芯片上的加热器及其形成方法与流程

本发明的实施例总体涉及生物芯片，更具体地，涉及芯片上的加热器及其形成方法。

背景技术：

通常将多种类型的传感器，诸如生物传感器、气体传感器、离子传感器等多次集成在具有互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的芯片上，以提高灵敏度、降低成本和易于便携。在某些情况下，这些传感器是集成芯片上的加热器。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种集成电路，包括：公共沟道区，具有第一表面和相对的第二表面；第一栅极电介质，设置在所述公共沟道区的所述第一表面上；第一栅电极，设置在所述第一栅极电介质上；第一源极/漏极和第二源极/漏极，由所述公共沟道区彼此横向分离；第二栅极电介质，设置在所述公共沟道区的所述第二表面上；加热器，具有相对于彼此同心设置的多个加热元件；以及温度传感器；其中，所述多个加热元件中的每个加热元件均具有弧形形状，并且所述多个加热元件中的每个加热元件均具有相应的半径。

根据本发明的另一个方面，提供了一种形成集成电路的方法，包括：形成双栅极背侧感测场效应晶体管(DG-BSS FET)，所述双栅极背侧感测场效应晶体管包括：主栅叠件和次栅叠件，设置在公共沟道区的垂直相对的两个表面上；第一源极/漏极和第二源极/漏极，由所述公共沟道区彼此横向分离，其中，所述主栅叠件具有设置在所述公共沟道区的第一表面上的第一栅极电介质和设置在所述第一栅极电介质上的第一栅电极，所述次栅叠件具有设置在所述公共沟道区的第二表面上的第二栅极电介质和设置在第二栅极电介质上的捕获试剂；以及在所述集成电路中设置具有多个同心配置的加热元件的加热器，每个加热元件均具有弧形的形状；其中，所述多个加热元件彼此成对电连接；以及形成与所述DG-BSS FET热连通的温度传感器。

根据本发明的又一个方面，提供了一种集成电路，包括：双栅极背侧感测场效应晶体管(DG-BSS FET)，所述双栅极背侧感测场效应晶体管具有：第一源极/漏极(S/D)和第二S/D，每个S/D均设置在有源区中并且通过沟道区彼此横向分离；第一栅极电介质，设置在所述沟道区的第一表面上；栅极电极，设置在所述第一栅极电介质上方；和第二栅极电介质，设置在所述沟道区的第二表面上，所述第一表面和所述第二表面位于所述沟道区的相对两侧上；反应位置井，设置在所述沟道区的所述第二表面上方；加热器，包括具有相应半径的多个同心设置的加热元件；以及温度传感器，与所述DG-BSS FET热连通；其中，具有不同半径的相邻加热元件分开一段距离。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳地理解本发明的各个方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。

图1A是示例性传感器的截面图。

图1B是示例性传感器阵列的截面图。

图2是具有传感器、流体通道、加热器和温度传感器的示例性装置的截面图。

图3A是根据本公开的示例性加热元件配置。

图3B是根据本公开的示例性加热元件构造的截面图。

图4是根据本公开的示例性加热器的部分的顶视图。

图5A是根据本公开的示例性加热器。

图5B是根据本公开的示例性加热器的部分的顶视图。

图6是根据本公开的示例性集成芯片上加热器制造的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件以直接接触的方式形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下”、“在…之上”、“上”等空间相对术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。器件可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，并且在此使用的空间相对描述符可以同样地作出相应的解释。

本文所用的术语“标称”是指在产品或工艺的设计阶段期间设置的组件或工艺操作的特征或参数的期望值或目标值，连同高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围通常是由于制造工艺的轻微变化或公差。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然根据本公开的实施例的实践或测试中可以使用与本文所述类似或等同的任何方法和材料；现在描述方法、器件和材料。本文提及的所有专利和出版物通过引用并入本文，用于描述和公开可能根据本公开的实施例结合使用的出版物中报道的材料和方法。

如本文所使用的首字母缩略词“FET”是指场效应晶体管。一种非常常见的FET类型称为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。历史上，MOSFET一直是内置在诸如半导体晶圆的衬底的平面表面中和上面的平面结构。但是半导体制造的进步已经导致三维MOSFET结构，例如，基于鳍的MOSFET。

“S/D”是指形成FET三个端子中的两个的源极/漏极结。

术语“前侧”和“背侧”通常用于半导体制造工业中以分别指代其上设置有晶体管电路和各种互连层的晶圆的第一侧，以及与第一侧相对的晶圆的第二侧。晶圆有时被称为衬底。

术语“bioFET”是指包括作为表面受体以检测生物来源的目标分析物的存在的固定探针分子(immobilized probe molecules)层的FET。根据实施例，bioFET是具有半导体换能器的场效应传感器。bioFET的一个优点是非标记操作的前景。具体地，bioFET能够避免昂贵且费时的标记操作，诸如用例如荧光或放射性探针标记分析物。本文描述的一种特定类型的bioFET是双栅极背侧感测bioFET。用于由BioFET检测的分析物通常是生物来源的，诸如但不限于蛋白质、碳水化合物、脂质、组织碎片或它们的部分。然而，在更一般的意义上，BioFET是广义FET传感器的部分，FET传感器也可以检测任何化学化合物(本领域中称为ChemFET)或任何其他元素，包括离子，例如质子或金属离子(在本领域中称为ISFET)。本发明意在适用于所有类型的基于FET的传感器(“FET传感器”)。这里的一种特定类型的FET传感器是双栅极背侧感应FET传感器(“DG BSS FET Sensor”)。

