在半導體結構中形成的分子檢測裝置的製作方法

2023-05-06 09:05:51 1

專利名稱：在半導體結構中形成的分子檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於檢測、量化、識別和/或分離分子的小型系統，以及更具體而言涉及在半導體結構中形成的平面納米通道和檢測器。
背景技術：
層析為一種用於分離混合物的技術。混合物包含兩種或兩種以上成分，例如，兩種或兩種以上不同分子或化合物。該混合物可還包括用於增溶該兩種或兩種以上成分(溶質)的溶劑。在層析中，所溶解的混合物稱為流動相。應注意，如本文中在術語流動相和固定相中所使用，術語「相」意謂物質的物理上不同形式。流動相表示物質(即，所溶解的混合物)的移動或流動性。固定相表示固定相的物質不流動。層析涉及使流動相通過固定相。固定相為執行層析的裝置(層析裝置)的一部分且基於流動相與固定相之間的差異從混合物中的其它成分分離出待測量的分析物。被注入至層析固定相中的樣品混合物中的成分基於其與固定相相互作用的強度而行進不同距離。單個分子或其它成分在層析通道內部的保留時間指示分子或其它成分的性質(諸如，疏水性或大小)。另外，通過層析通道的特定成分的特定延遲時間可用以識別該成分。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的純化和分析鑑定兩者。耦合至層析裝置的檢測器能夠產生針對保留時間所標繪的信號以產生洗提峰值。對這樣的峰值的分析允許關於被注入至層析裝置中的混合物的組成做出確定。另外，由於不同化合物在層析裝置的固定相內具有不同保留時間，因此可通過在不同峰值洗提期間獨立收集流出物來分離這些化合物及分子。層析技術通過固定相結構、形狀及取向而變化。柱層析可涉及裝填的柱(packedcolumn),即,裝填有通常為樹脂或珠粒基質(bead-matrix)的固定相的管。或者,柱層析可涉及開放柱，即，具有接合(例如，共價地結合)至管的內壁的固定相且具有穿過管的長度的未阻塞開口的管。成分通過固定相的移動速率的差異系根據不同類型的成分的不同保留時間。平面層析為其中固定相存在於平面上的分離技術。經由觀測以流動相存在的不同成分穿過平面層析裝置的固定相的不同移動速率而進行混合物的分析。在各種應用中廣泛實踐薄層和紙層析。在平面層析中，固定相可為特殊層析紙或諸如矽膠、氧化鋁或纖維素的惰性基材的薄、平坦層。在紙層析中，可將樣品施加至極性賽璐珞(celluloid)物質。將溶劑施加至紙。隨著溶劑穿過紙而上升，溶劑遇到樣品混合物。樣品混合物中的成分隨著溶劑在紙上行進，其中極性較小的那些成分行進得更遠。通過正使用的氣態流動相和液體流動相，還公知層析過程的流動相的不同狀態。

發明內容
舉例而言，本發明的原理提供用於檢測一個或多個分子的半導體裝置、層析裝置 和集成電路以及用於形成用於檢測一個或多個分子的半導體裝置的方法。
根據本發明的第一方面，一種用於檢測一個或多個分子的半導體裝置包含通道，其形成在半導體結構內；以及至少一個檢測器，形成在所述半導體結構內。所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子。所述半導體裝置可選地包含形成在所述半導體結構內的一個或多個額外通道。根據本發明的第二方面，提出一種用於檢測一個或多個分子的層析裝置。所述層析裝置包含上述半導體裝置。所述層析裝置操作為從成分混合物分離出至少一種成分和/或檢測成分混合物中的至少一種成分。
根據本發明的第三方面，提出一種用於檢測一個或多個分子的集成電路。所述集成電路包含上述半導體裝置和耦合至所述半導體裝置的所述至少一個檢測器的處理器裝置。所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子並產生響應於所述一個或多個分子的所述檢測的信號。所述處理器裝置操作為至少部分地基於所述信號而產生輸出。根據本發明的第四方面，一種用於形成用於檢測一個或多個分子的一半導體裝置的方法包含在半導體結構內形成至少一個通道；以及在所述半導體結構內形成至少一個檢測器。所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子。根據本發明的第五方面，上述半導體裝置操作為檢測、識別和/或計數單個分子以及一個以上分子。有利地，例如，本發明的原理提供用於檢測、量化和/或識別分子的裝置(例如，層析裝置)，該裝置對少量材料以及較小分子和成分敏感、不需要高壓下的流體及相關的泵且具有集成的檢測器，因此避免可降低測量準確度的遠程檢測。本發明的這些和其它特徵、目標和優點將通過結合隨附圖閱讀的本發明的說明性實施例的以下詳細描述而變得顯而易見。


