TW201911423A - 生物場效電晶體裝置 - Google Patents

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鄭創仁
黃士芬
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黃毓傑
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Abstract

一種生物場效電晶體裝置包括：半導體基底，具有第一表面及與第一表面相對且平行的第二表面；以及多個生物場效電晶體感測器，位於半導體基底上。每一生物場效電晶體感測器包括：閘極，形成於半導體基底的第一表面上；以及通道區，在閘極下方以及源極/汲極（S/D）區之間形成於半導體基底內。通道區包括半導體基底的第二表面的一部分。隔離層設置於半導體基底的第二表面上。隔離層具有開口，開口位於多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的通道區之上。介面層設置於開口中多於一個生物場效電晶體感測器的通道區上。

Description

生物場效電晶體裝置
生物感測器是用於感測及偵測生物分子的裝置，且基於電子偵測原理、電化學偵測原理、光學偵測原理、及機械偵測原理而運作。包括電晶體的生物感測器是對生物實體或生物分子的電荷、光子及機械性質進行電性感測的感測器。可藉由偵測生物實體或生物分子本身、或者藉由所指定反應劑與生物實體/生物分子之間的相互作用及反應來執行偵測。此類生物感測器可使用半導體製程來進行製造，可快速地轉換電訊號，且可容易地應用於積體電路（integrated circuit，IC）及微機電系統（microelectromechanical system，MEMS）。
以下揭露內容提供用於實作所提供標的物的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下闡述組件及排列的具體實例以簡化本揭露。當然，該些僅為實例且並非旨在進行限制。舉例而言，以下說明中將第一特徵形成於第二特徵之上可包括其中第一特徵與第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且亦可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有及/或設置有附加特徵、進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本揭露可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。此種重複使用並非自身表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如「在...下方（beneath）」、「在...下面（below）」、「下部的（lower）」、「上方（above）」、「上部的（upper）」等空間相對性用語來闡述圖中所說明的一個元件或特徵與另一（些）元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的定向外亦囊括裝置在使用或操作中的不同定向。設備可具有其他定向（例如，旋轉90度或其他定向），且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。術語
除非另有定義，否則本文中所使用的技術用語及科學用語具有與本揭露所屬技術領域中通常知識者通常所理解的含義相同的含義。雖然可在實踐或測試根據本揭露揭露的實施例時使用與本文所述者類似或等效的任何方法及材料，但現在將闡述方法、裝置及材料。本文中所提及的所有專利及公開案均併入本文供參考，以便於闡述及揭露在該等公開案中所報導的可結合本揭露使用的材料及方法。
本文中所使用的首字母縮略詞「FET」是指場效電晶體。一種場效電晶體類型的實例被稱為金屬氧化物半導體場效電晶體（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）。歷史上，金屬氧化物半導體場效電晶體一直是建造於基底（例如半導體晶圓）的平整表面中及平整表面上的平整結構。然而，最近半導體製造的進步已得到三維的鰭式金屬氧化物半導體場效電晶體結構。
用語「生物場效電晶體（bioFET）」是指一種包括一層固定化的捕獲試劑（immobilized capture reagents）的場效電晶體，所述捕獲試劑充當表面受體以偵測是否存在生物起源的目標分析物。根據一些實施例，生物場效電晶體是具有半導體傳感器（semiconductor transducer）的場效感測器。生物場效電晶體的一個優點是有希望進行免標記操作。具體而言，生物場效電晶體能夠避免昂貴且耗時的標記操作（例如，用例如螢光探針或放射性探針來標記分析物）。由生物場效電晶體進行偵測的分析物通常具有生物起源，例如但不限於蛋白質、碳水化合物、脂質、組織碎片或其部分。生物場效電晶體可為更廣泛的場效電晶體感測器一類的一部分，其亦可偵測任何化學化合物（此類場效電晶體在此項技術中被稱為「化學場效電晶體（ChemFET）」）或包括離子（例如質子或金屬離子）在內的任何其他元素（此類場效電晶體在此項技術中被稱為「離子選擇性場效電晶體（ion sensitive field effect transistor，ISFET）」）。本揭露適用於所有類型的基於場效電晶體的感測器（「場效電晶體感測器」）。本文中的一種特定類型的場效電晶體感測器是雙閘極背側感測場效電晶體感測器（Dual-Gate Back Side Sensing FET Sensor）。
「源極/汲極（source/drain，S/D）」是指形成場效電晶體四個端子中的兩者的源極/汲極接面。
表達語「高k（high-k）」是指高介電常數。在半導體裝置結構及製造製程的領域中，高介電常數是指較SiO2 的介電常數大（即，大於3.9）的介電常數。
用語「分析（analysis）」一般是指涉及物理分析、化學分析、生物化學分析、或生物分析的過程或步驟，其包括但不限於表徵、測試、量測、最佳化、分離、合成、加成、過濾、溶解、或混合。
用語「檢測（assay）」一般是指涉及分析化學品或目標分析物的過程或步驟，且包括但不限於細胞檢測（cell-based assay）、生物化學檢測、高通量（high-throughput）檢測與篩選、診斷檢測、pH測定、核酸雜交檢測、聚合酶活性檢測、核酸與蛋白質定序、免疫檢測（例如，抗體-抗原結合檢測、酵素連結免疫吸附測定法（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）及免疫定量聚合酶連鎖反應（immunoquantitative polymerase chain reaction，iqPCR））、用於偵測基因甲基化模式的亞硫酸氫鹽甲基化檢測、蛋白質檢測、蛋白質結合檢測（例如蛋白質-蛋白質結合檢測、蛋白質-核酸結合檢測及蛋白質-配位基結合檢測）、酶檢測、耦合酶檢測、動力學量測（例如，蛋白質折疊動力學及酶反應動力學）、酶抑制劑與活化劑篩選、化學發光與電化學發光檢測、螢光檢測、螢光極化與非等向性檢測、吸光度與比色檢測（例如，布萊德福（Bradford）檢測、洛瑞（Lowry）檢測、哈崔-洛瑞（Hartree-Lowry）檢測、縮二脲檢測及二金雞鈉酸（bicinchoninic acid，BCA）檢測）、化學檢測（例如，用於偵測環境污染物及致汙物、奈米粒子或聚合物）以及藥物開發檢測。本文中所述的設備、系統及方法可使用或採用該些檢測中的一或多者來與本文中所述的場效電晶體感測器設計一起使用。
用語「液體生物檢體或液體生檢（liquid biopsy）」一般是指自受試體（subject）的體液獲得的生檢樣品，而並非是受試體的組織樣品。相較於使用組織樣品，使用體液樣品執行檢測的能力通常更可取。使用體液樣品的較低侵入性方法對於下述各方面具有廣泛的影響：患者康復、進行縱向疾病監測的能力以及甚至在組織細胞不易及（例如，在前列腺中）的情況時亦能獲得表現圖譜（expression profile）的能力。用於偵測液體生檢樣品中目標分析物的檢測包括但不限於以上所述的檢測。作為非限制性實例，可對液體生檢樣品進行循環腫瘤細胞（circulating tumor cell，CTC）檢測。
舉例而言，可使用固定於場效電晶體感測器上的捕獲試劑（例如，抗體）來偵測液體生檢樣品中的目標分析物（例如，腫瘤細胞標誌物）作為循環腫瘤細胞檢測。循環腫瘤細胞是已自腫瘤脫落至脈管系統中且例如在血流中循環的細胞。一般而言，循環腫瘤細胞以極低的濃度存在於循環中。為對循環腫瘤細胞進行檢測，藉由此領域中已知的各種技術自患者血液或血漿濃縮出循環腫瘤細胞。可使用此項技術中已知的方法（包括但不限於基於細胞計數法的方法（例如，流動細胞計數法）及基於免疫組織化學（immunohistochemistry，IHC）的方法）來針對特定標誌物對循環腫瘤細胞進行染色。對於本文中所述的設備、系統及方法，可使用捕獲試劑來捕獲或偵測循環腫瘤細胞。在另一實例中，可將核酸、蛋白質或來自循環腫瘤細胞的其他細胞環境物標定為供與捕獲試劑結合或由捕獲試劑偵測的目標分析物。
目標分析物表達的增加或含有循環腫瘤細胞的目標分析物的增加可有助於辨識出受試體患有可能對特定療法（例如，與目標分析物相關聯的療法）有回應的癌症，或者可使得治療方案最佳化，利用例如針對目標分析物的抗體。循環腫瘤細胞量測與定量可提供關於例如腫瘤階段、療法回應、疾病進展或其組合的資訊。藉由偵測循環腫瘤細胞上的目標分析物而獲得的資訊可例如用作預後生物標誌物、預測生物標誌物或藥理動力生物標誌物。另外，對液體生檢樣品的循環腫瘤細胞檢測可單獨地使用或可結合對固體生檢樣品的附加腫瘤標誌物分析合併使用。
用語「辨識（identification）」一般是指基於目標分析物與身份已知的捕獲試劑的結合來對所述目標分析物的身份進行確定的過程。
用語「量測（measurement）」一般是指基於目標分析物與捕獲試劑的結合來對所述目標分析物的量、數量、性質、或特性進行確定的過程。
用語「定量（quantitation）」一般是指基於目標分析物與捕獲試劑的結合來對所述目標分析物的數量或濃度進行確定的過程。
用語「偵測（detection）」一般是指基於目標分析物與捕獲試劑的結合來確定所述目標分析物存在或不存在的過程。偵測包括但不限於辨識、量測及定量。
用語「化學品（chemical）」是指物質、化合物、混合物、溶液、乳液、分散液、分子、離子、二聚物、大分子（例如聚合物或蛋白質）、生物分子、沈澱物、晶體、化學基團部分（chemical moiety）或化學基團、粒子、奈米粒子、試劑、反應產物、溶劑、或流體，上述各者中的任一者可以固態、液態或氣態存在且通常是分析的受試體。
用語「反應（reaction）」是指物理轉化、化學轉化、生物化學轉化或生物轉化，其涉及至少一種化學品且一般涉及（例如，在化學轉化、生物化學轉化及生物轉化的情形中）一或多個鍵（例如共價鍵、非共價鍵、凡得瓦（van der Waals）鍵、氫鍵或離子鍵）的斷裂或形成。用語「反應」包括化學反應（例如合成反應、中和反應、分解反應、置換反應、還原-氧化反應）、沈澱、結晶、燃燒反應及聚合反應，以及共價結合與非共價結合、相變、色變、相形成、溶解、發光、光吸收性質或光發射性質的改變、溫度改變或者吸熱或散熱、構形改變、及大分子（例如蛋白質）的折疊或展開。
本文中所使用的「捕獲試劑（capture reagent）」是能夠與可直接或間接附著至實質上固體材料的目標分析物或目標試劑結合的分子或化合物。捕獲劑可為化學品，且具體而言可為存在自然目標分析物（例如，抗體、多肽、DNA、RNA、細胞、病毒等）的任何物質或為目標分析物可被製備的任何物質，且捕獲試劑可在檢測中與一或多種目標分析物結合。
本文中所使用的「目標分析物（target analyte）」是使用本揭露要在測試樣品中被偵測的物質。目標分析物可為化學品，且具體而言可為存在有自然捕獲試劑（例如，抗體、多肽、DNA、RNA、細胞、病毒等）的任何物質或為捕獲試劑可被製備的任何物質，且目標分析物可在檢測中與一或多種捕獲試劑結合。「目標分析物」亦包括任何抗原性物質、抗體或其組合。目標分析物可包括蛋白質、肽、氨基酸、碳水化合物、激素、類固醇、維生素、藥物（包括出於治療目的而投與的藥物以及出於非合法目的而投與的藥物）、細菌、病毒以及上述物質中任一者的代謝物或抗體。
