TW201812294A - 生物感測器裝置及其形成方法 - Google Patents

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陳東村
楊健國
黃睿政
陳昆龍
廖大傳
謝正祥
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

本發明的一些實施例提供生物感測器裝置及其形成方法。一腔室形成於一基板中且經構形以接納一或多個帶電分子。一電晶體形成於該基板中且包含在一側向方向上與該腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域。該電晶體之一閘極放置於該腔室下方且延伸於該腔室與該源極區域、該汲極區域及該通道區域之間。該閘極之一電壓電位係基於該腔室中之該等帶電分子之一數目。

Description

生物感測器裝置及其形成方法
本發明之實施例係關於一種生物感測器裝置及其形成方法。
生物感測器係用於感測及偵測生物分子且基於電子、電化學、光學及機械偵測原理操作之裝置。包含電晶體之生物感測器係電感測生物實體或生物分子之電荷、光子及機械性質之感測器。可藉由偵測生物實體或生物分子本身或透過指定反應劑與生物實體/生物分子之間之相互作用及反應而執行偵測。此等生物感測器可使用半導體製程來製造，可快速轉換電訊號，且可容易應用於積體電路(IC)及MEMS。
本發明實施例係關於一種生物感測器裝置，其包括：一腔室，其形成於一基板中且經構形以接納一或多個帶電分子；一電晶體，其形成於該基板中且包含在一側向方向上與該腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域；及該電晶體之一閘極，其放置於該腔室下方且延伸於該腔室與該源極區域、該汲極區域及該通道區域之間，該閘極之一電壓電位係基於該腔室中之該等帶電分子之一數目。 本發明實施例係關於一種生物感測器裝置，其包括：一基板，其包含(i)包括一半導體材料之一第一層及(ii)形成於第一層上方且包括一介電材料之一第二層；一腔室，其包括形成於該第一層及該第二層中之一開口，該腔室經構形以接納一或多個帶電分子；一電晶體，其形成於該基板之該第一層中且包含在一側向方向上與該腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域；及該電晶體之一閘極，其放置於該腔室下方且延伸於該腔室與該源極區域、該汲極區域及該通道區域之間，該閘極之一電壓電位係基於該腔室中之該等帶電分子之一數目。 本發明實施例係關於一種形成一生物感測器裝置之方法，其包括：在一絕緣體上矽(SOI)晶圓之一頂部矽層中形成一電晶體，該電晶體包含源極區域、汲極區域及通道區域；形成該電晶體之一閘極；移除該SOI晶圓之一底部矽層之至少一部分；使用一背側蝕刻程序來形成一腔室，該腔室包括形成於該SOI晶圓之氧化物層及該頂部矽層中之一開口，該腔室經構形以接納一或多個帶電分子，其中該源極區域、該汲極區域及該通道區域在一側向方向上與該腔室空間分離，且該閘極放置於該腔室下方且延伸於該腔室與該源極區域、該汲極區域及該通道區域之間。
下文揭露提供用於實施所提供之標的之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，其等僅係實例且不旨在限制。例如，在下文描述中，一第一構件在一第二構件上方或上之形成可包含其中第一構件與第二構件直接接觸形成之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成於第一構件與第二構件之間，使得第一構件與第二構件可未直接接觸之實施例。此外，本揭露可在各種實例中重複參考數字及/或字母。此重複係出於簡單及清楚之目的且本身並不指示所論述之各種實施例及/或構形之間之一關係。 此外，空間相關術語，諸如「底下」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及類似者在本文中可用來方便描述以描述如圖中所繪示之一個元件或構件與另一元件或構件之關係。