专利名称：在半导体结构中形成的分子检测装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于检测、量化、识别和/或分离分子的小型系统，以及更具体而言涉及在半导体结构中形成的平面纳米通道和检测器。
背景技术：
层析为一种用于分离混合物的技术。混合物包含两种或两种以上成分，例如，两种或两种以上不同分子或化合物。该混合物可还包括用于增溶该两种或两种以上成分(溶质)的溶剂。在层析中，所溶解的混合物称为流动相。应注意，如本文中在术语流动相和固定相中所使用，术语“相”意谓物质的物理上不同形式。流动相表示物质(即，所溶解的混合物)的移动或流动性。固定相表示固定相的物质不流动。层析涉及使流动相通过固定相。固定相为执行层析的装置(层析装置)的一部分且基于流动相与固定相之间的差异从混合物中的其它成分分离出待测量的分析物。被注入至层析固定相中的样品混合物中的成分基于其与固定相相互作用的强度而行进不同距离。单个分子或其它成分在层析通道内部的保留时间指示分子或其它成分的性质(诸如，疏水性或大小)。另外，通过层析通道的特定成分的特定延迟时间可用以识别该成分。层析技术对生命科学研究为必不可少的，因为其有用于医药产品的纯化和分析鉴定两者。耦合至层析装置的检测器能够产生针对保留时间所标绘的信号以产生洗提峰值。对这样的峰值的分析允许关于被注入至层析装置中的混合物的组成做出确定。另外，由于不同化合物在层析装置的固定相内具有不同保留时间，因此可通过在不同峰值洗提期间独立收集流出物来分离这些化合物及分子。层析技术通过固定相结构、形状及取向而变化。柱层析可涉及装填的柱(packedcolumn),即,装填有通常为树脂或珠粒基质(bead-matrix)的固定相的管。或者,柱层析可涉及开放柱，即，具有接合(例如，共价地结合)至管的内壁的固定相且具有穿过管的长度的未阻塞开口的管。成分通过固定相的移动速率的差异系根据不同类型的成分的不同保留时间。平面层析为其中固定相存在于平面上的分离技术。经由观测以流动相存在的不同成分穿过平面层析装置的固定相的不同移动速率而进行混合物的分析。在各种应用中广泛实践薄层和纸层析。在平面层析中，固定相可为特殊层析纸或诸如硅胶、氧化铝或纤维素的惰性基材的薄、平坦层。在纸层析中，可将样品施加至极性赛璐珞(celluloid)物质。将溶剂施加至纸。随着溶剂穿过纸而上升，溶剂遇到样品混合物。样品混合物中的成分随着溶剂在纸上行进，其中极性较小的那些成分行进得更远。通过正使用的气态流动相和液体流动相，还公知层析过程的流动相的不同状态。
发明内容
举例而言，本发明的原理提供用于检测一个或多个分子的半导体装置、层析装置 和集成电路以及用于形成用于检测一个或多个分子的半导体装置的方法。
根据本发明的第一方面，一种用于检测一个或多个分子的半导体装置包含通道，其形成在半导体结构内；以及至少一个检测器，形成在所述半导体结构内。所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子。所述半导体装置可选地包含形成在所述半导体结构内的一个或多个额外通道。根据本发明的第二方面，提出一种用于检测一个或多个分子的层析装置。所述层析装置包含上述半导体装置。所述层析装置操作为从成分混合物分离出至少一种成分和/或检测成分混合物中的至少一种成分。
根据本发明的第三方面，提出一种用于检测一个或多个分子的集成电路。所述集成电路包含上述半导体装置和耦合至所述半导体装置的所述至少一个检测器的处理器装置。所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子并产生响应于所述一个或多个分子的所述检测的信号。所述处理器装置操作为至少部分地基于所述信号而产生输出。根据本发明的第四方面，一种用于形成用于检测一个或多个分子的一半导体装置的方法包含在半导体结构内形成至少一个通道；以及在所述半导体结构内形成至少一个检测器。所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子。根据本发明的第五方面，上述半导体装置操作为检测、识别和/或计数单个分子以及一个以上分子。有利地，例如，本发明的原理提供用于检测、量化和/或识别分子的装置(例如，层析装置)，该装置对少量材料以及较小分子和成分敏感、不需要高压下的流体及相关的泵且具有集成的检测器，因此避免可降低测量准确度的远程检测。本发明的这些和其它特征、目标和优点将通过结合随附图阅读的本发明的说明性实施例的以下详细描述而变得显而易见。
