CN109142443A - 测定生物分子特征的半导体装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种测定生物分子特征的半导体装置。一种半导体装置包含电路层及纳米孔层。所述纳米孔层形成于所述电路层上且形成有穿过其的孔。所述电路层包含电路单元，所述电路单元经配置以驱动生物分子穿过所述孔且检测与所述纳米孔层的电阻相关联的电流，借此可使用由所述电路单元检测到的所述电流来测定所述生物分子的特征。

Description

测定生物分子特征的半导体装置

技术领域

本揭露实施例中所描述的技术一般来说涉及微机电系统(MEMS)的微流体施加。

背景技术

纳米孔定序为用于测定生物分子(例如，核糖核酸(RNA)、脱氧核糖核酸(DNA)链、毒素等)的一或多个特征的技术。生物分子定序装置能够识别例如核苷酸碱基序列/呈现的特征以便表征DNA链。在纳米孔定序中，DNA链(举例来说)悬浮在溶液中且经驱动穿过纳米孔装置中的孔。当DNA链通过孔时，纳米孔装置的电特征(例如，电阻、所感测电流或所感测电压)随着DNA链的不同核苷酸碱基(即，腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)及胸腺嘧啶(T))通过孔而以确定性方式变化。研究展示，DNA序列的变化与疾病范围(例如癌症、心血管疾病及免疫系统疾病)相关联。因此，重要的是，在纳米孔定序期间准确地测量纳米孔装置的特征以便准确地表征DNA链。

发明内容

本发明的实施例涉及一种包括至少一个半导体装置的生物分子感测装置，每一半导体装置包含：半导体电路层；及纳米孔层，其放置于所述电路层上面且通过半导体装置绕线耦合到所述电路层内的电路单元，所述纳米孔层具有穿过其的纳米孔，其中所述电路单元经配置以驱动生物分子穿过所述孔且所述电路单元经配置以检测与所述纳米孔层的电阻或电容相关联的电流，借此可使用由所述电路单元检测到的所述电流来测定所述生物分子的特征。

本发明的实施例涉及一种制造半导体装置的方法，所述方法包括：形成电路层；在电路层上面放置未成形纳米孔层；将所述纳米孔层电耦合到所述电路层；及使用所述电路层将成形电压施加到所述纳米孔层，借此使所述纳米孔层成形。

本发明的实施例涉及一种方法，其包括：用化学溶液填充经形成穿过半导体集成电路层的室；及使得所述电路层的电路能够将生物分子从所述室驱动穿过放置于所述电路层上的纳米孔层中的孔。

附图说明

当借助附图阅读时，从以下详细说明最佳地理解本揭露实施例的方面。应注意，根据工业中的标准实践，各种构件未按比例绘制。实际上，为论述清晰起见，可任意地增加或减小各种构件的尺寸。

图1A是根据一些实施例的具有生物分子传感器阵列的示范性微流体装置的示意性图解说明。

图1B是根据一些实施例的基于半导体的生物分子传感器装置的横截面视图，其图解说明与集成电路集成在一起的纳米孔装置的各个方面。

图1C是根据一些实施例的示范性基于半导体的生物分子传感器装置的示意性俯视图图解说明。

图1D图解说明根据一些实施例的与基于半导体的生物分子传感器装置集成在一起的集成电路的方面。

图2A是图解说明根据一些实施例的连接到电极层的示范性第一电路的功能框图。

图2B图解说明根据一些实施例的对纳米孔的脉冲形成的电流响应。

图3A是图解说明根据一些实施例的示范性驱动模块的功能框图。

图3B是图解说明根据一些实施例的示范性电流/电压转换器的功能框图。

图3C是图解说明根据一些实施例的示范性孔形成模块的功能框图。

图4是图解说明根据一些实施例的连接到电极层的示范性第二电路的功能框图。

图5是图解说明根据一些实施例的示范性感测模块的功能框图。

图6是图解说明根据一些实施例的具有集成式纳米孔层的示范性半导体装置的横截面视图。

图7是图解说明根据一些实施例的制造半导体装置的示范性方法的流程图。

图8A到8U是图解说明根据一些实施例的在各个制造阶段的示范性半导体装置的横截面视图。

图9是图解说明根据一些实施例的测定生物分子特征的示范性方法的流程图。

图10是图解说明根据一些实施例的示范性半导体装置的横截面视图。

图11是图解说明根据一些实施例的示范性第三电路的功能框图。

图12是图解说明根据一些实施例的示范性第四电路的功能框图。

图13是图解说明根据一些实施例的测定生物分子特征的示范性方法的流程图。

图14图解说明根据一些实施例的示范性纳米孔单元阵列。

图15图解说明根据一些实施例的用于控制基于半导体的生物分子传感器装置阵列的集成电路的示意图。

图16A是图解说明根据一些实施例的基于半导体的生物分子传感器装置的各个方面的横截面视图。

图16B是图解说明根据一些实施例的基于半导体的生物分子传感器装置的各个方面的俯视图。

图16C是图解说明根据一些实施例的基于半导体的生物分子传感器装置阵列的各个方面的俯视图。

图17是图解说明根据一些实施例的形成纳米孔的示范性方法的流程图。

具体实施方式

以下揭露实施例提供用于实施本发明实施例的不同构件的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的具体实例以简化本揭露实施例。当然，这些仅仅为实例且不打算为限制性的。举例来说，在以下说明中第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中第一构件与第二构件直接接触地形成的实施例，且还可包含其中额外构件可形成于第一构件与第二构件之间使得第一构件与第二构件可不直接接触的实施例。另外，本揭露实施例可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是出于简单及清晰目的且本身不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

此外，为了便于说明，可在本文中使用空间相关术语(例如“下方”、“下面”、“下部”、“上面”、“上部”等)来描述一个元件或构件与另一(些)元件或构件的关系，如各图中所图解说明。所述空间相关术语打算囊括除各图中所描绘的定向之外的在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)且因此可同样地解释本文中所使用的空间相关叙词。

生物分子的纳米孔定序涉及使生物分子通过纳米孔装置的纳米孔，且感测在所述生物分子通过所述纳米孔时所述纳米孔装置的改变。纳米孔定序装置包含感测组件(通常为纳米孔装置)及定序组件(其可为外部电路)。所述外部电路控制电压跨越纳米孔装置的施加。所述外部电路还感测当生物分子通过纳米孔装置的纳米孔时感测组件的机电特征的响应式改变。可借助通过电极导线耦合到远程定序装置的感测装置(例如，纳米孔装置)执行纳米孔定序。当感测到纳米孔装置的机电特征的变化时，形成与电流或电压改变相关联的模拟信号。所述模拟信号因此表示纳米孔装置的机电特征及因此通过纳米孔的生物分子的特征的变化。但当机电装置变得愈来愈小(例如，按微米、纳米或皮米尺度)时，所检测电流或电压的改变较小，且愈来愈易受所引入噪声影响。然而，描述纳米孔装置的机电特征的变化的模拟信号必须准确地传达到感测电路以便准确地表征通过纳米孔的生物分子。

电线通常用于将纳米孔传感器装置耦合到生物分子表征装置(其可为生物分子检测装置，举例来说)。但可跨越电极导线产生所耦合噪声及寄生电容，借此使信号失真。因此，较长电极导线引入比较短电极导线多的噪声，且通过感测机电改变而获得的生物分子序列可由于导线所引入的噪声及失真而变得不准确。因此，通过在直接耦合到纳米孔传感器的半导体集成电路层中形成感测电路，可由原位(in situ)形成的集成电路将所感测信号转换为数字形式。可然后将数字信号发射到芯片外而不担心在长距离内影响所感测信号的所引入噪声及失真，只要噪声电平低得足以区分二进制高(例如，1或0)与二进制低(例如，0或1)。

而且，传统上，通过电子束离子铣削而形成半导体纳米孔。电子束离子铣削的成本及吞吐量在使装置商业化时呈现巨大障碍，且增加安置具有预形成纳米孔的纳米孔装置使得经形成纳米孔适当地座落的复杂度。为了使纳米孔装置适当地座落，可需要精确地安置纳米孔装置中的纳米孔使得纳米孔与半导体装置的两个室之间的孔洞同轴。以此方式，纳米孔装置可用作覆盖将两个填充溶液的室分开的孔洞的薄膜。以此方式，分子可通过纳米孔从一个室渡越到另一室。此半导体装置还可具有直接耦合到纳米孔装置的集成电路，所述集成电路包含孔形成电路使得不需要预形成纳米孔装置而是替代地可原位形成纳米孔装置。因此，直接耦合到半导体装置的纳米孔装置通过以下方式最小化噪声及失真两者：最小化纳米孔装置与对应感测电路之间的导电路径的长度，同时还允许纳米孔形成于在适当位置中的纳米孔装置中，精确地在正确位置中。而且，根据本揭露实施例的形成于与集成式半导体电路耦合的纳米孔装置中的纳米孔形成两个可测量信号路径，如下文所描述，所述两个可测量信号路径载运可经比较以增加检测准确度的两个信号。举例来说，如下文进一步描述，在纳米孔装置为液体门控的2D晶体管的情况下，第一电流通过纳米孔，即，在其中浸没有纳米孔装置的溶液中，而第二电流流动穿过纳米孔装置自身。基于纳米孔的大小及生物分子在纳米孔内的存在而部分地测定每一电流。以此方式，两个电流确定性地受生物分子的存在影响。当生物分子的不同方面通过纳米孔(每一方面具有对纳米孔的RC特征的唯一效应)时，每一电流与改变RC特征成比例地变化。

图1A到1C图解说明微流体芯片196的各种实施例的各个方面。图1A是生物分子感测装置的各个方面的图解说明，所述生物分子感测装置包含与放置于微流体芯片196中的控制电路110A集成在一起的半导体装置100的阵列180。图1B是半导体装置100的横截面视图，其图解说明具有集成式纳米孔装置140的示范性半导体装置100的方面。在实施例中，半导体装置100用作生物分子检测装置中的生物分子感测单元。图1C是图解说明具有集成式纳米孔装置140的示范性半导体装置100的方面的俯视图。图1D图解说明示范性生物分子感测装置(例如，装置100)的电路的方面。在实施例中，微流体芯片196用作生物分子检测装置。

微流体装置(例如，微流体芯片196)为在将工作流体以几何方式约束到小(通常为微米)或更小尺度时处理对此类流体的精确控制及操纵的装置。在一些应用中，微流体通道采用无源流体控制技术(例如，毛细管力)来控制流体(例如，工作流体)的移动。在其它应用中，微流体应用应用有源微流体组件(包含微型泵及微型阀，例如195A或195B)以控制工作流体的移动及流动方向。其它示范性微流体结构包含微型气动系统以便处置施加到界面的外部流体到微流体系统的各个方面的递送。此类微流体结构协调且控制小体积的工作流体(例如，小到纳升或皮升)遍及此系统的移动。微流体芯片(例如，196)为经蚀刻或模制到材料(玻璃、硅或聚合物，例如聚二甲硅氧烷(PolyDimethylSiloxane，PDMS))中的微通道集合。形成微流体芯片的微通道(例如，194)连接在一起以便实现所要特征(混合、泵送、挑选或控制流体环境，例如，生物化学环境)。将微流体芯片连接到外部环境的输入及输出(例如，192)通过刺穿芯片而形成以形成通往宏观世界的界面。通过这些小孔，注入流体(或气体)且从微流体芯片移除流体(或气体)(例如，通过管件、注入器、注射器适配器、棉芯或通过其它无源或有源构件)。在纳米尺度下，微流体可被称为纳米流体。