本文中所使用的「測試樣品（test sample）」意指含有欲使用本揭露偵測及檢測的目標分析物的組成物、溶液、物質、氣體或液體。測試樣品可除目標分析物之外亦含有其他組分，可具有液體或氣體的物理屬性，且可具有任何大小或體積（包括例如移動的液體流或氣體流）。測試樣品可含有除目標分析物之外的任何物質，只要所述其他物質不影響目標分析物與捕獲試劑的結合或第一結合物與第二結合物的特異性結合即可。測試樣品的實例包括但不限於自然樣品及非自然樣品或其組合。自然測試樣品可為合成的或被合成的。自然測試樣品包括自受試體的身體中或身體上的任何地方抽離出的體液（body fluid或bodily fluid），包括但不限於血液、血漿、血清、尿液、唾液或痰、脊髓液、腦脊髓液、胸膜液、乳頭抽吸液、淋巴液、呼吸道液、腸道液及生殖泌尿道液、淚液、母乳、來自淋巴系統的液體、精液、器官系統內液體、腹水、腫瘤囊液、羊水、及其組合以及環境樣品，例如地下水或廢水、土壤提取物、空氣及農藥殘留物或食品相關樣品。
所偵測物質可例如包括核酸（包括DNA及RNA）、激素、不同的病原體（包括對宿主造成疾病或不適的生物劑，例如病毒（例如，H7N9或HIV）、原蟲（例如，由瘧原蟲引起的瘧疾）、或細菌（例如，大腸桿菌（E.coli ）或結核分枝桿菌））、蛋白質、抗體、各種藥物或藥劑、或者其他化學物質或生物物質（包括氫離子或其他離子、非離子分子或化合物、多糖、小的化學化合物（例如化學組合庫成分））等等。所偵測參數或所決定參數可包括但不限於pH變化、乳糖變化、濃度變化、每單位時間的粒子數（其中流體在一段時間內流過裝置之上以偵測粒子（例如，稀疏的粒子））以及其他參數。
本文中關於例如捕獲試劑所使用的用語「固定(化)（immobilized）」包括將捕獲試劑以分子等級實質上附著至表面。舉例而言，可使用以下技術將捕獲試劑固定至基底材料的表面：包括非共價相互作用（例如，靜電力、凡得瓦力及疏水性介面的脫水）的吸附技術以及其中以官能基團或連接體促進將捕獲試劑附著至表面的共價結合技術。可基於基底表面的性質、攜載捕獲試劑的介質以及捕獲試劑的性質將捕獲試劑固定至基底材料的表面基底。在某些情形中，可首先將基底表面改質成具有結合至所述表面的官能基團。然後，官能基團可與生物分子或者生物物質或化學物質結合，以將所述生物分子或者生物物質或化學物質固定於所述表面上。
用語「核酸（nucleic acid）」一般是指一組經由磷酸二酯鍵彼此連接的核苷酸，且意指與存在於大自然的自然核苷酸連接的自然核酸，例如包括其中使腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶中的任一者彼此連接的去氧核糖核苷酸的DNA及/或包括其中使腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及尿嘧啶中的任一者彼此連接的核糖核苷酸的RNA。另外，非自然核苷酸及非自然核酸亦包括於本揭露的核酸範圍內。實例包括肽核酸（peptide nucleic acid，PNA）、具有磷酸基的肽核酸（peptide nucleic acid with phosphate groups，PHONA）、橋狀核酸/鎖核酸（bridged nucleic acid/locked nucleic acid，BNA/LNA）及嗎啉基核酸。其他實例包括經化學改質核酸及核酸類似物，例如甲基膦酸酯DNA/RNA、硫代磷酸化DNA/RNA、胺基磷酸酯DNA/RNA、及2′-O-甲基DNA/RNA。核酸包括可被改質的核酸。舉例而言，可視需要標記核酸中的膦酸基團、糖及/或鹼。可使用此項技術中已知的用於核酸標記的任何物質來進行標記。所述物質的實例包括但不限於放射性同位素（例如，32P、3H及14C）、DIG、生物素、螢光染料（例如，FITC、Texas、cy3、cy5、 cy7、FAM、HEX、VIC、JOE、Rox、TET、Bodipy493、NBD、及TAMRA）、以及發光物質（例如，吖啶酯(acridinium ester)）。
本文中所使用的用語「適體（aptamer）」是指與特定目標分子結合的寡核酸或肽分子。使用單股式核酸（實體）作為用於蛋白質結合的親和力分子的概念是基於短序列在存在目標的條件下能夠折疊成獨特的三維結構，所述三維結構以高親和力及特異性與目標結合。適體可為被選擇用於與分子目標進行高親和力結合的寡核苷酸配位基。
本文中所使用的用語「抗體（antibody）」是指免疫球蛋白家族中的多肽，其能夠非共價地、可逆地及以特異方式與對應抗原結合。舉例而言，自然IgG抗體是包括由雙硫鍵內連的至少兩個重（H）鏈及兩個輕（L）鏈的四聚物。每一重鏈包括重鏈可變區（heavy chain variable region，本文中縮寫為「VH」）及重鏈恒定區（heavy chain constant region）。重鏈恒定區包括三個域：CH1、CH2及CH3。每一輕鏈包括輕鏈可變區（light chain variable region，本文中縮寫為「VL」）及輕鏈恒定區（light chain constant region）。輕鏈恒定區包括一個域CL。VH區及VL區可被進一步細分成多個超變區（region of hypervariability），所述超變區被稱為互補性決定區（complementarity determining region，CDR），散置於被稱為框架區（framework region，FR）的較保守的區中。每一VH及VL是由按以下次序自胺基末端排列至羧基末端的三個互補性決定區及四個框架區構成：FR1、CDR1、FR2、CDR2、FR3、CDR3、及FR4。所述三個互補性決定區構成可變域的15%至20%。重鏈及輕鏈的可變區含有與抗原相互作用的結合域。抗體的恒定區可介導免疫球蛋白與宿主組織或宿主因子（包括免疫系統的各種細胞（例如，效應細胞）以及經典補體系統的第一補體組分（C1q））的結合。
用語「抗體」包括但不限於單株抗體、人類抗體、人源化抗體、嵌合抗體、及抗特異(遺傳)型（anti-idiotypic，anti-Id）抗體（例如，包括針對本揭露抗體的抗特異型抗體）。抗體可具有任何同型/類別（例如，IgG、IgE、IgM、IgD、IgA及IgY）或子類（例如，IgG1、IgG2、IgG3、IgG4、IgA1及IgA2）。
用語「聚合物（polymer）」意指由彼此重複地鏈接的二或更多個構建塊（「單體」）構成的任何物質或化合物。舉例而言，「二聚物」是其中兩個構建塊接合於一起的化合物。聚合物包括縮合聚合物及加成聚合物兩種。縮合聚合物的實例包括聚醯胺、聚酯、蛋白質、羊毛、絲、聚胺基甲酸酯、纖維素及聚矽氧烷。加成聚合物的實例為聚乙烯、聚異丁烯、聚丙烯腈、聚(氯乙烯)及聚苯乙烯。其他實例包括具有增強的電性質或光學性質（例如，非線性光學性質）的聚合物，例如導電（electroconductive）聚合物或光致折射（photorefractive）聚合物。聚合物包括線型聚合物及分枝聚合物兩者。示例性生物感測裝置的概述
圖1說明生物感測器系統100中可包括的組件的概述。生物感測器系統100包括：感測器陣列102，具有用於偵測生物分析物或化學分析物的至少一個感測元件；以及流體遞送系統104，被設計成將一或多種流體樣品遞送至感測器陣列102。流體遞送系統104可為位於感測器陣列102上方以將流體圍封於感測器陣列102之上的微流體阱（microfluidic well）。流體遞送系統104亦可包括用於將各種流體遞送至感測器陣列102的微流體通道。流體遞送系統104可包括被設計成將流體遞送至感測器陣列102的任何數目的閥、幫浦、室、通道。
根據一些實施例，設置讀出電路106，以自感測器陣列102中的感測器量測訊號並產生可定量感測器訊號，所述可定量感測器訊號指示目標溶液中存在的某一分析物的量。本文所述讀出電路106的不同實施例利用數位組件，以減小功率消耗及晶粒面積。
控制器108可用於將電訊號發送至感測器陣列102及讀出電路106兩者以及自感測器陣列102及讀出電路106兩者接收電訊號，以執行生物感測量測或化學感測量測。控制器108亦可用於將電訊號發送至流體遞送系統104，以例如致動一或多個閥、幫浦或馬達。
感測器陣列102可包括由生物場效電晶體形成的陣列，其中所述陣列中所述生物場效電晶體中的一或多者被官能化成偵測特定目標分析物。可使用不同的捕獲試劑來將感測器中的不同者官能化，以偵測不同的目標分析物。以下提供關於特定生物場效電晶體的示例性設計的其他細節。所述生物場效電晶體可排列成多個列及多個行，進而形成2維感測器陣列。在一些實施例中，使用不同的捕獲試劑來將每一列生物場效電晶體官能化。在一些實施例中，使用不同的捕獲試劑來將每一行生物場效電晶體官能化。
控制器108可包括一或多個處理裝置（例如微處理器），且可被程式化成控制讀出電路106及/或感測器陣列102的操作。控制器108本身的細節對於理解本文所述實施例而言並不重要。然而，以下將更詳細地論述可向感測器陣列102發送及從感測器陣列102接收的各種電訊號。雙閘極背側場效電晶體感測器
本申請案的實施例涉及感測器陣列102中生物場效電晶體感測器的各種佈局，所述佈局使得一個開口能夠暴露出多於一個生物場效電晶體感測器的通道區。所使用的先前設計將每一生物場效電晶體感測器之上的開口分隔開，此導致本文中更詳細解釋的某些缺點。此特定部分闡述可在本申請案的實施例中使用的示例性生物場效電晶體感測器設計。
可在感測器陣列102中使用的一種示例性類型的生物場效電晶體感測器是雙閘極背側場效電晶體感測器。雙閘極背側場效電晶體感測器利用半導體製造技術及生物捕獲試劑來形成陣列式感測器。儘管金屬氧化物半導體場效電晶體可具有連接至單個電節點的單個閘電極，但雙閘極背側感測場效電晶體感測器具有兩個閘電極，所述兩個閘電極中的每一者連接至不同的電節點。所述兩個閘電極中的第一者在本文中被稱為「前側閘極」，且所述兩個閘電極中的第二者在本文中被稱為「背側閘極」。前側閘極及背側閘極兩者被配置成使得在操作中，所述前側閘極及背側閘極中的每一者可被電性充電及/或電性放電且藉此所述前側閘極及背側閘極中的每一者影響雙閘極背側感測場效電晶體感測器的源極/汲極端子之間的電場。前側閘極是導電的、藉由前側閘極電介質與通道區分隔開且被配置成由與其耦合的電路充電及放電。背側閘極藉由背側閘極電介質與通道區分隔開，且包括設置於背側閘極電介質上的經生物官能化感測層。背側閘極上的電荷量隨是否發生了生物識別反應（bio-recognition reaction）而變化。在雙閘極背側感測場效電晶體感測器的操作中，前側閘極被充電至預定電壓範圍內的電壓。前側閘極上的電壓決定場效電晶體感測器的通道區上的對應導電率。背側閘極上的電荷發生相對小的改變量即會改變通道區的導電率。正是此種導電率改變指示出生物識別反應。
場效電晶體感測器的一個優點是有希望進行免標記操作。具體而言，場效電晶體感測器能夠避免昂貴且耗時的標記操作（例如，以例如螢光探針或放射性探針來標記分析物）。
圖2說明根據一些實施例的示例性雙閘極背側感測場效電晶體感測器200。雙閘極背側感測場效電晶體感測器200包括控制閘極202，控制閘極202形成於基底214的表面上且藉由設置於基底214上的中間電介質215與基底214分隔開。在基底214的一側之上可設置有包括多個內連層的內連區211。基底214包括源極區204、汲極區206及位於源極區204與汲極區206之間的通道區208。在一些實施例中，基底214具有介於約100奈米（nm）與約130奈米之間的厚度。可使用適合的互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）製程技術來形成閘極202、源極區204、汲極區206及通道區208。閘極202、源極區204、汲極區206、及通道區208形成場效電晶體。隔離層210設置於基底214的與閘極202對置的側上。在一些實施例中，隔離層210具有約1微米（μm）的厚度。在本揭露中，基底214的之上設置有閘極202的側被稱為基底214的「前側」。類似地，基底214的上面設置有隔離層210的側被稱為「背側」。
