CN104614430A - Fet感测单元及提高其灵敏度的方法 - Google Patents

Fet感测单元及提高其灵敏度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104614430A
CN104614430A CN201410120539.0A CN201410120539A CN104614430A CN 104614430 A CN104614430 A CN 104614430A CN 201410120539 A CN201410120539 A CN 201410120539A CN 104614430 A CN104614430 A CN 104614430A
Authority
CN
China
Prior art keywords
certain embodiments
dielectric layer
sensing
active layer
gate regions
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201410120539.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104614430B (zh
Inventor
陈东村
黄睿政
温清华
郑钧文
刘怡劭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of CN104614430A publication Critical patent/CN104614430A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104614430B publication Critical patent/CN104614430B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)

Abstract

本发明提供了一种诸如FET感测单元的器件，该器件包括位于衬底上方的第一介电层，位于第一介电层上方的有源层，位于有源层中的源极区，位于有源层中的漏极区，在有源层中介于源极区和漏极区之间的沟道区，位于沟道区上方的感测膜，位于有源层上方的第二介电层，其中，在第二介电层中形成开口并且感测膜位于开口内，位于第二介电层内的第一电极以及位于第二介电层的上方并延伸到开口中的流体栅极区。本发明还提供了通过调节感测值提高器件灵敏度的方法。