圖Ia和圖Ib說明根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置，該納米通道裝置包含納米通道、耦合至納米通道的樣品入口和耦合至納米通道的出口 ；圖2a和圖2b說明根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置，該納米通道裝置包含納米通道、耦合至納米通道的樣品入口、耦合至納米通道的出口以及兩個電極；圖3a和圖3b說明根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置，該納米通道裝置包含納米通道、耦合至納米通道的樣品入口、耦合至納米通道的出口以及耦合至納米通道的光檢測器；圖4a和圖4b說明根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置，該納米通道裝置包含納米通道、耦合至納米通道的樣品入口、耦合至納米通道的出口以及耦合至納米通道的導體；圖5展示根據本發明的實施例的示例性多通道納米通道裝置的俯視圖，該納米通道裝置包含多個大致平行的納米通道、導體、公共樣品入口以及公共出口 ；圖6展示根據本發明的實施例的納米通道裝置的截面圖，該納米通道裝置包含具有至少兩個截面區域的納米通道、樣品入口以及出口 ；圖7描繪說明根據本發明的實施例的用於形成用於檢測一個或多個分子的半導體裝置的方法的流程圖；圖8展示根據本發明的實施例的包含納米通道裝置和處理器裝置的半導體裝置(諸如，集成電路)；以及圖9為描繪根據本發明的實施例的示例性已封裝集成電路的截面圖。
具體實施例方式本文中將在平面納米通道(按寬度為數十納米(nm)的尺度)的說明性單晶片實施例的情形下來描述本發明的原理，該平面納米通道與允許檢測單個或多個分子或來自單個或多個分子的電流的集成裝置一起直接形成於矽、砷化鎵或其它半導體中。然而，應了解，本發明的技術不限於本文中所展示和描述的特定裝置及方法。更確切而言，本發明的原理系廣泛地針對用於檢測、量化、識別和/或分離分子和化合物的納米尺度裝置和技術(例 如，層析裝置和技術)。為此，可對所展示的實施例做出在本發明的範疇內的眾多修改。並不旨在存在或不應推斷出關於本文中所描述的特定實施例的限制。如本文中所使用，術語鄰近或鄰近於具有包括(但不限於)以下各項的意義鄰接、接觸及以操作方式接觸。具體地且關於納米通道、半導體和/或形成於半導體內的裝置，鄰近或鄰近於可包括(但不限於)電耦合或耦合至。如本文中所使用，術語鄰接具有包括(但不限於)鄰近於的意思。如本文中所使用，術語電極為用以接觸電路的非金屬部分(例如，半導體或其它非金屬電導體)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考慮為電極。如本文中所使用，術語分光光度學為電磁波譜的可量化研究。其可比更一般術語電磁分光學更為特別之處在於，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檢測器或光度計(即，用於測量光強度的裝置)的輸入且可依據光的顏色或波長測量光強度。分光光度計可含有或提供輸出至光源以提供光以供光檢測器檢測。分光光度計的普遍應用為光吸收的測量。存在非常適用於小尺度層析以用於生命科學應用的許多結構。先前的層析裝置使用起來通常是麻煩的且對諸如生物材料的少量材料不敏感。舉例而言，傳統層析技術可需要高壓下的流體及泵，其耦合至可堵塞並引入測量可變性的獨立的分離和檢測裝置。存在使層析裝置更小且更加集成的趨勢，但最小的常規層析分離裝置典型處於數百微米的尺度且耦合至獨立的檢測系統。本發明的實施例可包括一個或多個平面納米通道，其各自包含位於裝置的襯底(諸如，矽晶片)的面中的窄管(例如，直徑為納米量級)。該管可選地內襯有特定用於裝置目的的額外材料。該管具有輸入和輸出開口，其中除經特定產生以用於接口到如本文中所描述的傳感器、電極或光源的開口外，沿管的長度無額外開口。在晶片的面中具有通道允許與襯底或矽晶片上或中的電子裝置容易地接口。應理解，納米通道可為(例如)平面納米通道。或者，納米通道可不位於襯底的面中，而是位於相對於襯底的面偏斜的面中，或納米通道可彎曲或以其它方式形成使得其不位於單個幾何面中。本發明的示例性原理系針對通過一個或多個納米通道的分子或若干類型的分子的檢測、量化、識別和/或分離。應注意，一個或多個分子的量化及識別可包括一個或多個分子的檢測。即，為了計數或識別一個或多個分子，需要檢測一個或多個分子。將描述用於量化、識別、分離和/或檢測一個或多個分子的平面納米通道的若干實施例。本發明的示例性實施例包括(但不限於)i)用於片上量化、識別、分離和/或檢測分子的納米通道；ii)具有納米通道結構與檢測部件的直接集成的平面矽裝置；iii)用於電子調節通過速率以進行分子選擇的納米通道；及iv)小的尺寸，從而能夠進行整體並行操作，其中穩健性及敏感性具有相應增加。僅通過非限制性實例，納米通道的實施例可識別和/或量化混合物的成分(例如，分子或化合物)。納米通道識別和量化成分的一種示例性方式使用成分的層析分離以用於在稍後量化。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納米通道時，可感測電流。電流與流經納米通道的混合物或其一部分內的不同組成相關。另一方面，在不視為層析的過程中，個別分子可經過納米通道。基於分子如何經過，可計數和/或識別分子。此過程不具有層析分離。本發明的示例性特徵為納米通道(例如，層析裝置內的毛細管納米通道)，其具有 足夠小(例如，小於約IOOnm)的直徑以檢測單個分子或成分。根據本發明的實施例，本發明的另一示例性特徵為操作以從成分混合物分離出至少一種成分的納米通道裝置。用於本發明的製造實施例的半導體技術可與用於製造集成電路、光檢測器、微機電系統(MEMS)及其它半導體裝置(例如，包括場效電晶體的電晶體、電容器、電感器、電阻器及互連)的超大規模集成(VLSI)製造方法兼容。使用這樣的技術，可在半導體結構內形成納米通道。美國專利第7，351，648號(其揭示內容以引用的方式併入本文中)描述一種可用以在半導體中形成納米通道的VLSI兼
