DE102016125295A1

DE102016125295A1 - On-chip-erhitzer

Info

Publication number: DE102016125295A1
Application number: DE102016125295.6A
Authority: DE
Inventors: Tung-Tsun Chen; Jui-Cheng Huang; Mark Chen; Cheng-Hsiang Hsieh
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: DE102016125295B4; US20210109059A1; US20230384259A1; KR102030231B1; TW201834187A; US20180164246A1; KR20180068833A; CN108226257A; US10852271B2; CN108226257B; TWI669802B

Abstract

Ein On-Chip-Erhitzer in einer konzentrischen Ringkonfiguration, der nicht gleichförmige Abstände zwischen Heizelementen aufweist, bietet verbesserte radiale Temperaturgleichförmigkeit und einen niedrigen Stromverbrauch im Vergleich zu kreisförmigen oder quadratischen Heizelementen. On-Chip-Erhitzer sind geeignet für die Integration und den Einsatz mit On-Chip-Sensoren, die genaue Temperatursteuerung erfordern.

Description

HINTERGRUND
Verschiedene Arten von Sensoren wie Biosensoren, Gassensoren, Ionensensoren und dergleichen sind oft auf einem Chip mit komplementären Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Schaltungen integriert, um eine verbesserte Empfindlichkeit, Kostensenkungen und Portabilität zu erreichen. In manchen Fällen sind in diesen Sensoren On-Chip-Erhitzer integriert.
Figurenliste
Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden, wenn sie mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Man beachte, dass in Übereinstimmung mit dem üblichen Vorgehen in der Branche verschiedene Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Elemente zur Klarheit der Beschreibung beliebig vergrößert oder verkleinert werden.

1A ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Erhitzers.
1B ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Sensorarrays.
2 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Vorrichtung, die einen Sensor, einen Fluidkanal, einen Erhitzer und einen Temperatursensor aufweist.
3A ist eine beispielhafte Heizelementkonfiguration in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
3B ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Heizelementkonfiguration in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
4 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines beispielhaften Erhitzers in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
5A ist ein beispielhafter Erhitzer in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
5B ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines beispielhaften Erhitzers in Übereinstimmung mit der Offenbarung.
6 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Herstellungsverfahrens eines integrierten On-Chip-Erhitzers in Übereinstimmung mit der Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Offenbarung sieht viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele vor, um verschiedene Einrichtungen des vorgesehenen Gegenstands zu implementieren. Spezielle Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind unten beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind natürlich nur Beispiele und sollen nicht einschränkend wirken. Das Ausbilden einer ersten Einrichtung über oder auf einer zweiten Einrichtung in der folgenden Beschreibung kann beispielsweise Ausführungsformen umfassen, in denen die erste und die zweite Einrichtung in direktem Kontakt ausgebildet sind, und kann auch Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Einrichtungen zwischen der ersten Einrichtung und der zweiten Einrichtung ausgebildet sein können, so dass die erste und die zweite Einrichtung nicht in direktem Kontakt sein müssen. Zusätzlich kann die vorliegende Offenbarung Bezugszeichen und/oder Buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung erzwingt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen.
Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „unten“, „unter“, „unterer“, „über“, „oberer“ und ähnliche, hier der Einfachheit der Beschreibung halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder einer Einrichtung mit anderen Element(en) oder Einrichtung(en) zu beschreiben, wie in den Figuren gezeigt ist. Die räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung, die verwendet oder betrieben wird, zusätzlich zu der in den Figuren gezeigten Orientierung umfassen. Die Vorrichtung kann anders orientiert sein (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung) und die räumlich relativen Begriffe, die hier verwendet werden, können ebenfalls demgemäß interpretiert werden.
Der Begriff „nominal“ bezieht sich auf einen gewünschten oder Zielwert eines Merkmals oder Parameters für eine Komponente oder einen Verfahrensschritt, der während der Entwurfsphase eines Produkts oder Verfahrens festgelegt wird, zusammen mit einer Reihe von Werten über und/oder unter dem gewünschten Wert. Dieser Wertebereich entsteht üblicherweise aufgrund von leichten Abweichungen in Herstellungsverfahren oder -toleranzen.
Wenn nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem diese Offenbarung gehört. Obwohl beliebige Verfahren und Materialien ähnlich oder gleich den hier beschriebenen in der Praxis oder beim Testen von Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der Offenbarung verwendet werden können, werden diese Verfahren, Vorrichtungen und Materialien jetzt beschrieben. Alle Patente und Veröffentlichungen, die hierin erwähnt werden, sind hier durch Bezugnahme zum Zweck der Beschreibung und Offenbarung der Materialien und Verfahren aufgenommen, die in den Veröffentlichungen berichtet werden, die zusammen mit den Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung verwendet werden können.
Das Akronym „FET“, wie es hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor. Eine sehr verbreitete Art von FET wird als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) bezeichnet. Früher waren MOSFETs planaren Strukturen, die in und auf der ebenen Oberfläche eines Substrats wie beispielsweise eines Halbleiterwafers hergestellt wurden. Fortschritte in der Halbleiterherstellung haben jedoch zu dreidimensionalen MOSFET-Strukturen geführt, beispielsweise Stegbasierte MOSFETs.
„S/D“ bezieht sich auf die Source/Drain-Übergänge, die zwei der drei Anschlüsse eines FETs bilden.
Die Ausdrücke „Front-Side“ und „Back-Side“ werden in der Halbleiterfertigungsbranche üblicherweise so verwendet, dass sie sich auf eine erste Seite eines Wafers, auf dem die Transistorschaltungen und verschiedenen Schichten von Verbindungen angeordnet werden, bzw. auf eine zweite Seite des Wafers beziehen, die der ersten Seite gegenüberliegt. Wafer werden manchmal als Substrate bezeichnet.
Der Begriff „bioFET“ bezieht sich auf einen FET, der eine Schicht aus immobilisierten Sondenmolekülen umfasst, die als Oberflächenrezeptoren wirken, um die Anwesenheit eines Zielanalyten biologischen Ursprungs nachzuweisen. Ein bioFET ist gemäß einer Ausführungsform ein Feldeffektsensor mit einem Halbleiterwandler. Ein Vorteil von bioFETs ist die Möglichkeit des markierungsfreien Betriebs. Insbesondere erlauben bioFETs es, teure und zeitraubende Markierungsoperationen wie beispielsweise die Markierung eines Analyten, etwa mit fluoreszierenden oder radioaktiven Sonden, zu vermeiden. Eine spezielle Art von bioFETs, die hier beschrieben ist, ist ein rückseitig messender (engl. „back-side sensing“) Dual-Gate-bioFET. Die Analyten zum Nachweis durch einen bioFET sind üblicherweise biologischen Ursprungs, etwa - ohne Einschränkung - Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Gewebefragmente oder Teile davon. Allgemeiner betrachtet sind BioFETs jedoch Teil einer breiteren Klasse von FET-Sensoren, die auch beliebige chemische Verbindungen nachweisen können (im Stand der Technik als ChemFET bekannt), oder jedes andere Element einschließlich Ionen wie Protonen oder Metallionen (im Stand der Technik als ISFET bekannt). Die Erfindung soll sich auf alle Arten von FET-basierten Sensoren („FET-Sensor“) beziehen. Eine spezielle Art von FET-Sensor ist hier der rückseitig messende Dual-Gate-FET-Sensor („DG-BSS-FET-Sensor“).
Der Ausdruck „rückseitig messender Dual-Gate-FET (DG-BSS-FET)“ bezieht sich auf eine FET-Struktur, die einen primären Gatestapel und einen sekundären Gatestapel, die auf vertikal gegenüberliegenden Oberflächen eines gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet sind, und eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain aufweist, die seitlich voneinander durch den gemeinsamen Kanalbereich getrennt sind. Der primäre Gatestapel weist ein erstes Gatedielektrikum, das auf einer ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und eine erste Gateelektrode auf, die auf dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist. Der sekundäre Gatestapel weist ein zweites Gatedielektrikum, das auf der zweiten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, die der ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs gegenüberliegt, und ein Einfangreagenz auf, das auf dem zweiten Gatedielektrikum angeordnet ist. In dieser Konfiguration wird die FET-Struktur im Lastbetrieb zu einem Sensor, der die Anwesenheit eines Zielanalyten durch seinen sekundären Gatestapel nachweist. Außer es ist hier anders angegeben, liegt der primäre Gatestapel auf der Vorderseite und das zweite Gatedielektrikum auf der Rückseite.
Der Ausdruck „high-k“ bezeichnet eine hohe Dielektrizitätskonstante. Wie hier verwendet bezeichnet „high-k“ eine Dielektrizitätskonstante, die größer ist als die Dielektrizitätskonstante von SiO₂ (d. h. größer als 3,9). Analog bezeichnet der Ausdruck „low-k“ eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Wie hier verwendet bezeichnet „low-k“ eine Dielektrizitätskonstante, die kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante von SiO₂ (d. h. kleiner als 3,9).
Der Begriff „Analyse“ bezieht sich allgemein auf ein Verfahren oder Schritt, der physikalische, chemische, biologische oder biologische Analyse beinhaltet, die ohne Einschränkung Beschreibung, Testen, Messen, Optimieren, Trennen, Synthese, Zusetzen, Filtern, Lösen oder Mischen umfasst.