隔離層210中設置有開口212。開口212可與閘極202實質上對齊。在一些實施例中，開口212大於閘極202且可延伸於多個雙閘極背側感測場效電晶體感測器之上。在開口212中通道區208的表面上可設置有介面層（圖中未顯示）。所述介面層可用以提供對用於偵測生物分子或生物實體的一或多個受體進行定位及固定的介面。本文中提供關於介面層的其他細節。
雙閘極背側感測場效電晶體感測器200包括分別通往汲極區206及源極區204的電觸點216及218。可製成通往閘極202的前側閘極觸點220，同時可製成通往通道區208的背側閘極觸點222。應注意，背側閘極觸點222不需要實體上接觸基底214或基底214之上的任何介面層。因此，儘管場效電晶體可使用閘極觸點來控制半導體在源極與汲極之間（例如，通道）的電導率，但雙閘極背側感測場效電晶體感測器200使得形成於場效電晶體裝置的與閘極202對置的側上的受體能夠控制所述電導率，同時閘極202提供用於控制所述電導率的另一區。因此，雙閘極背側感測場效電晶體感測器200可用於偵測開口212周圍及/或開口212中的環境中的一或多種特定生物分子或生物實體，如本文中使用各種實例更詳細所述。
雙閘極背側感測場效電晶體感測器200可連接至：附加被動組件，例如電阻器、電容器、電感器及/或熔絲；其他主動組件，包括p通道場效電晶體（PFET）、n通道場效電晶體（NFET）、金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）、高電壓電晶體、及/或高頻率電晶體；其他適合的組件；或其組合。更應理解，對於雙閘極背側感測場效電晶體感測器200的附加實施例，可在雙閘極背側感測場效電晶體感測器200中添加附加特徵且可替換或消除所闡述特徵中的某些特徵。
圖3說明由連接至位元線306及字元線308的生物場效電晶體感測器304形成的示例性可定址陣列300的一部分的示意圖。應注意，本文中使用用語「位元線」及「字元線」來表示與記憶體裝置中的陣列構造的相似性，然而，並不暗示所述陣列中一定包括記憶體裝置或儲存陣列。可定址陣列300可與在其他半導體裝置中所採用的可定址陣列（例如動態隨機存取記憶體（dynamic random access memory，DRAM）陣列）具有相似性。舉例而言，以上參照圖2所述的雙閘極背側感測場效電晶體感測器200的形成位置可為電容器在動態隨機存取記憶體陣列中的存在位置。示意圖300僅為示例性，且人們將認識到可以有其他配置。
根據一些實施例，生物場效電晶體感測器304可各自實質上類似於雙閘極背側感測場效電晶體感測器200。場效電晶體302被配置成在生物場效電晶體感測器304的汲極端子與位元線306之間提供電連接。如此一來，場效電晶體302類似於動態隨機存取記憶體陣列中的存取電晶體。在一些實施例中，生物場效電晶體感測器304是雙閘極背側感測場效電晶體感測器，且各自包括：感測閘極，由受體材料提供且設置於反應位點處，所述受體材料設置於上覆於場效電晶體通道區的介電層上；以及控制閘極，由閘電極（例如，多晶矽）提供，所述閘電極設置於上覆於所述場效電晶體通道區的介電層上。
可定址陣列300顯示被設計成偵測由引入至生物場效電晶體感測器304的生物分子或生物實體所提供的小訊號改變的陣列構型。使用位元線306及字元線308的陣列式形式使得輸入/輸出焊盤的數目較少，乃因同一列或同一行中不同場效電晶體的共用端子被繫接（tie）於一起。可使用放大器來增強訊號強度，以改良具有示意圖300所示電路配置的裝置的偵測能力。在一些實施例中，當對特定字元線308及位元線306施加電壓時，對應存取電晶體302將導通（例如，如同開關）。當相關聯生物場效電晶體感測器304的閘極（例如，雙閘極背側感測場效電晶體感測器200的背側閘極222）的電荷因存在生物分子而受影響時，生物場效電晶體感測器304的臨限電壓改變，藉此在對背側閘極222施加給定電壓時會調變電流（例如，Ids ）。電流（例如，Ids ）或臨限電壓（Vt ）的改變可用於表示偵測到相關生物分子或生物實體。
參照圖4，呈現示例性示意圖400。示例性示意圖400包括被排列成由個別可定址畫素402形成的陣列401的存取電晶體302及生物場效電晶體感測器304。陣列401可包括任何數目個畫素402。舉例而言，陣列401可包括128 × 128個畫素。其他配置可包括256 × 256個畫素、或例如128 × 256個畫素的非正方形陣列。
每一畫素402包括存取電晶體302及生物場效電晶體感測器304、以及其他組件，所述其他組件可包括一或多個加熱器408及溫度感測器410。在此實例中，存取電晶體302是n通道場效電晶體。n通道場效電晶體412亦可充當溫度感測器410的存取電晶體。在一些實施例中，場效電晶體302的閘極與場效電晶體412的閘極被連接，但此並非是必需的。可使用列解碼器404及行解碼器406來對每一畫素402（及其相關聯組件）進行個別定址。在一些實施例中，每一畫素402具有約10微米乘約10微米的大小。在一些實施例中，每一畫素402具有約5微米乘約5微米的大小，或具有約2微米乘約2微米的大小。
行解碼器406及列解碼器404可用於控制n通道場效電晶體302及412兩者的導通/關斷狀態（例如，一同對場效電晶體302的閘極及場效電晶體412的閘極施加電壓，且一同對場效電晶體302的汲極區及場效電晶體412的汲極區施加電壓）。將n通道場效電晶體302導通會對生物場效電晶體感測器304的源極/汲極區提供電壓。當生物場效電晶體感測器304導通時，電流Ids 流過生物場效電晶體感測器304且可加以量測。
加熱器408可用於局部地升高生物場效電晶體感測器304周圍的溫度。可使用任何已知的技術（例如形成使高電流從中流過的金屬圖案）來構造加熱器408。加熱器408亦可為熱電式加熱器/冷卻器，如帕耳帖（Peltier）裝置。可在某些生物測試期間使用加熱器408，以使DNA或RNA變形或者以為某些生物分子提供結合環境。溫度感測器410可用於量測生物場效電晶體感測器304周圍的局部溫度。在一些實施例中，可使用加熱器408及自溫度感測器410接收的回饋形成控制迴路來控制溫度。在一些實施例中，加熱器408可為使得能夠對畫素402內的組件進行局部主動式冷卻的熱電式加熱器/冷卻器。
參照圖5A，根據一些實施例，提供具有雙閘極背側感測場效電晶體感測器502及存取電晶體522的半導體裝置500的橫截面。雙閘極背側感測場效電晶體感測器502包括閘極506、位於閘極506的兩側中的任一側上的源極/汲極區510、及在源極/汲極區510之間形成於基底504內的通道區508。閘極506與通道區508之間亦存在閘極介電層，但圖中未顯示。為方便闡述某些元件，將基底504說明為具有前表面505以及與前表面505相對且平行的背表面507。應注意，圖5A所示各種組件並非旨在按比例繪製且為便於觀看而被擴大，如熟習相關技術者將理解。
雙閘極背側感測場效電晶體感測器502包括沈積於隔離層512之上以及開口514內通道區508之上的介面層516。在一些實施例中，介面層516具有介於約20埃（Å）與約40埃之間的厚度。介面層516可為高介電常數介電材料，例如，矽酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化鉿-氧化鋁（HfO2 -Al2 O3 ）合金或其任何組合。如以下將在關於生物感測的部分中更詳細論述，介面層516可充當用於附著捕獲試劑的支撐件。可在開口514內通道區508之上設置含有捕獲試劑、目標試劑的溶液、清洗溶液、或者任何其他生物物種或化學物種。關於雙閘極背側感測場效電晶體感測器502的製作製程的其他細節可見於共同擁有的美國專利第9,080,969號中，所述美國專利的揭露內容併入本文供參考。
根據一些實施例，存取電晶體522可以例如圖3中關於存取電晶體302及場效電晶體感測器304所說明的配置等的配置耦合至雙閘極背側感測場效電晶體感測器502。存取電晶體522類似地包括閘極524、位於閘極524的兩側中的任一側上的源極/汲極區528、及在源極/汲極區528之間形成於基底504內的通道區526。存取電晶體522在其通道區526之上包括隔離層512（即，在通道區526之上未穿過隔離層512形成開口）。如圖5中所示，介面層516仍可在存取電晶體522之上沈積於隔離層512上。如熟習相關技術者將理解，可使用淺溝渠隔離（shallow trench isolation，STI）530將存取電晶體522與雙閘極背側感測場效電晶體感測器502分隔開。
在一些實施例中，閘極506、閘極524、源極/汲極區510及源極/汲極區528耦合至內連區518內各層的金屬內連線。所述金屬內連線可用於與形成於基底504內的各種摻雜區及其他裝置形成電連接。可在內連區518中使用任何數目層級的金屬內連線以及在各層級之間連接的金屬插塞。熟習相關技術者將理解形成此類金屬內連線的製程。
根據一些實施例，半導體裝置500亦可包括耦合至內連區518的載體基底520。載體基底520可包括一或多個導電部分，以與內連區518的某些金屬內連線形成電連接。載體基底520可用於為構成基底504及內連區518的薄層提供實體支撐及穩定性。
雙閘極背側場效電晶體感測器502可耦合至在基底504內製作的附加電路系統。所述附加電路系統可包括金屬氧化物半導體場效電晶體裝置、電阻器、電容器及/或電感器，以形成用以幫助雙閘極背側感測場效電晶體感測器502運作的電路系統。所述電路系統可表示用於自雙閘極背側場效電晶體感測器502量測指示分析物偵測的訊號的讀出電路。所述電路系統可包括放大器、類比至數位轉換器（analog to digital converter，ADC）、數位至類比轉換器（digital to analog converter，DAC）、電壓產生器、邏輯電路系統及/或動態隨機存取記憶體，此處僅舉數例。附加電路系統的組件中的全部或某些可整合於基底504中。應理解，各自實質上類似於雙閘極背側場效電晶體感測器502的諸多生物場效電晶體感測器可整合於基底504中且耦合至附加電路系統。在另一實例中，附加電路系統的組件中的全部或某些設置於與基底504分開的另一半導體基底上。在又一實例中，附加電路系統的某些組件整合於基底504中，且附加電路系統的某些組件設置於另一半導體基底上。
圖5B說明在場效電晶體之上設置有流體532的半導體裝置500。流體532可包括例如因流體532的pH改變、目標分析物與捕獲試劑之間的酶反應、目標分析物與捕獲試劑之間的結合反應、或其他生物相互作用而產生的離子濃度534。可設置流體閘極536，以形成雙閘極背側場效電晶體感測器502的背側閘極。在通道區508附近存在離子濃度534會影響雙閘極背側場效電晶體感測器502的背側閘極的操作，且可作為在對閘極506或流體閘極536施加給定電位時汲極電流Ids 的改變來加以偵測。以下更詳細地論述使用雙閘極背側場效電晶體感測器502進行的某些示例性偵測研究。
根據一些實施例，可藉由使流體532流過設置於背表面507之上的微流體通道而將流體532提供至開口514中。所述微流體通道可直接接合至介面層516或隔離層512。所述微流體通道可由例如聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）或聚乙二醇（polyethylene glycal，PEG）等聚合物材料模製而成。在一些實施例中，流體532設置於微流體阱中，所述微流體阱靜止地容納流體532並使得流體532能夠進入至開口514。
圖6A說明根據一些實施例的雙閘極背側場效電晶體感測器502及存取電晶體522的示例性佈局。在圖6A中用相同標記來辨識與圖5所說明元件類似的元件。開口514被說明為略寬於閘極506以便於在俯視圖中看到。開口514的確切大小可在源極/汲極區510的界限內變化。然而，在此裝置中，開口514僅暴露出單一雙閘極背側場效電晶體感測器502的通道區（與閘極506對齊）。金屬層602用於經由觸點604與雙閘極背側場效電晶體感測器502的源極/汲極區510及存取電晶體522的源極/汲極區528形成電接觸。金屬層602及觸點604可設置於圖5中的內連區518內。
