TWI635274B

TWI635274B - 生物感測器裝置

Info

Publication number: TWI635274B
Application number: TW106100612A
Authority: TW
Inventors: 林致廷; 陳又豪; 周聖燁
Original assignee: 麥博森股份有限公司
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-09-11
Also published as: TW201825892A; EP3346263A1; CN108287182A; EP3346263B1

Abstract

一種生物感測器裝置，包括基板、氧化物層及感測線。氧化物層是設置在基板上。感測線是設置在氧化物層上。感測線是用於接收目標生物分子。感測線包括沿著第一方向延伸的至少一第一區段及沿著第二方向延伸的至少一第二區段。至少一第一區段連續於至少一第二區段。第一方向不同於第二方向。感測線具有寬度及總長度，且總長度與寬度的比值大於500。

Description

生物感測器裝置

本發明是關於生物感測的技術領域，特別是關於一種生物感測器裝置。

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。

圖1顯示一種習知的感測器裝置1，其中，感測線11是用於偵測目標生物分子。然而，由於製造公差，例如蝕刻不均勻、塗佈不均勻或摻雜不均勻，感測器裝置1可能存在某些缺陷12。如圖1所示，缺陷12存在於感測線11的一部分，當感測時，將導致感測器裝置1測量不準確。

圖2顯示另一種習知的感測器裝置2，其中，多個感測線21是用於偵測目標生物分子，如此，某些感測線21可避開缺陷12。然而，為了接收感測線所產生的感測訊號，需要多工器22以選擇欲輸出的感測訊號。多工器22及其佈線將增加感測器裝置2的製造複雜度及成本。

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。

本發明的一個目的在於提供一種生物感測器裝置，其可減少製造變異性的影響，並改進測量的變異性係數。

本發明的另一個目的在於提供一種生物感測器裝置，其可減少生物感測器裝置的製造複雜度及成本。

為了達成上述目的，本發明的生物感測器裝置包括基板、氧化物層及感測線。氧化物層是設置(沉積)在基板上。感測線是設置(沉積)在氧化物層上。感測線是用於接收目標生物分子。感測線包括沿著第一方向延伸的至少一第一區段及沿著第二方向延伸的至少一第二區段，至少一第一區段連續於至少一第二區段，且第一方向不同於第二方向。感測線具有寬度及總長度，且總長度與寬度的比值大於500。

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‧‧‧感測器裝置

11‧‧‧感測線

12‧‧‧缺陷

2‧‧‧感測器裝置

21‧‧‧感測線

22‧‧‧多工器

3‧‧‧生物感測器裝置

31‧‧‧基板

32‧‧‧場氧化物層

33‧‧‧導電層

34‧‧‧氧化物層

35‧‧‧感測線

351‧‧‧第一區段

352‧‧‧第二區段

353‧‧‧短區段

354‧‧‧長區段

36‧‧‧塗佈層

37‧‧‧壁層

371‧‧‧壁

38‧‧‧鈍化層

39‧‧‧井

40‧‧‧介面區

W‧‧‧寬度

L‧‧‧總長度

P0‧‧‧起點

P1‧‧‧終點

圖1顯示一種習知的感測器裝置；圖2顯示另一種習知的感測器裝置；圖3顯示本發明的一種實施例的生物感測器裝置的上視圖；圖4顯示本發明的生物感測器裝置的結構的立體圖；及圖5至8顯示本發明的其他多種實施例的生物感測器裝置的上視圖。

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。

圖3顯示本發明的一種實施例的生物感測器裝置3的上視圖。如圖3所示，感測線35在生物感測器裝置3的介面區40中沿著Z字形路徑延伸。

為了描述生物感測器裝置3的細部，圖4顯示本發明的生物感測器裝置的結構的立體圖。具體而言，圖4顯示圖3的A-A線段處的剖面圖。如圖4所示，生物感測器裝置3包括基板31、場氧化物層32、導電層33、氧化物層34、感測線35、塗佈層36、壁層37及鈍化層38。

基板31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，而較佳是由矽形成。

場氧化物層32是形成在基板31上。其可由介電材料形成，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。