容方法。根據本發明的原理，可至少部分地在納米通道(例如，毛細管層析納米通道)周圍或鄰近於納米通道而將各種檢測裝置集成至半導體結構中。檢測裝置可包括(例如)光源、光檢測器、電流測量裝置或特定層析過程所希望的其它傳感器。檢測裝置集成至包含納米通道的半導體結構中避免了與將層析柱或通道耦合至獨立檢測裝置相關聯的問題。舉例而言，可避免與耦合、堵塞及將可變性引入至測量中相關聯的問題。可形成具有這樣的結構的納米通道，該結構積聚或蓄集(pool)被輸入至混合物納米通道中的混合物或其一部分。可進行經蓄集的混合物或其一部分的光學測量。提供積聚或蓄集的結構可為(例如)納米通道的一部分，該部分具有比納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，可形成沿納米通道的長度具有不同直徑的納米通道。納米通道的較大直徑部分可積聚或蓄集分析物(例如，待檢測或測量的分析物)以用於更好地耦合至形成在鄰近納米通道的半導體內的光檢測器或其它檢測裝置。或者，納米通道可耦合至襯底中含有混合物或其部分的蓄集區域(pool)的其它結構(例如，腔結構)。可進行蓄集區域中的分析物的光學測量。本發明的特定實施例使用一個或多個分子通過納米通道或納米通道的一部分的飛行通過時間，以便識別分子類型和/或計數經過納米通道的分子的數目。檢測器(例如，光檢測器及相應光源)可檢測一個或多個分子至納米通道或納米通道的一部分中的進入。另一檢測器可檢測一個或多個分子從納米通道或納米通道的一部分的退出。可從檢測器的輸出信號確定一個或多個分子的穿過納米通道或納米通道的一部分的渡越時間(即，飛行時間)。舉例而言，可從輸出信號確定每一分子花費多長時間來單獨移動穿過納米通道或納米通道的部分。在進入及退出納米通道或納米通道的部分時對每一分子的單獨檢測使得能夠對分子計數(量化)且通過飛行時間信息識別分子。舉例而言，可通過將分子的飛行時間與各種類型的分子的已知或預定飛行 時間比較來識別分子的類型。或者，包含耦合至通道中的兩個點(例如，通道入口及通道出口，或通道內的兩個點)處的電極或電導體的電流測量裝置的檢測器可提供信息以確定穿過納米通道或納米通道的一部分的渡越時間(或在納米通道或納米通道的一部分內的保留時間)，由此確定分子的類型。另外，此檢測器可提供信息以計數通過納米通道的分子的數目。圖2a和圖2b中所呈現的納米通道裝置200、圖3a和圖3b中所呈現的納米通道裝置300或圖4a和圖4b中所呈現的納米通道裝置400可使用飛行時間識別分子的類型且量化(例如，通過分子的類型來量化)通過納米通道的分子的數目。可使用上文所提及的技術來形成用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)，其包含許多納米通道。僅通過實例，本發明的實施例包含具有數百或數千個平行納米通道的結構，該納米通道為使用與形成集成電路和/或檢測器(例如，光檢測器)兼容的製造技術來形成。可在單個面或多個面上形成半導體裝置內的納米通道以增加集成的納米通道的數目。另外，可增加平行和/或平面納米通道之間的距離以使與兩個鄰近納米通道相關聯的檢測裝置之間的串擾最小化。圖I至圖7呈現包含納米通道(例如，納米通道140)且形成於半導體結構(例如，半導體結構110)或襯底內的納米通道裝置的說明性實例。該納米通道裝置為半導體裝置。圖la、圖2a、圖3a、圖4a及圖5為示例性納米通道裝置的自頂向下圖。納米通道裝置包含沿軸A-B形成於半導體結構110內的納米通道。圖lb、圖2b、圖3b、圖4b及圖6為納米通道裝置的截面圖，該截面包括納米通道的軸A-B或三個納米通道的軸Al-Bl、A2-B2及A3-B3。半導體結構110可包含矽。如圖3b和圖6的截面中所展示，可形成具有多個層(例如，圖3b的層110AU10B和110C)的半導體結構110。或者，半導體結構110可包含其中例如通過蝕刻而形成特徵的單個半導體塊。半導體結構的處理及包含多個半導體層的半導體結構的形成在此項技術中是公知的。包含一個或多個納米通道的層析裝置操作為從成分混合物分離出至少一種成分和/或從成分混合物檢測至少一種成分。根據本發明的實施例的納米通道裝置可例如為層析裝置的至少一部分。除納米通道裝置外，半導體裝置亦可包含MEMS及電子裝置，該電子裝置可包括可例如結合納米通道裝置使用的以下各項中的任一者電晶體；電容器；電感器；電阻器；功能裝置；處理器(例如，處理器裝置)；以及電路和系統。納米通道裝置和(視情況)MEMS和/或電子裝置可(例如)通過用以形成集成電路的半導體處理(有時稱為集成電路或VLSI電路處理)而形成。此種處理在相關技術中是公知的。因此，可將包含如本文中所描述的納米通道裝置及(視情況)MEMS和/或電子裝置(包括與納米通道相關聯的檢測器)的半導體結構視為集成電路。