本发明实施例涉及一种生物传感器。
背景技术：
生物传感器是用于感测及检测生物分子的装置。通常，生物传感器基于电子、电化学、光学及机械检测原理操作。例如，生物传感器可包含能够电感测生物实体或生物分子的电荷、光子及机械性质的晶体管。因此，生物传感器可检测生物实体或生物分子的浓度或指定反应物与生物实体或生物分子之间的相互作用及反应。此类生物传感器信号转换快且可使用半导体工艺制造且易于应用于集成电路(ic)及微机电系统(mems)。
包含源极、漏极及栅极的场效应晶体管(fet)装置可用作各种类型的目标的传感器。例如，可形成生物敏感fet装置或生物有机fet装置以检测包含(例如(但不限于))h 、ca2 、dna、蛋白质及葡萄糖的生物分子。
技术实现要素：
根据本发明的实施例，一种生物传感器包括：半导体层，其具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面；场效应晶体管(fet)装置，其在所述半导体层中；隔离层，其在所述半导体层的所述第一表面上方，其中所述隔离层具有基本上与所述fet装置对准的矩形开口；电介质层，其在所述隔离层及所述半导体层的所述第一表面上方；一对第一电极，其在所述电介质层上方；及一对第二电极，其在所述电介质层上方且与所述一对第一电极分离，其中所述矩形开口具有一对第一侧及一对第二侧，所述一对第二侧的延伸方向垂直于所述一对第一侧的延伸方向，所述一对第一电极安置于所述一对第一侧上方，且所述一对第二电极安置于所述一对第二侧上方。
根据本发明的实施例，一种用于形成生物传感器的方法包括：接收具有半导体层的衬底，其中所述半导体层具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面；在所述半导体层中形成fet装置；在所述半导体层的所述第一表面上方形成隔离层，其中所述隔离层具有基本上与所述fet装置对准的矩形开口；在所述隔离层上方形成电介质层；及在所述电介质层上方形成一对第一电极及一对第二电极，其中所述一对第一电极的延伸方向垂直于所述一对第二电极的延伸方向，且所述一对第一电极与所述一对第二电极分离。
根据本发明的实施例，一种操作生物传感器的方法包括：接收包括biofet装置、一对第一电极、一对第二电极及第三电极的生物传感器；将分析物施加于所述生物传感器；将第一电压脉冲施加于所述一对第二电极；将第二电压脉冲施加于所述一对第一电极；及将第三电压脉冲施加于所述第三电极。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本揭露的方面。应注意，根据标准工业实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为使讨论清楚，可任意增大或减小各种构件的尺寸。
图1a是一或多个实施例中根据本揭露的方面的生物传感器的示意性平面图。
图1b是沿图1a的线i-i'取得的截面图。
图2是表示根据本揭露的方面的用于形成生物传感器的方法的流程图。
图3到图11是一或多个实施例中根据本揭露的方面的各个制造阶段中的生物传感器的示意图。
图12是表示根据本揭露的方面的用于使用生物传感器的方法的流程图。
图13到图24是说明根据本揭露的方面的生物传感器的各个使用阶段中的生物传感器的示意图，其中图13是生物传感器的截面图，且图14到图24是生物传感器的感测区域的俯视图。
图25说明基于匹配分析物粘结的生物传感器的例示性fet装置的阈值电压的变化。
具体实施方式
以下揭露提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文将描述组件及布置的特定实例以简化本揭露。当然，这些仅为实例且意不在限制。例如，在以下描述中，使第一构件形成于第二构件上方或第二构件上可包含其中形成直接接触的所述第一构件及所述第二构件的实施例，且还可包含其中额外构件可形成于所述第一构件与所述第二构件之间使得所述第一构件及所述第二构件可不直接接触的实施例。另外，本揭露可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是为了简单及清楚且其本身不指示所讨论的各种实施例及/或配置之间的关系。
说明性实施例的此描述旨在结合附图阅读，附图被视作整个书面描述的部分。在本文所揭示的实施例的描述中，关于方向或定向的任何参考仅旨在方便描述且绝不旨在限制本揭露的范围。相对术语(例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”及“底部”以及其衍生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等))应被解释为是指接着将描述或所讨论的图式中所展示的定向。这些相对术语仅为了方便描述且无需设备以特定定向构造或操作。除非另有明确说明，否则例如“附接”、“附装”、“连接”及“互连”的术语是指其中结构直接或通过介入结构间接彼此固定或附接的关系及可移动或刚性附接或关系。此外，通过参考实施例说明本揭露的特征及益处。因此，本揭露明确地不应受限于说明可单独或以特征的其它组合存在的特征的一些可行非限制性组合的实施例，本揭露的范围由其所附权利要求书界定。
