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本文介绍了一种创新的高密度纳米电极阵列（HD-NEA），其将垂直高深宽比纳米线电极单片集成于商用互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的后端工艺（BEOL）中。该技术通过低温（<400°C）、晶圆级的后道制造策略，在维持CMOS功能完整性的同时，实现了纳米结构与电路集成的解耦，成功制备了包含26,400个电极的阵列。在体外皮层神经元记录中，相比平面微电极阵列（MEA），HD-NEA无需电穿孔即可获得更高的动作电位幅值与信噪比（SNR），并展现出更陡的空间信号衰减曲线及包括推测的树突信号在内的多样化波形形态。这项工作为神经科学、脑机接口（BMI）和生物电子诊断等领域提供了一个可扩展、高性能的纳米生物界面解决方案。
引言
探究大脑功能、揭示神经退行性疾病基础及推动神经活性药物发现，均依赖于能以高时空精度记录神经元活动的工具。传统的平面高密度微电极阵列（HD-MEA）受限于较弱的神经元-电极耦合及空间平均效应，这会降低信号幅度与分辨率。理想的电极应具备小尺寸以减少平均效应、低阻抗以抑制热噪声，并与细胞膜紧密耦合。为此，各种三维（3D）纳米结构（如纳米柱、纳米管和“蘑菇”状电极）被提出，以通过膜包裹或部分内陷来增强机械和电学接触。然而，直接在CMOS芯片的微电极层上制造纳米结构面临高深宽比结构、晶圆级均匀性、CMOS工艺材料兼容性及避免活性电路被渗透等多重挑战，这凸显了对一种模块化、CMOS兼容的3D电极集成方法的需求。
高密度纳米电极阵列（HD-NEA）技术
本研究提出了一种单片集成的高密度纳米电极阵列（HD-NEA），其将垂直纳米线电极直接集成到商用CMOS工艺的后端工艺（BEOL）中。与现有方法（直接在已成型的平面MEA上添加纳米结构）不同，本研究采用一种低温（<400°C）、BEOL后处理策略，将CMOS电路与3D纳米结构制造解耦。纳米线电极先在CMOS电路上方的保护性介电堆叠层中定义，然后通过具有特定倾斜角度的金属化通孔选择性地连接到下方的读出通道。这一晶圆级策略在保持电路功能的同时，实现了高深宽比、亚微米精度以及4英寸晶圆上的高制造良率。
制造流程的核心是在沉积于CMOS集成电路（IC）顶部的SiN/SiOx三层保护介电层中，稳健、晶圆级地制造高深宽比SiOx纳米柱。通过定制优化的电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺对顶部4微米厚的SiOx层进行图形化，并结合激光干涉监测，实现了直径小至≈350纳米、高度达4微米的均匀纳米柱。随后，每个结构被涂覆一层导电的铂硅化物（PtSi）传感层。通过蚀刻具有约55°可控斜率的通孔，并使用20°倾斜的电子束物理气相沉积铝，实现了PtSi纳米电极与CMOS最后一层金属之间的电学连接。所有后CMOS步骤均在低于400°C的温度下进行，以符合CMOS电路的热预算限制。
后CMOS纳米制造中的一个关键挑战是机械应力（残余应力）的管理。通过仔细调整等离子体增强化学气相沉积（PECVD）参数、采用中间退火步骤以及选择CMOS兼容的介电材料，有效解决了应力失配和潜在的层离或开裂问题。优化后，在4英寸晶圆上的制造良率达到约85%。制备的纳米电极在晶圆上表现出优异的均匀性：纳米线高度在中心为2.95微米至边缘3.07微米之间，芯片内标准偏差低于50纳米；纳米线宽度在晶圆中心区域为562±35至639±23纳米。每个记录位点由七个纳米柱（高约3微米，直径约600纳米，间距2微米）组成，以平衡接触面积、阻抗和神经元-电极耦合。电极阵列共26,400个像素，间距17.5微米，覆盖3.85×2.10平方毫米的活性区域。
后处理验证与HD-NEA的电学性能