MEMS的最一般形式为通过采用微制作技术而制成且集成电元件与机械元件的微型化装置、结构或系统。MEMS为通过微制作技术形成的装置，例如纳米孔层140。MEMS为用于描述显微镜装置及制作此类装置(其可介于从数百微米低到纳米尺度的尺寸范围内)的方法的广义术语，其中MEMS囊括纳米机电系统(NEMS)。MEMS的应用是在可与微流体系统集成在一起的微型传感器(例如，半导体装置100)中，所述微型传感器能够检测目标物质在小(微升或更小)体积的液体中的存在。

可使用半导体装置(例如半导体装置100)或半导体装置100的阵列180来测定生物分子的特征。一个半导体装置100或半导体装置100的阵列180放置于微流体芯片196中。微流体芯片196包含一或多个微通道194，从而将一或多个输入192耦合到一或多个微通道194以用于将小体积的工作流体载运到一或多个半导体装置100的阵列180。工作流体包含提供到半导体装置100的各种第一室130A或第二室130B的电解溶液。工作流体还可将一或多个生物分子从输入192载运到一或多个半导体装置100室130A、130B。半导体装置阵列180(其可仅为单个装置100)中的每一半导体装置100经由信号载运导体或互连件111耦合到一或多个半导体电路110A(然而图1A仅图解说明单个半导体电路110A，应理解，电路110A可为分别耦合到阵列180中的多个半导体装置的多个相异电路，或电路110A可放置于单个半导体层110中且包括与半导体装置100中的每一者相关联的多个子电路，或半导体电路110A可为用于控制阵列180中的每一半导体装置100的单个电路)。电路层110可形成于晶片(例如，晶片630)上。

在测定生物分子的特征(例如，DNA链的核苷酸碱基的序列/次序)中，用(例如)通过微通道194A或194B提供的化学溶液填充半导体装置100的第一室130A及第二室130B。举例来说，经由微通道194A将DNA链在化学溶液中提供到第一室130A。提供到第一室130A的流体可通过控制液体到第一室130A中的转移的微型阀195A，或者，省略微型阀195A且微流体芯片中的其它结构(未图解说明)控制液体穿过微通道194A的流动。接下来，由感测装置(例如，形成于半导体层110中的CMOS控制电路110A)通过纳米孔装置140中的孔140A将DNA链(未特定地图解说明)从第一室130A以电泳方式驱动到第二室130B。当DNA链通过孔140A时检测DNA链的一或多个特征。

电泳是指致使粒子在所施加电场的影响下迁移穿过稳定介质，如溶液。所施加电场可由经浸没电极(例如，电极150A、620)提供。在一个实例中，将一对电极150A、620插入到含纳于相应第一室130A及第二室130B中的化学溶液中且感测装置(例如，电路110A)跨越电极150A、620施加驱动电压。当DNA链通过孔140A时，感测装置(例如，电路110A)检测穿过电极150A、620(其通过化学溶液电连接，从而形成电路回路155，如图1D中所图解说明)的驱动电流。所检测到的驱动电流为相关联驱动电压及纳米孔装置140的RC特征的对应改变(例如，R_pore或C_pore的改变)的函数，其中已知不同生物分子(例如，核苷酸碱基(A、T、C、G))在其通过纳米孔时具有对纳米孔装置的RC特征的不同确定性效应。举例来说，可通过测定纳米孔的电阻的改变从而感测由感测装置检测到的驱动电流的改变来识别DNA序列。感测装置(例如)可使用集成电路(例如，110A1)感测电流的此些改变。

本揭露的实施例通过使纳米孔生物传感器装置与包含感测电路(例如，110A1)的半导体集成电路(例如，硅CMOS技术)耦合而解决已知方法的缺陷。可通过用于在半导体装置的半导体层(例如，110)内形成集成电路的适合半导体制造过程来形成此感测电路。半导体过程包含形成半导体装置以支撑纳米孔装置，例如，纳米孔层140。使用已知微机电系统(MEMS)技术形成纳米孔层(例如，140)且将所述纳米孔层放置于半导体装置(例如，100)上。

在实施例中，将纳米孔装置140耦合到半导体层110上，或耦合到形成于半导体层110上方的绝缘体层182上。集成电路层110具有经配置以跨越纳米孔层(例如，140)感测电流及电压(例如，i_B或V_B)的改变的集成电路(例如，110A、110A1)。以此方式，最小化将纳米孔装置耦合到感测电路的导体的长度且减少噪声。集成式感测电路110A1将所感测模拟信号(例如，i_B)转换为数字字以用于经由输出198发射到外部生物分子表征装置。既然所有电组件与纳米孔传感器装置(例如)集成在一起，由于消除在长互连导线或导体使感测装置与其对应感测电子器件耦合时招致的噪声而极大地改进SNR。此生物分子感测装置(例如，半导体装置100)因此经配置以检测传感器电流或电压的变化且将所述变化编码成发射到表征装置以便检测特定生物分子的数字信号。

当生物分子通过纳米孔时，由传感器电路感测生物分子的方面，所述传感器电路包含通过纳米孔140A的电解流体，或包含纳米孔装置140。已知基于半导体的或有机纳米孔装置通常具有基本上比定为检测的目标的单个生物分子大的厚度，且因此具有用于感测生物分子(例如，核苷酸)的方面的低分辨率。然而，可利用2D晶体管(例如，石墨烯纳米带)作为纳米孔装置140。此2D晶体管可具有大约核苷酸的厚度，且因此能够以经增强准确度解析个别核苷酸。

因此，2D晶体管纳米孔层(例如，140)经放置在半导体装置100的表面上且通过互连件111耦合到形成于纳米孔层下面的集成电路层110。如下文进一步描述，当电压施加在与放置于半导体装置上且电耦合到半导体装置的2D晶体管(例如，140)的相对表面接触的溶液之间时，2D晶体管可(举例来说)使电流在耦合到纳米孔层的两个电极之间通过。施加此电压可被称为对此2D晶体管进行液体门控。施加到室130A及130B中的溶液的电压像门信号一样起作用，从而导致沿着2D晶体管长度的导电(例如，i_T垂直于i_B而流动)。

半导体装置100及纳米孔140经放置于流体室130中的溶液内，使得纳米孔层将流体室130分离成在纳米孔层上面的部分130A及在纳米孔层下面的部分130B。以此方式，上部部分及下部部分由纳米孔装置140分开同时允许生物分子穿过纳米孔140A在室之间通过。以此方式，所得流体室130包含在纳米孔层上面的部分130A及在纳米孔层下面的部分130B以及由纳米孔140A自身界定的相对小部分。流体室含有使生物分子悬浮的溶液。在实施例中，偏置电压(例如，V_B)施加在纳米孔装置上面的部分130A中的溶液与纳米孔装置下面的部分130B中的溶液之间。当生物分子通过孔140A时，通过纳米孔140A的电流(i_B)随着目标分子的不同部分通过纳米孔142A而改变。举例来说，DNA链的不同核苷酸可在其通过纳米孔时改变由电流i_B遇到的电阻。通过生物分子还更改此液体门控的2D晶体管140的源极到漏极RC特征，借此更改垂直于i_B通过纳米孔装置(即，穿过2D晶体管)的电流i_T。

在实施例中，装置100还通过允许原位(即，适当位置中)纳米孔140A形成而消除对传统电子束离子铣削的需要。也就是说，未成形纳米孔装置(例如，此2D石墨烯纳米带晶体管)可放置于半导体装置(例如，100)上且耦合到与集成电路的部分(例如110A、110A1)集成在一起的金属接点(例如，150B、150C)。然后，可通过在2D晶体管(例如，140)中形成纳米孔(例如，140A)或孔而形成纳米孔装置(例如，140)或层。形成纳米孔层(例如，140)且将纳米孔层(例如，140)放置于半导体装置上可根据任何适合技术来实现，所属适合技术的细节超出本发明实施例的范围。

2D晶体管(例如，140)可为石墨烯纳米带2D晶体管。石墨烯基本上是具有可基于跨层(即，跨薄膜)施加电压而变化的极好导电的单个石墨原子层(类似于具有所施加门电压的晶体管)。石墨烯为包含紧密地键结的碳原子的碳同素异形体，通常为电介质。由于石墨烯的宽度为大约一个原子单元，因此通过其的生物分子可以原子水平来解析且因此可以较高解析度来检测。纳米孔(例如，140A)可通过致使成形电压跨越石墨烯纳米带的宽度(例如，垂直于2D晶体管的长度)经施加而形成于石墨烯层(例如，140)中。当以此方式施加电压时，未成形石墨烯纳米带层最初像电介质一样起作用。此所施加电压最终导致垂直于纳米带的长度的泄漏电流，借此分解局部区域中的2D晶体管的电介质材料直到孔(例如，140A)形成于局部区域(例如，在孔洞142A上方的所要区域)中，借此允许电流通过现在形成的纳米孔装置。一旦经形成，孔(例如，140A)的大小便可由适当电压放大，如下文进一步论述。

在实施例中，耦合到形成于半导体层110中的集成式感测电路(例如，110A)的具有纳米孔140A的经成形纳米孔层140能够感测通过纳米孔层140中的孔140A的生物分子的方面。在实施例中，多个集成式半导体纳米孔装置100配置成具有集成式纳米孔的半导体装置100的阵列180，每一半导体装置包含纳米孔140A且每一半导体装置可与具有集成式纳米孔的每一其它半导体装置100或单元电分开。通过将阵列180中的每一纳米孔140A电分开，可独立地电形成耦合到每一半导体装置100的每一纳米孔140A，因此可使用电方法在可靠控制下视需要而个别地裁适每一个别纳米孔140A的大小。

如本文中所描述，可通过以下方式在溶液中直接发生纳米孔140A的电形成：首先使用相对高电压分解纳米孔层140的电介质，例如，石墨烯纳米带的碳晶格，且然后以相对低电压来浸泡装置以将纳米孔放大到所要大小。因此，可个别地解决阵列180中的每一电分开纳米孔140A，且可个别地且同时感测放置于每一相应半导体装置室(例如，130A、130B)中的生物分子。可通过集成电路110A使每一纳米孔140A的大小个别地且可控制地形成为期望大小。

示范性非限制性纳米孔装置结构基于石墨烯纳米带2D晶体管或MOS2 2D晶体管的2D晶体管。在任何情形中，离子电流(i_B)及晶体管源极/漏极电流i_T(例如，沿着晶体管的长度在电极150B、150C之间且垂直于i_B而流动的电流)两者可独立于彼此而由在经形成半导体装置电路层110内的集成电路110A测量。因此，通过在不具有来自装置外侧或来自冗长电极的大噪声干扰的情况下本地放大且数字化感测信号(例如，i_B或i_T)而显著减少噪声。用于形成且转移适合2D晶体管的特定机构在此项技术中为已知的且不需要进一步论述。

如本文中在各种实施例中所描述的系统及方法包含具有电路110A的半导体装置(例如，图1中的半导体装置100)，电路110A经配置以感测与相关联于此半导体装置所感测到的生物分子的电阻相关联的电流。通过将纳米孔生物传感器(例如，140)与半导体装置(例如，110)集成在一起(例如，与纳米孔集成在一起的硅CMOS技术)，总体半导体装置100最小化纳米孔传感器140与感测电子器件110A之间的电分开。此通过从信号路径消除长互连导线而达成高于已知半导体纳米孔装置的信号噪声比(SNR)。感测来自根据本揭露实施例的纳米孔生物传感器的信号允许经取样信号转换为用相对无损信号协议编码的信号，例如标准数字信号。