Description

FET感测单元及提高其灵敏度的方法
技术领域
本发明总体上涉及半导体领域，更具体地，涉及FET感测单元及提高其灵敏度的方法。
背景技术
场效应晶体管（FET）感测单元通常用于感测和检测离子、生物实体和生物分子中的至少一种。FET感测单元基于电子学、电化学、光学和机械检测原理中的至少一种进行工作。包括晶体管的FET感测单元是电感测电荷、光子、以及离子、生物实体或生物分子的机械性能的传感器。通过检测生物实体、离子或生物分子本身，或者通过具体受体及生物实体/生物分子之间的相互作用和反应来实施检测。这样的FET感测单元使用半导体工艺进行制造并且适用于集成电路（IC）及微机电系统（MEMS）。
离子敏感场效应晶体管（ISFET）以及生物敏感场效应晶体管、或生物有机场效应晶体管（BioFET）是包括电感测离子、生物分子或生物实体的晶体管的两种类型的FET感测单元。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种器件，包括：第一介电层，位于衬底上方；有源层，位于第一介电层上方；源极区，位于有源层中；漏极区，位于有源层中；沟道区，位于有源层中，介于源极区和漏极区之间；感测膜，位于沟道区上方；第二介电层，位于有源层上方；电极，位于第二介电层内；以及流体栅极区，位于第二介电层以及感测膜上方。
该器件包括：第三介电层，位于流体栅极区上方。
该器件包括：一个或多个进口，连接至流体栅极区。
其中，电极包括Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au、TiN、TaN、NiSi和CoSi中的至少一种。
其中，感测膜包括SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、HfO2、Ta2O5、TiN、SnO、SnO2、Pt、Cr、Au、Al、W和Cu中的至少一种。
该器件包括：受体，设置在感测膜上。
其中，受体包括酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段中的至少一种。
该器件包括：第一线，用于将第一器件连接至第二器件，其中，第一器件和第二器件设置在阵列中。
此外，还提供了一种器件，包括：第一介电层，位于衬底上方；有源层，位于第一介电层上方；源极区，位于有源层中；漏极区，位于有源层中；沟道区，位于有源层中，介于源极区和漏极区之间；感测膜，位于沟道区上方；第二介电层，位于有源层上方，其中，在第二介电层中形成开口并且感测膜位于开口内；第一电极，位于第二介电层内；以及流体栅极区，位于第二介电层上方并且延伸到开口中。
该器件包括：第二电极，位于第二介电层内。
该器件包括：第三介电层，位于流体栅极区上方。
该器件包括：一个或多个进口，连接至流体栅极区。
其中，电极包括Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au、TiN、TaN、NiSi和CoSi中的至少一种。
其中，感测膜包括SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、HfO2、Ta2O5、TiN、SnO、SnO2、Pt、Cr、Au、Al、W和Cu中的至少一种。
该器件包括：受体，设置于感测膜上。
其中，受体包括酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段中的至少一种。
该器件包括：第一线，用于将第一器件连接至第二器件，其中，第一器件和第二器件设置在阵列中。
此外，还提供了一种通过调节器件的感测值来提高器件的灵敏度的方法，包括：在器件的流体栅极区中注入第一复位溶液；基于与器件的感测膜相互作用的第一复位溶液，记录第一复位值；在器件的流体栅极区中注入第一反应溶液；基于与器件的感测膜相互作用的第一反应溶液，记录第一感测值；以及获取第一感测值和第一复位值之间的差值，以获得经调节的第一感测值。
该方法包括：在记录第一复位值和第一感测值的同时，将参考电压施加给接近流体栅极区的电极。
该方法包括：放大经调节的第一感测值。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下文详细描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该理解，附图中的元件和结构没有必要按比例进行绘制。因此，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以被任意地增大或减小。
图1是根据一些实施例的制造器件的方法的流程图。
图2至图5是根据一些实施例的器件的截面图。
图6是根据一些实施例配置为阵列布置的多个器件的电路图。
图7是根据一些实施例的提高器件灵敏度的方法的流程图。
图8是根据一些实施例的在感测周期内的信号时序图。
具体实施方式
现在，参考附图描述所要求保护的主题，其中在通篇描述中，相同的参考标号通常用于表示相同的元件。在以下描述中，为了说明的目的，阐述多个具体细节以提供对所要求保护主题的理解。但是，很明显，在没有这些具体细节也可以实施所要求保护的主题。在其他实例中，为便于描述所要求保护的主题，以框图形式示出了结构和器件。
本发明涉及，但没有另外限于诸如半导体器件的器件。在一些实施例中，该器件是FET感测单元。在一些实施例中，该器件是离子敏感场效应晶体管（ISFET）、生物敏感场效应晶体管和生物有机场效应晶体管（BioFET）中的至少一种。在一些实施例中，ISFET是包括P型金属氧化物半导体（PMOS）FET器件及N型金属氧化物半导体（NMOS）FET器件的互补金属氧化物半导体（CMOS）器件。在一些实施例中，该器件是BioFET，其中，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的栅极控制介于其源极接触件和漏极接触件之间的半导体的电导率，该MOSFET的栅极被替换为用作表面受体的不可移动的探针分子的生物或生物化学兼容层或生物功能层。
