專利名稱：一種磁性生物傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明申請一般性地涉及磁性生物傳感器及磁性生物傳感器陣列，具體說，涉及磁性生物傳感器及磁性生物傳感器陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
磁性生物傳感器利用納米磁性顆粒標(biāo)識生物分子和測量納米磁性顆粒微磁場的方式探測生物樣品入生物分子等。當(dāng)前的磁性生物傳感器大多基于微磁場測量技術(shù)， 往往采用靈敏的巨磁阻結(jié)構(gòu)，比如自旋閥(spin valve, SV)、磁隧穿(magnetic tunnel junction,MTJ)和其他一些磁性多層膜堆疊結(jié)構(gòu)。圖1示意性地展示了一個(gè)磁性生物傳感器的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，磁性生物傳感器100包含襯底116和傳感層118。襯底中包含電路，可以用來控制傳感器100的操作。傳感層118包含生物薄膜102，自由層106，隧穿層 108，釘扎層110、反鐵磁層114以及上下電極104和112。多數(shù)情況下，自由層106是復(fù)合層包含多個(gè)功能薄膜，一個(gè)實(shí)施范例展示在圖2中。參看圖2，自由層106包含( 層，Ta 層和Ru層?，F(xiàn)在的磁性生物傳感器往往包含當(dāng)前半導(dǎo)體制備中的常規(guī)材料比如Ti，TiN，TiW， TiffN, W, Ta, Cu和CoSiN等；同時(shí)也包含一些非常規(guī)材料比如NiFe，CuN, NiFeCr, Pt, GeTeSb 和BiTe等材料。這些非常規(guī)材料很難被集成到當(dāng)前常規(guī)的集成電路制備工藝中。一方面因?yàn)楫?dāng)前半導(dǎo)體工藝中常用的刻蝕方法很難刻蝕這些非常規(guī)材料，尤其是在形成小線寬(比如45納米線寬)結(jié)構(gòu)的情況下。另一方面，磁性生物傳感器的功能薄膜往往很薄，比如一般在幾個(gè)納米厚度范圍。在利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝處理這些非常規(guī)材料薄膜時(shí)，這些非常規(guī)薄膜中的材料在制備過程中可能互相擴(kuò)散導(dǎo)致這些薄膜性能的改變。除了材料擴(kuò)散，刻蝕過程也常常引起非常規(guī)材料薄膜性能的改變。這是因?yàn)椋F(xiàn)在的半導(dǎo)體工藝中的加工過程往往采用“高能“加工手段比如離子束刻蝕(Ion Beam Etching, IBE)和粒子束反應(yīng)刻蝕 (Reactive Ion Etching,RIE)等。在這些高能加工過程中，被刻蝕出來的分子粒子等在被刻蝕的薄膜層邊界上往往形成重新沉淀(re-d印osition)。重新沉淀導(dǎo)致在薄膜層的邊界上形成導(dǎo)電通道，形成短路，最終導(dǎo)致制備失敗。本發(fā)明提供了一種制備磁性生物傳感器的方法。該方法使得磁性傳感器的制備與半導(dǎo)體制備工藝匹配。本方法實(shí)際上可以更廣泛地應(yīng)用到其他包含非常規(guī)材料或者其他包含磁性材料器件的制備。

發(fā)明內(nèi)容
在第一個(gè)實(shí)施例中公開了一個(gè)可用于制備磁性生物傳感器的方法，該方法包括以下步驟提供一個(gè)襯底，該襯底包含電路；和在該襯底上制備傳感層，該傳感層包含第一和第二部分，第一和第二部分各包含至少一個(gè)薄膜層，該步驟包括在該襯底上制備傳感層的第一部分；和在傳感層的第一部分上制備第二部分，該步驟包括生成溝槽層；在該溝槽層中形成第一和第二溝槽；在第一和第二溝槽中生成傳感層的第二部分所包含的薄膜層；和去除溝槽層之上、第一和第二溝槽之外的薄膜材料使傳感層的第二部分被限制在第一和第二溝槽中并且與傳感層的第一部分相接。在第二個(gè)實(shí)施例中公開了一種制備磁性生物傳感器的方法，該方法包含在一個(gè)襯底上定義多個(gè)芯片區(qū)，每個(gè)芯片區(qū)中包含一個(gè)電路；在芯片區(qū)中制備磁性生物傳感器，包含在芯片區(qū)中制備傳感層的第一部分，該第一部分至少包含反鐵磁層，釘扎層，隧穿層和下電極；在芯片區(qū)中制備傳感層的第二部分，該第二部分至少包含自由層，上電極和生物薄膜層，該步驟包含生成一個(gè)溝槽層；在溝槽層中生成第一和第二溝槽；在第一和第二溝槽中生成傳感層的第二部分所包含的薄膜層；和去除溝槽層之上、第一和第二溝槽之外的薄膜材料使傳感層的第二部分被限制在第一和第二溝槽中并且與傳感層的第一部分相接；和將芯片區(qū)從襯底中分離已形成分立的磁性生物傳感器。