Der Begriff „Assay“ bezieht sich allgemein auf ein Verfahren oder Schritt, der die Analyse eines chemischen oder Zielanalyten beinhaltet, und umfasst ohne Einschränkung Zell-basierte Assays, biochemische Assays, Assays mit hohem Durchsatz und Screening, diagnostische Assays, pH-Bestimmung, Assays zur Nukleinsäure-Hybridisierung, Polymeraseaktivitäts-Assays, Nukleinsäure- und Proteinsequenzierung, Immunoassays (z. B. Antikörper-Antigen-Bindungsassays, ELISAs und iqPCR), Bisulfit-Methylierungsassays zum Nachweis des Methylierungsmusters von Genen, Proteinassays, Proteinbindungsassays (z. B. Protein-Protein-, Protein-Nukleinsäure- und Protein-Ligand-Bindungsassays), enzymatische Assays, gekoppelte enzymatische Assays, kinetische Messungen (z. B. Kinetik der Proteinfaltung und enzymatische Reaktionskinetik), Enzym-Inhibitor- und Aktivator-Screening, Chemilumineszenz- und Elektrochemilumineszenz-Assays, Fluoreszenz-Assays, Fluoreszenz-Polarisations- und Anisotropie-Assays, Absorbier- und kolorimetrische Assays (z. B. Bradford-Assays, Lowry-Assays, Hartree-Lowry-Assays, Biuret-Assays und BCA-Assays), chemische Assays (z.B. zum Nachweis von Umweltschadstoffen und Kontaminanten, Nanopartikeln oder Polymeren) und Drogen-Spürassays. Die hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren können einen oder mehrere dieser Assays verwenden oder enthalten, die mit jedem DG-BSS-FET verwendet werden können.
Der Begriff „Flüssigbiopsie“ bezeichnet im Allgemeinen eine Biopsieprobe, die von der Körperflüssigkeit eines Probanden entnommen wird, im Gegensatz zu einer Gewebeprobe des Probanden. Die Möglichkeit, Assays mittels einer Körperflüssigkeitsprobe durchzuführen, ist oft der Verwendung einer Gewebeprobe vorzuziehen. Der weniger invasive Ansatz der Verwendung einer Körperflüssigkeitsprobe hat weitreichende Folgen in Bezug auf das Wohlergehen des Patienten, die Möglichkeit der Durchführung longitudinaler Krankheitsüberwachung und die Möglichkeit, Expressionsprofile selbst dann zu erhalten, wenn Gewebezellen nicht leicht zugänglich sind, z. B. in der Prostata. Assays, die verwendet werden, um Zielanalyte in flüssigen Biopsieproben nachzuweisen, umfassen ohne Einschränkung die oben beschriebenen. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein Assay für zirkulierende Tumorzellen (CTC) auf eine flüssige Biopsieprobe angewendet werden.
Beispielsweise kann ein Einfangreagenz (z. B. ein Antikörper), das auf einem FET-Sensor immobilisiert ist (z. B. der zweiten dielektrischen Schicht eines DG-BSS-FET), zur Biorekognitions-Reaktion mit einem Zielanalyten (z. B. einem Tumor-Zellmarker) in einer Flüssigbiopsieprobe unter Verwendung eines CTC-Assays verwendet werden. CTCs sind Zellen, die von einem Tumor in die Blutgefäße gelangt sind und z. B. im Blutkreislauf zirkulieren. Im Allgemeinen sind CTCs im Blutkreislauf in sehr niedriger Konzentration vorhanden. Um an den CTCs einen Assay durchzuführen, werden die CTCs aus Patientenblut oder -plasma durch verschiedene Techniken angereichert, die im Stand der Technik bekannt sind. CTCs können für spezifische Marker unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Verfahren gefärbt werden, einschließlich ohne Einschränkung Zytometrie-(z.B. Flusszytometrie)-basierten Verfahren und IHC-basierte Verfahren. Für die hier beschriebenen Vorrichtungen, Systeme und Verfahren können CTCs durch ein Einfangreagenz gefangen werden oder die Nukleinsäuren, Proteine oder anderen zelluläre Milieus der CTCs können als Zielanalyte zur Bindung an ein Einfangreagenz untersucht werden.
Wenn ein Zielanalyt auf oder von einer CTC nachgewiesen wird, kann z. B. eine Erhöhung des CTCs ausdrückenden oder enthaltenden Zielanalyts dazu beitragen, zu erkennen, ob die Person einen Krebs hat, der wahrscheinlich auf eine spezielle Therapie anspricht (z. B. eine, die mit dem Zielanalyt zusammenhängt), oder ein therapeutisches Regime kann optimiert werden, z. B. mit einem Antikörper des Zielanalyten. CTC-Messung und Quantifizierung kann Informationen beispielsweise über das Stadium des Tumors, die Reaktion auf die Therapie, den Krankheitsverlauf oder eine Kombination davon liefern. Die durch den Nachweis des Zielanalyten für die CTC erhaltenen Informationen können z. B. als prognostischer, prädiktiver oder pharmakodynamischer Biomarker verwendet werden. Zusätzlich können CTC-Assays für eine Flüssigbiopsieprobe entweder allein oder in Kombination mit weiterer Tumormarkeranalyse von festen Biopsieproben verwendet werden.
Der Begriff „Identifizierung“ bezieht sich allgemein auf den Prozess der des Bestimmens der Identität eines Zielanalyten auf Grundlage seiner Bindung an ein Einfangreagenz, dessen Identität bekannt ist.
Der Begriff „Messung“ bezieht sich allgemein auf den Prozess der Bestimmung der Menge, Qualität oder Eigenschaften eines Zielanalyten auf Grundlage seiner Bindung mit einem Einfangreagenz.
Der Begriff „Quantifizierung“ bezieht sich allgemein auf den Prozess der Bestimmung der Menge oder Konzentration eines Zielanalyten auf Grundlage seiner Bindung an ein Einfangreagenz.
Der Begriff „Nachweis“ bezieht sich allgemein auf den Prozess der Bestimmung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Zielanalyten auf Grundlage seiner Bindung an ein Einfangreagenz. Nachweis umfasst ohne Einschränkung Identifizierung, Messung und Quantifizierung.
Der Begriff „chemisch“ bezieht sich auf eine Substanz, Verbindung, Mischung, Lösung, Emulsion, Dispersion, Molekül, Ion, Dimer, Makromolekül wie beispielsweise ein Polymer oder Protein, Biomolekül, Ablagerung, Kristall, chemischen Bestandteil oder Gruppe, Partikel, Nanopartikel, Reagenz, Reaktionsprodukt, Lösungsmittel oder Flüssigkeit, die jeweils in fester, flüssiger oder gasförmiger Form vorliegen können und die üblicherweise Gegenstand einer Analyse ist.
Der Begriff „Reaktion“ bezieht sich auf eine physikalische, chemische oder biologische Transformation, die mindestens eine chemische Substanz betrifft und die im Allgemeinen (im Fall von chemischen, biochemischen und biologischen Transformationen) das Brechen oder Bilden einer oder mehrerer Bindungen wie beispielsweise kovalenter, nicht-kovalenter, van der Waals-, Wasserstoff- oder ionischer Bindungen beinhaltet. Der Begriff schließt typische chemische Reaktionen ein wie Synthesereaktionen, Neutralisationsreaktionen, Abbaureaktionen, Ersetzungsreaktionen, Redox-Reaktionen, Ausfällung, Kristallisation, Verbrennungsreaktionen und Polymerisationsreaktionen sowie kovalente und nicht-kovalente Bindung, Phasenwechsel, Farbwechsel, Phasenbildung, Kristallisation, Lösung, Lichtemission, Änderungen der Lichtabsorption oder Emissionseigenschaften, Temperaturänderung oder Wärmeabsorption oder -emission, konformationelle Änderung und Falten oder Entfalten eines Makromoleküls wie eines Proteins.
„Einfangreagenz“ wie hierin verwendet ist ein Molekül oder eine Verbindung, die den Zielanalyten oder das Zielreagenz binden kann, das direkt oder indirekt an ein im Wesentlichen festes Material gebunden werden kann. Das Einfangreagenz kann eine Chemikalie sein und insbesondere jede Substanz, für die es ein natürlich vorkommendes Zielanalyt (z. B. einen Antikörper, Polypeptid, DNA, RNA, Zelle, Virus etc.) gibt oder für die ein Zielanalyt bereitet werden kann, und das Einfangreagenz kann einen oder mehrere Zielanalyten in einem Assay binden.
„Zielanalyt“ wie hierin verwendet ist die Substanz in der Testprobe, die unter Verwendung von Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung nachgewiesen werden soll. Der Zielanalyt kann eine Chemikalie sein und insbesondere jede Substanz, für die es ein natürlich vorkommendes Einfangreagenz (z. B. ein Antikörper, Polypeptid, DNA, RNA, Zelle, Virus etc.) gibt oder für die ein Einfangreagenz bereitet werden kann, und das Zielanalyt kann einen oder mehrere Einfangreagenzien in einem Assay binden. „Zielanalyt“ umfasst auch alle antigenen Substanzen, Antikörper und Kombinationen davon. Der Zielanalyt kann ein Protein, ein Peptid, eine Aminosäure, ein Kohlenhydrat, ein Hormon, ein Steroid, ein Vitamin, ein Medikament einschließlich solcher, die für therapeutische Zwecke verabreicht werden, als auch solcher, die für illegale Zwecke verabreicht werden, ein Bakterium, einen Virus und Metaboliten von oder Antikörper zu jeder der obigen Substanzen umfassen.
„Testprobe“ wie hierin verwendet bedeutet die Zusammensetzung, Lösung, Substanz, Gas oder Flüssigkeit, die das Zielanalyt enthält, das nachgewiesen oder getestet werden soll. Die Testprobe kann andere Komponenten neben den Zielanalyten enthalten, kann die physikalischen Eigenschaften einer Flüssigkeit oder eines Gases haben und kann von jeder Größe oder Volumen sein und umfasst beispielsweise einen sich bewegenden Gas- oder Flüssigkeitsstrom. Die Testprobe kann beliebige andere Substanzen außer dem Zielanalyten enthalten, solange die anderen Substanzen nicht die Bindung des Zielanalyten mit dem Einfangreagenz oder die spezifische Bindung des ersten Bindungselements an das zweite Bindungselement stören. Beispiele für Testproben umfassen ohne Einschränkung natürlich vorkommende und nicht natürlich vorkommende Proben oder Kombinationen davon. Natürlich vorkommende Testproben können synthetisch oder synthetisiert sein. Natürlich vorkommenden Testproben umfassen Körper oder Körperflüssigkeiten, die von einem beliebigen Ort in oder auf dem Körper eines Probanden isoliert werden, einschließlich ohne Einschränkungen Blut, Plasma, Serum, Urin, Speichel oder Sputum, Rückenmarksflüssigkeit, Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit, Pleuraflüssigkeit, Nippelaspirat, Lymphflüssigkeit, Flüssigkeit des Atem-, Darm- und Urogenitaltrakts, Tränenflüssigkeit, Muttermilch, Flüssigkeit des lymphatischen Systems, Samen, Flüssigkeit in einem Organsystem, Aszitesflüssigkeit, Tumorzystenflüssigkeit, Fruchtwasser und Kombinationen davon und Umweltproben wie Grundwasser oder Abwasser, Bodenextrakte, Luft und Pestizidrückstände oder Proben von Lebensmitteln.