在一些实施例中，ISFET和BioFET的检测机制是由于目标离子、生物分子或生物实体与栅极或栅极上的不可移动的受体分子的接合而导致的换能器（transducer）的电导率调制。当目标离子、生物分子或生物实体接合至栅极或不可移动的受体时，通过栅极电势来改变FET器件的漏极电流。测量漏极电流的这种改变并且识别受体和目标离子、生物分子或生物实体的接合。大量的离子、生物分子及生物实体用于功能化诸如离子、酶、抗体、配体、受体、缩氨酸、寡核苷酸、器官细胞、生物体及组织片段的ISFET或BioFET的栅极。在一些实施例中，为了检测单链脱氧核糖核酸（ssDNA），通过不可移动的互补ssDNA链来功能化BioFET的栅极。同样地，通过用单克隆抗体功能化FET器件的栅极来检测诸如肿瘤标记的各种蛋白质。
根据一些实施例，图1示出了制造器件的方法100。在一些实施例中，方法100包括使用与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的或者互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺特有的一种或多种工艺步骤（processact）来形成诸如ISFET的FET感测单元。
在步骤102中，提供衬底。在一些实施例中，衬底包括晶圆。在一些实施例中，衬底是硅衬底。在一些实施例中，衬底包括：诸如锗的其他元素半导体；包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和锑化铟中的至少一种的化合物半导体；包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和GaInAsP中的至少一种的合金半导体；或者它们的组合。在一些实施例中，衬底是绝缘体上半导体（SOI）衬底。在一些实施例中，衬底包括通过诸如注氧隔离（SIMOX）、氧化、淀积的工艺或其他合适的工艺所形成的掩埋氧化物（BOX）层（埋氧层）。在一些实施例中，衬底包括诸如一个或多个p阱或一个或多个n阱中的至少一个的掺杂区。在一些实施例中，衬底包括取决于设计要求的各种掺杂区。在一些实施例中，掺杂区掺杂有诸如硼或BF2的p型掺杂剂、诸如磷或砷的n型掺杂剂或者它们的组合。在一些实施例中，以P阱结构、N阱结构、双阱结构的方式或使用凸起的结构在衬底上直接形成掺杂区。
在步骤104中，场效应晶体管（FET）形成在衬底上。在一些实施例中，FET包括流体栅极区、源极区、漏极区及介于源极区和漏极区之间的沟道区。在一些实施例中，源极区、漏极区和沟道区中的至少一个形成在半导体衬底的有源区上。在一些实施例中，第一介电层形成在衬底的顶部上，有源层形成在第一介电层的顶部上，并且第二介电层形成在有源层的顶部上。在一些实施例中，FET是n型FET（nFET）或p型FET（pFET）。在一些实施例中，源极/漏极区包括取决于FET配置的n型掺杂剂或p型掺杂剂。在一些实施例中，栅极结构包括栅极介电层、栅电极层和其他合适的层中的至少一个。在一些实施例中，栅极结构是具有与栅极流体接触的电极的流体栅极。在一些实施例中，电极与感测膜的距离为约0.5微米。在一些实施例中，电极是铝。在一些实施例中，电极包括金属电极，该金属电极包括诸如Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au的材料；诸如TiN、TaN、NiSi、CoSi的合适的金属化合物；它们的组合；或其他合适的导电材料。在一些实施例中，存在两个电极。在一些实施例中，在第二介电层中蚀刻开口以使电极沉积在其中。在一些实施例中，第一介电层和第二介电层中的至少一个是氧化硅。在一些实施例中，栅极电介质包括氮化硅、氮氧化硅、和具有高介电常数（高k）的电介质中的至少一种或它们的组合。在一些实施例中，高k材料包括硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪-氧化铝（HfO2-Al2O3）合金或它们的组合。在一些实施例中，使用CMOS工艺来形成FET。
在步骤106中，开口形成在衬底上。在一些实施例中，开口包括在设置在包括FET器件的衬底上的一层或多层中所形成的沟槽。在一些实施例中，开口暴露位于栅极及第二介电层下方的区域。在一些实施例中，开口暴露位于栅极下方的诸如硅有源区的有源区以及FET器件的有源/沟道区。在一些实施例中，使用合适的光刻工艺以在衬底上提供图案和蚀刻工艺，以去除材料直到暴露FET器件的主体结构来形成开口。在一些实施例中，蚀刻工艺包括湿蚀刻、干蚀刻、等离子体蚀刻和其他合适的工艺中的至少一种。在一些实施例中，第三介电层形成在流体栅极区之上。
在步骤108中，感测膜形成在开口内。在一些实施例中，在位于FET的栅极结构下方的暴露的有源区上形成感测膜。在一些实施例中，感测膜对于离子、生物分子或生物实体接合是兼容的。在一些实施例中，将感测膜设置为ssDNA的接合界面（binding interface）。在一些实施例中，感测膜设置为氢离子的接合界面。在一些实施例中，感测膜是介电材料、导电材料和用于支持受体的其他合适的材料中的至少一种。在一些实施例中，感测膜材料单独地或共同地包括高k介电膜、金属、金属氧化物、电介质或其他合适的材料。在一些实施例中，感测材料单独地或共同地包括HfO2、Ta2O5、Pt、Au、W、Ti、Al、Cu、这些金属的氧化物、SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN、SnO、SnO2、或其他合适的材料中的至少一种。
在步骤110中，将诸如酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段中的至少一种的受体置于感测膜上以用于检测目标生物分子。在一些实施例中，受体是不可移动的互补ssDNA链。
现在参考图2，示出了根据一些实施例的器件200。在一些实施例中，器件200包括FET感测单元。在一些实施例中，器件200包括ISFET或BioFET。在一些实施例中，使用上文参考图1所述的方法100的一个或多个方面来形成器件200。