实例性半导体装置100包含电路层110及第一室130A。第一室130A在电路层110上面且由室壁130界定。纳米孔层140及绝缘层160放置在第一室130A中。室壁130(例如)通过如下方式形成或放置在电路层110上：借助粘合剂的使用将室壁130接合到电路层110。室壁130在其中界定经配置以接纳化学溶液(未在此处特定地图解说明，而是参见溶液800，例如图8T到8U)的第一室腔130A。针对非限制性实例，室壁130可具有大约20μm的长度及大约20μm的宽度。室壁130可(举例来说)由接合到半导体装置100表面的硅罩形成。室壁130能够保持允许导电的离子溶液。在实施例中，所述离子溶液可为KCL。上部室可为顺式室，且可具有相对于对应反式室施加的负电压。将理解，根据本揭露的实施例可包含由设计考虑所指示的各种大小的室壁界定的室腔。室壁130的材料的实例包含但不限于Si、Ge、陶瓷、石英、玻璃、硅或聚合物，例如聚二甲硅氧烷(PolyDimethylSiloxane，PDMS)等。

半导体装置100还可包含在电路层110下方且穿过电路层110而形成的第二室130B，且可部分地由形成于电路层110内的表面所形成的腔界定，或第二室130B由接合到与界定第一室130A的表面相反的表面的第二罩形成。第二室130B还经配置以保持离子流体，且可形成反式室并且可具有相对于顺式室所施加的相反极性。且在其它实施例中，第一室130A形成反式室且第二室130B形成顺式室。

在实施例中，纳米孔层140放置在第一室腔130A中在电路层110上且具有第一端部分及第二端部分以及在第一端部分与第二端部分之间的中间部分。纳米孔层包含穿过其原位形成(或预形成)的孔140a。纳米孔层140的中间部分可采取各种形式，举例来说，在一个实施例中，其可具有由大约100nm到大约160nm的第一长度及大约80nm的第二长度形成的2D区域。孔140a具有(例如)大约2.0nm的直径/宽度，且垂直于2D区域而延伸穿过纳米孔层。在实施例中，纳米孔层140为带样形状且包含单层(例如，大约1nm厚)石墨烯。在替代实施例中，纳米孔层140包含MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、其它适合单层材料、电介质材料(例如，Si3N4)、基于氧化物的材料(例如，Al2O3)或其组合。纳米孔层140可为2D晶体管，举例来说，石墨烯纳米带场效晶体管，其形成薄膜且当跨越薄膜施加液体门控电压(例如，由纳米孔装置140层分开的反式室130A与顺式室130B之间的电压)时展现沿着其长度的导电。

第一电极层150A放置于第一室腔130A中且形成于电路层110上方。第一电极层150A包含对化学溶液中的腐蚀/氧化有抵抗力的金属。此金属的实例包含但不限于银、金、铂、其它抗腐蚀/氧化金属及其合金。

额外电极层150B、150C放置于第一室腔130A中，形成于电路层110上方，且分别耦合到纳米孔层140的第一端部分及第二端部分。层150B及150C可通过绝缘层160与室130A内的离子溶液电隔离。电极层150B、150C可具有不同于第一电极层150A的材料。电极层150B、150C的材料的实例包含但不限于铜、铝、钛、钨、其它导电材料及其合金。

绝缘层160覆盖电极层150B、150C且经配置以阻止电极层150B、150C暴露于通过室壁130保持在室130A中的化学溶液。绝缘层160进一步覆盖纳米孔层140的第一端部分及第二端部分。覆盖纳米孔层140的第一端部分及第二端部分的绝缘体层160还可阻止通过孔140A的生物分子接触纳米孔层140的部分(此不合意地更改纳米孔层140的电阻)。

半导体装置100经配置以(例如)在生物分子定序期间与例如生物分子特征识别装置(未特定地图解说明)的外部装置配合而起作用。在此生物分子定序期间，生物分子特征识别装置可为微流体装置(例如，微流体芯片196)的一部分，半导体装置100或阵列180插入到所述微流体装置中。半导体装置100基于由耦合到集成电路层110的纳米孔传感器装置140的组合感测到的电特征而提供一或多个生物分子特征。如图1B、1C中所图解说明，半导体装置100进一步包含达成与外部电路的连接的一对导电垫170A、170B。垫170A、170B可将示范性电路110、110A、110A1耦合到输出198，输出198将输出提供到外部装置。

图1C中所描绘的结构与下伏层中的电路(图1D中所图解说明的方面110A1)集成在一起。此电路可形成于电路层110中。电路层110可(举例来说)包含半导体装置集成电路，例如，图1D中描绘所述半导体装置集成电路的部分。举例来说，电路部分110A1包含包括以电压跟随器模式(如所描绘)配置的放大器的感测部分。所属领域的技术人员将了解，电压跟随器将要将i_B的变化转换为电压V_out，所述电压V_out与足以供应后续级的电流i_out一起经提供同时允许(例如)i_B的低输入电流。电路部分110A1可包含额外级，例如模/数转换器320(ACD)，借此将数字信号提供到输出198(例如，在实施例中，经由垫170A、170B，图1D中未特定地描绘)。将了解，由图1D中的示意图描绘的半导体集成电路仅打算图解说明层110中的半导体电路与纳米孔装置140的集成，且额外感测与控制电路也可视需要形成于半导体层110中。

图2A是图解说明示范性第一电路200的功能框图，示范性第一电路200连接到腔130A中的第一电极层150A及与来自腔130A的纳米孔层140相对地放置于第二腔130B中的第二电极层620，如上文所论述。

第一电路200经配置以跨越电极层150A、620施加驱动电压(例如，V_bias1)以用于驱动生物分子穿过孔140A。在实施例中，第一电路200进一步经配置以还检测与纳米孔层(例如，140)的驱动电压及对应RC特征两者相关联的穿过电极层150A、620的驱动电流(i_drv)。或者，驱动模块220可在驱动电压(例如，V_bias1)与感测电压V_bias2之间交替，借此首先通过施加V_bias1驱动生物分子且然后通过施加第二偏置电压V_bias2感测孔电流(i_pore1)。在实施例中，V_bias2可相同于或不同于V_bias1。当生物分子通过纳米孔140A时，如由通过孔(例如，140A)的电流i_B所经历的纳米孔装置140的RC特征变化，从而致使电流以可测量且确定性方式增大及减小。可通过在将驱动电压施加在端子150A、620之间时感测由第一电路200检测到的驱动电流(i_drv)的改变来测定生物分子的一或多个特征。

如下文关于半导体装置100的制造所描述，第一电路200进一步经配置以形成孔140A且在最初形成之后测量孔140A的直径。当首先放置于电路层110上面时，纳米孔层140最初未成形(未预形成)，从而意味着尚未形成纳米孔。电路200实现纳米孔层140中的孔140A的原位孔形成。一旦纳米孔140A形成于纳米孔层140中，纳米孔层140便被称为经成形纳米孔层。

孔可通过跨越纳米孔层(例如，在第一室130A与第二室130B之间)施加足以导致纳米孔层140电介质材料(例如，呈石墨烯形式的碳)的电介质击穿的电压而形成于未成形纳米孔层140中。示范性石墨烯2D晶体管140的此电介质击穿在形成孔140A时将导致穿过纳米孔层140的电流i_B的可预测增加。当施加进一步电压时，孔140A将放大，从而随着孔140A直径增加而导致进一步可预测电流增加。如将了解，一旦形成纳米孔140A，纳米孔层140RC特征便将在生物分子通过纳米孔层140中的所形成孔140A时以可预测方式改变。

孔140A经定尺寸到所要大小。为形成纳米孔140A，第一电路200经配置以跨越电极层150A、620施加孔形成脉冲V_pulse从而在纳米孔层140中形成孔140A。第一电路200进一步经配置以通过跨越电极层150A、620施加孔电压而检测所形成孔140A的直径。第一电路进一步经配置以检测与纳米孔140A的孔电压及对应电阻相关联的穿过电极层150A、620的孔电流(i_pore)。孔140a的直径/宽度可使用由第一电路200检测到的孔电流来估计。以此方式，可准确地控制孔140a的尺寸。

示范性装置100可采取许多形式，举例来说，装置100包含厚度大致为1nm到5nm的石墨烯层140，石墨烯层140悬挂在40nm厚氮化硅(SiN)薄膜182中的1μm宽直径小孔140A上方。在实施例中，SiN薄膜182悬挂在涂覆有5μm厚SiO2层的半导体层中的大致50×50μm²孔口上方。此示范性装置100可插入到便携式生物计量检测装置(未展示)中，所述便携式生物计量检测装置包含用于施加且感测穿过电极150A及620的电压(例如，V_B)及电流(例如，i_B)的电路110A。这些所感测电流或电压可由电路110A使用以形成纳米孔(例如，纳米孔140，如本文中所描述)或驱动生物分子穿过小孔140A，或感测在生物分子通过小孔140A时V_B或i_B的变化，所述变化可由形成于半导体层110中以允许生物分子检测的电路110A解释。电路110A可形成于装置110内且以适合方式耦合到电极150A、620。

在图2A的实例中，第一电路200包含电压产生器210、驱动模块220、孔形成模块230及受控制信号CS1控制的开关240。电压产生器210连接到电极层620(其与第二室130B中的化学溶液接触)。电压产生器210可响应于起源于控制电路110A中的输入信号IN1。如所属领域的技术人员将了解，电压产生器210经配置以接收控制参考电压(Vref1)的产生的输入控制信号(IN1)。Vref1可为恒定电压，例如，接地、VDD或任何适合参考电压。Vref1可施加到电极层620。信号IN1及参考电压Vref1可由电路层110内的任何适合半导体结构提供。基于输入信号而形成参考电压的细节在此项技术中是已知的且不需要进一步论述。

或者，信号IN1可为来自外部控制电路(例如，耦合到装置100的生物特征识别装置中的控制电路)的控制信号。IN1可为启用信号，或IN1的特征可指示参考电压(Vref1)的特征，举例来说Vref1＝A*IN1，其中A为标量因子，使得IN1可以线性方式指示量值Vref1。将理解，IN1可以任何适合方式控制Vref的量值及持续时间。举例来说，IN1可为将量值(例如，40mV)与持续时间(例如，10ns)一起进行编码的数字字。IN1可为启用预定Vref(例如，50mV)的启用信号，或IN1可具有测定Vref的特征的动态质量，举例来说，视装置100的设计考虑的需要，IN1可根据定制编码动态地变化。举例来说，基于超出本揭露实施例的范围的设计考虑，根据系统的要求，IN1可在第一功率域(例如，0v到5v)中的两个电压之间变化，使得IN1电压的变化对应于第二功率域(-100mV到100mV)中的Vref的电压改变。在其它实施例中，IN1可为外部参考，例如VDD或接地或0V，在所述情形中，Vref同样可为来自外部参考的VDD或接地或0V。控制信号IN1还可为电流域信号，使得Vref响应于IN1所供应的电流的变化而变化。在实施例中，驱动模块220可经编程以通过使用IN1控制Vref而对Idrv、Ipore、Vbias1或Vbias2中的任一者做出响应。举例来说，V_ref可经确立以与其它偏置电压协调地确保DC流的特定方向，例如，DC电流从电极150A流动到电极620，或反之亦然。控制电路可对半导体装置100中的电压变化做出反应以确保DC流的方向不改变，借此确保生物分子在特定方向上流动穿过纳米孔140A。因此，在本揭露实施例的上下文中，基于超出本揭露实施例的范围的设计考虑且根据不需要进一步论述的众所周知的原理，IN1可视需要指示而控制参考电压Vref。

驱动模块220选择性地连接到电极层150A且经配置以产生施加到电极层150A的偏置电压(V_bias1)。电极层620处的参考电压(V_ref1)及电极层150a处的偏置电压(V_bias1)引起跨越电极层620、150A的驱动电压以用于驱动生物分子穿过孔140A。驱动模块220进一步经配置以检测与纳米孔层140的驱动电压及对应电阻相关联的穿过电极层620、150A的驱动电流(I_drv)。可使用由驱动模块220检测到的驱动电流(I_drv)来测定生物分子的特征中的一或多者。如上文所阐释，当生物分子通过纳米孔140时，纳米孔的RC特征随当前通过纳米孔140的分子而变化，借此导致可同时由耦合到电极150A、620的电路感测到的I_drv的已知确定性变化。以此方式，可解析生物分子的分子序列。