圖6B說明根據一些實施例的雙閘極背側場效電晶體感測器502及存取電晶體522的示例性電路表示，其與圖6A所說明佈局對應。在感測操作期間，可對雙閘極背側場效電晶體感測器502的閘極506施加電壓（vpg），以對感測器加偏壓（例如，加偏壓至導通狀態）。為自雙閘極背側場效電晶體感測器502量測電流，可對存取電晶體522的閘極524施加電壓（sel）。若亦對端子n2施加電壓，則電流可流過雙閘極背側場效電晶體感測器502及存取電晶體522兩者。所述電流的量值可受由雙閘極背側場效電晶體感測器502偵測的任何目標分析物影響，如以下將更詳細地闡述。
根據一些實施例，圖5A及圖6A兩者中所說明的開口514具有約為雙閘極背側場效電晶體感測器502的閘極長度的寬度。開口514通常被約束成僅暴露出雙閘極背側場效電晶體感測器502的通道區508，以避免使流體532影響基底504中其他場效電晶體（例如存取電晶體522）的操作。因介面層516的表面張力及疏水性，可能難以使流體532進入開口514。該些因素會阻止流體532潤濕介面層516的位於通道區508正上方的表面。因半導體裝置500的所說明佈局（其中雙閘極背側場效電晶體感測器502與存取電晶體522實質上並排），開口514的延伸亦可暴露出存取電晶體522的通道區526，此影響存取電晶體522的操作。
根據一些實施例，多個雙閘極背側場效電晶體感測器並排地排列成一列，以使得延伸的開口能夠跨所述雙閘極背側場效電晶體感測器中的每一者穿越。圖7A說明根據一些實施例排列成單一列的多個畫素702-1至702-N的示例性佈局700，其中所述多個畫素702-1至702-N中的每一者具有雙閘極背側場效電晶體感測器704及存取電晶體706。應理解，以下對單一畫素的任何說明同等地適用於陣列中的所有其他畫素。此外，雖然僅說明瞭單一列畫素，但應理解，可使用諸多列畫素來提供2維畫素矩陣，所述諸多列畫素中的每一畫素含有雙閘極背側場效電晶體感測器及對應存取電晶體。使用例如圖7A所說明畫素佈局等的畫素佈局相較於圖6A所說明畫素佈局會使得感測器陣列的裝置佔用面積減小約20%。
根據一些實施例，佈局700包括開口708，以暴露出每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的通道區。由於所述列畫素中的雙閘極背側場效電晶體感測器中的每一者是並排排列，因而開口708可跨所述整列畫素（例如，在X方向上）穿越。
根據一些實施例，如畫素702-N中所示，每一雙閘極背側場效電晶體感測器704可具有閘極結構710，閘極結構710包括位於兩個通道區之上的兩個閘極，所述兩個閘極之間排列有源極/汲極區712a、712b及712c。源極/汲極區712b可使用金屬內連線714與存取電晶體706的源極/汲極區716電性連接。具有兩個閘極的雙閘極背側場效電晶體感測器704的此種設計藉由在雙閘極背側場效電晶體感測器704被加偏壓成導通時使第一電流自712b流動至712a且使第二電流自712b流動至712c來有效地使每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的電流輸出加倍。源極/汲極區712a及712c可被接地。根據實施例，每一雙閘極背側場效電晶體感測器704具有源極/汲極區712a及712c。當每一雙閘極背側場效電晶體感測器704是n通道裝置時，源極/汲極區712a及712c可表示每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的源極端子。當每一雙閘極背側場效電晶體感測器704是p通道裝置時，源極/汲極區712a及712c可表示每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的汲極端子。因每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的並排佈局，相鄰場效電晶體感測器可共享同一源極/汲極區712a及712c。
應理解，如圖7A中所說明在每一畫素中使用雙閘極設計僅為一個實例，且在所有畫素中的一或多者中亦可使用單閘極設計。單閘極設計的實例說明於圖6A中雙閘極背側場效電晶體感測器502的佈局圖中。藉由跨相鄰畫素共享源極/汲極區712a及712c，可藉由消除相鄰畫素之間的不工作區（dead space）而減小感測陣列的整體大小。
根據一些實施例，畫素702-1至702-N中每一雙閘極背側場效電晶體感測器704的閘極結構710被耦合於一起。如此一來，可同時將每一雙閘極背側場效電晶體感測器704加偏壓成導通，且藉由對特定存取電晶體706的閘極718所施加的電壓執行選擇從哪一感測器來進行量測。每一存取電晶體706的源極/汲極區720可經由金屬內連線722電性耦合至電壓源。根據實施例，每一存取電晶體706的源極/汲極區720被電性耦合於一起，而使得僅被施加至閘極718的電壓決定哪一存取電晶體706被加偏壓成導通。此外，可自電性連接至金屬內連線722的任何節點量測來自對應雙閘極背側場效電晶體感測器704的電流。
圖7B說明根據一些實施例跨畫素702-1與702-N之間的一列雙閘極背側場效電晶體感測器704所截取的剖視圖。開口708在X方向上跨多個生物場效電晶體感測器伸展，以暴露出基底504的背表面507的一部分。背表面507的被暴露部分包括跨多於一個雙閘極背側場效電晶體感測器穿越的多個通道區508的表面。基底504的前表面505包括圖案化於通道區508之上的多個閘極710。
根據一些實施例，介面層516設置於開口708內，以提供用於結合各種捕獲試劑的表面。因開口708的寬度較大，攜載捕獲試劑或與捕獲試劑相互作用的目標分析物的流體更易於到達直接位於背表面507上的介面層516。
根據一些實施例，可藉由使流體流過設置於背表面507之上的微流體通道而將流體提供至開口708中。所述微流體通道可直接接合至介面層516或隔離層512。所述微流體通道可由例如聚二甲基矽氧烷（PDMS）或聚乙二醇（PEG）等聚合物材料模製而成。所述微流體通道可沿X方向延伸，使得流體在X方向上跨開口708流動。在一些實施例中，為二維感測陣列中的每一列雙閘極背側場效電晶體感測器704設置不同的微流體通道。在其他實施例中，微流體通道包括寬至足以囊括二維感測陣列中多於一列或所有列的雙閘極背側場效電晶體感測器704的寬度。
在一些實施例中，流體設置於微流體阱中，所述微流體阱靜止地容納流體且使得流體能夠進入至開口708。根據一些實施例，微流體阱容納介於約1微升（µL）與約100微升之間的流體。微流體阱的大小及位置可使得二維感測陣列中全部數目的雙閘極背側場效電晶體感測器704的一部分暴露於阱內的流體下。在另一實例中，二維感測陣列中的所有雙閘極背側場效電晶體感測器704均被暴露於阱內的流體下。
圖7C說明根據一些實施例的佈局700的電路表示。顯示出所述列畫素702-1至702-N，其中每一存取電晶體706的汲極端子（在n通道裝置的情形中）被連接於一起，以自所選擇雙閘極背側場效電晶體感測器704量測電流Iout 。
開口708可跨給定的一列畫素702-1至702-N的整個範圍伸展，或可跨畫素702-1至702-N的子集伸展。一列中畫素的總數（N）可少至2個且多達4096個。另外，開口708並非僅限於跨一列畫素伸展。在一些實施例中，開口708亦在Y方向上延伸，以暴露出其他列中雙閘極背側場效電晶體感測器的通道區。當設置沿X方向及Y方向兩者延伸的開口以暴露出二維陣列中多個雙閘極背側場效電晶體感測器的通道區時，存取電晶體706中的每一者可位於雙閘極背側場效電晶體感測器的二維陣列之外。
圖8A說明根據一些實施例的雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 至BFN 的另一佈局800。在佈局800中，雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 至BFN 同樣並排地排列於同一列中，使得開口708跨多個感測器穿越，以暴露出每一雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 至BFN 的通道區。然而，不同於佈局700，每一雙閘極背側場效電晶體感測器與兩個其他場效電晶體裝置電性耦合。在所說明實例中，雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 與存取電晶體S1 A及分流電晶體S1 B耦合，而雙閘極背側場效電晶體感測器BF2 與存取電晶體S2 A及分流電晶體S2 B耦合。可針對列中的每一畫素重複此種相同配置。
應理解，如圖8A中所說明對每一雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 至BFN 使用雙閘極設計僅為一個實例，且亦可使用單閘極設計。單閘極設計的實例說明於圖6A中雙閘極背側場效電晶體感測器502的佈局圖中。此外，藉由在相鄰感測器之間共享被接地的源極/汲極區，可藉由消除相鄰感測器之間的不工作區而減小感測陣列的整體大小。
圖8B說明根據一些實施例的佈局800的電路表示，其中使用與圖8A相同的標記來辨識相同元件。現在將提供示例性操作，以闡述分流電晶體的功能。當期望自雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 量測電流時，對存取電晶體S1 A的閘極施加電壓以將電晶體加偏壓成導通，因此形成通往BF1 的導電路徑，且可量測電流Iout。當將存取電晶體S1 A加偏壓成導通時，分流電晶體S1 B被加偏壓成關斷，以切斷通往地的分流路徑。根據實施例，使用反相器來確保在存取電晶體S1 A的閘極處接收到的訊號與在分流電晶體S1 B的閘極處接收到的訊號相較被反相。每一畫素中均可配置有反相器，以確保使每一存取電晶體S1 A及分流電晶體S1 B正確地運作。對於給定畫素，反相器亦可與具有來自對應位元線及字元線的輸入的反及閘（NAND gate）耦合。
由於僅期望來自雙閘極背側場效電晶體感測器BF1 的電流，因而存取電晶體S2 A被加偏壓成關斷。分流電晶體S2 B被加偏壓成導通，以確保不對未選擇的雙閘極背側場效電晶體感測器BF2 施加電壓。若不使用分流電晶體S2 B，則可能存在浮置（例如，未知）電壓電位且此會使不利電流流過BF2 。當期望自BF2 量測電流時，此相同說明反過來亦適用。
圖9說明根據一些實施例用於製作多個雙閘極背側場效電晶體感測器（例如佈局700及800中所說明的多個雙閘極背側場效電晶體感測器）的示例性方法900。方法900可包括使用與互補金屬氧化物半導體（CMOS）製程相容或者為所述互補金屬氧化物半導體製程所特有的一或多個製程步驟來形成雙閘極背側場效電晶體感測器。應理解，對於所述方法的附加實施例，可在方法900之前、期間及之後提供附加操作，並且可替換或消除以下所述步驟中的某些步驟。此外，應理解，方法900包括具有典型互補金屬氧化物半導體技術製程流程的特徵的操作，且因此在本文中僅予以簡要闡述。典型的互補金屬氧化物半導體技術製程可包括：微影；離子植入；擴散；沈積，包括物理氣相沈積（physical vapor deposition，PVD）、金屬蒸鍍或濺鍍、化學氣相沈積（chemical vapor deposition，CVD）、電漿增強化學氣相沈積（plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD）、大氣壓化學氣相沈積（atmospheric pressure chemical vapor deposition，APCVD）、低壓化學氣相沈積（low-pressure CVD，LPCVD）、高密度電漿化學氣相沈積（high density plasma CVD，HDPCVD）、原子層化學氣相沈積（atomic layer CVD，ALCVD）、旋轉塗佈（spin on coating）；以及蝕刻，包括濕式蝕刻、乾式蝕刻及電漿蝕刻。可參照圖5A及圖7B中所說明的某些元件。
