具有感測晶體管陣列的集成電路、感測裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括了半導(dǎo)體襯底、在所述襯底之上的絕緣層以及在所述絕緣層上的包括了第一晶體管的晶體管陣列的集成電路(1C)，其中第一晶體管包括在源極區(qū)與漏極區(qū)之間的暴露的官能化溝道區(qū)，以用于感測介質(zhì)中的分析物。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括這樣的IC的感測裝置。
[0003]本發(fā)明又進(jìn)一步涉及利用這樣的IC測量介質(zhì)中的感興趣的分析物的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)小型化已使得嵌入在諸如集成電路(IC)等的半導(dǎo)體器件中的功能能夠顯著多樣化，這在一些情況中已導(dǎo)致在單個(gè)器件上提供近全面的解決方案。例如，半導(dǎo)體器件小型化已導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)傳感器集成到單個(gè)半導(dǎo)體器件內(nèi)，并且在迥然不同的領(lǐng)域中、例如在汽車應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、工業(yè)氣體煙道監(jiān)測等等中可以看到這樣的器件的部署。
[0005]例如，在過去的幾十年中，已將感測晶體管添加至1C，例如諸如離子敏感場效應(yīng)晶體管(ISFET)、被酶官能化的生物分子敏感場效應(yīng)晶體管(ENFET)等等的化學(xué)場效應(yīng)晶體管。這些場效應(yīng)器件基于器件的溝道區(qū)被暴露于待感測的介質(zhì)的原理而工作，使得流過溝道區(qū)的電流變成感興趣的分析物的函數(shù)。為此目的，器件可以包括通過柵極氧化物或充當(dāng)浮置柵極的被官能化的擴(kuò)展的柵極而與溝道區(qū)分開的官能化層，其中柵極電勢由感興趣的分析物與官能化層之間的相互作用的水平限定。
[0006]在諸如IC等的電子器件上提供感測功能的主要挑戰(zhàn)之一是確保半導(dǎo)體器件能夠以經(jīng)濟(jì)上可行的方式生產(chǎn)。這例如在將亞微米尺寸的感測元件(例如諸如基于納米線的晶體管等的納米元件)集成在半導(dǎo)體器件中時(shí)是特別的挑戰(zhàn)，因?yàn)楦静皇抢门c整體半導(dǎo)體器件的制造工藝兼容的處理步驟來直接制造這樣的納米元件。因此，這樣的專用元件的集成會導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的制造工藝的復(fù)雜度顯著增加，由此顯著地增加了這樣的器件的成本。
[0007]在這方面的特別問題在于，當(dāng)感測介質(zhì)是流體(例如液體或氣體)時(shí)，傳感器布置通常需要外部參考傳感器或電極的存在，以補(bǔ)償傳感器漂移、即傳感器對感興趣的分析物的隨時(shí)間而變化的響應(yīng)。在US2004/0136866 Al中公開了這樣的布置的示例，其中參考電極被放置成與待分析的流體接觸以便控制溶液的相對于半導(dǎo)體納米線感測元件的電勢。然而，包括參考傳感器或電極會使傳感器布置的設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化，這因此可以進(jìn)一步增加電子器件的成本。此外，參考電極的表面會易于積垢，在該情況中傳感器讀數(shù)會變得不可
A+-.與巨O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明旨在提供其中避免對于單獨(dú)參考電極的需要的根據(jù)開篇段落的1C。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步旨在提供包括這樣的IC的感測裝置。
[0010]本發(fā)明又進(jìn)一步旨在提供利用這樣的IC來測量感興趣的分析物的方法。
[0011]如用獨(dú)立權(quán)利要求所限定的發(fā)明至少部分地實(shí)現(xiàn)所尋求的目標(biāo)。從屬權(quán)利要求提供了有利的實(shí)施例。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種如在本發(fā)明中所限定的集成電路。第一晶體管可以是分析物感測晶體管并且第二晶體管可以是介質(zhì)感測晶體管。
[0013]本發(fā)明基于如下認(rèn)識:可以在時(shí)間尺度上執(zhí)行利用場效應(yīng)器件對感興趣的分析物的測量，使得介質(zhì)中的電荷的總量在該時(shí)間尺度期間大致保持恒定。換言之，介質(zhì)可以在測量的時(shí)間尺度上被視作封閉或隔離的系統(tǒng)。這當(dāng)然適用于真正封閉的系統(tǒng)，例如封閉的流體單元，但同樣適用于可以在測量的時(shí)間尺度上被視作與其環(huán)境隔離的小的局部流體測量。結(jié)果，歸因于在該時(shí)間尺度上的介質(zhì)中的電荷的守恒，可以顯示為參考電勢變成背側(cè)柵極電勢的函數(shù)。因此，通過利用未被官能化的場效應(yīng)器件測量介質(zhì)的實(shí)際電勢、即參考電勢，可以響應(yīng)于測量的參考電勢來調(diào)整背側(cè)柵極電勢，使得在介質(zhì)(例如感興趣的流體)中維持期望的參考電勢，而不需要提供用于設(shè)置介質(zhì)的電勢的單獨(dú)的參考電極。
[0014]第一晶體管可以被官能化為以任何合適的方式來感測感興趣的分析物。例如，官能化溝道區(qū)可以用粘合層官能化或者代替的是可以用所述溝道區(qū)的化學(xué)改性來官能化。作為可選方案，溝道區(qū)可以經(jīng)由擴(kuò)展的柵極(即在空間上與溝道區(qū)分開并且通過金屬化結(jié)構(gòu)被導(dǎo)電性地耦合至溝道區(qū)的柵極)而被暴露于介質(zhì)。諸如氧化物膜等的氧化物層典型地存在于溝道區(qū)與官能化層之間以將溝道區(qū)與浮置柵極電絕緣。氧化物膜可以具有被官能化的外表面以提供官能化層。