图Ia和图Ib说明根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置，该纳米通道装置包含纳米通道、耦合至纳米通道的样品入口和耦合至纳米通道的出口 ；图2a和图2b说明根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置，该纳米通道装置包含纳米通道、耦合至纳米通道的样品入口、耦合至纳米通道的出口以及两个电极；图3a和图3b说明根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置，该纳米通道装置包含纳米通道、耦合至纳米通道的样品入口、耦合至纳米通道的出口以及耦合至纳米通道的光检测器；图4a和图4b说明根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置，该纳米通道装置包含纳米通道、耦合至纳米通道的样品入口、耦合至纳米通道的出口以及耦合至纳米通道的导体；图5展示根据本发明的实施例的示例性多通道纳米通道装置的俯视图，该纳米通道装置包含多个大致平行的纳米通道、导体、公共样品入口以及公共出口 ；图6展示根据本发明的实施例的纳米通道装置的截面图，该纳米通道装置包含具有至少两个截面区域的纳米通道、样品入口以及出口 ；图7描绘说明根据本发明的实施例的用于形成用于检测一个或多个分子的半导体装置的方法的流程图；图8展示根据本发明的实施例的包含纳米通道装置和处理器装置的半导体装置(诸如，集成电路)；以及图9为描绘根据本发明的实施例的示例性已封装集成电路的截面图。
具体实施例方式本文中将在平面纳米通道(按宽度为数十纳米(nm)的尺度)的说明性单芯片实施例的情形下来描述本发明的原理，该平面纳米通道与允许检测单个或多个分子或来自单个或多个分子的电流的集成装置一起直接形成于硅、砷化镓或其它半导体中。然而，应了解，本发明的技术不限于本文中所展示和描述的特定装置及方法。更确切而言，本发明的原理系广泛地针对用于检测、量化、识别和/或分离分子和化合物的纳米尺度装置和技术(例 如，层析装置和技术)。为此，可对所展示的实施例做出在本发明的范畴内的众多修改。并不旨在存在或不应推断出关于本文中所描述的特定实施例的限制。如本文中所使用，术语邻近或邻近于具有包括(但不限于)以下各项的意义邻接、接触及以操作方式接触。具体地且关于纳米通道、半导体和/或形成于半导体内的装置，邻近或邻近于可包括(但不限于)电耦合或耦合至。如本文中所使用，术语邻接具有包括(但不限于)邻近于的意思。如本文中所使用，术语电极为用以接触电路的非金属部分(例如，半导体或其它非金属电导体)的电导体。术语导体用于导体420以区分导体420与电极210;然而，在广泛意义上，可将导体420考虑为电极。如本文中所使用，术语分光光度学为电磁波谱的可量化研究。其可比更一般术语电磁分光学更为特别之处在于，分光光度学处理可见光、近紫外线及近红外线。分光光度计可用以执行分光光度学。分光光度计含有或具有来自光检测器或光度计(即，用于测量光强度的装置)的输入且可依据光的颜色或波长测量光强度。分光光度计可含有或提供输出至光源以提供光以供光检测器检测。分光光度计的普遍应用为光吸收的测量。存在非常适用于小尺度层析以用于生命科学应用的许多结构。先前的层析装置使用起来通常是麻烦的且对诸如生物材料的少量材料不敏感。举例而言，传统层析技术可需要高压下的流体及泵，其耦合至可堵塞并引入测量可变性的独立的分离和检测装置。存在使层析装置更小且更加集成的趋势，但最小的常规层析分离装置典型处于数百微米的尺度且耦合至独立的检测系统。本发明的实施例可包括一个或多个平面纳米通道，其各自包含位于装置的衬底(诸如，硅晶片)的面中的窄管(例如，直径为纳米量级)。该管可选地内衬有特定用于装置目的的额外材料。该管具有输入和输出开口，其中除经特定产生以用于接口到如本文中所描述的传感器、电极或光源的开口外，沿管的长度无额外开口。在晶片的面中具有通道允许与衬底或硅晶片上或中的电子装置容易地接口。应理解，纳米通道可为(例如)平面纳米通道。或者，纳米通道可不位于衬底的面中，而是位于相对于衬底的面偏斜的面中，或纳米通道可弯曲或以其它方式形成使得其不位于单个几何面中。本发明的示例性原理系针对通过一个或多个纳米通道的分子或若干类型的分子的检测、量化、识别和/或分离。应注意，一个或多个分子的量化及识别可包括一个或多个分子的检测。即，为了计数或识别一个或多个分子，需要检测一个或多个分子。将描述用于量化、识别、分离和/或检测一个或多个分子的平面纳米通道的若干实施例。本发明的示例性实施例包括(但不限于)i)用于片上量化、识别、分离和/或检测分子的纳米通道；ii)具有纳米通道结构与检测部件的直接集成的平面硅装置；iii)用于电子调节通过速率以进行分子选择的纳米通道；及iv)小的尺寸，从而能够进行整体并行操作，其中稳健性及敏感性具有相应增加。仅通过非限制性实例，纳米通道的实施例可识别和/或量化混合物的成分(例如，分子或化合物)。纳米通道识别和量化成分的一种示例性方式使用成分的层析分离以用于在稍后量化。在此状况下，不需要对个别分子计数。当混合物或其部分经过纳米通道时，可感测电流。电流与流经纳米通道的混合物或其一部分内的不同组成相关。另一方面，在不视为层析的过程中，个别分子可经过纳米通道。基于分子如何经过，可计数和/或识别分子。此过程不具有层析分离。本发明的示例性特征为纳米通道(例如，层析装置内的毛细管纳米通道)，其具有 足够小(例如，小于约IOOnm)的直径以检测单个分子或成分。根据本发明的实施例，本发明的另一示例性特征为操作以从成分混合物分离出至少一种成分的纳米通道装置。用于本发明的制造实施例的半导体技术可与用于制造集成电路、光检测器、微机电系统(MEMS)及其它半导体装置(例如，包括场效晶体管的晶体管、电容器、电感器、电阻器及互连)的超大规模集成(VLSI)制造方法兼容。使用这样的技术，可在半导体结构内形成纳米通道。美国专利第7，351，648号(其揭示内容以引用的方式并入本文中)描述一种可用以在半导体中形成纳米通道的VLSI兼