术语“双栅背侧感测FET(DG-BSS FET)”是指具有设置在公共沟道区的垂直相对表面上的主栅极堆叠件和的次栅极堆叠件和通过公共沟道区彼此横向分离的第一源极/漏极和第二源极/漏极的FET结构，通常应用在生物技术领域，因此也可称Bio-MOSFET。主栅叠件具有设置在公共沟道区的第一表面上的第一栅极电介质和设置在第一栅极电介质上的第一栅电极。次栅叠件具有设置在与公共沟道区的第一表面相对的公共沟道区的第二表面上的第二栅极电介质和设置在第二栅极电介质上的捕获试剂。在该配置中，FET结构在上电操作中通过其次栅叠件而变成检测目标分析物存在的传感器。除非另有说明，否则主栅叠件在正侧，并且第二栅极电介质位于背侧。

表示“高k”是指高介电常数。如本文所用，高k是指大于SiO2的介电常数(即大于3.9)的介电常数。类似地，表示“低k”是指低介电常数。如本文所用，低k是指小于SiO2的介电常数(即小于3.9)的介电常数。

术语“分析”通常是指涉及物理、化学、生物化学或生物分析的方法或步骤，包括但不限于表征、测试、测量、优化、分离、合成、添加、过滤、溶解或混合。

术语“测定”通常是指涉及分析化学物质或目标分析物的方法或步骤，包括但不限于基于细胞的测定、生物化学测定、高通量测定和筛选、诊断测定、pH测定、核酸杂交测定、聚合酶活性测定、核酸和蛋白质测序、免疫测定(例如，抗体-抗原结合测定、ELISA和iqPCR)、用于检测基因甲基化模式的亚硫酸氢盐甲基化测定、蛋白质测定、蛋白质结合测定(例如蛋白质-蛋白质、蛋白-核酸和蛋白-配体结合测定)、酶测定、偶联酶(coupled enzymatic)测定、动力学测量(例如蛋白质折叠动力学和酶反应动力学)，酶抑制剂和活化剂筛选、化学发光和电化学发光测定、荧光测定、荧光偏振和各向异性测定、吸光度和比色测定(例如Bradford测定、Lowry测定、Hartree-Lowry测定、Biuret测定和BCA测定)、化学测定(例如，用于检测环境污染物和污染物、纳米颗粒或聚合物)和药物发现测定。本文描述的装置、系统和方法可以使用或采用这些测定中的一种或多种来与任何DG-BSS FET一起使用。

术语“液体活组织检查”通常是指与受试者的组织样品相比从受试者的体液获得的活组织检查样品。使用体液样品进行测定的能力通常比使用组织样品更好。使用体液样品的微创方法就患者福利、进行纵向疾病监测的能力以及甚至当组织细胞不易于获取的情况下(例如在前列腺中)获得表达谱的能力而言具有广泛的意义。用于检测液体活检样本中的目标分析物的测定包括但不限于上述那些。作为非限制性实例，可以对液体活检样品进行循环肿瘤细胞(CTC)测定。

例如，固定在FET传感器(例如，DG-BSS FET的第二电介质层)上的捕获试剂(例如，抗体)可以用于使用CTC测定与液体活检样品中的目标分析物(例如，肿瘤细胞标记物)的生物识别反应。CTC是从肿瘤流入脉管系统并在例如血液中循环的细胞。通常，CTC以非常低的浓度存在于循环系统中。为了测定CTC，通过本领域已知的各种技术从患者血液或血浆中富集CTC。可以使用本领域已知的方法将CTC染色为特定的标记物，所述方法包括但不限于基于细胞计数法的(例如流式细胞术)和基于IHC的方法。对于本文所述的装置、系统和方法，可以使用捕获试剂捕获CTC，或者来自CTC的核酸、蛋白质或其他细胞环境可以作为结合捕获试剂的目标分析物。

当在CTC上或从CTC检测到目标分析物时，例如，表达或含有CTC的目标分析物的增加可能有助于将受试者识别为具有可能对特定治疗(例如，与目标分析物有关)做出反应或允许用例如针对目标分析物的抗体来优化治疗方案的癌症。CTC测量和定量可以提供关于例如肿瘤的阶段、对治疗的反应、疾病进展或它们的组合的信息。从检测CTC上的目标分析物获得的信息可以用于例如预后、预测或药效动力学生物标志物。此外，液体活检样品的CTC测定可以单独使用或与固体活检样品的附加肿瘤标志物分析组合使用。

术语“识别”通常是指基于目标分析物与身份已知的捕获试剂的结合来确定该目标分析物的身份的方法。

术语“测量”通常是指基于目标分析物与捕获试剂的结合来确定该目标分析物的量、数量、质量或性质的过程。

术语“定量”通常是指基于目标分析物与捕获试剂的结合来确定该目标分析物的量或浓度的过程。

术语“检测”通常是指基于目标分析物与捕获试剂的结合来确定目标分析物的存在或不存在的过程。检测包括但不限于识别、测量和定量。

术语“化学物”是指物质、化合物、混合物、溶液、乳液、分散体、分子、离子、二聚体、大分子(诸如聚合物或蛋白质)、生物分子、沉淀物、晶体、化学部分或基团、颗粒、纳米颗粒、试剂、反应产物、溶剂或流体，其中任一种可以固体、液体或气态存在，并且其通常是分析的对象。

术语“反应”是指涉及至少一种化学物质的并且通常涉及(在化学、生物化学和生物转化的情况下)破坏或形成一种或多种键，诸如共价、非共价、范德华力、氢或离子键的物理、化学、生物化学或生物转化。该术语包括典型的化学反应，例如合成反应、中和反应、分解反应、置换反应、还原-氧化反应、沉淀、结晶、燃烧反应和聚合反应，以及共价和非共价结合、相变、颜色变化、相形成、结晶、溶解、发光、光吸收或发射性质的变化、温度变化或热吸收或发射、构象变化以及诸如蛋白质的大分子折叠或去折叠。

如本文所用的“捕获试剂”是能够结合至目标分析物或目标试剂的分子或化合物，该“捕获试剂”可以直接或间接附着至基本上固体的材料上。捕获试剂可以是化学物质，特别是针对存在天然存在的目标分析物(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或可以制备的目标分析物的任何物质，并且捕获试剂可以在测定中结合一种或多种目标分析物。