尽管阐述本揭露的广泛范围的数值范围及参数是近似值，但应尽可能精确报告具体实例中所阐述的数值。然而，任何数值固有地含有由相应测试测量中所见的标准偏差必然所致的特定误差。此外，如本文中所使用，术语“基本上”、“约”或“大致”一般意味着在所属领域的一般技术人员可考虑的值或范围内。替代地，术语“基本上”、“约”或“大致”意味着在所属领域的一般技术人员所考虑的平均值的可接受标准偏差内。所属领域的一般技术人员应了解，可接受标准偏差可根据不同技术来变化。除在操作/工作实例中之外或除非另有明确说明，否则本文中所揭露的所有数值范围、数量、值及百分比(例如材料数量、持续时间、温度、操作条件、数量比及其类似者的数值范围、数量、值及百分比)应被理解为在所有例子中由术语“基本上”、“约”或“大致”修饰。因此，除非有相反指示，否则本揭露及所附权利要求书中所阐述的数值参数是可根据期望来变化的近似值。最后，每一数值参数应鉴于所报告的有效数字位数且通过应用普通舍入技术来解释。范围在本文中可表示为从端点到另一端点或介于两个端点之间。除非另有说明，否则本文中所揭露的所有范围包含端点。
如本文中所使用，首字母缩写词“fet”是指场效应晶体管。一类型的fet装置的实例是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在一些实施例中，mosfet装置可为建置于衬底(例如半导体晶片)的平面表面中及所述平面表面上的平面结构。在其它实施例中，可使用三维鳍式mosfet装置。
术语“biofet”是指包含一层固定捕获试剂的fet，所述固定捕获试剂用作表面受体以检测生物起源的分析物中目标配体的存在。根据一些实施例，biofet可为具有半导体换能器的fet装置。biofet的优点是免标定操作的前景。具体来说，biofet能够避免昂贵且费时的标定操作，例如使用(例如)荧光或放射性探针标定分析物。用于由biofet检测的分析物通常将为生物起源，例如(但不限于)蛋白质、碳水化合物、脂质、组织碎片或其部分。biofet可为fet传感器的更广类别的部分，fet传感器还可检测任何化合物(本技术中称为“chemfet”)或任何其它元素(包含例如质子或金属离子的离子)(本技术中称为“isfet”)。本揭露适用于所有类型的基于fet的传感器(“fet传感器”)。
术语“定量”一般是指基于目标分析物与捕获试剂的粘结来确定所述目标分析物的数量或浓度的工艺。
如本文中所使用，术语“捕获试剂”是能够粘结目标分析物或目标试剂(其可直接或间接附接到基本上固体材料)的分子或化合物。捕获试剂可为化学物，且尤其为存在天然发生目标分析物(例如抗体、多肽、dna、rna、细胞、病毒等)或可制备目标分析物且捕获试剂可在测定中与一或多种目标分析物粘结的任何物质。
分子对之间的相互作用的特性提供包含药物开发、基因工程、全血检测等等的广泛应用的关键。在一些比较方法中，生物亲和力筛选技术是用于目标、分类及亲和力选择的常用技术。生物亲和力筛选涉及一系列冗长操作且生物亲和力筛选的效率因此很低。目标dna测定的实施可使用聚合酶链反应(pcr)扩增或混合富集。然而，当dna样本具有低纯度时，pcr的扩增效率降低。此外，混合富集可使用长寡核苷酸来提高特定目标的投资回报率(roi)，但还增加非特定目标粘结。因此，混合富集需要广泛洗涤及受控洗涤条件来确保特定性。此外，生物亲和力筛选需要更多时间(例如一个月以上)用于选择及分类。
在其它比较方法中，提供微流体噬菌体显示肽选择(mips)系统。然而，我们发现，mips系统涉及一系列冗长操作且mips系统的效率因此很低。此外，mips系统无法在选择及分类之后提供定量(即，噬菌体浓度)。在一些比较方法中，提供相互作用配体的连续微流体分类(cmail)装置。在cmail装置中，加载噬菌体且使其在两个交变电场(例如横向电场及垂直电场)下在涂覆有目标抗原的琼脂糖凝胶内经受电泳。阴性或非抗原相互作用噬菌体在两个电场下跨琼脂糖凝胶对角迁移，而阳性或抗原相互作用噬菌体仅在施加较强电场时迁移。噬菌体基于其对目标抗原的亲和力来连续分类及收集于不同出口处。然而，cmail装置仍无法在选择及分类之后提供定量(即，噬菌体浓度)。
因此，本揭露提供一种用于在一个芯片上集成目标配体选择、分类及检测的生物传感器。本揭露进一步提供一种用于操作生物传感器的方法，其包含将交变电压提供到分析物，使得分析物中的目标配体可沿两个方向移动或可归因于与捕获试剂粘结而停留。因此，可由生物传感器及其操作方法实现配体选择及分类。此外，生物传感器及其操作方法通过检测电压差来提供分析物中目标配体的定量。
