CN105372302A - 半导体生化感测器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体生化感测器，将共通源极及位元线解码器之间延伸的数个导线各自连接至感测放大器，且借助检测在溶液中漂流的目标物分子被氧化膜表面的接收器接受之际，其所造成的电荷给予至少一个导线的电的变化，而可大幅的改善现有的生化感测器的检测极限，且提供可修复制造途中的误差的方法。

Description

半导体生化感测器及其控制方法

技术领域

本发明涉及使用于检测晶片的半导体生化感测器及其控制方法。

背景技术

近年来，先进国家一齐迈向高龄化社会，为了防止医疗费用的高涨，预防医学的重要性日益增加。在疾病的初期阶段，特定检体样本中仅含极微量的化学物质，因此若能精确地检测出所述化学物质的话，则可早期发现疾病并且大幅节省医疗费用。如此的检测的方法，可能可利用微电子技术而予以实现(例如，参照非专利文献「K.KoiKe,etal.,Jpn.J.Appl.Phys.,vol.53,05FF04(2014)」)。

然而，精确度高的检查装置不只是价格昂贵，且设备体积较大，若非大医院或特定医疗设施是无法处理相关检测。如此将造成检查成本高昂，且检查结果也需等待数日才可知悉的情形。

换而言之，若能提供高精确度的小型检查装置的话，在规模较小的医疗机关即可进行低价格的检查。再者，借助检查本身的简单化，可大幅缩短检查时间，以大幅地降低使用者的负担，且可飞跃地提升便利性。因此，需要使用组合了半导体微结构技术及生化感测器技术的半导体生化感测器，在不会牺牲检查装置的精确度之前提下，使装置体积相当程度地小型化，以获得降低检查费用的效果。

图1是一种现有半导体生化感测器110的一例示，包含在半导体基板4上，布局了氧化膜1、源极电极2及汲极电极3。进而，涂布光阻100以在溶入检查目标物的溶液(已处理的血液、尿及汗水等等)时保护源极电极2及汲极电极3。此装置在进行检查的过程中，将其直接暴露在溶液中。类似所述现有半导体生化感测器的一实施例已揭露于Koike,etal.,Jpn.J.Appl.Phys.,vol.53,05FF04(2014)中。

如图10所示，在所述溶液中，目标物7将与附着在氧化膜1表面上的接收器8之间产生结合反应。其中，解离常数300(K)是决定该结合反应的平衡状态，若解离常数300大的话，则目标物7与接收器8将倾向分离，相反地若解离常数300小的话，则目标物7与接收器8将倾向结合以形成结合体5。如图2、图3及图4所示，结合体5会出现在氧化膜1的表面上。

结合体5是持有目标物7运来的电荷，该电荷是通过氧化膜1而使半导体基板4的场放射产生变化。其结果，在源极电极2及汲极电极3之间流动的电流产生变化，且借助读取其变化，而可判定溶液中是否包含目标物7。

若解离常数300小的话，则如图2所示，多数的结合体5存在于氧化膜1的表面上。解离常数300若变大的话，则如图3或图4所示，氧化膜1表面上的结合体5的数量渐渐的减少。

或者，若溶液中包含的目标物7的数量多的话，则如图2所示，多数的结合体5存在于氧化膜1的表面上。若溶液中所含的目标物7的数量减少的话，则如图3或图4所示，氧化膜1表面上的结合体5的数量渐渐的减少。

已知，解离常数300对溶液中的目标物7的浓度敏感。再者，解离常数300对溶液的温度敏感。

如图3、4所示，存在于氧化膜1表面的电荷将会形成稀疏。如此的情况，由于结合体5所造成的电荷是在氧化膜1表面上，表现得如同点电荷般，因此如图6所示，当电子由源极电极2往汲极电极3传导之际，容易迂回绕过结合体5。因此，若电子沿一迂回路径由源极电极2往汲极电极3传导，该结合体5不会使电流特性产生变化。

