TWI497068B - 半導體裝置、層析裝置、用於偵測一或多個分子之積體電路及半導體裝置之形成方法 - Google Patents

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Description

半導體裝置、層析裝置、用於偵測一或多個分子之積體電路及半導體裝置之形成方法
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。
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合物。該混合物可進一步包含用於使該兩種或兩種以上組份(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測之分析物。被注入至層析固定相中的試樣混合物中之組份基於其與固定相相互作用的強度而行進不同距離。單一分子或其他組份在層析通道內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。耦接至層析裝置之偵測器能夠產生針對滯留時間所標繪的信號以產生溶離峰值。對此等峰值之分析允許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定相內具有不同滯留時間，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。
層析技術藉由固定相結構、形狀及定向而變化。管柱層析可涉及裝填管柱(packed column)，亦即，裝填有常常為樹脂或珠粒基質之固定相的管。或者，管柱層析可涉及一開放管柱，亦即，一管：其具有結合(例如，共價地結合)至管之內壁的固定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。
平面層析為固定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得到混合物之分析。在各種應用中廣泛實踐薄層及紙層析。在平面層析中，固定相可為特殊層析紙或諸如矽膠、氧化鋁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賽璐珞(celluloid)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不同狀態亦以正使用之氣態流動相及液態流動相兩者而為吾人所已知。
舉例而言，本發明之原理提供用於偵測一或多個分子之半導體裝置、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內；及至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該半導體結構內。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內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。該至少一偵測器偵測該通道中之該一或多個分子且回應於對該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一輸出。
根據本發明之一第四態樣，一種用於形成用於偵測一或多個分子之一半導體裝置的方法包含：在一半導體結構內形成至少一通道；及在該半導體結構內形成至少一偵測器。該至少一偵測器偵測該通道中之該一或多個分子。
根據本發明之一第五態樣，上述半導體裝置操作以偵測、識別單一分子以及一個以上分子及/或對其計數。
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。
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、砷化鎵或其他半導體中。然而，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疇內的眾多修改。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，術語接近 或接近 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/或形成於半導體內之裝置，接近或接近於可包括(但不限於)電耦接或耦接至。如本文中所使用，術語鄰接 具有包括(但不限於)接近於的意思。
如本文中所使用，術語電極 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420與電極210；然而，在廣泛意義上，可將導體420視為電極。
如本文中所使用，術語分光光度學 為電磁波譜之可量化研究。其可比更一般術語電磁分光學更為特定之處在於，分光光度學處理可見光、近紫外線及近紅外線。分光光度計 可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性之趨勢，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平面奈米通道 ，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)。該管可視情況內襯有特定用於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，可能需要偵測一或多個分子。
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(但不限於)：i)用於晶片上量化、識別、離析及/或偵測分子之奈米通道；ii)具有奈米通道結構與偵測組件之直接整合的平面矽裝置；iii)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/或量化一混合物之組份(例如，分子或化合物)。奈米通道識別及量化組份的一種例示性方式使用組份之層析離析以用於在稍後量化。在此狀況下，不需要對個別分子計數。當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內的不同成分相關。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，層析裝置內之毛細管奈米通道)，其具有足夠小(例如，小於約100 nm)以偵測單一分子或組份的直徑。根據本發明之實施例，本發明之另一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、光偵測器、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，可在半導體結構內形成奈米通道。美國專利第7,351,648號(其揭示內容以引用之方式併入本文中)描述一種可用以在半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(例如，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整合至半導體結構中。偵測裝置可包括(例如)光源、光偵測器、電流量測裝置或一特定層析製程所要之其他感測器。偵測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管柱或通道耦接至獨立偵測裝置相關聯的問題。舉例而言，可避免與耦接、堵塞及將可變性引入至量測中相關聯的問題。
