至少部分地填充該一或多個空腔◊該蓄集結構耦接 至奈米通道，該奈米通道將分析物提供至蓄集結構且可提 供分析物自蓄集結構之流出。在此實施例中，一或多個光 偵測器及光源可定位成接近於或耦接至蓄集結構以用於光 學量測或分析物之分析。分析物之蓄集提供較大量之分析 物以用於光學量測。 儘管圖6中說明耦接至一個光偵測器3 i 〇及一個光源3 i i 152638.doc •24- 201137350 之奈米通道装置600 ’但本發明之實施例並不如此受限 制。涵蓋僅具有一個以上光偵測器3丨〇及光源3丨丨的實施 例0 圖7描繪說明根據本發明之一實施例的用於形成用於偵 測一或多個分子之半導體裝置之方法的流程圖。在步驟 710處，在半導體結構内形成至少—奈米通道。在步驟72〇 處，在半導體結構内形成至少一偵測器。該至少一偵測器 偵測進入至少一奈米通道之試樣之一或多個分子。 圖8展示根據本發明之一實施例之半導體裝置8〇〇(諸 如’積體電路），其包含奈米通道裝置81〇(例如，奈米通道 裝置200、3 00、400、500或600)及處理器裝置820。半導 體裝置或積體電路操作以偵測進入奈米通道裝置81〇之一 或多個通道的試樣之一或多個分子。奈米通道裝置81〇包 含至少一偵測器8 11以偵測一或多個分子及提供自奈米通 道裝置輸出之電信號830»奈米通道裝置810之輸出端在至 處理器裝置820之輸入端處耦接至處理器裝置82〇。信號 830回應於一或多個分子之偵測。處理器裝置82〇經組態以 至少部分地基於信號8 3 0而產生一輸出。在一些實施例 中’處理器裝置820可經由進一步將處理器裝置820耦接至 奈米通道裝置810之電控制信號840而提供奈米通道裝置 8 10之自動化或半自動化控制。控制信號840可（例如）控制 電壓源230(圖2a)或電壓源430(圖4a或圖5)。 應瞭解’因為自晶圓分割晶粒，所以將包含根據本發明 之貫施例之一或多個奈米通道裝置的晶粒視為本發明之部 152638.doc -25· 201137350 分。 可將本發明之技術或結構之至少一部分（例如，圖丨至圖 8中所說明之技術或結構）實施於—或多個積體電路中。在 形成積體電路中，通常以重複圖案在半導體晶圓之表面上 製造晶粒。自晶圓切割或分割個別晶粒，接著將晶粒封裝 成積體電路。熟習此項技術者應知曉分割晶圓及封裝晶粒 以生產積體電路之方式》將如此製造之積體電路視為本發 明之部分。 圖9為描繪根據本發明之一實施例之例示性已封裝積體 電路900的截面圖。已封裝積體電路9〇〇包含引線框、 附接至引線框之晶粒9〇4及塑膠囊封模908 ^儘管圖9僅展 示一種類型之積體電路封裝，但本發明並未如此受限制； 本發明可包含封閉於任何封裝類型中的積體電路晶粒。 晶粒904包括本文中所描述之裴置，且可包括其他結構 或電路。舉例而言，晶粒904包括根據本發明之實施例之 至少一導通孔。 根據本發明之積體電路可用於應用程式、硬體及/或電 子系統中。用於實施本發明之合適硬體及系統可包括（但 T限於)個人電腦、通信網路、電子商務系統、攜帶型通 ^裝置（例如，行動電話）、固態媒體儲存裝置、功能電路 併有此等積體電路之系統及硬體被視為本發明之部 刀在’·’〇疋本文中所提供之本發明教示的情況下一般熟 I匕項技術者將能夠預期本發明之技術的其他實施及應 用。 I52638.doc • 26 · 201137350 應瞭解且應理解’可以許多不同方式來實施上文所描述 之本發明之例示性實施例。在給定本文中所提供之本發明 教不的情況下，一般熟習此項技術者將能夠預期本發明之 其他實施。實際上’儘管本文中已參看隨附圖式描述本發 明之說明性實施例，但應理解，本發明並不限於彼等精確 實細例，且熟習此項技術者可在不背離本發明之範疇及精 神的情況下做出各種其他改變及修改。 