Nachgewiesene Substanzen können beispielsweise Nukleinsäuren (einschließlich DNA und RNA), Hormone, verschiedenen Pathogene (einschließlich biologischer Wirkstoffe, die Krankheit oder Unwohlsein für den Betroffenen hervorruft, etwa eines Virus (z. B. H7N9 oder HIV), eines Protozoons (z. B. Palsmodiumhervorrufende Malaria) oder eines Bakteriums (z. B. E Coli oder Mycobacterium tuberculosis)), Proteine, Antikörper, verschiedene Medikamente oder Therapeutika oder andere chemische oder biologische Substanzen einschließlich Wasserstoff oder anderer Ionen, nicht-ionische Moleküle oder Verbindungen, Polysaccharide, kleine chemische Verbindungen wie Einträge in einer chemischen kombinatorischen Bibliothek und ähnliches umfassen. Nachgewiesene oder ermittelte Parameter umfassen ohne Einschränkung z. B. pH-Änderungen, Laktoseänderungen, Konzentrationsänderungen, Partikel pro Zeiteinheit, wenn ein Fluid über die Vorrichtung während eines Zeitraums fließt, um Partikel nachzuweisen, z. B. seltene Partikel, und andere Parameter.
Wie hier verwendet umfasst der Begriff „immobilisiert“, wenn er in Bezug beispielsweise auf ein Einfangreagenz verwendet wird, im Wesentlichen das Anhaften des Einfangreagenzes auf molekularer Ebene an einer Oberfläche. Ein Einfangreagenz kann beispielsweise auf einer Oberfläche der rückseitigen dielektrischen Schicht unter Verwendung von Adsorptionstechniken einschließlich nicht-kovalenter Wechselwirkungen (z. B. elektrostatischer Kräfte, van-der-Waals-Kräfte und Dehydratisierung von hydrophoben Grenzflächen) und kovalenter Bindungstechniken immobilisiert werden, bei denen funktionelle Gruppen oder Linker zum Anhaften des Einfangreagenzes an die Oberfläche der rückseitigen dielektrischen Schicht beitragen. Das Immobilisieren eines Einfangreagenzes an einer Oberfläche einer rückseitigen dielektrischen Schicht kann auf den Eigenschaften der Oberfläche, des Mediums, das das Einfangreagenz trägt, und den Eigenschaften des Einfangreagenzes basieren. In einigen Fällen kann eine Oberfläche der rückseitigen dielektrischen Schicht zuerst so modifiziert werden, dass sie daran gebundene funktionelle Gruppen aufweist. Die funktionellen Gruppen können dann an Biomoleküle oder biologische oder chemische Substanzen so binden, dass sie darauf immobilisiert werden.
Der Begriff „Nukleinsäure“ bezieht sich im Allgemeinen auf einen Satz von Nukleotiden, die an einander über Phosphodiester-Bindungen gebunden sind, und bezieht sich auf eine natürlich vorkommende Nukleinsäure, mit der eine natürlich vorkommendes Nukleotid verbunden ist, das in der Natur vorhanden ist, beispielsweise DNA, die Desoxyribonukleotide umfasst, die Adenin und/oder Guanin, Cytosin und Thymin aufweisen, die miteinander verbunden sind, und/oder RNA, die Ribonukleotide umfasst, die Adenin und/oder Guanin, Cytosin und Uracil aufweisen, die miteinander verbunden sind. Zusätzlich liegen nicht natürlich vorkommende Nukleotide und nicht natürlich vorkommende Nukleinsäuren innerhalb des Schutzumfangs der Nukleinsäuren, wie dieser Begriff hierin verwendet wird. Beispiele umfassen Peptid-Nukleinsäuren (PNA), Peptid-Nukleinsäuren mit Phosphatgruppen (PHONA), Bridged/Locked RNA (BNA/LNA) und Morpholin-Nukleinsäuren. Weitere Beispiele umfassen chemisch modifizierte Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga wie Methylphosphonat-DNA/RNA, Phosphorothioat-DNA/RNA, Phosphoramidat-DNA/RNA und 2'-O-Methyl-DNA/RNA. Nukleinsäuren umfassen solche, die modifiziert werden können. Beispielsweise kann eine Phosphorsäuregruppe, ein Zucker und/oder eine Base in einer Nukleinsäure als notwendig gekennzeichnet werden. Jede Substanz zum Markieren von Nukleinsäuren in der Technik kann für das Markieren verwendet werden. Beispiele davon umfassen ohne Einschränkung radioaktive Isotope (z. B. 32P, 3H, und 14C), DIG, Biotin, fluoreszente Färbstoffe (z. B. FITC, Texas, cy3, cy5, cy7, FAM, HEX, VIC, JOE, Rox, TET, Bodipy493, NBD und TAMRA) und Leuchtstoffe (z. B. Acridiniumester).
Aptamer wie hierin verwendet bezieht sich auf Oligonukleinsäuren oder Peptidmoleküle, die an ein spezifisches Zielmolekül binden. Das Konzept der Verwendung von Einzelstrang-Nukleinsäuren (Aptameren) als Affinitätsmoleküle für die Proteinbindung wurde zunächst 1990 offenbart (Ellington und Szostak 1990, 1992; Tuerk und Gold 1990) und basiert auf der Fähigkeit der Faltung von kurzen Sequenzen beim Vorhandensein eines Ziels in eindeutige, dreidimensionale Strukturen, die an das Ziel mit hoher Affinität und Spezifität binden. Eugene W. M. Ng et al. 2006 offenbart, dass Aptamere Oligonukleotid-Liganden sind, die für hochaffine Bindung mit molekularen Zielen ausgewählt werden.
Der Begriff „Protein“ bezieht sich im Allgemeinen auf einen Satz von Aminosäuren, die in einer bestimmten Sequenz an einander gebunden sind. Ein Protein kann entweder natürlich vorkommend oder künstlich sein. Wie hier verwendet umfasst der Begriff „Protein“ Aminosäuresequenz sowie Aminosäuresequenzen, die so modifiziert wurden, dass sie Bestandteile oder Gruppen enthalten wie Zucker, Polymere, metallorganische Gruppen, fluoreszierende oder lichtemittierende Gruppen, Bestandteile oder Gruppen, die einen Prozess wie intramolekularen oder intermolekularen Elektronentransfer verbessern oder daran teilnehmen, Bestandteile oder Gruppen, die dazu beitragen oder dazu führen, dass ein Protein eine bestimmte Konformation oder einer Reihe von Konformationen annimmt, Bestandteile oder Gruppen, die zu Proteinfaltung führen, sie verbessern oder verhindern, oder andere Bestandteile oder Gruppen, die in die Aminosäuresequenz eingebaut werden und die die chemischen, biochemischen oder biologischen Eigenschaften der Sequenz modifizieren sollen. Wie hierin verwendet, umfassen Proteine ohne Einschränkung Enzyme, strukturelle Elemente, Antikörper, Hormone, Elektronenträger und andere Makromoleküle, die in Prozessen wie zellulären Prozesse oder Vorgängen vorkommen. Proteine haben in der Regel bis zu vier Strukturebenen, die primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Strukturen umfassen.
Der Begriff „Antikörper“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein Polypeptid der Immunglobulin-Familie, das ein entsprechendes Antigen nicht-kovalent, reversibel und in einer spezifischen Weise binden kann. Ein natürlich vorkommender IgG-Antikörper ist beispielsweise ein Tetramer, der mindestens zwei schwere (H) Ketten und zwei leichte (L) Ketten umfasst, die durch Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Jede schwere Kette besteht aus einer variablen Region der schweren Kette (hier abgekürzt als VH) und einer konstanten Region der schweren Kette. Die konstante Region der schweren Kette besteht aus drei Domänen, CH1, CH2 und CH3. Jede leichte Kette besteht aus einer variablen Region der leichten Kette (hier abgekürzt als VL) und einer konstanten Region der leichten Kette. Die konstante Region der leichten Kette besteht aus einer Domäne, CL. Die VH- und VL-Regionen können weiter in Hypervariabilitätsregionen unterteilt sein, die als komplementaritätsbestimmende Regionen (CDRs) bezeichnet werden und zwischen denen Regionen liegen, die konservierter sind und als „Framework-Regionen“ (FRs) bezeichnet werden. Jede VH und VL besteht aus drei CDRs und vier FRs, die vom Amino-Terminus zum Carboxy-Terminus in der folgenden Reihenfolge angeordnet sind: FR1, CDR1, FR2, CDR2, FR3, CDR3 und FR4. Die drei CDRs bilden ungefähr 15-20% der variablen Domänen. Die variablen Regionen der schweren und leichten Ketten enthalten eine Bindungsdomäne, die mit einem Antigen interagiert. Die konstanten Regionen der Antikörper können die Bindung des Immunglobulins an Wirtsgewebe oder Faktoren vermitteln, die verschiedene Zellen des Immunsystems (z. B. Effektorzellen) und der ersten Komponente (C1q) des klassischen Komplementsystems umfassen. (Kuby, Immunology, 4. Ausg. Kapitel 4, W.H. Freeman & Co, New York 2000).
