TWI619941B - 生物感測器裝置 - Google Patents

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Abstract

一種生物感測器裝置，包括：一基板；一感測電晶體，形成在該基板上，且包括一下閘極結構、一上閘極結構、及設置在該下閘極結構及該上閘極結構之間的一半導體層，該下閘極結構電性連接至該上閘極結構；一隔離層，形成在該感測電晶體上，以覆蓋該感測電晶體，且包括一第一開口；及一主介面層，設置在該第一開口中，以接收欲感測的生物分子，該主介面層電性連接至該上閘極結構。

Description

生物感測器裝置
本發明是關於感測器，特別是關於生物感測器裝置。
生物感測器可用於測量生物特徵，例如：血球、蛋白質、醣、抗體、或金屬離子等。生物感測器的優點在於它的高專一性、高敏感度及高選擇性，並可應用於醫藥、生物技術、食品、農業及環境監測等領域。
生物感測器有許多類型，例如：電化學生物感測器、半導體離子感測器、光纖光學生物感測器及壓電石英晶體生物感測器。圖1顯示習知的感測器裝置1。在習知的感測器裝置1的製程中，二氧化矽(SiO2)層12是設置在多晶層11上。塊材13覆蓋SiO2層12及多晶層11。塊材13及SiO2層12被蝕刻以形成井14。多晶層11是作為感測元件之用。然而，在習知的感測器裝置1的製造中，塊材13必須被蝕刻得很深，這是難以控制的，且必須有另一程序用於蝕刻SiO2層12。再者，對於SiO2層12的這種蝕刻，由於不相容於標準CMOS製程，難以控制SiO2層12的保留厚度，導致習知的感測器裝置1的良率不佳。
因此，有必要提供一種改良的生物感測器，以減緩或解決上述問題。
本發明的目的在於提供一種生物感測器裝置，其可透過增強感測訊號的強度及去除環境雜訊干擾而增進敏感度。
本發明的另一目的在於提供一種生物感測器裝置，其可透過標準CMOS製程加以製造，進而降低製造成本。
為達成上述目的，本發明的生物感測器裝置包括：基板；感測電晶體，形成在基板上，且包括下閘極結構、上閘極結構及設置在下閘極結構及上閘極結構之間的半導體層，下閘極結構電性連接至上閘極結構；隔離層，形成在感測電晶體上，以覆蓋感測電晶體，且包括第一開口；及主介面層，設置在第一開口中，以接收欲感測的生物分子，主介面層電性連接至上閘極結構。
透過以下詳細說明，配合附圖，本發明的其他目的、優點及新穎的特徵將更明確。
1‧‧‧習知的感測器裝置
11‧‧‧多晶層
12‧‧‧二氧化矽層
13‧‧‧塊材
14‧‧‧井
2‧‧‧生物感測器裝置
20‧‧‧基板
30‧‧‧感測電晶體
31‧‧‧下閘極結構
311‧‧‧下介電層
312‧‧‧下導電層
32‧‧‧上閘極結構
321‧‧‧上介電層
322‧‧‧上導電層
33‧‧‧半導體層
331‧‧‧源極區
332‧‧‧汲極區
333‧‧‧源極電極
334‧‧‧汲極電極
34‧‧‧第一通孔
341‧‧‧介電材料
342‧‧‧導電材料
35‧‧‧第二通孔
351‧‧‧介電材料
352‧‧‧導電材料
40‧‧‧隔離層
41‧‧‧第一開口
42‧‧‧第二開口
43‧‧‧第三通孔
44‧‧‧第四通孔
50‧‧‧主介面層
51‧‧‧主介面導電層
52‧‧‧主介面中間層
53‧‧‧接收器層
60‧‧‧參考元件
61‧‧‧參考電晶體
62‧‧‧參考介面層
621‧‧‧參考介面導電層
622‧‧‧參考介面中間層
70‧‧‧控制層
80‧‧‧絕緣壁層
90‧‧‧多層互連結構
圖1顯示習知的感測器裝置；圖2顯示本發明的生物感測器裝置的第一實施例；圖3顯示本發明第一實施例的感測電晶體的立體圖；圖4顯示本發明的生物感測器裝置的第二實施例；圖5顯示本發明第二實施例的感測電晶體的立體圖；圖6顯示本發明的生物感測器裝置的第三實施例；圖7顯示本發明的生物感測器裝置的第四實施例；及圖8顯示本發明的生物感測器裝置的第五實施例。