据此，如图7所示，将具有宽的闸极宽度的半导体基板4替换为具有细的闸极宽度的导线6，在此情况下，找不到迂回路的电子，即使是仅一个点电荷(仅一个结合体5)存在，也会造成电子减速，并使电流减少。通过感测电减少，理论上即使溶液中仅包含一个目标物7，也可检测出。

一般而言，流动于晶体管的半导体表面的电流变化，其是作为门槛电压V_t的变化(ΔV_t)而被检测出。使电流变化量作为ΔI_ds，晶体管的互导值作为g_m，目标物7运来氧化膜1表面的总电荷量作为Q_X，晶体管的闸极电容作为C，接收器8的表面密度作为[Y]，溶液中的目标物7浓度作为[X]，溶液的解离常数作为K，且将背景干扰的截断值cut-off列入考虑，则可获得下式(1)。其中，一截断值cut-off是为了去除非起因于生化感测器的干扰而设定的补偿值。一般而言，截断值cut-off是远比起因于生化感测器的干扰小。

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{ds}}{g_m}={\mathrm{\ΔV}}_t=\frac{Q_X}{C}\[Y\]\×\frac{\[X\]}{\[X\]+K}+(cut-off)---\left(1\right)$

由该式(1)，经过简单的推导，请参照M.A.Reed,IEEEIEDM13,pp.208-211(2013)，检测极限(LimitofDetection:LOD)可以表示如下式(2)所示。其中。与起因于生化感测器的干扰的杂讯电流I_noise及截断值cut-off已列入考虑。

$LOD=\frac{K}{\left(\frac{Q_X\[Y\]/C}{I_{noise}/g_m-(cut-off)}\right)}---\left(2\right)$

由上式(2)可得知，只要使起因于生化感测器干扰的杂讯电流I_noise变小形成与截断值cut-off相同的话，则检测极限LOD也变小。

如同在上述所作的说明，由于利用导线6，可使该I_noise变小。图5中揭示一例示。在共通源极2及共通汲极3之间，平行的配置数个导线6。于该图的例示中，在四个导线6上的氧化膜1的表面上形成结合体5。该四个导线6是分别可检测出关于仅一个结合体5的电流变化，由此可知，可按照上式(2)看出利用该四个导线6能够使检测极限LOD下降。

然而，实际上来自全部的导线6的信号，其是于共通汲极3与干扰一起被合计，因此难以充分达到改善检测极限LOD的效果。

发明内容

本发明是有鉴于上述缺陷而进行的，以提供可使高精确度的检查装置更小型化的新颖的半导体生化感测器技术为目的。

本发明为解决技术问题，采用了如下的手段。相关本发明的半导体生化感测器，其是形成高精确度小型检查装置的中心部件的半导体晶片，且制造于半导体晶片内，其包含数个导线，及该数个导线所共有的共通源极领域，及分别地连接该数个导线的数个非挥发性存储器，及各自连接该数个非挥发性存储器的数个感测放大器，及解析该数个感测放大器的输出且管理该数个感测放大器的动作的位元线解码器，及包覆该数个导线的氧化膜，及附着在该氧化膜表面的数个接收器。

再者，相关本发明的半导体生化感测器，其包含在暴露于包含检体样本的溶媒前，检查来自该数个导线的输出信号，以进行判断有无断裂或异常高电阻等的导线异常的初始化步骤；及根据该导线异常的判断，连接至该数个导线中对应的导线的非挥发性记忆体型汲极选择闸极晶体管中对应的非挥发性记忆体型汲极选择闸极晶体管，针对其进行写入处理的筛选步骤。

