[发明专利]一种磁性生物传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明申请一般性地涉及磁性生物传感器及磁性生物传感器阵列，具体说，涉及磁性生物传感器及磁性生物传感器阵列的制备方法。

背景技术

磁性生物传感器利用纳米磁性颗粒标识生物分子和测量纳米磁性颗粒微磁场的方式探测生物样品入生物分子等。当前的磁性生物传感器大多基于微磁场测量技术，往往采用灵敏的巨磁阻结构，比如自旋阀(spin valve，SV)、磁隧穿(magnetic tunnel junction，MTJ)和其他一些磁性多层膜堆叠结构。图1示意性地展示了一个磁性生物传感器的结构。如图1所示，磁性生物传感器100包含衬底116和传感层118。衬底中包含电路，可以用来控制传感器100的操作。传感层118包含生物薄膜102，自由层106，隧穿层108，钉扎层110、反铁磁层114以及上下电极104和112。多数情况下，自由层106是复合层包含多个功能薄膜，一个实施范例展示在图2中。参看图2，自由层106包含CoFe层，Ta层和Ru层。

现在的磁性生物传感器往往包含当前半导体制备中的常规材料比如Ti，TiN，TiW，TiWN，W，Ta，Cu和CoSiN等；同时也包含一些非常规材料比如NiFe，CuN，NiFeCr，Pt，GeTeSb和BiTe等材料。这些非常规材料很难被集成到当前常规的集成电路制备工艺中。一方面因为当前半导体工艺中常用的刻蚀方法很难刻蚀这些非常规材料，尤其是在形成小线宽(比如45纳米线宽)结构的情况下。另一方面，磁性生物传感器的功能薄膜往往很薄，比如一般在几个纳米厚度范围。在利用常规的半导体工艺处理这些非常规材料薄膜时，这些非常规薄膜中的材料在制备过程中可能互相扩散导致这些薄膜性能的改变。除了材料扩散，刻蚀过程也常常引起非常规材料薄膜性能的改变。这是因为，现在的半导体工艺中的加工过程往往采用“高能“加工手段比如离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)和粒子束反应刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等。在这些高能加工过程中，被刻蚀出来的分子粒子等在被刻蚀的薄膜层边界上往往形成重新沉淀(re-deposition)。重新沉淀导致在薄膜层的边界上形成导电通道，形成短路，最终导致制备失败。

本发明提供了一种制备磁性生物传感器的方法。该方法使得磁性传感器的制备与半导体制备工艺匹配。本方法实际上可以更广泛地应用到其他包含非常规材料或者其他包含磁性材料器件的制备。

发明内容

在第一个实施例中公开了一个可用于制备磁性生物传感器的方法，该方法包括以下步骤：提供一个衬底，该衬底包含电路；和在该衬底上制备传感层，该传感层包含第一和第二部分，第一和第二部分各包含至少一个薄膜层，该步骤包括：在该衬底上制备传感层的第一部分；和在传感层的第一部分上制备第二部分，该步骤包括：生成沟槽层；在该沟槽层中形成第一和第二沟槽；在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接。

在第二个实施例中公开了一种制备磁性生物传感器的方法，该方法包含：在一个衬底上定义多个芯片区，每个芯片区中包含一个电路；在芯片区中制备磁性生物传感器，包含：在芯片区中制备传感层的第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层，钉扎层，隧穿层和下电极；在芯片区中制备传感层的第二部分，该第二部分至少包含自由层，上电极和生物薄膜层，该步骤包含：生成一个沟槽层；在沟槽层中生成第一和第二沟槽；在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接；和将芯片区从衬底中分离已形成分立的磁性生物传感器。

在第三个实施例中公开了一个磁性生物传感器，包含：衬底，该衬底包含一个电路；和传感层，该传感层包含：第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层，钉扎层，隧穿层和下电极；该第一部分连续地分布在衬底的上表面，并且与衬底的上表面相连；和第二部分，该第二部分至少包含：沟槽层；和在沟槽层中的第一和第二沟槽，该第一和第二沟空间分离，在第一和第二沟槽各包含：自由层，上电极和生物薄膜层。

附图说明

由以下结合附图的详细说明，本发明的各个示范性实施方式能够被更加清楚地理解。

图1示意性地展示了一个磁性生物传感器；

图2示意性地展示了图1中自由层的一个实施例；