如本文所使用的“目标分析物”是使用根据本公开的实施方案在测试样品中待检测的物质。目标分析物可以是化学物质，特别是针对存在天然存在的捕获试剂(例如抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或可以制备的捕获试剂的任何物质，并且目标分析物可以在测定中结合一种或多种捕获试剂。“目标分析物”还包括任何抗原物质，抗体及它们的组合。目标分析物可以包括蛋白质、肽、氨基酸、碳水化合物、激素、类固醇、维生素，包括用于治疗目的的药物以及用于非法目的而给予的药物、细菌、病毒以及任何上述物质的抗体的代谢物。

本文所用的“测试样品”是指包含要检测和测定的目标分析物的组合物、溶液、物质、气体或液体。测试样品可以包含除了目标分析物之外的其他组分，可以具有液体或气体的物理属性，并且可以是任何尺寸或体积，包括例如液体或气体的移动流。只要其他物质不干扰目标分析物与捕获试剂的结合或第一结合部件与第二结合部件的特异性结合，则测试样品可以含有除目标分析物以外的任何物质。测试样品的实例包括但不限于天然存在和非天然存在的样品或它们的组合。天然存在的测试样品可以是合成的或合成的。天然存在的测试样品包括从受试者的体内或体表分离的体液，包括但不限于血液、血浆、血清、尿液、唾液或痰液、脊髓液、脑脊液、胸膜液、乳头吸入液、淋巴液、呼吸道、肠道和泌尿生殖道的液体、泪液、唾液、母乳，来自淋巴系统的液体、精液、器官内系统液、腹水、肿瘤囊肿液、羊水及它们的组合，以及环境样品，如地下水或废水、土壤提取物、空气和农药残留物或食品相关样品。

检测到的物质可以包括例如核酸(包括DNA和RNA)、激素、不同的病原体(包括对其宿主引起疾病或疾病的生物学试剂，例如病毒(例如H7N9或HIV)、原生动物(例如，导致疟原虫的疟疾)或细菌(例如大肠杆菌或结核分枝杆菌))、蛋白质、抗体、各种药物或治疗剂或其他化学或生物物质，包括氢或其他离子，非离子分子或化合物、多糖、小化合物诸如化学组合库成员等。检测或确定的参数可以包括但不限于例如pH变化、乳糖变化、变化的浓度、流体在装置上流过一段时间以检测颗粒时的每单位时间内的颗粒，例如稀疏的颗粒，以及其他参数。

如本文所用，术语“固定化”当用于例如捕获试剂时，包括将分子水平的捕获试剂基本上附着于表面。例如，捕获试剂可以使用包括非共价相互作用(例如静电力、范德华力和疏水界面的脱水)以及共价结合技术的吸附技术来固定在背侧电介质层的表面上，其中官能团或接头(linker)便于将捕获试剂附着至背侧电介质层的表面。将捕获试剂固定到背侧电介质层的表面可以基于表面的性质、携带捕获试剂的介质以及捕获试剂的性质。在一些情况下，可以首先修改背侧电介质层的表面以使官能团与其结合。然后官能团可以结合生物分子或生物或化学物质以将它们固定在官能团上。

术语“核酸”通常是指通过磷酸二酯键彼此连接的一组核苷酸，并且是指与存在于自然的天然存在的核苷酸连接的天然存在的核酸，诸如包含具有彼此连接的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶中任意一种的脱氧核糖核苷酸的DNA和/或包含具有彼此连接的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶中任意一种的核糖核苷酸的RNA。此外，非天然存在的核苷酸和非天然存在的核酸在本文使用的术语的核酸的范围内。实例包括肽核酸(PNA)、具有磷酸基团的肽核酸(PHONA)、桥接的核酸/锁定核酸(BNA/LNA)和吗啉代核酸。其他实例包括化学修饰的核酸和核酸类似物等，诸如甲基膦酸酯DNA/RNA、硫代磷酸酯DNA/RNA、氨基磷酸酯DNA/RNA和2'-O-甲基DNA/RNA。核酸包括可被修饰的核酸。例如，可以根据需要标记核酸中的磷酸基、糖和/或碱。本领域已知的任何用于核酸标记的物质都可用于标记。其实例包括但不限于放射性同位素(例如，32P、3H和14C)、DIG、生物素、荧光染料(例如FITC、Texas、cy3、cy5、cy7、FAM、HEX、VIC、JOE、Rox、TET、Bodipy493、NBD和TAMRA)和发光物质(例如吖啶酯)。

本文所用的适配体是指结合特定靶标分子的寡核酸或肽分子。将单链核酸(适配体)作为蛋白质结合的亲和分子的概念最初在1990年(Ellington和Szostak 1990,1992；Tuerk和Gold 1990)中公开，并且在靶标(target)存在的情况下基于短序列折叠成为以高亲和力和特异性结合靶标的独特的三维结构的能力。Eugene W.M Ng等，2006，公开了适配体是选择用于与分子靶标的高亲和力结合的寡核苷酸配体。

术语“蛋白质”通常是指通常以特定序列链接在一起的一组氨基酸。蛋白质可以是天然存在的或人造的。如本文所用，术语“蛋白质”包括氨基酸序列，以及经修饰以含有下列部分或基团(moieties or groups)的氨基酸序列：诸如糖、聚合物、金属有机基团、荧光或发光基团的部分或基团；增强或参与诸如分子内或分子间电子转移的过程的部分或基团；促进或诱导蛋白质呈现特定构象或一系列构象的部分或基团；妨碍或抑制蛋白质发生特定构象或一系列构象的部分或基团；诱导、增强或抑制蛋白质折叠的部分或基团；或引入到氨基酸序列中并且旨在修饰序列的化学、生物化学或生物学性质的其他部分或基团。如本文所用，蛋白质包括但不限于酶、结构元件、抗体、激素、电子载体和其他参与诸如细胞过程或活动的过程的大分子。蛋白质通常具有多达四个包括初级、二级、三级和四级结构的结构水平。