【圖式簡單說明】 圖1 a及圖1 b說明根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置’該奈米通道裝置包含奈米通道、耦接至奈米通道 之試樣入口及耦接至奈米通道之出口； 圖2 a及圖2 b說明根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置，該奈米通道裝置包含奈米通道、輕接至奈米通道 之試樣入口、耦接至奈米通道之出口及兩個電極； 圖3a及圖3b說明根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置’該奈米通道裝置包含奈米通道、耦接至奈米通道 之試樣入口、耦接至奈米通道之出口及耦接至奈米通道之 光偵測器； 圖4a及圖4b說明根據本發明之一例示性實施例之奈米通 道裝置，該奈米通道裝置包含奈米通道、耦接至奈米通道 之試樣入口、耦接至奈米通道之出口及耦接至奈米通道之 導體； 圖5展示根據本發明之一實施例之例示性多通道奈米通 道裝置的俯視圖，該奈米通道裝置包含多個大致平行之奈 152638.doc -27- 201137350 米通道、導體、共同試樣入口及共同出口； 圖6展示根據本發明之一實施例之奈米通道裝置的截面 圖，該奈米通道裝置包含具有至少兩個截面區域之奈米通 道、一試樣入口及出口； 圖7描緣說明根據本發明之一實施例的用於形成用於偵 測一或多個分子之半導體裝置之方法的流程圖； 圖8展示根據本發明之一實施例之包含奈米通道裝置及 處理器裝置的半導體裝置（諸如，積體電路）；及 圖9為描繪根據本發明之一實施例之一例示性已封裝積 體電路的截面圖。 【主要元件符號說明】 100 110 110Α 110Β 110C 120 130 140 150 200 210 220 230 152638.doc 半導體結構/奈米裝置 半導體結構 層 層 層 試樣入口 出α 奈米通道 分析物分子 奈米通道裝置 電極 電流量測裝置 電壓源 -28- 201137350 300 奈米通道裝置 310 光偵測器 311 光源 400 奈米通道裝置 410 電流量測裝置 420 導體 430 電壓源 440 奈米通道 440-1 奈米通道 440-2 奈米通道 440-3 奈米通道 500 奈米通道裝置 520 共同試樣入口 530 共同出口 600 奈米通道裝置 640 奈米通道 640A 第一部分 640B 第二部分 640C 第三部分 800 半導體裝置 810 奈米通道裝置 811 偵測器 820 奈米通道裝置 830 電信號 152638.doc -29- 201137350 840 電控制信號 900 已封裝積體電路 902 引線框 904 晶粒 908 塑膠囊封模 A-B 軸線 Al-Bl 軸線 A2-B2 軸線 A3-B3 軸線 152638.doc -30·

Claims (1)

1. 201137350 七、申請專利範圍： 1. 一種用於偵測一或多個分子之半導體裝置，該+導體裝 置包含： 一通道，其形成於一半導體結構内；及 至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該爭導體結構 内； 其中該至少一偵測器偵測該通道中之該/或多個分 子。 2. 如請求項1之半導體裝置，其進一步包含： 一試樣入口，其用以將包含該一或多個分孑之一試樣 提供至該通道’該試樣入口麵接至該通道之一末端’及 一出口’其用於使該試樣之至少一部分離開該通道’ 該出口耦接至該通道之另一末端。 3. 如請求項2之半導體裝置，其進一步包含： 一第一電極，其接近於該試樣入口；及 一第二電極，其接近於該出口。 4·如請求項3之半導體裝置，其中該第一電極及該第二電 極用於進行以下動作中之至少一者：（i)將一電位施加至 . 該通道；及（Π)量測流經該通道之一電流。 5.如請求項1之半導體裝置，其進一步包含耦接至該通道 之至少兩個導體。 