容方法。根据本发明的原理，可至少部分地在纳米通道(例如，毛细管层析纳米通道)周围或邻近于纳米通道而将各种检测装置集成至半导体结构中。检测装置可包括(例如)光源、光检测器、电流测量装置或特定层析过程所希望的其它传感器。检测装置集成至包含纳米通道的半导体结构中避免了与将层析柱或通道耦合至独立检测装置相关联的问题。举例而言，可避免与耦合、堵塞及将可变性引入至测量中相关联的问题。可形成具有这样的结构的纳米通道，该结构积聚或蓄集(pool)被输入至混合物纳米通道中的混合物或其一部分。可进行经蓄集的混合物或其一部分的光学测量。提供积聚或蓄集的结构可为(例如)纳米通道的一部分，该部分具有比纳米通道的另一部分大的截面(例如，大至约两倍以上)。举例而言，可形成沿纳米通道的长度具有不同直径的纳米通道。纳米通道的较大直径部分可积聚或蓄集分析物(例如，待检测或测量的分析物)以用于更好地耦合至形成在邻近纳米通道的半导体内的光检测器或其它检测装置。或者，纳米通道可耦合至衬底中含有混合物或其部分的蓄集区域(pool)的其它结构(例如，腔结构)。可进行蓄集区域中的分析物的光学测量。本发明的特定实施例使用一个或多个分子通过纳米通道或纳米通道的一部分的飞行通过时间，以便识别分子类型和/或计数经过纳米通道的分子的数目。检测器(例如，光检测器及相应光源)可检测一个或多个分子至纳米通道或纳米通道的一部分中的进入。另一检测器可检测一个或多个分子从纳米通道或纳米通道的一部分的退出。可从检测器的输出信号确定一个或多个分子的穿过纳米通道或纳米通道的一部分的渡越时间(即，飞行时间)。举例而言，可从输出信号确定每一分子花费多长时间来单独移动穿过纳米通道或纳米通道的部分。在进入及退出纳米通道或纳米通道的部分时对每一分子的单独检测使得能够对分子计数(量化)且通过飞行时间信息识别分子。举例而言，可通过将分子的飞行时间与各种类型的分子的已知或预定飞行 时间比较来识别分子的类型。或者，包含耦合至通道中的两个点(例如，通道入口及通道出口，或通道内的两个点)处的电极或电导体的电流测量装置的检测器可提供信息以确定穿过纳米通道或纳米通道的一部分的渡越时间(或在纳米通道或纳米通道的一部分内的保留时间)，由此确定分子的类型。另外，此检测器可提供信息以计数通过纳米通道的分子的数目。图2a和图2b中所呈现的纳米通道装置200、图3a和图3b中所呈现的纳米通道装置300或图4a和图4b中所呈现的纳米通道装置400可使用飞行时间识别分子的类型且量化(例如，通过分子的类型来量化)通过纳米通道的分子的数目。可使用上文所提及的技术来形成用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)，其包含许多纳米通道。仅通过实例，本发明的实施例包含具有数百或数千个平行纳米通道的结构，该纳米通道为使用与形成集成电路和/或检测器(例如，光检测器)兼容的制造技术来形成。可在单个面或多个面上形成半导体装置内的纳米通道以增加集成的纳米通道的数目。另外，可增加平行和/或平面纳米通道之间的距离以使与两个邻近纳米通道相关联的检测装置之间的串扰最小化。图I至图7呈现包含纳米通道(例如，纳米通道140)且形成于半导体结构(例如，半导体结构110)或衬底内的纳米通道装置的说明性实例。该纳米通道装置为半导体装置。图la、图2a、图3a、图4a及图5为示例性纳米通道装置的自顶向下图。纳米通道装置包含沿轴A-B形成于半导体结构110内的纳米通道。图lb、图2b、图3b、图4b及图6为纳米通道装置的截面图，该截面包括纳米通道的轴A-B或三个纳米通道的轴Al-Bl、A2-B2及A3-B3。半导体结构110可包含硅。如图3b和图6的截面中所展示，可形成具有多个层(例如，图3b的层110AU10B和110C)的半导体结构110。或者，半导体结构110可包含其中例如通过蚀刻而形成特征的单个半导体块。半导体结构的处理及包含多个半导体层的半导体结构的形成在此项技术中是公知的。包含一个或多个纳米通道的层析装置操作为从成分混合物分离出至少一种成分和/或从成分混合物检测至少一种成分。根据本发明的实施例的纳米通道装置可例如为层析装置的至少一部分。除纳米通道装置外，半导体装置亦可包含MEMS及电子装置，该电子装置可包括可例如结合纳米通道装置使用的以下各项中的任一者晶体管；电容器；电感器；电阻器；功能装置；处理器(例如，处理器装置)；以及电路和系统。纳米通道装置和(视情况)MEMS和/或电子装置可(例如)通过用以形成集成电路的半导体处理(有时称为集成电路或VLSI电路处理)而形成。此种处理在相关技术中是公知的。因此，可将包含如本文中所描述的纳米通道装置及(视情况)MEMS和/或电子装置(包括与纳米通道相关联的检测器)的半导体结构视为集成电路。