TW201638814A - 生物裝置與應用其之生物感測方法 - Google Patents

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Abstract

一種生物裝置，包含基板、閘電極，以及感測井。基板包含源極區域、汲極區域、通道區域、主體區域，以及感測區域。通道區域設置在源極區域與汲極區域之間。感測區域至少設置在通道區域與主體區域之間。閘電極至少設置在基板之通道區域上或上方。感測井至少設置在感測區域之鄰近處。

Description

生物裝置與應用其之生物感測方法
本揭露是關於一種生物裝置與其感測方法。
生物感測器是用於感測及偵測生物分子之裝置。生物感測器基於電子、電化學、光學或機械偵測原理而操作。包含電晶體之生物感測器是電感測生物實體或生物分子之電荷、光子或機械特性的感測器。可藉由偵測生物實體或生物分子自身來執行偵測，或經由指定反應物與生物實體/生物分子之間的互動及反應來執行偵測。此種生物感測器可藉由使用半導體製程製造而成，可快速轉換電信號，與可易於應用於積體電路(integrated circuit；IC)及微型機電系統(microelectromechanical system；MEMS)。
本揭露之一態樣提供一生物裝置，生物裝置包含基板、閘電極，以及感測井。基板包含源極區域、汲極區域、通道區域、主體區域，以及感測區域。通道區域設置在源極區域與汲極區域之間。感測區域至少設置在通道區域與主體區域 之間。閘電極至少設置在基板之通道區域上或上方。感測井至少設置在感測區域之鄰近處。
本揭露之另一態樣將提供一生物裝置，生物裝置包含基板、閘電極，以及感測井。基板包含通道區域、源極區域、汲極區域、主體區域，以及感測區域。源極區域以及汲極區域分別設置在通道區域之相對側。主體區域與通道區域隔開。感測區域將主體區域實體連接至通道區域。閘電極至少設置在通道區域上或上方。通道區域、源極區域、汲極區域，以及閘電極形成電晶體。感測井曝露感測區域。
本揭露之又一態樣將提供一生物感測方法，方法包含提供生物裝置。生物裝置包含基板、閘電極，以及感測井。基板包含源極區域、汲極區域、通道區域、主體區域，以及感測區域。通道區域設置在源極區域與汲極區域之間。感測區域至少設置在通道區域與主體區域之間。閘電極至少設置在基板之通道區域上或上方。感測井至少設置在感測區域之鄰近處。空乏區域在感測區域中形成。液體分析物設置在感測井中。測量源極區域與汲極區域之間的臨限電壓。
100‧‧‧基板
110‧‧‧源極區域
120‧‧‧汲極區域
130‧‧‧通道區域
140‧‧‧主體區域
150‧‧‧感測區域
152‧‧‧空乏區域
154‧‧‧通道
160‧‧‧偏壓源
170‧‧‧閘極介電質
200‧‧‧閘電極
300‧‧‧感測井
310‧‧‧內埋氧化層
400‧‧‧液體分析物
S10‧‧‧操作步驟
S20‧‧‧操作步驟
S30‧‧‧操作步驟
S40‧‧‧操作步驟
T‧‧‧電晶體
本揭露之態樣最佳在閱讀附圖時根據下文之詳細說明來進行理解。應注意，依據工業中之標準實務，多個特徵並未按比例繪製。實際上，多個特徵之尺寸可任意增大或縮小，以便使論述明晰。
第1A圖是依據本揭露一些實施例之一生物裝置之俯視圖。
第1B圖是第1A圖中之生物裝置之基板之俯視圖。
第2圖是沿第1A圖中線2-2截取之橫剖面視圖。
第3圖是依據本揭露一些實施例之用於生物感測之方法的流程圖。
第4A圖是當對主體區域施加偏壓時第2圖中之生物裝置之橫剖面視圖。
第4B圖是當液體分析物設置在感測井中時第2圖中之生物裝置之橫剖面視圖。
第5圖是第1A圖中生物裝置之臨限電壓圖，臨限電壓隨著液體分析物之充電容積而變化。
第6A圖至第6C圖是依據本揭露一些實施例之基板及感測井之俯視圖。
第7A圖是依據本揭露一些實施例之一生物裝置之俯視圖。
第7B圖是第7A圖中基板及感測井之俯視圖。
第8A圖是依據本揭露一些實施例之一生物裝置之俯視圖。
第8B圖是第8A圖中基板及感測井之俯視圖。
第9圖是依據本揭露一些實施例之一生物裝置之橫剖面視圖。
以下揭示內容提供眾多不同的實施例或實例以用於實施本案提供之標的物的不同特徵。下文中描述組件及排列之特定實例以簡化本揭露。組件及排列當然僅為實例，及不意欲進行限制。例如，在下文之描述中，第一特徵在第二特徵上方或之上的形成可包含其中第一特徵與第二特徵以直接接觸方式形成的實施例，及亦可包含其中在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵以使得第一特徵與第二特徵無法直接接觸之實施例。此外，本揭露在多個實例中可重複元件符號及/或字母。此重複用於實現簡化與明晰之目的，及其自身並不規定所論述之多個實施例及/或配置之間的關係。