本文所用的术语“抗体”是指能够非共价、可逆地和以特定方式结合相应的抗原的免疫球蛋白家族的多肽。例如，天然存在的IgG抗体是包含通过二硫键相互连接的至少两个重(H)链和两个轻链(L)链的四聚体。每个重链由重链可变区(本文缩写为VH)和重链恒定区组成。重链恒定区由三个结构域CH1、CH2和CH3组成。每个轻链由轻链可变区(本文缩写为VL)和轻链恒定区组成。轻链恒定区由一个结构域CL组成。VH和VL区可以进一步细分为称为互补决定区(CDR)的高变区(hypervariability)，其中穿插有称为框架区(FR)的更守恒(conserved)的区。每个VH和VL由以下顺序从氨基末端到羧基末端排列的三个CDR和四个FR组成：FR1、CDR1、FR2、CDR2、FR3、CDR3和FR4。三个CDR构成约15％至20％的可变结构域。重链和轻链的可变区含有与抗原相互作用的结合域。抗体的恒定区可以介导免疫球蛋白与宿主组织或因子(包括免疫系统的各种细胞(例如效应细胞))和经典补体系统的第一组分(C1q)的结合。(Kuby，Immunology，第四版，第4章W.H.Freeman&Co.，New York，2000)。

术语“抗体”包括但不限于单克隆抗体、人源抗体、人源化抗体、嵌合抗体和抗独特型(抗-Id)抗体(包括例如抗-Id抗体至本发明的抗体)。抗体可以是任何同种型/类(例如IgG、IgE、IgM、IgD、IgA和IgY)或亚类(例如，IgG1、IgG2、IgG3、IgG4、IgA1和IgA2)。

如本文所用的术语“抗原结合片段”是指抗体中保留与抗原的表位特别相互作用(例如通过结合、空间位阻、稳定/去稳定、空间分布)的能力的一个或多个部分。结合片段的实例包括但不限于单链Fv(scFv)、骆驼抗体(camelid antibodies)、二硫键连接的Fv(sdFv)、Fab片段、F(ab')片段，即，由VL、VH、CL和CH1结构域组成的单价片段；F(ab)2片段，即，包含在铰链区通过二硫桥连接的两个Fab片段的二价片段；由VH和CH1结构域组成的Fd片段；由抗体的单臂的VL和VH结构域组成的Fv片段；dAb片段(Ward等人，Nature 341：544-546,1989)，其由VH结构域组成；和分离的互补决定区(CDR)或抗体的其他表位结合片段。

此外，尽管Fv片段两个域VL和VH被单独的基因编码，但是它们可以使用重组方法通过合成接头连接，使得它们可以被制成单个蛋白质链，在蛋白质链中，VL和VH区形成单价分子(称为单链Fv(“scFv”))；参见例如Bird等人，Science 242：423-426,1988；和Huston等人，Proc.Natl Acad.Sci.85：5879-5883,1988)。这样的单链抗体也意在包含在术语“抗原结合片段”内。这些抗原结合片段是使用本领域技术人员已知的常规技术获得的，并且片段用与完整抗体相同的方式来筛选使用。

抗原结合片段也可以并入单结构域抗体、上抗体、微体抗体、单结构域抗体、胞内抗体、双抗体、三抗体、四抗体、v-NAR和双scFv(参见例如，Hollinger和Hudson，Nature Biotechnology 23：1126-1136,2005)。抗原结合片段可以基于多肽(例如纤连蛋白III型(Fn3))接枝到支架中(参见描述纤连蛋白多肽单体的美国专利号6,703,199)。

抗原结合片段可以并入包含一对串联Fv区段(VH-CH1-VH-CH1)的单链分子，该对串联Fv区段与互补轻链多肽一起形成一对抗原结合区(Zapata等，Protein Eng.8：1057-1062,1995；和美国专利号5,641,870)。

本文所用的术语“单克隆抗体”或“单克隆抗体组合物”是指多肽，包括抗体和具有基本上相同的氨基酸序列或衍生自相同遗传源的抗原结合片段。该术语还包括单分子组成的抗体分子的制备。单克隆抗体组合物显示对特定表位的单一结合特异性和亲和力。

术语“纳米颗粒”是指通常在约1纳米至100纳米范围内的长度尺度的原子，分子或大分子颗粒。通常，在通常在100nm以下的临界长度尺度下观察或发展纳米颗粒的新颖和微分特性和功能。纳米颗粒可用于构建纳米级结构，并且它们可以被集成到更大的材料组分、体系和结构中。在一些特殊情况下，涉及纳米颗粒的新颖特性和现象的临界长度尺度可能低于1nm(例如，在约0.1nm处操作原子)或者可能大于100nm(例如，根据纳米颗粒和聚合物之间的局部桥接或结合，纳米颗粒增强聚合物在约200nm至300nm处具有独特的特征)。

术语“成核组合物”是指包含能够在适于晶体形成的条件下生长成晶体的一个或多个核的物质或混合物。成核组合物可以例如通过蒸发、试剂浓度的变化、添加诸如沉淀剂的物质、用固体材料接种、机械搅拌或刮擦与成核组合物接触的表面来诱导结晶。

术语“颗粒”是指如原子、分子、离子、二聚体、聚合物或生物分子的颗粒的簇或聚集体。颗粒可以包含固体物质或基本上是固体，但它们也可以是多孔的或部分中空的。它们可能含有液体或气体。此外，颗粒可以是均相或异质的，即它们可以包含一种或多种物质或材料。