Der Begriff „Antikörper“ umfasst ohne Einschränkungen monoklonale Antikörper, humanisierte Antikörper, chimäre Antikörper und anti-idiotypische (anti-Id) Antikörper (einschließlich z. B. Anti-Id-Antikörpern zu Antikörpern der Erfindung). Die Antikörper können zu jedem Isotyp/Klasse z. B. IgG, IgE, IgM, IgD, IgA und IgY) oder Subklasse (z. B. IgG1, IgG2, IgG3, IgG4, IgA1 und IgA2) gehören.
Der Begriff „Antigen-bindendes Fragment“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf ein oder mehrere Teile eines Antikörpers, die die Fähigkeit zur spezifischen Wechselwirkung (z. B. durch Bindung, sterische Hinderung, Stabilisierung/Destabilisierung, räumliche Verteilung) mit einem Epitop eines Antigens behalten. Beispiele für Bindungsfragmente umfassen ohne Einschränkung Einzelketten-Fvs (scFv), kamelide Antikörper, Disulfid-gebundene Fvs (sdFV), Fab-Fragmente, F(ab')-Fragmente, monovalente Fragmente, die aus den VL, VH, CL und CG1-Domänen bestehen; F(ab)2-Fragmente, bivalente Fragmente, die zwei Fab-Fragmente aufweisen, die durch eine Disulfidbrücke in der Scharnierregion verbunden sind; Fd-Fragmente, die aus den VH- und CH1-Domänen bestehen; Fv-Fragmente, die aus den VL- und VH-Domänen eines einzelnen Arms eines Antikörpers bestehen; dAb-Fragmente (Ward et al., Nature 341:544-546, 1989), die aus einer VH-Domäne bestehen, und eine isolierte komplementaritätsbestimmende Region (CDR) oder andere Epitop-bindende Fragmente eines Antikörpers.
Weiter können, obwohl die zwei Domänen des Fv-Fragments, VL und VH, für verschiedene Gene kodiert sind, mittels rekombinanter Verfahren durch einen synthetischen Linker verbunden werden, der es ihnen erlaubt, als einzelne Proteinkette hergestellt zu werden, in der die VL- und VH-Regionen so kombiniert werden, dass sie monovalente Moleküle bilden (die als Einzelketten-Fv („scFv“) bekannt sind, siehe z. B. Bird et al., Science 242:423-426, 1988 und Huston et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 85:5879-5883, 1988). Solche Einzelkettenantikörper sollen auch im Begrifft „Antigen-Bindungsfragment“ eingeschlossen sein. Diese Antigen-Bindungsfragmente werden durch herkömmliche Techniken erhalten, die dem Fachmann bekannt sind, und die Fragmente werden für ihre Eignung wie vollständige Antikörper gescreent.
Antigen-Bindungsfragmente können auch in Einzeldomänen-Antikörper, Maxibodies, Minibodies, Intrabodies, Diabodies, Triabodies, Tetrabodies, v-NAR und bis-scFv einbezogen werden (siehe z. B. Hollinger und Hudson, Nature Biotechnology 23:1126-1136, 2005). Antigen-Bindungsfragmente können basierend auf Polypeptiden wie Fibronectin-Typ III (Fn3) in Gerüste gepackt werden (siehe US-Patent Nr. 6 703 199 , das Fibronectin-Polypeptid-Monobodies beschreibt).
Antigen-Bindungsfragmente können in Einzelkettenmoleküle eingebaut werden, die ein Paar von Tandem-Fv-Segmenten (VH-CH1-VH-CH1) umfassen, das zusammen mit komplementären Leichte-Kette-Polypeptiden ein Paar von Antigen-Bindungsregionen bildet (Zapata et al., Protein Eng. 8:1057-1062, 1995 und US-Pat. Nr. 5 641 870 ).
Der Begriff „monoklonaler Antikörper“ oder „monoklonale Antikörperzusammensetzung“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf Polypeptide einschließlich Antikörper und Antigen-Bindungsfragmente, die im Wesentlichen identische Aminosäuresequenzen haben oder aus dem gleichen genetischen Code abgeleitet sind. Dieser Begriff umfasst auch Präparate von Antikörpermolekülen von Antikörpermolekülen von einzelnen molekularen Zusammensetzungen. Eine monoklonale Antikörperzusammensetzung zeigt eine einzige Bindungsspezifität und -affinität für ein bestimmtes Epitop.
Der Begriff „Nanopartikel“ bezieht sich auf atomare, molekulare oder makromolekulare Partikel, die üblicherweise eine Längenskala im Bereich von etwa 1-100 Nanometern haben. Üblicherweise werden die neuen und herausstechenden Eigenschaften von Nanopartikeln auf einer kritischen Längenskala von meist unter 100 nm beobachtet oder entwickelt. Nanopartikel können zum Errichten von Strukturen im Nanomaßstab verwendet und in größere materielle Komponenten, Systeme und Architekturen integriert werden. In bestimmten Fällen kann die kritische Längenskala für neuartige Eigenschaften und Phänomene bei Nanopartikeln unter 1 nm liegen (z. B. bei der Behandlung von Atomen bei etwa 0,1 nm) oder kann größer als 100 nm sein (z. B. Nanopartikel-verstärkte Polymere, die ihre auszeichnenden Eigenschaften bei etwa 200-300 nm als Funktion der lokalen Brücken oder Bindungen zwischen den Nanopartikeln und dem Polymer haben).
Der Begriff „Keimbildungs-Zusammensetzung“ bezieht sich auf eine Substanz oder Mischung, die einen oder mehrere Wachstumskeime aufweist, die unter Bedingungen in ein Kristall wachsen können, die für die Kristallbildung geeignet sind. Eine Keimbildungs-Zusammensetzung kann zum Beispiel durch Verdampfung, Änderungen der Reagenzkonzentration, Zusetzen einer Substanz wie beispielsweise einem Fällmittel, Impfen mit einem festen Material, mechanisches Rühren oder Zerkratzen einer Oberfläche in Kontakt mit der Keimbildungs-Zusammensetzung zur Kristallisation veranlasst werden.
Der Begriff „partikelförmig“ bezieht sich auf einen Cluster oder eine Agglomeration von Partikeln wie Atomen, Molekülen, Ionen, Dimeren, Polymeren oder Biomolekülen. Partikel können Feststoffe enthalten oder im Wesentlichen fest sein, sie können aber auch porös oder teilweise hohl sein. Sie können eine Flüssigkeit oder ein Gas enthalten. Zusätzlich können Partikel homogen oder heterogen sein, das heißt, dass sie eine oder mehrere Substanzen oder Materialien umfassen können.
Der Begriff „Polymer“ bezeichnet jede Substanz oder Verbindung, die aus zwei oder mehreren Bausteinen („Meren“) besteht, die wiederholt miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist ein „Dimer“ eine Verbindung, in der zwei Bausteine miteinander verbunden wurden. Polymere umfassen sowohl Polykondensate als auch Polymerisate. Übliche Beispiele für Polykondensate umfassen Polyamid, Polyester, Proteine, Wolle, Seide, Polyurethan, Zellulose und Polysiloxan. Beispiele für Polymerisate sind Polyethylen, Polyisobutylen, Polyacrylnitril, Poly(vinylchlorid) und Polystyrol. Andere Beispiele umfassen Polymere mit verbesserten elektrischen oder optischen Eigenschaften (z. B. nichtlinearen optischen Eigenschaften) wie beispielsweise elektrisch leitfähige oder photorefraktive Polymere. Der Begriff Polymer wie hier verwendet umfasst sowohl lineare als auch verzweigte Polymere.
ÜBERBLICK
On-Chip-Erhitzer in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung bieten eine verbesserte Gleichförmigkeit der Wärmeverteilung in Abschnitten eines Chips, in denen sie arbeiten. In einer Vielzahl von On-Chip-Sensor-Anwendungen ist die Temperatursteuerung des Erfassungsbereiches nützlich, um eine Reaktion zu fördern oder einzuleiten. Für solche Anwendungen sollte ein geeigneter On-Chip-Erhitzer mehrere gewünschte Eigenschaften aufweisen, beispielsweise Temperatursteuerung, Temperaturgleichförmigkeit innerhalb 1 °C, niedrigen Stromverbrauch und eine einfache Integration.
Die räumliche Konfiguration eines On-Chip-Erhitzers ist ein Faktor zum Erreichen der gewünschten Temperaturverteilung. Rechteckige Konfigurationen für On-Chip-Erhitzer leiden an unerwünschten Temperaturgradienten vom Zentrum zum Rand. Dagegen leiden einzelne kreisförmig konfigurierte Erhitzer, obwohl sie eher verbesserte Temperaturgleichförmigkeit zeigen, immer noch unter Strom- und Leistungsverteilungsproblemen und erfordern häufig größere Betriebsspannungen im Vergleich zu rechteckigen Konfigurationen.
Rückseitiger Dual-Gate-FET-Sensor
1A ist eine Schnittansicht eines beispielhaften DG-BSS-FETs 100, der zur Verwendung in einer Anwendung geeignet ist, in der Wärme auf einen Zielanalyten 120 angewendet wird, der in einer Öffnung angeordnet ist. Der DG-BSS-FET 100 kann so konfiguriert sein, dass er als pH-Sensor, chemischer Sensor, Biosensor, Gassensor oder jeder vergleichbare Sensor dient.
Der DG-BSS-FET 100 weist einen aktiven Bereich 102, der eine erste Oberfläche 102a in Kontakt mit einem dielektrischen Material 104 aufweist, und eine zweite Oberfläche 102b in Kontakt mit einem dielektrischen Material 106 auf. Der aktive Bereich 102 umfasst ein Halbleitermaterial, in diesem Beispiel Silizium. Andere Halbleitermaterialien können jedoch verwendet werden, beispielsweise III-V-Halbleiterverbindungen und Kombinationen davon. Der aktive Bereich 102 kann, wie in diesem Beispiel, die obere Si-Schicht eines Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafers mit einer Dicke im Bereich zwischen 5 und 30 nm sein. Alternativ kann der aktive Bereich 102 die obere Fläche eines Bulk-Substrats sein. Das dielektrische Material 104 kann aus Dielektrika wie ohne Einschränkung SiO₂, ein Stapel aus dielektrischen Materialien einschließlich SiO₂, Siliziumnitrid (Si₃N₄), Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (low-k) und jeder Kombination daraus oder jeder anderen Kombination von geeigneten dielektrischen Materialien ausgewählt sein. Das dielektrische Material 106 kann, wie in diesem Beispiel, Teil einer vergrabenen Oxid-(BOX)-Schicht eines SOI-Substrats sein und kann aus Dielektrika wie ohne Einschränkung SiO₂ ausgewählt sein.