導電層33是形成在場氧化物層32上。其可由上述用於基板31的半導體材料形成，而較佳是由WSix組成。或者，導電層33可由導電材料形成，導電材料例如是銅、鎢、鈦、鉭、鉻、鉑、銀、金、氮化鈦、氮化鉭、矽化鎳或矽化鈷。

氧化物層34是形成在導電層33上。其可由上述用於場氧化物層32的介電材料形成。

感測線35是形成在氧化物層34上。其可由上述用於基板31的半導體材料形成。以矽而言，其可由結晶矽(c-Si)、多晶矽(poly-Si)或非晶矽(a-Si)形成。此外，在本例中，感測線35摻雜有N型摻雜物(N+、N或N-)以增加其導電性。在其他例子中，其可摻雜有P型摻雜物(P+、P或P-)。

廣義而言，感測線35的一端連接至第一導電部(圖未示)，其另一端連接至第二導電部(圖未示)。進而，導電部連接至電極，使得感測線35所產生的感測訊號可輸出至額外的電路(圖未示)，例如，比較器、放大器或濾波器。

導電部可與感測線35同時形成，及/或其可與感測線35具有相同材料，及/或其可與感測線35位在氧化物層34上的相同層。各導電部的寬度大於感測線35的寬度W(如圖4所示)，以減少導通電阻。

塗佈層36是選擇性地塗佈在感測線35上，以捕捉(固定住)目標生物分子。塗佈層36包括有機材料例如蛋白質、抗原、肽、多肽、抗體、核苷酸或交鏈劑，例如用於矽烷化的化學物質。在其他例子中，塗佈層36可被省略。

在製造中，壁層37是形成在基板31上，並被鈍化層38覆蓋。壁層37及鈍化層38被蝕刻以形成井39，直到井39到達基板31。接著，在基板31上依序將場氧化物層32、導電層33、氧化物層34、感測線35及塗佈層36形成在井39中。

可注意到，壁層37實質上是由多個壁371形成，其定義井39及感測線35的路徑(如圖3所示)。

壁層37可為具有間層介電質(ILD)的多層互連(MLI)結構。壁層37可容納連線於生物感測器裝置3的某些額外的電路。這些額外的電路可用於處理感測訊號。

鈍化層38是用於保護壁層37。在某些例子中，鈍化層38可被省略。

在操作中，感測線35是用於接收目標生物分子，例如血球、蛋白質、醣、抗體、或金屬離子。目標生物分子將在感測線35上引起電場，而電場則將在感測線35中感應出電荷。所感應出的電荷將影響感測線35的電阻。藉此，感測線35將產生感測訊號。根據感測訊號，即可判斷目標分子的存在、數量或種類。

請再參照圖3，介面區40是矩形區，如此可簡化生物感測器裝置3的電路布局，並可使生物感測器裝置3的製造相容於標準CMOS製程。

如圖3所示，感測線35包括沿著第一方向(X軸方向)延伸的多個第一區段351及沿著第二方向(Y軸方向)延伸的多個第二區段352。第一方向不同於第二方向，亦即，兩者並非平行。在本例中，第一方向垂直於第二方向。此外，各第二區段352連接相鄰的二第一區段351的相鄰的二端。

值得注意的是，感測線35沿著沒有任何岔路的路徑連續地延伸。因此，比起圖2所示的習知的感測器裝置2，本發明的生物感測器裝置3並不需要由多工器進行選擇。

感測線35較佳延伸於整個介面區40，以便增加有效的感測面積。如圖3所示，感測線35至少延伸經過介面區40的中心、四個邊及四個角。

由於感測線35包括沿著第一方向(X軸方向)延伸的多個第一區段351及沿著第二方向(Y軸方向)延伸的多個第二區段352，它可水平地延伸以實現Z字形路徑。

由於缺陷可能以相同機率分佈於各處，感測線35遇到缺陷的機率可充分地由Z字形路徑加以分散。此外，由於遇到缺陷的區段連續於避開缺陷的區段，兩者各自的感測訊號將被混合而被平均。如此即可減輕缺陷的影響。比起如圖1所示的習知的感測器裝置1，將感測線35實現成具有Z字形路徑是有益的。