图1a是一或多个实施例中根据本揭露的方面的生物传感器的示意性平面图。图1b是沿图1a的线i-i'取得的截面图。在一些实施例中，提供生物传感器100。在一些实施例中，生物传感器100可供应于载体晶片cw上方，但本揭露不限于此。生物传感器100包含半导体层102。半导体层102具有第一表面104a及与第一表面104a对置的第二表面104b。半导体层102可包含：元素半导体，例如硅或锗；化合物半导体，其包含碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟；合金半导体，其包含sige、gaasp、alinas、algaas、gainas、gainp及/或gainasp；或其组合。在一些实施例中，半导体层102可包含例如p阱及n阱的掺杂区域。
fet装置110形成于半导体层102中。fet装置110可为n型fet(nfet)或p型fet(pfet)。fet装置110包含栅极结构112、源极116s、漏极116d及沟道区域118。如图1b中所展示，栅极结构112安置于半导体层102的第二表面104b上方。栅极结构112包含栅极电极114a及栅极电介质层114b。在一些实施例中，栅极电极114a包含多晶硅。在其它实施例中，栅极电极114a可包含：金属，例如cu、w、ti、ta、cr、pt、ag、au；合适的金属化合物，如tin、tan、nisi、cosi；其组合；及/或其它合适的导电材料。栅极电介质层114b安置于栅极电极114a与半导体层102之间。在一些实施例中，栅极电介质层114b可包含氧化硅。在其它实施例中，栅极电介质层114b可包含氮化硅、氮氧化硅、具有高介电系数(高k)的电介质或其组合。高k材料的实例包含硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪-氧化铝(hfo2al2o3)合金及其组合。源极116s、漏极116d及源极116s与漏极116d之间的沟道区域118形成于半导体层102的有源区域中。源极116s及漏极116d可包含n型掺杂剂或p型掺杂剂，其取决于fet配置。此外，如图1b中所展示，源极116s及漏极116d从半导体层102的第一表面104a延伸到第二表面104b。在一些实施例中，fet装置110可指biofet装置。
生物传感器100进一步包含安置于半导体层102的第一表面104a上方的隔离层120。如图1a及图1b中所展示，开口122形成于隔离层120中。在一些实施例中，开口122是基本上与fet装置110对准的矩形开口。例如，矩形开口122可基本上与fet装置110的沟道区域118重叠。在一些实施例中，开口122暴露半导体层102的第一表面104a的一部分。例如，开口122可暴露沟道区域118。在其它实施例中，开口122可暴露沟道区域118、源极116s的一部分及漏极116d的一部分，但本揭露不限于此。在一些实施例中，开口122具有一对第一侧124a及一对第二侧124b。如图1a中所展示，第一侧124a对垂直于第二侧124b对。在一些实施例中，第一侧124a对的长度大于第二侧124b对的长度。
生物传感器100进一步包含安置于隔离层120及半导体层102的第一表面104a上方的电介质层130。因此，电介质层130覆盖开口122的侧壁及底部。此外，电介质层130覆盖通过开口122的底部暴露的区域。例如，沟道区域118由电介质层130覆盖，如图1b中所展示。电介质层130与生物分子或生物实体的粘结兼容且因此用作生物传感器100的感测膜。在一些实施例中，电介质层130可包含高k电介质材料，例如(例如(但不限于))硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化二钽、二氧化铪-氧化铝(hfo2-al2o3)合金或其组合。电介质层130可提供生物分子或生物实体的粘结界面且用作用于附接捕获试剂的支撑件，如下文将在针对生物感测的部分中更详细讨论。在一些实施例中，例如酶、抗体、配体、肽、核苷酸、器官的细胞、有机体或组织块的捕获试剂可放置于电介质层130上用于检测目标生物分子。
在一些实施例中，生物传感器100进一步包含一对第一电极142、一对第二电极144及第三电极146。第一电极142对及第二电极144对安置于电介质层130上方。此外，第一电极142及第二电极144彼此分离，如图1a中所展示。第二电极144对的延伸方向垂直于第一电极142对的延伸方向。在一些实施例中，第一电极142对沿第一方向d1延伸，第二电极144对沿第二方向d2延伸，且第一方向d1与第二方向d2垂直。在一些实施例中，第一电极142对安置于开口122的第一侧124a对上方。另外，第一电极142对可安置成相邻于第一侧124a的边缘。第二电极144对安置于开口122的第二侧124b对上方。另外，第二电极144对可安置成相邻于第二侧124b的边缘。此外，第一电极142的长度l1基本上等于第一侧124a的长度且第二电极144的长度l2基本上等于第二侧124b的长度，如图1a中所展示。
在一些实施例中，生物传感器100进一步包含安置于矩形开口122上方且与半导体层102的第一表面104a分离的第三电极146。此外，第三电极146与第一电极142对及第二电极144对物理及电分离。在一些实施例中，第三电极146可基本上与fet装置110重叠，如图1b中所展示。