此外，本案中可使用諸如「下方(beneath)」、「以下(below)」、「下部(lower)」、「上方(above)」、「上部(upper)」等等之空間相對術語在以便於描述，以描述一個元件或特徵與另一或更多個元件或特徵之關係，如圖式中所圖示。空間相對術語意欲包含在使用或操作中之裝置除圖式中繪示之定向以外的不同定向。設備可另外定向(旋轉90度或其他定向)，及本案中使用之空間相對描述詞同樣可相應地進行解釋。
本案依據多個示例性實施例提供生物裝置及生物感測之方法。本案論述實施例之變異。在所有多個視圖及說明性實施例中，相似的元件符號用以指定相似的元件。
第1A圖是依據本揭露一些實施例之生物裝置之示意圖，第1B圖是第1A圖中生物裝置之基板100之俯視圖，第2圖是沿第1A圖中之線段2-2之橫剖面視圖。為明晰起見， 第2圖中繪示閘極介電質170，但在第1A圖及第1B圖中省略閘極介電質170。如第1A圖至第2圖所示，生物裝置包含基板100、閘電極200，及感測井300。基板100包含源極區域110、汲極區域120、通道區域130、主體區域140，以及感測區域150。通道區域130設置在源極區域110與汲極區域120之間。感測區域150至少設置在通道區域130與主體區域140之間。閘電極200至少設置在基板100之通道區域130上或上方。感測井300至少設置在感測區域150之鄰近處。換言之，感測井300曝露基板100之感測區域150，且感測井300對準感測區域150。感測井300是用以偵測生物分子之區域。
另一方面，源極區域110以及汲極區域120分別設置在通道區域130之相對側。主體區域140與通道區域130隔開。感測區域150將主體區域140實體連接至通道區域130，主體區域140與通道區域130分別設置在感測區域150之相對側。閘電極200至少設置在通道區域130上或上方。
在第1A圖至第2圖中，閘電極200進一步設置在感測區域150上，感測井300設置在感測區域150之下。換言之，感測區域150設置在閘電極200與感測井300之間，及閘電極200及感測井300分別設置在感測區域150之相對側。
以下段落提供針對如何使用生物裝置以感測生物分子之詳細說明。第3圖是依據本揭露一些實施例之用於生物感測之方法的流程圖。為明晰描述，方法可用於但不應僅限於第1A圖之生物裝置。如操作步驟S10所示，提供生物裝置。在一些實施例中，提供如第1A圖所示之生物裝置。
隨後，如操作步驟S20所示，在感測區域150中形成空乏區域，使得感測區域150之至少一部分空乏。換言之，感測區域150之至少一部分是空乏區域。本案中之「空乏區域」是導電及摻雜半導體材料內之一絕緣區域，在此區域中，行動電荷載子已被迫離開或藉由電場而擴散離開。因此，遺留在空乏區域中之元素是離子化施體或受體雜質。
在一些實施例中，對感測區域150執行電漿處理以使得感測區域150變得空乏。在其他實施例中，對感測區域150執行離子佈植製程以使得感測區域150變得空乏。電漿處理及離子佈植製程可在生物裝置製造期間完成，本揭露所欲保護之範圍不限定於此。
在又其他實施例中，向主體區域140施加偏壓以使得感測區域150變得空乏。例如，偏壓源160(參照第2圖)可電連接至主體區域140。當不施加偏壓時，感測區域150可為非空乏區域。當向主體區域140施加偏壓時，在感測區域150中產生電場，使感測區域150之至少一部分變得空乏。
例如，第4A圖是當對主體區域140施加偏壓時第2圖中之生物裝置之橫剖面視圖。請參照第1B圖及第4A圖。在第4A圖中，當向主體區域140施加偏壓時，幾乎全部的感測區域150成為空乏區域152。因此，不允許電流自主體區域140流向通道區域130。然而，在其他實施例中，空乏區域152可佔用感測區域150之一部分。基本上，如若感測區域150中至少一部分是空乏區域152，則此實施例亦屬於本揭露所欲保護之範疇。
請參照第1A圖至第3圖。如操作步驟S30所示，液體分析物400設置在感測井300中。液體分析物400包含可能鍵合至感測區域150之靶分子。此反應及已鍵合的靶分子可藉由生物裝置而感測到。在一些實施例中，液體分析物400包含生物分子，如單鏈去氧核糖核酸(single-stranded deoxyribonucleic acid；ssDNA)或單核苷酸多形態(single nucleotide polymorphism；SNP)。液體分析物400設置在感測井300中。液體分析物400之分子可為充電生物分子(charged biomolecules)，分子隨後移動接近感測區域150而變更分子之電氣性能。
例如，第4B圖是當液體分析物400設置在第2圖中之生物裝置之感測井300時的橫剖面視圖。充電生物分子可變更感測區域150之電場，因此，空乏區域152之空乏行為相應地變更。在第4B圖中，例如，空乏區域152縮小，及感測區域150中形成通道154。因此，電流可自主體區域140流向通道區域130。
