CN106093119A - 生物器件及其生物感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包括衬底、栅电极和感测阱的生物器件。衬底包括源极区、漏极区、沟道区、主体区和感测区。沟道区设置在源极区和漏极区之间。感测区至少设置在沟道区和主体区之间。栅电极至少设置在衬底的沟道区上或之上。感测阱至少邻近感测区设置。本发明的实施例还涉及生物器件的生物感测方法。

Description

生物器件及其生物感测方法
技术领域
本发明的实施例涉及生物器件，更具体地，涉及生物器件及其生物感测方法。
背景技术
生物传感器是用于感测和检测生物分子的器件。在电子、电化学、光学或机械检测原理的基础上操作生物传感器。包括晶体管的生物传感器是电学地感测生物实体或生物分子的电荷、光子或机械性能的传感器。通过检测生物实体或生物分子自身或通过特定反应物和生物实体/生物分子之间的相互作用或反应来来实施检测。这样的生物感测器可以使用半导体工艺来制造，可以很快地转换电信号，以及可以容易地应用至集成电路(IC)和微电子机械系统(MEMS)。
发明内容
本发明的实施例提供了一种生物器件，包括：衬底，所述衬底包括：源极区和漏极区；沟道区，设置在所述源极区和所述漏极区之间；主体区；和感测区，至少设置在所述沟道区和所述主体区之间；栅电极，至少设置在所述衬底的所述沟道区上或至少设置在所述衬底的所述沟道区之上；以及感测阱，至少邻近所述感测区设置。
本发明的另一实施例提供了一种生物器件，包括：衬底，所述衬底包括：沟道区；源极区和漏极区，分别设置在所述沟道区的相对两侧处；主体区，与所述沟道区分开；感测区，物理连接所述主体区与所述沟道区；以及栅电极；至少设置在所述沟道区上或至少设置在所述沟道区之上，其中，所述沟道区、所述源极区、所述漏极区和所述栅电极形成晶体管；以及感测阱，暴露所述感测区。
本发明的又一实施例提供了一种用于生物感测的方法，包括：提供生物器件，所述生物器件包括：衬底，所述衬底包括：源极区和漏极区；沟道区，设置在所述源极区和所述漏极区之间；主体区；和感测区，至少设置在所述沟道区和所述主体区之间；栅电极，至少设置在所述衬底的所述沟道区上或至少设置在所述衬底的所述沟道区之上；以及感测阱，至少邻近所述感测区设置；在所述感测区中形成耗尽区；将液体分析物设置在所述感测阱中；以及测量所述源极区和所述漏极区之间的阈值电压。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
图1A是根据一些实施例的生物器件的顶视图。
图1B是图1A的生物器件的衬底的顶视图。
图2是沿着图1A的线2-2获取的截面图。
图3是根据一些实施例的用于生物感测的方法的流程图。
图4A是当偏压应用于主体区时图2的生物器件的截面图。
图4B是当液体分析物设置在感测阱中时图2的生物器件的截面图。
图5是作为液体分析物的荷电容积的函数的图1A的生物器件的阈值电压的图。
图6A至图6C是根据一些实施例的衬底和感测阱的顶视图。
图7A是根据一些实施例的生物器件的顶视图。
图7B是图7A的衬底和感测阱的顶视图。
图8A是根据一些实施例的生物器件的顶视图。
图8B是图8A中的衬底和感测阱的顶视图。
图9是根据一些实施例的生物器件的截面图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。
根据各个示例性实施例，提供了生物器件和生物感测的方法。讨论了实施例的变化，贯穿各个视图和说明性实施例，相同的标号用于指示相同的元件。
图1A是根据一些实施例的生物器件的示意图。图1B是图1A的生物器件的衬底100的顶视图，以及图2是沿着图1A的线2-2获取的截面图。为了简化，栅极电介质170在图2中示出并且在图1A和图1B中省略。如图1A至图2所示，生物器件包括衬底100、栅电极200和感测阱300。衬底100包括源极区110、漏极区120、沟道区130、主体区140和感测区150。沟道区130设置在源极区110和漏极区120之间。感测区150至少设置在沟道区130和主体区140之间。栅电极200至少设置在衬底100的沟道区130上或之上。感测阱300至少邻近感测区150设置。换句话说，感测阱300暴露衬底100的感测区150，以及感测阱300与感测区150对准。感测阱300是用于检测生物分子的区域。
从另一角度，源极区110和漏极区120分别设置在沟道区130的相对两侧处。主体区140与沟道区130分开。感测区150物理连接主体区140与沟道区130，以及主体区140与沟道区130分别设置在感测区150的相对两侧处。栅电极200至少设置在沟道区130上或之上。