Eine erste S/D 108 und eine zweite S/D 110 sind im aktiven Bereich 102 angeordnet, wobei ein Kanalbereich 112 zwischen der ersten S/D 108 und der zweiten S/D 110 angeordnet ist. Eine erste flache Grabenisolations-(STI)-Struktur 126 und eine zweite STI-Struktur 128 sind auf einer Seite der ersten S/D 108 bzw. einer Seite der zweiten S/D 110 angeordnet, wie in 1A gezeigt ist. Auf einer ersten Oberfläche 102a des aktiven Bereichs 102 und in Kontakt mit dem Kanalbereich 112 ist ein primärer Gatestapel 114 ausgebildet. Der primäre Gatestapel 114 ist von einem dielektrischen Material 104 umgeben. Der primäre Gatestapel 114 umfasst weiter eine erste Gatedielektrikumsschicht 116, die auf dem Kanalbereich 112 angeordnet ist, und eine Gateelektrode 118. In dieser beispielhaften Ausführungsform besteht die Gateelektrode 118 aus dotiertem Polysilizium. In alternativen Ausführungsformen kann die Gateelektrode 118 aus anderem elektrisch leitfähigen Material wie einem Metall oder einem Stapel von Metallschichten mit geeigneter Austrittsarbeit ausgebildet sein. In dieser beispielhaften Ausführungsform besteht das erste Gatedielektrikum 116 aus SiO₂. In alternativen Ausführungsformen kann das erste Gatedielektrikum 116 aus dielektrischen Materialien wie Siliziumoxynitrid (SiO_xN_y), Hafniumoxid (HfO₂), Hafniumsilikat (Hf_xSi_yO_z) oder anderem geeigneten high-k-dielektrischem Material oder Kombinationen davon ausgewählt sein.
Elektrische Anschlüsse an die Gateelektrode 118 und die erste und zweite S/D 108, 110 sind durch Kontaktleitungen, Durchkontaktierungen und Verbindungen vorgesehen, die der Einfachheit halber nicht in 1A gezeigt sind. Die Kontaktleitungen weisen ein Metall wie Wolfram (W) auf. Die Durchkontaktierungen enthalten Metalle wie Titan-Aluminium-Legierung (TiAl) oder W und die Verbindungen enthalten Metalle mit niedrigem Widerstand wie Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al). Die Kontaktleitungen, Durchkontaktierungen und Verbindungen werden in dem dielektrischen Material 104 mit mehreren Photolithographie-, Trockenätz- und Reinigungsvorgängen gefolgt von mehreren Metallabscheidungs- und chemisch-mechanischen Polier-(CMP)-Vorgängen ausgebildet. Zusätzlich sind die Seitenwände des Gatestapels 114 mit Seitenwandabstandshaltern 124 bedeckt.
Eine Öffnung 120 ist in der dielektrischen Schicht 106 über dem Kanalbereich 112 so ausgebildet, dass die zweite Oberfläche 102b des Kanalbereichs 112 freigelegt ist. Eine zweite dielektrische Schicht 122 ist auf dem Kanalbereich 112 angeordnet. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann eine zweite dielektrische Schicht 122 alle Oberflächen der Öffnung 120 bedecken. Die dielektrische Schicht 122 kann so hergestellt sein, dass sie nur auf dem Kanalbereich 112 aufwächst. Ein Einfangreagenz 130 ist auf der zweiten dielektrischen Schicht 122 immobilisiert. In dieser beispielhaften Ausführungsform besteht die zweite dielektrische Schicht 122 aus HfO₂ oder jeder anderen geeigneten dielektrischen Schicht. Das immobilisierte Einfangreagenz 130 ist ein Molekül oder eine Verbindung, die den Zielanalyten oder Zielreagenz binden kann, das direkt oder indirekt an einem im Wesentlichen festen Material gebunden ist. Das immobilisierte Einfangreagenz 130 kann eine Chemikalie sein und insbesondere jede Substanz, für die es ein natürlich vorkommendes Zielanalyt (z. B. einen Antikörper, Polypeptid, DNA, RNA, Zelle, Virus etc.) gibt oder für die ein Zielanalyt bereitet werden kann, und das Einfangreagenz kann einen oder mehrere Zielanalyten in einem Assay binden. Die Öffnung 120 zusammen mit der dielektrischen Schicht 122 und dem immobilisierten Einfangreagenz 130 funktionieren gut als Reaktionsschacht für den Zielanalyten.
1B zeigt eine Schnittansicht eines beispielhaften Arrays von DG-BSS-FETs 150, wobei die Öffnung 120 sich über mehrere der DG-BSS-FETs 140 erstreckt. Wenn der Zielanalyt in die Öffnung 120 eingeführt wird, sammelt sich Ladung an der Grenzfläche zwischen dem immobilisiertem Einfangreagenz 130 und der zweiten dielektrischen Schicht 122. Das Sammeln der Ladung führt zu Ids-Änderungen an den DG-BSS-FETs des Arrays 150. In diesem Array der DG-BSS-FETs 150 erstreckt sich die Öffnung über vier DG-BSS-FETs. In anderen Ausführungsformen kann sich die Öffnung 120 über eine größere Anzahl von DG-BSS-FETs erstrecken.
2 ist eine Schnittansicht einer beispielhaften Vorrichtung 200, die den DG-BSS-FET 100 und weitere Elemente umfasst, beispielsweise einen Erhitzer 202, einen Fluidkanal 204 und einen Temperatursensor 206. In einigen Ausführungsformen stellt der Erhitzer 202 Erwärmung für den Fluidkanal 204 mit einer Gleichförmigkeit innerhalb von 1,5 °C oder weniger bereit und umfasst mehrere Heizelemente. In einigen Ausführungsformen liegt die Wirkung dieses Wärmeeintrags darin, eine chemische Reaktion zu fördern oder einzuleiten. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Erhitzer 202 ein elektrischer Widerstandserhitzer mit einem Widerstand, der aus einer Schicht aus Titanaluminiumnitrid (TiAIN) ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Widerstand aus Polysilizium, Wolframsilizid (WSi_x) oder irgendeinem anderen Leiter mit geeignetem Schichtwiderstand ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke des Erhitzers 202 zwischen 56 und 66 nm liegen. Die Dicke des Erhitzers 202 muss jedoch nicht so eingeschränkt sein. In einigen Ausführungsformen beträgt der nominale Flächenwiderstand des Erhitzers 202 etwa 4,8 Ω/sq. Der Flächenwiderstand des Erhitzers 202 muss jedoch nicht so beschränkt sein und kann von der Art des Sensors, der gewünschten Sollwerttemperatur oder anderen Herstellungsüberlegungen abhängen, wie von einem Fachmann verstanden würde.
In dieser beispielhaften Ausführungsform wird Strom für den Erhitzer 202 durch Mehrschichtverbindungen (MLI) 212 bereitgestellt, die mit einer Durchkontaktierung 214 verbunden sind. Die Durchkontaktierung 214 dient als elektrische Verbindung zwischen dem Erhitzer 202 und einer externen Stromversorgung (nicht in 2 gezeigt). Die Heizleistung des Erhitzers 202 hängt von der angelegten Versorgungsspannung ab und kann daher unabhängig von der externen Stromversorgung gesteuert werden. Eine dielektrische Schicht 218 stellt elektrische Isolierung für die Durchkontaktierung 214 von anderen Komponenten wie zum Beispiel dem aktiven Bereich 102 bereit. Die MLI 212 stellen auch elektrische Anschlüsse des Erhitzer 202 zur Erde bereit (in 2 der Einfachheit halber nicht gezeigt). Die elektrischen Anschlüsse zwischen den Heizelementen des Erhitzers 202 an verschiedenen Orten werden auch durch die MLI 212 bereitgestellt, wie später beschrieben wird. Die MLI 212 umfassen lokale Verbindungen, die durch Durchkontaktierungen verbunden sind. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthalten die lokalen Verbindungen Metalle mit niedrigem Widerstand wie Cu oder Al, während die Durchkontaktierungen Metalle wie TiAl oder W enthalten.
Der Temperatursensor 206 liefert Rückmeldung über die Temperatur der Probe 208 in dem Fluidkanal 204, so dass die Leistung an den Erhitzer 202 eingestellt werden kann, um den erwünschten Temperatursollwert zu erreichen und zu erhalten. In einer Ausführungsform ist der Temperatursensor 206 eine Diode. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Regelkreis erzeugt werden, um die Temperatur mittels des Erhitzers 202 und der Rückmeldung zu steuern, die von dem Temperatursensor 206 erhalten wird. Für einen Biosensor liegt der gewünschte Temperaturbereich beispielsweise zwischen Raumtemperatur und 100 °C in Abhängigkeit von dem analysierten biologischen Material, während für Gas- oder chemische Sensoren die erforderliche Temperatur mehrere hundert Grad Celsius betragen kann.
Eine Referenzelektrode 210 stellt ein elektrisches Referenzpotential bereit, wenn keine chemische Reaktion in der Probe 208 stattfindet. In dieser beispielhaften Ausführungsform kann die Referenzelektrode 210 aus Ag, AgCl, Au, Pt oder jedem anderen geeigneten Metall bestehen. Bei trockenen Erfassungsbedingungen, zum Beispiel in einem Gassensor, wird die Referenzelektrode nicht verwendet. Mechanische Abstützung der Vorrichtung 200 wird durch das Handhabungssubstrat 216 bereitgestellt, das in diesem Ausführungsbeispiel mit dem dielektrischem Material 104 nach der Herstellung des Erhitzers 202 und vor der Herstellung der Öffnung 120 verbunden wird. Das Handhabungssubstrat 216 umfasst Silizium, Glas oder ein anderes Material, das mit CMOS-Herstellungsverfahren kompatibel ist, und bietet mechanische Abstützung für die Vorrichtung während der Ausbildung der Öffnung 120 und des Fluidkanals 204.