在一些实施例中，器件200形成在衬底201上方或上，因此在一些实施例中，该器件包括衬底的至少一部分。在一些实施例中，第一介电层202形成在衬底201上。在一些实施例中，有源层203形成在第一介电层202上。在一些实施例中，有源层203包括源极区209、漏极区207以及介于源极区209及漏极区207之间的沟道区208。在一些实施例中，感测膜210位于沟道区208的上方。在一些实施例中，第二介电层204位于有源层203的上方。在一些实施例中，在第二介电层204内限定开口290，其中感测膜210插入有源层203之上。在一些实施例中，感测膜210的厚度是约5纳米至约20纳米。在一些实施例中，流体栅极区205位于第二介电层204之上，并且在开口290中延伸到感测膜210之上。在一些实施例中，流体栅极区205填充有流体。在一些实施例中，流体栅极区205至少部分是空的或者没有填充流体。在一些实施例中，至少流体栅极区205中的一些位置填充有空气。在一些实施例中，电极211存在于第二介电层204中。在一些实施例中，电极211被定位为与开口290中的流体栅极区205接触。在一些实施例中，电极211通过介电材料与开口290中的流体栅极区间隔开。在一些实施例中，电极211的厚度为约100纳米至约300纳米。在一些实施例中，第一进口215和第一阀213位于流体栅极区205的一侧上并且出口214位于流体栅极区205的相对侧上。在一些实施例中，第三介电层206位于流体栅极区205之上。在一些实施例中，使用CMOS工艺技术来形成流体栅极区205、源极区209、漏极区207、第一介电层202、第二介电层204及有源区203。在一些实施例中，流体栅极区205、源极区209、漏极区207、感测膜210及有源区203形成FET212。
在一些实施例中，衬底201的厚度是约80微米至约100微米。在一些实施例中，第一介电层202和第二介电层204中的至少一个的厚度是约0.5微米至约1.5微米。在一些实施例中，有源区203的厚度是约200埃至约400埃。在一些实施例中，感测膜210的厚度是约80纳米至约100纳米。在一些实施例中，源极区209至漏极区207的距离或者沟道区208的长度是约0.2微米至约1微米。
在一些实施例中，器件200包括到达源极区209、漏极区207、感测膜210和有源层203中的至少一个的电接触件。
在一些实施例中，器件200包括附加无源部件（诸如电阻器、电容器、电感器及熔丝）或者有源部件（诸如P沟道场效应晶体管（PFET）、N沟道场效应晶体管（NFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管、高压晶体管或高频晶体管）中的至少一种。
参考图3，根据一些实施例示出了器件200。在一些实施例中，器件200包括FET感测单元。在一些实施例中，器件200包括ISFET或BioFET。在一些实施例中，源极区209至少部分地延伸至感测膜210下方。在一些实施例中，漏极区207至少部分地延伸至感测膜210下方。
参考图4，根据一些实施例示出器件200。在一些实施例中，器件200包括FET感测单元。在一些实施例中，器件200包括ISFET或BioFET。在一些实施例中，器件200包括连接至流体栅极区205的第二进口216及第二阀217。在一些实施例中，器件200包括第二介电层204中的第二电极218。在一些实施例中，为了施加偏压或参考电压，电极218和电极211中的至少一个附接至电压源219。在一些实施例中，电极218或211用于施加单向或双向电泳力，以控制反应溶液中的离子运动。在一些实施例中，电极218和211中的至少一个位于感测膜210的约500埃至7500埃的第二介电层204内。在一些实施例中，电极218及211与感测膜210的相对紧密地接近设置允许更短的感测和复位阶段，这转而提高了器件200的灵敏度及信噪比。在一些实施例中，受体220置于感测膜210上或接近于感测膜以用于检测目标分子。在一些实施例中，受体220包括酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段中的至少一种。
现在参考图5，根据一些实施例示出了器件200。在一些实施例中，器件200包括FET感测单元。在一些实施例中，器件200包括ISFET或BioFET。在一些实施例中，源极区209至少部分地延伸至感测膜210下方。在一些实施例中，漏极区207至少部分地延伸至感测膜210下方。
现在参考图6，示出了连接至线406及线408的多个半导体402和器件404的布局400的示意图。在一些实施例中，该器件是FET感测单元。在一些实施例中，线406是位线。在一些实施例中，线408是字线。在一些实施例中，布局400位于器件401中。
在一些实施例中，器件404包括BioFET或ISFET。在一些实施例中，半导体402包括诸如控制晶体管或开关元件的晶体管，可操作地用于提供与器件404的连接。
在一些实施例中，布局400包括在检测由引入至器件404的少数离子、生物分子或生物实体所提供的小信号变化中所使用的阵列形成。在一些实施例中，布局400包括感测放大器410。在一些实施例中，感测放大器410提高了信号质量及放大率以提高具有布局400的器件的检测能力。在一些实施例中，当特定线406和线408接通时，相应的半导体402导通，因此，允许相应的半导体器件402在ON状态下运行。在一些实施例中，当通过离子、生物分子和生物实体中的至少一种来触发相关器件404的栅极时，器件404转移电子并且感应该器件的场效应电荷（field effect charging），从而调制诸如Ids的电流。在一些实施例中，电流或诸如Vt的阈值电压的变化用于表示检测到相关离子、生物分子和生物实体中的至少一种。因此，在一些实施例中，为了提高灵敏度，具有布局400的器件实现了包括差分感测的应用的FET传感器单元应用。
参考图7，提供了提高器件200的灵敏度的方法500。在一些实施例中，器件200是FET感测单元。在步骤502中，复位溶液注入器件200的流体栅极区205中。在一些实施例中，通过打开第二进口216的第二阀217来注入复位溶液，以将第一复位溶液注入到器件200的流体栅极区205中。在一些实施例中，复位溶液是pH为约1至约10的缓冲溶液。在一些实施例中，复位溶液包括pH为约7至约9的pH缓冲溶液。
在步骤504中，通过与感测膜210相互作用的复位溶液来记录第一复位值。在一些实施例中，受体位于感测膜210的表面上或接近于感测膜的表面。在一些实施例中，一旦收集到稳定读数，第二进口216的第二阀217就会关闭。在一些实施例中，第二阀217在约10微秒至15微秒之后关闭。在一些实施例中，在记录第一复位值时，通过电极211和218的至少一个施加偏压。