方法900以方塊902開始，在方塊902中，提供基底。所述基底可為半導體基底。所述半導體基底可為矽基底。作為另一選擇，所述基底可包括：另一元素基底，例如鍺；包括碳化矽在內的化合物半導體；包括矽鍺在內的合金半導體；或其組合。在一些實施例中，所述基底是絕緣體上半導體（semiconductor on insulator，SOI）基底。所述基底可包括摻雜區，例如p阱及n阱。在本揭露中，晶圓是包括半導體基底以及形成於所述半導體基底中及所述半導體基底之上並附著至所述半導體基底的各種特徵的工件。所述晶圓可處於各種製作階段且使用互補金屬氧化物半導體製程來加以處理。在各種製作階段完成之後，將晶圓分成個別晶粒，所述個別晶粒被封裝至整合式晶片中。
然後，方法900繼續進行至方塊904，在方塊904中，在基底的前表面上形成多個閘極。所述多個閘極的第一集合可充當雙閘極背側場效電晶體感測器的閘極，而所述多個閘極的第二集合可充當基底中各種其他電晶體（例如存取電晶體及/或分流電晶體）的閘極。根據一些實施例，所述閘極是多晶矽。其他示例性閘極材料包括：金屬，例如銅（Cu）、鎢（W）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、鉻（Cr）、鉑（Pt）、銀（Ag）、金（Au）；適合的金屬化合物，如氮化鈦（TiN）、氮化鉭（TaN）、矽化鎳（NiSi）、矽化鈷（CoSi）；其組合；及/或其他適合的導電材料。
在所述多個閘極與基底的前表面之間設置有閘極電介質。在一些實施例中，所述閘極電介質是氧化矽。其他示例性閘極電介質包含氮化矽、氮氧化矽、具有高介電常數（高k）的電介質、或其組合。高介電常數材料的實例包括矽酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化鉿-氧化鋁（HfO2 -Al2 O3 ）合金、或其組合。
方法900繼續進行至方塊906，在方塊906中，在基底中所述多個閘極中每一者的兩側中的任一側上形成源極/汲極區。端視場效電晶體配置（即，n通道或p通道）而定，所述源極/汲極區可包含n型摻雜劑或p型摻雜劑。可同時形成雙閘極背側場效電晶體感測器及其他電晶體（例如存取電晶體及/或分流電晶體）兩者的源極/汲極區。可形成附加內連層，以形成通往所述多個閘極及源極/汲極區中每一者的電連接，例如形成於內連區518內的內連層。
亦可將載體基底520附著至內連區518，以使得能夠在不影響半導體基底的結構完整性的情況下對基底的背側進行各種後續操作。在一些實施例中，載體基底520接合至內連區518的最後一個金屬內連層。在一些實施例中，載體基底520接合至形成於內連區上的鈍化層。可使用熔合方法、擴散方法、共熔方法、及/或其他適合的接合方法將載體基底附著至裝置基底。用於載體基底的示例性組成物包括矽、玻璃及石英。在一些實施例中，載體基底可包括其他功能，例如內連特徵、接合位點、所界定腔、及/或其他適合的特徵。可在後續處理期間（例如，在薄化之後）移除載體基底。
方法900繼續進行至方塊908，根據一些實施例，在方塊908中，穿過基底的背側上的介電層形成開口。舉例而言，可穿過隔離層512蝕刻出開口708，以暴露出基底504的背側507。根據一些實施例，開口708大至足以暴露出多於一個雙閘極背側場效電晶體感測器的通道區508。開口708可跨並排排列的一列雙閘極背側場效電晶體感測器穿越。
可藉由首先執行乾式蝕刻（例如反應性離子蝕刻（reactive ion etch，RIE））或任何電漿蝕刻以將基底的背側上的介電層薄化來形成開口。之後，可使用濕式蝕刻（例如緩衝氧化物蝕刻（buffered oxide etch，BOE）或氫氟酸（hydrofluoric acid，HF））來移除開口內介電層的薄剩餘部分。
方法900繼續進行至方塊910，根據一些實施例，在方塊910中，在基底的背表面上開口內的被暴露通道區之上設置介面層516。所述介面層適合於進行生物分子結合或生物實體結合。舉例而言，所述介面層可為生物分子或生物實體提供結合介面。所述介面層可包含介電材料、導電材料、及/或其他適用於固持受體的材料。示例性介面材料包括高介電常數介電膜、金屬、金屬氧化物、電介質及/或其他適合的材料。作為另一實例，示例性介面層材料包括：氧化鉿（HfO2 ）、氧化鉭（Ta2 O5 ）、Pt、Au、W、Ti、鋁（Al）、Cu；此類金屬的氧化物，例如，二氧化矽（SiO2 ）、氮化矽（Si3 N4 ）、氧化鋁（Al2 O3 ）、氧化鈦（TiO2 ）、TiN、氧化鋯（ZrO2 ）、氧化錫（II）（SnO）、二氧化錫（SnO2 ）；及/或其他適合的材料。可使用例如以下等的互補金屬氧化物半導體製程來形成介面層：物理氣相沈積（PVD）（濺鍍）、化學氣相沈積（CVD）、電漿增強化學氣相沈積（PECVD）、大氣壓化學氣相沈積（APCVD）、低壓化學氣相沈積（LPCVD）、高密度電漿化學氣相沈積（HDPCVD）或原子層化學氣相沈積（ALCVD）。在一些實施例中，介面層包括多個層。
方法900以方塊912繼續，根據一些實施例，在方塊912中，在介面層上設置捕獲試劑。可將例如酶、抗體、配位基、肽、核苷酸、器官的細胞、生物體或組織塊等的膜處理試劑或捕獲試劑設置或結合於介面層上，以用於偵測目標分析物。例如，為偵測單股式去氧核糖核酸（single-stranded deoxyribonucleic acid，ssDNA），可利用多股固定的互補單股式去氧核糖核酸將介面層官能化。此外，為偵測各種蛋白質（例如腫瘤標誌物），可利用單株抗體將介面層官能化。捕獲試劑可為由分子形成的自組裝單層（self-assembled monolayer，SAM）的一部分。自組裝單層可具有頭基（head groups）為以下各者：矽烷基、矽基、矽醇基、磷酸酯基、胺基、硫醇基、烷基、烯基、炔基、疊氮基或環氧基。捕獲試劑附著至自組裝單層的頭基。
在一些實施例中，將相同捕獲試劑固定於給定開口內的所有雙閘極背側場效電晶體感測器之上。在此實例中，當偵測目標分析物時，開口中雙閘極背側場效電晶體感測器中的每一者可被加偏壓成導通，使得來自每一雙閘極背側場效電晶體感測器的組合電流得以收集。對來自多個雙閘極背側場效電晶體感測器的組合訊號求積分可有助於改良感測器陣列相對於目標分析物的訊雜比及靈敏度中的任一者或兩者。在一些實施例中，二維陣列中的每一列雙閘極背側場效電晶體感測器包括固定於給定列的生物場效電晶體感測器之上的相同捕獲試劑，但可在不同列之間包括不同捕獲試劑。
在一些實施例中，將不同捕獲試劑固定於給定開口內的不同雙閘極背側場效電晶體感測器之上。在此實例中，可使用同一感測陣列來偵測各種目標分析物。自特定雙閘極背側場效電晶體感測器所量測的電流將和與固定於所述特定雙閘極背側場效電晶體感測器之上的對應捕獲試劑結合的特定目標分析物的濃度相關聯。可使用液體施配設備將不同捕獲試劑設置於同一開口中的不同雙閘極背側場效電晶體感測器之上，所述液體施配設備被設計成小心地施配極少量的液體（例如，小於1奈升（nL））以將捕獲試劑僅固定於單一或少量的雙閘極背側場效電晶體感測器之上。壓電混合器
如以上參照圖5B所述，可經由一或多個微流體通道將流體引入排列成感測器陣列的各種生物場效電晶體感測器之上。使用微流體通道來引導流體流亦提供整合其他流體裝置（例如幫浦及混合器）的能力。混合器對於增強在流體中的分析物與生物場效電晶體感測器上的捕獲分子之間發生的相互作用及反應是尤其重要的。
整合式混合器提供向流體中引入擾動的機械力。擾動相較於單獨地進行擴散或對流能提供更高的混合效率。混合動作起到減少使生物反應發生（例如流體中的分析物與生物場效電晶體感測器上的捕獲分子之間的任何結合反應）所需的培養時間的作用。
混合器可整合於晶片上沿微流體通道的任何地方。在一些實施例中，可包括多於一個混合器。圖10說明感測器晶片1002的示例性佈局，感測器晶片1002包括具有入口1006及出口1008的微流體通道1004。可如下來圖案化出微流體通道1004：藉由向例如聚二甲基矽氧烷（PDMS）等聚合物材料中模製出通道，或藉由在感測器晶片1002的表面上圖案化出界定通道的壁。微流體通道1004可具有小於5毫米（mm）、小於3毫米、小於1毫米、小於500微米、小於300微米、小於100微米或小於50微米的寬度。
可藉由穿過對微流體通道1004的頂部進行密封的材料進行化學蝕刻、雷射蝕刻或機械鑽孔來形成入口1006及出口1008中的每一者。所述材料可為例如聚二甲基矽氧烷或聚乙二醇等聚合物，或者所述材料可為例如矽或二氧化矽（二氧化矽的實例包括玻璃、石英、熔凝矽石等）等更剛性的基底。
根據實施例，微流體通道1004包括整合式幫浦1010。幫浦1010可為任何類型的眾所習知的流體幫浦，例如蠕動幫浦、壓電幫浦或電滲透幫浦。
根據實施例，微流體通道1004包括整合式混合器1012。混合器1012可為如本文中將更詳細論述的壓電混合器。混合器1012可整合於微流體通道1004中定位有生物場效電晶體感測器陣列的感測區域1014的上游。因此，混合器1012可被設置成在流體到達生物場效電晶體感測器中的任一者之前將流體預混合。
根據實施例，微流體通道1004被設計成將流體遞送至具有至少第一感測器1016a及第二感測器1016b的感測區域1014。在一個實施例中，第一感測器1016a及第二感測器1016b中的每一者包括其自身的設置於生物場效電晶體感測表面附近或直接設置於生物場效電晶體感測表面之上的整合式混合器。此使得能夠直接在生物反應（例如流體中的分析物與生物場效電晶體感測器上的捕獲分子之間的任何結合反應）發生的位點處進行混合。感測器1016a及感測器1016b中每一者之上的整合式混合器可為壓電混合器。
應理解，感測器1016a可表示任何數目個生物場效電晶體感測器，包括排列成感測陣列的任何數目個生物場效電晶體感測器。因此，在實施例中，感測器1016a是具有其自身的位於第一感測陣列之上的整合式混合器的第一感測器陣列，且感測器1016b是具有其自身的位於第二感測陣列之上的整合式混合器的第二感測器陣列。在另一實施例中，感測器1016a表示具有第一共用感測阱的第一群組的生物場效電晶體感測器，所述第一共用感測阱暴露出第一群組中生物場效電晶體感測器中的每一者的背側，且感測器1016b表示具有第二共用感測阱的第二群組的生物場效電晶體感測器，所述第二共用感測阱暴露出第二群組中生物場效電晶體感測器中的每一者的背側。第一群組的生物場效電晶體感測器及第二群組的生物場效電晶體感測器可排列於同一感測器陣列中，或者可來自不同的感測器陣列。
根據實施例，圖11A至圖11E中說明用於可整合於微流體通道1004內的壓電混合器1100的示例性製作製程。圖11A說明混合器1100的製作中的第一階段，在所述第一階段中，在基底1102上形成壓電膜堆疊1101。壓電膜堆疊1101包括第一電極層1104、壓電膜1106及第二電極層1108。
基底1102可為矽或二氧化矽（二氧化矽的實例包括玻璃、石英、熔凝矽石等）。在其中基底1102是矽的實施例中，可在形成第一電極層1104之前首先在基底1102之上沈積絕緣層。所述絕緣層可為二氧化矽。
第一電極層1104與第二電極層1108可為相同導電材料。第一電極層1104及第二電極層1108中的每一者可包含鉑或金，此處僅舉數例。可藉由例如濺鍍、蒸鍍或化學氣相沈積（CVD）等沈積技術來沈積第一電極層1104及第二電極層1108。第一電極層1104及第二電極層1108可各自具有介於約50奈米與約500奈米之間的厚度。
壓電膜1106可包含具有壓電性質的任何材料。具有壓電性質的材料在經受所施加電場作用時展現出機械應變。在一個實例中，鈦酸鉛鋯（lead zirconate titanate，PZT）晶體可在對此材料施加外部電場時改變其靜態尺寸的百分比。鈦酸鉛鋯可因其相對容易沈積成薄層、展示出顯著的壓電效應且成本低而用於微尺度應用。展現出壓電效應且可用於壓電膜1106的其他示例性材料包括聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）及鈮酸鋰。可使用例如物理氣相沈積（PVD）技術或化學氣相沈積技術來沈積壓電膜1106。壓電膜1106可具有介於約100奈米與5000奈米之間的厚度。
圖11B說明根據實施例在混合器1100的製作製程中的第二階段。混合器1100的橫截面說明藉由進行一或多個蝕刻製程以蝕穿壓電膜堆疊1101的厚度而形成的多個開口1111。可在所述一或多個蝕刻製程期間使用各種罩幕圖案來保護壓電膜堆疊1101的某些部分，以形成當自俯視角度觀看時不同的混合器圖案。根據一些實施例，可利用氬、使用離子束蝕刻來蝕刻壓電膜堆疊1101。根據一些實施例，可使用鹽酸來蝕刻壓電膜堆疊1101。