半导体结构110内所包含的示例性半导体装置可包含用于检测混合物的进入纳米通道装置的纳米通道的单个分子、一个以上分子或成分的检测器。示例性检测器包括光检测器、电流测量装置及电流检测器。举例而言，检测器可包含电子电路(例如，与纳米通道集成至半导体装置中的电子电路)。电子电路可包含(例如)晶体管和/或处理器装置。电子电路可为(例如)处理装置。在本发明的实施例中，纳米通道为半导体结构100内的大致圆柱形结构。该圆柱形结构在垂直于圆柱体的轴的面中具有圆形截面。其它实施例包含具有不同于圆柱形的通道状或管状形状的纳米通道，例如，具有垂直于纳米通道的轴的大致方形、矩形、椭圆形、不规则形或其它截面的通道。纳米通道形状的其它实例为直角矩体(right cuboid)(即，矩形箱)、椭圆柱体或具有不规则形状截面的管。纳米通道的截面及因此该纳米通道可通过跨越截面和在截面的面中的最长尺寸(例如，圆形截面的直径或矩形截面的对角线)表征。如本文中所使用，跨越截面和在截面的面中的此最长尺寸称为纳米通道的特性尺寸。对于圆柱形纳米通道而言，特性尺寸为圆柱体的直径，对于矩形纳米通道而言，特性尺寸为在垂直于纳米通道的最长轴的面中的矩形截面的对角线。纳米通道可具有(例如)位于平行于半导体结构100的表面或平行于半导体结构100的衬底的表面的面中的轴。
在一个实施例中，纳米通道的特性尺寸可为相对小,例如,小于约lOOnm。某些实施例可包含具有小于约IOnm或甚至小于约Inm的特性尺寸的一个或多个纳米通道。然而，本发明的实施例不限于此小尺寸，而是可包含具有大于约IOOnm的特性尺寸的纳米通道。本发明的某些实施例包含纳米通道的内壁的全部或一部分上的选择性涂层。该涂层可起如下作用提供、增强或辅助鉴别或区分不同分子；提供层析装置中的更好梯度(例如，不同类型的分子中的至少一者的浓度梯度)；提供分子混合物的成分(例如，混合物的不同类型的分子)的更好分离；和/或改善穿过纳米通道的至少一部分的渡越时间在识别分子上的鉴别力。举例而言，图la、图lb、图2a、图2b、图3a、图3b、图4a、图4b、图5、图6、图8及图9中所展示的纳米通道装置的纳米通道可具有涂层。该涂层可包含(例如)涂布纳米通道的内壁的至少一部分的不可混溶液体、接合至纳米通道的内壁的表面的至少一部分的液体薄膜或涂布纳米通道的内壁的至少一部分的固体膜。图Ia和图Ib描绘根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置100，该纳米通道装置100包含纳米通道140、耦合至纳米通道140的样品入口 120及耦合至纳米通道140的出口 130。纳米通道装置100可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。样品入口 120将样品提供至纳米通道140。出口 130用于在流出物通过纳米通道140之后使样品的至少一部分(流出物)离开通道。在图Ib中，展示在纳米通道140内发生的分子的识别、量化和/或分析或层析。使样品的分析物分子150进入至样品入口 120中。至少分析物分子150(例如，待检测、分离或测量的分析物分子)流过纳米通道140且通过出口 130被作为流出物洗提。在一个说明性实施例中，分析物分子150或其至少一部分(例如，待检测、分离或测量的分析物)通过电梯度(electric gradient)而移动穿过纳米通道140。电梯度可用以调节分子通过速率以用于分子选择。在另一说明性实施例中，分析物分子150或其至少一部分(例如，待检测、分离或测量的分析物)通过压力梯度而移动穿过纳米通道140。通过对输入样品(例如，液体或气体输入样品)的加压而从样品入口 120至出口 130建立此梯度。该梯度基于固有性质(诸如，尺寸或疏水性)而建立分子物种(species)的相应梯度。图2a和图2b描绘根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置200，该纳米通道装置200包含纳米通道140、样品入口 120、出口 130及两个电极210。纳米通道装置200可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。两个电极210耦合至纳米通道140的端部且形成于样品入口 120和出口 130中。在说明性实施例中，电极210可用以将电势或电梯度施加至纳米通道140或跨越纳米通道140而施加电势或电梯度。电势或电梯度可用以控制带电混合物穿过纳米通道140的流动。通过电场而沿纳米通道的长度建立电梯度。电极210亦可电耦合至电流测量装置(检测器)220，该电流测量装置(检测器)220操作为通过监视或确定流经纳米通道140的离子电流来监视或确定一个或多个分子在纳米通道140内部的保留时间。电流测量装置220电耦合至电极210中的一者(例如，出口 130处的电极210)且电耦合至电压源230。电压源230电耦合至另一电极210 (例如，样品入口 120处的电极210)。电压源230可供应电压以形成电梯度。可将电压源230视为电流源以提供电流从而形成电梯度。