在图1A至图2中，栅电极200还设置在感测区150上，以及感测阱300设置在感测区150的下面。换句话说，感测区150设置在栅电极200和感测阱300之间，以及栅电极200和感测阱300分别设置在感测区150的相对两侧处。
以下段落结合如何使用生物器件以感测生物分子提供了详细解释。图3是根据一些实施例的用于生物感测的方法的流程图。为了清楚地描述，方法可以应用于但不限于图1A的生物器件。如操作S10所示，提供生物器件。在一些实施例中，提供图1A的生物器件。
随后，如操作S20所示，在感测区150中形成耗尽区，使得耗尽至少部分的感测区150。换句话说，至少部分的感测区150是耗尽区。本文中的“耗尽区”是导电和掺杂的半导体材料内的绝缘区，其中移动的电荷载流子已被驱赶走，或已经通过电场扩散掉。因此，保留在耗尽区中的元素是离子化的供体或受体杂质。
在一些实施例中，对感测区150实施等离子体处理以使感测区150耗尽。在一些其他实施例中，对感测区150实施离子注入工艺以使感测区150耗尽。可以在生物器件的制造期间实施等离子体处理和离子注入工艺，以及本发明的要求保护的范围不限制于该方面。
在又一些其他实施例中，对主体区140应用偏压以使感测区150耗尽。例如，偏压源160(见图2)可以电连接至主体区140。当不应用偏压时，感测区150可以是非耗尽区。当对主体区140应用偏压时，在感测区150中生成电场以及至少部分的感测区150耗尽。
例如，图4A是当偏压应用于主体区140时图2的生物器件的截面图。参照图1B和图4A。在图4A中，当对主体区140应用偏压时，几乎整个感测区150是耗尽区152。因此，不允许电流从主体区140流动至沟道区130。然而，在一些其他实施例中，耗尽区152可以占据感测区150的部分。基本上，如果至少部分的感测区150是耗尽区152，则实施例落在要求保护的范围内。
参考图1A至图3，如操作S30所示，液体分析物400设置在感测阱300内。液体分析物400包括可以结合至感测区150的靶分子。通过生物器件感测反应和结合的靶分子。在一些实施例中，液体分析物400包括生物分子，诸如单链脱氧核糖核酸(ssDNA)或单核苷酸多态性(SNP)。液体分析物400设置在感测阱300内。液体分析物400的分子可以是带电的生物分子，带电的生物分子然后移动靠近感测区150并且改变感测区150的电性能。
例如，图4B是当液体分析物400设置在感测阱300中时图2的生物器件的截面图。带电的生物分子可以改变感测区150的电场，以及因此相应地改变耗尽区152的耗尽行为。在图4B中，例如，减小耗尽区152以及在感测区150中形成沟道154。因此，电流可以从主体区140流动至沟道区130。
应该注意，在图4A和图4B中的耗尽区152的耗尽行为在感测区150中的变化是说明性的，并且不应限制本发明的要求保护的范围。在一些其他实施例中，当不存在液体分析物400时，可以在感测区150中形成沟道，以及当液体分析物400设置在(或填充在)感测阱300中时阻挡沟道。基本上，如果当液体分析物400设置在感测阱300中时耗尽区152的耗尽行为改变，则实施例落在本发明的要求保护的范围内。
参照图1A至图3。如操作S40所示，测量源极区110和漏极区120之间的阈值电压。具体地，源极区110、漏极区120、沟道区130和栅电极200可以形成晶体管T，以及晶体管T的阈值电压取决于沟道区130的电流。如上所述，由于液体分析物400改变感测区150的耗尽区152的耗尽行为，因此从主体区140流动至沟道区130的电流量根据液体分析物400的荷电生物分子的荷电程度而改变。因此，沟道区130中的电流相应地改变，影响晶体管T的阈值电压。因此，可以通过测量阈值电压感测液体分析物400的荷电分子。
如图1A至图3所示，液体分析物400可以改变感测区150中的耗尽区152的耗尽行为。因此，晶体管T的阈值电压相应地改变。由于耗尽区152的耗尽行为对液体分析物400的荷电性能是敏感的，所以可以提高图1A的生物器件的敏感性。此外，图1A中的源极区110、漏极区120、沟道区130和栅电极200可以形成开关(即，晶体管T)以控制生物器件的开/关状态。虽然传统的生物器件使用额外的开关以控制生物器件的开/关状态，但是图1A中的生物器件不连接至额外的开关，该额外的开关占据额外的区域，导致小的器件尺寸。因此，可以增加生物器件的密度。
应该注意，图3的流程图示出了示例性操作，但是它们可以不按示出的顺序实施。根据公开的实施例的精神和范围，操作可以被添加、替换和/或适当地改变顺序。
再次参照图1A，衬底100是半导体衬底。衬底100可以是硅衬底或晶圆。可选地，衬底100可以包括另一元素半导体，诸如锗(Ge)；化合物半导体，包括碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)和/或锑化铟(InSb)；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP；或它们的组合。在各个实施例中，衬底100是绝缘体上硅(SOI)衬底。