在步骤506中，将第一反应溶液注入器件200的流体栅极区205内。在一些实施例中，通过打开连接至第一进口215的第一阀213来注入反应溶液。在一些实施例中，反应溶液是生物反应溶液。在一些实施例中，反应溶液包括ssDNA。在一些实施例中，反应溶液包括诸如肿瘤标记或抗体的各种蛋白质。
在步骤508中，记录第一感测值。在一些实施例中，感测膜210具有设置在其上的一种或多种受体220。在一些实施例中，受体220会影响FET212的电导率。如果受体220附接至设置在感测膜210上的分子，则在有源层203中介于源极区209和漏极区207之间的沟道区208的电阻会改变。在一些实施例中，FET212用于检测一种或多种特定分子，诸如离子、生物分子或生物实体。在一些实施例中，器件200被布置成诸如上文参考图6所述的阵列型图案。在一些实施例中，在记录第一感测值时，通过电极211和218中的至少一个施加偏压。
在步骤510中，获得调节过的感测值。在一些实施例中，将第一感测值及复位值之间的差值用于确定第一调节值。在一些实施例中，将调节值用于去除或至少降低与FET器件相关联的噪音。
在一些实施例中，通过第二复位溶液及第二反应溶液、第三复位溶液及第四反应溶液等来重复方法500。
在一些实施例中，当记录第一复位值及第一感测值时，电极218和211中的至少一个施加相同电压。
现在参考图8，示出了包括感测阶段和复位阶段的周期的布局600的示意图。在一些实施例中，该周期对应于用于提高诸如上文参考图2、图3、图4、图5和图7的所述的灵敏度的方法。在一些实施例中，在复位阶段604期间，打开第一阀213并且关闭第二阀217，在感测阶段606期间，关闭第一阀213并且打开第二阀217。在一些实施例中，在复位阶段604及感测阶段606期间，关闭感测开关602，其中，感测开关是当其关闭时允许获得或记录第一感测值及第一复位值的开关。在一些实施例中，周期是约5微秒至约50微秒。在一些实施例中，复位阶段604的第一复位值及感测阶段606的第一感测值用于确定调节的感测值。在一些实施例中，当获得或记录第一复位值和第一感测值中的至少一个时，感测电压。在一些实施例中，当获得或记录第一复位值和第一感测值中的至少一个时，感测电流。在一些实施例中，放大感测单元的输出。
在一些实施例中，器件200经历了进一步的CMOS或MOS技术工艺以形成各种部件和区域。根据多个实施例，随后的工艺形成诸如金属层及层间电介质的各种接触件/通孔/线和多层互连部件，它们被配置用于连接器件200的各种部件及结构。在一些实施例中，多层互连件包括诸如通孔或接触件的垂直互连件以及诸如金属线的水平互连件。在一些实施例中，不同的互连部件采用单独地或共同地包括铜、钨或硅化物的不同导电材料。在一些实施例中，将镶嵌和双镶嵌工艺中的至少一种用于形成铜相关的多层互连结构。
根据一些实施例，器件包括：位于衬底上方的第一介电层，位于第一介电层上方的有源层，位于有源层内的源极区，位于有源层内的漏极区，在有源层中介于源极区和漏极区之间的沟道区，位于沟道区上方的感测膜，位于有源层上方的第二介电层，位于第二介电层内的电极，位于第二介电层及感测膜上方的流体栅极区。
根据一些实施例，器件包括：位于衬底上方的第一介电层，位于第一介电层上方的有源层，位于有源层内的源极区，位于有源层内的漏极区，在有源层中介于源极区和漏极区之间的沟道区，位于沟道区上方的感测膜，位于有源层上方的第二介电层，其中，在第二介电层中形成开口并且感测膜位于开口内，位于第二介电层内的第一电极以及位于第二介电层上方并延伸到开口中的流体栅极区。
根据一些实施例，通过调节器件感测值来提高器件灵敏度的方法包括：在器件的流体栅极区中注入第一复位溶液；基于与器件的感测膜相互作用的第一复位溶液记录第一复位值；在器件的流体栅极区中注入第一反应溶液；基于与器件的感测膜相互作用的第一反应溶液记录第一感测值并获取第一感测值和第一复位值之间的差值以获得经调节的第一感测值。
尽管已经用专门用于结构特征或方法动作的具体语言描述了该主题，但应该理解，附加权利要求的主题不必限于以上所述的特定特征或动作。相反，作为实施至少一些权利要求的示例性形式，公开了以上描述的具体特征和动作。
本文中提供了实施例的各种操作。描述一些操作或所有操作的顺序不应该解释为隐含这些操作必须根据该顺序。应该理解，可选的顺序提供了这类描述的优势。此外，应该理解，不是本文中提供的每一个实施例中都具有所有的操作。此外，应该理解，在一些实施例中，并不是所有的操作都是必要的。
此外，除非详细说明，否则“第一”、“第二”等并不意指暗示时间方面、空间方面、顺序等。相反，这类术语仅仅用做部件、元件、项目等的标识符、名称等。例如，第一沟道和第二沟道通常对应于沟道A和沟道B或两个不同或两个完全相同的沟道或相同的沟道。
应该理解，通过彼此相关的具体尺寸（诸如结构尺寸或方向）示出本文中所描述的层、部件、元件等，在一些实施例中，为了简化和易于理解的目的，相同部件的实际尺寸基本不同于本文中所示的尺寸。此外，例如，存在本文中提及的用于形成层、区域、部件、元件等的各种技术，诸如蚀刻技术、注入技术、掺杂技术、旋涂技术、溅射技术、生长技术（诸如热生长）或沉积技术（诸如化学汽相沉积（CVD））。
另外，本文中使用的“示例性的”意为用作实例、事例、说明等，并且并不必须是有利的。如本申请中所使用的，“或”意指包括“或”而不是排除“或”。此外，除非详细说明或在上下文中清楚地直接表示为单数形式，否则在本申请中所使用的“一”或“一个”通常解释为“一个或多个”。此外，A和B中至少一个等通常意为A或B或者A和B这两者。此外，在某种程度上，“包括”、“具有”、“有”、“用”或它们的变体用于细节描述或权利要求，这种术语意指以类似于“包括”的方式包含术语“包括”。
此外，尽管关于一种或多种实现方式示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员可以基于阅读和理解说明书和附图进行等同的变化或修改。本发明包括所有此类的修改或变化，且仅由以下权利要求的范围来限定本发明。特别是对通过上文描述的组件（例如，元件、资源等）执行的各种功能，除非另有说明，否则即使结构上不等同于本发明的结构，用于描述这些部件的术语也意在对应于执行描述组件（例如，功能上等同）的具体功能的任何组件。此外，虽然本发明可能公开了关于若干实现方式中的仅仅一个的具体部件，但这样的部件可以与其他实现方式的一个或多个其它部件相结合，结果可能对任何给定或特定的应用是期望的和有利的。