应注意，耦合至电极210的电流测量装置220用于进行以下中的任一者或两者计数作为由瞬态电流(例如，电流尖波)所展现的离散事件的单独分子；或计数展现为更连续的电流的体(bulk)分子流(例如，多个分子)。电流测量装置220可连同纳米通道装置200而集成于半导体结构110内、耦合至纳米通道140且操作为测量流经纳米通道140的电流。电压源可(但非必需)集成至半导体结构110中。集成电压源的实例包括太阳能电池及电磁或射频(RF)电感电压源。图3a和图3b描绘根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置300，该纳米通道装置300包含纳米通道140、样品入口 120、出口 130及耦合至纳米通道的一个或多个光检测器310。在图3a和图3b中，展示在纳米通道下方耦合至纳米通道的两个光检测器310。纳米通道装置300可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。光检测器310与纳米通道装置集成、以光学耦合至纳米通道140且操作为从进入至入口 120中的样品进行分析物分子(例如，待检测、分离或测量的分析物)的光学测量(例如，光学无透镜测量)。光检测器310可定位或集成于纳米通道140上方或下方。在说明性实施例中，光检测器310可包含能够检测低强度信号的单光子雪崩二极管(SPAD)。光检测器210可感测纳米通道140内的光和/或光照度的改变。光检测器210可能未必包括聚焦光学装置。尽管在图3a和图3b中说明具有两个光检测器310的纳米通道装置300，但本发明的实施例并不如此受限制。涵盖仅具有一个光检测器310及具有三个或三个以上光检测器310的实施例。举例而言，在通常称为半导体工艺的前段制程(FEOL)部分的半导体处理的初期阶段期间，光检测器310可如所展示形成于纳米通道下方。举例而言，可使用晶片接合工艺将光检测器310形成于纳米通道上方(光检测器310未展示位于纳米通道上方)。光检测器310可如图3b中所展示具有位于光检测器310与纳米通道140之间的半导体材料，或可形成纳米通道140的壁的部分。光检测器310与纳米通道140之间的半导体材料允许光在纳米通道140与光检测器310之间通过。仅通过非限制性实例，可通过一个、两个或两个以上光源311将光引入至纳米通道中。如图3a和图3b中所展示，光源311可耦合至纳米通道140的顶部且定位成直接从光检测器310跨越纳米通道140。光源311可提供光以供光检测器310检测。光可通过纳米通道140内的分析物。如图3a及图3b中所展示，在两个光检测器310耦合至纳米通道140的底部且两个光源311耦合至纳米通道140的顶部且每一光源311从光检测器310跨越纳米通道140情况下，纳米通道140的两个部分通过光源311照明。该光在通过纳米通道140内的分析物后经由相应光检测器310来检测。可将光检测器310及用于提供照明以供光检测器310检测的相应光源311视为检测器单元、光学检测器单元或简单地光学检测器或检测器。对于一个实例而言，一个或两个光源311可提供来自分光光度计的光或可结合分光光度计而提供光。光源311可稱合至分光光度计和/或视为分光光度计的一部分。光检测器310可耦合至分光光度计，可将输入提供至分光光度计的至少一部分和/或可视为分光光度计的光感测部分(即，光检测器)。对于另一实例而言，每一光源可为激光器。纳米通道装置可还包括光源310 (例如，提供来自分光光度计的光或结合分光光度计而提供光的激光器或光源)。如上文所描述，纳米通道装置300可使用飞行时间识别分子类型且量化(例如，通过分子类型来量化)通过纳米通道140的分子的数目。图4a和图4b展示根据本发明的示例性实施例的纳米通道装置400，该纳米通道装置400包含纳米通道440、样品入口 120、出口 130及耦合至纳米通道440的电导体420。纳米通道装置400耦合至电流测量装置410及电压源430。纳米通道装置400可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。电流测量装置410电耦合至导体420中的一者(例如，朝向出口 130的导体420)及电压源430。电压源430电耦合至另一导体420(例如，朝向样品入口 120的导体420)。电压源430可供应电压以形成电梯度。可将电压源430视为电流源以提供电流从而形成电梯度。除导体420可形成纳米通道440的壁的一部分外，纳米通道440类似于纳米通道140。导体420可包含(例如)金属和/或半导体材料。纳米通道装置400与纳米通道装置200类似处在于，导体420类似于电极210，此系因为导体420可用于通过电场而沿纳米通道的长度在纳米通道440中建立电梯度。电梯度可用以控制带电混合物穿过纳米通道440的流动。然而，纳米通道装置400与纳米通道装置200不同处在于，导体420可定位于纳米通道440的端部处或定位于纳米通道440的长度内，其中电极210在样品入口 120及出口 130内定位于纳米通道440的端部处或附近。因此，对于纳米通道装置400而言，电梯度及电场在纳米通道400的位于导体420之间的彼部分内，而对于纳米通道装置200而言，电梯度及电场可延伸纳米通道的整个长度。