半導體結構110內所包含的示例性半導體裝置可包含用於檢測混合物的進入納米通道裝置的納米通道的單個分子、一個以上分子或成分的檢測器。示例性檢測器包括光檢測器、電流測量裝置及電流檢測器。舉例而言，檢測器可包含電子電路(例如，與納米通道集成至半導體裝置中的電子電路)。電子電路可包含(例如)電晶體和/或處理器裝置。電子電路可為(例如)處理裝置。在本發明的實施例中，納米通道為半導體結構100內的大致圓柱形結構。該圓柱形結構在垂直於圓柱體的軸的面中具有圓形截面。其它實施例包含具有不同於圓柱形的通道狀或管狀形狀的納米通道，例如，具有垂直於納米通道的軸的大致方形、矩形、橢圓形、不規則形或其它截面的通道。納米通道形狀的其它實例為直角矩體(right cuboid)(即，矩形箱)、橢圓柱體或具有不規則形狀截面的管。納米通道的截面及因此該納米通道可通過跨越截面和在截面的面中的最長尺寸(例如，圓形截面的直徑或矩形截面的對角線)表徵。如本文中所使用，跨越截面和在截面的面中的此最長尺寸稱為納米通道的特性尺寸。對於圓柱形納米通道而言，特性尺寸為圓柱體的直徑，對於矩形納米通道而言，特性尺寸為在垂直於納米通道的最長軸的面中的矩形截面的對角線。納米通道可具有(例如)位於平行於半導體結構100的表面或平行於半導體結構100的襯底的表面的面中的軸。
在一個實施例中，納米通道的特性尺寸可為相對小,例如,小於約lOOnm。某些實施例可包含具有小於約IOnm或甚至小於約Inm的特性尺寸的一個或多個納米通道。然而，本發明的實施例不限於此小尺寸，而是可包含具有大於約IOOnm的特性尺寸的納米通道。本發明的某些實施例包含納米通道的內壁的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；提供層析裝置中的更好梯度(例如，不同類型的分子中的至少一者的濃度梯度)；提供分子混合物的成分(例如，混合物的不同類型的分子)的更好分離；和/或改善穿過納米通道的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la、圖lb、圖2a、圖2b、圖3a、圖3b、圖4a、圖4b、圖5、圖6、圖8及圖9中所展示的納米通道裝置的納米通道可具有塗層。該塗層可包含(例如)塗布納米通道的內壁的至少一部分的不可混溶液體、接合至納米通道的內壁的表面的至少一部分的液體薄膜或塗布納米通道的內壁的至少一部分的固體膜。圖Ia和圖Ib描繪根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置100，該納米通道裝置100包含納米通道140、耦合至納米通道140的樣品入口 120及耦合至納米通道140的出口 130。納米通道裝置100可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。樣品入口 120將樣品提供至納米通道140。出口 130用於在流出物通過納米通道140之後使樣品的至少一部分(流出物)離開通道。在圖Ib中，展示在納米通道140內發生的分子的識別、量化和/或分析或層析。使樣品的分析物分子150進入至樣品入口 120中。至少分析物分子150(例如，待檢測、分離或測量的分析物分子)流過納米通道140且通過出口 130被作為流出物洗提。在一個說明性實施例中，分析物分子150或其至少一部分(例如，待檢測、分離或測量的分析物)通過電梯度(electric gradient)而移動穿過納米通道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，待檢測、分離或測量的分析物)通過壓力梯度而移動穿過納米通道140。通過對輸入樣品(例如，液體或氣體輸入樣品)的加壓而從樣品入口 120至出口 130建立此梯度。該梯度基於固有性質(諸如，尺寸或疏水性)而建立分子物種(species)的相應梯度。圖2a和圖2b描繪根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置200，該納米通道裝置200包含納米通道140、樣品入口 120、出口 130及兩個電極210。納米通道裝置200可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。兩個電極210耦合至納米通道140的端部且形成於樣品入口 120和出口 130中。在說明性實施例中，電極210可用以將電勢或電梯度施加至納米通道140或跨越納米通道140而施加電勢或電梯度。電勢或電梯度可用以控制帶電混合物穿過納米通道140的流動。通過電場而沿納米通道的長度建立電梯度。電極210亦可電耦合至電流測量裝置(檢測器)220，該電流測量裝置(檢測器)220操作為通過監視或確定流經納米通道140的離子電流來監視或確定一個或多個分子在納米通道140內部的保留時間。電流測量裝置220電耦合至電極210中的一者(例如，出口 130處的電極210)且電耦合至電壓源230。電壓源230電耦合至另一電極210 (例如，樣品入口 120處的電極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，耦合至電極210的電流測量裝置220用於進行以下中的任一者或兩者計數作為由瞬態電流(例如，電流尖波)所展現的離散事件的單獨分子；或計數展現為更連續的電流的體(bulk)分子流(例如，多個分子)。