Chemie und Biologie
Die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, können verwendet werden, um Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Einheiten nachzuweisen und/oder zu überwachen. Diese Wechselwirkungen umfassen biologische und chemische Reaktionen zum Nachweisen eines Zielanalyten in einer Testprobe. Als Beispiel können Reaktionen einschließlich physikalischer, chemischer, biochemischer oder biologischer Veränderungen überwacht werden, um die Erzeugung von Zwischenprodukten, Nebenprodukten, Produkten und Kombinationen davon nachzuweisen. Zusätzlich können die Vorrichtungen, Systeme und Verfahren der Erfindung verwendet werden, um diese Reaktionen in verschiedenen Assays wie hier beschrieben nachzuweisen, einschließlich ohne Einschränkung zirkulierende Tumorzellen-Assays, die in flüssigen Biopsien verwendet werden, und Chelat-Assays zum Nachweis von Schwermetallen und anderen Umweltschadstoffen. Solche Assays und Reaktionen können in einem Einzelformat oder in einem Array-Format überwacht werden, um z. B. mehrere Zielanalyte nachzuweisen.
Erhitzer
Die Temperaturgleichförmigkeit, die durch einen Erhitzer bereitgestellt wird, hängt stark von seinem räumlichen Layout oder Konfiguration ab. Rechteckige Layouts leiden an unerwünschten Temperaturgradienten zwischen ihrem Zentrum und äußeren Rändern. Im Ergebnis zeigen solche Erhitzer-Konfigurationen einen starken Temperaturabfall vom Zentrum zum Rand. Einzelne Erhitzer mit kreisförmigem Layout zeigen eine etwas verbesserte Temperaturgleichförmigkeit, leiden aber immer noch an Strom- und Leistungsverteilungsproblemen und erfordern üblicherweise höhere Betriebsspannungen verglichen mit rechteckigen Layouts.
Ein Erhitzer in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung umfasst mehrere einzelne Heizelemente in einer Konfiguration aus konzentrischen Ringen. Eine solche Konfiguration oder Layout von Heizelementen hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Layouts. Verschiedene Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung verwenden polynomiale Ausgleichsrechnung (engl. „polynomial compensation“) zum Ermitteln der Abstände zwischen den Heizelementen, um die Temperaturverteilung in dem Erhitzer zu verbessern. Beispielsweise zeigt 3A eine Draufsicht eines beispielhaften Erhitzers 300 mit Heizelementen 302, 304, 306, 308, 310 und 312. 3B ist eine Schnittansicht eines beispielhaften Erhitzers 300, die entlang der gepunkteten Linie AA' von 3A genommen ist. In 3B sind die Heizelemente 302 bis 312 von dielektrischem Material 104 umgeben. x₁, x₂ und x₃ sind die Entfernungen (Abstände) zwischen den Heizelementen 302 und 304, 304 und 306 bzw. 306 und 308. In jeder Erhitzer-Konfiguration gibt es Wärmeableitung zu der thermischen Masse 314, die in einem Abstand t von den Heizelementen liegt. Die Temperaturdifferenz zwischen jedem der Heizelemente und der thermischen Masse 314 hängt stark von dem Material ab, das die Heizelemente umgibt, beispielsweise dem dielektrischen Material 104, und den Abständen x₁, x₂ und x₃ zwischen den benachbarten Heizelementen. Die Temperaturdifferenzgleichungen für die Heizelemente 302 und 304 haben beispielsweise die allgemeine Form: $Δ T_{302} = D \frac{t}{k} [(1 - α - β) + a \frac{A z}{A x} \frac{x_{1}}{t} + β \frac{A z}{A x} \frac{x_{1} + x_{2}}{t}]$
$Δ T_{304} = D \frac{t}{k} [(1 - α - β) + a \frac{A z}{A x} \frac{x_{2}}{t} + β \frac{A z}{A x} \frac{x_{2} + x_{3}}{t}]$
Wobei D der Wärmestromdichte, k die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Materials, etwa des Dielektrikums 104, x_i (i = 1, 2, 3) der Abstand zwischen benachbarten Heizelementen in x-Richtung, t der Abstand zwischen dem Heizelement und der thermischen Masse 314, Az eine Ebene rechtwinklig zur z-Richtung, Ax eine Ebene rechtwinklig zur x-Richtung, der Term α der Anteil der Wärmeübertragung von einem ersten Erhitzer in x-Richtung, der Term β der Anteil der Wärmeübertragung von einem benachbarten zweiten Erhitzer in x-Richtung und der Term (1 - α - β) der Anteil der Wärmeübertragung zu der thermischen Masse 314 in z-Richtung von dem ersten Erhitzer und dem zweiten Erhitzer ist. Um Temperaturgleichförmigkeit in dem Erhitzer nahezukommen, müssen die Temperaturdifferenzen ΔT₃₀₂ und ΔT₃₀₄ gleich sein. Beispielsweise im Fall der Heizelemente 302 und 304 heißt das $a \frac{A z}{A x} \frac{x_{1}}{t} + β \frac{A z}{A x} \frac{x_{1} + x_{2}}{t} = a \frac{A z}{A x} \frac{x_{2}}{t} + β \frac{A z}{A x} \frac{x_{2} + x_{3}}{t}$
Durch eine geeignete Auswahl der Abstände x₁, x₂ und x₃ der Heizelemente können die Temperaturdifferenzen für die Heizelemente 302 und 304 nominal gleich sein. Wendet man das gleichen Prinzip auf alle Heizelemente an, können die Abstände zwischen den Heizelementen so ausgewählt werden, dass eine größere Temperaturgleichförmigkeit in dem Erhitzer erreicht wird, als mit gleichen Anständen zwischen den Heizelementen erreicht würde.
4 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines beispielhaften Erhitzers 400 in Übereinstimmung mit der Offenbarung. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Erhitzer 400 so gezeigt, dass er sechs Heizelemente aufweist. Alternative Ausführungsformen können mehr Heizelemente aufweisen und beispielhaft und nicht als Einschränkung sind 200 Heizelemente möglich. Alle Abstände 402 bis 410 zwischen den Heizelementen wurden mittels polynomialer Ausgleichsrechnung ausgewählt. Im Ergebnis werden die Abstände zwischen den Heizelementen langsam kleiner, während der Radius der Heizelemente zunimmt. Beispielsweise ist der Abstand 402 ist der größte, während der Abstand 402 der kleinste ist.
Um sicherzustellen, dass der elektrische Strom, der durch alle Abschnitte des Erhitzers fließt, nominell gleich ist, muss die Länge jedes Heizelements berücksichtigt werden. Dies wird durch elektrisches Verbinden der Heizelemente derart erreicht, dass die Radien der Heizelemente (rl bis r6) die folgende Bedingung erfüllen: $r1 + r6 = r2 + r5 = r3 + r4 .$
Dies legt nahe, dass es wünschenswert ist, die Heizelemente elektrisch so zu verbinden, dass der Gesamtwiderstand in jedem Satz von miteinander verbundenen Heizelementen nominell gleich ist. Dies wird durch Verbinden des ersten Heizelementes mit dem kleinsten Radius rl mit dem Heizelement mit dem größten Radius r6 durch elektrische Verbindungen 412 erreicht. Analog sind das zweite und das fünfte und das dritte und das vierte Heizelement durch elektrische Verbindungen 412 verbunden, wie in 4 gezeigt ist. Die elektrischen Verbindungen 412 haben einen niedrigeren Widerstand als die Heizelemente und ihr Beitrag zum Gesamtwiderstand des Erhitzers ist vernachlässigbar. Im Betrieb werden die drei äußeren Heizelemente 414 mit einer Spannungsquelle verbunden, während die drei inneren Heizelementringe 415 mit der Masse verbunden werden. Die elektrischen Anschlüsse 412 sind Teil der MLI 212.
In einer Ausführungsform ist, um eine nominell gleichmäßige Stromdichte in jedem Heizelement sicherzustellen, die Heizelementbreite W auf 30 µm oder weniger begrenzt. Wenn die Zahl der Heizelemente zunimmt und die Breite jedes Heizelements W abnimmt, wird die Betriebsspannung des Heizelementes verringert, während die Temperaturgleichförmigkeit sich verbessert. Beispielsweise erfordert ein 16-Ring-Erhitzer mit einer Heizelementbreite W von 30 µm eine Betriebsspannung von 3,5 V und weist eine radiale Temperaturgleichförmigkeit von etwa 1,5 °C vom Zentrum zum Rand auf. Wenn die Anzahl der Ringe sich auf 44 erhöht und die Breite W aller Heizelemente sich auf 20 µm verringert, fällt die erforderliche Betriebsspannung auf 2 Volt und die radiale Temperaturgleichförmigkeit verbessert sich auf etwa 1 °C.