在第三個(gè)實(shí)施例中公開了一個(gè)磁性生物傳感器，包含襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和傳感層，該傳感層包含第一部分，該第一部分至少包含反鐵磁層，釘扎層，隧穿層和下電極；該第一部分連續(xù)地分布在襯底的上表面，并且與襯底的上表面相連；和第二部分， 該第二部分至少包含溝槽層；和在溝槽層中的第一和第二溝槽，該第一和第二溝空間分離，在第一和第二溝槽各包含自由層，上電極和生物薄膜層。


由以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，本發(fā)明的各個(gè)示范性實(shí)施方式能夠被更加清楚地理解。圖1示意性地展示了一個(gè)磁性生物傳感器；圖2示意性地展示了圖1中自由層的一個(gè)實(shí)施例；圖3至圖6示意性地展示了一種磁性傳感器的制備方法；圖7和圖8示意性地展示了利用圖3至圖8所示的方法制備一個(gè)磁性傳感器的實(shí)例；圖9至圖11示意性地展示了利用圖3至圖8所示的方法制備一個(gè)磁性傳感器的另一個(gè)實(shí)例；圖12和圖13示意性地展示了利用圖3至圖8所示的方法制備一個(gè)磁性傳感器的另一個(gè)實(shí)例，該磁性傳感器包含兩個(gè)磁性測量結(jié)構(gòu)；和圖14和圖15示意性地展示了在基片上利用圖3至圖8所示的制備方法制備一個(gè)或多個(gè)磁性傳感器的方法，其中圖14示意性的展示了包含多個(gè)芯片的基片，圖15示意性地展示了圖15中的一個(gè)芯片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明涉及的磁性生物傳感器的制備方法的幾個(gè)選定的例子。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解以下的介紹是為了說明的目的，不應(yīng)該理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他變化也包含在本發(fā)明中。為了能夠充分利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制備工藝制備磁性生物傳感器(和其他包含非傳統(tǒng)材料?；蛘咂渌娮悠骷?，同時(shí)避免材料在薄膜邊界的重新沉淀以及材料擴(kuò)散等問題，本發(fā)明利用溝槽結(jié)構(gòu)制備至少一部分薄膜層，尤其是那些受重新沉淀或者材料擴(kuò)散影響較大的，或者那些由于重新沉淀或者材料擴(kuò)散而直接導(dǎo)致制備失敗的薄膜層。作為一個(gè)選擇，溝槽壁可以覆蓋鈍化層或者隔離層。圖3至圖6示范性地展示了本發(fā)明涉及的一種制備方法。參考圖3，襯底116上可以生成一個(gè)溝槽層120。溝槽層120的材料有多種選擇比如介電材料(比如氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物、碳氮氧化物等)或者其他材料比如無定型硅、多孔硅、聚合物或者有機(jī)物等。溝槽層120可以使用很多種薄膜工藝生成比如物理氣相沉淀、化學(xué)氣相沉淀、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉淀等方法。利用光刻方法在溝槽層120中形成溝槽122，如圖4所示。溝槽122的形狀根據(jù)預(yù)期在該溝槽中所形成的結(jié)構(gòu)決定。比如溝槽122沿襯底116平面的幾何尺寸(長度、寬度、方向等)決定于預(yù)期在該溝槽中所形成的結(jié)構(gòu)(比如圖1中的自由層106、隧穿層108 的形狀、尺寸、和方向)。溝槽122的高度等于或者大于預(yù)期在該溝槽中所形成的結(jié)構(gòu)的總厚度(比如圖1中的自由層106和隧穿層108的總厚度)。作為一個(gè)選擇，溝槽122的槽壁比如槽壁可以生成保護(hù)層124如圖5和圖6所示。 參考圖5，保護(hù)層IM可以是鈍化層或者隔離層，包含氧化物(比如SiOx),氮化物(如TiNx) 或者其他材料，尤其是那些表面自由能等于或者小于TiNx的材料。