應注意，在第4A圖及第4B圖中，感測區域150中之空乏區域152之變更的空乏行為僅為示例性的，不應以此限制本揭露主張之範疇。在其他實施例中，當不存在液體分析物400時，通道可在感測區域150中形成，當液體分析物400設置(或充填)在感測井300中時，通道被阻塞。基本上，如若空乏區域152之空乏行為在液體分析物400設置於感測井300中時變更，則此等實施例亦屬於本揭露所主張之範疇。
請參照第1A圖至第3圖。如操作步驟S40所示，測量源極區域110與汲極區域120之間的臨限電壓(threshold voltage)。具體而言，源極區域110、汲極區域120、通道區域130，以及閘電極200可形成電晶體T，且電晶體T之臨限電壓依據通道區域130之電流而定。如前所述，由於液體分析物400變更感測區域150中空乏區域152之空乏行為，因此自主體區域140流至通道區域130之電流量根據液體分析物400之充電生物分子之充電程度而變更。因此，通道區域130中之電流相應地變更，從而影響電晶體T之臨限電壓。因此，可藉由測量臨限電壓來感測液體分析物400之充電生物分子。
在第1A圖至第3圖中，液體分析物400可變更感測區域150中空乏區域152之空乏行為。因此，電晶體T之臨限電壓可能相應地變更。由於空乏區域152之空乏行為對液體分析物400之充電效能十分靈敏，因此可改良第1A圖中生物裝置之靈敏度。此外，第1A圖中之源極區域110、汲極區域120、通道區域130，以及閘電極200可形成開關(亦即電晶體T)以控制生物裝置之開啟/關閉狀態。儘管習用生物裝置使用額外的開關以控制生物裝置之開啟/關閉狀態，但第1A圖中之生物裝置不連接至佔用額外面積之額外開關，從而獲得較小的裝置尺寸。因此，可增大生物裝置之密度。
應注意，第3圖之流程圖繪示示例性操作，但操作可不以圖中的順序執行。可依據所揭示之實施例之精神及範疇而視情況添加、更換，及/或變更操作順序。
請再次參照第1A圖。基板100是半導體基板。基板100可為矽基板或晶圓。或者，基板100可包含另一元素半導體，如鍺(Ge)；化合物半導體，包含碳化矽(SiC)、鎵砷(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化銦(InAs)，及/或銻化銦(InSb)；合金半導體，包含SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP，及/或GaInAsP；或上述各者之組合。在多個實施例中，基板100是絕緣體上矽(silicon on insulator；SOI)基板。
基板100可經摻雜(如P型及N型)以形成源極區域110、汲極區域120、通道區域130、主體區域140，以及感測區域150。在一些實施例中，源極區域110及汲極區域120是N型摻雜區域，且通道區域130、主體區域140，及感測區域150是P型摻雜區域。因此，電晶體T是P通道電晶體。在其他實施例中，源極區域110及汲極區域120是P型摻雜區域，及通道區域130、主體區域140，及感測區域150是N型摻雜區域。因此，電晶體T是N通道電晶體。
在第2圖中，生物裝置進一步包含設置於閘電極200與基板100之間的閘極介電質170。閘極介電質170可由氧化矽(SiOx)形成。在其他實施例中，閘極介電質170包含氮化矽(SiNx)、氮氧化矽(SiON)、高介電常數(高k)介電質，及/或上述各者之組合。高介電常數材料舉例而言可為矽酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化鉿-鋁(HfO2-Al2O3)合金，或上述各者之組合。
請參照第1A圖及第1B圖。閘電極200、源極區域110、汲極區域120，與通道區域130可藉由使用適合之CMOS製程技術而形成。電晶體T可藉由使用典型的CMOS製程形成，如光微影術；離子佈植；擴散；沉積(包含物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)、金屬蒸發或濺射、化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)、大氣壓力化學氣相沉積(atmospheric pressure chemical vapor deposition；APCVD)、低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition；LPCVD)、高密度電漿化學氣相沉積(high density plasma chemical vapor deposition；HDPCVD)、原子層化學氣相沉積(atomic layer chemical vapor deposition；ALCVD)、旋塗塗覆)；蝕刻(包含濕式蝕刻、乾式蝕刻，及電漿蝕刻)；及/或其他適合之CMOS製程。在一些實施例中，閘電極200由多晶矽製成。在其他實施例中，閘電極200包含金屬閘電極，閘電極包含諸如以下各者之材料：Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au、適合之金屬化合物(如TiN、TaN、NiSi、CoSi)，或導電材料之組合。