术语“聚合物”是指由两个或多个彼此重复连接的结构单元(“mers”)组成的任何物质或化合物。例如，“二聚体”是其中两个结构单元已经结合在一起的化合物。聚合物包括缩合和加成聚合物。缩合聚物的典型实例包括聚酰胺、聚酯、蛋白质、羊毛、丝绸、聚氨酯、纤维素和聚硅氧烷。加成聚合物的实例是聚乙烯、聚异丁烯、聚丙烯腈、聚(氯乙烯)和聚苯乙烯。其他实例包括具有增强的电学或光学性质的聚合物(例如非线性光学性质)，诸如导电或光折射聚合物。本文所用的术语聚合物包括直链和支链聚合物。

概述

根据本公开的芯片上加热器提供了改进的其所在芯片的各部分的热分布的均匀性。在各种片上传感器应用中，感测区的温度控制可用于促进或启动反应。对于这种应用，合适的芯片上加热器应显示出若干所需的特性，诸如温度控制、1℃内的温度均匀性、低功耗和易于集成。

芯片上加热器的物理配置是实现所需温度均匀性的因素。芯片上加热器的矩形配置受到不期望的中心到边缘温度渐变的影响。同时，单个圆形配置的加热器虽然具有相对改善的温度均匀性，但仍然受到电流和电源分布问题的影响，并且与矩形配置相比通常需要较大的工作电压。

双栅极背侧FET传感器

图1A是适用于将热量施加到设置在开口120中的目标分析物的应用的示例性DG-BSS FET 100的截面图。BD-BSS FET 100可以被配置为作为pH传感器、化学传感器、生物传感器、气体传感器或任何类似的传感器。

DG-BSS FET 100具有有源区102，有源区102具有与电介质材料104接触的第一表面102a以及与电介质材料106接触的第二表面102b。有源区102包括半导体材料例如硅。然而，可以使用其他半导体材料，例如III-V族半导体化合物及它们的组合。如本例中，有源区102可以是绝缘体硅(SOI)晶圆的顶部Si层且厚度范围在5nm和30nm之间。或者，有源区102可以是块状衬底的顶表面。电介质材料104可以选自诸如但不限于SiO2的电介质、包括SiO2、氮化硅(Si3N4)、低介电常数(低k)材料及它们任何组合的电介质材料的堆叠件或合适的介电材料任何其他组合。电介质材料106可以如本实施例中那样是SOI衬底的掩埋氧化物(BOX)层的一部分，并且可以选自例如但不限于SiO2的电介质。

第一S/D 108和第二S/D 110设置在有源区102中，沟道区112设置在第一S/D 108和第二S/D 110之间。第一浅沟槽隔离(STI)结构126和第二STI结构128分别设置在第一S/D 108侧和第二S/D 110侧，如图1A所示。在有源区102的第一表面102a上，并且与沟道区112接触，形成一个主栅叠件114。主栅叠件114被电介质材料104包围。主栅叠件114还包括设置在沟道区112上的第一栅极电介质层116和栅电极118。在该说明性实施例中，栅电极118是掺杂多晶硅。在替代实施例中，栅电极118可以由其他导电材料(例如金属)或具有适当功函的金属层堆叠件形成。在该说明性实施例中，第一栅极电介质116是SiO2。在替代实施例中，第一栅极电介质116可以选自介电材料，诸如氧氮化硅(SiOxNy)、氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfxSiyOz)或任何其他合适的高k电介质材料或它们的组合。

通过接触线，通孔线路和互连件(为简单起见，它们在图1中未示出)提供至栅极电极118以及第一和第二S/D 108，110的电连接。接触线包含诸如钨(W)的金属。通孔包含诸如钛-铝合金(TiAl)或W的金属，并且互连件包含低电阻金属，如铜(Cu)或铝(Al)。在几次光刻，干法蚀刻和清洁操作之后，接着进行几次金属沉积和化学机械抛光(CMP)操作，在电介质材料104中形成接触线、通孔和互连。此外，栅极堆叠件114的侧壁被侧壁间隔件124覆盖。

开口120在沟道区112上方形成在介质层106中，以暴露沟道区112的第二表面102b。第二介电层122设置在沟道区112上。在该示例性实施例中，第二介电层122可以覆盖开口120的所有表面。然而，电介质层122可被设计成仅在沟道区112上生长。捕获试剂130固定在第二介电层122上。在该说明性实施例中，第二介电层122是HfO2或任何其他合适的介电层。固定捕获试剂130是能够结合目标分析物或目标试剂的分子或化合物，固定捕获试剂可直接或间接连接到基本为固体的材料上。固定捕获试剂130可以是化学物质，特别是针对天然存在的目标分析物(例如，抗体、多肽、DNA、RNA、细胞、病毒等)或可以制备的目标分析物的任何物质，并且捕获试剂可以在测定中结合至一种或多种目标分析物。开口120连同电介质层122和固定捕获试剂130一起用作目标分析物的反应位置井(reaction-site well)。

图1B示出了DG-BSS FET 150的示例性阵列的横截面图，其中开口120在多个DG-BSS FET 140上方延伸。当将目标分析物引入开口120时，电荷在固定捕获物试剂130和第二电介质层122之间的界面处累积。电荷累积将导致阵列150的DG-BSS FET的Ids变化。在该DG-BSS FET 150阵列中，开口延伸到四个DG-BSS FET上方。在其他实施例中，开口120可以在更大数量的DG-BSS FET上方延伸。