可形成具有一結構之奈米通道，該結構積聚或蓄集(pool)被輸入至混合物奈米通道中的混合物或其一部分。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(例如)奈米通道之一部分，該部分具有比奈米通道的另一部分大的截面(例如，大至約兩倍以上)。舉例而言，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飛行時間 ，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渡越時間(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對每一分子之個別偵測使得能夠對分子計數(量化)且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，或通道內之兩個點)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內的滯留時間)，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300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內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，奈米通道140)且形成於半導體結構(例如，半導體結構110)或基板內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裝置。圖1a、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內的奈米通道。圖1b、圖2b、圖3b、圖4b及圖6為奈米通道裝置之截面圖，該等截面包括一奈米通道之軸線A-B或三個奈米通道之軸線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110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熟知的。因此，可將包含如本文中所描述之奈米通道裝置及(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內所包含之例示性半導體裝置可包含用於偵測混合物之進入奈米通道裝置之奈米通道的單一分子、一個以上分子或組份的偵測器。例示性偵測器包括光偵測器、電流量測裝置及電流偵測器。舉例而言，偵測器可包含電子電路(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100內之大致圓柱形結構。該圓柱形結構在垂直於圓柱體之軸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越截面及在截面之平面中的最長尺寸(例如，圓形截面之直徑或矩形截面之對角線)而特徵化。如本文中所使用，跨越截面及在截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面中的矩形截面的對角線。奈米通道可具有(例如)位於平行於半導體結構100之表面或平行於半導體結構100之基板之表面的平面中的軸線。
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100 nm。某些實施例可包含具有小於約10 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內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1a、圖1b、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)塗佈奈米通道之內壁之至少一部分的不可混溶液體、結合至奈米通道之內壁之表面的至少一部分的液體薄膜或塗佈奈米通道之內壁之至少一部分的固體膜。
圖1a及圖1b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100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130。奈米通道裝置100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)。試樣入口120將試樣提供至奈米通道140。出口130用於在流出物通過奈米通道140之後使試樣(流出物)之至少一部分離開通道。
在圖1b中，展示在奈米通道140內發生之分子的識別、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150(例如，待偵測、離析或量測之分析物分子)流經奈米通道140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140。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140。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130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描繪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200包含奈米通道140、試樣入口120、出口130及兩個電極210。奈米通道裝置200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210耦接至奈米通道140之末端且形成於試樣入口120及出口130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140或跨越奈米通道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140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)220，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內部之滯留時間。