以下說明書將提供本發明不同實施例。可理解的是，這些實施例並非用以限制。本發明的特徵可加以修飾、置換、組合、分離及設計以應用於其他實施例。
第一實施例
圖2顯示本發明的生物感測器裝置2的第一實施例。生物感測器裝置2包括基板20、感測電晶體30、隔離層40及主介面層50。
基板20可由半導體材料形成，半導體材料例如是矽、鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦、銻化銦、矽鍺、磷砷化鎵、砷化銦鋁、砷化鋁鎵、砷化銦鎵、磷化鎵銦、砷磷化鎵銦或上述組合。
感測電晶體30是形成在基板20上。
為進一步描述半導體層33的細部，圖3顯示本發明的第一實施例的感測電晶體30的立體圖。
感測電晶體30包括具有下介電層311及下導電層312的下閘極結構31、具有上介電層321及上導電層322的上閘極結構32、及半導體層33。下閘極結構31的下導電層312是透過第一通孔34電性連接至上閘極結構32的上導電層322。第一通孔34先塗佈介電材料341，其後填充導電材料342。半導體層33是分別透過下介電層311、上介電層321及介電材料341而電性隔離於下導電層312、上導電層322及導電材料342。據此，下閘極結構31、上閘極結構32及第一通孔34構成感測電晶體30的C形狀的閘極結構。
半導體層33可由如同上述基板20的半導體材料形成。再者，半導體材料並不限於結晶材料(例如c-Si)，而可包括多晶材料(例如poly-Si)及非晶材料(例如a-Si)。
下介電層311、上介電層321及介電材料341可由介電材料形成，介電材料例如是二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、高介電係數(high-k)的介電質或上述組合。
下導電層312、上導電層322及導電材料342可由導電材料形成，導電材料係例如是銅、鎢、鈦、鉭、鉻、鉑、銀、金、氮化鈦、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、摻雜半導體材料(如同前述用於基板20者)或上述組合。
如圖3所示，半導體層33的形狀為線狀，即所謂半導體線。然而，半導體層33的形狀不限於線狀。
在本例中，半導體層33包括在半導體線的一端連接至源極電極333的源極區331，及在半導體線的另一端連接至汲極電極334的汲極區332。源極電極333及汲極電極334將進一步連接至感測電路(圖未示)。感測電路可判斷生物分子的存在或生物分子的性質。
如圖3所示，源極區331及汲極區332可凸出於下閘極結構31、上閘極結構32及第一通孔34所覆蓋的區域。換言之，下閘極結構31、上閘極結構32及第一通孔34僅覆蓋半導體層33的一部分，即所謂被覆蓋部分。
請再參照圖2，隔離層40覆蓋感測電晶體30及基板20。隔離層40包括在其表面的第一開口41。
用於接收欲感測的生物分子的主介面層50是設置在第一開口41中。主介面層50包括在其底部的主介面導電層51及在其頂部的接收器層53。主介面導電層51是透過第三通孔43電性連接至上閘極結構32的上導電層322。接收器層53是用於接收欲感測的生物分子。較佳地，主介面層50包括主介面中間層52，其設置在主介面導電層51及接收器層53之間，以保護主介面導電層51免於化學侵蝕或靜電放電。主介面中間層52可由如同上述的導電材料或介電材料形成。
主介面導電層51及第三通孔43可由如同上述的導電材料形成。
接收器層53可取決於欲感測的生物分子的種類，透過塗佈酵素、抗體、配體、受體、肽、核苷酸、器官細胞、有機體或片組織而形成。接收器層53可固定住(或捕捉)欲感測的生物分子。