Claims (10)

1.一种器件，包括：
第一介电层，位于衬底上方；
有源层，位于所述第一介电层上方；
源极区，位于所述有源层中；
漏极区，位于所述有源层中；
沟道区，位于所述有源层中，介于所述源极区和所述漏极区之间；
感测膜，位于所述沟道区上方；
第二介电层，位于所述有源层上方；
电极，位于所述第二介电层内；以及
流体栅极区，位于所述第二介电层以及所述感测膜上方。
2.根据权利要求1所述的器件，包括：
第三介电层，位于所述流体栅极区上方。
3.根据权利要求1所述的器件，包括：
一个或多个进口，连接至所述流体栅极区。
4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电极包括Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au、TiN、TaN、NiSi和CoSi中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述感测膜包括SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、HfO2、Ta2O5、TiN、SnO、SnO2、Pt、Cr、Au、Al、W和Cu中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的器件，包括：
受体，设置在所述感测膜上。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述受体包括酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的器件，包括：
第一线，用于将第一器件连接至第二器件，其中，所述第一器件和所述第二器件设置在阵列中。
9.一种器件，包括：
第一介电层，位于衬底上方；
有源层，位于所述第一介电层上方；
源极区，位于所述有源层中；
漏极区，位于所述有源层中；
沟道区，位于所述有源层中，介于所述源极区和所述漏极区之间；
感测膜，位于所述沟道区上方；
第二介电层，位于所述有源层上方，其中，在所述第二介电层中形成开口并且所述感测膜位于所述开口内；
第一电极，位于所述第二介电层内；以及
流体栅极区，位于所述第二介电层上方并且延伸到所述开口中。
10.一种通过调节器件的感测值来提高所述器件的灵敏度的方法，包括：
在所述器件的流体栅极区中注入第一复位溶液；
基于与所述器件的感测膜相互作用的所述第一复位溶液，记录第一复位值；
在所述器件的所述流体栅极区中注入第一反应溶液；
基于与所述器件的所述感测膜相互作用的所述第一反应溶液，记录第一感测值；以及
获取所述第一感测值和所述第一复位值之间的差值，以获得经调节的第一感测值。
CN201410120539.0A 2013-11-01 2014-03-27 Fet感测单元及提高其灵敏度的方法 Active CN104614430B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/069,823 US9395326B2 (en) 2013-11-01 2013-11-01 FET sensing cell and method of improving sensitivity of the same
US14/069,823 2013-11-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104614430A true CN104614430A (zh) 2015-05-13
CN104614430B CN104614430B (zh) 2017-12-05