孔形成模块230(例如)使用开关240选择性地连接到电极层150A且受控制信号CS1控制，且为经配置以产生施加到电极层150a以用于形成孔140a的孔形成脉冲(V_pulse)的电压产生器。举例来说，孔形成模块230可从电压产生器210接收参考电压且使用已知原理放大参考电压以产生孔形成电压(V_pulse)。

驱动模块220进一步经配置以产生施加到电极层150A的偏置电压(V_bias2)。电极层620处的参考电压(V_ref1)及电极层150A处的偏置电压(V_bias2)共同引起施加在电极层620、150a之间的孔电压。驱动模块220进一步经配置以检测穿过电极层620、150A的孔电流(I_pore1)。Ipore1与纳米孔140A的孔电压及对应电阻相关联，所述孔电压及对应电阻随着纳米孔140A的直径增加而以确定性方式变化。孔140A的直径/宽度可使用由驱动模块220检测到的孔电流(I_pore1)来估计。在孔之前，仅非常小的泄漏电流可通过电介质薄膜，例如石墨烯。因此，当形成孔140A时，检测到电流i_B从第一室(例如，130A)穿过纳米孔进入第二室(例如，130B)的经增加流动。孔的直径的增加可经检测为纳米孔的电阻的减小(或穿过纳米孔的电流的增加)，如下文所图解说明。

开关240连接到驱动模块220、孔形成模块230及电极层150a。开关240经配置以接收控制信号(CS1)且将驱动模块220或孔形成模块230可选择地连接到电极层150a。CS1可在形成于层110中的半导体电路中产生，或可从所附接生物分子感测/表征装置中的外部控制电路接收。

图2B图解说明根据各种实施例的在单个石墨烯层中(例如，层140中)的形成期间的纳米孔V_pulse。单个石墨烯层140安放在半导体层110及绝缘体层182中的孔口142A顶部上在第一室130A与第二室130B之间且将每一相应第一室130A及第二室130B中的两种离子溶液分开。第一电极150A在第一室130A中，且第二电极620在第二室130B中。形成于半导体电路层110中从而允许电流测量及驱动脉冲形成两者的电路(例如，第一电路200)电连接在第一电极150A与第二电极620之间。如图2B中所展示，在纳米孔(或石墨烯层中的缺陷)形成于石墨烯层140中之前，电路200可经配置以跨越第一电极150A及第二电极620施加Vpulse作为第一电压的一系列电脉冲264。所述第一电压可为用于引起选定纳米孔层(在此处，例如，由单个石墨烯层制成，但在其它实施例中由任何合意2D晶体管制成)中的成核的任何适合电压。举例来说，在所描绘的实施例中，第一电压可为大约7v。

在脉冲之间，电路200经配置以感测在第一电极150A与第二电极620之间流动的电流。如所展示，在于时间266处(V_pulse脉冲的大致二十秒处)使石墨烯层(例如，140)成核之前，电流大致为零，从而指示极少电流在第一电极150A与第二电极620之间流动。在时间266(在发生石墨烯层的成核从而形成纳米孔时)之后，电流开始从第一电极150A穿过孔口140A、142A流动到第二电极620。在所描绘的示范性实施例中，在大约等于42s的时间268处开始，V_pulse包含第二电压的第二系列电脉冲270，在此处低于第一电压脉冲264，第二系列电脉冲270经施加从而致使缺陷或纳米孔的直径在大致40秒的周期内从大约0.1nm的直径增加到大约2.2nm的直径。较低电压的此较冗长系列第二脉冲270可称为电压浸泡。第二电压可为用于放大所要纳米孔层中的纳米孔的任何适合电压，举例来说在关于由单个石墨烯层形成的纳米孔层所描绘的实施例中，第二电压可为大约5v。另外，施加第一电压脉冲264及第二电压脉冲270的相对时间周期可为用以实现所要目的的任何适合周期，且不限于7v及5v的示范性值。给定纳米孔层的电流与孔直径之间的关系可通过直接测量来获得。

图3A到3C描绘第一电路200的实例性支持电路。图3A是图解说明根据一些实施例的示范性驱动模块220的示意性图式。这些电路通过实例方式来提供且其它适合电路在本揭露实施例的范围内。驱动模块220包含电流/电压转换器(IVC)310及模/数转换器(ADC)320。以此方式，形成于半导体装置层110中的电路220感测i_B的模拟值改变，且首先将电流信号(Idrv/Ipore1)信号转换为电压，然后转换为数字信号以用于发射到芯片外的外部装置。通过将信号原位转换为数字的，完全避免因将模拟信号发射到芯片外而引入的噪声及失真。IVC 310经配置以产生偏置电压(V_bias1)，检测驱动电流(I_drv)，且将驱动电流(I_drv)转换为驱动电压(V_drv)。ADC 320连接到IVC 310且经配置以将呈模拟格式的驱动电压(V_drv)转换为数字格式，使得所检测信号可发射到输出198，借此以数字格式发射到外部装置而不担心掩蔽模拟信号的小改变的所引入噪声及失真。可然后使用ADC320所提供的经数字化驱动电压(V_drv)来测定生物分子的一或多个特征。

IVC 310进一步经配置以产生偏置电压(V_bias2)，检测孔电流(I_pore1)，且将孔电流(I_pore1)转换为孔电压(V_pore1)。ADC 320进一步经配置以将呈模拟格式的孔电压(V_pore1)转换为数字格式。可使用ADC 320所提供的经数字化孔电压(V_pore1)来估计孔140A的直径/宽度。如图2B中所图解说明，可基于穿过纳米孔的所测量电流而测量给定纳米孔层的纳米孔直径。由于由IVC 310根据设计者所选择的函数从I_pore1导出V_pore1，因此测量V_pore1类似地提供纳米孔的测量。虽然在实施例中可通过直接测量穿过纳米孔的电流而测量纳米孔直径，但在其它实施例中，有利的是，将待测量的电流转换为电压且测量经转换电压而作为直接测量电流的替代方案。

在替代实施例中，驱动模块220进一步包含放大器，例如，级联放大器，所述放大器连接在IVC 310与ADC 320之间且经配置以在IVC 310所提供的驱动电压/孔电压(Vdrv/Vpore1)由ADC 320接收之前放大所述驱动电压/孔电压。在孔电压或驱动电流的波动较小的情况下此可为有利的，且在输入驱动电流可太小而难以驱动后续传感器负载的情况下提供充足驱动电流。举例来说，配置于电压跟随器中的放大器可提供1的增益，使得输入电压等于输出电压，同时使输出电流基本上增加以支持后续传感器负载。将了解，任何适合放大器可经选择以在必要时放大驱动电压/孔电压。

图3B是图解说明根据一些实施例的示范性IVC 310的示意性图式。在图3B的实例中，IVC 310包含跨阻抗放大器330及电压产生器340。跨阻抗放大器330包含运算放大器(op-amp)330、连接在运算放大器(op-amp)的第一输入端子330a与输出端子330c之间的反馈电阻器(Rf)332及与反馈电阻器(Rf)332并联连接的反馈电容器(Cf)334。

电压产生器340连接到运算放大器(op-amp)330的第二输入端子330b，在此实施例中为可编程的。电压产生器340经配置以接收输入信号(IN2)且产生与输入信号(IN2)对应的施加到运算放大器(op-amp)的第二输入端子330b的输入电压(Vin)。与IN1一样，IN2可为根据半导体电路层110中的一或多个控制电路110A或由外部控制装置提供的控制信号。与IN1一样，根据控制信号产生Vin的输出在此项技术中是众所周知的且未进一步论述。除了可采用IN2来视需要控制Vin，IN2还通过以下方式允许IVC 310的更大控制器：允许外部控制电路(未展示)根据超出本揭露实施例的范围的设计考虑如设计者所指示而控制放大器。与上文所阐释的IN1与Vref之间的关系一样，电压产生器340采取可为第一电压域的IN2，且输出Vin可为第二域且基于如电路设计考虑所需要的控制信号IN2。在一个示范性控制方案中，当IN2为1V时，Vin为10mV，且当IN2为2V时，Vin为35mV，但将了解，IN2可以任何适合方式控制Vin。在其它实施例中，IN1可为外部参考，例如VDD或接地或0V，在所述情形中，Vin同样可为来自外部参考的VDD或接地或0V。

跨阻抗放大器330经配置以在其第一输入端子330a处提供基本上等于输入电压(Vin)的偏置电压(Vbias1/Vbias2)。以此方式，可根据设计考虑通过IN2的调变来视需要控制偏置电压。跨阻抗放大器330进一步经配置以接收驱动电流/孔电流(Idrv/Ipore1)且在其输出端子330c处提供第二驱动电压/孔电压(Vdrv/Vpore1)。如所属领域的技术人员将容易地了解，跨阻抗放大器310的增益由电阻器332的电阻的量值确立，且可视需要选择电阻器334的电容以在反馈路径中提供低通滤波器以增加电路稳定性，借此抵消离子电流i_B所经历的任何电容(例如，C_pore)。

图3C是图解说明根据一些实施例的示范性孔形成模块230的示意图。孔形成模块230包含脉冲产生器350及升压器360。脉冲产生器350在此实施例中为可编程的且经配置以接收输入信号(IN3)且产生与输入信号(IN3)对应的孔形成脉冲(Vpulse)。与IN1及IN2一样，IN3为控制信号且用于根据已知原理控制孔形成。例如针对包含可在孔形成期间的7V与孔放大期间的5V之间变化的石墨烯纳米带Vpulse的实施例，孔形成脉冲可具有如参考图2B所阐释的任何适合量值，或根据其它实施例，可根据设计考虑采用其它适合电压。信号IN3可由电路层110内的任何适合半导体结构进一步提供。在实施例中，经由路线将信号IN3供应到在CMOS结构中实施的电压源极。

如上文所阐释，IN3(举例来说)可为由外部控制电路供应的控制信号。IN3可包括适合电压的范围。在一些实施例中，IN3可为在两个预定电压之间双态切换的双态切换信号(例如，当IN3＝50mV时，Vpulse＝5V，且当IN3＝70mV时，Vpulse＝7V)。或者，IN3可具有测定Vpulse的特征的动态质量，使得当IN3按需求在各种电压之间采取诸多电压时，IN3致使V_Pulse按需求而且根据线性函数(例如，Vpulse＝A*IN3)以相似方式变化。举例来说，IN3可在第一功率域(例如，0v到5v)中的两个或两个以上电压之间变化，使得IN3电压的变化对应于第二功率域(0mV到100mV)中的Vref的电压改变。

控制信号IN3还可为电流域信号，使得Vref响应于由IN3供应的电流的变化而变化。此脉冲产生器350可经编程以根据任何适合函数响应于IN3而控制Vref。孔形成脉冲(Vpulse)可在参考电压(Vref1)电平与高于参考电压(Vref1)电平的电压电平之间交替。可经由如上文所论述的控制信号IN3控制此变化。升压器360连接到脉冲产生器330且经配置以使孔形成脉冲(Vpulse)的电平步进。升压器可使Vpulse增加到预定倍数，例如，增加到10倍。以此方式，Vpulse在将导致放大纳米孔形成的电压范围内。将了解，上文所论述的电压仅通过实例方式，且在特定实施例中将由设计考虑及材料指示。