后处理完成后，对HD-NEA芯片的电学性能进行了评估，并与具有相同CMOS设计的标准HD-MEA（MaxOne）芯片进行了直接比较。对分布在阵列上的1024个集成记录通道的测量表明，HD-NEA的电路（干）噪声为2.32±0.50微伏RMS，增益为101.21±1.03 V/V，与HD-MEA（噪声2.37±0.46微伏RMS，增益100.22±0.92 V/V）性能几乎无差别，证实CMOS电路未受纳米电极单片集成的影响。在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中，由于纳米电极传感面积减小，HD-NEA的噪声（7.32±0.67微伏RMS）和相对阻抗（在1千赫兹下为895±15.3千欧）均高于HD-MEA（噪声2.88±0.87微伏RMS，阻抗152±5.3千欧），这与预期一致，且性能与先前关于被动纳米电极阵列的研究相符。所有电极位点的噪声均匀分布证明了整个HD-NEA阵列的高制造均匀性。
在原代神经元细胞培养中捕获的高分辨率信号
为了评估HD-NEA的生物学性能，将大鼠胚胎原代皮层神经元培养在HD-NEA芯片上，并以商业HD-MEA芯片作为对照。神经元在HD-NEA上发育正常，在培养第二至三周时形成具有同步自发网络活动的复杂树突结构。形态学观察和电生理指标均未发现HD-NEA与平面HD-MEA在网络发育上存在显著差异。重要的是，HD-NEA实现了对单单元活动的长期稳定追踪。
在信号强度方面，HD-NEA记录到的自发信号幅度通常在≈100至250微伏之间，对应的信噪比（SNR）约为20-30，是平面电极的2到4倍。此外，在多个时间点和独立培养中一致检测到幅度高达1至2.5毫伏的尖峰，SNR高达300。扫描电子显微镜（SEM）成像显示，神经元利用3D结构与纳米线建立了稳定的附着点，神经突缠绕或粘附在纳米线顶部和侧面，胞体部分内陷单个纳米线，这种紧密的耦合可能降低了细胞-电极界面的密封电阻，从而有助于提高记录到的信号幅度。
通过尖峰触发空间动作电位足迹分析，进一步证明了HD-NEA增强了空间分辨率。在HD-NEA上，信号幅度随着与最大幅度通道（LC）距离的增加而衰减得更快，而在HD-MEA上则表现出更平缓的幅度衰减，表明信号足迹更宽、空间平均效应更明显。量化分析显示，在距离LC最近（17.5微米）的相邻电极上，HD-MEA的平均幅度衰减为22%，而HD-NEA仅为12.5%。这种更锐利的信号衰减源于纳米线架构能更接近细胞源捕获电信号，从而减少了空间平均，提高了空间分辨率。
除了幅度和分辨率优势，HD-NEA记录还揭示了比HD-MEA更多样化的尖峰波形。例如，HD-NEA持续记录到正相和负相尖峰，而在所分析的培养中，HD-MEA上显著缺失正相尖峰。近期研究表明，更高的空间分辨率使得能够检测来自单个神经元内多个亚细胞区室的信号，例如，大的负相尖峰可能源于胞体周围区域，而正相尖峰可能与树突区域相关。此外，HD-NEA在各个时间点都捕获了多种非典型波形，包括双相、三相和多相波形，具有不同的时间动力学特征。纳米线几何结构可能通过限制传感体积来减少空间平均，从而保留了局部电流源的空间和时间特征。
结论
本研究介绍了一种CMOS兼容的单片集成3D纳米结构方法，解决了神经接口和先进生物电子系统中长期存在的挑战。受“超越摩尔”（More-than-Moore）范式启发，我们开发了一种可扩展的后制造策略，将纳米结构制造与CMOS电路解耦，使得高深宽比纳米线能够集成在工业代工厂生产的CMOS晶圆的BEOL中。该模块化工艺保持了电路完整性，遵守严格的热预算限制，并在晶圆尺度上实现了高良率和均匀性。
由此产生的高密度纳米电极阵列平台包含26,400个基于垂直纳米线的电极，表现出强大的电学和生物学性能。与传统的平面HD-MEA系统相比，HD-NEA设备能捕获幅度显著更高的动作电位，并展现出改善的信噪比，且无需电穿孔。来自原代神经元培养的记录证实了其长期稳定性，并揭示了多样化的波形形态，包括推测的树突信号，这凸显了3D几何结构所实现的增强的神经元-电极耦合和空间分辨率。这些发现将HD-NEA定位为新一代神经接口，它结合了CMOS电子器件的可扩展性、集成密度与纳米级生物界面的灵敏度和精度。该平台可广泛适应多种传感和刺激模式，并为未来在CMOS上单片集成微/纳机电系统（MEMS/NEMS）提供了蓝图，将其应用范围从神经科学扩展到生物传感、生物驱动和芯片实验室诊断等领域。