在第2圖中，感測井300可由內埋氧化物(buried oxide；BOX)層310形成。更詳細而言，內埋氧化層310可設置在基板100上與閘電極200相對之側，及內埋氧化層310內之開口形成感測井300。在一些實施例中，內埋氧化層310是二氧化矽(SiO2)。
第5圖是第1A圖中生物裝置之臨限電壓圖，臨限電壓隨著液體分析物400之充電容積而變化。充電容積是自液體分析物400鍵合在感測井300處之等效電荷。充電容積之單位是cm-2，臨限電壓之單位是伏特(V)。請參照第1B圖、第4A圖，及第5圖。如前所述，在一些實施例中，源極區域110及汲極區域120是N型摻雜區域，通道區域130、主體區域140及感測區域150是P型摻雜區域。負偏壓(如約-2.5V)可施加於主體區域140以在感測區域150中形成空乏區域152(如第4A圖所示)。在此情況下，從主體區域140流向通道區域130之電流幾乎被空乏區域152阻斷，使生物裝置具有原始的臨限電壓Vot。
請參照第1B圖、第4B圖，及第5圖。當具有帶負電的充電分子之液體分析物400設置在感測井300中時，帶負電的充電生物分子可接近感測區域150及變更空乏區域152之空乏行為。例如，空乏區域152之空乏行為空乏較少，在感測區域150中形成通道154以允許電流從主體區域140穿過空乏區域152。因此，生物裝置之臨限電壓增大。此外，隨著帶負電的充電分子之充電容積增大，臨限電壓增大。
在其他實施例中，液體分析物400可具有帶正電充電生物分子，分子使得感測區域150之空乏區域152空乏較多。因此，來自主體區域140之電流更難以穿過感測區域150，進而降低臨限電壓。此外，隨著帶正電充電生物分子之充電容積增大，臨限電壓隨之降低。因此，藉由在感測區域150中形 成空乏區域152，液體分析物400中之充電生物分子可影響空乏區域152之空乏行為，充電生物分子由此被生物裝置感測到。
在一些實施例中，偏壓源160是可調整的偏壓源，偏壓源可根據生物裝置之靈敏度而調諧感測區域150之空乏行為。此外，儘管在第4A圖及第4B圖中，空乏區域152是藉由向主體區域140施加負偏壓而形成的，但在其他實施例中，空乏區域152可藉由使用電漿處理或離子佈植製程而形成。基本上，如若空乏區域152在感測區域150中形成，且空乏區域152之空乏行為根據液體分析物400之充電容積而變更，則此類實施例皆屬於本揭露所主張之範疇。
請再次參照第1B圖及第2圖。如前所述，在其他實施例中，源極區域110及汲極區域120是P型摻雜區域，且通道區域130、主體區域140，及感測區域150是N型摻雜區域。正偏壓(如約+2.5V)可施加於主體區域140以在感測區域150中形成空乏區域。在此情況下，生物裝置具有另一原始臨限電壓。
在此實施例中，當液體分析物400設置在感測井300中時，空乏區域之空乏行為變更。在一些實施例中，隨著帶負電充電生物分子之充電容積增大，臨限電壓降低，及隨著帶正電充電生物分子之充電容積增大，臨限電壓增大。此外，在某些其他實施例中亦可藉由使用電漿處理或離子佈植製程而形成空乏區域。
請參照第1A圖至第2圖。在前述實施例中，空乏區域可在基板100之感測區域150中形成。當液體分析物400 設置在感測井300中時，液體分析物400中之充電生物分子可影響空乏區域之空乏行為，由此影響電晶體T之臨限電壓。此外，臨限電壓根據充電容積及充電生物分子之電荷類型(正電荷或是負電荷)而變更。因此，藉由測量臨限電壓，可辨識充電生物分子之充電容積及電荷類型。
在第1B圖中，感測區域150進一步設置在源極區域110與主體區域140之間及汲極區域110與主體區域140之間。換言之，源極區域110及主體區域140分別設置在感測區域150之相對側，汲極區域120與主體區域150分別設置在感測區域150之相對側。因此，感測區域150及通道區域130形成T形形狀。感測井300設置在感測區域150中之一部分之下，此部分設置在通道區域130與主體區域140之間。然而，感測井300之尺寸及位置不僅限於此。