在一些实施例中，第一电极142对电连接到电压源v2，第二电极144对电连接到电压源v1，且第三电极146电连接到电压源v3。在一些实施例中，电压源v1将电压提供到第二电极144对，且电压源v2将电压提供到第一电极142对。提供到第二电极144对的电压大于提供到第一电极142对的电压。下文将讨论电压的细节。
仍参考图1b，生物传感器100进一步包含安置于半导体层102的第二表面104b上方的互连结构150。在一些实施例中，互连结构150安置于半导体层102与载体晶片cw之间，但本揭露不限于此。提供互连结构150来与各种掺杂区域及形成于半导体层102内的其它装置电连接。
在一些实施例中，半导体层102可经界定以具有生物传感器区域106a及接合区域106b。如图1a及图1b中所展示，生物传感器100安置于生物传感器区域106a中，且至少一连接垫148安置于接合区域106b中。此外，连接垫148耦合到互连结构150。连接垫148可用于例如探测及/或接合的各种应用。在一些实施例中，用于接合的连接垫148是指接合垫。在一些实施例中，连接垫148可具有足以承受归因于例如探测或接合的动作的物理接触的大小及强度。此外，如图1b中所展示，在一些实施例中，可形成穿透电介质层130、隔离层120、半导体层102及互连结构150的一部分的沟槽124，且连接垫148可安置于沟槽124中且耦合到互连结构150。在一些实施例中，连接垫148可被认为“埋藏”于互连结构150中，且埋藏式连接垫148有助于提供强接合，其降低剥离的可能性。
在一些实施例中，第一电极142对、第二电极144对及连接垫148可包含相同材料，但本揭露不限于此。在此类实施例中，第一电极142对、第二电极144对及连接垫148可包含金属材料，例如铝、铜、铝铜、钛、钽、氮化钛、氮化钽、钨、或其合金，但本揭露不限于此。在一些实施例中，第一电极142对的厚度、第二电极144对的厚度及连接垫148的厚度基本上相同。
图2是表示根据本揭露的方面的用于形成生物传感器的方法20的流程图。方法20包含数个操作(21、22、23、24、25、26及27)。将根据一或多个实施例进一步描述方法20。应注意，可在各个方面的范围内重新布置或以其它方式修改方法20的操作。应进一步注意，可在方法20之前、方法20期间及方法20之后提供额外工艺，且本文中可仅简要描述一些其它工艺。因此，可在本文所描述的各个方面的范围内进行其它实施方案。
图3到图11是一或多个实施例中根据本揭露的方面的各个形成阶段中的生物传感器的示意图。在操作21，接收衬底101。在一些实施例中，衬底101可为绝缘体上硅(soi)衬底，但本揭露不限于此。例如，衬底101可包含块体103、半导体层102及块体103与半导体层102之间的隔离层120。在一些实施例中，隔离层120可指通过例如植氧分离(simox)的工艺或另一合适工艺形成的埋藏氧化物(box)层。半导体层102可包含上文所提及的材料；因此，为简洁起见，省略重复描述。此外，半导体层102具有面向隔离层120的第一表面104a及与第一表面104a对置的第二表面104b。在一些实施例中，半导体层102的第二表面104b可为经暴露用于形成装置的表面。在一些实施例中，半导体层102可包含例如p阱及n阱的掺杂区域。
参考图4，在操作22，在半导体层102中形成biofet装置110。在一些实施例中，biofet装置110包含栅极结构112、源极116s、漏极116d及沟道区域118。如上文所提及，栅极结构112可包含栅极电极114a及半导体层102与栅极电极114a之间的栅极电介质层114b。用于形成栅极电极114a与栅极电介质层114b的材料可相同于上文所提及的材料；因此，为简洁起见，省略细节。源极116s、漏极116d及源极116s与漏极116d之间的沟道区域118形成于半导体层102的有源区域中。biofet装置110可通过使用例如以下的典型cmos制造操作来形成：光刻；离子植入；扩散；沉积，其包含物理气相沉积(pvd)、金属蒸镀或溅镀、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强cvd(pecvd)、大气压cvd(apcvd)、低压cvd(lpcvd)、高密度等离子体cvd(hdp-cvd)、原子层沉积(ald)、自旋涂覆；蚀刻，其包含湿式蚀刻、干式蚀刻及等离子体蚀刻；及其它合适的cmos制造操作。
参考图5，在一些实施例中，在衬底101上方形成互连结构150。在一些实施例中，互连结构150形成于半导体层102的第二表面104b上。互连结构150可为后段制程(beol)金属化堆叠，其包含多个金属化层，所述多个金属化层包含堆叠于层间电介质(ild)层154中的导电接点/通路及导体152。提供互连结构150来与各种掺杂区域及形成于半导体层102中的其它装置电连接。
在操作23，在半导体层102的第一表面104a上方形成隔离层120。参考图6，在一些实施例中，可通过在半导体层102的第二表面104b上方提供载体晶片cw来获得隔离层120。在一些实施例中，互连结构150可附接到载体晶片cw，如图6中所展示。随后，移除衬底101的块体103以暴露soi衬底101的隔离层120。然而，隔离层120的形成不限于此。在一些其它实施例中，当使用硅衬底时，可在将互连结构150附接到载体晶片cw之后使硅衬底变薄，且在变薄硅衬底上方形成隔离层120。