如参考图2B详细阐释，在一个实例中，首先在一系列脉冲中采用较高电压以导致电介质击穿，然后采用较低电压脉冲以在一段时间内增加孔大小，使得所采用的低电压脉冲愈长，纳米孔的直径愈大。在实施例中，使用电脉冲制作在石墨烯薄膜中形成纳米孔，如参考图2B所描述。测量跨薄膜电流以监测孔大小。跨越石墨烯薄膜施加一系列250ns 7v电脉冲以使孔成核。在实施例中，施加7v脉冲达大致25秒，此时可观察到跨薄膜电流的明显增加(例如，从0nA到0.2nA)。然后，施加一系列低电压5V电脉冲以增加孔的直径。在实施例中，在40秒的过程(其中1秒间隔暂停用于测量跨薄膜电流)中施加的此低电压浸泡信号致使孔的直径以几乎线性方式从大致0.2nm增加到2.3nm(例如，通过观察跨薄膜电流从0.2nA到大致1.8nA的增加)。将了解，上文所论述的电压及时间仅通过实例方式，且在特定实施例中将由设计考虑及材料指示。图2A到2B中所描绘的结构及电路不打算为限制性的且在实施例中进一步包含经配置以在生物分子通过孔140A时感测生物分子特征的额外电路组件。

图4是图解说明形成于半导体层110中的示范性第二电路400的功能框图。形成第二电路400以用于控制跨越纳米孔层(例如，在端子150B、150C之间)施加的电压。根据一些实施例，第二电路可感测通过纳米孔层的晶体管电流i_T(即，包括在连接到电极层150B、150C的2D晶体管的“源极/漏极”区域之间通过的例如Isense或Ipore2的电流的电流)。第二电路400经配置以跨越电极层150B、150C施加感测电压。且第二电路400经配置以检测与感测电压相关联的穿过电极层150B、150C的感测电流。当生物分子经驱动穿过孔140a时，在电极150B、150C之间的纳米孔层140的RC特征与生物分子(例如，核苷酸)的个别所感测部分相关联地以可预测方式改变。当纳米孔层的RC特征改变时，此些改变影响所感测电流，例如I_sense的变化。因此，作为感测通过纳米孔的驱动电流的替代方案，由第二电路400检测到的感测电流可用于测定生物分子的一或多个特征。将了解，电流、电压及大小的所有值为示范性的且根据各种实施例，但在其它实施例中，这些值将取决于设计考虑而采取任何适合值。

第二电路400还可经配置以连同(例如，作为证实活动)第一电路200检测直径或在第一电路200检测直径的替代方案中检测孔140A的直径。第一电路及第二电路各自分别经配置以检测通过纳米孔层140的正交电流i_B、i_T。每一电流可不同于其它电流，同时还确定性地受对纳米孔层的RC特征的改变影响。因此，感测i_T及i_B变化可补充每一相应感测。也就是说，替代形成纳米孔且使用通过纳米孔且(例如)由电极150A或620感测的离子电流检测纳米孔的大小，可使用由第二电路400形成且监测的电流(例如，I_pore2)来监测纳米孔大小。或者，可在形成纳米孔且将纳米孔定大小中使用离子电流i_B及晶体管电流i_T两者(例如，离子电流(例如，I_pore1)可形成纳米孔，而使用晶体管电流(如I_pore2)监测纳米孔的大小)。

在任一此情形中，第二电路400可经配置以跨越电极层150b、150c施加感测电压，且还检测穿过电极层150b、150c的孔电流，Ipore2，其中Ipore2与纳米孔层140的感测电压及对应电阻相关联，Ipore2随着纳米孔放大而改变。因此，除由第一电路200检测到的孔电流以外，由第二电路400检测到的孔电流或者可用于估计孔140a的直径/宽度。当纳米孔层(例如，140)是导电的而非与第一电路200一样感测且测量通过化学溶液且通过纳米孔自身的电流时，或者，电极150b及150c可耦合到纳米孔层(例如，140、250)，且可测量跨越纳米孔层(例如，140、250)的电流/电压关系以测定纳米孔直径。针对纳米孔层的任一给定配置及选择，可通过先前直接测量获得在形成或放大纳米孔时跨越导电纳米孔层的IV关系，以便校准传感器系统。

图4的功能框图图解说明根据一些实施例的连接到电极层150b、150c的示范性第二电路400。第二电路400包含电压产生器410及感测模块420。电压产生器410连接到电极层150b，在此实施例中为可编程的，且经配置以接收输入信号(IN4)作为控制信号以产生与(例如)由外部控制装置或电路供应的输入控制信号(IN4)对应的施加到电极层150b的参考电压(V_ref2)。信号IN4及参考电压Vref2可由电路层110内的任何适合半导体结构提供。在实施例中，信号IN4经由路线供应到在CMOS结构中实施的电压源极。用于使用控制信号IN4控制电压产生器以产生所要参考电压的特定机制在此项技术中为已知的，如上文所论述，且不需要进一步论述。

举例来说，IN4可为由外部控制电路供应的控制信号。IN4可为在两个预定V_ref2之间双态切换的双态切换信号(例如，IN4可在50mV与70mV之间双态切换)，或IN4可具有测定V_ref2的特征的动态质量。举例来说，IN4可在第一功率域(例如，0v到5v)中的两个电压之间变化，使得IN4电压的变化对应于第二功率域(-100mV到100mV)中的Vref2的电压改变。在其它实施例中，与IN1、IN2一样，IN4可为外部参考，例如VDD或接地或0V，在所述情形中，V_ref2同样可为VDD或接地或0V。控制信号IN4还可为电流域信号，使得Vref2响应于由IN4供应的电流的变化而变化。此电压产生器410可经编程以根据一函数(其可为线性函数，或任何适合控制函数，例如V_ref2＝A*IN4，其中A为标量)响应于IN4而控制Vref2。像脉冲产生器230一样，电压产生器410可为可编程的以采用经配置以使Vref2的电平步进的升压器。升压器可使V_ref2增加到预定倍数，例如增加到10倍。将了解，上文所论述的电压仅通过实例的方式，且在特定实施例中将由设计考虑及材料指示。在实施例中，感测模块420连接到电极层150c且经配置以在生物分子经驱动穿过孔140a时产生施加到电极层150c的偏置电压(Vbias3)。电极层150b处的参考电压(V_ref2)及电极层150c处的偏置电压(V_bias3)引起跨越电极层150b、150c的感测电压(V_sense)，所述感测电压随纳米孔装置140的RC特征变化。此导致关于由感测模块420感测到的所感测电流(例如，I_sense)的成比例变化。

感测模块420进一步经配置以检测与纳米孔层140的感测电压V_sense及对应电阻相关联的穿过电极层150b、150c的感测电流(I_sense)。可使用由感测模块420检测到的感测电流(I_sense)来测定生物分子的一或多个特征。

感测模块420进一步经配置以产生施加到电极层150c的偏置电压(Vbias4)。电压Vbias4可由在CMOS结构中实施的电压源极或由任何适合构件产生。在实施例中，感测模块420包含可产生Vbias4作为恒定电压的电压源极或感测模块420可像Vref2一样为可编程的，使得Vbias4可根据任何适合函数而变化。电极层150b处的参考电压(Vref2)及电极层150c处的偏置电压(Vbias4)引起跨越电极层150b、150c的感测电压。

感测模块420进一步经配置以检测与纳米孔层140的感测电压及对应电阻相关联的穿过电极层150b、150c的孔电流(Ipore2)。孔140a的直径/宽度可使用由感测模块420检测到的孔电流(I_pore2)来估计。

图5是图解说明根据一些实施例的示范性感测模块420的示意图。感测模块420包含电流/电压转换器(IVC)510及模/数转换器(ADC)520。IVC 510及ADC 520可使用CMOS技术根据任何适合半导体装置形成过程各自形成于电路层110中，任何适合半导体装置形成过程的细节超出本揭露实施例的范围。IVC 510(例如，跨阻抗放大器电路)经配置以产生偏置电压(V_bias3)，检测感测电流(I_sense)，且将感测电流(I_sense)转换为感测电压(V_sense)。在实施例中，感测模块420包含电压源极，所述电压源极形成具有随电极150B与150C之间的电阻变化的相关联电流I_sense的恒定V_bias3电压。当电阻响应于通过生物分子而改变时，电流I_sense对应于由通过纳米孔140A的生物分子导致的电阻改变而变化。ADC 520连接到IVC 510且经配置以将呈模拟格式的感测电压(V_sense)转换为数字格式以用于发射到外部生物分子表征装置。通过在半导体层110内原位转换为数字格式，最小化生物分子传感器(例如，纳米孔层140)与感测电路之间的距离，借此最小化干扰所感测模拟信号的噪声及失真。可使用由ADC520提供的感测电压(Vsense)来测定生物分子的一或多个特征。

在孔形成期间，IVC 510进一步经配置以产生偏置电压(V_bias4)。V_bias4可为具有随孔的大小变化的相关联电流I_pore2的恒定电压。当施加V_bias时，IVC 510经配置以检测孔电流(I_pore2)，且将孔电流(I_pore2)转换为关于孔140A的大小不同的孔电压(V_pore2)。ADC 520进一步经配置以将呈模拟格式的孔电压(V_pore2)转换为数字格式。孔140A的直径/宽度可使用由ADC 520提供的孔电压(V_pore2)来估计。在实施例中，V_bias4与V_bias3相同，但如将了解，可按特定应用裁适V_bias3及V_bias4。在实施例中，在通过感测I_sense而感测生物分子的特征期间产生V_bias3，且在通过感测I_pore表征孔大小的孔形成期间产生V_bias4。

在替代实施例中，感测模块420进一步包含连接在IVC 510与ADC 520之间且经配置以在由IVC 510提供的感测电压/孔电压(Vs_ense/V_pore2)由ADC 520接收之前放大所述感测电压/孔电压的放大器，例如，级联放大器。

在各种实施例中，由第一电路200及第二电路400形成及感测的信号可独立地经感测且发射到芯片外的外部生物分子表征装置以用于分析所感测信号以便表征所感测生物分子或反馈到一或多个控制信号或函数(例如，CS1、IN1、IN2、IN3、IN4)。在实施例中，可奇特地分析这些感测信号，或分析可依赖于多个所感测信号(例如，i_pore1、i_pore2、i_B、i_T、i_drv、i_sense)，或分析可依赖于两个信号(例如，A*ipore1与B*ipore2)之间的差异，或分析可依赖于所感测信号的任何适合函数。

图6是图解说明根据一些实施例的示范性半导体装置100的方面且突出显示电路层110及晶片630的方面的替代横截面视图。如在图1B中所描绘的示范性实施例中，半导体装置100包含各自经配置以接纳工作流体或溶液的第一室130a及第二室130b。第一室130a在第二室130b上面且通过孔140a与第二室130b空间连通。如图6中所图解说明，第二室130b包含电极层620、晶片630及电路层110。第二室腔130b延伸穿过电极层620、晶片630及电路层110。

晶片630在电极层620上面，且在图6的实例中为绝缘体上半导体(SOI)晶片且包含块状衬底630a及在块状衬底630a上面的埋入氧化物(BOX)630b，例如，SiO2。在此实施例中，块状衬底630a具有(例如)大约200um的厚度。块状衬底630a的材料的实例包含但不限于Si、Ge、其它适合元素衬底材料、SiC、GaAs、GaP、InP、其它适合化合物衬底材料等。在替代实施例中，晶片630为块状晶片、陶瓷晶片、石英晶片、玻璃晶片或类似者。

第二室130b可采取各种形式，举例来说，如图6中所图解说明，第二室130b包含延伸穿过晶片630具有(例如)大约500um的宽度(W1)及(例如)大约200um的高度(H1)的腔。第二室腔130b延伸穿过电路层110具有(例如)大约20um的宽度(W2)及(例如)大约5um的高度(H2)。