如图4a和图4b中所展示，导体420可在纳米通道440的端部处、邻近于纳米通道440的端部或朝向纳米通道440的端部而耦合至纳米通道440。仅通过实例，导体420可在纳米通道440周围形成连续环、形成至纳米通道440的单点接触，或形成与纳米通道440的多(例如，两)点接触。导体420可形成纳米通道440的壁的一部分且可与样品或流经纳米通道440的成分物理接触以及电接触。如图4a和图4b中所展示，导体420在纳米通道440周围为连续的。或者，导体420可仅在纳米通道440周围的圆周的一部分处(例如，在纳米通道440的顶部处)接触纳米通道。应注意，耦合至导体420的电流测量装置410可用于进行以下中的任一者或两者计数作为由瞬态电流(例如，电流尖波)所展现的离散事件的单独分子；或计数展现为更连续的电流的体分子流(例如，多个分子)。、
电流测量装置410可连同纳米通道装置而集成于半导体结构110内、耦合至纳米通道140且操作为测量流经纳米通道140的电流。在说明性实施例中，导体420可经由原子层沉积(ALD)工艺而形成于纳米通道内。电压源可(但非必须)集成至半导体结构110中。图5展示根据本发明的实施例的纳米通道装置500的俯视图，该纳米通道装置500包含三个大致平行的纳米通道440-1、440-2及440-3、导体420、公共样品入口 520及公共出口 530。纳米通道440-1、440-2及440-3中的每一者可耦合至检测器(例如，光检测器(未图示)或电流测量装置410)。耦合至电流测量装置410的每一纳米通道440-1、440-2及440-3亦可耦合至电压源430，如参看图4a及图4b所描述且如图5中所展示。在特定实施例中，该纳米通道中的一些纳米通道耦合至第一类型的检测器(例如，光检测器)，且该纳米通道中的一些纳米通道耦合至第二类型的检测器(例如，具有或不具有耦合的电压源的电流测量装置)。纳米通道装置500可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。三个电流测量装置410及电压源430连同相关导体420中的每一者类似于(例如，关于集成、设置、耦合及功能而类似)纳米通道装置400的电 流测量装置410和电压源430连同相关导体420。公共样品入口 520耦合至所有三个纳米通道440，且将样品提供至所有三个纳米通道440。公共出口 530耦合至所有三个纳米通道440,且允许流出物从所有三个纳米通道440流出。有利地,可增加纳米通道间的距离以减少通道的间的通道串扰。在本发明的额外方面中，可形成具有基本上在公共面(例如，基本上平行于半导体结构110的上表面的公共面)内的轴(A1-B1、A2-B2及A3-B3)的三个纳米通道 440-1、440-2 及 440-3。尽管纳米通道装置500的说明性实施例包含三个纳米通道440-1、440-2及440-3，但本发明的其它实施例并不如此受限制。涵盖包含三个以上纳米通道440或包含仅两个纳米通道440的其它实施例。大数目(例如，多达数千个)的纳米通道440为有利的以改善准确度、稳健性和/或敏感性。尽管纳米通道装置500的说明性实施例包含三个基本上平行的纳米通道440-1、440-2及440-3，但本发明的其它实施例并不如此受限制且可包含不平行的纳米通道440。图6展示根据本发明的实施例的纳米通道装置600的截面图，该纳米通道装置600包含纳米通道640、样品入口 120及出口 130。示例性纳米通道装置600耦合至光检测器310。纳米通道装置600可为(例如)用于检测、量化、识别和/或分离分子或化合物的装置(例如，层析装置)。除纳米通道640的形状外，纳米通道装置600类似于纳米通道装置100。纳米通道640包含第一部分640A、第二部分640B及第三部分640C。第一部分640A耦合至样品入口 120，且从样品入口 120接收样品。第二部分640B耦合至第一部分640A且从第一部分640A接收样品的至少一部分。第三部分640C耦合至第二部分640B且从第二部分640B接收样品的至少一部分。出口 130耦合至第三部分640C，且从第三部分640C接收样品(流出物)的至少一部分。第二部分640B具有大于第三部分640C的直径、临界尺寸或截面面积，以及可选地大于第一部分640A的直径或截面面积的直径、临界尺寸或截面面积。以此方式，纳米通道装置600具有纳米通道640的经调节直径、临界尺寸或截面面积。可通过本领域中已知的半导体处理来形成不同纳米通道直径、临界尺寸或截面面积。较宽的第二部分640B积聚分析物以供光检测器310更好地检测。