根据本发明，可用更便宜的价格提供为了实现高精确度小型检查装置所必要的基本部件。

附图说明

图1：揭示现有技术的生化感测器的基本装置构造的图。

图2：揭示现有技术的生化感测器的基本装置构造的图。

图3：揭示现有技术的生化感测器的基本装置构造的图。

图4：揭示现有技术的生化感测器的基本装置构造的图。

图5：揭示现有技术的生化感测器的基本装置构造的图。

图6：揭示现有技术的生化感测器中电子电流于电荷的周围迂回的情况的图。

图7：揭示现有技术的生化感测器的导线中电子电流于电荷的周围无法迂回的情况的图。

图8：揭示现有技术的接收器附着在生化感测器的氧化膜上，且漂流在溶液中的目标物附着在接收器的情况的图。

图9：揭示本发明的一实施形态的生化感测器的基本构成要素的构成图。

图10：揭示本发明的一实施形态的目标物及接收器的反应关系的图。

图11：揭示本发明的一实施形态的生化感测器的制造方法的图。

图12：揭示本发明的一实施形态的生化感测器的制造方法的图。

图13：是揭示本发明的一实施形态的生化感测器的制造方法的图。

图14：表示本发明的一实施形态的生化感测器的等效电路的图。

图15：表示本发明的一实施形态的生化感测器的等效电路上接收器接受目标物的情况的图。

图16：揭示本发明的一实施形态的生化感测器的信号电流由目标物所造成的电荷产生变化的情况的图。

图17：揭示模拟本发明的一实施形态的生化感测器的动作的结果的图。

图18：揭示修复本发明的一实施形态的生化感测器的异常模式的方法的图。

图19：揭示修复本发明的一实施形态的生化感测器的异常模式的方法的图。

图20：揭示修复本发明的一实施形态的生化感测器的异常模式的方法的图。

图21：说明导线的直径的参差不一的图。

图22：揭示修复本发明的一实施形态的生化感测器的偏移的方法的图。

附图标记说明

1氧化膜2源极电极

3汲极电极4半导体基板

5结合体

6导线7目标物

8接收器9感测放大器

10绝缘层上硅晶膜11半导体线

12间隔20源极选择闸极电晶体

21汲极选择闸极电晶体22位元线解码器

23共通源极线30断线

31非挥发性存储器32导线

60导线100光阻

110现有半导体生化感测器

200中央反应装置

300解离常数400初始化步骤

410筛选步骤420检体测量步骤

530偏移调整步骤

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的，特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，作详细说明如下：

就本发明的一实施形态，以下参照附图作说明。相关本实施形态的半导体生化感测器，其是如图8所示，其是借助导线6、氧化膜1及接收器8所构成的中央反应装置200，及下述作说明的周边装置而可实现。其中，该导线6可以为细导线，举例而言，该导线6可以为纳米线。

中央反应装置200是制造于半导体基板表面上，且在检查时该中央反应装置200可供暴露于包含目标物7的溶媒中，包含目标物7的溶媒形成一溶液。目标物7是带有电荷，一边浮游于溶液中一边与附带在氧化膜1表面的接收器8，根据图10所示的化学式进行结合。于此，解离常数300是决定接收器8与目标物7的平衡状态。若解离常数300大的话，则接收器8与目标物7分离；若解离常数300小的话，则接收器8与目标物7在氧化膜1表面上结合，而形成结合体5。

如图9所示，该中央反应装置200是使各导线6的一端连接共通源极2，而另一端分别地连接感测放大器9。感测放大器9的数量(M)与导线6的个数相等，且分别以0至M-1的号码进行标示。

该图的例示中，有3个导线6上附着结合体5。附着有结合体5的导线6所对应连接的感测放大器9中，其接收的电流信号准位下降。如此，由于所述数个感测放大器9不会将接收的电流信号合计，因此理论上该感测放大器9可检测出单一个结合体5所造成的电流变化，以判断连接该感测放大器9的导线6上是否附着有结合体5。

接着，就将干扰从信号中分离方法加以叙述。如图9所示，现在，M个感测放大器9及共通源极2分别连接于M个导线6的相反二侧。该M个导线6之中，假定m个导线6上附著有结合体5。(该图的例示中，m＝3)