可以掺杂(诸如P型和N型)衬底100以形成源极区110、漏极区120、沟道区130、主体区140和感测区150。在一些实施例中，源极区110和漏极区120是N掺杂区，以及沟道区130、主体区140和感测区150是P掺杂区。因此，晶体管T是P沟道晶体管。在一些其他实施例中，源极区110和漏极区120是P掺杂区，以及沟道区130、主体区140和感测区150是N掺杂区。因此，晶体管T是N沟道晶体管。
在图2中，生物器件进一步包括设置在栅电极200和衬底100之间的栅极电介质170。栅极电介质170可以由氧化硅(SiOx)形成。在一些其他实施例中，栅极电介质170包括氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiON)、具有高介电常数(高k)的电介质和/或它们的组合。高k材料的实例包括硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪-氧化铝(HfO2-Al2O3)合金或它们的组合。
参照图1A和图1B。栅电极200、源极区110、漏极区120和沟道区130可以使用合适的CMOS工艺技术来形成。可以使用典型的CMOS工艺形成晶体管T，CMOS工艺诸如光刻；离子注入；扩散；沉积(包括物理汽相沉积(PVD)、金属蒸发或溅射、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)、常压化学汽相沉积(APCVD)、低压CVD(LPCVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、原子层CVD(ALCVD)、旋涂)；蚀刻(包括湿蚀刻、干蚀刻和等离子体蚀刻)和或其他合适的CMOS工艺。在一些实施例中，栅电极200由多晶硅制成。在一些其他实施例中，栅电极200包括金属栅电极，金属栅电极包括诸如Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au、合适的金属化合物(如TiN、TaN、NiSi、CoSi)或这些导电材料的组合的材料。
在图2中，可以通过埋氧(BOX)层310形成感测阱300。具体地，可以在衬底100的与栅电极200相对的一侧处设置埋氧层310，以及埋氧层310内部的开口形成感测阱300。在一些实施例中，埋氧层310是二氧化硅(SiO2)。
图5是作为液体分析物400的荷电容积的函数的图1A的生物器件的阈值电压的图。荷电容积是从液体分析物400结合在感测阱300处的等效电荷。荷电容积的单位是cm-2。以及阈值电压的单位是伏(V)。参照图1B、图4A和图5。如上所述，在一些实施例中，源极区110和漏极区120是N掺杂区，以及沟道区130、主体区140和感测区150是P掺杂区。负偏压(诸如约–2.5V)可以应用于主体区140以在感测区150中形成耗尽区152(如图4A所示)。在该情况下，从主体区140流动至沟道区130的电流几乎被耗尽区152阻挡，以及生物器件具有原始阈值电压Vot。
参照图1B、图4B和图5，当具有负电荷分子的液体分析物400设置在在感测阱300中时，负电荷生物分子可以靠近感测区150并且改变耗尽区152的耗尽行为。例如，耗尽区152的耗尽行为是较小耗尽的，以及沟道154形成在感测区150中以允许来自主体区140的电流通过。因此，增加了生物器件的阈值电压。此外，随着负电荷分子的荷电容积的增加，阈值电压增加。
在一些其他实施例中，液体分析物400可以具有正电荷生物分子，这导致感测区150的耗尽区152更多地耗尽。因此，来自主体区140的电流更难通过感测区150，以及阈值电压减小。此外，随着正电荷生物分子的荷电容积增加，阈值电压减小。因此，通过在感测区150中形成耗尽区152，液体分析物400中的荷电容积可以影响耗尽区152的耗尽行为以及因此被生物器件感测。
在一些实施例中，偏压源160是可调节的偏压源，其可以根据生物器件的敏感性来调节感测区150的耗尽行为。此外，尽管在图4A和图4B中，通过对主体区140应用负偏压形成耗尽区152，但是在一些其他实施例中，可以使用等离子体处理或离子注入工艺来形成耗尽区152。基本上，如果耗尽区152形成在感测区150中并且根据液体分析物400的荷电容积改变耗尽区152的耗尽行为，那么实施例落在要求保护的范围内。
再次参照图1B和图2，如上所述，在一些其他实施例中，源极区110和漏极区120是P掺杂区，以及沟道区130、主体区140和感测区150是N掺杂区。正偏压(诸如约+2.5V)可以应用于主体区140以在感测区150中形成耗尽区。在该情况下，生物器件具有另一原始阈值电压。