電流測量裝置220可連同納米通道裝置200而集成於半導體結構110內、耦合至納米通道140且操作為測量流經納米通道140的電流。電壓源可(但非必需)集成至半導體結構110中。集成電壓源的實例包括太陽能電池及電磁或射頻(RF)電感電壓源。圖3a和圖3b描繪根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置300，該納米通道裝置300包含納米通道140、樣品入口 120、出口 130及耦合至納米通道的一個或多個光檢測器310。在圖3a和圖3b中，展示在納米通道下方耦合至納米通道的兩個光檢測器310。納米通道裝置300可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。光檢測器310與納米通道裝置集成、以光學耦合至納米通道140且操作為從進入至入口 120中的樣品進行分析物分子(例如，待檢測、分離或測量的分析物)的光學測量(例如，光學無透鏡測量)。光檢測器310可定位或集成於納米通道140上方或下方。在說明性實施例中，光檢測器310可包含能夠檢測低強度信號的單光子雪崩二極體(SPAD)。光檢測器210可感測納米通道140內的光和/或光照度的改變。光檢測器210可能未必包括聚焦光學裝置。儘管在圖3a和圖3b中說明具有兩個光檢測器310的納米通道裝置300，但本發明的實施例並不如此受限制。涵蓋僅具有一個光檢測器310及具有三個或三個以上光檢測器310的實施例。舉例而言，在通常稱為半導體工藝的前段製程(FEOL)部分的半導體處理的初期階段期間，光檢測器310可如所展示形成於納米通道下方。舉例而言，可使用晶片接合工藝將光檢測器310形成於納米通道上方(光檢測器310未展示位於納米通道上方)。光檢測器310可如圖3b中所展示具有位於光檢測器310與納米通道140之間的半導體材料，或可形成納米通道140的壁的部分。光檢測器310與納米通道140之間的半導體材料允許光在納米通道140與光檢測器310之間通過。僅通過非限制性實例，可通過一個、兩個或兩個以上光源311將光引入至納米通道中。如圖3a和圖3b中所展示，光源311可耦合至納米通道140的頂部且定位成直接從光檢測器310跨越納米通道140。光源311可提供光以供光檢測器310檢測。光可通過納米通道140內的分析物。如圖3a及圖3b中所展示，在兩個光檢測器310耦合至納米通道140的底部且兩個光源311耦合至納米通道140的頂部且每一光源311從光檢測器310跨越納米通道140情況下，納米通道140的兩個部分通過光源311照明。該光在通過納米通道140內的分析物後經由相應光檢測器310來檢測。可將光檢測器310及用於提供照明以供光檢測器310檢測的相應光源311視為檢測器單元、光學檢測器單元或簡單地光學檢測器或檢測器。對於一個實例而言，一個或兩個光源311可提供來自分光光度計的光或可結合分光光度計而提供光。光源311可稱合至分光光度計和/或視為分光光度計的一部分。光檢測器310可耦合至分光光度計，可將輸入提供至分光光度計的至少一部分和/或可視為分光光度計的光感測部分(即，光檢測器)。對於另一實例而言，每一光源可為雷射器。納米通道裝置可還包括光源310 (例如，提供來自分光光度計的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，納米通道裝置300可使用飛行時間識別分子類型且量化(例如，通過分子類型來量化)通過納米通道140的分子的數目。圖4a和圖4b展示根據本發明的示例性實施例的納米通道裝置400，該納米通道裝置400包含納米通道440、樣品入口 120、出口 130及耦合至納米通道440的電導體420。納米通道裝置400耦合至電流測量裝置410及電壓源430。納米通道裝置400可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。電流測量裝置410電耦合至導體420中的一者(例如，朝向出口 130的導體420)及電壓源430。電壓源430電耦合至另一導體420(例如，朝向樣品入口 120的導體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可形成納米通道440的壁的一部分外，納米通道440類似於納米通道140。導體420可包含(例如)金屬和/或半導體材料。納米通道裝置400與納米通道裝置200類似處在於，導體420類似於電極210，此系因為導體420可用於通過電場而沿納米通道的長度在納米通道440中建立電梯度。電梯度可用以控制帶電混合物穿過納米通道440的流動。然而，納米通道裝置400與納米通道裝置200不同處在於，導體420可定位於納米通道440的端部處或定位於納米通道440的長度內，其中電極210在樣品入口 120及出口 130內定位於納米通道440的端部處或附近。因此，對於納米通道裝置400而言，電梯度及電場在納米通道400的位於導體420之間的彼部分內，而對於納米通道裝置200而言，電梯度及電場可延伸納米通道的整個長度。