仍参考图6，隔离层120具有基本上与fet装置110对准的矩形开口122。在一些实施例中，可使用在隔离层120上提供图案的合适光刻工艺及从隔离层120移除材料直到暴露半导体层102的第一表面104a的蚀刻工艺来形成开口122。蚀刻工艺包含湿式蚀刻、干式蚀刻、等离子体蚀刻及/或其它合适工艺。在一些实施例中，半导体层102的第一表面104a的一部分通过开口122的底部暴露。在一些实施例中，开口122具有一对第一侧124a及一对第二侧124b，如图1a中所展示。第一侧124a对垂直于第二侧124b对。在一些实施例中，第一侧124a对的长度大于第二侧124b对的长度。
在操作24，在隔离层120上方形成电介质层130。参考图7，电介质层130覆盖开口122的侧壁及底部。此外，电介质层130覆盖通过开口122的底部暴露的区域。例如，通过开口122的底部暴露的沟道区域118由电介质层130覆盖，如图6及图7中所展示。电介质层130与生物分子或生物实体的粘结兼容且因此用作生物传感器100的感测膜。用于形成电介质层130的材料可相同于上文所描述的材料；因此，为简洁起见，省略细节。如上文所提及，电介质层130可提供生物分子或生物实体的粘结界面且用作用于附接捕获试剂的支撑件，如下文将在针对生物感测的部分中更详细讨论。电介质层130可使用例如(举例来说，但不限于)pvd、cvd、pecvd、apcvd、lpcvd、hdp-cvd或ald的cmos制造操作形成。在一些实施例中，电介质层130可包含多个层。将例如酶、抗体、配体、肽、核苷酸、器官的细胞、有机体或组织块的受体或捕获试剂放置于电介质层130上用于检测目标生物分子。
在操作25，形成穿透电介质层130、隔离层120、半导体层102及互连结构150的一部分的沟槽149。在一些实施例中，半导体层102可经界定以具有生物传感器区域106a及接合区域106b。沟槽124形成于接合区域106b中，如图8中所展示。此外，互连结构150中的导体152的一部分(例如互连结构150中的最下导体152)通过沟槽124的底部暴露。
参考图9，在电介质层130上形成导电层140。导电层140可覆盖沟槽124的侧壁及底部。用于形成导电层140的材料可相同于上文所描述的材料；因此，省略细节。导电层140的厚度是在约0.5μm到约140μm之间，但本揭露不限于此。在一些实施例中，导电层140可与通过沟槽124暴露的最下导体152接触，如图9中所展示。
参考图10，在一些实施例中，在操作26，图案化导电层140以形成第一电极142对、第二电极144对及连接垫148。参考图1a及图10，在生物传感器区域106a中，第一电极142对安置于开口122的第一侧124a对上方，且第二电极144对安置于开口122的第二侧124b对上方。与第一电极142对及第二电极144对相比，连接垫148形成于接合区域106b中的沟槽124中。第一电极142对的延伸方向垂直于第二电极144对的延伸方向。此外，第一电极142对与第二电极144对分离。
在一些实施例中，第一电极142的长度l1基本上等于第一侧124a的长度，且第二电极144的长度l2基本上等于第二侧124b的长度，如图1a中所展示。在一些实施例中，第一电极142的长度l1及第二电极144的长度l2分别在约2.5μm到约700μm之间，但本揭露不限于此。然而，第一电极142的长度l1大于第二电极144的长度l2。在一些实施例中，第一电极142的宽度w1及第二电极144的宽度w2分别在约0.5μm到约200μm之间，但本揭露不限于此。在一些实施例中，第一电极142的宽度w1基本上等于第二电极144的宽度w2，但本揭露不限于此。
在一些实施例中，第一电极142中的每一者具有长度ll与宽度wl的比率，且长度ll与宽度wl的比率小于约5。在一些实施例中，长度l1与宽度w1的比率在约3到约5之间。在一些实施例中，第二电极144中的每一者具有长度l2与宽度w2的比率，且长度l2与宽度w2的比率小于约5。在一些实施例中，长度l2与宽度w2的比率在约3到约5之间。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的长度与宽度的比率大于5时，可能出现电极142及144从电介质层130剥离的问题。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的长度与宽度的比率小于3时，可能非必要地增大电极142及144的电阻。