纳米通道装置600与纳米通道装置300类似处在于，纳米通道装置600包含至少一光检测器310且可从光源311接收光。在纳米通道装置600中，除在纳米通道装置600中光检测器310和光源311可定位于纳米通道640的较宽部分(例如，第二部分640B)或蓄集部分上外，光检测器310及光源311的设置、操作及数目类似于纳米通道装置300中的光检测器310及光源311的设置、操作及数目。可将纳米通道装置600视为在纳米通道的蓄集部分的一部分中提供分析物的蓄集(例如，分析物的积聚)和光学测量的纳米通道装置的实例。提供蓄集(例如，分析物的积聚)的纳米通道装置的另一实例为在半导体结构100中具有独立蓄集结构的装置。该独立蓄集结构代替纳米通道的具有较大截面面积的部分或该独立蓄集结构为除纳米通道的具有较大截面面积的部分之外的结构。该蓄集结构可为(例如)半导体结构100中的一个或多个腔，该一个或多个腔耦合至纳米通道且被配置为由分析物(即，样品)的至少一部分至少部分地填充。该蓄集结构耦合至纳米通道，该纳米通道将分析物提供至蓄集结构且可提供分析物从蓄集结构的流出。在此实施例中，一个或多个光检测器及光源可定位成邻近于或耦合至蓄集结构以用于光学测量或分析物的分析。分析物的蓄集提供较大量的分析物以用于光学测量。尽管图6中说明耦合至一个光检测器310及一个光源311的纳米通道装置600，但本发明的实施例并不如此受限制。涵盖仅具有一个以上光检测器310及光源311的实施例。图7描绘说明根据本发明的实施例的用于形成用于检测一个或多个分子的半导体装置的方法的流程图。在步骤710处，在半导体结构内形成至少一个纳米通道。在步骤720处，在半导体结构内形成至少一个检测器。该至少一个检测器检测进入至少一个纳米通道的样品的一个或多个分子。图8展示根据本发明的实施例的半导体装置800 (诸如，集成电路)，其包含纳米通道装置810 (例如，纳米通道装置200、300、400、500或600)及处理器装置820。半导体装置或集成电路操作为检测进入纳米通道装置810的一个或多个通道的样品的一个或多个分子。纳米通道装置810包含至少一个检测器811以检测一个或多个分子及提供从纳米通道装置输出的电信号830。纳米通道装置810的输出在至处理器装置820的输入处耦合至处理器装置820。信号830响应于一个或多个分子的检测。处理器装置820被配置为至少部分地基于信号830而产生输出。在一些实施例中，处理器装置820可经由进一步将处理器装置820耦合至纳米通道装置810的电控制信号840而提供纳米通道装置810的自动化或半自动化控制。控制信号840可(例如)控制电压源230 (图2a)或电压源430 (图4a或图5)。应了解，因为自晶片分割管芯，所以将包含根据本发明的实施例的一个或多个纳米通道装置的管芯视为本发明的部分。可将本发明的技术或结构的至少一部分(例如，图I至图8中所说明的技术或结构)实施于一个或多个集成电路中。在形成集成电路时，通常以重复图案在半导体晶片的表面上制造管芯。自晶片切割或分割单独的管芯，接着将管芯封装成集成电路。本领域的技术人员应知晓分割晶片及封装管芯以生产集成电路的方式。将如此制造的集成电路视为 本发明的部分。
图9为描绘根据本发明的实施例的示例性封装集成电路900的截面图。封装集成电路900包含引线框902、附接至引线框的管芯904及塑料封模908。尽管图9仅展示一种类型的集成电路封装，但本发明并未如此受限制；本发明可包含以任何封装类型中的集成电路管芯。管芯904包括本文中所描述的装置,且可包括其它结构或电路。举例而言,管芯904包括根据本发明的实施例的至少一个导通孔。根据本发明的集成电路可用于应用、硬件和/或电子系统中。用于实施本发明的合适硬件和系统可包括(但不限于)个人计算机、通信网路、电子商务系统、便携通信装置(例如，移动电话)、固态介质储存装置、功能电路等。并入有这样的集成电路的系统及硬件被视为本发明的一部分。在给定本文中所提供的本发明教导的情况下，本领域的技术人员将能够预期本发明的技术的其它实施及应用。应了解且应理解，可以许多不同方式来实施上文所描述的本发明的示例性实施例。在给定本文中所提供的本发明教导的情况下，本领域的技术人员将能够预期本发明的其它实施。实际上，尽管本文中已参看随附图描述本发明的说明性实施例，但应理解，本发明并不限于这样的精确实施例，且本领域的技术人员可在不背离本发明的范围和精神的情 况下做出各种其它改变及修改。
权利要求
1.一种用于检测一个或多个分子的半导体装置，所述半导体装置包含 通道，其形成在半导体结构内；以及 至少一个检测器，形成在所述半导体结构内； 其中所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子。
2.根据权利要求I的半导体装置，还包括 样品入口，其将包含所述一个或多个分子的样品提供至所述通道，所述样品入口耦合至所述通道的一个端部；以及 出口，用于使所述样品的至少一部分离开所述通道，所述出口耦合至所述通道的另一端部。
3.根据权利要求2的半导体装置，还包括 第一电极，其邻近于所述样品入口 ；以及 第二电极，其邻近于所述出口。
4.根据权利要求3的半导体装置，其中所述第一电极和所述第二电极用于进行以下操作中的至少一者(i)将电势施加至所述通道；以及(ii)测量流经所述通道的电流。
5.根据权利要求I的半导体装置，还包括耦合至所述通道的至少两个导体。
6.根据权利要求5的半导体装置，其中所述至少两个导体用于进行以下操作中的至少一者(i)将电势施加至所述通道的至少一部分；以及(ii)测量流经所述通道的所述至少一部分的电流。