Das Layout mit konzentrischen Ringen erlaubt es, durch Änderungen der elektrischen Anschlüsse alle Anforderungen an die Spannungsversorgung zu erfüllen. Beispielsweise wird durch das Hinzufügen zusätzlicher elektrischer Anschlusspunkte zu den Heizelementen unter Verwendung von Durchkontaktierungen und den MLI 212 ihr Gesamtwiderstand in kleinere Widerstände geteilt und die erforderliche Versorgungsspannung VDD wird verringert; währenddessen bleibt die vom Erhitzer verbrauchte elektrische Energie gleich. 5A zeigt einen beispielhaften Erhitzer 500. Der Erhitzer 500 kann den beispielhaften Erhitzern 300 oder 400 ähneln. In diesem Beispiel wurden die Verbindungen zu den Heizelementen so hergestellt, dass der Widerstand jedes Rings in 4 kleinere Widerstände aufgeteilt wurde. In 5A liegen Verbindungspunkte 502 und 504 dort, wo die Verbindung an Versorgungsspannung VDD bzw. Masse hergestellt werden. Elektrische Anschlussstellen C₁, C₂, C₃ und ein weiterer Satz von elektrischen Anschlussstellen C'₁, C'₂, C'₃ sind dazu gemacht, die Heizelementringe so elektrisch zu verbinden, dass der Gesamtwiderstand in jedem Paar von elektrisch verbundenen Heizelementen gleich ist. In der beispielhaften Ausführungsform von 5A sind die Anschlussstellen zwischen C₁, C₂, C₃ und C'₁, C'₂, C'₃ sowie zwischen der Versorgungsspannung V_DD 502 und dem Masseanschluss 504 kollinear jeweils in der gleichen radialen Ebene angeordnet, wie in 5A gezeigt ist. Diese Anschlusskonfiguration erlaubt es, dass der Gesamtwiderstand jedes Heizelementrings in vier kleinere Widerstände zwischen den Anschlussstellen aufgeteilt werden kann, wie in 5B gezeigt ist, die einen Schnitt des Erhitzers 500 zeigt. In diesem Fall gilt also: ${R'}_{1} = R_{1} /4, {R'}_{2} = R_{2} /4, {R'}_{3} = R_{3} /4, {R'}_{5} = R_{5} /4, {R'}_{6} = R_{6} / 4$
Wobei R₁, R₂, R₃, R₄ und R₅ die Gesamtwiderstände jedes entsprechenden Heizelementrings sind. Nimmt man an, dass sich die Leistung nicht ändert, die vom Erhitzer verbraucht wird, ist die neue erforderliche Versorgungsspannung (V'_DD) durch Hinzufügung eines neuen Satzes von Anschlussstellen C'₁, C'₂, C'₃ nur ein Bruchteil $(\frac{1}{\sqrt{2}})$
der ursprünglichen angelegten Spannung (V_DD).
Ein beispielhaftes Herstellungsverfahren 600, das in 6 gezeigt ist, beschreibt die Herstellungsschritte eines beispielhaften integrierten On-Chip-Erhitzers. Weitere Herstellungsschritte können zwischen den verschiedenen Schritten des Verfahrens 600 ausgeführt werden und werden der Klarheit halber weggelassen. Das Herstellungsverfahren 600 ist nicht auf das hier angegebene Beispiel beschränkt.
Das Herstellungsverfahren 600 beginnt mit Schritt 602 und dem Ausbilden des Primärstapels 114 und des Temperatursensors 206 des DG-BSS-FETs auf dem aktiven Bereich 102. In dem beispielhaften Herstellungsverfahren 600 ist der aktive Bereich 102 die oberste dünne Si-Schicht eines SOI-Wafers mit einer Dicke zwischen 5 und 30 nm. Andere Halbleitermaterialien können jedoch verwendet werden, um den aktiven Bereich 102 auszubilden, beispielsweise III-V-Halbleiterverbindungen und Kombinationen davon. Zusätzlich können auch Bulk-Si-Substrate verwendet werden. Während Schritt 602 werden weitere Elemente des DG-BSS-FETs ausgebildet, beispielsweise die erste und die zweite S/D 108 und 110, der Kanalbereich 112 und die Abstandshalter 124. Verbindungsleitungen mit dem Metall W werden auch in diesem Schritt ausgebildet, um Verbindungen zum primären Gatestapel 114 und der ersten und zweiten S/D 108 und 110 herzustellen. Kontaktleitungen werden in dem dielektrischen Material 104 mit mehreren Photolithographie-, Trockenätz- und Reinigungsvorgängen gefolgt von mehreren Metallabscheidungs- und chemisch-mechanischen Polier-(CMP)-Vorgängen ausgebildet.
In Schritt 604 wird ein Teil der MLI 212 ausgebildet und von dielektrischem Material 104 umgeben. Das dielektrische Material 104 kann aus Dielektrika wie ohne Einschränkung SiO₂, einem Stapel aus dielektrischen Materialien einschließlich SiO₂, Siliziumnitrid (Si₃N₄), Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (low-k) und jeder Kombination daraus oder jeder anderen Kombination von geeigneten dielektrischen Materialien ausgewählt sein. Die MLI 212 umfassen lokale Verbindungen, die durch Durchkontaktierungen verbunden sind. Die MLI 212 enthalten Metalle mit niedrigem Widerstand, beispielsweise Cu oder Al, während die Durchkontaktierungen Metalle wie TiAl oder W enthalten. Die MLI 212 sind mit der Gateelektrode 118 und der ersten und zweiten S/D 108 und 110 durch die vorher erwähnten Verbindungsleitungen verbunden.
In Schritt 606 wird ein Erhitzer ausgebildet. Der Erhitzer 202 ist ein elektrischer Widerstandserhitzer, der aus einer Schicht aus Polysilizium ausgebildet wird. In alternativen Ausführungsformen kann der Widerstand aus Titan-Aluminiumnitrid (TiAlN), Wolframsilizid (WSi_x) oder irgendeinem anderen Leiter mit geeignetem Schichtwiderstand ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke des Erhitzers 202 zwischen 56 und 66 nm liegen. Die Dicke des Erhitzers 202 muss jedoch nicht so eingeschränkt sein. In einigen Ausführungsformen beträgt der nominale Flächenwiderstand des Erhitzers 202 etwa 4,8 Ω/sq. Der Flächenwiderstand des Erhitzers 202 muss jedoch nicht so beschränkt sein und kann von der Art des Sensors, der gewünschten Sollwerttemperatur oder anderen Herstellungsüberlegungen abhängen, wie von einem Fachmann verstanden würde. Der Erhitzer 202 in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung umfasst mehrere einzelne Heizelemente, die in einer Konfiguration aus konzentrischen Ringen angeordnet sind. Eine solche Konfiguration oder Layout von Heizelementen hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Layouts. Verschiedene Ausführungsformen in Übereinstimmung mit dieser Offenbarung verwenden polynomiale Ausgleichsrechnung zum Ermitteln der Abstände zwischen den Heizelementen, um die Temperaturverteilung in dem Erhitzer zu verbessern. Beispielsweise verringern sich die Abstände der Ringe radial vom Zentrum zum Rand. Um sicherzustellen, dass der elektrische Strom, der durch jeden Abschnitt des Erhitzers fließt, nominell konstant ist, wird jedes Heizelement durch Verbindungsleitungen mit anderen Heizelementen innerhalb derselben konzentrischen Ringkonfiguration elektrisch so verbunden, dass der Gesamtwiderstand in jedem Satz von miteinander verbundenen Heizelementen nominell gleich ist. Durch das Hinzufügen elektrischer Anschlusspunkte für die elektrischen Verbindungen zwischen den Heizelementen wird der Gesamtwiderstand in kleinere Widerstände geteilt und die erforderliche Versorgungsspannung wird verringert, während die vom Erhitzer verbrauchte elektrische Leistung gleichbleibt. Für eine gleichmäßige Stromdichte in jedem Heizelement ist gemäß der Offenbarung die Heizelementbreite W auf 30 µm oder weniger begrenzt.
In Schritt 608 wird der Rest der MLI ausgebildet. Dieser Schritt ist optional, abhängig vom Chip-Design. Das Ausbilden der MLI in diesem Schritt folgt ähnlichen Herstellungsvorgängen wie in Schritt 604.
In Schritt 610 wird ein Handhabungssubstrat 216 an der freien Oberfläche des dielektrischen Materials 104 auf der Oberseite der MLI 212 und des Erhitzers 202 angebracht. Das Handhabungssubstrat 216 umfasst Silizium, Glas oder ein anderes Material, das mit CMOS-Herstellungsverfahren kompatibel ist, und bietet ausreichende mechanische Unterstützung für die nächsten Verfahrensschritte.
In Schritt 612 wird der ursprüngliche SOI-Wafer umgedreht, wobei die Bulk-Si-Schicht nach oben zeigt und das Handhabungssubstrat 216 zusammen mit der dünnen Si-Schicht (der aktiven Schicht 102) und der teilweise ausgebildete DG-BSS-FET nach unten zeigen. Die Bulk-Siliziumschicht wird mechanisch geschliffen, bis das vergrabene Oxid (BOX) oder das dielektrische Material 106 freigelegt sind. Das BOX oder dielektrische Material 106 werden mit der Photolithographie strukturiert und geätzt, um die Öffnung 120, um die zweite Oberfläche 102b des aktiven Bereichs 102 freizulegen, sowie den Kanalbereich 112 auszubilden. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Öffnung 120 über mehrere teilweise ausgebildete DG-BSS-FETs 140, wobei die zweite Oberfläche 102b des aktiven Bereichs 102 und der Kanalbereich 112 jedes teilweise ausgebildeten DG-BSS-FETs in dem Array freigelegt werden.
In Schritt 614 werden der sekundäre Gatestapel des DG-BSS-FETs, der das zweiten Gatedielektrikum 122 und das immobilisierte Einfangreagenz 130 umfasst, auf dem Kanalbereich 112 angeordnet. Das zweite Gatedielektrikum 122 und das immobilisierte Einfangreagenz 130 können auch die Seitenwände der Öffnung 120 und das BOX oder dielektrische Material 106 bedecken. Alternativ können das Gatedielektrikum 122 und das immobilisierte Einfangreagenz 130 nur den Kanalbereich 112 bedecken. Mit Schritt 614 ist das Ausbilden des DG-BSS-FETs abgeschlossen.
In Schritt 616 werden das dielektrische Material 106 oder BOX, der aktiven Bereich 102 und das dielektrische Material 104 bis auf das erste Niveau der MLI 212 geätzt, um die Durchkontaktierung 215 auszubilden. Das Verfahren 600 endet mit dem Ausbilden des Fluidkanals 204 in Schritt 618.