图2是包括DG BSS FET 100和附加元件，诸如加热器202、流体通道204和温度传感器206的示例性装置200的截面图。在一些实施例中，加热器202向流体通道204提供加热，均匀度在1.5℃以下，并且包括多个加热元件。在一些实施方案中，该热输入的影响是促进或引发化学反应。在该说明性实施例中，加热器202是具有由氮化铝钛(TiAlN)层形成的电阻器的电阻加热器。在替代实施例中，电阻器可以由多晶硅、硅化钨(WSix)或具有合适的薄层电阻的任何其他导体形成。在一些实施例中，加热器202的厚度范围为56nm至66nm。然而，加热器202的厚度可不限于此。在一些实施例中，加热器202的标称薄层电阻为约4.8Ω/sq。然而，加热器202的薄层电阻可能不受此限制，并且可以取决于传感器的类型、期望的设定点温度或其他本领域普通技术人员将理解的制造考虑。

在该说明性实施例中，通过连接至通孔线214的多层互连件(MLI)212提供对加热器202的电源。通孔线214用作加热器202和外部电源(图2未示出)之间的电连接件。加热器202的热输出取决于所施加的电源电压，因此可以由外部电源独立地进行控制。电介质层218使通孔线214与其他部件(例如有源区102)电绝缘。MLI 212还提供加热器202的至地的电连接(为简单起见，图2中未示出)。在多个位置点处的加热器202的各加热元件之间的电连接也由MLI 212提供，如稍后将讨论的。MLI 212包括通过通孔连接的局部互连件。在该示例性实施例中，局部互连件包含诸如Cu或Al的低电阻金属，而通孔包含诸如TiAl或W的金属。

温度传感器206提供关于流体通道204中的样品208的温度的反馈，使得可以调节加热器202的功率以实现和维持期望的温度设定点。在一个实施例中，温度传感器206是二极管。在另一个实施例中，可以创建控制回路以使用加热器202和从温度传感器206接收的反馈来控制温度。例如，对于生物传感器，期望的温度范围在室温和100℃之间，这取决于待分析的生物材料，而对于气体或化学传感器，所需的温度可能是几百摄氏度。

当在样品208中没有发生化学反应时，参考电极210提供参考电位。在该说明性实施例中，参考电极210可以是Ag、AgCl、Au、Pt或任何其他合适的金属。在干感测条件下，诸如在气体传感器中，不使用参考电极。装置200的机械支撑由处理衬底216提供，在该示例性实施例中，该处理衬底216在加热器202的制造之后和开口120的制造之前被结合到电介质材料104。处理衬底216包括硅、玻璃或与CMOS制造方法兼容，并且在开口120和流体通道204的形成期间为装置提供机械支撑的任何其他材料。

化学与生物学

本申请中描述的装置、系统和方法可用于检测和/或监视各种实体之间的交互。这些相互作用包括检测样品中目标分析物的生物和化学反应。例如，可以监测包括物理、化学、生物化学或生物转化的反应，以检测中间体、副产物、产物及它们的组合的产生。此外，本发明的装置、系统和方法可以用于在本文所述的各种测定中检测这些反应，包括但不限于用于液体活检的循环肿瘤细胞测定和检测重金属等环境污染物的螯合(chelation)检测法。这样的检测和反应可以以单一格式或阵列格式监测，以检测例如多种目标分析物。

加热器

加热器提供的温度均匀性主要取决于它的物理布局或配置。矩形布局在其中心和外围边缘之间受到不期望的温度渐变。结果，这种加热器配置表现出显著的中心到边缘温度下降。单圆形布局加热器表现出相对提高的温度均匀性，但仍然受到电流和电源问题的影响，并且与矩形布局相比通常需要较大的工作电压。

根据本公开的加热器包括以同心环构造布置的多个单独的加热元件。加热元件的这种配置或布局与其他布局相比具有几个优点。根据本公开的各种实施例使用多项式补偿来确定各加热元件之间的间隔，以改善整个加热器上的温度分布。例如，图3A示出了具有加热元件302、304、306、308、310和312的示例性加热器300的顶视图。图3B是沿着图3的虚线AA'截取的示例性加热器300的横截面图。在图3B中，加热器元件302至312被电介质材料104围绕。x1、x2和x3分别是加热元件302和304、304和306以及306和308之间的距离(间隔)。在任何加热器配置中，存在向与加热元件相距距离t的热接地314的散热。每个加热元件和热接地314之间的温差很大程度上取决于加热元件周围的材料，例如电介质材料104，以及相邻加热元件之间的间隔x1、x2和x3。例如，加热元件302和304的差分温度方程具有以下通用形式：

其中，D是热流密度，k是周围材料，如电介质104的热导率，xi(i＝1,2,3)是x方向上相邻加热元件之间的距离，t是加热器元件和热接地314之间的距离，Az是垂直于z方向的平面，Ax是垂直于x方向的平面，项α是在x方向上从第一加热器热传递的部分(fraction)，项β是来自相邻的第二加热器在x方向上的热传递的部分以及项(1-α-β)是在Z方向上从第一加热器和相邻的第二热交换器向热接地314热传递的部分。为了达到加热器的温度均匀性，温差ΔT302和ΔT304需要相等。对于加热元件302和304的情况，这意味着

对加热元件间距x1、x2和x3进行适当的选择，加热元件302和304的温差可以标称相等。对于所有加热元件应用相同的原理，可以选择各加热元件之间的间隔，以实现比加热元件之间具有相等间隔更高的加热器的温度均匀性。

图4是根据本公开的示例性加热器400的一部分的顶视图。在该示例性说明性实施例中，显示加热器400具有六个加热元件。替代实施例可以具有更多的加热元件，并且作为示例而非限制，200个加热元件是可能的。已经使用多项式补偿来选择加热元件之间的每个间隔402至410。结果，随着加热元件的半径增加，加热元件之间的间隔逐渐变小。例如，间隔402最大，间距410最小。