第6A圖至第6C圖是依據本揭露一些實施例之基板100及感測井300之俯視圖。在第6A圖中，感測井300設置在(或鄰近於)感測區域150之下。感測井300曝露感測區域150。在第6B圖中，感測井300進一步地設置在(或鄰近於)通道區域130之下。換言之，感測井300設置在(或鄰近於)感測區域150及通道區域130之下。感測井300曝露感測區域150及通道區域130。在第6C圖中，感測井300進一步地設置在(或鄰近於)源極區域110及汲極區域120之下。換言之，感測井300設置在(或鄰近於)感測區域150、通道區域130、源極區域110，及汲極區域120之下。感測井300曝露感測區域150、通道區域130、源極區域110，及汲極區域120。在其他 實施例中，感測井300設置在(或鄰近於)感測區域150、通道區域130、源極區域110，及/或汲極區域120之下。基本上，如若感測井300至少設置在感測區域150鄰近處，則實施例皆屬於本揭露所主張之範疇。
請再次參照第1A圖及第1B圖。在第1A圖及第1B圖中，感測區域150及通道區域130形成T形形狀。相應地，閘電極200是T形。然而，感測區域150、通道區域130及閘電極200之形狀不僅限於此。第7A圖是依據本揭露一些實施例之生物裝置的俯視圖，第7B圖是第7A圖中基板100及感測井300之俯視圖。為明晰起見，第7A圖中省略閘極介電質170(參照第2圖)。在第7A圖及第7B圖中，感測區域150及通道區域130形成I形形狀。相應地，閘電極200是I形。感測井300設置在感測區域150之下。然而，在其他實施例中，感測區域150可延長至通道區域130，甚至延長至源極區域110及/或汲極區域120。
第8A圖是依據本揭露一些實施例之生物裝置的俯視圖，及第8B圖是第8A圖中基板100及感測井300之俯視圖。為明晰起見，第8A圖中省略閘極介電質170(參照第2圖)。在第8A圖及第8B圖中，有兩個感測區域150、兩個主體區域140，及兩個感測井300。通道區域130設置在感測區域150中之兩者之間，及感測區域150分別設置在兩個主體區域140與通道區域130之間。兩個感測區域150及通道區域130形成H形形狀。相應地，閘電極200是H形。感測井300分別設置在兩個感測區域150之下。然而，在其他實施例中，感測區域150可 分別延長至通道區域130，甚至延長至源極區域110及/或汲極區域120。或者，可組合兩個感測井300。
第9圖是依據本揭露一些實施例之生物裝置之橫剖面視圖。第9圖之橫剖面位置與第2圖之橫剖面位置相同。在第9圖中，感測井300及閘電極200皆設置在基板100上。感測井300設置在感測區域150上，閘電極200設置在通道區域130上。第9圖中的生物裝置之其他相關結構細節類似於第2圖中之生物裝置，因此，下文中將不會重複對此些細節之描述。
應理解，如上文提及之生物裝置之實施例僅提供作為實例，而非用以限制本揭露的範圍。在替代性實施例中，生物裝置可具有符合本揭露之精神的不同配置，配置依據實際情境及製造問題而定。
在前述實施例中，空乏區域可在基板之感測區域中形成。當液體分析物設置在感測井中時，液體分析物中之充電生物分子可影響空乏區域之空乏行為，由此影響電晶體之臨限電壓。此外，臨限電壓根據充電生物分子之充電容積及電荷類型而變更。因此，藉由測量臨限電壓，可辨識充電生物分子之充電容積及類型。由於空乏區域之空乏行為對液體分析物之充電效能十分靈敏，因此可改良生物裝置之靈敏度。此外，電晶體之源極區域、汲極區域，及通道區域可形成開關，以控制生物裝置之開啟/關閉狀態。換言之，生物裝置不連接佔用額外面積之額外開關，從而獲得較小裝置尺寸。因此，可增大生物裝置之密度。
前述內容概括數個實施例之特徵，以便彼等熟習此項技術者可更佳地理解本揭露之態樣。彼等熟習此項技術者應瞭解，本揭露可易於用作設計或修正其他製程及結構之基礎，以實現與本案介紹之實施例相同的目的及/或達到與其相同的優勢。彼等熟習此項技術者亦應瞭解，此種同等構造不脫離本揭露之精神及範疇，及可在不脫離本揭露精神及範疇之情況下在本案中進行多種變更、取代及更動。
100‧‧‧基板
130‧‧‧通道區域
140‧‧‧主體區域
150‧‧‧感測區域
160‧‧‧偏壓源
170‧‧‧閘極介電質
200‧‧‧閘電極
300‧‧‧感測井
310‧‧‧內埋氧化層
400‧‧‧液體分析物

Claims (20)

  1. 一種生物裝置，包含：一基板，包含：一源極區域與一汲極區域；一通道區域，設置在該源極區域與該汲極區域之間；一主體區域；以及一感測區域，至少設置在該通道區域與該主體區域之間；一閘電極，至少設置在該基板之該通道區域上或上方；以及一感測井，至少設置在該感測區域之鄰近處。
  2. 如請求項1所述之生物裝置，更包含：一偏壓源，電連接至該主體區域。
  3. 如請求項2所述之生物裝置，其中該偏壓源是一可調整偏壓源。
  4. 如請求項1所述之生物裝置，其中該感測井更設置在該通道區域之下。
  5. 如請求項1所述之生物裝置，其中該感測井更設置在該源極區域與該汲極區域之下。
  6. 如請求項1所述之生物裝置，其中該感測區域更設置在該源極區域與該主體區域之間及該汲極區域與該主體區域之間。
  7. 如請求項1所述之生物裝置，其中該通道區域設置在兩個該感測區域之間，且該兩個感測區域分別設置在兩個該主體區域與該通道區域之間。