6'如請求項5之半導體裝置，其中該至少兩個導體用於進 行以下動作中之至少一者：（i)將一電位施加至該通道之 至少一部分；及（ii)量測流經該通道之該至少一部分的一 152638.doc 201137350 電流；或其中該至少兩個導體形成該通道之-壁之一部 分。 7.如：:“1之半導體裝置，其中該半導體裝置操作以偵 測-早—分子；或其中該通道為以下各項中之一者：一 圓柱體、-橢圓柱體、—直立立方體及具有〆不規則形 狀截面之-管’且其中-特性尺寸為跨越該通道之-截 最長尺寸，β亥截面與該通道之軸線成大致直角，該 尺寸小於以下各項中之至少一者 '約_奈米、約 10奈米、約1奈米。 8. 如玥求項2之半導體裝置，其進—步包含形成於該半導 體結構内之-或多個額外通道，其中該—或多個額外通 道中之每-者之-末_接至該試樣人口且該—或多個 額外通道中之該每一者之另一末端耦接至該出口，且其 ^ ^或多個額外通道耦接至一或多個相關聯額外偵測 器，或其中該通道及該一或多個額外通道大約平行且具 有實為上駐留於一共同平面内之轴線。 9. 如請求項〗之半導體裝置，其中該至少一偵測器包含一 電流量測裝置，該電流量測裝置操作以藉由判定流經該 通道之離子電流來判定該一或多個分子在該通道内部之 一滞留時間；或其中該至少一偵測器包含以下各項中之 至少一者：⑴至少一光偵測器，其操作以感測該通道内 之光；及（ii)至少一光源，其操作以將該光供應至該通道 中。 10. 如請求項1之半導體裝置，其中該通道之至少一第一區 152638.doc -2- 201137350

   一光源耦接至該通道之該第—區段。 其中具有以下情形中之至少 竣通道之該第一區段；及（^)

   場沿該通道之長度而建立； 斤T该試稞之主少一部分係 通道，該電梯度係藉由一電 或其中該試樣之至少_邱八 係藉由一壓力梯度而移動穿過該通道。 13·如請求項1之半導體裝置，其中該半導體結構包含矽； 或其中穿過該通道之至少一部分的一渡越時間用以進行 以下動作中之至少一者.（i)識別該一或多個分子丨及（^) 對經過該通道之該一或多個分子的一數目計數。 14. 如請求項丨之半導體裝置，其操作以進行以下動作中之 至少一者.（i)自一組份混合物離析出至少一組份；（ϋ)識 別該一或多個分子；及（iii)對該一或多個分子之—數目 計數。 15. 如清求項1之半導體裝置，其進一步包含該通道之至少 一部分之一内壁上的一塗層，該塗層至少輔助進行以下 各項中之至少一者：⑴該一或多個分子之間的鑑別；（π) 一層析裝置中之該一或多個分子的一濃度梯度；及（iii) 一 混合物之組份的離析，該混合物包含該一或多個分子。 16·如請求項1之半導體裝置，其進一步包含該半導體結構 内之一空腔，該空腔耦接至該通道且經組態以用該試樣 之至少一部分來至少部分地填充該空腔。 152638.doc 201137350 17. 一種用於偵測一或多個分； ^ a ^ 子之層析裝置’該層析裝置 含： 包 内 一通道，其形成於-半導趙結構内；及 至v -偵測β ’該至少一偵測器形成於該半導體結構 其中該至少 子；且 偵測器偵頃“亥通道中之該-或多個分 其中該層析裝置操作以 ⑴自一組份混合物離析出 混合物中之至少一組份。 進行以下動作中之至少一者： 至少一組份；及（ii)偵測一組份 18. 一種操作以偵測一 包含： 或多個分子之積體電路’該積體電路 至乂 -通道，该至少一通道形成於一半導體結構内； 至夕4貞測窃’该至少-偵測器形成於該半導體結構 内，其中该至少一偵測器偵測該通道中之該一或多個分 子且回應於该-或多個分子之該1貞測而產生—信號·，及 —處理器裝置’其耦接至該至少一伯測器且操作以至 少部分地基於該信號而產生一輸出。 19. 種用於形成用於偵測一或多個分子之一半導體裝置的 方法’該方法包含： 在一半導體結構内形成至少一通道；及 在該半導體結構内形成至少一偵測器； 其中該至少一偵測器偵測該通道中之該一或多個分 子0 152638.doc