电路层110包含使用晶体管(例如，FET)实施的上文所描述的第一电路200及第二电路400。也就是说，在实施例中，第一电路200的电压产生器210、驱动模块220(包含IVC310及ADC 320)、孔形成模块230及开关240可为形成于电路层110内且通过一或多个金属层互连的一或多个半导体结构。类似地，在实施例中，电压产生器410及感测模块420(包含IVC510或ADC 520)可为形成于电路层110内且通过一或多个金属互连件610(例如，其可为与图1B中所描绘的互连件111相同的组合物)互连的一或多个半导体结构。为了简化图解说明，图6图解说明包括源极区域610a及漏极区域610b以及栅极610c的示范性FET晶体管，但将了解，根据制作技术，许多FET可经形成且互连以形成电路层110中的第一电路200及第二电路400的组件。为了图解说明，电路层110与源极区域610a、漏极区域610b及在源极区域610a与漏极区域610b之间的通道区域上面的栅极结构610c一起形成。源极区域610a及漏极区域610b以及栅极结构610c构成可为第一电路200或第二电路400的组件结构的示范性FET。

电路层110进一步包含多个示范性互连件，例如，互连件610d，在各种实施例中，所述互连件将其晶体管连接到彼此，借此实现如上文所阐释的电路层110内的第一电路200及第二电路400。与互连件111一样，互连件610d进一步将形成第一电路200的组件结构及电极层150a、620连接到彼此，或互连件将形成第二电路的组件结构及电极层150b、150c连接到彼此。以此方式，包括电压产生器210(例如，310、330及340)的组件可形成于电路层110中，且可经由通往电极620的互连件(例如穿衬底导通孔(TSV)640)将Vref1供应到第二室130b。类似地，驱动模块220组件(例如IVC 310及ADC 320)可形成于电路层110中且可通过通往电极150a的互连件(如610d，例如111)将Vbias1/Vbias2及Idrv/Ipore1供应且接收到第一室130a(通过开关240(也形成于电路层110中))。类似地，孔形成模块230可由如上文所描述的各种半导体结构形成，且可经由开关240及通往电极150a的互连件(例如，610d或111)将Vpulse提供到第一室130a。

在实施例中，第二电路400还可由在电路层110内且通过互连件610d来互连的各种半导体组件形成。感测模块420(包含组件IVC 510及ADC 520)可由形成于电路层110中的一或多个半导体结构形成，且可经由互连件610d将Vbias3/Vbias4及Isense/Ipore2提供到垫150c(耦合到纳米孔层，例如140、250)。类似地，电压产生器410可由电路层110内的一或多个半导体结构形成且能够经由互连件610d将Vref2提供到垫150b(也耦合到纳米孔层，例如140)。电路层110在其顶部表面处进一步包含覆盖互连件610d/使互连件610d绝缘的钝化层610e。

第二室130b进一步包含从电路层110延伸到晶片630的底部表面且将第一电路200及电极层620连接到彼此的穿衬底导通孔(TSV)640。

电路层110可进一步包含其它有源组件(例如，二极管及其它类型的晶体管，例如双极结型晶体管(BJT))及无源组件(例如，电阻器、电容器、电感器等)。

图7是图解说明根据一些实施例的制造半导体装置(例如，半导体装置100)的示范性方法700的流程图。在操作710中，形成室(例如，第二室130b)。在实施例中，所述室包含电路层(例如，电路层110)，且界定延伸穿过所述电路层的室腔(例如，第二室腔610a)。在操作720中，将纳米孔层(例如，纳米孔层140)从源衬底转移到电路层110，借此纳米孔层可形成室腔130a、130b之间的边界，室腔130a、130b交汇的地方为(例如)孔洞142A。

图8A到8R是根据一些实施例的(例如)如使用上文参考方法700所描述的操作产生的半导体装置(例如，半导体装置100)在各个制造阶段的截面视图。为了便于理解，现在将进一步参考图1、2、3A、3C、4、5及8A到8R描述方法700。应理解，方法700可适用于除图1、2、3A、3C、4、5及8A到8R的结构以外的结构。此外，应理解，可在方法700之前、期间及之后提供额外操作，且针对方法700的其它实施例，可替换或消除下文所描述的操作中的一些操作。

图8A图解说明在接纳/提供晶片630之后所得的示范性结构。在实施例中，晶片630包括在SOI衬底上方的氧化物层。所述氧化物层可包括BOX。图8B图解说明在形成从晶片630的顶部表面延伸到底部表面的TSV 640之后所得的示范性结构。形成TSV 640包含：执行光刻图案化及蚀刻以形成穿过晶片630的TSV开口；用TSV衬层(例如，氧化物)涂覆界定TSV开口的TSV侧壁；及用TSV材料(例如，多晶硅)填充TSV开口。

使用沉积过程(例如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、其它适合沉积/形成/填充/生长过程、其衍生物或其组合)用TSV材料填充TSV开口。

图8C图解说明在执行操作710之后所得的示范性结构且描绘在晶片630上面的电路层110。形成电路层110包含：在晶片630的顶部表面上沉积半导体材料(例如，硅、锗、其它适合半导体材料或其组合)以形成作用层；在作用层上方形成晶体管；在作用层上沉积层间电介质(ILD)材料(例如，SiO2)或任何其它低K电介质材料；执行光刻图案化及蚀刻以在ILD中形成开口；用导电材料填充开口以形成将晶体管连接到彼此的互连件，例如，互连件150d，从而产生第一电路及第二电路，例如，分别为第一电路200及第二电路400；及在ILD上沉积钝化层材料(例如，SiN)。

图8D图解说明在于晶片630的底部表面上形成电极层620之后所得的示范性结构。图8E图解说明在形成延伸穿过电极层620、晶片630及电路层110的室腔130b之后所得的示范性结构。

接下来，在下文描述纳米孔层140的形成。图8F图解说明在于金属催化剂810(例如，基于铜的金属催化剂)上生长纳米孔装置层140之后所得的示范性结构。生长纳米孔层140包含：接纳/提供基于铜的金属催化剂；在(例如)大于大约800℃的温度下将基于铜的金属催化剂退火，以清理基于铜的金属催化剂；例如在(例如)大约1000摄氏度的温度下通过CVD或在(例如)大于大约450摄氏度的温度下通过等离子体增强型CVD(PECDV)使用(例如)Ar、CH4及H2在基于铜的金属催化剂上沉积纳米孔层140材料；及在(例如)大于大约600摄氏度的温度下将所得结构退火。

图8G图解说明在用源衬底820(例如，薄聚合物层，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))涂覆(例如，旋转涂覆)纳米孔层140之后所得的示范性结构。源衬底820保护纳米孔层140以免在将纳米孔层140转移到图8E的结构期间发生破裂，如下文所描述。

图8H图解说明在从图8G的结构移除(例如通过干式或湿式蚀刻)基于铜的金属催化剂810之后所得的示范性结构。图8I图解说明在使用(例如)光刻(例如，电子束光刻(EBL))、图案化及蚀刻将纳米孔层140定大小到(例如)大约200um的长度及(例如)大约200um的宽度之后所得的示范性结构。

图8J图解说明在从源衬底820移除石墨烯层的执行且然后执行转移操作(例如，操作720)之后所得的示范性结构。图8J描绘从源衬底820转移到图8E的结构的未成形的纳米孔层140。在此实施例中，转移操作包含从源衬底820移除石墨烯层且然后将纳米孔层140接合到电路层110。

图8K图解说明在(例如)通过光刻(例如，EBL)、图案化及蚀刻将纳米孔层140重定大小到较短长度(例如，大约100nm到大约160nm)及较窄宽度(例如，大约80nm)之后所得的示范性结构。

图8L图解说明在图8K的结构上生长牺牲层635。图8M图解说明执行光刻图案化及蚀刻636以形成延伸穿过牺牲层的开口637；且图8N图解说明参考图8M形成的具有导电材料(例如，150a、150b)的开口；随后，移除牺牲层，如图8O中所展示。图8O图解说明在形成电极层150a、150b、150c之后所得的示范性结构。在实施例中，形成电极层150a、150b、150c可包含用于在半导体电路层上方形成电极层的标准技术。在一个实施例中，此包含图8L到8N中所展示的步骤。

图8P图解说明在形成覆盖电极层150b、150c以及纳米孔层140的第一端部分及第二端部分的绝缘层160之后所得的示范性结构。形成绝缘层160包含：在电极层150b、150c及纳米孔层140上方以可保形方式沉积材料(例如，Al2O3)；及移除在纳米孔层140的中间部分上的绝缘层160。

接下来，在下文描述室壁(例如，室壁130)的形成。图8Q图解说明在于第二层130(例如，硅、玻璃、室壁的其它适合材料等)上方图案化第一层830(例如，聚合物)之后所得的示范性结构。图8R图解说明在使用第一层830作为掩模来蚀刻第二层130以在第二层130中形成室腔130a之后所得的示范性结构。图8S图解说明在(例如)使用第一层830作为粘合剂来将第二层130接合到图8M的结构之后所得的示范性结构。

接下来，在下文描述在纳米孔层140中形成孔140a。图8T图解说明在用化学溶液800填充室腔130b、130a之后所得的示范性结构。图8U图解说明在(例如)通过上文参考第一电路200所描述的过程于纳米孔层140中形成孔140a之后所得的示范性结构。形成孔140a可包含：电压产生器210接收输入信号(IN1)，所述输入信号指令与输入信号(IN1)对应的施加到电极层620的参考电压(Vref1)(例如，大约0V)的产生；开关240接收控制信号(CS1)且响应于控制信号(CS1)而将孔形成模块230选择性地连接到电极层150a；孔形成模块230接收输入信号(IN3)，所述输入信号指令施加到电极层150a的高孔形成脉冲(例如，大约7.0V)的产生，借此形成孔140a；随后孔形成模块230接收输入信号(IN3)，所述输入信号指令施加到电极层150a的低孔形成脉冲(例如，大约5.0V)的产生，借此调整孔140a的直径/宽度。将了解，上文所描述的电压仅通过实例方式，且实际上基于溶液及纳米孔层装置(例如，140)而选择适合电压。

在某一实施例中，方法700包含：开关240接收控制信号(CS1)且响应于控制信号(CS1)而将驱动模块220选择性地连接到电极层150a；驱动模块220产生引起的跨越电极层620、150a孔电压的施加到电极层150a的偏置电压(Vbias2)；驱动模块220检测与纳米孔层140的孔电压及对应电阻相关联的穿过电极层620、150a的孔电流(Ipore1)；驱动模块220将孔电流(Ipore1)转换为孔电压(Vpore1)；且驱动模块220将呈模拟格式的孔电压(Vpore1)转换为数字格式。孔140a的直径/宽度可使用孔电压(Vpore1)来估计。

在其它实施例中，方法700包含：电压产生器410接收输入信号(IN4)且产生与输入信号(IN4)对应的施加到电极层150b的参考电压(Vref2)，例如，大约0V；感测模块420产生引起跨越电极层150b、150c的孔电压的施加到电极层150c的偏置电压(Vbias4)；感测模块420检测与纳米孔层140的孔电压及对应电阻相关联的穿过电极层150b、150c的孔电流(Ipore2)；感测模块420将孔电流(Ipore2)转换为孔电压(Vpore2)；且感测模块420将呈模拟格式的孔电压(Vpore2)转换为数字格式。孔140a的直径/宽度可使用孔电压(Vpore2)来估计。

图9是图解说明根据一些实施例的测定生物分子特征的示范性方法900的流程图。为了便于理解，现在将进一步参考图1A到1D、2A、3A到3C、4及5描述方法900。应理解，方法900可适用于除图1A到1D、2A、3A到3C、4及5的结构以外的结构。此外，应理解，可在方法900之前、期间及之后提供额外操作，且针对方法900的其它实施例，可替换或消除下文所描述的操作中的一些操作。