槽壁的保護(hù)層IM可以用來避免溝槽層120和預(yù)期在溝槽122中生成的薄膜層之間的擴(kuò)散。同時(shí)也可以減少預(yù)期在溝槽122中生成的薄膜層之間的擴(kuò)散。溝槽保護(hù)層的厚度可以在100納米以下，比如在50納米以下，或者10納米以下。 在一些實(shí)施例中，保護(hù)層在溝槽122底部部分可以被去除，比如利用光刻和腐蝕的方法，如圖6所示。作為另一個(gè)選擇，襯底的上表面(在溝槽層120和襯底116之間)可以沉淀一層保護(hù)薄膜。這層保護(hù)膜一方面可以用來保護(hù)襯底116，另一方面也可以用作刻蝕阻擋層 (etching stop layer)。當(dāng)利用刻蝕的方法去除如圖5和圖6所示的槽壁保護(hù)層1 在溝槽122的底部部分時(shí)，在襯底上表面的刻蝕阻擋層可以用來阻擋刻蝕，保護(hù)襯底表面，尤其是對應(yīng)于溝槽122底部的部分。磁性生物傳感器的薄膜層可以在溝槽122中形成。作為一個(gè)實(shí)施例，圖7和圖8 示意性地展示了利用如圖6所示溝槽結(jié)構(gòu)生成如圖1所示磁性傳感器的方法。參考圖7，襯底116上生成溝槽層120，并在溝槽層120中生成溝槽122。溝槽122沿襯底平面上的幾何形狀對應(yīng)于磁性傳感器100(圖1所示)的傳感層118沿襯底116平面的幾何形狀。溝槽 122的深度等于或大于傳感層118的厚度。傳感層118中的功能薄膜如反鐵磁層114、釘扎層110、隧穿層108、自由層106、生物層102以及上下電極112可以沉淀在溝槽122中。作為選擇，如圖5和圖6所示的槽壁保護(hù)層可以在沉淀傳感層118之前生成在溝槽122中。為了將生物分子定位在溝槽122附近，生物層102在溝槽122之外的部分可以被去除，比如通過光刻和腐蝕的方法，如圖8所
7J\ ο在另一個(gè)實(shí)施例中，磁性傳感器100的一部分薄膜層可以利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝制備，而另一部分可以利用如圖6所示的溝槽制備，一個(gè)具體的制備實(shí)例示意性地展示在圖9和圖10中。參考圖9，磁性生物傳感器100的反鐵磁層114、下電極112、釘扎層110和隧穿層108可以利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝在襯底116上制備。溝槽曾120可以生成在隧穿層108的上表面。槽壁保護(hù)層IM可以有選擇性地生成。值得注意的是，隧穿層108是個(gè)介電材料層，可以作為光刻和腐蝕生成溝槽122是的刻蝕阻擋層，使刻蝕在隧穿層停止。傳感層118(如圖1所示)的其他薄膜層可以陸續(xù)在溝槽中生成，如圖10所示。具體的說，自由層110、上電極104和生物層102可以陸續(xù)生成在溝槽122中。當(dāng)傳感層118 的功能薄膜層完成后，溝槽層120之上、溝槽122之外的部分可以被去除，如圖11所示，去除可以通過刻蝕或者其它方法，比如離子束銑(Ion Milling)的方法。為了提高測量精度，現(xiàn)在的磁性生物傳感器往往采用兩個(gè)磁場測量結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)測量結(jié)構(gòu)用來測量目標(biāo)磁場(因此被稱為信號單元)，另一個(gè)測量結(jié)構(gòu)用來為信號單元提供參考信號(因此被稱為參考單元)。信號單元和參考單元在結(jié)構(gòu)上往往是一致的。在有的磁性傳感器中，參考單元的表面被覆蓋一層軟磁薄膜使參考單元與目標(biāo)磁場和環(huán)境中的磁場磁隔離。信號單元?jiǎng)t完全暴露在目標(biāo)磁場中用來測量目標(biāo)磁場。作為演示，圖13示意性地展示了一個(gè)磁性生物傳感器，該磁性傳感器包含信號單元和參考單元。圖13所示的磁性生物傳感器140可以采用如圖5和圖6所示的溝槽制備，如圖12所示。參考圖12，磁性傳感器140的傳感層142生成在襯底116上。傳感層142的一部分包含反鐵磁層114、下電極114、釘扎層110和隧穿層108被逐步生成在襯底116上。溝槽層120生成在隧穿層108上，并通過光刻腐蝕生成溝槽1 和128。溝槽1 和1 分別對應(yīng)參考單元和信號單元。在生成的溝槽1 和128中，可以陸續(xù)生成傳感層142的其它薄膜層，如自由層106、上電極104和生物薄膜層102。