第一电极142及第二电极144包含等于导电层140的厚度的相同厚度t。在一些实施例中，第一电极142中的每一者具有长度l1与厚度t的比率，且长度l1与厚度t的比率小于约5。在一些实施例中，长度l1与厚度t的比率在约3到约5之间。在一些实施例中，第二电极144中的每一者具有长度l2与厚度t的比率，且长度l2与厚度t的比率小于约5。在一些实施例中，长度l2与厚度t的比率在约3到约5之间。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的长度与厚度的比率大于5时，可能出现电极142及144从电介质层130剥离的问题。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的长度与厚度的比率小于3时，可能非必要地增大电极142及144的电阻。
此外，第一电极142中的每一者具有宽度w1与厚度t的比率，且宽度w1与厚度t的比率小于约3。在一些实施例中，宽度w1与厚度t的比率在约2到约3之间。在一些实施例中，第二电极144中的每一者具有宽度w2与厚度t的比率，且宽度w2与厚度t的比率小于约3。在一些实施例中，宽度w2与厚度t的比率在约2到约3之间。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的宽度与厚度的比率大于3时，可能出现电极142及144从电介质层130剥离的问题。在一些比较方法中，当第一电极142及第二电极144的宽度与厚度的比率小于2时，可能非必要地增大电极142及144的电阻。
在操作27，在fet装置110上方形成第三电极146。如图11中所展示，第三电极146可形成于矩形开口122上方且与半导体层102的第一表面104a分离。此外，第三电极146与第一电极142对及第二电极144对物理及电分离。在一些实施例中，第三电极146可基本上与biofet装置110重叠。
因此，获得生物传感器100，如图11中所展示。此外，在一些实施例中，第一电极142对电连接到电压源v2，第二电极144对电连接到电压源v1，且第三电极146电连接到电压源v3，如图1a及图1b中所展示。在一些实施例中，电压源v1将电压提供到第二电极144对，电压源v2将电压提供到第一电极142对。如上文所提及，提供到第二电极144对的电压大于提供到第一电极142对的电压。下文将讨论第一电压及第二电压的细节。应注意，提供到第二电极144的电压大于提供到第一电极142的电压，因为第一侧124a的长度大于第二侧124b的长度。
图12是表示根据本揭露的方面的用于操作生物传感器的方法30的流程图。方法30包含数个操作(31、32、33、34、35及36)。将根据一或多个实施例进一步描述方法30。应注意，可在各个方面的范围内重新布置或以其它方式修改方法30的操作。应进一步注意，可在方法30之前、方法30期间及方法30之后提供额外工艺，且本文中可仅简要描述一些其它工艺。因此，可在本文所描述的各个方面的范围内进行其它实施方案。
应注意，本揭露的生物传感器100及方法30可用于检测及/或监测各种实体之间的相互作用。这些相互作用包含生物及化学反应以检测测试样本中的目标分析物。作为实例，可监测包含物理、化学、生化或生物转化的反应以检测中间物、副产物、产物及其组合的产生。另外，本揭露的生物传感器100及方法30可用于在本文所描述的各种测定(其包含(但不限于)用于液体活检中的循环肿瘤细胞测定及用于检测重金属及其它环境污染物的存在的螯合检定)中检测这些反应。可以单一格式或阵列格式监测此类测定及反应以检测(例如)多种目标分析物。
在操作31，接收生物传感器。在一些实施例中，生物传感器可为上文所提及且在图1a及图1b中展示的生物传感器100；因此，为简洁起见，省略细节。
图13到图24是说明根据本揭露的方面的生物传感器的各个使用阶段中的生物传感器的示意图，其中图13是生物传感器的截面图，且图14到图24是生物传感器的感测区域的俯视图。在一些实施例中，感测区域可基本上等于生物传感器100的矩形开口122。参考图13及图14，在操作32，将分析物160置入生物传感器100。在一些实施例中，分析物160可填充开口122。
分析物160可包含各种配体162、164及166。在一些实施例中，配体162、164、166包含可与匹配dna(或探针dna)强粘结的单股dna序列，且使用包含匹配dna作为置于感测膜(即，电介质层)130上的捕获试剂的生物传感器。例如，分析物160中包含单股dna的配体162、164及166中的一者可具有粘结到具有核酸序列agct的其互补匹配股的核酸序列tcga。任何未匹配序列不会与dna序列混合。在一些实施例中，配体162、164、166可包含抗原，且使用包含抗体作为置于感测膜130上的捕获试剂的生物传感器。在此类实施例中，匹配抗原将粘结到固定抗体，而未匹配抗原将不与其粘结。
在操作33，将第一电压脉冲施加于第二电极144对。在一些实施例中，通过电压源vl将第一电压脉冲施加于第二电极144对。如图15中所展示，在一些实施例中，归因于由所施加的第一电压脉冲产生的电场，配体162、164及166可沿第一方向d1移动。
在操作34，将第二电压脉冲施加于第一电极142对。在一些实施例中，通过电压源v2将第二电压脉冲施加于第一电极142对。如图16中所展示，在一些实施例中，配体162可与匹配捕获试剂粘结，因此在操作34，配体162不会因由第二电压脉冲产生的电场而移动。与配体162相比，未与匹配捕获试剂粘结的配体164及166可归因于由所施加的第二电压产生的电场而沿第二方向d2移动。