空間相關術語旨在涵蓋除圖中描繪之定向外裝置在使用中或操作中之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或依其他定向)，且相應地可同樣地解釋本文中所用之空間相關描述詞。 圖1A至圖1F描繪根據一些實施例之實例性生物感測器裝置。明確言之，圖1A描繪一實例性生物感測器裝置之一俯視圖且包含在一x方向上延伸之一切割線X1-X2及在一y方向上延伸之一切割線Y1-Y2。如圖中所示，實例性生物感測器裝置包含一主動裝置區域104。在一些實施例中，主動裝置區域104包括包含一電晶體之源極、汲極、通道及主體區域之一電晶體裝置區。主動裝置區域104可稱為氧化物定義(OD)區域。分別經由「D」、「S」及「B」記號在圖1A中描繪主動裝置區域104之源極、汲極及主體區域。通道區域(未在圖1A中標記)在主動裝置區域104中形成於源極區域與汲極區域之間。在一些實施例中，主動裝置區域104形成於一絕緣體上矽(SOI)晶圓之一頂部矽層中。 圖1A之實例性生物感測器裝置進一步包含形成於主動裝置區域104下方之一閘極106。在一些實施例中，閘極106係形成於主動裝置區域104中之電晶體之閘極且包括多晶矽、一金屬、一金屬合金或另一材料。一腔室102 (例如，一溝槽、一開口、一阱等)形成於閘極106之一部分上方。在圖1A之實例性生物感測器裝置中，腔室102用作經構形以接納一分子(例如，一帶電分子、一生物分子等)或其他實體(例如，一生物實體等)之一感測區或感測體積(例如，一感測區域)。在實施例中，腔室102包含一感測表面，該感測表面具有充當表面受體之固定探測分子之一生物或生物化學相容層或一生物功能化層。多種生物分子及生物實體可用來功能化腔室102之感測表面(例如，離子、酶、抗體、配位體、受體、肽、寡核苷酸、器官細胞、生物體、組織片等)。例如，為了偵測ssDNA (單鏈去氧核糖核酸)，腔室102可運用固定互補式ssDNA鏈而功能化。又，為了偵測諸如腫瘤標誌物之各種蛋白質，感測表面可運用單株抗體而功能化。 目標分子或實體至腔室102之感測表面之一結合引起生物感測器裝置產生指示結合事件之一輸出(例如，一電訊號、一電壓、一電流等)。在本文中描述之實施例中，帶電分子(例如，帶電生物分子)至腔室102之感測表面之結合引起生物感測器裝置產生指示存在於腔室102中之帶電分子之一數目(例如，固定於腔室102之一底部表面上之帶電分子之一數目)、腔室102中之一分子密度(例如，在腔室之底部表面上，每單位面積之帶電分子之一數目)及/或腔室102中之一電荷密度(例如，在腔室之底部表面上，每單位面積之電荷量)之一輸出。在一些實例中，生物感測器裝置在一乾燥環境中操作，使得腔室102經構形以在無一流體溶液之情況下固定帶電分子。在其他實例中，生物感測器裝置在一潮濕環境中操作，其中腔室102容納包含帶電分子之一流體溶液。在實施例中，腔室102之一底部表面經構形以固定溶液之至少一些帶電分子，此外，在實例中，生物感測器裝置經構形以產生指示腔室102中之一流體溶液之一pH之一輸出。此等實例在本文中進一步詳細描述。 為了進一步繪示圖1A之生物感測器裝置，對圖1B進行參考，圖1B描繪裝置沿Y1-Y2切割線之一剖面圖。如圖1B中所示，在實施例中，裝置包含一淺溝槽隔離(STI)/主動裝置區域層108及形成於STI/主動裝置區域層108上方之一介電層110。STI/主動裝置區域層108包括上文描述之主動裝置區域104 (或其之一部分)，該主動裝置區域104包含形成於主動裝置區域104中之電晶體之一主體區域158。形成於STI/主動裝置區域層108中之主動裝置區域104進一步包含形成於主動裝置區域104中之電晶體之源極、汲極及通道區域。此等源極、汲極及通道區域在圖1B之剖面圖中不可見但分別以參考數字182、184、161描繪於圖1D中。 如圖1B中所示，STI/主動裝置區域層108之主動裝置區域104由淺溝槽隔離(STI)絕緣體材料156環繞。