假设一导线6并未附着任何结合体5时，由共通源极2流向与该导线6连接的感测放大器9的电流为I₀；且当一导线6附着有结合体5时，由共通源极2流向与该导线6连接的感测放大器9的电流为I₁。I₁可以表示为I₀与I₁的差值ΔI和I₀的总和；也即，I₁＝I₀+ΔI。据此，若根据前述图5所示的现有生化感测器进行检测，该共通汲极3将平均自每一条导线6接收到I₀+(m/M)×ΔI的电流；相对地，本实施形态的生化感测器中附着有结合体5的导线6连接的感测放大器9能够单独接收I₀+ΔI的电流。换而言之，本实施型态的感测放大器9能够根据I₀+ΔI的电流来判断与其连接的导线6是否附着有结合体5，然而现有生化感测器的共通汲极3只能经由I₀+(m/M)×ΔI的电流来判断一导线6是否附着有结合体5。本案的该感测放大器9所接收的电流较现有的共通汲极3平均接收到的电流多出ΔI×(1-m/M)，因此，(1-m/M)可以作为本实施型态于检测极限LOD改善程度的评估标准。

于此，就下式(3)中所定义的检测极限LOD的改善率ε作思考。

$\mathrm{\ϵ}\≅1-\frac{m}{M}---\left(3\right)$

将因干扰偶然发生电流变化而被误认附着有结合体5的导线6的数目视为δ，当m相对于δ是充分地大的话，则可简单地使干扰变成不显著。为了在不损及检测极限(LOD)的前提下，而可使m增大，则只要使导线6的全个数M充分地变大即可。此时，本实施形态所改善的检测极限LOD’，其可由下式(4)所获得。

${\mathrm{LOD}}^{\′}=(1-\mathrm{\ϵ})\×LOD=\frac{m}{M}\×LOD---\left(4\right)$

考虑生化感测器的闸极宽度(即中央反应装置200的宽度)为2.4mm，导线6的宽度为3nm，且导线6彼此的间隔为57nm的情况。由简单的计算，可知导线6的全个数M为40,000个。若欲使检测极限LOD的改善率ε形成99.9％的话，则m需为40。虽然因为意外干扰使电流下降的导线6存在的机率大于零，然而，被误认附着有结合体5的导线6的数目δ应该比40少。再者，若使检测极限LOD的改善率ε形成99％的话，则m需为400，被误认附着有结合体5的导线6的数目δ应该比400少。况且，若检测极限LOD的改善率ε形成90％，则m为4000，被误认附着有结合体5的导线6的数目δ应远小于4000。即使是90％的改善率，也可谓是大幅的改善。

另外，导线6的全个数M是在装置设计阶段即可决定。为了说明此事，简单地说明中央反应装置200的制造方法的一例示。

如图11所示，由绝缘层上硅晶(Silicon-On-Insulator,SOI)膜10开始。作为一个例示，使该SOI膜10的厚度形成20nm。接着，如图12所示，借助微影制程，分切为30nm的半导体线(L)11及间隔(S)12。如此，平均而言，可获得数个剖面为30nm×30nm×20nm的半导体线11。

于间隔12填塞氧化膜，重复热步骤使半导体线11薄型化。(薄型化制程)

如此，如图13所示，平均直径3nm的导线6形成以平均间隔57nm平行地配置的构造。将表面以化学机械研磨(ChemicalandMechanicalProcess,CMP)刨削，进行一次平坦化后，进而重叠形成闸氧化层的薄的氧化膜1，并在其上以高表面浓度使接收器8附着，则如图8所示，形成中央反应装置200。

图14是本发明的一实施形态的半导体生化感测器的等效电路图。导线6的一端，其是由源极选择闸极晶体管(SGS)20连接共通源极线23(SL)。另一端隔着汲极选择闸极晶体管(SGD)21连接感测放大器9。来自各感测放大器9的信号，其是由一位元线解码器22进行解析。

图15是为了凸显本发明的导线6的功能，将图14的等效电路只留下一个，而省略了其他的导线6的图。作为一个例示，该图中是采用n金氧半场效晶体管(nMOSFET)作为源极选择闸极晶体管20。另一方面，采用p金氧半场效晶体管(pMOSFET)作为汲极选择闸极晶体管21。连接一个导线6的二个选择闸极晶体管20、21，其是可由nMOSFET及pMOSFET之中，包含重复组合的4种类中选择。举例而言，该两个选择闸极晶体管20、21可以分别为nMOSFET及nMOSFET、nMOSFET及pMOSFET、pMOSFET及nMOSFET或是pMOSFET及pMOSFET。

