具有納米線chemfet傳感器的集成電路、感測設(shè)備、測量方法及制造方法
【專利說明】具有納米線CHEMFET傳感器的集成電路、感測設(shè)備、測量方法及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種集成電路，包括半導(dǎo)體襯底；在所述襯底之上的絕緣層；在所述絕緣層上的分析物第一晶體管，所述第一晶體管包括在源極區(qū)域與漏極區(qū)域之間暴露的溝道區(qū)域；以及導(dǎo)電耦合至半導(dǎo)體襯底的電壓波形發(fā)生器，用于在信號獲取周期期間向第一晶體管提供偏置電壓。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括這類IC的感測設(shè)備。
[0003]本發(fā)明還進(jìn)一步涉及使用這類IC在介質(zhì)中測量感興趣的分析物的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]半導(dǎo)體不斷前進(jìn)的微型化技術(shù)使嵌入在諸如集成電路(IC)之類的半導(dǎo)體器件中的功能的顯著多樣化成為可能，其在一些情況下引起了單個器件上的接近整體性(nearholistic)的解決方案的提供。例如，半導(dǎo)體器件微型化引起一個或多個傳感器至單個半導(dǎo)體器件的集成，并且，在例如汽車應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、工業(yè)煙道檢測等廣泛的不同技術(shù)領(lǐng)域中可以觀察到這類器件的部署。
[0005]在諸如IC之類的電子設(shè)備上提供感測功能的主要挑戰(zhàn)之一是確?？梢越?jīng)濟(jì)可行的方式生產(chǎn)半導(dǎo)體器件。例如，當(dāng)亞微米級尺度的感測元件(例如納米元件，諸如基于納米線的晶體管)被集成在半導(dǎo)體器件中時，這是一個特別的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)槭褂门c整體半導(dǎo)體器件的制造工藝兼容的工藝步驟來制造這類納米元件完全不簡單。因此，這類專用元件的集成可能導(dǎo)致半導(dǎo)體器件制造工藝復(fù)雜性的顯著增大，由此顯著地增加了這類器件的成本。
[0006]在這方面的一個特別的問題是當(dāng)感測介質(zhì)是流體(例如液體或氣體)時，傳感器的布置通常要求參考傳感器或參考電極的存在以補(bǔ)償傳感器的漂移，即，傳感器對感興趣的分析物隨時間變化的響應(yīng)，例如，傳感器的漂移可以由傳感器表面上污染物的逐漸累加而引起。這類累加例如在當(dāng)?shù)谝痪w管由恒定電壓偏置時發(fā)生，由此引起介質(zhì)和暴露的溝道區(qū)域之間的電位差，該電位差可以在傳感器表面上引起帶電粒子的累積，該累積繼而可以引起第一晶體管的閾值電壓Vth的偏移。
[0007]US 2004/0136866中公開了這類布置的一個示例，其中，參考電極被置于與待分析流體接觸，以控制相對于半導(dǎo)體納米線感測元件的溶液的電位。
[0008]然而，參考傳感器或參考電極的引入可以進(jìn)一步將傳感器布置的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因此，可能進(jìn)一步提高電子器件的成本。此外，參考電極的表面本身可能也容易被污染，這類情況下，傳感器的讀數(shù)(readings)可能變得不可靠。
[0009]EP2 362 219 Al公開了一種使用傳感器執(zhí)行測量的方法，該傳感器具有感測表面和至少一個依附在感測表面的捕獲分子，用于形成與感興趣的分析物的結(jié)合配對，結(jié)合配對具有靈活的空間定向，該方法包括使用捕獲分子來捕獲感興趣的分析物，由此在初始空間定向中形成結(jié)合配對；將第一電磁力施加至感測表面以改變結(jié)合配對的空間定向；以及使用具有改變后的空間定向的結(jié)合配對來執(zhí)行傳感器測量。因此，產(chǎn)生傳感器輸出信號，該信號被結(jié)合配對中的EMF引起的均勻改變所調(diào)制，使得來自污染物的信號貢獻(xiàn)被有效地濾除，該信號貢獻(xiàn)通常不展現(xiàn)EMF引起的調(diào)制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明旨在提供根據(jù)開始段落的其中不需要單獨(dú)參考電極的1C。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步尋求提供包括這類IC的感測設(shè)備。
[0012]本發(fā)明還進(jìn)一尋求在提供使用這類IC以測量感興趣的分析物的方法。
[0013]本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求所限定。從屬權(quán)利要求限定有利的實(shí)施例。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種在本發(fā)明中限定的集成電路。第一晶體管對感測感興趣的分析物是特別有用的。第一晶體管可以是分析物感測晶體管。
[0015]本發(fā)明基于一種實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)通過提供具有對特定感興趣的分析物具有親合性的第一晶體管的1C，例如，由于使用例如官能層將晶體管的溝道區(qū)域適當(dāng)?shù)毓倌芑?，因此，通過應(yīng)用周期性地吸引及排斥這類污染物(例如離子)的偏置電壓波形可以很大程度地避免污染物對感測信號的負(fù)面影響，而無需從在應(yīng)用偏置電壓波形期間獲取的感測信號中提取被調(diào)制的分量。相反，出乎意料地發(fā)現(xiàn)，通過周期性地增大被施加至第一晶體管的背側(cè)柵極的波形的至少一個部分(例如正的部分和/或負(fù)的部分)的幅值，可以使用第一晶體管例如根據(jù)其傾斜(inclinat1n)和/或根據(jù)它的Vth從所獲取的信號導(dǎo)出分析物貢獻(xiàn)來執(zhí)行精確的分析物測量。在恒定的背偏置電壓的提供上使用這類電壓波形的額外優(yōu)點(diǎn)是晶體管的漏極-源極電流對被施加至晶體管的偏置電壓變得不靈敏。
