CN112444540A - 一种生物传感器和生物传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物传感器。该生物传感器包括：CMOS传感器、反应电极和微孔阵列；所述微孔阵列包括多个微孔结构；所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，所述微孔结构露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置有生物反应探针；所述微孔结构用于容纳样品溶液；所述反应电极围绕所述微孔结构设置，与所述样品溶液接触。该生物传感器基于现有的CMOS结构实现，大幅提高生物传感器的良率，降低生产成本。

Description

一种生物传感器和生物传感器的制备方法

技术领域

本发明实施例涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种生物传感器和生物传感器的制备方法。

背景技术

生物传感器是应生命科学和信息科学的需要而发展起来的，它是生物活性材料与物理化学换能器相结合的一种生物物质敏感器件。生物传感器是发展生物技术必不可少的一种先进检测与监控方法，在医疗、工业控制、食品检测和生物芯片等研究中心有广泛的应用背景。

目前生物传感器的应用技术中，普遍采用荧光标记检测信号，磁珠吸附提取样品。磁珠是包被有特异性生物分子的磁性微球，可与含有相应的靶物质特异性结合形成新的复合物，通过磁场时，这种复合物被滞留，与其他组分相分离，以实现对生物样品的检测。磁珠流程会使用的大量的试剂，且花费时间较多，因此，生产成本高。

发明内容

本发明提供一种生物传感器和生物传感器的制备方法，大幅提高传感器的重复性，降低了器件误差，降低生产成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种生物传感器，该生物传感器包括：CMOS传感器、反应电极和微孔阵列；所述微孔阵列包括多个微孔结构；所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，所述微孔结构露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置有生物反应探针；所述微孔结构用于容纳样品溶液；所述反应电极围绕所述微孔结构设置，与所述样品溶液接触。

可选的，所述CMOS传感器包括：衬底；所述衬底包括N型阱和P型阱；所述N型阱包括源区、沟道区和漏区；所述P型阱包括源区、沟道区和漏区；所述源区上设置有源极叠层电极；所述漏区上设置有漏极叠层电极；所述有源区上设置有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层背离所述衬底一侧设置有栅极，所述栅极上设置有栅极叠层电极；所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离所述衬底一侧设置有所述绝缘层，所述绝缘层上设置有所述微孔结构。

可选的，所述栅极叠层电极中距所述衬底最远的电极层的材料为金；所述反应电极的材料为金。

可选的，所述生物反应探针为具有选择性的生物分子DNA、抗体、酶、核酸适体、肽酶或受体分子。

可选的，所述微孔结构的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

第二方面，本发明实施例还提供了一种生物传感器的制备方法，该方法包括：提供CMOS传感器；在所述CMOS传感器上形成微孔阵列，所述微孔阵列包括多个微孔结构；所述微孔结构用于容纳样品溶液；所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，并露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；围绕所述微孔结构设置反应电极，所述反应电极与样品溶液接触；所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置生物反应探针。

可选的，所述提供CMOS传感器包括：提供一衬底；在所述衬底上形成N型阱和P型阱；所述N型阱包括源区、沟道区和漏区；所述P型阱包括源区、沟道区和漏区；在所述源区上形成源极叠层电极；在所述漏区上形成漏极叠层电极；在有源区上依次形成栅极绝缘层、栅极，以及栅极叠层电极；在所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离所述衬底一侧形成绝缘层。

可选的，在所述CMOS传感器的所述绝缘层上刻蚀形成多个所述微孔结构，以形成所述微孔阵列。

可选的，所述栅极叠层电极中距所述衬底最远的电极层的材料为金；所述反应电极的材料为金。

可选的，所述微孔结构的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

本发明实施例提供的生物传感器，该生物传感器中的反应电极、样品溶液、和栅极叠层电极构成一个电容，样品溶液与生物反应探针发生化学反应，引起电容的介电特性的变化，从而改变电容值，因此作为电容极板的反应电极和栅极叠层电极上的电压均会发生变化，从而可以在传感器输出端检测到电流的变化，实现生物传感器的功能。本实施例提供的生物传感器基于CMOS传感器实现，现有的CMOS传感器工艺成熟，器件性能稳定，因此提高了生物传感器的良率，降低了生产成本低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种生物传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中的微孔阵列的平面示意图；