Family

ID=53007308

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410120539.0A Active CN104614430B (zh) 2013-11-01 2014-03-27 Fet感测单元及提高其灵敏度的方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9395326B2 (zh)
CN (1) CN104614430B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105261640A (zh) * 2015-09-14 2016-01-20 友达光电股份有限公司 离子感测场效晶体管
CN105576125A (zh) * 2016-02-04 2016-05-11 南京邮电大学 一种用于离子检测的有机场效应晶体管及其检测方法
CN107024522A (zh) * 2015-09-18 2017-08-08 Nlt科技股份有限公司 生物传感器及检测装置
CN109416340A (zh) * 2016-05-18 2019-03-01 DNAe集团控股有限公司 集成电路封装的改进或与之相关的改进
CN109540987A (zh) * 2018-11-09 2019-03-29 中山大学 基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法
TWI786604B (zh) * 2021-02-10 2022-12-11 台灣積體電路製造股份有限公司 生物感測器系統及其使用方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9810661B2 (en) * 2015-02-18 2017-11-07 Sensor Kinesis Corporation Carbon nanotube biofet with a local amplifier in a system array for analysis of biomarkers and method of analysis of same
CN109313176B (zh) * 2016-06-20 2021-05-14 阿克斯比尔公司 用于检测生物大分子的电子装置
US10928356B2 (en) * 2016-10-21 2021-02-23 International Business Machines Corporation Ion sensitive field effect transistor (FET) with back-gate coupled reference electrode
US10913978B2 (en) 2017-02-14 2021-02-09 Axbio Inc. Apparatus and methods for continuous diagnostics of macromolecules
US10955404B2 (en) 2018-05-23 2021-03-23 Axbio Inc. Integrated circuits for analyzing biological systems
EP3620783A1 (en) 2018-09-05 2020-03-11 IMEC vzw Field-effect transistor-based biosensor

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050230271A1 (en) * 2004-01-12 2005-10-20 Kalle Levon Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing
US20070247170A1 (en) * 2004-06-09 2007-10-25 Massimo Barbaro Field-Effect Device for the Detection of Small Quantities of Electric Charge, Such as Those Generated in Bio-Molecular Process, Bound in the Vicinity of the Surface
US20070295988A1 (en) * 2006-06-26 2007-12-27 Canon Kabushiki Kaisha Dual-gate sensor
US20100072976A1 (en) * 2008-09-23 2010-03-25 National Chiao Tung University Sensing element, manufacturing method thereof, and biological detection system employing such sensing element
US20100167938A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Xing Su Nucleic acid sequencing and electronic detection
US20100194409A1 (en) * 2006-08-16 2010-08-05 Agency For Science, Technology And Research Method of electrically detecting a biological analyte molecule
US8728844B1 (en) * 2012-12-05 2014-05-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside CMOS compatible bioFET with no plasma induced damage