当液体分析物400设置在感测阱300中时，改变耗尽区的耗尽行为。在一些实施例中，随着负电荷生物分子的荷电容积增加，阈值电压减小，以及随着正电荷生物分子的荷电容积增加，阈值电压增加。同样，在一些其他实施例中，可以使用等离子体处理或离子注入工艺来形成耗尽区。
参照图1A至图2，在上述实施例中，可以在衬底100的感测区150中形成耗尽区。当液体分析物400设置在在感测阱300中时，其中的荷电生物分子可以影响耗尽区的耗尽行为，从而影响晶体管T的阈值电压。此外，根据荷电生物分子的荷电容积和电荷类型(正或负电荷)改变阈值电压。因此，通过测量阈值电压，可以识别荷电生物分子的荷电容积和电荷类型。
在图1B中，感测区150进一步设置在源极区110和主体区140之间以及漏极区120和主体区140之间。换句话说，源极区110和主体区140分别设置在感测区150的相对两侧处，以及漏极区120和主体区140分别设置在感测区150的相对两侧处。因此，感测区150和沟道区130形成T型图。感测阱300设置在感测区150的位于沟道区130和主体区140之间的部分的下面。然而，感测阱300的尺寸和位置不限制于该方面。
图6A至图6C是根据一些实施例的衬底100和感测阱300的顶视图。在图6A中，感测阱300设置在感测区150下面，或感测阱300邻近感测区150设置。感测阱300暴露感测区150。在图6B中，感测阱300进一步设置在沟道区130的下面，或感测阱300邻近沟道区130设置。即，感测阱300设置在感测区150和沟道区130下面，或感测阱300邻近感测区150和沟道区130设置。感测阱300暴露感测区150和沟道区130。在图6C中，感测阱300进一步设置在源极区110和漏极区120下面或邻近源极区110和漏极区120设置。即，感测阱300设置在感测区150、沟道区130、源极区110和漏极区120下面，或感测阱300邻近感测区150、沟道区130、源极区110和漏极区120设置。感测阱300暴露感测区150、沟道区130、源极区110和漏极区120。在一些其他实施例中，感测阱300设置在感测区150、沟道区130、源极区110和/或漏极区120下面，或感测阱300邻近感测区150、沟道区130、源极区110和/或漏极区120设置。基本上，如果感测阱300至少邻近感测区150设置，则实施例落在要求保护的范围内。
参照图1A至图1B。在图1A至图1B中，感测区150和沟道区130形成T型图。因此，栅电极200是T型的。然而，感测区150、沟道区130和栅电极200的形状不限制于该方面。图7A是根据一些实施例的生物器件的顶视图。以及图7B是图7A中的衬底100和感测阱300的顶视图。为了简化，在图7A中省略了栅极电介质170(见图2)。在图7A和图7B中，感测区150和沟道区130形成I型图。因此，栅电极200是I型的。感测阱300设置在感测区150下面。然而，在一些其他实施例中，感测区150可以延伸至沟道区130，甚至延伸至源极区110和/或漏极区120。
图8A是根据一些实施例的生物器件的顶视图，以及图8B是图8A中的衬底100和感测阱300的顶视图。为了简化，在图8A中省略了栅极电介质170(见图2)。在图8A和图8B中，存在两个感测区150、两个主体区140和两个感测阱300。沟道区130设置在感测区150的两个之间，以及两个感测区150分别设置在两个主体区140和沟道区130之间。两个感测区150和沟道区130形成H型图。因此，栅电极200是H型的。感测阱300分别设置在两个感测区150的下面。然而，在一些其他实施例中，感测区150可以分别延伸至沟道区130，甚至延伸至源极区110和/或漏极区120。可选择地，两个感测阱300可以合并。
图9是根据一些实施例的生物器件的截面图。图9的截面图位置与图2的截面图位置相同。在图9中，感测阱300和栅电极200设置在衬底100上。感测阱300设置在感测区150上，以及栅电极设置在沟道区130上。图9中的生物器件的的其他相关结构细节与图2中的生物器件类似，以及因此后文中将不重复该方面的描述。
应当理解，以上提到的生物器件的实施例提供为实例，并不旨在限制。在可选实施例中，取决于实际条件和制造问题，在与本发明的精神一致的情况下，生物器件可以具有不同的配置。
在上述实施例中，可以在衬底的感测区中形成耗尽区。当液体分析物设置在感测阱中时，液体分析物中的荷电生物分子可以影响耗尽区的耗尽行为，从而影响晶体管的阈值电压。此外，阈值电压根据荷电生物分子的荷电容积和电荷类型而改变。因此，通过测量阈值电压，可以识别荷电生物分子的荷电容积和电荷类型。由于耗尽区的耗尽行为对液体分析物中的荷电性能是敏感的，因此，可以提高生物器件的敏感性。此外，晶体管的源极区、漏极区和沟道区可以形成开关以控制生物器件的开/关状态。在其他实施例中，生物器件不连接至占据额外的区域的额外的开关，导致小的器件尺寸。因此，可以增加生物器件的密度。
