[發明專利]具有感測晶體管陣列的集成電路、感測裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201380053874.7
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN104737008A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發明（設計）人: J·H·克魯特維杰克;M·梅舍;P·德格拉夫;B·馬塞利斯
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 王茂華;呂世磊

技術領域

本發明涉及包括了半導體襯底、在所述襯底之上的絕緣層以及在所述絕緣層上的包括了第一晶體管的晶體管陣列的集成電路(IC)，其中第一晶體管包括在源極區與漏極區之間的暴露的官能化溝道區，以用于感測介質中的分析物。

本發明進一步涉及包括這樣的IC的感測裝置。

本發明又進一步涉及利用這樣的IC測量介質中的感興趣的分析物的方法。

背景技術

半導體技術的持續小型化已使得嵌入在諸如集成電路(IC)等的半導體器件中的功能能夠顯著多樣化，這在一些情況中已導致在單個器件上提供近全面的解決方案。例如，半導體器件小型化已導致一個或多個傳感器集成到單個半導體器件內，并且在迥然不同的領域中、例如在汽車應用、醫療應用、工業氣體煙道監測等等中可以看到這樣的器件的部署。

例如，在過去的幾十年中，已將感測晶體管添加至IC，例如諸如離子敏感場效應晶體管(ISFET)、被酶官能化的生物分子敏感場效應晶體管(ENFET)等等的化學場效應晶體管。這些場效應器件基于器件的溝道區被暴露于待感測的介質的原理而工作，使得流過溝道區的電流變成感興趣的分析物的函數。為此目的，器件可以包括通過柵極氧化物或充當浮置柵極的被官能化的擴展的柵極而與溝道區分開的官能化層，其中柵極電勢由感興趣的分析物與官能化層之間的相互作用的水平限定。

在諸如IC等的電子器件上提供感測功能的主要挑戰之一是確保半導體器件能夠以經濟上可行的方式生產。這例如在將亞微米尺寸的感測元件(例如諸如基于納米線的晶體管等的納米元件)集成在半導體器件中時是特別的挑戰，因為根本不是利用與整體半導體器件的制造工藝兼容的處理步驟來直接制造這樣的納米元件。因此，這樣的專用元件的集成會導致半導體器件的制造工藝的復雜度顯著增加，由此顯著地增加了這樣的器件的成本。

在這方面的特別問題在于，當感測介質是流體(例如液體或氣體)時，傳感器布置通常需要外部參考傳感器或電極的存在，以補償傳感器漂移、即傳感器對感興趣的分析物的隨時間而變化的響應。在US2004/0136866?A1中公開了這樣的布置的示例，其中參考電極被放置成與待分析的流體接觸以便控制溶液的相對于半導體納米線感測元件的電勢。然而，包括參考傳感器或電極會使傳感器布置的設計進一步復雜化，這因此可以進一步增加電子器件的成本。此外，參考電極的表面會易于積垢，在該情況中傳感器讀數會變得不可靠。

發明內容

本發明旨在提供其中避免對于單獨參考電極的需要的根據開篇段落的IC。

本發明進一步旨在提供包括這樣的IC的感測裝置。

本發明又進一步旨在提供利用這樣的IC來測量感興趣的分析物的方法。

如用獨立權利要求所限定的發明至少部分地實現所尋求的目標。從屬權利要求提供了有利的實施例。

根據本發明的一個方面，提供了一種如在本發明中所限定的集成電路。第一晶體管可以是分析物感測晶體管并且第二晶體管可以是介質感測晶體管。

本發明基于如下認識：可以在時間尺度上執行利用場效應器件對感興趣的分析物的測量，使得介質中的電荷的總量在該時間尺度期間大致保持恒定。換言之，介質可以在測量的時間尺度上被視作封閉或隔離的系統。這當然適用于真正封閉的系統，例如封閉的流體單元，但同樣適用于可以在測量的時間尺度上被視作與其環境隔離的小的局部流體測量。結果，歸因于在該時間尺度上的介質中的電荷的守恒，可以顯示為參考電勢變成背側柵極電勢的函數。因此，通過利用未被官能化的場效應器件測量介質的實際電勢、即參考電勢，可以響應于測量的參考電勢來調整背側柵極電勢，使得在介質(例如感興趣的流體)中維持期望的參考電勢，而不需要提供用于設置介質的電勢的單獨的參考電極。

第一晶體管可以被官能化為以任何合適的方式來感測感興趣的分析物。例如，官能化溝道區可以用粘合層官能化或者代替的是可以用所述溝道區的化學改性來官能化。作為可選方案，溝道區可以經由擴展的柵極(即在空間上與溝道區分開并且通過金屬化結構被導電性地耦合至溝道區的柵極)而被暴露于介質。諸如氧化物膜等的氧化物層典型地存在于溝道區與官能化層之間以將溝道區與浮置柵極電絕緣。氧化物膜可以具有被官能化的外表面以提供官能化層。