在一些实施例中，重复执行操作33及操作34。在一些实施例中，第一电压脉冲的量值大于第二电压脉冲的量值。如图17中所展示，在重复执行的操作33，将第一电压脉冲施加于第二电极144对。在一些实施例中，在操作33施加于第二电极144的第一电压脉冲的量值足以破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结；因此，归因于由所施加的第一电压脉冲产生的电场，所有配体162、164及166可沿第一方向d1移动。
如图18中所展示，在重复执行的操作34，将第二电压脉冲施加于第一电极142对。在一些实施例中，第二电压脉冲的量值无法破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结。因为配体162仍与匹配捕获试剂粘结，所以在操作34由第二电压脉冲产生的电场无法移动配体162。与配体162相比，未与匹配捕获试剂粘结的配体164及166可归因于由所施加的第二电压脉冲产生的电场而沿第二方向d2移动。
如图19中所展示，在重复执行的操作33，将第一电压脉冲施加于第二电极144对。在一些实施例中，在操作33施加的第一电压脉冲的量值足以破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结；因此，归因于由所施加的第一电压脉冲产生的电场，所有配体162、164及166可沿第一方向d1移动。
如图20中所展示，在重复执行的操作34，将第二电压脉冲施加于第一电极142对。在一些实施例中，第二电压脉冲的量值无法破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结。因此，配体162不会因由第二电压脉冲产生的电场而移动，而未与匹配捕获试剂粘结的配体164及166可归因于由所施加的第二电压脉冲产生的电场而沿第二方向d2移动。
如图21中所展示，在重复执行的操作33，将第一电压脉冲施加于第二电极144对。如上文所提及，在操作33施加的第一电压脉冲足以破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结；因此，归因于由所施加的第一电压脉冲产生的电场，所有配体162、164及166可沿第一方向d1移动。
如图22中所展示，在重复执行的操作34，将第二电压脉冲施加于第一电极142对。如上文所提及，第二电压脉冲的量值无法破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结。因此，配体162不会因由第二电压脉冲产生的电场而移动，而未与匹配捕获试剂粘结的配体164及166可归因于由所施加的第二电压脉冲产生的电场而沿第二方向d2移动。
如图23中所展示，在重复执行的操作33，将第一电压脉冲施加于第二电极144对。如上文所提及，在操作33施加的第一电压脉冲的量值足以破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结；因此，归因于由所施加的第一电压脉冲产生的电场，所有配体162、164及166可沿第一方向d1移动。
如图24中所展示，在重复执行的操作34，将第二电压脉冲施加于第一电极142对。如上文所提及，第二电压脉冲的量值无法破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结。因此，配体162不会因由第二电压脉冲产生的电场而移动，而未与匹配捕获试剂粘结的配体164及166可归因于由所施加的第二电压脉冲产生的电场而沿第二方向d2移动。
如上文所提及，在操作33施加的第一电压脉冲的量值足以移动所有配体162、164及166，但在操作34施加的第二电压脉冲的量值无法破坏匹配配体162与捕获试剂之间的粘结。因此，重复执行的操作33及操作34可引起匹配配体162仅沿一个方向(即，第一方向d1)移动，而未匹配配体164及166沿两个方向(即，沿第一方向d1接着第二方向d2)交替移动，如图18到图24中所展示。在一些实施例中，可通过观察在操作33及操作34执行结束时获得的图案来确定一些特定配体的存在。例如，如图24中所展示，当在最左下角观察到配体162时，则可确定此分析物160包含特定配体162(即，dna序列、抗原或蛋白质)。
在一些实施例中，执行操作35以将第三电压脉冲施加于第三电极146。在一些实施例中，可重复执行操作33、操作34及操作35。
在一些实施例中，配体162与捕获试剂的粘结增加存在于感测膜130上的负电荷，感测膜130直接在biofet装置110的沟道区域118上方。图25说明匹配配体与感测膜130的表面粘结时biofet装置110的阈值电压的移位。参考图13及图25，在一些实施例中，在操作35将第三电压脉施冲加于第三电极146，直到接通生物传感器100，且电流流动于biofet装置110的漏极116d与源极116s之间。当归因于配体162与捕获试剂的粘结而在感测膜130处存在更多负电荷时，需要更高电压来形成沟道区域118内的导电反转层。因此，可在biofet装置110导通及ids电流流动之前将更高电压施加于第三电极146。