如圖4a和圖4b中所展示，導體420可在納米通道440的端部處、鄰近於納米通道440的端部或朝向納米通道440的端部而耦合至納米通道440。僅通過實例，導體420可在納米通道440周圍形成連續環、形成至納米通道440的單點接觸，或形成與納米通道440的多(例如，兩)點接觸。導體420可形成納米通道440的壁的一部分且可與樣品或流經納米通道440的成分物理接觸以及電接觸。如圖4a和圖4b中所展示，導體420在納米通道440周圍為連續的。或者，導體420可僅在納米通道440周圍的圓周的一部分處(例如，在納米通道440的頂部處)接觸納米通道。應注意，耦合至導體420的電流測量裝置410可用於進行以下中的任一者或兩者計數作為由瞬態電流(例如，電流尖波)所展現的離散事件的單獨分子；或計數展現為更連續的電流的體分子流(例如，多個分子)。、
電流測量裝置410可連同納米通道裝置而集成於半導體結構110內、耦合至納米通道140且操作為測量流經納米通道140的電流。在說明性實施例中，導體420可經由原子層沉積(ALD)工藝而形成於納米通道內。電壓源可(但非必須)集成至半導體結構110中。圖5展示根據本發明的實施例的納米通道裝置500的俯視圖，該納米通道裝置500包含三個大致平行的納米通道440-1、440-2及440-3、導體420、公共樣品入口 520及公共出口 530。納米通道440-1、440-2及440-3中的每一者可耦合至檢測器(例如，光檢測器(未圖示)或電流測量裝置410)。耦合至電流測量裝置410的每一納米通道440-1、440-2及440-3亦可耦合至電壓源430，如參看圖4a及圖4b所描述且如圖5中所展示。在特定實施例中，該納米通道中的一些納米通道耦合至第一類型的檢測器(例如，光檢測器)，且該納米通道中的一些納米通道耦合至第二類型的檢測器(例如，具有或不具有耦合的電壓源的電流測量裝置)。納米通道裝置500可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。三個電流測量裝置410及電壓源430連同相關導體420中的每一者類似於(例如，關於集成、設置、耦合及功能而類似)納米通道裝置400的電 流測量裝置410和電壓源430連同相關導體420。公共樣品入口 520耦合至所有三個納米通道440，且將樣品提供至所有三個納米通道440。公共出口 530耦合至所有三個納米通道440,且允許流出物從所有三個納米通道440流出。有利地,可增加納米通道間的距離以減少通道的間的通道串擾。在本發明的額外方面中，可形成具有基本上在公共面(例如，基本上平行於半導體結構110的上表面的公共面)內的軸(A1-B1、A2-B2及A3-B3)的三個納米通道 440-1、440-2 及 440-3。儘管納米通道裝置500的說明性實施例包含三個納米通道440-1、440-2及440-3，但本發明的其它實施例並不如此受限制。涵蓋包含三個以上納米通道440或包含僅兩個納米通道440的其它實施例。大數目(例如，多達數千個)的納米通道440為有利的以改善準確度、穩健性和/或敏感性。儘管納米通道裝置500的說明性實施例包含三個基本上平行的納米通道440-1、440-2及440-3，但本發明的其它實施例並不如此受限制且可包含不平行的納米通道440。圖6展示根據本發明的實施例的納米通道裝置600的截面圖，該納米通道裝置600包含納米通道640、樣品入口 120及出口 130。示例性納米通道裝置600耦合至光檢測器310。納米通道裝置600可為(例如)用於檢測、量化、識別和/或分離分子或化合物的裝置(例如，層析裝置)。除納米通道640的形狀外，納米通道裝置600類似於納米通道裝置100。納米通道640包含第一部分640A、第二部分640B及第三部分640C。第一部分640A耦合至樣品入口 120，且從樣品入口 120接收樣品。第二部分640B耦合至第一部分640A且從第一部分640A接收樣品的至少一部分。第三部分640C耦合至第二部分640B且從第二部分640B接收樣品的至少一部分。出口 130耦合至第三部分640C，且從第三部分640C接收樣品(流出物)的至少一部分。第二部分640B具有大於第三部分640C的直徑、臨界尺寸或截面面積，以及可選地大於第一部分640A的直徑或截面面積的直徑、臨界尺寸或截面面積。以此方式，納米通道裝置600具有納米通道640的經調節直徑、臨界尺寸或截面面積。可通過本領域中已知的半導體處理來形成不同納米通道直徑、臨界尺寸或截面面積。較寬的第二部分640B積聚分析物以供光檢測器310更好地檢測。