值得注意的是，在圖2中，主介面層50的上表面實質上與隔離層40的上表面共平面。這表示，在本發明中，隔離層40只須被蝕刻到主介面層50的深度。換言之，第一開口41是深度小的淺開口，適於接收主介面層50。這是有益的，相較之下，在如圖1所示的先前技術的多晶層11是在井14的底部，而塊材13及SiO2層12必須被蝕刻得很深，這是難以控制的。
另一方面，在本發明中，可先形成第一開口41，再設置主介面中間層52，如此，比起如圖1所示的先前技術的SiO2層12，本發明的主介面中間層52更容易製造。
在操作中，當欲感測的生物分子被接收器層53接收時，它將在主介面層50上引起電場，而電場將在主介面導電層51上產生例如電壓、電流、電容或電阻等電性變化。接著，主介面導電層51將產生閘極訊號，並透過第一通孔34(導電材料342)將其傳送至上閘極結構32(上導電層322)及下閘極結構31(下導電層322)。
根據施加於下閘極結構31、上閘極結構32及第一通孔34所構成的C形狀的閘極結構的閘極訊號，感測電晶體30可開啟或關閉，以輸出感測訊號。然後，感測訊號將被傳送至感測電路，以便判斷生物分子的存在或生物分子的性質。
透過C形狀的閘極結構，可將閘極訊號均勻地施加於半導體層33的三面，並可在半導體層33中引起較強的電場效應。如此即可增進生物感測器裝置2的敏感度。
第一實施例的主要結構及主要功能已說明如上。
以下進一步說明第一實施例的許多較佳的或選擇性的特徵。
如圖2所示，生物感測器裝置2包括環繞第一開口41的絕緣壁層80。絕緣壁層80可由如同上述的介電材料形成，或可由例如Cytop、TEFLON或Parylene等塑膠形成。絕緣壁層80適用於承載包括欲感測的生物分子的物質。
再者，如圖2所示，生物感測器裝置2包括多層互連(MLI)結構90，而隔離層40的一部分是包括在多層互連結構90中。由於製造相容於標準CMOS製程，通孔43的一部分及主介面導電層41的一部分亦可包括在多層互連結構90中。
更進一步地，如圖2所示，第一開口41的中心並未對齊感測電晶體30的中心。亦即，自生物感測器裝置2的上視圖觀之，第一開口41是錯位於感測電晶體30。透過此錯位，即可產生額外的空間以容納額外的元件，例如以下將描述的控制層。這是有益的，相較之下，如圖1所示的先前技術在多晶層11(它是作為感測元件之用)上並沒有多餘的空間。
第二實施例
圖4顯示本發明的生物感測器裝置2的第二實施例。第二實施例是以第一實施例為基礎而提供的。然而，在第二實施例中，下導電層312不只透過第一通孔34，還透過第二通孔35而電性連接至上導電層322。第二通孔35先塗佈介電材料351，其後填充導電材料352。於是，下閘極結構31、上閘極結構32、第一通孔34及第二通孔35垂直地環繞半導體層33，而構成感測電晶體30的環繞閘極結構。
圖5顯示本發明第二實施例的感測電晶體30的立體圖。圖5的半導體層33的結構相似於圖3者，不同之處在於第二通孔35的存在。在本例中，下閘極結構31、上閘極結構32、第一通孔34及第二通孔35僅環繞半導體層33的一部分，即所謂被環繞部分。
第二實施例的優點在於，由於下導電層312及上導電層322是透過第一通孔34、第二通孔35兩條路徑連接，其可減少下導電層312及上導電層322之間的連接的電阻，並可維持閘極訊號的強度。
再者，透過下閘極結構31、上閘極結構32、第一通孔34、及第二通孔35所構成的環繞閘極結構，可將閘極訊號均勻地施加於半導體層33的四面，並可在半導體層33中引起較強的電場效應。如此即可增進生物感測器裝置的敏感度。
第三實施例
圖6顯示本發明生物感測器裝置2的第三實施例。第三實施例是以第二實施例為基礎而提供的。然而，在第三實施例中，主介面導電層51不只透過第三通孔43，還透過第四通孔44而電性連接至上導電層322。如此可減少第一導電層51及上導電層322之間的連接的電阻，並可維持閘極訊號的強度。