  8. 如請求項1所述之生物裝置，其中該閘電極是T形、I形，或H形。
  9. 如請求項1所述之生物裝置，其中該閘電極更設置在該感測區域上，且該感測井設置在該感測區域之下。
  10. 如請求項1所述之生物裝置，其中該感測井設置在該感測區域上。
  11. 一種生物裝置，包含：一基板，包含：一通道區域；一源極區域及一汲極區域，分別設置在該通道區域之相對側；一主體區域，與該通道區域隔開；一感測區域，將該主體區域實體連接至該通道區域；以及 一閘電極，至少設置在該通道區域上或上方，其中該通道區域、該源極區域、該汲極區域，及該閘電極形成一電晶體；以及一感測井，曝露該感測區域。
  12. 如請求項11所述之生物裝置，其中該感測區域是一空乏區域。
  13. 一種用於進行生物感測之方法，包含：提供一生物裝置，該生物裝置包含：一基板，包含：一源極區域與一汲極區域；一通道區域，設置在該源極區域與該汲極區域之間；一主體區域；以及一感測區域，至少設置在該通道區域與該主體區域之間；一閘電極，至少設置在該基板之該通道區域上或上方；以及一感測井，至少設置在該感測區域之鄰近處；在該感測區域中形成一空乏區域；將一液體分析物設置在該感測井中；以及測量該源極區域與該汲極區域之間的一臨限電壓。
  14. 如請求項13所述之方法，其中藉由向該主體區域施加一偏壓而形成該空乏區域。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該偏壓是一負偏壓。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該偏壓是一正偏壓。
  17. 如請求項13所述之方法，其中藉由對該感測區域執行一電漿處理而形成該空乏區域。
  18. 如請求項13所述之方法，其中藉由對該感測區域執行一離子佈植製程而形成該空乏區域。
  19. 如請求項13所述之方法，其中該源極區域及該汲極區域由N型摻雜材料形成，該通道區域、該主體區域，該感測區域則由P型摻雜材料形成。
  20. 如請求項13所述之方法，其中該源極區域及該汲極區域由P型摻雜材料形成，該通道區域、該主體區域，及該感測區域則由N型摻雜材料形成。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI787726B (zh) * 2020-01-30 2022-12-21 台灣積體電路製造股份有限公司 生物感測器系統封裝及其製造方法

Families Citing this family (1)

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

Family Cites Families (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4180771A (en) * 1977-12-02 1979-12-25 Airco, Inc. Chemical-sensitive field-effect transistor
US5702981A (en) 1995-09-29 1997-12-30 Maniar; Papu D. Method for forming a via in a semiconductor device
WO2000033065A1 (en) * 1998-12-02 2000-06-08 Ut-Battelle, Llc In vivo biosensor apparatus and method of use
US6628982B1 (en) 2000-03-30 2003-09-30 The Regents Of The University Of Michigan Internal marker device for identification of biological substances
US7306924B2 (en) 2000-04-17 2007-12-11 Purdue Research Foundation Biosensor and related method
US7060510B2 (en) 2000-08-15 2006-06-13 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Electronic and optoelectronic devices and methods for preparing same
US6960437B2 (en) 2001-04-06 2005-11-01 California Institute Of Technology Nucleic acid amplification utilizing microfluidic devices