在操作910中，用化学溶液填充第一室腔130a及第二室腔130b。接下来，将生物分子安置在第一室腔130a或第二室130b中的化学溶液中。

在操作920中，第一电路200跨越电极层620、150a施加用于将生物分子从第一室腔130a穿过孔140a驱动到第二室腔130b(或反之亦然)的驱动电压。在此实施例中，操作920包含：电压产生器210接收输入信号(IN1)且产生与输入信号(IN1)对应的施加到电极层620的参考电压(Vref1)；开关240接收控制信号(CS1)且将驱动模块220及电极层150a连接到彼此；驱动模块220产生引起驱动电压的施加到电极层150a的偏置电压(Vbias1)。

在操作930中，驱动模块220检测与纳米孔层140的驱动电压及对应电阻相关联的穿过电极层620、150a的驱动电流(Idrv)。

在操作940中，使用驱动电流(I_drv)测定生物分子的一或多个特征。在此实施例中，操作940包含：在实施例中可在形成于电路层110中的CMOS结构中实施的驱动模块220。如所图解说明，电压V_bias1出于说明性目的而经展示为施加到150a，如将了解，经由电路层110内的互连半导体结构供应电压。类似地，如所图解说明，电压V_ref1经展示为施加到层620。V_ref1可由类似地在电路层110中实施的电压产生器210产生。通过在其相应端子处施加这些电压，确立将生物分子驱动穿过纳米孔的跨越纳米孔势垒的电压V_bias-V_ref1。当生物分子通过纳米孔时，电阻沿着生物分子在其通过时的长度变化。V_bias-V_ref1相关联于与由生物分子的通过导致的变化电阻成比例地变化的跨薄膜电流I_drv。在实施例中，通过用IVC 310将驱动电流(I_drv)转换为驱动电压(V_drv)而感测I_drv。IVC 310将I_drv转换为电压，驱动电压(V_drv)。在实施例中，然后将呈模拟格式的驱动电压V_drv转换为数字格式，所述数字格式然后格式化到生物特征测定装置，所述生物特征测定装置然后基于驱动电压(V_drv)而测定生物分子特征。

在实施例中，方法900进一步包含：电压产生器410接收输入信号(IN4)且产生施加到电极层150b的参考电压(V_ref2)。且感测模块420产生引起跨越电极层150b、150c的感测电压的施加到电极层150c的偏置电压(V_bias3)。感测模块420检测与纳米孔层140的感测电压及对应电阻相关联的穿过电极层150b、150c的感测电流(I_sense)。在实施例中，感测模块420将感测电流(I_sense)转换为感测电压(V_sense)。然后将感测电压(V_sense)转换为数字格式，且可将所述感测电压转发到生物特征感测装置，且可使用感测电压(Vsense)来测定生物分子的一或多个特征。

尽管使用由方格120例示的一个第一室130a示范半导体装置100，但在阅读本揭露实施例之后应理解，可增加第一室130a的数目。举例来说，图10是图解说明根据一些实施例的示范性半导体装置1000的横截面视图。当与半导体装置100进行比较时，半导体装置1000包含装置100的方面且进一步包含以方格1020突出显示的室1030a。室1030a的构造类似于室130a的构造。特定来说，室1030a包含室壁1030、纳米孔层1040、电极层1050a、1050b、1050c及绝缘层1060。

(例如)通过借助粘合剂的使用将室壁1030接合到电路层而在电路层110上形成室壁1030。室壁1030在其中界定经配置以接收化学溶液(未展示)的室腔1030a。室壁1030可为(举例来说)一或多个硅罩。

纳米孔层1040放置在室腔1030a中，通过电路层110中的半导体电路(例如，第一电路200)原位形成且具有第一端部分及第二端部分以及在第一端部分与第二端部分之间的中间部分且形成有穿过其的孔1040a。

电极层1050a放置在室腔1030a中且形成于电路层110上方。电极层1050b、1050c放置在室腔1030a中，形成于电路层110上方，且分别连接到纳米孔层1040的第一端部分及第二端部分。绝缘层1060覆盖电极层1050b、1050c及纳米孔层1040的第一端部分及第二端部分。

此外，替代第一电路200及第二电路400，电路层110包含分别在图11及12中展示的第三电路1100及第四电路1200。图11及12是分别图解说明根据一些实施例的示范性第三电路1100及第四电路1200的示意图。当与第一电路200进行比较时，第三电路1100的开关240包括驱动模块220、孔形成模块230且耦合到电极层150a、1050a。第三电路1100的开关240经配置以接收控制信号(CS1)以响应于控制信号(CS1)而将驱动模块220或孔形成模块230可选择地连接到电极层150a或电极层1050a。

当与第二电路400进行比较时，第四电路1200进一步包含开关1210、1220。开关1210连接到电压产生器410及电极层150b、1050b且经配置以接收控制信号(CS2)以响应于控制信号(CS2)而将电压产生器410可选择地连接到电极层150b或电极层1050b中的任一者。

开关1220连接到感测模块420及电极层150c、1050c且经配置以接收控制信号(CS3)以响应于控制信号(CS3)而将感测模块220及电极层150c或电极层1050c中的任一者可选择地连接到彼此。

图13是图解说明根据一些实施例的测定生物分子特征的方法1300的流程图。为了便于理解，现在将进一步参考图10到12描述方法1300。应理解，方法1300可适用于除图10到12的结构以外的结构。此外，应理解，可在方法1300之前、期间及之后提供额外操作，且可针对方法1300的其它实施例替换或消除下文所描述的操作中的一些操作。

在操作1310中，用化学溶液填充室腔130a、610a、1030a。接下来，将第一生物分子及第二生物分子(未特定地图解说明，但参见图14为通过纳米孔的悬浮在溶液中的示范性生物分子1408)分别安置在室腔130a、1030a中的化学溶液中。

在操作1320中，第三电路1100跨越电极层620、150a施加驱动电压以用于将第一生物分子从室腔130a穿过孔140a驱动到室腔610a。在实施例中，操作1320包含：电压产生器210接收输入信号(IN1)且产生与输入信号(IN1)对应的施加到电极层620的参考电压(V_ref1)；开关240接收控制信号(CS1)且将驱动模块220及电极层150a连接到彼此；及驱动模块220借此产生引起驱动电压的施加到电极层150a的偏置电压(V_bias1)。

在操作1330中，驱动模块220检测与纳米孔层140的驱动电压及对应电阻相关联的穿过电极层620、150a的驱动电流(Idrv)。

在操作1340中，依据对通过纳米孔140a的生物分子的特征做出响应的驱动电流(I_drv)的变化测定第一生物分子(例如，DNA)(未特定地图解说明，但参见图14为通过纳米孔的悬浮在溶液中的示范性生物分子1408)的一或多个特征。在实施例中，操作1340包含：驱动模块220将驱动电流(Idrv)转换为驱动电压(Vdrv)；驱动模块220将呈模拟格式的驱动电压(Vdrv)转换为数字格式；及使用驱动电压(Vdrv)测定第一生物分子特征。

在操作1350中，第一电路1100跨越电极层620、1050a施加驱动电压以用于将第二生物分子(例如，RNA)从室腔1030a穿过孔1040a驱动到室腔610a。在此实施例中，操作1350包含：电压产生器210接收输入信号(IN1)且产生与输入信号(IN1)对应的施加到电极层620的参考电压(Vref1)；开关240接收控制信号(CS1)且将驱动模块220及电极层1050a连接到彼此；且驱动模块220产生引起驱动电压的施加到电极层1050a的偏置电压(Vbias1)。

在操作1360中，驱动模块220检测与纳米孔层1040的驱动电压及对应电阻相关联的穿过电极层620、1050a的驱动电流(Idrv)。

在操作1370中，依据对通过纳米孔1040a的生物分子的特征做出响应的驱动电流(I_drv)的变化测定第二生物分子的一或多个特征。在此实施例中，操作1370包含：驱动模块220将驱动电流(Idrv)转换为驱动电压(Vdrv)；驱动模块220将呈模拟格式的驱动电压(Vdrv)转换为数字格式；及使用驱动电压(Vdrv)测定第二生物分子特征。

在此实施例中，方法1300进一步包含：开关1210接收控制信号(CS2)且将电压产生器410及电极层150b或1050b可选择地连接到彼此；电压产生器410接收输入信号(IN4)且产生与输入信号(IN4)对应的施加到电极层150b或1050b的参考电压(Vref2)；开关1220接收控制信号(CS3)且将感测模块420及电极层150c或1050c可选择地连接到彼此；感测模块420产生引起电极层150b或1050b与电极层150c或1050c之间的所感测电压的分别施加到电极层150c或1050c的偏置电压(Vbias3)；感测模块420检测分别与纳米孔层140或1040的感测电压及对应电阻相关联的分别穿过电极层150b或1050b及电极层150c或1050c的感测电流(Isense)；感测模块420将感测电流(Isense)转换为感测电压(Vsense)；感测模块420将呈模拟格式的感测电压(Vsense)转换为数字格式；且使用感测电压(Vsense)来测定第一/第二生物分子的一或多个特征。

图14图解说明可用于各种生物传感器(举例来说，包括(如所图解说明)在单元1404a、1404b、1404c中的每一者中的三个半导体装置(其在实施例中可包含半导体装置100)的便携式手持生物传感器)的聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)测量单元1400。将了解，测量单元(例如，微流体芯片，例如微流体芯片196)可由适合用于微流体应用的任何材料(举例来说，玻璃、硅或其它适合聚合物)形成。纳米孔单元阵列1402包含通过硅罩(例如，硅罩1406)彼此分开的多个纳米孔单元1404a、1404b、1404c。每一纳米孔单元1404a、1404b、1404c包含具有集成式纳米孔装置140的半导体装置100。

当示范性纳米孔单元阵列1402经图解说明具有三个示范性纳米孔单元1404a、1404b、1404c时，可在不超过本揭露实施例的范围的情况下使用任一数目个纳米孔单元。根据本揭露实施例，每一纳米孔单元1404a、1404b、1404c通过硅罩1406彼此电分开，且每一纳米孔单元1404a、1404b、1404c中的每一纳米孔(例如，140A)以电方式且彼此独立地原位形成。将纳米孔单元阵列1402插入到PDMS测量单元1400中，其中微流体通道(例如194，未在图14中特定地描绘)将工作流体1412馈送到纳米孔单元阵列1402(其可为阵列180的实施例)中且形成用于容纳与纳米孔单元阵列1402的任一侧接触的工作流体1412的贮器1410。每一纳米孔单元(例如，1404b)可在存在于流体1412中或引入到流体1412中的个别生物分子(例如，生物分子1408)通过纳米孔单元1404b的纳米孔(例如，纳米孔140A)时个别地感测所述个别生物分子的性质。在实施例中，形成于每一纳米孔单元1404a、1404b、1404c的每一半导体装置100的半导体层110中的感测电路及解码电路(例如，电路110A、110A1、200、400)在每一纳米孔单元(例如，1404b)中局部化，每一纳米孔单元能够将其所感测生物分子特征可靠地且准确地报告给生物定序装置(例如，基于在生物分子通过纳米孔(例如，140)时纳米孔的变化电阻或电容)。