[0016]IC可以進(jìn)一步包括信號處理器，該信號處理器被導(dǎo)電地耦合至分析物第一晶體管并且被布置用于將分析物測量從在所述信號采集周期期間獲取的分析物第一晶體管信號中導(dǎo)出。備選地，可以在芯片外提供這類信號處理器。
[0017]在一個實(shí)施例中，例如，通過(對稱地)提供圍繞零值震蕩的偏置電壓波形，偏置電壓波形具有時間平均的零電位。這具有如下優(yōu)點(diǎn):帶電粒子(例如離子)無法有效地結(jié)合至第一晶體管的溝道區(qū)域，除非它們具有與溝道區(qū)域特殊的親和性(例如，在溝道區(qū)域上的適合的結(jié)合層的情況下)，這是因?yàn)闀r間平均偏置電位對這類粒子不產(chǎn)生吸引力。
[0018]備選地，電壓掃描包括多個交替的正和負(fù)的電壓脈沖，其中，正和負(fù)的電壓脈沖中的僅一個脈沖展現(xiàn)周期性增加的幅值。例如，僅掃描的最大的(即，正的)電壓分量可以從初始值逐漸地增加到最終值，而最小的或負(fù)的電壓幅值在這些周期中的每個周期中被保持在恒定值，從而產(chǎn)生正電位，該正電位在多個步驟中增加并且與固定的負(fù)電位交替。已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，這類電位對阻止帶電污染物在溝道區(qū)域的表面處的累積是特別有效的，而同時由于與溝道區(qū)域上的結(jié)合層的額外的穩(wěn)定性，因此允許感興趣的帶電顆?；蚍肿拥睦鄯e。這是由于電壓波形的正的部分用作具有強(qiáng)度隨時間增加的脈沖波形，而波形的負(fù)的部分確保在施加電壓波形期間周期內(nèi)的平均電位保持為零。
[0019]在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，溝道區(qū)域包括納米線或納米管，諸如，硅納米線或碳納米管。由于可以以與CMOS兼容的方法并且在亞微米的尺度制造這類納米線或納米管，因此可以在CMOS工藝中以低成本的方法制造具有高晶體管密度的晶體管陣列。
[0020]溝道區(qū)域可以例如通過溝道區(qū)域的部分氧化由氧化薄膜覆蓋，使得氧化薄膜用作柵極氧化物。溝道區(qū)域可以進(jìn)一步由用于官能化溝道區(qū)域的結(jié)合層覆蓋，使得它主要與感興趣的特定的分析物結(jié)合，例如，諸如DNA之類的生物分子，諸如細(xì)菌或病毒、特定類型的離子、特定類型的(帶電)分子之類的生物體。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了如本發(fā)明中限定的感測設(shè)備。這類感測設(shè)備受益于對樣品室中的感興趣的分析物的存在和/或濃度的可靠的并且精確的確定，例如，流過包括暴露的分析物第一晶體管的流單元的流體，而無需單獨(dú)的參考電極。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例，提供了在如本發(fā)明中限定的介質(zhì)中測量感興趣的分析物的方法。以這類方式，通過應(yīng)用周期性地吸引及排斥這類污染物(例如離子)的偏置電壓波形，可以在很大程度上避免了污染物對感測信號的負(fù)面影響，而無需從在前面闡述的偏置電壓波形的施加期間獲取的傳感器信號提取被調(diào)制的分量。
[0023]偏置步驟可包括使用具有時間平均零電位的偏置電壓波形來偏置分析物第一晶體管，以將帶電污染物附著至暴露的溝道區(qū)域表面的風(fēng)險(xiǎn)最小化。為此，偏置電壓波形(對稱地)在零值周圍交替變化。
[0024]在另一個實(shí)施例中，偏置電壓波形包括多個交替的正的及負(fù)的電壓脈沖，其中，正的及負(fù)的電壓脈沖中的僅一個脈沖展現(xiàn)周期性增加的幅值，這是因?yàn)橐寻l(fā)現(xiàn)這類波形形狀特別適合從感測表面排斥承載了污染物的電荷，而同時允許如前面所闡述的感興趣的帶電分析物的結(jié)合。
【附圖說明】
[0025]參考附圖，以更詳細(xì)地方式并通過非限定性示例對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
[0026]圖1示意地描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的IC的一個方面；
[0027]圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的IC的四個不同納米線傳感器的電流特性；
[0028]圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個示例實(shí)施例的偏置電壓波形；
[0029]圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的納米線FET對恒定背柵極電壓偏置(頂窗格)以及背柵極偏置電壓波形(底窗格)的響應(yīng)。
[0030]圖5描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的在由恒定偏置電壓(左窗格)和偏置電壓波形(右窗格)偏置的FET的暴露溝道區(qū)域處的累積行為。
[0031]圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的當(dāng)使用背柵極偏置電壓波形偏置時，在實(shí)驗(yàn)上從暴露于各種NaCl溶液的Si納米線FET獲取的響應(yīng)；
[0032]圖7A至7E描繪了根據(jù)本發(fā)明的IC的制造方法的一個實(shí)施例；以及
[0033]圖8示意地描繪了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的IC的另一方面。
【具體實(shí)施方式】
[0034]應(yīng)該理解，附圖僅為示例性的而并沒