本发明的一个方面是提供包括衬底、栅电极和感测阱的生物器件。衬底包括源极区、漏极区、沟道区、主体区和感测区。沟道区设置在源极区和漏极区之间。感测区至少设置在沟道区和主体区之间。栅电极至少设置在衬底的沟道区上或之上。感测阱至少邻近感测区设置。
在上述生物器件中，还包括电连接至所述主体区的偏压源。
在上述生物器件中，还包括电连接至所述主体区的偏压源，其中，所述偏压源是可调节的偏压源。
在上述生物器件中，其中，所述感测阱还设置在所述沟道区的下面。
在上述生物器件中，其中，所述感测阱还设置在所述源极区和所述漏极区的下面。
在上述生物器件中，其中，所述感测区还设置在所述源极区和和所述主体区之间以及设置在所述漏极区和所述主体区之间。
在上述生物器件中，其中，所述沟道区设置在所述感测区的两个之间，以及两个感测区分别设置在所述主体区的两个和所述沟道区之间。
在上述生物器件中，其中，所述栅电极是T型的、I型的或H型的。
在上述生物器件中，其中，所述栅电极还设置在所述感测区上，以及所述感测阱设置在所述感测区下面。
在上述生物器件中，其中，所述感测阱设置在所述感测区上。
本发明的另一方面是提供包括衬底、栅电极和感测阱的生物器件。衬底包括沟道区、源极区、漏极区、主体区和感测区。源极区和漏极区分别设置在沟道区的相对两侧处。主体区与沟道区分开。感测区物理连接主体区与沟道区。栅电极至少设置在沟道区上或之上。沟道区、源极区、漏极区和栅电极形成晶体管。感测阱暴露感测区。
在上述生物器件中，其中，所述感测区是耗尽区。
本发明的又另一方面是提供用于生物感测的方法，包括提供生物器件。生物器件包括衬底、栅电极和感测阱。衬底包括源极区、漏极区、沟道区、主体区和感测区。沟道区设置在源极区和漏极区之间。感测区至少设置在沟道区和主体区之间。栅电极至少设置在衬底的沟道区上或之上。感测阱至少邻近感测区设置。在感测区中形成耗尽区。液体分析物设置在感测区中。测量源极区和漏极区之间的阈值电压。
在上述方法中，其中，通过对所述主体区应用偏压来形成所述耗尽区。
在上述方法中，其中，通过对所述主体区应用偏压来形成所述耗尽区，所述偏压是负偏压。
在上述方法中，其中，通过对所述主体区应用偏压来形成所述耗尽区，所述偏压是正偏压。
在上述方法中，其中，通过对所述感测区实施等离子体处理来形成所述耗尽区。
在上述方法中，其中，通过对所述感测区实施离子注入工艺来形成所述耗尽区。
在上述方法中，其中，所述源极区和所述漏极区由N掺杂的材料形成，以及所述沟道区、所述主体区和所述感测区由P掺杂的材料形成。
在上述方法中，其中，所述源极区和所述漏极区由P掺杂的材料形成，以及所述沟道区、所述主体区和所述感测区由N掺杂的材料形成。
上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种生物器件，包括：
衬底，所述衬底包括：
源极区和漏极区；
沟道区，设置在所述源极区和所述漏极区之间；
主体区；和
感测区，至少设置在所述沟道区和所述主体区之间；
栅电极，至少设置在所述衬底的所述沟道区上或至少设置在所述衬底的所述沟道区之上；以及
感测阱，至少邻近所述感测区设置。
2.根据权利要求1所述的生物器件，还包括电连接至所述主体区的偏压源。
3.根据权利要求2所述的生物器件，其中，所述偏压源是可调节的偏压源。
4.根据权利要求1所述的生物器件，其中，所述感测阱还设置在所述沟道区的下面。
5.根据权利要求1所述的生物器件，其中，所述感测阱还设置在所述源极区和所述漏极区的下面。
6.根据权利要求1所述的生物器件，其中，所述感测区还设置在所述源极区和和所述主体区之间以及设置在所述漏极区和所述主体区之间。
7.根据权利要求1所述的生物器件，其中，所述沟道区设置在所述感测区的两个之间，以及两个感测区分别设置在所述主体区的两个和所述沟道区之间。
8.根据权利要求1所述的生物器件，其中，所述栅电极是T型的、I型的或H型的。
9.一种生物器件，包括：
衬底，所述衬底包括：
沟道区；
源极区和漏极区，分别设置在所述沟道区的相对两侧处；
主体区，与所述沟道区分开；
感测区，物理连接所述主体区与所述沟道区；以及
栅电极；至少设置在所述沟道区上或至少设置在所述沟道区之上，其中，所述沟道区、所述源极区、所述漏极区和所述栅电极形成晶体管；以及
感测阱，暴露所述感测区。
10.一种用于生物感测的方法，包括：
提供生物器件，所述生物器件包括：
衬底，所述衬底包括：
源极区和漏极区；
沟道区，设置在所述源极区和所述漏极区之间；
主体区；和
感测区，至少设置在所述沟道区和所述主体区之间；
栅电极，至少设置在所述衬底的所述沟道区上或至少设置在所述衬底的所述沟道区之上；以及