當(dāng)參考單元需要軟磁材料覆蓋的時(shí)候，軟磁材料可以在生物薄膜和自由層之間，通過薄膜沉淀和光刻腐蝕的方法生成。生物薄膜可以在完成軟磁薄膜之后生成。當(dāng)傳感層142的各層薄膜完成之后，溝槽層120之上、溝槽1 和1 之外的部分可以通過刻蝕或者其它方法(比如離子束銑Ion Milling)的方法去除，如圖13所示。以上描述的利用溝槽制備磁性生物傳感器的方法可以擴(kuò)展到基片制備，一個(gè)實(shí)施例示意性的展示在圖14和圖15中。參考圖14，基片128上可以定義多個(gè)芯片區(qū)如芯片區(qū) 130?；? 可以是襯底116(如圖1至圖13所示)。每個(gè)芯片區(qū)對應(yīng)一個(gè)磁性生物傳感器。具體來說，每個(gè)芯片區(qū)中可以制備一個(gè)如圖1或圖13所示的磁性生物傳感器。在芯片區(qū)上的磁性生物傳感器可以按照以上所描述的利用溝槽的方法制備?；? 上的芯片區(qū)比如芯片區(qū)130也可以對應(yīng)于一個(gè)磁性生物傳感器陣列，一個(gè)磁性生物傳感器陣列可以包含多個(gè)如圖1或者圖13所示的磁性生物傳感器，一個(gè)實(shí)施例示意性地展示在圖15中。參考圖15，芯片區(qū)130中可以制備一個(gè)磁性生物傳感器陣列，該陣列包含MXN(M行，N列)個(gè)陣點(diǎn)，每個(gè)陣點(diǎn)(如陣點(diǎn)132)對應(yīng)一個(gè)磁性生物傳感器(如圖1或圖13所示的磁性生物傳感器)。M和N可以是任何希望的正整數(shù)，比如8和12。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，以上的討論的目的是為了介紹，上面所舉的例子是許多可能的例子中的一部份，其他的變型也是可行的。本說明書中提到的“ 一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、“示例性實(shí)施例”等，其含義是，結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特性、結(jié)構(gòu)或特征包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書各處出現(xiàn)的這種短語不一定是指同一個(gè)實(shí)施例。另外，當(dāng)結(jié)合任何實(shí)施例描述具體特性、結(jié)構(gòu)或特征時(shí)，這意味著本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠該特性、結(jié)構(gòu)或特征應(yīng)用于其他的實(shí)施例中。而且， 為了易于理解，一些方法步驟被描述為獨(dú)立的步驟；但是，這些獨(dú)立描述的步驟不應(yīng)被認(rèn)為必須按照一定的順序執(zhí)行。也就是說，一些步驟同時(shí)也可以按照另外的順序執(zhí)行。此外，示例性的示圖顯示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的各種方法。這里的這種示例性方法實(shí)施例是利用相應(yīng)的裝置實(shí)施例來描述的，并可以應(yīng)用于這些相應(yīng)的裝置實(shí)施例。但是，這些方法實(shí)施例不是為了限制本發(fā)明。 的雖然這里展示和說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能理解，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行改變而不脫離本發(fā)明的原則和精神。因此，以上的各實(shí)施例從任何意義上講都應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而不是對這里所描述的本發(fā)明的限制。本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求書而不是上述說明書限定。在說明書的等價(jià)描述的含義和范圍內(nèi)的所有變化都包含在本發(fā)明的范圍中。在本說明書中使用的術(shù)語“優(yōu)選”不是排它的，其含義是“優(yōu)選為但并不限于”。權(quán)利要求書中的術(shù)語，在與說明書所描述的本發(fā)明的一般概念一致的情況下， 應(yīng)按照它們的最寬范圍解釋。