图3是本发明实施例提供的一种生物传感器制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供的一种生物传感器，图1为本发明实施例提供的一种生物传感器100的结构示意图，参见图1，生物传感器100包括CMOS传感器130、反应电极110和微孔阵列120。

微孔阵列120包括多个微孔结构121；微孔结构121用于容纳样品溶液；

微孔结构121位于CMOS传感器130的栅极叠层电极262所在区域，微孔结构121露出栅极叠层电极262；

微孔结构121露出的栅极叠层电极262上设置有生物反应探针122；

反应电极110围绕微孔结构121设置，与样品溶液接触。

图1只是示例性给出了两个微孔结构221构成的微孔阵列120，实际上如图2所示，微孔阵列120是由微孔结构221沿行方向和列方向延伸的阵列构成。具体的，参见图1，微孔结构121位于栅极叠层电极262的正上方，微孔结构121露出栅极叠层电极262。生物传感器100中的反应电极110、样品溶液和栅极叠层电极262构成一个电容，样品溶液构成电容的介质层，反应电极140和栅极叠层电极262分别充当电容的两个极板。在微孔结构121内，待检测的样品溶液与生物反应探针122接触发生生化反应，引起电容的介电特性的变化，从而改变电容值，因此与样品溶液接触的电极110和栅极叠层电极262上的电压均会发生变化，电压变化导致CMOS输出端的电流发生变化，CMOS输出端为N型阱220漏区223和P型阱230源区231连接后的端口，最终生物传感器的输出端会检测到电流的变化，从而实现生物传感器的功能。

继续参见图1，本发明实施例提供的生物传感器100基于CMOS传感器130来实现，由于CMOS工艺技术已经很成熟、稳定，CMOS传感器的重复性已经大幅提高，器件之间的误差减小，成本降低。

继续参考图1，如图1所示，CMOS传感器130包括：衬底210，衬底210包括N型阱220和P型阱230；

N型阱220包括源区221、沟道区222和漏区223，P型阱130包括源区231、沟道区232和漏区233；

N型阱220的源区221上设置有源极叠层电极261，P型阱230的漏区233上设置有漏极叠层电极263，有源区上设置有栅极绝缘层240，栅极绝缘层240背离衬底一侧设置有栅极250，栅极250上设置有栅极叠层电极262；

栅极叠层电极262、源极叠层电极261以及漏极叠层电极263背离衬底210一侧设置有绝缘层270，绝缘层270上设置有微孔结构221。

CMOS传感器130中，源区与源极叠层电极之间的连接以及源极叠层电极内金属层之间的连接都是通过通孔280，具体的说，N型阱220的源区221和源极叠层电极261之间通过通孔280连接，源极叠层电极261的各金属层之间通过通孔280连接，P型阱230的漏区233与漏极叠层电极263之间通过通孔280连接，漏极叠层电极263的各金属层之间通过通孔280连接，N型阱220的漏区223和P型阱230的源区231通过金属层和通孔280连接，沟道区222和232栅极250和栅极叠层电极262通过通孔280连接，栅极叠层电极262的各金属层之间也通过通孔280连接。源极叠层电极261和漏极叠层电极263分别和外电路连接，栅极叠层电极262为CMOS传感器的输入端。

CMOS传感器130的绝缘层270上刻蚀出微孔结构121，例如，利用CMOS工艺中的刻蚀工艺，在绝缘层270上刻蚀形成微孔结构121，刻蚀后，露出栅极叠层电极262。CMOS中的刻蚀工艺，工艺成熟稳定，有利于进一步提高生物传感器的重复性，降低器件误差。有利于提高生物传感器的重复性，降低器件误差，由于CMOS功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高，因此提高了生物传感器的集成度。