感测阱，至少邻近所述感测区设置；
在所述感测区中形成耗尽区；
将液体分析物设置在所述感测阱中；以及
测量所述源极区和所述漏极区之间的阈值电压。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111521662A (zh) * 2020-04-23 2020-08-11 浙江大学 一种传感芯片及其制造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210239688A1 (en) * 2020-01-30 2021-08-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensor System with Integrated Microneedle

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4180771A (en) * 1977-12-02 1979-12-25 Airco, Inc. Chemical-sensitive field-effect transistor
CN101728276A (zh) * 2008-10-24 2010-06-09 株式会社半导体能源研究所 半导体装置的制造方法
CN101764091A (zh) * 2008-12-25 2010-06-30 株式会社半导体能源研究所 半导体设备及其制造方法
CN101847631A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 株式会社半导体能源研究所 半导体装置、显示装置及电子设备
CN101859799A (zh) * 2009-04-02 2010-10-13 株式会社半导体能源研究所 半导体装置及该半导体装置的制造方法
CN101901838A (zh) * 2009-05-29 2010-12-01 株式会社半导体能源研究所 半导体装置及该半导体装置的制造方法
CN102257621A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 株式会社半导体能源研究所 晶体管的制造方法
CN103091368A (zh) * 2011-10-31 2013-05-08 台湾积体电路制造股份有限公司 兼容BioFET的CMOS
KR101287445B1 (ko) * 2009-10-06 2013-07-19 한국전자통신연구원 바이오 센서 어레이 소자 및 그 제작 방법과 바이오 센서 칩 및 그 제작 방법
CN103399071A (zh) * 2013-07-29 2013-11-20 山东师范大学 一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检测方法
CN104049021A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 台湾积体电路制造股份有限公司 具有增大的感测面积的biofet
CN104078512A (zh) * 2008-10-24 2014-10-01 株式会社半导体能源研究所 半导体器件及其制造方法
CN104212711A (zh) * 2014-04-08 2014-12-17 张世理 电子传感器及基于电子传感器的基因探测方法

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5702981A (en) 1995-09-29 1997-12-30 Maniar; Papu D. Method for forming a via in a semiconductor device
WO2000033065A1 (en) * 1998-12-02 2000-06-08 Ut-Battelle, Llc In vivo biosensor apparatus and method of use
US6628982B1 (en) 2000-03-30 2003-09-30 The Regents Of The University Of Michigan Internal marker device for identification of biological substances
US7306924B2 (en) 2000-04-17 2007-12-11 Purdue Research Foundation Biosensor and related method