DE10163557B4 (de) 2001-12-21 2007-12-06 Forschungszentrum Jülich GmbH Transistorbasierter Sensor mit besonders ausgestalteter Gateelektrode zur hochempfindlichen Detektion von Analyten
US7955559B2 (en) 2005-11-15 2011-06-07 Nanomix, Inc. Nanoelectronic electrochemical test device
KR100886972B1 (ko) * 2002-08-01 2009-03-04 하이디스 테크놀로지 주식회사 엑스레이 영상 감지소자 및 그 제조방법
US7291568B2 (en) 2003-08-26 2007-11-06 International Business Machines Corporation Method for fabricating a nitrided silicon-oxide gate dielectric
US7399400B2 (en) 2003-09-30 2008-07-15 Nano-Proprietary, Inc. Nanobiosensor and carbon nanotube thin film transistors
JP4065855B2 (ja) * 2004-01-21 2008-03-26 株式会社日立製作所 生体および化学試料検査装置
EP1804054B1 (en) 2005-12-30 2008-04-23 CRF Societa'Consortile per Azioni Chemical biological device for display and light emission
US8471559B2 (en) 2006-05-03 2013-06-25 Schlumberger Technology Corporation Downhole micro magnetic resonance analyzer
JP4777159B2 (ja) 2006-06-26 2011-09-21 キヤノン株式会社 デュアルゲート型センサ
TW200902130A (en) 2007-07-13 2009-01-16 Ensky Technology Co Ltd Life like system, apparatus and method therefor
JP4966153B2 (ja) 2007-10-05 2012-07-04 株式会社東芝 電界効果トランジスタおよびその製造方法
US8007727B2 (en) 2008-05-30 2011-08-30 Intel Corporation Virtual semiconductor nanowire, and methods of using same
US8106400B2 (en) 2008-10-24 2012-01-31 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and method for manufacturing the same
EP2180518B1 (en) 2008-10-24 2018-04-25 Semiconductor Energy Laboratory Co, Ltd. Method for manufacturing semiconductor device
CN103456794B (zh) 2008-12-19 2016-08-10 株式会社半导体能源研究所 晶体管的制造方法
US8114720B2 (en) 2008-12-25 2012-02-14 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Semiconductor device and manufacturing method thereof
KR101681884B1 (ko) 2009-03-27 2016-12-05 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 반도체장치, 표시장치 및 전자기기
TWI489628B (zh) 2009-04-02 2015-06-21 Semiconductor Energy Lab 半導體裝置和其製造方法
JP5564331B2 (ja) 2009-05-29 2014-07-30 株式会社半導体エネルギー研究所 半導体装置の作製方法