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100429509C (zh) 2001-11-16 2008-10-29 株式会社Bio-X Fet型传感器
US9459234B2 (en) 2011-10-31 2016-10-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd., (“TSMC”) CMOS compatible BioFET

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050230271A1 (en) * 2004-01-12 2005-10-20 Kalle Levon Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing
US20070247170A1 (en) * 2004-06-09 2007-10-25 Massimo Barbaro Field-Effect Device for the Detection of Small Quantities of Electric Charge, Such as Those Generated in Bio-Molecular Process, Bound in the Vicinity of the Surface
US20070295988A1 (en) * 2006-06-26 2007-12-27 Canon Kabushiki Kaisha Dual-gate sensor
US20100194409A1 (en) * 2006-08-16 2010-08-05 Agency For Science, Technology And Research Method of electrically detecting a biological analyte molecule
US20100072976A1 (en) * 2008-09-23 2010-03-25 National Chiao Tung University Sensing element, manufacturing method thereof, and biological detection system employing such sensing element
US20100167938A1 (en) * 2008-12-31 2010-07-01 Xing Su Nucleic acid sequencing and electronic detection
US8728844B1 (en) * 2012-12-05 2014-05-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside CMOS compatible bioFET with no plasma induced damage

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105261640B (zh) * 2015-09-14 2018-04-03 友达光电股份有限公司 离子感测场效晶体管
CN105261640A (zh) * 2015-09-14 2016-01-20 友达光电股份有限公司 离子感测场效晶体管
CN107024522B (zh) * 2015-09-18 2020-06-02 天马微电子股份有限公司 生物传感器及检测装置
CN107024522A (zh) * 2015-09-18 2017-08-08 Nlt科技股份有限公司 生物传感器及检测装置
CN105576125A (zh) * 2016-02-04 2016-05-11 南京邮电大学 一种用于离子检测的有机场效应晶体管及其检测方法
CN105576125B (zh) * 2016-02-04 2018-06-29 南京邮电大学 一种用于离子检测的有机场效应晶体管及其检测方法
CN109416340B (zh) * 2016-05-18 2021-08-27 DNAe集团控股有限公司 集成电路封装的改进或与之相关的改进
CN109416340A (zh) * 2016-05-18 2019-03-01 DNAe集团控股有限公司 集成电路封装的改进或与之相关的改进
CN109540987A (zh) * 2018-11-09 2019-03-29 中山大学 基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法
CN109540987B (zh) * 2018-11-09 2020-12-04 中山大学 基于凹槽结构的无参比电极GaN基pH传感器及其制备方法
TWI786604B (zh) * 2021-02-10 2022-12-11 台灣積體電路製造股份有限公司 生物感測器系統及其使用方法
US11686704B2 (en) 2021-02-10 2023-06-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensor
US11940412B2 (en) 2021-02-10 2024-03-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensor

Also Published As

Publication number Publication date
CN104614430B (zh) 2017-12-05
US20150125872A1 (en) 2015-05-07
US9395326B2 (en) 2016-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104614430A (zh) Fet感测单元及提高其灵敏度的方法
US11486854B2 (en) CMOS compatible BioFET
US10184912B2 (en) Backside sensing BioFET with enhanced performance
US10823696B2 (en) Method of fabricating a biological field-effect transistor (BioFET) with increased sensing area
US8669124B2 (en) Apparatus and method for molecule detection using nanopores
CN107064271B (zh) 双栅极生物敏感场效应晶体管及阈值校准方法
US9689835B2 (en) Amplified dual-gate bio field effect transistor
US11008611B2 (en) Double gate ion sensitive field effect transistor
CN104051512B (zh) 性能增强的背面感测生物场效应晶体管
CN103675024A (zh) 直接感测BioFET和制造方法
CN103426930B (zh) 用于信号放大的具有双栅极生物场效应晶体管的系统和方法
US20230375499A1 (en) Biological Device And Biosensing Method Thereof
CN104049021B (zh) 具有增大的感测面积的biofet
Jayakumar et al. Utilizing the superior etch stop quality of HfO2 in the front end of line wafer scale integration of silicon nanowire biosensors
WO2008068692A1 (en) Method of manufacturing a semiconductor sensor device and semiconductor sensor device obtained with such method
Kim et al. Novel fabrication method for forming damage-free sensing oxide and threshold voltage-tunable complementary metal-oxide semiconductor in a pH sensor-CMOS hybrid system

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant