一种可用于基因测序的纳米瓶及加工方法技术

本发明专利技术提供一种可用于基因测序用的纳米瓶及加工方法。纳米瓶主要结构特征为瓶内有一个金属电极，瓶身为绝缘体，瓶口最窄处的尺寸特征满足纳米孔基因测序的需要。该纳米瓶采用真空镀膜技术，用沉积生长的方式，生长出纳米瓶的瓶身和瓶口。瓶的瓶身和瓶口。瓶的瓶身和瓶口。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于基因测序的纳米瓶及加工方法


[0001]本专利技术涉及半导体微加工领域，特别涉及一种纳米瓶及加工方法。

技术介绍

[0002]基因测序技术发展多年，DNA和RNA的测序技术已有多种方法，其中一种方法为纳米孔测序。在一定温度下或酶催化，DNA双链会解开成单链。当DNA单链通过纳米孔时，测量分析纳米孔内的电压或者隧穿电流，即可判别DNA的碱基的序列。电泳可以操控DNA分子运动。PCR技术可以让DNA在短时间内扩增几百万倍。若能在一个芯片上加工几百万个或上千万个纳米孔，同时对DNA进行测序，则测序的速度和质量将大幅提高。
[0003]半导体工艺的技术发展，如今制程技术已经发展到5nm，向3nm进军。但是这并不是指半导体工艺技术能加工的纳米孔尺寸。并且单链基因测序用的纳米孔孔径在1.5nm左右。用现有的半导体工艺加工纳米孔仍然是一件极具挑战的技术。
[0004]纳米薄膜的制备方法主要有电镀和真空镀膜。但电镀镀膜工艺易受污染，难以用于纳米孔制作。真空镀膜又分为物理气相沉积和化学气相沉积，有真空蒸发镀膜，真空溅射镀膜，各种化学气相沉积镀膜，以及离子镀膜技术等。真空镀膜技术当前发展已经较为成熟，镀膜速度和精度都可控。并且真空溅射镀膜还可以控制镀膜粒子的入射方向。但当前的真空镀膜工艺的主要目的是让膜层致密均匀，而制作纳米孔的目的不仅仅是致密均匀。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种可用于基因测序用的纳米瓶及加工方法。
[0006]该纳米瓶的结构样式参考附图5，为：瓶口近圆形，直径约0.5~3nm，瓶口最窄处厚0.3~2nm，纳米瓶瓶肚尺寸远大于瓶口，瓶内有金属电极，瓶内除了电极外，其余部分均为绝缘体。纳米瓶的内部形状无要求，一般为桶状。
[0007]该纳米瓶的加工方法：主要利用真空镀膜技术，利用原子或分子在不同结构表面沉积方式不同，在沉积过程中，将一个尺寸较大的孔洞，逐步沉积并缩小洞口尺寸，使得孔洞成为纳米瓶。也就是用镀膜技术，让纳米瓶生长出来。该方法可以实现，以较粗糙半导体制程技术批量生产出纳米瓶，以满足基因测序的需要。
[0008]纳米瓶的制作方法，主要分两大步骤：第一步先制作纳米瓶的瓶肚，也就是在晶圆上生长出一个个较大孔洞；第二步对孔洞洞口定向镀膜沉积，让洞口成长并缩小洞口，直到达成目标尺寸。第一步用常规半导体制程工艺即可达到。本专利技术的核心是第二步，纳米瓶口的镀膜生长。纳米瓶瓶口的镀膜生长，主要利用镀膜粒子倾斜入射晶圆表面(如图4）和镀膜生长模式中的岛状生长模式。
[0009]在真空镀膜的薄膜生长过程中，有一种生长模式为岛状生长模式。这种模式是由于基体表面粒子间的结合能远高于粒子与基底材料之间的结合能，这些粒子先于基体上形成最小稳定基团，并以此为核点沿着三维（3D）方向生长成纳米岛。在绝缘体上沉积金属时，大多数显示出这一种岛状生长模式。其次，在基底表面凹陷、弯角、台阶等易于捕获原子的
捕获中心处也容易形成岛状生长模式。
[0010]岛状生长模式不利于常规半导体芯片镀膜所需的平整均匀的要求。但本专利技术就是利用这种岛状生长的特性和粒子定向沉积的方法，在孔洞的洞口处设置易于捕获沉积粒子的特征，让镀膜粒子优先在孔洞的洞口聚集生长，让大尺寸的洞口在沉积粒子的过程中不断缩小洞口尺寸，使孔洞成为瓶状，直到瓶口尺寸满足要求。该方法加工的纳米瓶具有一定的概率性，有可能一个芯片上有一百万个大尺寸的孔洞，加工后只有50%孔洞成为满足要求的纳米瓶，其余孔洞的瓶口过大或过小。