例如，術(shù)語“連接”和“耦合”(及其派生詞匯)意味著直接和間接的連接/耦合。作為另一個(gè)例子，“具有”和“包括”及其派生詞和變異詞或詞組都和 “包含”具有相同的意思(即，都是“開放式”術(shù)語)_只有詞組“由…構(gòu)成”和“實(shí)質(zhì)上由… 構(gòu)成”應(yīng)被認(rèn)為是“關(guān)閉式”的。不應(yīng)按照112條第6款解釋權(quán)利要求書，除非詞組“意味著”和相關(guān)的功能出現(xiàn)在某項(xiàng)權(quán)利要求中，并且該權(quán)利要求沒有描述充分的結(jié)構(gòu)來執(zhí)行該功能。
8
權(quán)利要求
1.一種用于制備磁性生物傳感器的方法，該方法包括以下步驟 提供一個(gè)襯底，該襯底包含電路；和在該襯底上制備傳感層，該傳感層包含第一和第二部分，第一和第二部分各包含至少一個(gè)薄膜層，該步驟包括在該襯底上制備傳感層的第一部分；和在傳感層的第一部分上制備第二部分，該步驟包括 生成溝槽層；在該溝槽層中形成第一和第二溝槽；在第一和第二溝槽中生成傳感層的第二部分所包含的薄膜層； 禾口去除溝槽層之上、第一和第二溝槽之外的薄膜材料使傳感層的第二部分被限制在第一和第二溝槽中并且與傳感層的第一部分相接。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，傳感層的第一部分至少包含反鐵磁層、釘扎層、隧穿層和下電極；第二部分至少包含自由層、上電極和生物薄膜層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，第一和第二溝槽的槽壁包含保護(hù)層，該保護(hù)層和溝槽層包含至少一種不同的材料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一溝槽中形成一個(gè)信號單元可以測量目標(biāo)磁場； 第二溝槽中形成一個(gè)參考單元可以為信號單元的測量提供修正信號；信號單元和參考單元通過一個(gè)惠斯通電橋相連，該惠斯通電橋在襯底中。
5.一種制備磁性生物傳感器的方法，包含在一個(gè)襯底上定義多個(gè)芯片區(qū)，每個(gè)芯片區(qū)中包含一個(gè)電路； 在芯片區(qū)中制備磁性生物傳感器，包含在芯片區(qū)中制備傳感層的第一部分，該第一部分至少包含反鐵磁層，釘扎層，隧穿層和下電極；在芯片區(qū)中制備傳感層的第二部分，該第二部分至少包含自由層，上電極和生物薄膜層，該步驟包含生成一個(gè)溝槽層；在溝槽層中生成第一和第二溝槽；在第一和第二溝槽中生成傳感層的第二部分所包含的薄膜層； 禾口去除溝槽層之上、第一和第二溝槽之外的薄膜材料使傳感層的第二部分被限制在第一和第二溝槽中并且與傳感層的第一部分相接；和將芯片區(qū)從襯底中分離以形成分立的磁性生物傳感器。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，第一溝槽中形成一個(gè)信號單元以測量目標(biāo)磁場；第二溝槽中形成一個(gè)參考單元用于為信號單元的測量提供修正信號；信號單元和參考單元通過一個(gè)惠斯通電橋相連，該惠斯通電橋被包含在襯底電路中。
7.一個(gè)磁性生物傳感器，包含 襯底，該襯底包含一個(gè)電路；和傳感層，該傳感層包含第一部分，該第一部分至少包含反鐵磁層、釘扎層、隧穿層和下電極；該第一部分連續(xù)地分布在襯底的上表面，并且與襯底的上表面相連；和第二部分，該第二部分至少包含 溝槽層；和在溝槽層中的第一和第二溝槽，該第一和第二溝在空間上分離，在第一和第二溝槽各包含自由層、上電極和生物薄膜層。
8.如權(quán)利要求7所述的磁性生物傳感器，其中，第一和第二溝槽各包含一個(gè)保護(hù)層，該保護(hù)層位于第一和第二溝槽的槽壁上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁性生物傳感器及其制備方法，該方法在一個(gè)襯底上生成一個(gè)溝槽層，然后在溝槽層中生成對應(yīng)于磁性生物傳感器的溝槽。磁性生物傳感器至少一部分在溝槽中生成。
文檔編號G01N33/58GK102487118SQ201110137589
公開日2012年6月6日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月5日
發(fā)明者張彪, 白虹 申請人:北京德銳磁星科技有限公司