图15图解说明根据各种实施例的用于控制纳米孔单元阵列(例如，阵列1402)的编程及感测的简化装置示意图。每一纳米孔单元装置可包含半导体装置100的实施例，且可经由形成于半导体装置层110中或施加到IO电极170A、170B的控制电路接收控制信号。除了其它信号，每一纳米孔单元响应于四个控制信号Isel 1502、Isen/Iprog 1504、Gsel 1506及Gsen 1508。针对给定组合纳米孔/半导体IC装置1520(其可为装置100)，Isel 1502达成相应离子通道信号(例如，与路径155中的i_B相关联的信号)的选择。Isen/Iprog 1504提供用于形成纳米孔的编程电压(如本文中参考图1A到1D、2A到2B、3A到3C、4、5所描述)，或Isen/Iprog 1504激活感测电流，所述感测电流可由多路复用器1510选择以便将所感测电流转换为数字信号以用于输出到外部装置(如便携式生物传感器或其它类型的生物传感器)。或者，可断言选择薄膜通道(例如，与i_T相关联的通道)的Gsel 1506，且Gsen 1508可提供感测信号，所述感测信号可由多路复用器1512选择以由ADC 1514进行模拟到数位转换以发射到外部装置以进行处理(例如，经由输出198发射到生物分子表征装置)。

图16A、16B、16C图解说明根据各种实施例的示范性纳米孔单元阵列1630的实施例的各个方面。图16A图解说明单个纳米孔单元1600的横截面且包含用于感测生物分子的等效电路1610。纳米孔单元1600包含半导体装置(例如，半导体装置100)作为传感器装置(例如，具有集成式感测电路的2D晶体管140传感器)及感测电路，例如形成于半导体装置层110中的第一电路200及第二电路400。顺式编程与感测环1602(例如，电极，例如电极150A的实施例)在薄膜1606(例如，石墨烯晶体管或纳米孔层)的顺式侧上包围纳米孔140A及纳米孔层140，且反式编程与感测环1604(例如，电极，例如电极620的实施例)在薄膜1606的反式侧上包围纳米孔及纳米孔层140，借此提供(例如)第一电路200与存在于薄膜1606的每一侧上的流体之间的接触。此接触允许控制电路(例如，第一电路200)确立跨越具有生物分子1608可通过的纳米孔1620的薄膜1606的电压差。当生物分子1608通过纳米孔1620时，离子电路的电阻及电容变化，此致使变化电压跨越薄膜1606出现。此变化电压导致薄膜源极1614与薄膜漏极1612之间的变化电流(如由等效电路1610所图解说明)，所述变化电流可由本地CMOS电路(例如，在电路层110中)转换为数字表示以用于发射到外部装置以进行进一步处理。可分别通过线路1622及线路1624将薄膜漏极1612及薄膜源极1614电耦合到阵列1630中的其它单元且耦合到控制电路(未详细展示)。在实施例中，可通过线路1622、1624将信号Gsen 1508及Gsel1506提供到薄膜晶体管(以与存储器单元阵列中的字线或位线相似的方式)。类似地，可借助于反式编程与感测环1604及顺式编程与感测环1602将信号Isel 1502及Isen/Iprog1504提供到离子通道。

如在图16C中所图解说明的实施例中，每一个别纳米孔单元1600的反式环耦合到每一其它纳米孔单元的反式环，且同样地，每一顺式环耦合在一起，以此方式，在驱动或感测电压的施加期间将环绕每一纳米孔的每一溶液维持在类似电势。另外，用于控制跨越每一纳米孔装置(例如，纳米孔单元1600)施加的电流的控制线路GD 1622及GS 1624可绕线到单个控制电路，所述单个控制电路与在每一纳米孔单元1600本地且可通过TSV 1640独立地耦合到反式室的每一单元的感测电路(例如，放置在半导体层1650中的感测电路)分开。以此方式，阵列的控制电路(例如，控制电路110B)可与形成于半导体层(例如，1650)中的感测电路分开或相异。

图17是图解说明根据一些实施例的测定生物分子特征的示范性方法1700的流程图。在步骤1702处，形成具有耦合到形成于半导体的第一表面上的第一电极、第二电极及第三电极(例如，150A、150B、150C)的电路层(例如，110)的半导体装置(例如，100)，电路层(例如，110)进一步耦合到形成于半导体装置的第二表面上的第四电极(例如，620)。在1704处，将未成形纳米孔层(不具有纳米孔，例如，在孔形成之前的纳米孔装置140)耦合在第一电极与第二电极(例如，150B、150C)之间，使得纳米孔层(例如，140)形成在部分地由半导体装置(例如，100)界定的第一室与第二室(例如，130A、130B)之间的薄膜且每一室(例如，130A、130B)含有溶液(例如，800)。在步骤1706处，在第一室中的第三电极(例如，150A)与第二室中的第四电极(例如，620)之间施加电压，借此在未成形纳米孔层中形成纳米孔(例如，140A)以获得经形成纳米孔层(例如，140)。在1708处，将半导体装置(例如，100)放置在生物分子检测装置(例如，微流体芯片196)中。且在1710处，将生物分子放置在第一室(例如，130A)或第二室(例如，130B)中悬浮的溶液中。在步骤1712中，在第三电极(例如，150A)与第四电极(例如，620)之间施加驱动电压以将生物分子从第一室或第二室驱动穿过纳米孔(例如，140)。在1714处，在第一电极(例如，150A)与第二电极(例如，150B)之间施加感测电压，且在1716处，(例如)由形成于电路层110中的集成电路感测在第一电极与第二电极之间流动的电流。在1718处，以数字信号编码所感测电流，且在1720处，(例如)经由输出198将数字信号发射到能够基于数字信号而表征生物分子的生物分子表征装置。

依据上文，本揭露实施例的半导体装置包含电路层及纳米孔层。所述电路层包含经配置以驱动生物分子穿过所述纳米孔层中的孔且检测与所述纳米孔层的电阻相关联的驱动/感测电流的电路。所述电路为内建到所述半导体装置使得与由所述电路检测到的所述驱动/感测电流相关联的寄生电容减少的驱动/感测电路。因此，可从由所述半导体装置提供的所述驱动/感测电流获得相对准确生物分子特征。

根据本揭露实施例的装置及方法提供包含达成集成式半导体纳米孔过程结构的许多益处。此半导体纳米孔过程结构可含有CMOS晶体管、互连件、用于形成纳米孔的薄膜、其中发生形成的液体室及编程电极。可由编程电路在硅中(或一般原位)形成纳米孔。硅中感测放大器电路及信号处理电路(例如ADC、DAC、IVC)可与感测装置整体地形成，且可用于将信号数字化且将信号传递到外部计算装置。将信号数字化意味在将所感测信号发射到外部计算装置之前将模拟所感测信号转换为数字形式(例如，16位或32位或64位字)。所属领域的技术人员将了解，可采用模拟信号的任何数字编码。因此，在接收装置(例如，生物分子表征装置)处显著改进信号噪声比。可使用例如石墨烯FET或MOS2FET的2D FET形成薄膜，例如，纳米孔层140。本文中所揭露实施例的装置及方法可用于DNA定序。为了形成纳米孔单元边界，可将具有预钻小孔的硅罩接合到硅衬底以提供液体隔离且因此隔离每一单元。

本发明实施例的半导体装置提供许多益处。根据本揭露实施例的装置可用于手持生物计量装置中。举例来说，手持生物分子检测与表征装置将采用集成式半导体纳米孔过程结构。由于其集成式本质，通过消除由长传感器导线引入的噪声而大大减少纳米孔传感器SNR，因此达成可靠感测装置。半导体纳米孔过程结构含有如上文所描述的CMOS晶体管、互连件、薄膜纳米孔、液体室形成及程序电极。由如上文所描述的硅中编程电路形成纳米孔。额外硅中感测放大器电路及信号处理电路，例如模/数转换器或数字/模拟转换器或电流/电压信号转换器。这些组件用于将信号数字化且将经数字化信号传递到手持生物分子检测与表征装置。在实施例中，例如石墨烯FETS或MOS2FET的2D FETS用于生物检测及定序目的。在实施例中，采用半导体纳米孔过程结构阵列；每一半导体纳米孔过程结构在阵列中通过具有带有预钻小孔的硅罩(其可接合到硅衬底以提供液体隔离)的腔结构来彼此隔离。

在实施例中，一种半导体装置包括电路层及纳米孔层。所述纳米孔层形成于所述电路层上且形成有穿过其的孔。所述电路层包含电路单元，所述电路单元经配置以驱动生物分子穿过所述孔且检测与所述纳米孔层的电阻相关联的电流，借此可使用由所述电路单元检测到的所述电流来测定所述生物分子的特征。

在另一实施例中，一种制造半导体装置的方法包括：形成电路层；将纳米孔层从源衬底转移到所述电路层；及在所述电路层上形成室使得所述纳米孔层放置于所述室中的室腔中。

在另一实施例中，一种方法包括用化学溶液填充形成于电路层上的室且使得所述电路层的电路能够从所述室驱动生物分子穿过纳米孔层中的孔。

在实施例中，阵列由作为互连件的金属及源极/漏极形成。薄膜晶体管连接在一起以形成集成电路。编程电极、感测电极及驱动电极由在每一单元周围的金属环在薄膜的顺式侧及反式侧两者上形成。待编程的单元由CMOS电路寻址信号以与在SRAM或其它存储器寻址方法中采用的技术类似的方式来选择。程序脉冲的持续时间由如本文中所描述的集成式解码电路以电子方式来控制。在编程之后，还以电子方式控制浸泡信号以提供具有若干个脉冲的浸泡脉冲宽度的浸泡脉冲。在编程期间形成孔，且通过离子电流的连续监测来连续地监测孔的大小，如本文中所描述，所述离子电流与纳米孔大小相关(例如，通过先前直接测量而相关)。一旦达到规定离子电流，实现所要孔大小且终止孔的浸泡。然后将待检测生物分子(例如，特定DNA链)沉积在单元流体中且施加偏置电压(小于编程及浸泡电压)以驱动生物分子穿过纳米孔。当DNA链通过纳米孔时，来自顺式端子及反式端子的离子电流将根据核苷酸类型来改变。同时，薄膜晶体管源极/漏极显著地受影响，且所测量电流较大且具有比已知方法中的SNR质量好的SNR质量。薄膜晶体管可为GNR晶体管。可比较穿过顺式-反式端子的薄膜晶体管电流i_T及离子电流以达成更准确检测。

在实施例中，所揭露实施例过程技术组合SOI CMOS技术、MEMS技术及石墨烯纳米带晶体管技术。根据下文更充分地描述的以下总结过程，可采用此组合来形成纳米孔单元及感测组件，例如半导体层110中作为CMOS电路(例如，110A、110A1)的第一电路200及第二电路400。首先，形成顶部大小硅及穿衬底导通孔(TSV)。然后，(例如)在电路层110中形成SOI CMOS晶体管。然后，在电路层110上方沉积薄SIN。然后将2D晶体管(例如，石墨烯)层转移到SIN的表面上，且形成将2D晶体管层140耦合到电路层110组件的石墨烯/金属接点及硅接点。形成且蚀刻背侧硅金属以便形成腔(例如，130B)。然后视需要图案化或蚀刻背侧SiN，且最终形成硅罩且然后将所述硅罩接合到传感器晶片。

前文概述数个实施例的构件，使得所属领域的技术人员可更好地理解本揭露实施例的方面。所属领域的技术人员应了解，其可容易地使用本揭露实施例作为设计或修改其它过程及结构以用于实施相同目的及/或实现本文中所介绍的实施例的相同优点的基础。所属领域的技术人员还认识到，此些等效构造不背离本揭露实施例的精神及范围，且其可在本文中做出各种改变、替代及变更而不背离本揭露实施例的精神及范围。

Claims (1)

1.一种包括至少一个半导体装置的生物分子感测装置，每一半导体装置包含：

半导体电路层；及

纳米孔层，其放置于所述电路层上面且通过半导体装置绕线耦合到所述电路层内的电路单元，所述纳米孔层具有穿过其的纳米孔，其中所述电路单元经配置以驱动生物分子穿过所述孔且所述电路单元经配置以检测与所述纳米孔层的电阻或电容相关联的电流，借此能够使用由所述电路单元检测到的所述电流来测定所述生物分子的特征。