形成於STI/主動裝置區域層108上方之介電層110包括一介電材料154 (例如，氧化矽、二氧化矽、另一類型氧化物、氮化物等)。在實例中，介電層110係一絕緣體上矽(SOI)晶圓之一埋入式氧化物層，且層108之主動裝置區域104形成於SOI晶圓之一頂部矽層中。下文參考圖7A至圖7D進一步詳細描述使用SOI晶圓製造本文中描述之生物感測器裝置。應注意，在其他實施例中，SOI晶圓不用於製造本文中描述之生物感測器裝置。在此等其他實施例中，不同類型的基板(例如，包括一半導體材料之一基板，諸如矽基板等)用來製造本文中描述之生物感測器裝置。 圖1B中亦描繪腔室102及閘極106。在實例中，腔室102具有在z方向上之一高度H，該高度H在0.1 μm至10 μm之一大致範圍內。如圖中所示，腔室102放置於閘極106之一部分上方且包括形成於STI/主動裝置區域層108及介電層110中之一開口。在實例中，閘極106形成於包括一介電材料(例如，層間介電(ILD)材料)之一介電層162中。如圖中所繪示，介電層162之介電材料放置於閘極106與STI/主動裝置區域層108之間。結構形成於一基板198上。在實施例中，基板198係一「處置晶圓」。如下文更詳細描述，在實施例中，使用一SOI晶圓製造生物感測器裝置。為了使用SOI晶圓來製造生物感測器裝置，將SOI晶圓之一頂部矽層附接至諸如圖1B中所示之基板198之一處置晶圓。隨後，執行SOI晶圓之一背側之處理(例如，移除底部矽基板、執行穿過介電層110之背側蝕刻等)。下文更詳細描述處置晶圓之使用及使用SOI晶圓製造裝置。 在實施例中，如圖1B中所示，生物感測器裝置包含一絕緣層152。在實例中，絕緣層152包括HFO2 、SrTiO3 、ZrO2 、HfSiO4 、La2 O3 及TiO2 或另一介電材料。在實施例中，絕緣材料152包括具有一相對高的介電常數(例如，在10至100之一大致範圍內之一介電常數)之一介電材料。在圖1B之實例中，絕緣層152覆蓋腔室102之側壁及一底部表面。在此實例中，絕緣層152在腔室102中之部分可包括一感測表面，該感測表面具有充當經構形以固定分子(例如，帶電分子)之一表面受體之一生物或生物化學相容層。特定言之，形成於腔室102之底部表面上方之絕緣層152之部分可經構形以固定帶電分子，使得經固定分子相對緊鄰形成於腔室102下方之閘極106之部分。 如下文參考圖1E及圖1F進一步詳細描述，帶電分子於腔室102中之固定(例如，直接於閘極106上或在閘極106附近)引起閘極106之一電壓電位改變，因此使生物感測器裝置能夠產生指示存在於腔室102中之帶電分子之一數目(例如，固定於腔室102之底部表面上之帶電分子之一數目)、腔室102中之一分子密度(例如，在腔室102之底部表面上，每單位面積之帶電分子之一數目)及/或腔室102中之一電荷密度(例如，在腔室102之底部表面上，每單位面積之電荷量)之一輸出。 如上文描述，在圖1B之實例中，絕緣層152覆蓋腔室102之側壁及底部表面。相比之下，在其他實例中，絕緣層152未形成於腔室102之底部表面上方。此之一實例展示於圖1C中，圖1C描繪形成於腔室102之側壁上但未形成於腔室102之一底部表面186上之絕緣層152。如此圖中所繪示，腔室102之底部表面包括閘極106之一部分186。因此，在圖1C之實施例中，閘極106之部分186經構形以將分子(例如，帶電分子)直接固定於閘極106上(例如，在使用或未使用表面受體或用於固定分子之另一材料之情況下)。 為了進一步繪示圖1A至圖1C之生物感測器裝置，對圖1D進行參考。圖1D描繪沿X1-X2切割線之裝置之一剖面圖。從此視圖，可看出STI/主動裝置區域層108之主動裝置區域104包含形成於主動裝置區域104中之電晶體之源極區域182及汲極區域184。主動裝置區域104進一步包含連接源極區域182及汲極區域184之一通道區域161，且主動裝置區域104由STI絕緣體材料156環繞。圖1D中亦描繪上文描述之絕緣層152、介電層110、閘極106、介電層162及基板198。 