電流量測裝置220電耦接至電極210中之一者(例如，出口130處之電極210)且電耦接至電壓源230。電壓源230電耦接至另一電極210(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，耦接至電極210之電流量測裝置220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200而整合於半導體結構110內、耦接至奈米通道140且操作以量測流經奈米通道140之電流。電壓源可(但未必)整合至半導體結構110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3a及圖3b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140、試樣入口120、出口130及耦接至奈米通道之一或多個光偵測器310。在圖3a及圖3b中，展示在奈米通道下方耦接至奈米通道的兩個光偵測器310。奈米通道裝置300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)。光偵測器310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140內之光及/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310及具有三個或三個以上光偵測器310的實施例。
舉例而言，在通常稱為半導體製程之前段製程(FEOL)部分之半導體處理的初期階段期間，光偵測器310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偵測器310形成於奈米通道上方(光偵測器310未展示位於奈米通道上方)。光偵測器310可如圖3b中所展示具有位於光偵測器310與奈米通道140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310與奈米通道140之間的半導體材料允許光在奈米通道140與光偵測器310之間通過。
僅藉由非限制性實例，可藉由一個、兩個或兩個以上光源311將光引入至奈米通道中。如圖3a及圖3b中所展示，光源311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310之正對面。光源311可提供光以供光偵測器310偵測。光可通過奈米通道140內之分析物。如圖3a及圖3b中所展示，在兩個光偵測器310耦接至奈米通道140之底部且兩個光源311耦接至奈米通道140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140之兩個部分藉由光源311照明。該光在通過奈米通道140內之分析物之後係藉由相應光偵測器310來偵測。可將光偵測器310及用於提供照明以供光偵測器310偵測之相應光源311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311可提供來自分光光度計之光或可結合分光光度計而提供光。光源311可耦接至分光光度計及/或視為分光光度計之部分。光偵測器310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。奈米通道裝置可進一步包含光源310(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300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)通過奈米通道140之分子之數目。
圖4a及圖4b展示根據本發明之一例示性實施例之奈米通道裝置400，該奈米通道裝置400包含奈米通道440、試樣入口120、出口130及耦接至奈米通道440之電導體420。奈米通道裝置400耦接至電流量測裝置410及電壓源430。奈米通道裝置400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)。電流量測裝置410電耦接至導體420中之一者(例如，朝向出口130之導體420)及電壓源430。電壓源430電耦接至另一導體420(例如，朝向試樣入口120之導體420)。電壓源430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。電梯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之長度內比末端更深處，其中電極210在試樣入口120及出口130內定位於奈米通道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400之位於導體420之間的彼部分內，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440之末端處、接近於奈米通道440之末端或朝向奈米通道440之末端而耦接至奈米通道440。僅藉由實例，導體420可在奈米通道440周圍形成連續環、形成至奈米通道440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440之壁之一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4a及圖4b中所展示，導體420為在奈米通道440周圍為連續的。或者，導體420可僅在奈米通道440周圍之圓周的一部分處(例如，在奈米通道440之頂部)接觸奈米通道。應注意，耦接至導體420之電流量測裝置410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410可連同奈米通道裝置而整合於半導體結構110內、耦接至奈米通道140且操作以量測流經奈米通道140之電流。在一說明性實施例中，導體420可經由原子層沈積(ALD)製程而形成於奈米通道內。電壓源可(但未必)整合至半導體結構110中。
圖5展示根據本發明之一實施例之奈米通道裝置500的俯視圖，該奈米通道裝置500包含三個大致平行之奈米通道440-1、440-2及440-3、導體420、共同試樣入口520及共同出口530。奈米通道440-1、440-2及440-3中之每一者可耦接至偵測器(例如，光偵測器(未圖示)或電流量測裝置410)。耦接至電流量測裝置410之每一奈米通道440-1、440-2及440-3亦可耦接至電壓源430，如參看圖4a及圖4b所描述且如圖5中所展示。在一特定實施例中，該等奈米通道中之一些奈米通道耦接至第一類型之偵測器(例如，光偵測器)，且該等奈米通道中之一些奈米通道耦接至第二類型之偵測器(例如，具有或不具有耦接之電壓源的電流量測裝置)。奈米通道裝置500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410及電壓源430連同相關聯導體420中之每一者類似於(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420。共同試樣入口520耦接至所有三個奈米通道440，且將試樣提供至所有三個奈米通道440。共同出口530耦接至所有三個奈米通道440，且允許流出物自所有三個奈米通道440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)內之軸線(A1-B1、A2-B2及A3-B3)的三個奈米通道440-1、440-2及440-3。