[0011]基因测序的芯片的电子原理可以参考附图1：纳米瓶与电容C并联，复位信号通过开关T1复位后电容C充电，电容与纳米瓶的电位回归基准电位VDD1。但随着时间推移，纳米瓶通过瓶口漏电，电容C的电位会不断的降低。当有DNA单链通过纳米瓶瓶口时，纳米瓶口被碱基堵孔，电容C的电位降低的速率因此受影响而发生明显变化。电容C端的电位变化信号通过信号放大器T2放大，行选择端打开T3时，可以在列选择端检测到电信号变化。不同的碱基对电位变化的速率影响不同，通过测量电位的变化速率，可以判定单链的DNA序列。
[0012]DNA信号变化的灵敏度，取决于纳米瓶瓶口的开口尺寸，还有瓶口最窄处的厚度。理论上瓶口尺寸越接近单链DNA分子的，DNA分子通过瓶口时引起的电位变化越明显，但瓶口过窄会影响DNA分子进入瓶口的难度。这个参数应该根据实验经验而定。瓶口最窄处的厚度不宜大于一个DNA单链上2个相邻碱基中心之间距离。当瓶口最窄处厚度距离过大时，电信号不能准确反映单个碱基引起的信号变化，会让信号分析变得复杂。
[0013]纳米瓶的瓶肚的尺寸理论上越大，能容纳的DNA序列越多，就能够进行更持久的测量DNA序列。但是瓶肚开口尺寸过大，会增加瓶口收缩难度。并且瓶肚深度受制于半导体加工工艺的极限深宽比。
[0014]在对纳米瓶的瓶口进行真空镀膜时，粒子沉积在瓶口的同时还是会有部分粒子会进入瓶肚堆积在瓶肚之中。为了减少粒子进入瓶肚，镀膜粒子的入射方向，应倾斜于晶圆平面。且入射粒子的能量不宜过大，防止粒子在基底上飞溅。为防止纳米瓶被粒子填满，纳米瓶应有足够的深度。在满足半导体工艺制程的条件下，纳米瓶肚越深，容量越大。
[0015]纳米瓶的瓶口尺寸为纳米级，对瓶口镀膜时，真空镀膜的速度应控制较低的水平，如1nm/S，过快的镀膜速度难以控制瓶口精度。
[0016]纳米瓶瓶口加工后就不再适合涂光刻胶，因此纳米瓶瓶口的加工是整个芯片制造的最后一道工序。
附图说明
[0017]图1为纳米瓶基因测序芯片的电子原理图 。
[0018]图2 为芯片晶圆制作完逻辑电路和连线后的晶圆表面电极阵列示意图。
[0019]图3为纳米瓶加工过程中，制作完的单个纳米瓶肚示意图，孔洞底部黑条为电极。
[0020]图4为纳米瓶加工过程中，镀膜沉积粒子倾斜入射晶圆表面的示意图。
[0021]图5为纳米瓶加工完纳米瓶肚和瓶口后的，单个纳米瓶截面示意图。
具体实施方式
[0022]本专利技术的具体实施方式中，芯片的逻辑电路部分的制作与普通半导体芯片相同，
不同实施方式，主要区别在于纳米瓶的瓶肚尺寸不同。以下就以一种纳米瓶规格的实施方式做详细阐述。
[0023]纳米瓶的结构为：瓶底为金属电极，瓶肚侧壁为绝缘体，瓶口也为绝缘体，瓶口开口0.5~3nm，瓶口最窄处厚度0.3~2纳米。
[0024]第一步：先制作集成电极逻辑晶体管和线路部分。在晶圆表面露出纳米瓶的瓶底的电极阵列，每个电极为0.3μm*0.3μm的正方形（电极阵列样式如图2）。
[0025]第二步：利用常规半导体制程工艺，在非电极位置沉积绝缘氧化物，沉积厚度5μm。沉积生产尺寸为0.2μm*0.2μm*5μm的孔洞（单个孔洞样式如图3）。孔洞洞口为方形，拐角处易于捕获镀膜粒子。
[0026]第三步：再对孔洞瓶口进行精细的真空镀膜，沉积的粒子倾斜入射晶圆平面（如图4）。调整粒子的入射角度和入射能量，调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于基因测序的纳米瓶及加工方法，其特征在于纳米瓶结构和纳米瓶的加工方法。2.根据权利要求1所述的纳米瓶结构，其特征在于纳米瓶的瓶内有金属电极，纳米瓶的瓶肚和瓶口都为绝缘材料。3.根据权利要求1所述的纳米瓶的加工方法，其特征在于先制...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈清四，
申请(专利权)人：龙岩川净电器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：