7.根据权利要求5的半导体装置，其中所述至少两个导体形成所述通道的壁的一部分。
8.根据权利要求I的半导体装置，其中所述半导体装置操作为检测单个分子。
9.根据权利要求I的半导体装置，其中所述通道为以下各项中的一个圆柱体、椭圆柱体、直角矩体以及具有不规则形状截面的管，且其中特性尺寸为跨越所述通道的截面的最长尺寸，所述截面与所述通道的轴大致成直角，所述特性尺寸小于以下各项中的至少一者约100纳米、约10纳米、约I纳米。
10.根据权利要求2的半导体装置，还包括形成在所述半导体结构内的一个或多个额外通道，其中所述一个或多个额外通道中的每一者的一个端部耦合至所述样品入口且所述一个或多个额外通道中的所述每一者的另一端部耦合至所述出口，以及其中所述一个或多个额外通道耦合至一个或多个相关联的额外检测器。
11.根据权利要求10的半导体装置，其中所述通道和所述一个或多个额外通道大约平行且具有基本上位于公共面内的轴。
12.根据权利要求I的半导体装置，其中所述至少一个检测器包含电流测量装置，所述电流测量装置操作为通过确定流经所述通道的离子电流来确定所述一个或多个分子在所述通道内部的保留时间。
13.根据权利要求I的半导体装置，其中所述至少一个检测器包含以下各项中的至少一者(i)至少一个光检测器，操作为感测所述通道内的光；以及(ii)至少一个光源，操作为将所述光供应至所述通道中。
14.根据权利要求I的半导体装置，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宽的直径。
15.根据权利要求14的半导体装置，其中具有以下情形中的至少一者(i)光检测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.根据权利要求2的半导体装置，其中所述样品的至少一部分通过由电场沿所述通道的长度建立的电梯度而移动穿过所述通道。
17.根据权利要求2的半导体装置，其中所述样品的至少一部分通过压力梯度而移动穿过所述通道。
18.根据权利要求I的半导体装置，其中所述半导体结构包含硅。
19.根据权利要求I的半导体装置，其进行以下操作中的至少一者(i)从成分混合物分离出至少一种成分；(ii)识别所述一个或多个分子；以及(iii)计数所述一个或多个分子的数目。
20.根据权利要求I的半导体装置，还包括在所述通道的至少一部分的内壁上的涂层，所述涂层至少辅助以下各项中的至少一者(i)所述一个或多个分子之间的鉴别；(ii)层析装置中的所述一个或多个分子的浓度梯度；以及(iii)混合物的成分的分离，所述混合物包含所述一个或多个分子。
21.根据权利要求I的半导体装置，其中穿过所述通道的至少一部分的渡越时间用于进行以下操作中的至少一者(i)识别所述一个或多个分子；以及(ii)计数经过所述通道的所述一个或多个分子的数目。
22.根据权利要求I的半导体装置，还包括所述半导体结构内的腔，所述腔耦合至所述通道且被配置为至少部分地由所述样品的至少一部分填充。
23.一种用于检测一个或多个分子的层析装置，所述层析装置包含 通道，其形成在半导体结构内；以及 至少一个检测器，形成在所述半导体结构内； 其中所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子；以及 其中所述层析装置操作为进行以下操作中的至少一者(i)从成分混合物分离出至少一种成分；以及(ii)检测成分混合物中的至少一种成分。
24.一种操作为检测一个或多个分子的集成电路，所述集成电路包含 至少一个通道，形成在半导体结构内； 至少一个检测器，形成在所述半导体结构内，其中所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子并产生响应于所述一个或多个分子的所述检测的信号；以及 处理器装置，耦合至所述至少一个检测器并操作为产生至少部分地基于所述信号的输出。
25.一种用于形成用于检测一个或多个分子的半导体装置的方法，所述方法包含 在半导体结构内形成至少一个通道；以及 在所述半导体结构内形成至少一个检测器； 其中所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子。
全文摘要
提出用于检测一个或多个分子的半导体装置、层析装置和集成电路以及用于形成用于检测一个或多个分子的半导体装置的方法。举例而言，用于检测一个或多个分子的半导体装置包括形成在半导体结构内的通道和形成在所述半导体结构内的至少一个检测器。所述至少一个检测器检测所述通道中的所述一个或多个分子。所述半导体装置可选地包含形成在所述半导体结构内的一个或多个额外通道。举例而言，所述半导体装置操作为检测单个分子。
文档编号G01F1/00GK102725613SQ201080062430
公开日2012年10月10日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年1月27日
发明者F·休茨, S·波隆斯基 申请人:国际商业机器公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
