具有感测晶体管阵列的集成电路、感测装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括了半导体衬底、在所述衬底之上的绝缘层以及在所述绝缘层上的包括了第一晶体管的晶体管阵列的集成电路(1C)，其中第一晶体管包括在源极区与漏极区之间的暴露的官能化沟道区，以用于感测介质中的分析物。
[0002]本发明进一步涉及包括这样的IC的感测装置。
[0003]本发明又进一步涉及利用这样的IC测量介质中的感兴趣的分析物的方法。
【背景技术】
[0004]半导体技术的持续小型化已使得嵌入在诸如集成电路(IC)等的半导体器件中的功能能够显著多样化，这在一些情况中已导致在单个器件上提供近全面的解决方案。例如，半导体器件小型化已导致一个或多个传感器集成到单个半导体器件内，并且在迥然不同的领域中、例如在汽车应用、医疗应用、工业气体烟道监测等等中可以看到这样的器件的部署。
[0005]例如，在过去的几十年中，已将感测晶体管添加至1C，例如诸如离子敏感场效应晶体管(ISFET)、被酶官能化的生物分子敏感场效应晶体管(ENFET)等等的化学场效应晶体管。这些场效应器件基于器件的沟道区被暴露于待感测的介质的原理而工作，使得流过沟道区的电流变成感兴趣的分析物的函数。为此目的，器件可以包括通过栅极氧化物或充当浮置栅极的被官能化的扩展的栅极而与沟道区分开的官能化层，其中栅极电势由感兴趣的分析物与官能化层之间的相互作用的水平限定。
[0006]在诸如IC等的电子器件上提供感测功能的主要挑战之一是确保半导体器件能够以经济上可行的方式生产。这例如在将亚微米尺寸的感测元件(例如诸如基于纳米线的晶体管等的纳米元件)集成在半导体器件中时是特别的挑战，因为根本不是利用与整体半导体器件的制造工艺兼容的处理步骤来直接制造这样的纳米元件。因此，这样的专用元件的集成会导致半导体器件的制造工艺的复杂度显著增加，由此显著地增加了这样的器件的成本。
[0007]在这方面的特别问题在于，当感测介质是流体(例如液体或气体)时，传感器布置通常需要外部参考传感器或电极的存在，以补偿传感器漂移、即传感器对感兴趣的分析物的随时间而变化的响应。在US2004/0136866 Al中公开了这样的布置的示例，其中参考电极被放置成与待分析的流体接触以便控制溶液的相对于半导体纳米线感测元件的电势。然而，包括参考传感器或电极会使传感器布置的设计进一步复杂化，这因此可以进一步增加电子器件的成本。此外，参考电极的表面会易于积垢，在该情况中传感器读数会变得不可
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【发明内容】
[0008]本发明旨在提供其中避免对于单独参考电极的需要的根据开篇段落的1C。
[0009]本发明进一步旨在提供包括这样的IC的感测装置。
[0010]本发明又进一步旨在提供利用这样的IC来测量感兴趣的分析物的方法。
[0011]如用独立权利要求所限定的发明至少部分地实现所寻求的目标。从属权利要求提供了有利的实施例。
[0012]根据本发明的一个方面，提供了一种如在本发明中所限定的集成电路。第一晶体管可以是分析物感测晶体管并且第二晶体管可以是介质感测晶体管。
[0013]本发明基于如下认识:可以在时间尺度上执行利用场效应器件对感兴趣的分析物的测量，使得介质中的电荷的总量在该时间尺度期间大致保持恒定。换言之，介质可以在测量的时间尺度上被视作封闭或隔离的系统。这当然适用于真正封闭的系统，例如封闭的流体单元，但同样适用于可以在测量的时间尺度上被视作与其环境隔离的小的局部流体测量。结果，归因于在该时间尺度上的介质中的电荷的守恒，可以显示为参考电势变成背侧栅极电势的函数。因此，通过利用未被官能化的场效应器件测量介质的实际电势、即参考电势，可以响应于测量的参考电势来调整背侧栅极电势，使得在介质(例如感兴趣的流体)中维持期望的参考电势，而不需要提供用于设置介质的电势的单独的参考电极。
[0014]第一晶体管可以被官能化为以任何合适的方式来感测感兴趣的分析物。例如，官能化沟道区可以用粘合层官能化或者代替的是可以用所述沟道区的化学改性来官能化。作为可选方案，沟道区可以经由扩展的栅极(即在空间上与沟道区分开并且通过金属化结构被导电性地耦合至沟道区的栅极)而被暴露于介质。诸如氧化物膜等的氧化物层典型地存在于沟道区与官能化层之间以将沟道区与浮置栅极电绝缘。氧化物膜可以具有被官能化的外表面以提供官能化层。