为了确保流过加热器的每个部分的电流标称相等，需要考虑每个加热元件的长度。这是通过以加热元件(r1至r6)的半径满足以下关系的方式电连接加热元件来实现的：：

r1+r6＝r2+r5＝r3+r4

这表明期望电连接加热元件，使得每组连接的加热元件之间的总电阻标称相等。这通过将具有最短半径r1的第一加热元件通过电连接件412连接到具有最大半径r6的加热元件来实现。类似地，第二和第五加热元件被连接，并且第三到第四加热元件通过电连接件412连接，如图4所示。电连接件412与加热元件相比具有较低的电阻，并且它们对整个加热器电阻的贡献可以忽略不计。在操作中，三个外部加热元件414连接到电压源，而三个内部加热元件环415连接到地。电连接件412是MLI 212的一部分。

在一个实施例中，为了确保使通过每个加热元件的电流密度标称均匀，加热元件宽度W被限制在30μm或更小。当加热元件的数量增加并且每个加热器W的宽度减小时，加热元件的工作电压降低，同时改善温度均匀性。例如，具有30μm加热元件宽度W的16环加热器需要3.5V的工作电压，并且从中心到边缘呈现约1.5℃的径向均温性。如果环数增加到44，并且每个加热元件W的宽度减小到20μm，则所需的工作电压将下降到2伏，并且径向均温性提高到约1℃。

同心环布局允许电连接变化来解决任何电压供应限制。例如，通过使用通孔和MLI 212向加热器元件添加额外的电连接点，它们的总电阻被分成更小的电阻，并且所需的电源电压VDD被减小；同时加热器消耗的电功率仍然保持不变。图5A示出了示例性加热器500。加热器500可以类似于示例性加热器300或400。在该实例中，已经形成至加热器元件的连接使得每个环的电阻已经被划分为4个更小的电阻。在图5A中，连接点502和504分别是供电电压VDD和接地连接。使电连接点C1、C2、C3和附加的电连接点组C'1、C'2、C'3电连接加热元件环，使得每对电连接的加热元件的总电阻为一样。在图5A的说明性实施例中，C1、C2、C3和C'1、C'2、C'3之间的连接点以及电源电压VDD 502和接地连接504之间的连接点在相同的径向平面中分别共线放置(或者并联连接)，如图5A所示。这种连接结构允许每个加热元件环的总电阻被分成在连接点之间的4个更小的电阻，如描绘了加热器500的一部分的图5B所示。因此在这种情况下：

R'1＝R1/4,R'2＝R2/4,R'3＝R3/4,R'5＝R5/4,R'6＝R6/4

其中R1、R2、R3、R4和R5是每个对应的加热元件环的总电阻。假设加热器消耗的功率量没有改变，具有添加的新的一组连接点C'1、C'2、C'3的所需要的新的电源电压(V'DD)将仅仅是一小部分(1/(√2))的原始施加电压(VDD)。

图6示出了示例性制造工艺600。参考图6，描述了示例性集成芯片上加热器的制造步骤。可以在方法600的各个步骤之间执行其他制造步骤，并且为了清楚起见省略。制造工艺600不限于本文提供的示例。

制造过程600从步骤602开始，并且在有源区102上形成DG-BSS FET的初级堆叠件114和温度传感器206。在示例性制造工艺600中，有源区102是SOI晶圆的顶部薄Si层且具有5nm至30nm的厚度范围。然而，可以使用其他半导体材料来形成有源区102，例如III-V半导体化合物及其组合。此外，还可以使用块状Si衬底。在步骤602期间，形成DG-BSS FET的附加元件，例如第一和第二S/D 108和110，沟道区112和间隔物124。在该步骤也形成金属(包括那些至少部分具有钨的金属)接触线，以允许连接到主栅极堆叠114以及第一和第二S/D 108和110。在几次光刻、干蚀刻和清洁操作，随后进行几次金属沉积和化学机械抛光(CMP)操作之后，接触线形成在电介质材料104中。

在步骤604中，MLI 212的一部分形成并且由电介质材料104包围。电介质材料104可以选自电介质，例如但不限于SiO2，包括SiO2、氮化硅(Si3N4)、低介电常数(低k)材料的介电材料的堆叠及它们的任何组合或合适介电材料的其他任何组合。MLI 212包括通过通孔连接的局部互连件。MLI 212包含诸如Cu或Al的低电阻金属，而通孔包含诸如TiAl或W的金属。MLI 212通过前述的接触线连接到栅电极118，第一和第二S/D 108和110。

在步骤606中，形成加热器。加热器202是具有由多晶硅层形成的电阻器的电阻加热器。在替代实施例中，电阻器可以由氮化铝钛(TiAlN)、硅化钨(WSix)或具有合适的薄层电阻的任何其他导体形成。在一些实施例中，加热器202的厚度范围为56nm至66nm。然而，加热器202的厚度可不限于此。在一些实施例中，加热器202的标称薄层电阻为约4.8Ω/sq。然而，加热器202的薄层电阻可能不受此限制，并且可以取决于传感器的类型、期望的设定点温度或本领域普通技术人员将理解的其他制造考虑。根据本公开的加热器202包括以同心环配置布置的各个加热元件。加热元件的这种配置或布局与其他布局相比具有几个优点。根据本公开的各种实施例使用多项式补偿来确定加热元件之间的间隔，以改善整个加热器上的温度分布。例如，环之间的间距从中心到边缘径向减小。为了确保流过加热器的每个部分的电流标称恒定，每个加热元件通过接触线电连接到同一同心环构造中的其他加热元件，使得每组连接的加热元件的总电阻标称地相等。为加热元件之间的电气连接添加新的电接触点，总电阻被分为更小的电阻，并且所需的电源电压降低，而加热器消耗的功率保持不变。为了实现通过每个加热元件的电流密度均匀，根据本公开，加热元件宽度W被限制在30μm以下。

在步骤608中，形成MLI的其余部分。根据芯片设计，此步骤是可选的。在该步骤中形成MLI遵循与步骤604类似的制造操作。

在步骤610中，处理衬底216附接到介电材料104的自由表面，MLI212和加热器202的顶部上。处理衬底216包括硅、玻璃或与CMOS制造方法兼容并其为下一步骤步骤提供足够的机械支持的其他任何材料。