第四實施例
圖7顯示本發明的生物感測器裝置2的第四實施例。第四實施例是以第一實施例為基礎而提供的，但是它亦可應用於其他實施例。
已知生物感測器裝置所進行的感測可能被環境干擾。相同生物感測器裝置所進行的相同感測在不同環境中可能產生不同結果。在此，環境是指包括欲感測的生物分子的溶劑(可為液體、氣體或固體)。換言之，環境因素導致感測不準確。因此，本發明考慮將參考元件及感測元件(亦即，第一實施例所描述的元件)合併在生物感測器裝置2中，以便去除環境因素。
於是，在第四實施例中，生物感測器裝置2更提供有一組參考元件60。參考元件60包括參考電晶體61及參考介面層62。
參考介面層62是形成在隔離層40的表面上，如此，它可接觸環境。
參考介面層62包括參考介面導電層621。然而，值得注意的是，參考介面層62缺少接收器層，使得參考介面層62無法固定住(或捕捉)欲感測的生物分子，因而它只感測環境所引起的電場，而不感測欲感測的生物分子所引起的電場。
參考介面層62的參考介面導電層621是透過一個或多個通孔電性連接至參考電晶體61的閘極。
在操作中，環境所引起的電場將在參考介面導電層621上產生例如電壓、電流、電容或電阻等電性變化。接著，參考介面導電層621將產生參考閘極訊號至參考電晶體61的閘極，使得參考電晶體61輸出參考訊號。
參考訊號可在比較器或差動放大器中與感測訊號作比較。透過自感測訊號減去參考訊號，即可去除環境因素。
為提供更準確的參考訊號，參考電晶體61較佳是形成為與感測電晶體30具有相似(較佳是相同)結構或材料，例如，具有C形狀的閘極結構或環繞閘極結構。
較佳地，參考介面62是形成為與主介面層50具有相似(較佳是相同)結構或材料。例如，參考介面層62可被形成在隔離層40的表面的第二開口42中，其中，第二開口42與第一開口41分離，且參考介面層62實質上與主介面層50共平面。再者，參考介面層62包括設置在參考介面導電層621上的參考介面中間層622，以保護參考介面導電層621免於化學侵蝕或靜電放電。
更進一步地，包括參考電晶體61及參考介面62的參考元件60可與包括感測電晶體30及主介面層50的感測元件在相同製程中同時形成，不同之處在於參考介面層62缺少接收器層。
基於相似性，參考元件60及感測元件可同時以相似方式被環境干擾，進而此干擾可被抵銷。
第五實施例
圖8顯示本發明的生物感測器裝置2的第五實施例。第五實施例是以第一實施例為基礎而提供的，但是它亦可應用於其他實施例。
在第五實施例中，生物感測器裝置2更包括在第一開口41下且鄰近第一開口41的控制層70。控制層70電性隔離於主介面層50的主介面導電層51，如此，它亦電性隔離於電性連接至主介面導電層51的其他元件，例如上導電層322。
控制層70是由如同前述的導電材料形成的。
在操作中，控制層70被施加獨立控制電壓，以引起電場而吸引欲感測的生物分子。在足夠數量的欲感測的生物分子落在主介面層50上後，獨立控制電壓必須關閉，使得獨立控制電壓不至於干擾感測。其後即可開始感測。
如上所述，本發明已提供一種生物感測器裝置，其可透過增強感測訊號的強度及去除環境雜訊干擾而有效增進敏感度。本發明的生物感測器裝置可透過標準CMOS製程加以製造，進而可降低製造成本
儘管本發明已透過上述實施例說明，可理解的是，在不悖離本發明精神及申請專利範圍之下，可進行許多其他修飾及變化。

Claims (18)