納米通道裝置600與納米通道裝置300類似處在於，納米通道裝置600包含至少一光檢測器310且可從光源311接收光。在納米通道裝置600中，除在納米通道裝置600中光檢測器310和光源311可定位於納米通道640的較寬部分(例如，第二部分640B)或蓄集部分上外，光檢測器310及光源311的設置、操作及數目類似於納米通道裝置300中的光檢測器310及光源311的設置、操作及數目。可將納米通道裝置600視為在納米通道的蓄集部分的一部分中提供分析物的蓄集(例如，分析物的積聚)和光學測量的納米通道裝置的實例。提供蓄集(例如，分析物的積聚)的納米通道裝置的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納米通道的具有較大截面面積的部分或該獨立蓄集結構為除納米通道的具有較大截面面積的部分之外的結構。該蓄集結構可為(例如)半導體結構100中的一個或多個腔，該一個或多個腔耦合至納米通道且被配置為由分析物(即，樣品)的至少一部分至少部分地填充。該蓄集結構耦合至納米通道，該納米通道將分析物提供至蓄集結構且可提供分析物從蓄集結構的流出。在此實施例中，一個或多個光檢測器及光源可定位成鄰近於或耦合至蓄集結構以用於光學測量或分析物的分析。分析物的蓄集提供較大量的分析物以用於光學測量。儘管圖6中說明耦合至一個光檢測器310及一個光源311的納米通道裝置600，但本發明的實施例並不如此受限制。涵蓋僅具有一個以上光檢測器310及光源311的實施例。圖7描繪說明根據本發明的實施例的用於形成用於檢測一個或多個分子的半導體裝置的方法的流程圖。在步驟710處，在半導體結構內形成至少一個納米通道。在步驟720處，在半導體結構內形成至少一個檢測器。該至少一個檢測器檢測進入至少一個納米通道的樣品的一個或多個分子。圖8展示根據本發明的實施例的半導體裝置800 (諸如，集成電路)，其包含納米通道裝置810 (例如，納米通道裝置200、300、400、500或600)及處理器裝置820。半導體裝置或集成電路操作為檢測進入納米通道裝置810的一個或多個通道的樣品的一個或多個分子。納米通道裝置810包含至少一個檢測器811以檢測一個或多個分子及提供從納米通道裝置輸出的電信號830。納米通道裝置810的輸出在至處理器裝置820的輸入處耦合至處理器裝置820。信號830響應於一個或多個分子的檢測。處理器裝置820被配置為至少部分地基於信號830而產生輸出。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耦合至納米通道裝置810的電控制信號840而提供納米通道裝置810的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)。應了解，因為自晶片分割管芯，所以將包含根據本發明的實施例的一個或多個納米通道裝置的管芯視為本發明的部分。可將本發明的技術或結構的至少一部分(例如，圖I至圖8中所說明的技術或結構)實施於一個或多個集成電路中。在形成集成電路時，通常以重複圖案在半導體晶片的表面上製造管芯。自晶片切割或分割單獨的管芯，接著將管芯封裝成集成電路。本領域的技術人員應知曉分割晶片及封裝管芯以生產集成電路的方式。將如此製造的集成電路視為 本發明的部分。
圖9為描繪根據本發明的實施例的示例性封裝集成電路900的截面圖。封裝集成電路900包含引線框902、附接至引線框的管芯904及塑料封模908。儘管圖9僅展示一種類型的集成電路封裝，但本發明並未如此受限制；本發明可包含以任何封裝類型中的集成電路管芯。管芯904包括本文中所描述的裝置,且可包括其它結構或電路。舉例而言,管芯904包括根據本發明的實施例的至少一個導通孔。根據本發明的集成電路可用於應用、硬體和/或電子系統中。用於實施本發明的合適硬體和系統可包括(但不限於)個人計算機、通信網路、電子商務系統、便攜通信裝置(例如，行動電話)、固態介質儲存裝置、功能電路等。併入有這樣的集成電路的系統及硬體被視為本發明的一部分。在給定本文中所提供的本發明教導的情況下，本領域的技術人員將能夠預期本發明的技術的其它實施及應用。應了解且應理解，可以許多不同方式來實施上文所描述的本發明的示例性實施例。在給定本文中所提供的本發明教導的情況下，本領域的技術人員將能夠預期本發明的其它實施。實際上，儘管本文中已參看隨附圖描述本發明的說明性實施例，但應理解，本發明並不限於這樣的精確實施例，且本領域的技術人員可在不背離本發明的範圍和精神的情 況下做出各種其它改變及修改。
權利要求
1.一種用於檢測一個或多個分子的半導體裝置，所述半導體裝置包含 通道，其形成在半導體結構內；以及 至少一個檢測器，形成在所述半導體結構內； 其中所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子。
2.根據權利要求I的半導體裝置，還包括 樣品入口，其將包含所述一個或多個分子的樣品提供至所述通道，所述樣品入口耦合至所述通道的一個端部；以及 出口，用於使所述樣品的至少一部分離開所述通道，所述出口耦合至所述通道的另一端部。
3.根據權利要求2的半導體裝置，還包括 第一電極，其鄰近於所述樣品入口 ；以及 第二電極，其鄰近於所述出口。
4.根據權利要求3的半導體裝置，其中所述第一電極和所述第二電極用於進行以下操作中的至少一者(i)將電勢施加至所述通道；以及(ii)測量流經所述通道的電流。
5.根據權利要求I的半導體裝置，還包括耦合至所述通道的至少兩個導體。
6.根據權利要求5的半導體裝置，其中所述至少兩個導體用於進行以下操作中的至少一者(i)將電勢施加至所述通道的至少一部分；以及(ii)測量流經所述通道的所述至少一部分的電流。
7.根據權利要求5的半導體裝置，其中所述至少兩個導體形成所述通道的壁的一部分。