參考圖1E及圖1F描述圖1A至圖1D之生物感測器裝置之操作。在圖1E中，腔室102之一底部表面經構形以將帶電分子188固定為相對緊鄰放置於腔室102下方之閘極106之部分。帶電分子188之電荷引起閘極106上之一電荷密度改變，此導致閘極106之電壓電位之一改變。閘極106之電壓電位因此基於固定於腔室102中之帶電分子188 (例如，分子188之一數目及/或起因於分子188之閘極106上之一電荷密度等)而變動。如上文描述，閘極106係形成於主動裝置區域104中之電晶體之閘極，使得電晶體之源極區域182與汲極區域184之間之一電流(例如，其可稱為一「汲極電流」)基於閘極106之電壓電位而變動。 在實例中，量測源極區域182與汲極區域184之間之電流，且經量測之電流(或，由帶電分子188之固定引起之經量測之電流之一改變)指示帶電分子188之一數目、分子188之一分子密度及/或由分子188引起之腔室102之底部表面處之一電荷密度。因此，在此等實例中，偵測機制係歸因於腔室102中之帶電分子188之結合之傳感器之一電導率調變。在其他實例中，一或多個組件(例如，如圖6A及圖6B中所描繪之一轉阻放大器)用來將電流或由帶電分子188引發之電流變化轉化成另一電訊號，諸如一可量測電壓。 在實施例中，源極區域182及汲極區域184包括形成於一輕度摻雜之N阱中之P型摻雜區。在一些實例中，經由一離子植入程序而達成P型摻雜。P型摻雜之使用可容許獲得由帶電分子188之固定引發之一最大汲極電流ID 。因此，在最大汲極電流ID 的情況下，MOSFET電晶體之跨導gm 可同樣地最大化。在其他實例中，源極區域182及汲極區域184包括N型摻雜區。 在圖1F之實例中，絕緣層152未形成於腔室102之一底部表面上方，使得閘極106經構形以將帶電分子190直接固定於閘極106上(例如，在使用或未使用表面受體或用於將分子固定於表面186上之另一材料之情況下)。帶電分子190之電荷引起閘極106上之一電荷密度改變，此導致閘極106之電壓電位之一改變。閘極106之電壓電位因此基於固定於腔室102中之帶電分子190而變動。因為閘極106用作形成於主動裝置區域104中之電晶體之一閘極，所以電晶體之源極區域182與汲極區域184之間之一電流同樣地基於帶電分子190之結合而變動。此電流(或基於電流之另一電訊號)指示帶電分子190之一數目、分子190之一分子密度及/或由分子190引起之腔室102之底部表面處之一電荷密度。 除其他組件之外，上文描述之生物感測器裝置亦包含：(i)腔室102；(ii)電晶體，其形成於主動裝置區域104中，包含通道區域161、源極區域182及汲極區域184；及(iii)閘極106。從圖1A至圖1D，可看出電晶體之通道區域161、源極區域182及汲極區域184在一側向方向(即，x方向、y方向或x方向及y方向兩者)上與腔室102空間分離。例如，在圖1A至圖1D之實例中，電晶體之源極區域、汲極區域及通道區域在y方向上與腔室102空間分離。閘極106延伸於腔室102與通道區域161、源極區域182及汲極區域184之間且以上文描述之方式將此等空間分離之組件耦合在一起(例如，腔室102中之帶電分子之結合導致閘極106之電壓電位之一改變，此繼而導致源極區域182與汲極區域184之間之電流之一改變)。 本申請案之生物感測器不同於習知生物感測器。通常，在習知生物感測器中，一感測區域(例如，一腔室)形成於一電晶體正上方。感測區域與電晶體之源極區域、汲極區域及通道區域之間之任何空間分離係在一垂直方向(即，z方向)上且非在一側向方向上。此外，在此等習知生物感測器中，因為感測區域形成於電晶體正上方，所以感測區域之一大小受限於電晶體之一大小。因此，為了增大感測區域之大小，電晶體之大小必須相應地增大。此通常係非所要的，因為增大電晶體之大小增加生物感測操作中之雜訊量。因此，在習知生物感測器中，由一放大感測區域提供之訊號之任何增大伴隨著雜訊的增加，使得生物感測器之一敏感度(例如，一訊雜比(SNR))未藉由放大感測區域而增加。