根據一些實施例，圖11B中說明三個示例性混合器圖案（I、II及III）。在第一圖案I中，在壓電膜堆疊1101的大致正方形部分內形成多個開口。在第二圖案II中，在壓電膜堆疊1101的大致圓形部分內形成多個開口。在第三圖案III中，在壓電膜堆疊1101的大致正方形部分內形成蜿蜒狀開口。應理解，該些圖案僅是作為實例而提供且並非進行限制。所述開口本身可為任何形狀，而並非僅限於圓形。類似地，當自俯視角度觀看時，在一或多個蝕刻製程之後壓電膜堆疊1101的整體形狀可為任何形狀，且並非僅限於圓形或正方形。
根據實施例，可使用另一蝕刻製程來形成凹陷部1110。在蝕穿第二電極層1108及壓電膜1106之後，凹陷部1110暴露出第一電極層1104。因存在凹陷部1110，可更容易地提供通往第一電極層1104的電連接。必須形成通往第一電極層1104及第二電極層1108中每一者的電連接，以在第一電極層1104與第二電極層1108之間產生電場，從而在壓電膜1106中產生機械應變。
圖11C說明根據實施例在混合器1100的製作製程中的第三階段。執行蝕刻製程，以藉由移除基底1102的位於壓電膜堆疊1101下方的一部分來釋放壓電膜堆疊1101的一部分。首先藉由在基底1102之上除圖案化有壓電膜堆疊1101之處以外的任何地方使用光阻或硬罩幕層來保護基底1102。然後，執行蝕刻製程，以蝕除基底1102的位於開口1111下方的一部分。由於所述蝕刻為等向性的，因而所述蝕刻亦將在開口1111下方橫向繼續，使得基底1102的位於開口1111之間的部分亦被移除。根據實施例，所述蝕刻的結果被說明為腔1112。可使用濕式蝕刻技術或乾式蝕刻技術來執行「釋放」蝕刻。當基底1102是二氧化矽時，示例性濕式蝕刻技術包括將基底1102暴露於各種可能濃度的氫氟酸下，以形成腔1112。當基底1102是二氧化矽時，亦可使用汽化的氫氟酸來形成腔1112。在其中基底1102是矽的實例中，可使用利用二氟化氙（xenon difluoride，XeF2 ）進行的乾式蝕刻製程來形成腔1112。根據實施例，腔1112具有介於約100微米與約250微米之間的深度。
在形成腔1112之後，混合器1100包括經由一或多個錨固點1114錨固至基底1102的懸置式壓電膜堆疊1101。圖11D說明以上參照圖11B所述的相同的三個混合器圖案（I、II及III）的示例性俯視圖。再次提供該些示例性圖是為了自俯視角度說明腔1112並且為了說明每一混合器圖案的錨固點1114的示例性位置。
圖11E說明根據實施例在混合器1100的製作製程中的第四階段。穿過基底1102的厚度形成開口1116，以提供流體埠或電性埠。電性埠可用於與第一電極層1104或第二電極層1108形成電連接。可使用雷射鑽孔或使用濕式蝕刻劑來形成開口1116。舉例而言，氫氧化鉀（potassium hydroxide，KOH）可用於蝕穿矽，而氫氟酸可用於蝕穿二氧化矽。亦可使用例如深反應性離子蝕刻（deep reactive ion etching，DRIE）等乾式蝕刻製程。
雖然說明瞭單一開口1116，但應理解，可穿過基底1102的厚度蝕刻多個開口，以形成一或多個流體入口及一或多個流體出口。另外，可形成一或多個開口，以提供用於形成通往第一電極層1104及第二電極層1108兩者的電連接的路徑。
圖12說明根據實施例，混合器1100與半導體裝置500的示例性整合。在接合混合器1100之前，可在介面層516之上圖案化出通道壁1202，以形成微流體通道的壁。通道壁1202可包含被使用紫外（ultraviolet，UV）光如同光阻一樣圖案化或被乾式蝕刻的介電材料。通道壁1202可包含被使用紫外光圖案化的聚合物。
在一些實施例中，首先在介面層516的某些部分之上沈積接合層，以為通道壁1202提供更佳的接合表面。所述接合層可包含與介面層516的介電材料不同的介電材料，例如二氧化矽。
在已圖案化出通道壁1202之後，可將混合器1100接合於通道壁1202之上，以形成封閉的流體區1204，進而界定微流體通道的內部體積。可使用放置於基底1102與通道壁1202之間的黏合劑來執行所述接合。可在接合製程期間施加熱量及壓力兩者，以改良接合強度。根據實施例，混合器1100被接合成使得實質上對齊於開口514之上。
雖然圖12的橫截面中未顯示，但流體經由穿過基底1102的開口進入至流體區1204中。所述流體填充包括圖案化於生物場效電晶體感測器之上的開口514的流體區1204，且亦填充位於壓電堆疊1101上方的腔1112。藉由跨壓電堆疊1101上方的電極施加變化的電場，壓電材料將以振盪方式發生機械應變，進而使壓電堆疊1101有效地上下振動，如雙端箭頭所示。振動的頻率相依於所施加電場的交變頻率、以及壓電膜的材料性質。在一個實例中，跨壓電堆疊1101施加直流電（direct current，DC）偏移介於約1伏（V）與約100伏之間且交流電（alternating current，AC）分量在介於約1千赫（kHz）與約100千赫之間的頻率下介於約10毫伏（mV）峰間值（peak-to-peak）與約1000毫伏峰間值之間的電場。腔1112的存在使得壓電堆疊1101能夠垂直移動且向壓電堆疊1101周圍的流體中引入擾動。此種流體擾動亦會被開口514周圍的流體感受到。因此，由混合器1100引起的擾動可提高在開口514內生物場效電晶體感測器上方發生的生物反應的效率。
應理解，圖12中為清晰起見說明瞭單一生物場效電晶體感測器，但混合器1100亦可以類似方式整合於多個生物場效電晶體感測器之上。另外，開口514可跨所述多個生物場效電晶體感測器（如以上參照圖7B所述）中的多於一者伸展，使得由混合器1100形成的擾動改良在多個生物場效電晶體感測器之上發生的生物反應的效率。
在一些實施例中，通道壁1202由基底1102的某些部分替換，使得基底1102直接接合至介面層516。在一些實施例中，混合器1100的組件可凹陷於基底1102中，以在將基底1102接合至介面層516後形成封閉的流體區1204。化學、生物學及介面
現在將參照圖13闡述作為pH感測器的雙閘極背側場效電晶體感測器502的示例性操作。雖然在以下圖中將雙閘極背側場效電晶體感測器502之上的開口說明為僅位於通道區508之上，但應理解，所述開口可進一步伸展以暴露出其他雙閘極背側場效電晶體感測器，且所述開口的大小並不改變本文中所述的生物感測操作。
簡言之，使用流體閘極1302來提供與雙閘極背側場效電晶體感測器502的「背閘極」的電接觸。將溶液1301設置於雙閘極背側場效電晶體感測器502的反應位點之上，且將流體閘極1302放置於溶液1301內。溶液的pH通常與溶液中氫離子[H+ ]的濃度有關。離子在通道區508上方介面層516的表面附近積累會影響通道區508內在源極/汲極區510之間形成導電路徑的反轉層的形成。在一些實施例中，電流Ids 自一個源極/汲極區流動至另一源極/汲極區。
可量測電流Ids 以確定溶液1301的pH。在一些實施例中，於感測期間，在使閘極506保持浮置的同時，使用流體閘極1302作為電晶體的閘極。在一些實施例中，在感測期間，在以給定電位對閘極506加偏壓的同時，使用流體閘極1302作為電晶體的閘極。舉例而言，端視應用而定，可以介於-2伏與2伏之間的電位對閘極506加偏壓，同時使流體閘極1302掃過一電壓範圍。在一些實施例中，在感測期間，以給定電位對流體閘極1302加偏壓（或將其接地），同時使用閘極506作為電晶體的閘極（例如，使其電壓掃過一電位範圍）。流體閘極1302可由鉑形成，或可由在電化學分析中常用於參考電極的任何其他材料形成。參考電極的實例是銀/氯化銀（Ag/AgCl）電極，其具有約0.230伏的穩定電位值。
圖14A顯示溶液中與介面層516的表面結合的離子。介面層516的最頂部原子層被繪示為各種懸鍵[O- ]、[OH]及[OH2 + ]。隨著離子在表面上積累，總表面電荷影響電晶體的臨限電壓。本文中所使用的臨限電壓是為在場效電晶體感測器的源極與汲極之間形成少數載子的導電路徑而在場效電晶體感測器的閘極與源極之間需要的最小電位。總電荷亦與溶液的pH直接有關，乃因正電荷的積累量越高則表示pH越低，而負電荷的積累量越高則表示pH越高。
圖14B說明因n通道場效電晶體感測器中pH值的不同而引起的示例性臨限電壓改變。如在此實例中可觀察到，臨限電壓增大59毫伏（mV）大致表示溶液的pH增大1。換言之，當以使電晶體導通所需的電壓進行度量時，pH改變1會得到等於59毫伏的總表面電荷。
改變雙閘極背側場效電晶體感測器502的臨限電壓亦會改變在將給定電壓輸入至流體閘極1302或閘極506時在源極/汲極區510之間形成導電路徑所花費的時間。根據一些實施例，使場效電晶體感測器「導通」的此種時間延遲可使用數位電路系統來加以量化並用於確定分析物濃度。
在本申請案中所述的設備、系統及方法可用於監測各種實體之間的相互作用。該些相互作用包括用以偵測測試樣品中的目標分析物的生物相互作用及化學相互作用。作為實例，可監測包括物理轉化、化學轉化、生物化學轉化、或生物轉化在內的反應，以偵測中間物、副產物、產物、及其組合的產生。另外，本揭露的設備、系統及方法可用於在本文中所述的各種檢測（包括但不限於在液體生檢中使用的循環腫瘤細胞檢測、以及用以偵測是否存在重金屬及其他環境污染物的螯合檢測）中偵測該些反應。可以單者形式或以用以偵測例如多種目標分析物的陣列形式來監測此類檢測及反應。
參照圖15，使用雙閘極背側感測場效電晶體感測器502來執行示例性生物感測測試。探針DNA 1504（捕獲試劑的實例）經由鏈接分子1502與介面層516結合。鏈接分子1502可具有與介面層516的一部分結合的反應性化學基團。鏈接分子的實例包括硫醇。亦可藉由將介面層516的表面矽烷化或藉由將介面層516的表面暴露於氨（NH3 ）電漿下以在所述表面上形成反應性NH2 基團來形成鏈接分子。如熟習相關技術者將大體理解，矽烷化製程涉及將介面層516的表面依序暴露於不同化學品下，以使共價結合的分子積聚於介面層516的表面上。探針DNA 1504表示單股式DNA。根據一些實施例，圖15中所說明的雙閘極背側感測場效電晶體感測器502是將存在於晶片上的感測器陣列內的一個生物場效電晶體感測器。
可在使場效電晶體感測器經受流體樣品1501作用之前將探針DNA 1504固定於介面層516上。流體樣品1501可包含匹配的單股式DNA序列1506，匹配的單股式DNA序列1506與其匹配的探針DNA 1504強烈地結合。附加DNA的結合增加在介面層516上以及場效電晶體感測器的通道區508正上方存在的負電荷。
圖16A中概念性地說明DNA結合。此處，具有核酸序列TCGA的探針DNA結合至其互補的匹配的具有核酸序列AGCT的一股。任何不匹配的序列均不與探針DNA序列雜交。匹配DNA的結合會增加積聚於介面層516的介面處的負電荷。在圖16A所說明的實例中，介面層516是氧化鉿。
圖16B說明當匹配的DNA結合至介面層516的表面時雙閘極背側感測場效電晶體感測器的臨限電壓移位。簡言之，可對流體閘極1302施加電壓，直至場效電晶體感測器「導通」且電流在源極/汲極區510之間流動為止。在另一實例中，在以給定電位對流體閘極1302加偏壓的同時，對閘極506施加電壓以使場效電晶體感測器導通。當因互補DNA的結合而在介面層516處存在更多負電荷時，需要更高電壓才會在通道區508內形成導電反轉層。因此，根據一些實施例，可在對流體閘極1302或閘極506施加更高電壓後才會使場效電晶體感測器傳導且使電流Ids 流動。此臨限電壓差可加以量測，並且可用於不僅判斷是否存在匹配的目標DNA序列而且對其濃度進行確定。應理解，在介面層516處積累的淨正電荷將使臨限電壓減小而非增大。另外，對於n通道場效電晶體而言，與p通道場效電晶體相較，臨限電壓改變將具有相反的正負號。
參照圖17，使用雙閘極背側場效電晶體感測器502來執行另一示例性生物感測測試。探針抗體1704（捕獲試劑的另一實例）經由鏈接分子1702結合至介面層516。鏈接分子1702可具有與介面層516的一部分結合的反應性化學基團。可將樣品溶液1701設置於探針抗體1704之上，以判斷樣品溶液1701內是否存在匹配的抗原。