可选的，反应电极110的制备工艺可以与CMOS中金属层的制备工艺相同，例如采用物理气相沉积法形成反应电极110。采用该方式形成的反应电极110为一种片上电极结构，无需外接电极材料，可实现传感器的微型化。采用与CMOS中金属层相同的制备工艺，可以在CMOS产线中采用原有设备增加一道制程，从而减小生产成本。

可选的，栅极叠层电极262中距衬底210最远的电极层的材料为金，反应电极110的材料为金。在生物检测过程中，由于待测样品溶液可能具有腐蚀性，用金做电极能够耐腐蚀，同时金比较稳定不易氧化，可以长时间保持高的导电率，器件的稳定性。

可选的，生物反应探针122选择性的生物分子DNA、抗体、酶、核酸适体、肽酶或受体分子。生物反应探针122可以和特定的分子发生生化反应，引起电容变化，电容变化引起电压变化，变化的电压施加给栅极后，在生物传感器的输出端可以检测到变化的电流，实现生物检测功能。

可选的，微孔结构221的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

本实施例中示例性的设置源极叠层电极261、栅极叠层电极262以及漏极叠层电极263均包括两层金属层，在其他实施方式中，还可以设置源极叠层电极261、栅极叠层电极262以及漏极叠层电极263包括三层、四层、五层金属层等；本发明实施例对此不作限定。需要说明的是，图1中仅仅示出CMOS传感器的一种结构，在其他实施方式中，本发明提供的生物传感器还可以包括其他结构的CMOS传感器，即本发明实施例对CMOS传感器的具体结构不作限定。

图3为本申请实施例提供的一种生物传感器制备方法，如图3所示包括：

步骤310，提供CMOS传感器；

步骤320，在所述CMOS传感器上形成微孔阵列，所述微孔阵列包括多个微孔结构；所述微孔结构用于容纳样品溶液；

步骤330，所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，并露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；

步骤340，围绕所述微孔结构设置反应电极，所述反应电极与样品溶液接触；

步骤350，所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置生物反应探针。

本发明实施例通过在CMOS传感器栅极叠层电极所在的区域设置微孔阵列，微孔阵列包括多个微孔结构。微孔结构露出栅极叠层电极，栅极叠层电极和反应电极充当电容的极板，露出的栅极叠层电极上设置有生物反应探针，生物反应探针和吸附在微孔阵列里的样品溶液发生反应，样品溶液充当电容的介质层。发生反应后引起电容的介电特性的变化，从而改变电容器的电容值，因此电极和栅极叠层电极上的电压均会发生变化，从而引起CMOS输出端的电流发生变化，最终在生物传感器的输出端检测到变化的电流，实现生物传感器的功能。

本实施例的生物传感器的制造方法基于CMOS工艺来实现，由于CMOS工艺技术已经相当成熟、稳定，CMOS传感器的重复性已经大幅提高，器件之间的误差减小，降低成本。由于CMOS功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高，因此提高了生物传感器的集成度。

本实施例只对生物传感器的制备方法做示例性说明，并不对该方法中每一步骤的先后顺序做限制。

可选的，反应电极可以采用CMOS工艺中栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极的金属层形同的工艺方式，例如采用物理气相沉积法形成反应电极。采用该方式形成的反应电极为一种片上电极结构，无需外接电极材料，可实现传感器的微型化。通过中金属层工艺相同的工艺形成反应电极，工艺成熟稳定，有利于进一步提高生物传感器的重复性，降低器件误差。

可选的，提供CMOS传感器包括：提供一衬底；在所述衬底形成的N型阱和P型阱；N型阱包括源区、沟道区和漏区，P型阱包括源区、沟道区和漏区；在所述源区上形成源极叠层电极；在所述漏区上形成漏极叠层电极；在有源区依次形成栅极绝缘层、栅极、以及栅极叠层电极；在所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离所述衬底一侧形成所述绝缘层。

具体的，在衬底上掺硼离子和磷离子形成N型阱和P型阱，N型阱和P型阱的部分区域第二次掺杂，掺杂的离子与N型阱和P型阱自身的离子类型相反，形成源区和漏区，N型阱和P型阱不进行第二次掺杂的区域为沟道区；源区和和漏区上依次形成金属层，金属层之间通过通孔互联，金属层和源区或者漏区之间通过通孔连接，金属层分别形成源极底层电极和漏极叠层电极；沟道区的上方依次形成栅极绝缘层、栅极，以及通过金属层之间的互联形成栅极叠层电极，在所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离衬底一侧形成绝缘层，从而制备出CMOS传感器。