US7060510B2 (en) 2000-08-15 2006-06-13 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Electronic and optoelectronic devices and methods for preparing same
AU2002307152A1 (en) 2001-04-06 2002-10-21 California Institute Of Technology Nucleic acid amplification utilizing microfluidic devices
DE10163557B4 (de) 2001-12-21 2007-12-06 Forschungszentrum Jülich GmbH Transistorbasierter Sensor mit besonders ausgestalteter Gateelektrode zur hochempfindlichen Detektion von Analyten
US7955559B2 (en) 2005-11-15 2011-06-07 Nanomix, Inc. Nanoelectronic electrochemical test device
KR100886972B1 (ko) * 2002-08-01 2009-03-04 하이디스 테크놀로지 주식회사 엑스레이 영상 감지소자 및 그 제조방법
US7291568B2 (en) * 2003-08-26 2007-11-06 International Business Machines Corporation Method for fabricating a nitrided silicon-oxide gate dielectric
US7399400B2 (en) 2003-09-30 2008-07-15 Nano-Proprietary, Inc. Nanobiosensor and carbon nanotube thin film transistors
JP4065855B2 (ja) * 2004-01-21 2008-03-26 株式会社日立製作所 生体および化学試料検査装置
EP1804054B1 (en) 2005-12-30 2008-04-23 CRF Societa'Consortile per Azioni Chemical biological device for display and light emission
CA2651108C (en) 2006-05-03 2013-10-22 Schlumberger Canada Limited Downhole micro magnetic resonance analyzer
JP4777159B2 (ja) 2006-06-26 2011-09-21 キヤノン株式会社 デュアルゲート型センサ
TW200902130A (en) 2007-07-13 2009-01-16 Ensky Technology Co Ltd Life like system, apparatus and method therefor
JP4966153B2 (ja) 2007-10-05 2012-07-04 株式会社東芝 電界効果トランジスタおよびその製造方法
US8007727B2 (en) 2008-05-30 2011-08-30 Intel Corporation Virtual semiconductor nanowire, and methods of using same
FR2952183A1 (fr) 2009-10-30 2011-05-06 St Microelectronics Crolles 2 Detecteur de matiere biologique ou chimique et matrice de detecteurs correspondante
US8420328B2 (en) 2010-05-12 2013-04-16 Academia Sinica Reusable nanowire field effect transistor system for detecting biomolecular interactions
US8519490B2 (en) 2010-08-09 2013-08-27 Omnivision Technologies, Inc. Backside stimulated sensor with background current manipulation
US8557643B2 (en) 2011-10-03 2013-10-15 International Business Machines Corporation Transistor device with reduced gate resistance