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440或包含僅兩個奈米通道440的其他實施例。奈米通道440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500之說明性實施例包含三個實質上平行之奈米通道440-1、440-2及440-3，但本發明之其他實施例並不如此受限制且可包含不平行之奈米通道440。
圖6展示根據本發明之一實施例之奈米通道裝置600的截面圖，該奈米通道裝置600包含奈米通道640、試樣入口120及出口130。例示性奈米通道裝置600耦接至光偵測器310。奈米通道裝置600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600類似於奈米通道裝置100。奈米通道640包含第一部分640A、第二部分640B及第三部分640C。第一部分640A耦接至試樣入口120，且自試樣入口120接收試樣。第二部分640B耦接至第一部分640A且自第一部分640A接收試樣之至少一部分。第三部分640C耦接至第二部分640B且自第二部分640B接收試樣之至少一部分。出口130耦接至第三部分640C，且自第三部分640C接收試樣(流出物)之至少一部分。第二部分640B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640A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600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積聚分析物以供光偵測器310更好地偵測。
奈米通道裝置600與奈米通道裝置300類似之處在於，奈米通道裝置600包含至少一光偵測器310且可自光源311接收光。在奈米通道裝置600中，除在奈米通道裝置600中光偵測器310及光源311可定位於奈米通道640之較寬部分(例如，第二部分640B)或蓄集部分上之外，光偵測器310及光源311之置放、操作及數目類似於奈米通道裝置300中之光偵測器310及光源311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部分中提供分析物之蓄集(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100中之一或多個空腔，該一或多個空腔耦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310及一個光源311之奈米通道裝置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310及光源311的實施例。
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，在半導體結構內形成至少一奈米通道。在步驟720處，在半導體結構內形成至少一偵測器。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800(諸如，積體電路)，其包含奈米通道裝置810(例如，奈米通道裝置200、300、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810之一或多個通道的試樣之一或多個分子。奈米通道裝置810包含至少一偵測器811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820。信號830回應於一或多個分子之偵測。處理器裝置820經組態以至少部分地基於信號830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810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實施例之一或多個奈米通道裝置的晶粒視為本發明之部分。
可將本發明之技術或結構之至少一部分(例如，圖1至圖8中所說明之技術或結構)實施於一或多個積體電路中。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900包含引線框902、附接至引線框之晶粒904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裝置，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(但不限於)個人電腦、通信網路、電子商務系統、攜帶型通信裝置(例如，行動電話)、固態媒體儲存裝置、功能電路等。併有此等積體電路之系統及硬體被視為本發明之部分。在給定本文中所提供之本發明教示的情況下，一般熟習此項技術者將能夠預期本發明之技術的其他實施及應用。
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示的情況下，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施例，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。
100．．．半導體結構/奈米裝置
110．．．半導體結構
110A．．．層
110B．．．層
110C．．．層
120．．．試樣入口
130．．．出口
140．．．奈米通道
150．．．分析物分子
200．．．奈米通道裝置
210．．．電極
220．．．電流量測裝置
230．．．電壓源
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
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
A1-B1．．．軸線
A2-B2．．．軸線
A3-B3．．．軸線
圖1a及圖1b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2a及圖2b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；
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。
100．．．奈米通道裝置