再者，若感測線35的總長度足夠長，其可獲得較佳的感測效能。為了定量分析，在圖3中定義感測線35的寬度W及總長度L。值得注意的是，總長度L是以介面區40左上角的P0為起點，沿著感測線35，而以介面區40右下角的P1為終點。

實驗結果顯示，若總長度L與寬度W的比值，亦即L/W足夠大，感測線35可獲得較佳的感測效能。較佳地，感測線35具有50nm的寬度W及大於25um的總長度L，如此，L/W大於500。較佳地，感測線35具有50nm的寬度W及大於50um的總長度L，如此，L/W大於1000。

圖5至8顯示本發明的生物感測器裝置3的其他多個實施例。這些圖繪示除了如圖3所示的Z字形路徑之外的多種可能的路徑。

圖5顯示沿著環狀路徑延伸的感測線35。環狀路徑只經過介面區40的四個邊一圈，且感測線35的總長度L(以P0為起點，沿著感測線35，以P1為終點)與感測線35的寬度W的比值大於500。由於L/W>500，比起先前技術，感測線35仍可提供較佳的感測效能。如果在製造上可行，亦可實現圓環路徑。

圖6顯示沿著螺旋路徑延伸的感測線35，其可視為以圖5的實施例為基礎的改良。如圖6所示，感測線35的一端是位在介面區40的中心，而感測線35的另一端是位在介面區40的一個角，而感測線35的總長度L(以P0為起點，沿著感測線35，以P1為終點)與感測線35的寬度W的比值大於500。

圖7顯示沿著對稱路徑延伸的感測線35。第一(左側)子路徑對稱於第二(右側)子路徑，而兩者都是Z字形路徑，且感測線35的總長度L(以P0為起點，沿著感測線35，以P1為終點)與感測線35的寬度W的比值大於500。各壁371具有寬度W’，且等於感測線35的寬度W。

圖8顯示沿著特定路徑延伸的感測線35路徑，其包括互相連接的多個短區段353，及互相連接的多個長區段354。感測線35是以短區段353之一為起點，而以長區段354之一為終點，且感測線35的總長度L(以P0為起點，沿著感測線35，以P1為終點)與感測線35的寬度W的比值大於500。

如此，上述提供不同實施例以實現一種生物感測器裝置，其可其可減少製造變異性的影響，並改進測量的變異性係數，更可減少生物感測器裝置的製造複雜度及成本。

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

一種生物感測器裝置，包括：一基板；一氧化物層，設置在該基板上；及一感測線，設置在該氧化物層上，適於接收目標生物分子，並包括沿著一第一方向延伸的至少一第一區段及沿著一第二方向延伸的至少一第二區段，該至少一第一區段連續於該至少一第二區段，該第一方向不同於該第二方向，其中，該感測線具有一寬度及一總長度，且該總長度與該寬度的比值大於500；其中，該感測線延伸經過一矩形介面區的一中心、四邊及四角。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該第一方向不平行於該第二方向。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著沒有任何岔路的一路徑延伸。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線具有多個該第一區段及多個該第二區段，且各第二區段連接相鄰的二第一區段。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著一Z字形路徑延伸。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著一螺旋路徑延伸。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著具有對稱於一第二子路徑的一第一子路徑的一路徑延伸。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著具有對稱於一第二子路徑的一第一子路徑的一Z字形路徑延伸。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線沿著多個壁所定義的一路徑延伸，且各該壁的一寬度等於該感測線的該寬度。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線包括互相連接的多個短區段，及互相連接的多個長區段。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該寬度與該總長度的比值是大於1000。
如請求項1所述之生物感測器裝置，更包括一塗佈層，塗佈在該感測線上。
如請求項12所述之生物感測器裝置，其中，該塗佈層是由有機材料形成。
如請求項1所述之生物感測器裝置，更包括一第一導電部及一第二導電部，設置在該氧化物層上，該第一導電部連接至該感測線的一端，該第二導電部連接至該感測線的另一端。
如請求項14所述之生物感測器裝置，其中，該第一導電部的一寬度及該第二導電部的一寬度皆大於該感測線的該寬度。
如請求項1所述之生物感測器裝置，其中，該感測線是設置在一壁層所環繞的一井中。