此外，在習知生物感測器中，若未放大電晶體大小，則感測區域可係相對小的，使得無法針對相對較大大小的分子執行生物感測。 與習知生物感測器相比，本申請案之生物感測器利用非形成於一電晶體正上方之一感測區域(例如，腔室102)。而是，如上文描述，感測區域與電晶體在一側向方向上空間分離。因為此側向分離且因為感測區域非形成於電晶體正上方，所以感測區域之一大小(例如，腔室102之一大小)不依賴於電晶體之一大小。相應地，感測區域之一大小可增大而不必增大電晶體大小，因此在無雜訊之一伴隨增大之情況下實現一增大的感測訊號。在實例中，本申請案之生物感測器之SNR及敏感度比習知生物感測器高。例如，在一實施例中，具有1 μm2 的面積之一感測區域之一習知生物感測器具有約1.6之一SNR。相比之下，在一實施例中，具有10 μm2 的面積(即，習知生物感測器之面積10倍大的面積)之一感測區域之本申請案之一實例性生物感測器具有約16之一SNR (即，習知生物感測器之SNR 10倍大的SNR)。此外，因為感測區域之一大小可增大而不必增大電晶體大小，所以可製作大小相對大的感測區域，因此使生物感測能夠針對相對較大大小的分子執行。本揭露之生物感測器實現DNA分子及蛋白質分子以及其他之生物感測。 圖2描繪根據一些實施例之在一潮濕環境中執行之一實例性生物感測操作之態樣。在圖2之實例中，腔室102容納包含帶電分子206之一流體溶液202。如圖中所繪示，腔室102之一底部表面經構形以固定至少一些帶電分子。為了向流體溶液202賦予一電壓電位，利用一參考電極204。亦以類似於上文描述之一方式執行生物感測操作，其中閘極106之一電壓電位係基於存在於腔室102中之帶電分子206，且電晶體之源極區域182與汲極區域184之間之一電流係基於閘極106之電壓電位。在實例中，量測此電流，且經量測之電流指示帶電分子206之一數目、固定於腔室102中之分子206之一分子密度及/或腔室102之底部表面上之一電荷密度。在其他實例中，將電流轉化成另一可量測電訊號(例如，一電壓)。下文參考圖6A及圖6B描述一電流至另一可量測電訊號之轉化。 本文中描述之生物感測器裝置亦可用來產生指示存在於腔室102中之流體溶液202之一pH之一輸出。在其中生物感測器裝置用作一pH感測器之實例中，流體溶液202可包含或可不包含帶電分子206。在此等實例中，閘極106之一電壓電位係基於存在於腔室102中之流體溶液202之pH，且電晶體之源極區域182與汲極區域184之間之一電流係基於閘極106之電壓電位。在實例中，量測此電流，且經量測之電流指示流體溶液202之pH。在其他實例中，將電流轉化成另一可量測電訊號。 圖3係根據一些實施例之一實例性生物感測器裝置之一三維描繪。此圖描繪上文描述之腔室102、主動裝置區域104及閘極106。在實施例中，主動裝置區域104包括包含一電晶體之源極、汲極、通道及主體區域之一電晶體裝置區。主動裝置區域104藉由形成於閘極106上方之STI絕緣體材料304而與其他區域(例如，其他主動裝置區域)電隔離。結構形成於一基板302 (例如，一矽基板、一玻璃基板等)上。在實施例中，基板302係一處置晶圓。下文參考圖7A至圖7D更詳細描述將一處置晶圓用於製造生物感測器裝置。 如上文參考圖1A至圖2所描述，在本申請案之生物感測器裝置中，閘極106之一電壓電位基於固定於一腔室中之帶電分子而變動，其中經固定之分子定位為相對緊鄰閘極106之一部分或與閘極106直接接觸。帶電分子引發閘極106上之一電荷，此引起閘極106之電壓電位改變。在實施例中，經固定之帶電分子之一電荷密度係(方程式1) 其中Qd 係一電荷密度(以每平方米之庫侖數為單位)(即，C/m2 )，Q係經固定之帶電分子之電荷總量(以庫侖為單位)，且A係帶電分子固定於其上之面積。作為一實例，對於20 BP DNA鏈，1 μm2 面積中之1個DNA分子產生Qd = 3.2 x 10-7 C/m2 之一電荷密度。閘極106之電壓電位係基於固定位點處之電荷密度Qd 。