8.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述半導體裝置操作為檢測單個分子。
9.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述通道為以下各項中的一個圓柱體、橢圓柱體、直角矩體以及具有不規則形狀截面的管，且其中特性尺寸為跨越所述通道的截面的最長尺寸，所述截面與所述通道的軸大致成直角，所述特性尺寸小於以下各項中的至少一者約100納米、約10納米、約I納米。
10.根據權利要求2的半導體裝置，還包括形成在所述半導體結構內的一個或多個額外通道，其中所述一個或多個額外通道中的每一者的一個端部耦合至所述樣品入口且所述一個或多個額外通道中的所述每一者的另一端部耦合至所述出口，以及其中所述一個或多個額外通道耦合至一個或多個相關聯的額外檢測器。
11.根據權利要求10的半導體裝置，其中所述通道和所述一個或多個額外通道大約平行且具有基本上位於公共面內的軸。
12.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述至少一個檢測器包含電流測量裝置，所述電流測量裝置操作為通過確定流經所述通道的離子電流來確定所述一個或多個分子在所述通道內部的保留時間。
13.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述至少一個檢測器包含以下各項中的至少一者(i)至少一個光檢測器，操作為感測所述通道內的光；以及(ii)至少一個光源，操作為將所述光供應至所述通道中。
14.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述通道的至少第一部分具有比所述通道的至少第二部分寬的直徑。
15.根據權利要求14的半導體裝置，其中具有以下情形中的至少一者(i)光檢測器被耦合至所述通道的所述第一部分；以及(ii)光源被耦合至所述通道的所述第一部分。
16.根據權利要求2的半導體裝置，其中所述樣品的至少一部分通過由電場沿所述通道的長度建立的電梯度而移動穿過所述通道。
17.根據權利要求2的半導體裝置，其中所述樣品的至少一部分通過壓力梯度而移動穿過所述通道。
18.根據權利要求I的半導體裝置，其中所述半導體結構包含矽。
19.根據權利要求I的半導體裝置，其進行以下操作中的至少一者(i)從成分混合物分離出至少一種成分；(ii)識別所述一個或多個分子；以及(iii)計數所述一個或多個分子的數目。
20.根據權利要求I的半導體裝置，還包括在所述通道的至少一部分的內壁上的塗層，所述塗層至少輔助以下各項中的至少一者(i)所述一個或多個分子之間的鑑別；(ii)層析裝置中的所述一個或多個分子的濃度梯度；以及(iii)混合物的成分的分離，所述混合物包含所述一個或多個分子。
21.根據權利要求I的半導體裝置，其中穿過所述通道的至少一部分的渡越時間用於進行以下操作中的至少一者(i)識別所述一個或多個分子；以及(ii)計數經過所述通道的所述一個或多個分子的數目。
22.根據權利要求I的半導體裝置，還包括所述半導體結構內的腔，所述腔耦合至所述通道且被配置為至少部分地由所述樣品的至少一部分填充。
23.一種用於檢測一個或多個分子的層析裝置，所述層析裝置包含 通道，其形成在半導體結構內；以及 至少一個檢測器，形成在所述半導體結構內； 其中所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子；以及 其中所述層析裝置操作為進行以下操作中的至少一者(i)從成分混合物分離出至少一種成分；以及(ii)檢測成分混合物中的至少一種成分。
24.一種操作為檢測一個或多個分子的集成電路，所述集成電路包含 至少一個通道，形成在半導體結構內； 至少一個檢測器，形成在所述半導體結構內，其中所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子並產生響應於所述一個或多個分子的所述檢測的信號；以及 處理器裝置，耦合至所述至少一個檢測器並操作為產生至少部分地基於所述信號的輸出。
25.一種用於形成用於檢測一個或多個分子的半導體裝置的方法，所述方法包含 在半導體結構內形成至少一個通道；以及 在所述半導體結構內形成至少一個檢測器； 其中所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子。
全文摘要
提出用於檢測一個或多個分子的半導體裝置、層析裝置和集成電路以及用於形成用於檢測一個或多個分子的半導體裝置的方法。舉例而言，用於檢測一個或多個分子的半導體裝置包括形成在半導體結構內的通道和形成在所述半導體結構內的至少一個檢測器。所述至少一個檢測器檢測所述通道中的所述一個或多個分子。所述半導體裝置可選地包含形成在所述半導體結構內的一個或多個額外通道。舉例而言，所述半導體裝置操作為檢測單個分子。
文檔編號G01F1/00GK102725613SQ201080062430
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年1月27日
發明者F·休茨, S·波隆斯基 申請人:國際商業機器公司