在步骤612中，原始SOI晶圆被翻转，从而块状Si层面向上而处理衬底216与薄Si层(有源层102)和部分形成的DG-BSS FET面向下。将块状硅层机械研磨直到掩埋氧化物(BOX)或电介质材料106暴露。BOX或介电材料106用光刻图案化并且蚀刻以形成开口120以暴露有源区102的第二表面102b和沟道区112。在一些实施例中，开口120在多个部分形成的DG-BSS FET 140上方延伸，暴露阵列中每个部分形成的DG-BSS FET的有源区102的第二表面102b和沟道区112。

在步骤614中，包括第二栅极电介质122和固定的捕获试剂130的DG-BSS FET的次栅叠件设置在沟道区112上。第二栅极电介质122和固定的捕获试剂130也可以覆盖开口120的侧壁和BOX或介电材料106。或者，栅极电介质122和固定的捕获试剂130可以仅覆盖沟道区112。在步骤614，DG-BSS FET的形成完成。

在步骤616中，介电材料106或BOX、有源区102和电介质材料104被蚀刻直到MLI 212的第一层，以形成通孔线214。工艺600以在步骤618中形成流体通道204作为结束。

DG-BSS FET能够避免昂贵且费时的标记操作，诸如用例如荧光或放射性探针标记分析物。分析物可以包括任何生物或化学化合物，或包括离子的任何元素。芯片上加热器的物理结构在实现期望的温度均匀性方面是有用的。包括具有同心环配置的各个加热元件的加热器配置具有优于其它布局的几个优点。多项式补偿用于确定各环之间的间距，从而与各环之间具有恒定间隔所取得的均匀性相比提高了加热器表面之间的温度均匀性。根据本公开，环之间的间距从中心向边缘径向减小。为了确保流过加热器的每个部分的电流标称恒定，每个加热元件通过接触线电连接到同一同心环构造内的其他加热元件，使得每组连接的加热元件的总电阻标称是相等的。为加热元件之间的电气连接添加新的电接触点，总电阻被分为更小的电阻，并且所需的电源电压降低，而加热器消耗的功率保持不变。为了使通过每个加热元件的电流密度均匀，根据本公开，加热元件宽度W被限制在30μm以下。

在一个实施例中，集成电路包括具有第一表面和相对的第二表面的公共沟道区、设置在公共沟道区的第一表面上的第一栅极电介质、设置在第一栅极电介质上的第一栅电极、通过公共沟道区彼此横向分离的第一源极/漏极和第二源极/漏极、设置在公共沟道区的第二表面上的第二栅极电介质、具有相对于彼此同心设置的多个加热元件的加热器；和温度传感器。多个加热元件的每个加热元件具有弧形或弯曲形状，并且多个加热元件的每个加热元件具有从公共点的对应半径。温度传感器用于确定FET传感器(诸如DG-BSS FET)的感测区的近似温度。

在一些实施例中，所述加热器设置在所述集成电路内，使得距所述第二栅极电介质不超过5μm。

在一些实施例中，所述加热器的表面积不大于100mm ²。

在一些实施例中，所述多个加热元件中的每个加热元件均具有圆形形状。

在一些实施例中，所述多个加热元件中的多个加热元件的个数不超过200。

在一些实施例中，所述多个加热元件中的每个单独的加热元件均具有不大于30μm的标称宽度。

在一些实施例中，所述多个加热元件中的每个单独的加热元件均具有不大于0.7μm的标称厚度。在另一个实施例中，一种方法包括形成DG-BSS FET，其包括设置在公共通道区的垂直相对表面上的主栅极堆叠和次级栅极堆叠；由公共沟道区彼此横向分离的第一源极/漏极和第二源极/漏极；其中所述主栅叠件具有设置在所述公共沟道区的第一表面上的第一栅极电介质和设置在所述第一栅极电介质上方的第一栅电极，次栅叠件具有设置在所述公共沟道区的所述第二表面上的第二栅极电介质和设置在第二栅极电介质上的捕获试剂；并且在所述集成电路中设置具有多个同心配置的加热元件的加热器，每个加热元件具有弧形的形状，其中加热元件彼此成对电连接；并形成与DG-BSS FET热连通的温度传感器。

在一些实施例中，所述多个加热元件中的每个加热元件均包括电阻器。

在一些实施例中，所述电阻器包括TiAlN。

在一些实施例中，所述电阻器包括硅化物。

在一些实施例中，所述电阻器包括多晶硅。

在一些实施例中，所述第二栅极介电层包括HfO2。

在一些实施例中，每对电连接的加热元件具有相同的标称电阻。

在一些实施例中，固定的捕获试剂包括生物分子。

在一些实施例中，每对电连接的加热元件对具有不止一个电连接点。

在一些实施例中，所述加热器具有室温至300℃的工作温度范围。

在一些实施例中，所述加热器被配置为使其整个表面区域的温度渐变保持在小于或等于1.5℃。

在另一个实施例中，集成电路包括具有第一源极/漏极和第二源极/漏极的双栅极背侧感测场效应晶体管(每个第一源极/漏极和第二源极/漏极设置在有源区中并且通过沟道区彼此横向分离)、设置在沟道区的第一表面上的第一栅极电介质、设置在第一栅极电介质上方的栅极电极和设置在沟道区的第二表面上的第二栅极电介质、第一表面和第二表面位于所述通道区的相对两侧上；位于通道区的第二表面上方的反应位置井；加热器，包括具有相应半径的多个同心设置的加热元件；以及与双栅极背侧感测场效应晶体管热连通的温度传感器。在该实施例中，具有不同半径的相邻加热元件被隔开预定且不均匀的距离。

在一些实施例中，具有不同半径的相邻加热元件之间的距离随着所述加热元件的对应半径增加而减小。

上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。