如上文描述，在一些實例中，閘極之一部分經構形以固定帶電分子，且在其他實例中，形成於腔室102之一底部表面上方之絕緣層152經構形以固定帶電分子。 在實例中，閘極106之電壓電位亦係基於生物感測器裝置之一或多個寄生元素(例如，一或多個寄生電容)。為了繪示此，對圖4A及圖4B進行參考。圖4A描繪圖1C之實例性生物感測器裝置，其允許帶電分子直接固定於閘極106上。如圖4A中所示，一寄生電容「C0 」存在於閘極106與STI/主動裝置區域層108之主動半導體區域104之間。在實例中，寄生電容C0 具體存在於閘極106與通道區域161之間，該通道區域161連接形成於主動裝置區域104中之電晶體之源極區域182及汲極區域184 (例如，如圖1D中所描繪)。圖4B描繪對應於圖4A之生物感測器裝置之一等效電路，其中等效電路包含寄生電容C0 。 圖4A及圖4B之實例之閘極106之電壓電位藉由下文給出：(方程式2) 其中Vgate 係閘極106之電壓電位，Q係固定於腔室中之分子之電荷之總量(以庫侖為單位)，C0 係上文描述之寄生電容，A係帶電分子固定於其上之面積，d係形成於閘極106與主動裝置區域104之間之介電層162之一部分之一厚度(例如，幾奈米、幾十奈米等)，係介電層162之一介電常數，且係空氣之介電常數。從方程式2，可看出閘極106之電壓電位取決於電荷密度Qd 及寄生電容C0 兩者以及其他變量。 為了進一步繪示寄生元素對閘極106之電壓電位之效應，對圖5A及圖5B進行參考。圖5A描繪圖1B之實例性生物感測器裝置，其包含形成於腔室之底部表面上之絕緣層152。如圖5A中所描繪，絕緣層152經構形以固定帶電分子。如此圖中所示，一寄生電容Cs存在於閘極106與絕緣層152之一表面508 (帶電分子固定於其上)之間。此外，存在寄生電容C0 (上文參考圖4A及圖4B所描述)。圖5B描繪對應於圖5A之生物感測器裝置之一等效電路，其中等效電路包含寄生電容Cs及C0 。 表面508處之電壓藉由下文給出：(方程式3) 其中Cs = aC0 。圖5A及圖5B之實例之閘極106之電壓電位藉由下文給出：(方程式4) 從方程式3及4，可看出閘極106之電壓電位取決於電荷密度Qd 及寄生電容Cs及C0 兩者。 在其中感測器腔室(例如，腔室102)之大小相對小(例如，感測器腔室之底部表面之一面積相對小)之實例中，Cs比C0 小得多，且下文係真實的： 若Cs ＜＜ C0 ，則a ＜＜ 1，且Vgate = aVsurface 相反地，在其中感測器腔室之大小相對大(例如，感測器腔室之底部表面之一面積相對大)之實例中，Cs比C0 大得多且下文係真實的： 若Cs ＞＞ C0 ，則a ＞＞ 1，且Vgate ~ Vsurface 為了放大生物感測器裝置之SNR，Cs應比C0 大得多，且此藉由放大感測器腔室之大小而達成。如上文描述，在本申請案之方法下，可在無電晶體之大小之伴隨增大之情況下放大感測器腔室之大小。此係因為腔室在一側向方向上與電晶體空間分離，使得腔室未形成於電晶體上方。因此，腔室之大小可經放大以在無雜訊之增加(其將在電晶體大小放大的情況下存在)之情況下達成一更高感測訊號。 如上文描述，在一些實例中，量測(例如，感測)源極區域182與汲極區域184之間之一電流(例如，亦稱為「汲極電流」(ID ))，其中經量測之電流係生物感測器裝置之輸出。在其他實例中，未量測此電流，且替代地，使用一或多個組件來將電流轉化成可量測之一不同電訊號。為了繪示此，對圖6A及圖6B進行參考，圖6A及圖6B分別描繪根據一些實施例之用於產生電訊號604、654之轉阻放大器602、652。圖6A描繪圖4B之等效電路且展示藉由轉阻放大器602將由生物分子固定於閘極106上而引發之一汲極電流轉化成電訊號604。同樣地，圖6B描繪圖5B之等效電路且展示藉由轉阻放大器652將由生物分子固定於絕緣層152之表面上而引發之一汲極電流轉化成電訊號654。電訊號604、654可例如係可量測之電壓(例如，電壓訊號)。 在實施例中，包含其他組件作為本文中描述之生物感測器裝置之部分。