DG-BSS-FETs erlauben es, teure und zeitraubende Markierungsoperationen wie beispielsweise die Markierung eines Analyten, etwa mit fluoreszierenden oder radioaktiven Sonden, zu vermeiden. Die Analyten können jede biologische oder chemische Verbindung oder ein beliebiges Element einschließlich Ionen umfassen. Die räumliche Konfiguration eines On-Chip-Erhitzers ist nützlich zum Erreichen einer gewünschten Temperaturverteilung. Eine Erhitzerkonfiguration, die einzelne Heizelemente in einer konzentrischen Ringkonfiguration umfasst, hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Layouts. Polynomkompensation wird verwendet, um die Abstände zwischen den Ringen zu bestimmen, wodurch die Temperaturgleichförmigkeit auf der Erhitzeroberfläche verglichen mit der Gleichförmigkeit verbessert wird, die mit einem konstanten Abstand zwischen den Ringen erreicht wird. In Übereinstimmung mit dieser Offenbarung verringern sich die Abstände der Ringe radial vom Zentrum zum Rand. Um sicherzustellen, dass der elektrische Strom, der durch jeden Abschnitt des Erhitzers fließt, nominell konstant ist, wird jedes Heizelement durch Verbindungsleitungen mit anderen Heizelementen innerhalb derselben konzentrischen Ringkonfiguration elektrisch so verbunden, dass der Gesamtwiderstand in jedem Satz von miteinander verbundenen Heizelementen nominell gleich ist. Durch das Hinzufügen elektrischer Anschlusspunkte für die elektrischen Verbindungen zwischen den Heizelementen wird der Gesamtwiderstand in kleinere Widerstände geteilt und die erforderliche Versorgungsspannung wird verringert, während die vom Erhitzer verbrauchte elektrische Leistung gleichbleibt. Für eine gleichmäßige Stromdichte in jedem Heizelement ist gemäß der Offenbarung die Heizelementbreite W auf 30 µm oder weniger begrenzt.
In einer Ausführungsform umfasst eine integrierte Schaltung einen gemeinsamen Kanalbereich, der eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, ein erstes Gatedielektrikum, das auf der ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und eine erste Gateelektrode aufweist, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist, eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain, die seitlich voneinander durch den gemeinsamen Kanalbereich getrennt sind, ein zweites Gatedielektrikum, das auf der zweiten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, einen Erhitzer, der mehrere Heizelemente aufweist, die konzentrisch in Bezug zueinander angeordnet sind; und einen Temperatursensor. Jedes Heizelement der mehreren Heizelemente hat eine bogenförmige oder gekrümmte Form und jedes Heizelement der mehreren Heizelemente hat einen zugehörigen Radius von einem gemeinsamen Punkt. Der Temperatursensor wird verwendet, um die ungefähre Temperatur des Erfassungsbereichs eines FET-Sensors zu bestimmen, beispielsweise eines DG-BSS-FETs.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Ausbilden eines DG-BSS-FETs, der einen primären Gatestapel und einen sekundären Gatestapel auf vertikal gegenüberliegenden Oberflächen eines gemeinsamen Kanalbereichs; eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain, die seitlich voneinander durch den gemeinsamen Kanalbereich getrennt sind, umfasst; wobei der primäre Gatestapel ein erstes Gatedielektrikum, das auf einer ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und eine erste Gateelektrode aufweist, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist, der sekundäre Gatestapel ein zweites Gatedielektrikum, das auf der zweiten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und ein Einfangreagenz aufweist, das auf dem zweiten Gatedielektrikum angeordnet ist; das Anordnen eines Erhitzers in der integrierten Schaltung, der mehrere konzentrisch angeordnete Heizelemente aufweist, wobei jedes Heizelement eine Form hat, die bogenförmig ist, wobei Paare der Heizelemente elektrisch miteinander verbunden sind; und das Ausbilden eines Temperatursensors in thermischer Verbindung mit dem DG-BSS-FET.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine integrierte Schaltung einen rückseitig messenden Dual-Gate-Feldeffekttransistor, der eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain, die jeweils in einem aktiven Bereich angeordnet sind und seitlich voneinander durch einen Kanalbereich getrennt sind, ein erstes Gatedielektrikum, das auf einer ersten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist, eine Gateelektrode, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist, und ein zweites Gatedielektrikum aufweist, das auf einer zweiten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Oberfläche auf gegenüberliegenden Seiten des Kanalbereichs angeordnet sind; einen Reaktionsschacht, der über der zweiten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist; einen Erhitzer, der mehrere konzentrisch angeordnete Heizelemente umfasst, die einen zugehörigen Radius haben; und einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit dem rückseitig messenden Dual-Gate-Feldeffekttransistor. In dieser Ausführungsform sind die angrenzenden Heizelemente mit unterschiedlichen Radien durch einen Abstand getrennt, der vorbestimmt und nicht gleichförmig ist.
Das Vorangegangene beschreibt Elemente von mehreren Ausführungsformen, so dass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Der Fachmann sollte anerkennen, dass er die vorliegende Offenbarung leicht als Basis verwenden kann, um andere Verfahren und Strukturen zu entwerfen oder modifizieren, um die gleichen Ziele zu erreichen und/oder die gleichen Vorteile der hier eingeführten Ausführungsformen zu realisieren. Der Fachmann sollte auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen hier vornehmen kann, ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6703199 [0036]
US 5641870 [0037]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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B. Bird et al., Science 242:423-426, 1988 und Huston et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 85:5879-5883, 1988 [0035]
Hollinger und Hudson, Nature Biotechnology 23:1126-1136, 2005 [0036]
Zapata et al., Protein Eng. 8:1057-1062, 1995 [0037]

Claims

Integrierte Schaltung, umfassend: einen gemeinsamen Kanalbereich, der eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist; ein erstes Gatedielektrikum, das auf der ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist; eine erste Gateelektrode, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist; eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain, die seitlich voneinander durch den gemeinsamen Kanalbereich getrennt sind; ein zweites Gatedielektrikum, das auf der zweiten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereich angeordnet ist; einen Erhitzer, der mehrere Heizelemente aufweist, die konzentrisch in Bezug zueinander angeordnet sind; und einen Temperatursensor; wobei jedes Heizelement der mehreren Heizelemente eine bogenförmige Form hat und jedes Heizelement der mehreren Heizelemente einen zugehörigen Radius hat.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Erhitzer in der integrierten Schaltung so angeordnet ist, dass er nicht mehr als 5 µm von dem zweiten Gatedielektrikum entfernt liegt.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Erhitzer eine Oberfläche von nicht mehr als 100 mm² hat.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Heizelement der mehreren Heizelemente eine runde Form aufweist.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Heizelemente der mehreren Heizelemente 200 nicht übersteigt.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Heizelement der mehreren Heizelemente eine nominale Breite von nicht mehr als 30 µm hat.
Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Heizelement der mehreren Heizelemente eine nominale Dicke von nicht mehr als 0,7 µm hat.
Verfahren, umfassend: Ausbilden eines rückseitig messenden Dual-Gate-Feldeffekttransistor (DG-BSS-FETs), der einen primären Gatestapel und einen sekundären Gatestapel, die auf vertikal gegenüberliegenden Oberflächen eines gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet sind; eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain umfasst, die seitlich voneinander durch den gemeinsamen Kanalbereich getrennt sind; wobei der primäre Gatestapel ein erstes Gatedielektrikum, das auf einer ersten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und eine erste Gateelektrode aufweist, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist, der sekundäre Gatestapel ein zweites Gatedielektrikum, das auf der zweiten Oberfläche des gemeinsamen Kanalbereichs angeordnet ist, und ein Einfangreagenz aufweist, das auf dem zweiten Gatedielektrikum angeordnet ist; und Anordnen eines Erhitzers in der integrierten Schaltung, der mehrere konzentrisch angeordnete Heizelemente aufweist, wobei jedes Heizelement eine Form hat, die bogenförmig ist; wobei Paare der Heizelemente elektrisch miteinander verbunden sind; und Ausbilden eines Temperatursensors in thermischer Verbindung mit dem DG-BSS-FET.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei jedes Heizelement der mehreren Heizelemente einen Widerstand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Widerstand mindestens eines der folgenden umfasst: TiAlN; Silizid; und Polysilizium.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die zweite Gatedielektrikumsschicht HfO₂ umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei jedes Paar von elektrisch verbundenen Heizelementen den gleichen nominalen Widerstand aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei ein immobilisiertes Einfangreagenz, das ein biologisches Molekül aufweist, in dem DG-BSS-FET vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das immobilisierte Einfangreagenz auf einer Oberfläche einer dielektrischen Schicht des DG-BSS-FETs vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das immobilisierte Einfangreagenz auf einem Kanalbereich des DG-BSS-FETs vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die elektrisch verbundenen Heizelement-Paare mehr als einen elektrischen Verbindungspunkt aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei der Erhitzer einen Betriebstemperaturbereich von Raumtemperatur bis 300 °C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei der Erhitzer so konfiguriert ist, dass er einen Temperaturgradienten auf seiner Oberfläche von 1,5 °C oder weniger aufrechterhält.
Integrierte Schaltung, umfassend: einen rückseitig messenden Dual-Gate-Feldeffekttransistor (DG-BSS-FET), der eine erste Source/Drain und eine zweite Source/Drain, die beide in einem aktiven Bereich angeordnet sind und seitlich voneinander durch einen Kanalbereich getrennt sind, ein erstes Gatedielektrikum, das auf einer ersten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist, eine Gateelektrode, die über dem ersten Gatedielektrikum angeordnet ist, und ein zweites Gatedielektrikum aufweist, das auf einer zweiten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Oberfläche auf gegenüberliegenden Seiten des Kanalbereichs angeordnet sind; einen Reaktionsschacht, der über der zweiten Oberfläche des Kanalbereichs angeordnet ist; einen Erhitzer, der mehrere konzentrisch angeordnete Heizelemente umfasst, die einen zugehörigen Radius haben; und einen Temperatursensor in thermischer Verbindung mit dem DG-BSS-FET; wobei angrenzende Heizelemente mit unterschiedlichen Radien durch einen Abstand getrennt sind.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 19, wobei der Abstand zwischen den benachbarten Heizelementen mit unterschiedlichen Radien abnimmt, wenn der entsprechende Radius des Heizelements steigt.