參照圖18，說明匹配的抗原與探針抗體1704的結合過程。此處，匹配的抗原將結合至固定的探針抗體，而不匹配的抗原將不進行結合。類似於以上所述的DNA雜交過程，匹配的抗原將改變在介面層516處存在的積累電荷。以與以上參照圖16B所述的實質上相同的方式來量測因匹配的抗原與探針抗體結合而積累的電荷所致的臨限電壓移位。結語
本文中闡述生物場效電晶體裝置的實施例，所述生物場效電晶體裝置包括位於多個雙閘極背側場效電晶體感測器之上的共用開口。根據一些實施例，一種生物場效電晶體裝置包括：半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面；以及多個生物場效電晶體感測器，位於所述半導體基底上。所述生物場效電晶體感測器中的每一者包括：閘極結構，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及通道區，在所述半導體基底中所述閘極結構下方以及源極/汲極（S/D）區之間形成於所述半導體基底內。所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分。所述生物場效電晶體裝置亦包括隔離層，所述隔離層設置於所述半導體基底的所述第二表面上。所述隔離層具有開口，所述開口位於所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上。所述生物場效電晶體裝置亦包括介面層，所述介面層設置於所述開口中所述多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區上。
根據一些實施例，一種製作生物場效電晶體裝置的方法包括在半導體基底的第一表面上形成多個閘極，其中所述多個閘極中的每一者形成於所述半導體基底中的對應通道區之上。所述方法亦包括在所述通道區中的每一通道區的兩側中的任一側上在所述半導體基底中形成源極/汲極區。所述方法亦包括在所述半導體基底的第二表面上的隔離層中形成開口，所述第二表面與所述半導體基底的所述第一表面相對且平行。所述基底中的所述通道區中的每一者包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分，且所述開口暴露出所述半導體基底的所述第二表面的包括多於一個通道區的一部分。所述方法包括在所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上設置介面層。
根據一些實施例，一種感測器陣列包括：半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面；以及多個生物場效電晶體感測器，在所述半導體基底上排列成由列及行形成的矩陣。所述生物場效電晶體感測器中的每一者包括：閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及通道區，形成在所述半導體基底中所述閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極（S/D）區之間。所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分。所述感測器陣列亦包括隔離層，所述隔離層設置於所述半導體基底的所述第二表面上且具有開口，所述開口沿所述矩陣的所述列中的至少一個列的長度延伸以使所述開口位於所述至少一個列中所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上。所述感測器陣列亦包括介面層，所述介面層設置於所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上。
應瞭解，實施方案部分而非發明摘要部分旨在用於解釋申請專利範圍。發明摘要部分可陳述本發明人所設想出的本發明的一或多個但非全部示例性實施例，且因此，絕非旨在限制本發明及隨附申請專利範圍。
應理解，本文中的片語或術語僅用於說明而非限制，使得熟習此項技術者應根據教示內容及指導來解釋本說明書的術語或片語。
本揭露的廣度及範圍不應受上述示例性實施例中的任一者限制，而是應根據隨附申請專利範圍及其等效內容來加以界定。
100‧‧‧生物感測器系統
102‧‧‧感測器陣列
104‧‧‧流體遞送系統
106‧‧‧讀出電路
108‧‧‧控制器
200、502‧‧‧雙閘極背側感測場效電晶體感測器
202、506、524、718‧‧‧閘極
204‧‧‧源極區
206‧‧‧汲極區
208、508、526‧‧‧通道區
210、512‧‧‧隔離層
211、518‧‧‧內連區
212、514、708、1111、1116‧‧‧開口
214、504、1102‧‧‧基底
215‧‧‧中間電介質
216、218‧‧‧電觸點
220‧‧‧前側閘極觸點
222‧‧‧背側閘極觸點
300‧‧‧可定址陣列
302、522、706、S1A、S2A‧‧‧存取電晶體
304‧‧‧生物場效電晶體感測器
306‧‧‧位元線
308‧‧‧字元線
400‧‧‧示意圖
401‧‧‧陣列
402‧‧‧個別可定址畫素
404‧‧‧列解碼器
406‧‧‧行解碼器
408‧‧‧加熱器
410‧‧‧溫度感測器
412‧‧‧n通道場效電晶體
500‧‧‧半導體裝置
505‧‧‧前表面
507‧‧‧背表面
510、528、712a、712b、712c、716、720‧‧‧源極/汲極區
516‧‧‧介面層
520‧‧‧載體基底
530‧‧‧淺溝渠隔離部
532‧‧‧流體
534‧‧‧離子濃度
536、1302‧‧‧流體閘極
602‧‧‧金屬層
604‧‧‧觸點
700、800‧‧‧佈局
702-1、702-2、702-3、702-4、…702-N‧‧‧畫素
704、BF1、BF2、…BFN‧‧‧雙閘極背側場效電晶體感測器
710‧‧‧閘極結構
714、722‧‧‧金屬內連線
900‧‧‧方法
902、904、906、908、910、912‧‧‧方塊
1002‧‧‧感測器晶片
1004‧‧‧微流體通道
1006‧‧‧入口
1008‧‧‧出口
1010‧‧‧整合式幫浦
1012‧‧‧整合式混合器
1014‧‧‧感測區域
1016a‧‧‧第一感測器
1016b‧‧‧第二感測器
1100‧‧‧壓電混合器
1101‧‧‧壓電膜堆疊
1104‧‧‧第一電極層
1106‧‧‧壓電膜
1108‧‧‧第二電極層
1110‧‧‧凹陷部
1112‧‧‧腔
1114‧‧‧錨固點
1202‧‧‧通道壁
1204‧‧‧流體區
1301‧‧‧溶液
1501‧‧‧流體樣品
1502、1702‧‧‧鏈接分子
1504‧‧‧探針DNA
1506‧‧‧單股式DNA序列
1701‧‧‧樣品溶液
1704‧‧‧探針抗體
Ids、Iout、Iout‧‧‧電流
n2‧‧‧端子
S1B、S2B‧‧‧分流電晶體
sel、vpg‧‧‧電壓
I‧‧‧第一圖案
II‧‧‧第二圖案
III‧‧‧第三圖案
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本發明的各態樣。應注意，根據本行業中的標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1說明根據一些實施例的感測裝置的組件。 圖2說明根據一些實施例的示例性雙閘極背側感測場效電晶體（field effect transistor，FET）感測器的剖視圖。 圖3是根據一些實施例配置成示例性可定址陣列的多個場效電晶體感測器的電路圖。 圖4是根據一些實施例由雙閘極場效電晶體感測器及加熱器形成的示例性可定址陣列的電路圖。 圖5A及圖5B說明根據一些實施例的示例性雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體的剖視圖。 圖6A說明根據一些實施例的雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體的佈局。 圖6B說明根據一些實施例的雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體的佈局的電路表示。 圖7A說明根據一些實施例具有共用感測阱的由雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體形成的多個畫素的佈局。 圖7B說明根據一些實施例具有共用感測阱的一列中的雙閘極背側感測場效電晶體感測器的側視圖。 圖7C說明根據一些實施例由雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體形成的多個畫素的佈局的電路表示。 圖8A說明根據一些實施例具有共用感測阱的多個雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體的佈局。 圖8B說明根據一些實施例的雙閘極背側感測場效電晶體感測器及非感測場效電晶體的佈局的電路表示。 圖9說明根據一些實施例製作多個雙閘極背側感測場效電晶體感測器的示例性方法的流程圖。 圖10說明根據一些實施例的生物感測晶片的示例性佈局。 圖11A至圖11E說明根據一些實施例用於壓電混合器的製作製程的階段。 圖12說明根據一些實施例，混合器與示例性雙閘極背側感測場效電晶體感測器的整合。 圖13說明根據一些實施例充當pH感測器的示例性雙閘極背側感測場效電晶體感測器的剖視圖。 圖14A及圖14B說明根據一些實施例，使用雙閘極背側感測場效電晶體感測器作為pH感測器。 圖15說明根據一些實施例偵測DNA的示例性雙閘極背側感測生物場效電晶體的剖視圖。 圖16A說明根據一些實施例在受體表面上DNA的結合力學（binding mechanics）。 圖16B說明根據一些實施例，示例性雙閘極背側感測生物場效電晶體基於匹配的分析物結合而出現的臨限電壓改變。 圖17說明根據一些實施例在感測層上固定有抗體的示例性雙閘極背側感測生物場效電晶體的剖視圖。 圖18說明根據一些實施例在受體表面上抗原與抗體的結合力學。

Claims (30)

  1. 一種生物場效電晶體（bioFET）裝置，包括： 半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面； 多個生物場效電晶體感測器，設置於所述半導體基底上，所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者包括： 閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極（S/D）區之間，其中所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分； 隔離層，設置於所述半導體基底的所述第二表面上，所述隔離層具有開口，所述開口位於所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上；以及 介面層，設置於所述開口中所述多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的生物場效電晶體裝置，更包括多個存取場效電晶體，所述存取場效電晶體中的每一者包括： 存取閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述存取閘極下方及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間， 其中所述隔離層中的所述開口不位於所述存取場效電晶體中的任一者的所述通道區之上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的生物場效電晶體裝置，其中所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者的所述源極/汲極區中的一者電性耦合至所述多個存取場效電晶體中的對應存取場效電晶體的所述源極/汲極區中的一者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的生物場效電晶體裝置，更包括接合於穿過所述隔離層的所述開口之上的壓電混合器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的生物場效電晶體裝置，其中所述生物場效電晶體感測器中的每一者更包括： 第二閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 第二通道區，形成在所述半導體基底中所述第二閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間，其中與所述第二通道區相鄰的所述源極/汲極區中的一者是和與所述通道區相鄰的所述源極/汲極區中的一者相同的區。