例如，在實施例中，一晶片上加熱器與生物感測電晶體整合。在其他實施例中，一熱感測器與生物感測電晶體整合。溫度感測器之類型可係耐熱、基於二極體或基於CMOS。在實施例中，各種感測電路與生物感測電晶體整合。 如上文描述，在實例中，使用SOI晶圓來製造本申請案之生物感測器裝置。在一實例性製程中，一SOI晶圓結合至一處置晶圓。SOI晶圓於SOI晶圓之頂部矽層(例如，較薄矽層)處結合至處置晶圓，使得SOI晶圓之底部矽層(例如，較厚矽層)保持暴露。隨後，移除底部矽層，因此暴露SOI晶圓之埋入式氧化物層。在移除底部矽層之後，使用一背側蝕刻程序將腔室(例如，腔室102)蝕刻至埋入式氧化物層中。 為了繪示用於製造本申請案之生物感測器裝置之一實例性程序，對圖7A至圖7D進行參考。圖7A描繪上文描述之主動裝置區域104及閘極106。層間介電(ILD)絕緣體材料710環繞主動裝置區域104，且互連件708之金屬耦合至主動裝置區域104及閘極106。一基板702 (例如，一矽基板)經展示為在構件104、106、708、710上方，使得在圖7A中所示之步驟中結構被上下顛倒。在實施例中，基板702係一SOI晶圓之底部矽層，且主動裝置區域104形成於SOI晶圓之頂部矽層中。在此等實施例中，SOI晶圓之氧化物層(例如，一「埋入式氧化物」或「Box」層)放置於基板702與主動裝置區域104之間。 在形成圖7A中所示之構件之後，在圖7B中所示之步驟中，將結構結合至一處置基板712。在圖7C中所示之後續步驟中，移除基板702。在實例中，使用機械研磨、化學機械拋光(CMP)、濕式蝕刻及乾式蝕刻之一或多者來執行基板702之移除。接著，在圖7D中所示之步驟中，如所示般蝕刻基板以形成上文描述之腔室102。在其中使用SOI晶圓來形成結構之一些實施例中，結構之蝕刻包含SOI晶圓之埋入式氧化物層之蝕刻。 圖8描繪根據一些實施例之用於形成一生物場效電晶體裝置之一實例性方法之操作。為便於理解，參考上文圖7A至圖7D描述圖8。但圖8之程序亦適用於其他結構。在802處，一電晶體形成於一絕緣體上矽(SOI)晶圓之頂部矽層中，電晶體包含源極區域、汲極區域及通道區域。此之一實例展示於圖7A中，圖7A描繪其中形成有一電晶體之主動裝置區域104。在804處，形成電晶體之一閘極。此之一實例展示於圖7A中，圖7A描繪閘極106。在806處，移除SOI晶圓之一底部矽層之至少一部分。例如，圖7C展示已移除圖7A及圖7B中所示之基板702之至少一部分。在808處，使用一背側蝕刻程序來形成一腔室，其中腔室包括形成於SOI晶圓之氧化物層及一頂部矽層中之一開口。此腔室之一實例係圖7D及上文描述之其他圖(例如，圖1A至圖1C、圖1E、圖1F、圖2及圖3)中繪示之腔室102。腔室經構形以接納一或多個帶電分子。在實例中，電晶體之源極區域、汲極區域及通道區域在一側向方向上與腔室分離，其中閘極延伸於腔室與源極區域、汲極區域及通道區域之間。應注意，在實施例中，同時且未必循序地執行圖8之步驟802至808之一些，且在實施例中，步驟802至808之順序可與圖中所描繪之順序不同。 本揭露係關於生物感測器裝置及其製造方法。一實例性生物感測器裝置包含形成於一基板中且經構形以接納一或多個帶電分子之一腔室。實例性生物感測器裝置亦包含形成於基板中且包含在一側向方向上與腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域之一電晶體。實例性生物感測器裝置進一步包含放置於腔室下方且延伸於腔室與源極區域、汲極區域及通道區域之間之電晶體之一閘極。閘極之一電壓電位係基於腔室中之帶電分子之一數目。 另一實例性生物感測器裝置包括一基板，該基板包含：(i)一第一層，其包括一半導體材料；及(ii)一第二層，其形成於第一層上方且包括一介電材料。生物感測器裝置亦包含一腔室，該腔室包括形成於第一層及第二層中之一開口，該腔室經構形以接納一或多個帶電分子。生物感測器裝置亦包含一電晶體，該電晶體形成於基板之第一層中且包含在一側向方向上與腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域。