于此，使源极选择晶体管20及汲极选择晶体管21两者形成导通，且由感测放大器9使汲极电压施加在导线6，则电子电流由源极选择闸极晶体管20的N型扩散层流入导线6。由于导线6如果直径非常小时具有使热不会排出的性质(自主发热)，因此若其直径非常小，则有必要在汲极选择闸极晶体管21的P型扩散层使热排出。因此，汲级选择闸极晶体管21形成pMOSFET。

由于流动于本实施形态的导线6的电流是电子电流，因此若结合体5的电荷是负的话，则在感测放大器9所检测出的电流会减少。相反的，若结合体5的电荷是正的话，则在感测放大器9所检测出的电流会增大。

图16中，其是揭示了具有二个电子的二个结合体5(N＝2)结合于该导线6的情况及没有结合体5(N＝0)结合于该导线6的情况下的汲级电流(感测放大器9所感测的电流)差。检测出该电流差，即是相当于检测出目标物7。

图17中，揭示了装置模拟的计算结果。积存在结合体5的电荷可以换算为电子数n，将不同电子数n下的电流相对于无结合体5(N＝0)的情况下的电流换算为电流变化率并绘出。随着n增大，则电流变化率是由1大幅的减少，n＝3时为一半程度，n＝4时则减少至20％程度。在通常的感测放大器技术中，该等电流变化率的变化幅度是可充分的检测出的程度。

再者，EOT是指构成结合体5的目标物X及导线6之间的某些介电薄膜的等效氧化层厚度(EquivalentOxideThickness)，相对于该介电薄膜所转换的厚度。可得知随着EOT的减少，感度变佳。根据该模拟结果，EOT较佳是在2nm以下。

如图13所示，实际上所制造的线11、间隔12中，多存在制程公差。导线6越细的话，则电阻增加；越粗的话，则电阻变低，该制程公差所造成的导线6粗细差异是于感测放大器9混入干扰感测的电流。

如图18、19所示，一导线32若非常细的话，则在感测放大器9所接收的检测电流无法与干扰产生的电流作区别。再者，如第18、19图所示，根据不同情况，也有偶然于制造途中形成断线30的情况，导致电流完全无法通过。

图18、19是简单的揭示本发明半导体生化感测器的控制方法的一实施例，该实施例即为在如此情况下，其处理的方法。

首先，如图18所示，将汲极选择闸极晶体管21替换为非挥发性存储器31。或者，如图19所示，在汲极选择闸极晶体管21及感测放大器9之间配置非挥发性存储器31。

接着，如图20所示，将半导体生化感测器浸泡在无目标物7的溶液中，或是在未浸泡于溶液的状态下，利用感测放大器9测量电流(初始化步骤400)。此时，电流未流动的导线6，其是被视为形成断线30，或是过细而电阻过高的导线32，并将对应的非挥发性存储器31设为保持关状态(筛选步骤410)。如此，排除了断线30或过细的导线32后，重新进行检体测量(检体测量步骤420)。

接着，与使用半导体基板的通常的晶体管相较下，一般的导线6于构造具有较大的单位体积的表面积，使其容易受到表面状态的影响。因此，来自导线6的信号，与来自通常的晶体管的信号相较下，干扰有变大的趋势。式(2)所含的截断值cut-off，其是考虑该干扰的最大振幅而决定。

然而，该干扰的振幅容易随着导线6的直径改变。只要该截断值cut-off设定适当的话，该干扰的振幅将小于可处理范围而不会影响半导体生化感测器的运作。当然，过细而电阻过高的导线32的干扰的振幅会超出可处理范围，因此该导线32应被排除。

为了适当地决定该截断值cut-off，有必要将该干扰的振幅的增减列入考虑。

再者，如图21所示，导线60本身也有直径的不均。为了适当地决定用以去除干扰的截断值cut-off，有必要将该导线的特殊的直径的不均列入考虑。

可惜的是，该些资讯在设计生化感测器的阶段，要正确的把握并不容易。制造后，有以某些方法进行微调整的必要。

如图18及图19所示，利用在本发明的一实施形态所使用的非挥发性存储器31，可以处理该问题。

在本发明的一实施形态中，如图22所示，筛选步骤410之后，借助配合在初始化步骤400所测量的信号来调整非挥发性存储器31的阈电压，而可调整非挥发性存储器31的电阻。借此，可减少直径的不均所形成的干扰源。