[0015]在实施例中，IC包括如在本发明中所限定的晶体管的阵列。这具有可以同时测量许多不同的感兴趣的分析物(例如不同气体或者诸如不同DNA片段等的不同生物分子)的优点。为此目的，所述第一晶体管中的每一个可以被单独地官能化，即各第一晶体管可以被官能化为检测不同的感兴趣的分析物。于是本发明可以用于指纹识别。作为可选方案，多个第一晶体管可以被配置成感测相同的分析物，只是具有不同的灵敏度和/或检测水平。
[0016]本发明特别适用于感测其中提供了具有亚微米尺寸沟道区的晶体管的1C，其中亚微米尺寸沟道区例如是包括了诸如硅纳米线等的纳米线或诸如碳纳米管等的纳米管的沟道区。对于这样的1C，归因于参考电极典型地必须单独并且以不同形式因素设置的事实，提供单独的参考电极是麻烦且价格昂贵的。因此，通过本发明将对于单独的参考电极的需要的消除确保了可以以成本效益的方式制造出尤其是包含了这样的亚微米尺寸的器件的1C。特别地，包括硅纳米线的IC可以利用常规可得到的COMS处理步骤来制造并因此可以被以特别成本效益的方式制造。
[0017]根据本发明的另一方面，提供了一种如在本发明中限定的感测装置。这样的感测装置从对样本室中的样本(例如流过包括暴露的第一晶体管的流动单元的流体)中的感兴趣的分析物的存在和/或浓度的可靠的精确确定中获益，而不需要单独的参考电极。
[0018]感测装置可以进一步包括例如经由IC上的被导电性地耦合至至少一个或多个第一晶体管的源极或漏极区的接合焊盘而被分别耦合至相应的感测晶体管的信号处理器。
[0019]根据本发明的另一方面，提供了一种如在本发明中所限定的测量介质中的感兴趣的分析物的方法。
[0020]本发明的方法促进了对在诸如气体或液体等的流体中的感兴趣的分析物的精确测量，而不需要参考电极来控制流体介质的电势，如在上面更多的细节中已经说明的那样。
[0021]在实施例中，方法进一步包括在所述偏置调整步骤之后测量流过第一晶体管的漏极-源极电流；并且从所述测量的漏极-源极电流导出所述分析物的存在。特别地，可以在时间尺度上执行测量步骤，以使得在所述测量期间所述介质的电势恒定，因为在这些条件下介质的电势是背侧栅极电势的直接函数，使得该电势可由背侧栅极电势来控制，而不需要单独的参考电极。
【附图说明】
[0022]参照附图通过非限制性示例的方式更加详细地描述本发明的实施例，其中:
[0023]图1示意性地描绘了根据本发明的实施例的IC的一个方面；
[0024]图2示意性地描绘了根据本发明的实施例的IC的另一方面；
[0025]图3a描绘了通过参考电极(顶部框格)和通过本发明的背侧栅极偏置控制原理(底部框格)在溶液中产生的电势的轮廓绘图；
[0026]图3b描绘了通过参考电极(顶部框格)和通过本发明的背侧栅极偏置控制原理(底部框格)在另一溶液中产生的电势的轮廓绘图；
[0027]图4描绘了当利用根据本发明的实施例的背侧栅极电压波形偏置时从暴露于各种NaCl溶液的硅纳米线FET实验获得的响应；
[0028]图5a至图5e示意性地描绘了制造本发明的IC的方法的实施例；并且
[0029]图6示意性地描绘了根据本发明的实施例的IC的另外的方面。
【具体实施方式】
[0030]应该理解的是，附图是仅示意性的并且未按比例绘制。还应该理解的是，在整个附图中使用相同的附图标记来指示出相同或类似的部件。
[0031]图1示意性地描绘了 IC 100，其包括硅衬底110、被图案化的掩埋氧化层120和具有诸如硅纳米线或碳纳米管的纳米结构作为沟道区的多个场效应晶体管140。多个场效应晶体管140可以布置成阵列。多个场效应晶体管140典型地包括具有在源极区142a与公共漏极区144之间延伸的硅纳米线沟道区146a的至少一个第一晶体管140a，但应该理解的是，IC 100的场效应晶体管可以具有任何合适的沟道区结构。特别地，诸如不同材料的纳米线等的其他亚微米尺寸沟道区结构或者诸如单壁或多壁纳米管(例如碳纳米管)等的不同的纳米结构是同样可行的。
[0032]在本发明的上下文中，纳米线是具有亚微米尺寸的截面并具有可以是从几百纳米至几微米范围的长度的导电的或半导体的结构。纳米线可以是实心或中空结构，并且可以具有圆形或