[0015]在實(shí)施例中，IC包括如在本發(fā)明中所限定的晶體管的陣列。這具有可以同時(shí)測量許多不同的感興趣的分析物(例如不同氣體或者諸如不同DNA片段等的不同生物分子)的優(yōu)點(diǎn)。為此目的，所述第一晶體管中的每一個(gè)可以被單獨(dú)地官能化，即各第一晶體管可以被官能化為檢測不同的感興趣的分析物。于是本發(fā)明可以用于指紋識別。作為可選方案，多個(gè)第一晶體管可以被配置成感測相同的分析物，只是具有不同的靈敏度和/或檢測水平。
[0016]本發(fā)明特別適用于感測其中提供了具有亞微米尺寸溝道區(qū)的晶體管的1C，其中亞微米尺寸溝道區(qū)例如是包括了諸如硅納米線等的納米線或諸如碳納米管等的納米管的溝道區(qū)。對于這樣的1C，歸因于參考電極典型地必須單獨(dú)并且以不同形式因素設(shè)置的事實(shí)，提供單獨(dú)的參考電極是麻煩且價(jià)格昂貴的。因此，通過本發(fā)明將對于單獨(dú)的參考電極的需要的消除確保了可以以成本效益的方式制造出尤其是包含了這樣的亞微米尺寸的器件的1C。特別地，包括硅納米線的IC可以利用常規(guī)可得到的COMS處理步驟來制造并因此可以被以特別成本效益的方式制造。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種如在本發(fā)明中限定的感測裝置。這樣的感測裝置從對樣本室中的樣本(例如流過包括暴露的第一晶體管的流動單元的流體)中的感興趣的分析物的存在和/或濃度的可靠的精確確定中獲益，而不需要單獨(dú)的參考電極。
[0018]感測裝置可以進(jìn)一步包括例如經(jīng)由IC上的被導(dǎo)電性地耦合至至少一個(gè)或多個(gè)第一晶體管的源極或漏極區(qū)的接合焊盤而被分別耦合至相應(yīng)的感測晶體管的信號處理器。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種如在本發(fā)明中所限定的測量介質(zhì)中的感興趣的分析物的方法。
[0020]本發(fā)明的方法促進(jìn)了對在諸如氣體或液體等的流體中的感興趣的分析物的精確測量，而不需要參考電極來控制流體介質(zhì)的電勢，如在上面更多的細(xì)節(jié)中已經(jīng)說明的那樣。
[0021]在實(shí)施例中，方法進(jìn)一步包括在所述偏置調(diào)整步驟之后測量流過第一晶體管的漏極-源極電流；并且從所述測量的漏極-源極電流導(dǎo)出所述分析物的存在。特別地，可以在時(shí)間尺度上執(zhí)行測量步驟，以使得在所述測量期間所述介質(zhì)的電勢恒定，因?yàn)樵谶@些條件下介質(zhì)的電勢是背側(cè)柵極電勢的直接函數(shù)，使得該電勢可由背側(cè)柵極電勢來控制，而不需要單獨(dú)的參考電極。
【附圖說明】
[0022]參照附圖通過非限制性示例的方式更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0023]圖1示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IC的一個(gè)方面；
[0024]圖2示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IC的另一方面；
[0025]圖3a描繪了通過參考電極(頂部框格)和通過本發(fā)明的背側(cè)柵極偏置控制原理(底部框格)在溶液中產(chǎn)生的電勢的輪廓繪圖；
[0026]圖3b描繪了通過參考電極(頂部框格)和通過本發(fā)明的背側(cè)柵極偏置控制原理(底部框格)在另一溶液中產(chǎn)生的電勢的輪廓繪圖；
[0027]圖4描繪了當(dāng)利用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的背側(cè)柵極電壓波形偏置時(shí)從暴露于各種NaCl溶液的硅納米線FET實(shí)驗(yàn)獲得的響應(yīng)；
[0028]圖5a至圖5e示意性地描繪了制造本發(fā)明的IC的方法的實(shí)施例；并且
[0029]圖6示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IC的另外的方面。
【具體實(shí)施方式】
[0030]應(yīng)該理解的是，附圖是僅示意性的并且未按比例繪制。還應(yīng)該理解的是，在整個(gè)附圖中使用相同的附圖標(biāo)記來指示出相同或類似的部件。
[0031]圖1示意性地描繪了 IC 100，其包括硅襯底110、被圖案化的掩埋氧化層120和具有諸如硅納米線或碳納米管的納米結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)的多個(gè)場效應(yīng)晶體管140。多個(gè)場效應(yīng)晶體管140可以布置成陣列。多個(gè)場效應(yīng)晶體管140典型地包括具有在源極區(qū)142a與公共漏極區(qū)144之間延伸的硅納米線溝道區(qū)146a的至少一個(gè)第一晶體管140a，但應(yīng)該理解的是，IC 100的場效應(yīng)晶體管可以具有任何合適的溝道區(qū)結(jié)構(gòu)。特別地，諸如不同材料的納米線等的其他亞微米尺寸溝道區(qū)結(jié)構(gòu)或者諸如單壁或多壁納米管(例如碳納米管)等的不同的納米結(jié)構(gòu)是同樣可行的。
[0032]在本發(fā)明的上下文中，納米線是具有亞微米尺寸的截面并具有可以是從幾百納米至幾微米范圍的長度的導(dǎo)電的或半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。納米線可以是實(shí)心或中空結(jié)構(gòu)，并且可以具有圓形或