在操作36，计算biofet装置110的阈值电压差以确定分析物160中配体162的数量或浓度。如上文所提及，当归因于配体162与捕获试剂的粘结而在感测层处存在更多负电荷时，需要更高电压来形成沟道区域118内的导电反转层。因此，阈值电压差可用于获得目标配体的浓度。
因此，本揭露提供一种用于在一个芯片上集成目标配体选择、分类及检测的生物传感器及一种形成所述生物传感器的方法。本揭露进一步提供一种用于操作所述生物传感器的方法，其包含提供交变电压，使得分析物中的配体可沿两个方向移动或可归因于与捕获试剂粘结而保持原位。因此，可由所述生物传感器及其使用方法实现配体选择及分类。此外，所述生物传感器及其操作方法通过检测阈值电压差来提供分析物的定量。
根据本发明的实施例，提供一种生物传感器。所述生物传感器包含：半导体层，其具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面；fet装置，其在所述半导体层中；隔离层，其在所述半导体层的所述第一表面上方；电介质层，其在所述隔离层及所述半导体层的所述第一表面上方；一对第一电极，其在所述电介质层上方；及一对第二电极，其在所述电介质层上方且与所述一对第一电极分离。在一些实施例中，所述隔离层具有基本上与所述fet装置对准的矩形开口。所述矩形开口具有一对第一侧及一对第二侧。所述一对第一侧的延伸方向垂直于所述一对第二侧的延伸方向。在一些实施例中，所述一对第一电极安置于所述一对第一侧上方，且所述一对第二电极安置于所述一对第二侧上方。
根据本发明的实施例，提供一种用于形成生物传感器的方法。所述方法包含以下操作。接收具有半导体层的衬底。所述半导体层具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面。在所述半导体层中形成fet装置。在所述半导体层的所述第一表面上方形成隔离层。在一些实施例中，所述隔离层具有基本上与所述fet装置对准的矩形开口。在所述隔离层上方形成电介质层。在所述电介质层上方形成一对第一电极及一对第二电极。在一些实施例中，所述一对第一电极的延伸方向垂直于所述一对第二电极的延伸方向。所述一对第一电极与所述一对第二电极分离。
根据本发明的实施例，提供一种操作生物传感器的方法。所述方法包含以下操作。接收生物传感器。在一些实施例中，所述生物传感器包含biofet装置、一对第一电极及一对第二电极。将分析物置入所述生物传感器。将第一电压脉冲施加于所述一对第二电极。将第二电压脉冲施加于所述一对第一电极。将第三电压脉冲施加于第三电极。
上文已概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可较好理解本揭露的方面。所属领域的技术人员应了解，其可易于将本揭露用作用于设计或修改用于实施相同目的及/或实现本文中所引入的实施例的相同优点的其它工艺及结构的基础。所属领域的技术人员还应意识到，此类等效建构不应背离本揭露的精神及范围，且其可在不背离本揭露的精神及范围的情况下对本文作出各种改变、替换及更改。
符号说明
20:方法
21:操作
22:操作
23:操作
24:操作
25:操作
26:操作
27:操作
30:方法
31:操作
32:操作
33:操作
34:操作
35:操作
36:操作
100:生物传感器
101:衬底
102:半导体层
103:块体
104a:第一表面
104b:第二表面
106a:生物传感器区域
106b:接合区域
110:场效应晶体管(fet)装置
112:栅极结构
114a:栅极电极
114b:栅极电介质层
116d:漏极
116s:源极
118:沟道区域
120:隔离层
122:开口
124:沟槽
124a:第一侧
124b:第二侧
130:电介质层/感测膜
140:导电层
142:第一电极
144:第二电极
146:第三电极
148:连接垫
149:沟槽
150:互连结构
152:导体
154:层间电介质(ild)层
160:分析物
162:配体
164:配体
166:配体
cw:载体晶片
d1:第一方向
d2:第二方向
l1:长度
l2:长度
t:厚度
v1:电压源
v2:电压源
v3:电压源
w1:宽度
w2:宽度。
1.一种生物传感器，其包括：
半导体层，其具有第一表面及与所述第一表面对置的第二表面；
场效应晶体管fet装置，其在所述半导体层中；
隔离层，其在所述半导体层的所述第一表面上方，其中所述隔离层具有基本上与所述fet装置对准的矩形开口；
电介质层，其在所述隔离层及所述半导体层的所述第一表面上方；
一对第一电极，其在所述电介质层上方；及
一对第二电极，其在所述电介质层上方且与所述一对第一电极分离，
其中所述矩形开口具有一对第一侧及一对第二侧，所述一对第二侧的延伸方向垂直于所述一对第一侧的延伸方向，所述一对第一电极安置于所述一对第一侧上方，且所述一对第二电极安置于所述一对第二侧上方。
技术总结