110．．．半導體結構
120．．．試樣入口
130．．．出口
140．．．奈米通道
A-B．．．軸線

Claims (20)

  1. 一種用於偵測一或多個分子之半導體裝置，該半導體裝置包含：一通道，其形成於一半導體結構內；及至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該半導體結構內；其中該至少一偵測器經組態以偵測該通道中之該一或多個分子；及其中該通道包含：耦接至一試樣入口之一第一末端；耦接至一試樣出口之一第二末端；具有一第一直徑之一第一區段，該第一區段自該試樣入口延伸至該通道中之一第一點；具有一第二直徑之一第二區段，該第二直徑大於該第一直徑，該第二區段自該第一點延伸至該通道中之一第二點；及具有一第三直徑之一第三區段，該第三直徑小於該第二直徑，該第三區段自該第二點延伸至該試樣出口。
  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子之一試樣提供至該通道，該試樣入口耦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(ii)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電流；或其中該至少兩個導體形成該通道之一壁之一部分。
  7. 如請求項1之半導體裝置，其中該半導體裝置操作以偵測一單一分子；或其中該通道為以下各項中之一者：一圓柱體、一橢圓柱體、一直立立方體及具有一不規則形狀截面之一管，且其中一特性尺寸為跨越該通道之一截面的最長尺寸，該截面與該通道之軸線成大致直角，該特性尺寸小於以下各項中之至少一者：約100奈米、約10奈米、約1奈米。
  8. 如請求項2之半導體裝置，其進一步包含形成於該半導體結構內之一或多個額外通道，其中該一或多個額外通道中之每一者之一末端耦接至該試樣入口且該一或多個額外通道中之該每一者之另一末端耦接至該出口，且其中該一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質上駐留於一共同平面內之軸線。
  9. 如請求項1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內部之一滯留時間；或其中該至少一偵測器包含以下各項中之至少一者：(i)至少一光偵測器，其操作以感測該通道內之光；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，其中該第一區段、該第二區段及該第三區段中之至少一者具有沿其長度改變之一個別直徑。
  11. 如請求項10之半導體裝置，其中具有以下情形中之至少一者：(i)一光偵測器耦接至該通道之該第一區段；及(ii)一光源耦接至該通道之該第一區段。
  12. 如請求項1之半導體裝置，其中該試樣之至少一部分係藉由一電梯度而移動穿過該通道，該電梯度係藉由一電場沿該通道之長度而建立；或其中該試樣之至少一部分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。
  14. 如請求項1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；(ii)識別該一或多個分子；及(iii)對該一或多個分子之一數目計數。
  15. 如請求項1之半導體裝置，其進一步包含該通道之至少一部分之一內壁上的一塗層，該塗層至少輔助進行以下各項中之至少一者：(i)該一或多個分子之間的鑑別；(ii)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，其中該偵測器包含置放於該通道中之個別第一位置及第二位置處之一第一電極及一第二電極，該偵測器經組態以判定一或多個分子通過該通道之至少一部分所花費的一時間，及其中所花費的該時間係用以進行以下動作中之至少一者：(i)識別該一或多個分子；及(ii)對經過該通道之該一或多個分子的一數目計數。
  17. 如請求項1之半導體裝置，其進一步包含該半導體結構內之一空腔，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。
  18. 一種用於偵測一或多個分子之層析裝置，該層析裝置包含：一通道，其形成於一半導體結構內；及至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該半導體結構內；其中該至少一偵測器經組態以偵測該通道中之該一或多個分子；且其中該層析裝置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；及(ii)偵測一組份 混合物中之至少一組份；及其中該通道包含：耦接至一試樣入口之一第一末端；耦接至一試樣出口之一第二末端；具有一第一直徑之一第一區段，該第一區段自該試樣入口延伸至該通道中之一第一點；具有一第二直徑之一第二區段，該第二直徑大於該第一直徑，該第二區段自該第一點延伸至該通道中之一第二點；及具有一第三直徑之一第三區段，該第三直徑小於該第二直徑，該第三區段自該第二點延伸至該試樣出口。
  19. 一種操作以偵測一或多個分子之積體電路，該積體電路包含：至少一通道，該至少一通道形成於一半導體結構內；至少一偵測器，該至少一偵測器形成於該半導體結構內，其中該至少一偵測器經組態以偵測該通道中之該一或多個分子且回應於該一或多個分子之該偵測而產生一信號；及一處理器裝置，其耦接至該至少一偵測器且操作以至少部分地基於該信號而產生一輸出；及其中該通道包含：耦接至一試樣入口之一第一末端；耦接至一試樣出口之一第二末端；具有一第一直徑之一第一區段，該第一區段自該試樣 入口延伸至該通道中之一第一點；具有一第二直徑之一第二區段，該第二直徑大於該第一直徑，該第二區段自該第一點延伸至該通道中之一第二點；及具有一第三直徑之一第三區段，該第三直徑小於該第二直徑，該第三區段自該第二點延伸至該試樣出口。
  20. 一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：在一半導體結構內形成至少一通道；及在該半導體結構內形成至少一偵測器；其中該至少一偵測器經組態以偵測該通道中之該一或多個分子；及其中該通道包含：耦接至一試樣入口之一第一末端；耦接至一試樣出口之一第二末端；具有一第一直徑之一第一區段，該第一區段自該試樣入口延伸至該通道中之一第一點；具有一第二直徑之一第二區段，該第二直徑大於該第一直徑，該第二區段自該第一點延伸至該通道中之一第二點；及具有一第三直徑之一第三區段，該第三直徑小於該第二直徑，該第三區段自該第二點延伸至該試樣出口。
TW100100359A 2010-01-27 2011-01-05 半導體裝置、層析裝置、用於偵測一或多個分子之積體電路及半導體裝置之形成方法 TWI497068B (zh)

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