KR101287445B1 (ko) 2009-10-06 2013-07-19 한국전자통신연구원 바이오 센서 어레이 소자 및 그 제작 방법과 바이오 센서 칩 및 그 제작 방법
FR2952183A1 (fr) 2009-10-30 2011-05-06 St Microelectronics Crolles 2 Detecteur de matiere biologique ou chimique et matrice de detecteurs correspondante
US8420328B2 (en) 2010-05-12 2013-04-16 Academia Sinica Reusable nanowire field effect transistor system for detecting biomolecular interactions
US8519490B2 (en) 2010-08-09 2013-08-27 Omnivision Technologies, Inc. Backside stimulated sensor with background current manipulation
US8557643B2 (en) 2011-10-03 2013-10-15 International Business Machines Corporation Transistor device with reduced gate resistance
US9459234B2 (en) 2011-10-31 2016-10-04 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd., (“TSMC”) CMOS compatible BioFET
US9689835B2 (en) * 2011-10-31 2017-06-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Amplified dual-gate bio field effect transistor
US8728844B1 (en) 2012-12-05 2014-05-20 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside CMOS compatible bioFET with no plasma induced damage
US8871549B2 (en) 2013-02-14 2014-10-28 International Business Machines Corporation Biological and chemical sensors
US20140264468A1 (en) 2013-03-14 2014-09-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biofet with increased sensing area
US9389199B2 (en) 2013-03-14 2016-07-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Backside sensing bioFET with enhanced performance
CN104049021B (zh) 2013-03-14 2016-10-05 台湾积体电路制造股份有限公司 具有增大的感测面积的biofet
CN103399071B (zh) * 2013-07-29 2015-03-25 山东师范大学 一种石墨烯场效应管生物传感器及其制作方法、检测方法
US9023674B2 (en) 2013-09-20 2015-05-05 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biosensing well array with protective layer
CN104212711B (zh) 2014-04-08 2017-10-27 上海小海龟科技有限公司 电子传感器及基于电子传感器的基因探测方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI787726B (zh) * 2020-01-30 2022-12-21 台灣積體電路製造股份有限公司 生物感測器系統封裝及其製造方法

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KR20190046739A (ko) 2019-05-07
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