  6. 一種生物場效電晶體（bioFET）裝置，包括： 半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面； 多個生物場效電晶體感測器，設置於所述半導體基底上，所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者包括： 閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極（S/D）區之間，其中所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分； 隔離層，設置於所述半導體基底的所述第二表面上，所述隔離層具有開口，所述開口位於所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上； 介面層，設置於所述開口中所述多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區上；以及 微流體通道，位於所述半導體基底的所述第二表面之上且被配置成遞送流體至穿過所述隔離層的所述開口中。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的生物場效電晶體裝置，更包括多個存取場效電晶體，所述存取場效電晶體中的每一者包括： 存取閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述存取閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間，其中所述隔離層中的所述開口不位於所述存取場效電晶體中的任一者的所述通道區之上。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的生物場效電晶體裝置，其中所述微流體通道包括壓電混合器，所述壓電混合器實質上對齊於穿過所述隔離層的所述開口之上。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的生物場效電晶體裝置，其中所述生物場效電晶體感測器中的每一者更包括： 第二閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 第二通道區，形成在所述半導體基底中所述第二閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間，其中與所述第二通道區相鄰的所述源極/汲極區中的一者是和與所述通道區相鄰的所述源極/汲極區中的一者相同的區。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的生物場效電晶體裝置，其中所述開口具有與X方向對齊的最長長度，且所述微流體通道被配置成遞送流體，所述流體在所述X方向上流過所述開口之上。
  11. 一種製作生物場效電晶體裝置的方法，所述方法包括： 在半導體基底的第一表面上形成多個閘極，所述多個閘極中的每一者形成於所述半導體基底中的對應通道區之上； 在每一通道區的兩側中的任一側上在所述半導體基底中形成源極/汲極區； 在所述半導體基底的第二表面上的隔離層中形成開口，所述第二表面與所述半導體基底的所述第一表面相對且平行，其中所述通道區中的每一者包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分，且其中所述開口暴露出所述半導體基底的所述第二表面的一部分，所述半導體基底包括多於一個通道區；以及 在所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上設置介面層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，更包括： 在所述半導體基底的所述第一表面上形成第二多個閘極，所述第二多個閘極中的每一者形成於所述半導體基底中對應的第二通道區之上；以及 在每一第二通道區的兩側中的任一側上在所述半導體基底中形成源極/汲極區， 其中在所述隔離層中形成所述開口不暴露出所述第二通道區中的任一者。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，更包括將位於至少一個通道區的一側上的源極/汲極區與位於對應的第二通道區的一側上的源極/汲極區電性耦合。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的方法，更包括將壓電混合器接合於穿過所述隔離層的所述開口之上。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中在所述隔離層中形成所述開口包括： 執行乾式蝕刻，以減小所述隔離層的被暴露區的厚度；以及 在執行所述乾式蝕刻之後，執行濕式蝕刻以移除所述被暴露區內所述隔離層的剩餘部分。
  16. 一種製作生物場效電晶體裝置的方法，所述方法包括： 在半導體基底的第一表面上形成多個閘極，所述多個閘極中的每一者形成於所述半導體基底中的對應通道區之上； 在每一通道區的兩側中的任一側上在所述半導體基底中形成源極/汲極區； 在所述半導體基底的第二表面上的隔離層中形成開口，所述第二表面與所述半導體基底的所述第一表面相對且平行，其中所述通道區中的每一者包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分，且其中所述開口暴露出所述半導體基底的所述第二表面的一部分，所述半導體基底包括多於一個通道區； 在所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上設置介面層；以及 將微流體通道耦合於所述半導體基底的所述第二表面之上，使得流體經由所述微流體通道被遞送至所述隔離層中的所述開口中。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，更包括： 在所述半導體基底的所述第一表面上形成第二多個閘極，所述第二多個閘極中的每一者形成於所述半導體基底中對應的第二通道區之上；以及 在每一第二通道區的兩側中的任一側上在所述半導體基底中形成源極/汲極區， 其中在所述隔離層中形成所述開口不暴露出所述第二通道區中的任一者。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中所述耦合包括將所述微流體通道耦合成使得設置於所述微流體通道內的壓電混合器實質上對齊於穿過所述隔離層的所述開口之上。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中所述開口具有與X方向對齊的最長長度，且所述微流體通道遞送流體，所述流體在所述X方向上流過所述開口之上。
  20. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中在所述隔離層中形成所述開口包括： 執行乾式蝕刻，以減小所述隔離層的被暴露區的厚度；以及 在執行所述乾式蝕刻之後，執行濕式蝕刻以移除所述被暴露區內所述隔離層的剩餘部分。
  21. 一種感測器陣列，包括： 半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面； 多個生物場效電晶體感測器，在所述半導體基底上排列成由列及行形成的矩陣，所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者包括： 閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極（S/D）區之間，其中所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分； 隔離層，設置於所述半導體基底的所述第二表面上，所述隔離層具有開口，所述開口沿所述矩陣的所述列中的至少一個列的長度延伸以使所述開口位於所述至少一個列中所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上；以及 介面層，設置於所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的感測器陣列，更包括多個存取場效電晶體，所述存取場效電晶體中的每一者包括： 存取閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述存取閘極下方及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間， 其中所述隔離層中的所述開口不位於所述存取場效電晶體中的任一者的所述通道區之上。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的感測器陣列，其中所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者的所述源極/汲極區中的一者電性耦合至所述多個存取場效電晶體中的對應存取場效電晶體的所述源極/汲極區中的一者。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的感測器陣列，其中所述對應存取場效電晶體在所述半導體基底上被配置成相鄰於所述生物場效電晶體感測器中的至少一個生物場效電晶體感測器。
  25. 如申請專利範圍第21項所述的感測器陣列，更包括接合於穿過所述隔離層的所述開口之上的壓電混合器。
  26. 一種感測器陣列，包括： 半導體基底，具有第一表面及與所述第一表面相對且平行的第二表面； 多個生物場效電晶體感測器，在所述半導體基底上排列成由列及行形成的矩陣，所述多個生物場效電晶體感測器中的每一者包括： 閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極（S/D）區之間，其中所述通道區包括所述半導體基底的所述第二表面的一部分； 隔離層，設置於所述半導體基底的所述第二表面上，所述隔離層具有開口，所述開口沿所述矩陣的所述列中的至少一個列的長度延伸以使所述開口位於所述至少一個列中所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上； 介面層，設置於所述開口內所述半導體基底的所述第二表面上；以及 微流體通道，位於所述半導體基底的所述第二表面之上且被配置成遞送流體至穿過所述隔離層的所述開口中。
  27. 如申請專利範圍第26項所述的感測器陣列，更包括多個存取場效電晶體，所述存取場效電晶體中的每一者包括： 存取閘極，形成於所述半導體基底的所述第一表面上；以及 通道區，形成在所述半導體基底中所述存取閘極下方以及形成於所述半導體基底內源極/汲極區之間，其中所述隔離層中的所述開口不位於所述存取場效電晶體中的任一者的所述通道區之上。
  28. 如申請專利範圍第26項所述的感測器陣列，更包括接合於穿過所述隔離層的所述開口之上的壓電混合器。
  29. 如申請專利範圍第26項所述的感測器陣列，其中所述開口具有與X方向對齊的最長長度，且所述微流體通道被配置成遞送流體，所述流體在所述X方向上流過所述開口之上。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的感測器陣列，其中所述開口沿Y方向穿越，使得所述開口亦位於一或多個其他列中的所述多個生物場效電晶體感測器中的多於一個生物場效電晶體感測器的所述通道區之上。
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