如此微调整非挥发性存储器31的阈电压的手法称为验证程序设计(verifyprogramming)，包含利用小步骤(短脉冲)重复非挥发性存储器31的写入或消除，相关的调整方法可参见T.TanaKa,etal.,1990SyMposiuMonVLSIcircuits,pp.105-106(1990)。

根据本发明，其是形成可大幅改善生化感测器的检测极限LOD，且可同时地进行医疗用医疗照护晶片的性能提升及低价格化，因此可使现有的生化感测器做不到的早期发现疾病变成可能，而可期待大幅节省医疗费用的效果。

Claims (8)

1.一种半导体生化感测器，其是形成于高精确度小型检查装置的中心部件的半导体晶片，且制造于半导体晶片内，其特征在于，其包含：

数个导线；

一共通源极，各该导线的一端连接该共通源极；

分别连接各该导线另一端的数个非挥发性存储器；

各自连接该数个非挥发性存储器的数个感测放大器；

解析该数个感测放大器的输出且管理该数个感测放大器的动作的位元线解码器；

包覆该数个导线的氧化膜；及

附着在该氧化膜表面的数个接收器。

2.一种如权利要求1所述的半导体生化感测器的控制方法，其特征在于，其包含：在该半导体生化感测器暴露于包含检体样本的溶媒前，

利用该数个感测放大器检查来自该数个导线的输出信号，以进行判断是否有断线或异常高电阻的导线的初始化步骤；及

根据该初始化步骤的判断，针对连接至断线或异常高电阻的导线的非挥发性存储器进行写入处理的筛选步骤。

3.如权利要求2所述的半导体生化感测器的控制方法，其特征在于，该筛选步骤之后，更包含在该数个非挥发性存储器之中，选择地进行微调整该筛选步骤中未进行写入的非挥发性存储器的阈电压的偏移调整步骤。

4.如权利要求2所述的半导体生化感测器的控制方法，其中检查来自该数个导线的输出信号的步骤包含：

根据该感测放大器所感测的该输出信号找出电流未流动的导线；及

将该电流未流动的导线视为具有上述断线或异常高电阻的导线。

5.一种半导体生化感测器，其是形成于高精确度小型检查装置的中心部件的半导体晶片，且制造于半导体晶片内，其特征在于，其包含：

数个导线；

一共通源极，各该导线的一端连接该共通源极；

各自连接各该导线另一端的数个汲极选择闸极晶体管；

各自连接该数个汲极选择闸极晶体管的数个非挥发性存储器；

各自连接该数个非挥发性存储器的数个感测放大器；

解析该数个感测放大器的输出且管理该数个感测放大器的作动的位元线解码器；

包覆该数个导线的氧化膜；及

附着在该氧化膜表面的数个接收器。

6.一种如权利要求5所述的半导体生化感测器的控制方法，其特征在于，其包含：在该半导体生化感测器暴露于包含检体样本的溶媒前，

利用该数个感测放大器检查来自该数个导线的输出信号，以进行判断有无断裂或异常高电阻的导线的初始化步骤；及

根据该初始化步骤的判断，针对连接至断线或异常高电阻的导线的非挥发性存储器进行写入处理的筛选步骤。

7.如权利要求6所述的半导体生化感测器的控制方法，其特征在于，检查来自该数个导线的输出信号的步骤包含：

根据该感测放大器所感测的该输出信号找出电流未流动的导线；及

将该电流未流动的导线视为具有上述断线或异常高电阻的导线。

8.如权利要求6所述的半导体生化感测器的控制方法，其特征在于，该筛选步骤之后，更包含在该数个非挥发性存储器之中，选择地进行微调整该筛选步骤中未进行写入的非挥发性存储器的阈电压的偏移调整步骤。