US9689835B2 (en) * 2011-10-31 2017-06-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Amplified dual-gate bio field effect transistor
US8728844B1 (en) 2012-12-05 2014-05-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside CMOS compatible bioFET with no plasma induced damage
US8871549B2 (en) 2013-02-14 2014-10-28 International Business Machines Corporation Biological and chemical sensors
US20140264468A1 (en) 2013-03-14 2014-09-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biofet with increased sensing area
US9389199B2 (en) 2013-03-14 2016-07-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside sensing bioFET with enhanced performance
US9023674B2 (en) 2013-09-20 2015-05-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensing well array with protective layer

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4180771A (en) * 1977-12-02 1979-12-25 Airco, Inc. Chemical-sensitive field-effect transistor
CN101728276A (zh) * 2008-10-24 2010-06-09 株式会社半导体能源研究所 半导体装置的制造方法
CN104078512A (zh) * 2008-10-24 2014-10-01 株式会社半导体能源研究所 半导体器件及其制造方法
CN102257621A (zh) * 2008-12-19 2011-11-23 株式会社半导体能源研究所 晶体管的制造方法
CN101764091A (zh) * 2008-12-25 2010-06-30 株式会社半导体能源研究所 半导体设备及其制造方法
CN101847631A (zh) * 2009-03-27 2010-09-29 株式会社半导体能源研究所 半导体装置、显示装置及电子设备
CN101859799A (zh) * 2009-04-02 2010-10-13 株式会社半导体能源研究所 半导体装置及该半导体装置的制造方法
CN101901838A (zh) * 2009-05-29 2010-12-01 株式会社半导体能源研究所 半导体装置及该半导体装置的制造方法
KR101287445B1 (ko) * 2009-10-06 2013-07-19 한국전자통신연구원 바이오 센서 어레이 소자 및 그 제작 방법과 바이오 센서 칩 및 그 제작 방법
CN103091368A (zh) * 2011-10-31 2013-05-08 台湾积体电路制造股份有限公司 兼容BioFET的CMOS
CN104049021A (zh) * 2013-03-14 2014-09-17 台湾积体电路制造股份有限公司 具有增大的感测面积的biofet
CN103399071A (zh) * 2013-07-29 2013-11-20 山东师范大学 一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检测方法
CN104212711A (zh) * 2014-04-08 2014-12-17 张世理 电子传感器及基于电子传感器的基因探测方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111521662A (zh) * 2020-04-23 2020-08-11 浙江大学 一种传感芯片及其制造方法

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