電晶體之一閘極放置於腔室下方且延伸於腔室與源極區域、汲極區域及通道區域之間。閘極之一電壓電位係基於腔室中之帶電分子之一數目。 在用於形成一生物感測器裝置之一實例性方法中，一電晶體形成於一絕緣體上矽(SOI)晶圓之一頂部矽層中，電晶體包含源極區域、汲極區域及通道區域。形成電晶體之一閘極。移除SOI晶圓之一底部矽層之至少一部分。使用一背側蝕刻程序來形成一腔室，該腔室包括形成於SOI晶圓之氧化物層及頂部矽層中之一開口。腔室經構形以接納一或多個帶電分子。源極區域、汲極區域及通道區域在一側向方向上與腔室空間分離，且閘極放置於腔室下方且延伸於腔室與源極區域、汲極區域及通道區域之間。 前文概述若干實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應認識到，其等可容易使用本揭露作為設計或修改用於實行本文中介紹之實施例之相同目的及/或達成其等之相同優點之其他程序及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應意識到，此等等效構造未脫離本揭露之精神及範疇，且其等可在不脫離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中作出各種改變、置換及變動。
102‧‧‧腔室
104‧‧‧主動裝置區域
106‧‧‧閘極
108‧‧‧淺溝槽隔離(STI)/主動裝置區域層
110‧‧‧介電層
152‧‧‧絕緣層
154‧‧‧介電材料
156‧‧‧淺溝槽隔離(STI)絕緣體材料
158‧‧‧主體區域
161‧‧‧通道區域
162‧‧‧介電層
182‧‧‧源極區域
184‧‧‧汲極區域
186‧‧‧底部表面
188‧‧‧帶電分子
190‧‧‧帶電分子
198‧‧‧基板
202‧‧‧流體溶液
204‧‧‧參考電極
206‧‧‧帶電分子
302‧‧‧基板
304‧‧‧淺溝槽隔離(STI)絕緣體材料
508‧‧‧表面
602‧‧‧轉阻放大器
604‧‧‧電訊號
652‧‧‧轉阻放大器
654‧‧‧電訊號
702‧‧‧基板
708‧‧‧互連件
710‧‧‧層間介電(ILD)絕緣體材料
712‧‧‧處置基板
802‧‧‧步驟
804‧‧‧步驟
806‧‧‧步驟
808‧‧‧步驟
B‧‧‧主體區域
C0‧‧‧寄生電容
Cs‧‧‧寄生電容
D‧‧‧汲極區域
S‧‧‧源極區域
Vgate‧‧‧閘極之電壓電位
當結合附圖閱讀時，可從下文詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據行業中之標準實踐，未按比例繪製各種構件。事實上，為清楚論述，各種構件之尺寸可任意增大或減小。 圖1A至圖1F描繪根據一些實施例之實例性生物感測器裝置。 圖2描繪根據一些實施例之在一潮濕環境中執行之一實例性生物感測操作之態樣。 圖3係根據一些實施例之一實例性生物感測器裝置之一三維描繪。 圖4A及圖4B描繪根據一些實施例之一實例性生物感測器裝置及對應等效電路。 圖5A及圖5B描繪根據一些實施例之另一實例性生物感測器裝置及對應等效電路。 圖6A及圖6B描繪根據一些實施例之用於產生一輸出訊號之轉阻放大器。 圖7A至圖7D描繪根據一些實施例之用於製造一生物感測器裝置之實例性步驟。 圖8描繪根據一些實施例之用於形成一生物場效電晶體裝置之一實例性方法之操作。

Claims (1)

  1. 一種生物感測器裝置，其包括： 一腔室，其形成於一基板中且經構形以接納一或多個帶電分子； 一電晶體，其形成於該基板中且包含在一側向方向上與該腔室空間分離之一源極區域、一汲極區域及一通道區域；及 該電晶體之一閘極，其放置於該腔室下方且延伸於該腔室與該源極區域、該汲極區域及該通道區域之間，該閘極之一電壓電位係基於該腔室中之該等帶電分子之一數目。
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