  1. 一種生物感測器裝置，包括：一基板；一感測電晶體，形成在該基板上，且包括一下閘極結構、一上閘極結構及設置在該下閘極結構及該上閘極結構之間的一半導體層，該下閘極結構電性連接至該上閘極結構；一隔離層，形成在該感測電晶體上，以覆蓋該感測電晶體，且包括一第一開口；及一主介面層，設置在該第一開口中，以接收欲感測的生物分子，該主介面層電性連接至該上閘極結構；其中，該下閘極結構更包括一下導電層及設置在該下導電層及該半導體層之間的一下介電層，而上閘極結構更包括一上導電層及設置在該上導電層及該半導體層之間的一上介電層；其中，該下閘極結構是透過電性隔離於該半導體層的一第一通孔而電性連接至該上閘極結構。
  2. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該下閘極結構是透過電性隔離於該半導體層的一第二通孔而電性連接至該上閘極結構，且該下閘極結構、該上閘極結構、該第一通孔及該第二通孔垂直地環繞該半導體層的一被環繞部分。
  3. 如請求項2所述之生物感測器裝置，其中，該半導體層更包括連接至一源極電極的一源極區；及連接至一汲極電極的一汲極區，其中，該源極區及該汲極區在該半導體層的該被環繞部分之外。
  4. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該半導體層是一半導體線，其一端作為連接至一源極電極的一源極區，且另一端作為連接至一汲極電極的一汲極區。
  5. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，自該生物感測器裝置的上視圖觀之，該第一開口是錯位於該感測電晶體。
  6. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該主介面層更包括電性連接至該上閘極結構的一主介面導電層，及形成在該主介面導電層上的一接收器層，以接收欲感測的生物分子。
  7. 如請求項6所述之生物感測器裝置，其中，該主介面層更包括一主介面中間層，設置在該主介面導電層及該接收器層之間。
  8. 如請求項6所述之生物感測器裝置，其中，該接收器層包括酵素、抗體、配體、受體、肽、核苷酸、器官細胞、有機體或片組織。
  9. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該主介面層是透過在該主介面層的一端的一第三通孔及在該主介面層的另一端的一第四通孔而電性連接至該上閘極結構。
  10. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該主介面層的一上表面與該隔離層的一上表面共平面。
  11. 如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，欲感測的生物分子在該上閘極結構及該下閘極結構中引起一閘極訊號，使得該電晶體輸出一感測訊號。
  12. 如請求項11所述之生物感測器裝置，更包括一參考電晶體，用於輸出一參考訊號，以與該感測訊號作比較。
  13. 如請求項12所述之生物感測器裝置，更包括：在該隔離層上而與該第一開口分離的一第二開口；及 在該第二開口中而沒有接收器的一參考介面層，該參考介面層使得該參考電晶體輸出該參考訊號。
  14. 如請求項13所述之生物感測器裝置，其中，該參考介面層與該主介面層共平面。
  15. 如請求項13所述之生物感測器裝置，其中，該參考電晶體與該感測電晶體是形成為相同結構。
  16. 如請求項1所述之生物感測器裝置，更包括一多層互連結構，其包括該隔離層。
  17. 如請求項1所述之生物感測器裝置，更包括一絕緣壁層，其環繞該第一開口。
  18. 如請求項1所述之生物感測器裝置，更包括在該第一開口下的一控制層，該控制層電性隔離於該主介面層，並被施加一獨立控制電壓。
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