可选的，在所述CMOS传感器的所述绝缘层上刻蚀出所述微孔结构，以形成所述微孔结构。例如，利用CMOS工艺中的刻蚀工艺，在绝缘层上刻蚀形成微孔结构，刻蚀后，露出栅极叠层电极。

通过CMOS中的刻蚀工艺，工艺成熟稳定，有利于进一步提高生物传感器的重复性，降低器件误差。有利于提高生物传感器的重复性，降低器件误差，由于CMOS功耗低、速度快、抗干扰能力强、集成度高，因此提高了生物传感器的集成度。微孔结构露出栅极叠层电极。通过CMOS工艺形成微孔结构，有利于提高生物传感器的重复性，降低器件误差。

可选的，栅极叠层电极中距衬底最远的电极层的材料为金，反应电极的材料为金。在生物检测过程中，由于待测样品溶液可能具有腐蚀性，用金做电极能够耐腐蚀，同时金比较稳定不易氧化，可以长时间保持高的导电率。

可选的，微孔结构的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

本实施例提供的制备CMOS传感器的方法只是示例性说明，实际上还有其他制备CMOS传感器的方法，本申请实施例不对CMOS传感器的制备方法做出限制。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种生物传感器，其特征在于，包括：

CMOS传感器、反应电极和微孔阵列；所述微孔阵列包括多个微孔结构；

所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，所述微孔结构露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；

所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置有生物反应探针；所述微孔结构用于容纳样品溶液；

所述反应电极围绕所述微孔结构设置，与所述样品溶液接触。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述CMOS传感器包括：

衬底；所述衬底包括N型阱和P型阱；

所述N型阱包括源区、沟道区和漏区；所述P型阱包括源区、沟道区和漏区；

所述源区上设置有源极叠层电极；所述漏区上设置有漏极叠层电极；

有源区上设置有栅极绝缘层，所述栅极绝缘层背离所述衬底一侧设置有栅极，所述栅极上设置有栅极叠层电极；

所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离所述衬底一侧设置有所述绝缘层，所述绝缘层上设置有所述微孔结构。

3.根据权利要求2所述的生物传感器，其特征在于，所述栅极叠层电极中距所述衬底最远的电极层的材料为金；所述反应电极的材料为金。

4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述生物反应探针为具有选择性的生物分子DNA、抗体、酶、核酸适体、肽酶或受体分子。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述微孔结构的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

6.一种生物传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供CMOS传感器；

在所述CMOS传感器上形成微孔阵列，所述微孔阵列包括多个微孔结构；所述微孔结构用于容纳样品溶液；

所述微孔结构位于所述CMOS传感器的栅极叠层电极所在区域，并露出所述CMOS传感器的栅极叠层电极；

围绕所述微孔结构设置反应电极，所述反应电极与所述样品溶液接触；

所述微孔结构内露出的所述CMOS传感器的栅极叠层电极上设置生物反应探针。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述提供CMOS传感器包括：

提供一衬底；

在所述衬底上形成N型阱和P型阱；所述N型阱包括源区、沟道区和漏区；所述P型阱包括源区、沟道区和漏区；

在所述源区上形成源极叠层电极；在所述漏区上形成漏极叠层电极；在有源区上依次形成栅极绝缘层、栅极，以及栅极叠层电极；

在所述栅极叠层电极、所述源极叠层电极以及所述漏极叠层电极背离所述衬底一侧形成绝缘层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述CMOS传感器上形成微孔阵列包括：

在所述CMOS传感器的所述绝缘层上刻蚀形成多个所述微孔结构，以形成所述微孔阵列。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述栅极叠层电极中距所述衬底最远的电极层的材料为金；所述反应电极的材料为金。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微孔结构的孔径范围为3-3.4μm；深度范围为1.7-1.9μm。

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