用于測試isfet陣列的方法和裝置的制作方法

專利名稱：用于測試isfet陣列的方法和裝置的制作方法
用于測試ISFET陣列的方法和裝置相關申請本申請要求2010年6月30日提交的美國臨時申請系列號61/360，493和2010年7月I日提交的美國臨時申請系列號61/360，495的優先權權益，它們每篇的公開內容通過引用整體并入本文。
背景技術：
電子裝置和組件已經在化學和生物學(更一般地，“生命科學”)中得到眾多應用，特別是用于檢測和測量不同的化學和生物反應，以及鑒別、檢測和測量不同的化合物。一種這樣的電子裝置被稱作離子敏感的場效應晶體管，在相關文獻中經常表示為ISFET(或pHFET)。ISFET常規地主要在科學和研究團體中采用，用于便利溶液的氫離子濃度(通常表示為“pH”)的測量。 更具體地，ISFET是一種阻抗轉化裝置，其以類似于MOSFET (金屬氧化物半導體場效應晶體管)的方式運行，且為選擇性地測量溶液中的離子活性而特別構建(例如，溶液中的氫離子是“分析物”)。在 “Thirty years of ISFET0L0GY:what happened in thepast30years and what may happen in the next30years,,r .Bergveld, Sens.Actuators,88 (2003)，第1-20頁(所述出版物通過引用整體并入本文)中，給出了 ISFET的詳細運行理論。使用常規CMOS(互補金屬氧化物半導體)方法來制造ISFET的細節，可以參見:Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0301398, Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0282617，和Rothberg等人，美國專利公開2009/0026082 ;這些專利公開統稱為“Rothberg”，并且都通過引用整體并入本文。但是，除了 CMOS以外，也可以使用biCMOS(即，兩極的和CMOS)加工，諸如包括PMOS FET陣列的方法，所述陣列具有在外圍上的兩極結構。可替換地，可以采用其它技術，其中敏感元件可以用三端裝置來制作，其中感知的離子會導致信號的形成，所述信號控制3個終端之一；這樣的技術還可以包括，例如，GaAs和碳納米管技術。以CMOS為例，P-型ISFET制造是基于p_型硅襯底，其中形成n_型孔，它構成晶體管“主體”。在η-型孔內形成高度摻雜的P-型(ρ+)區域S和D，它們構成ISFET的源和排出裝置。在η-型孔內還形成高度摻雜的η-型(η+)區域B，以提供與η-型孔的傳導體(或“塊”)的連接。氧化物層可以安置在源、排出裝置和主體接頭區上面，穿過它們制作開口，以提供與這些區域的電連接(通過電導體)。在源和排出裝置之間，在η-型孔區域上面的位置，可以在氧化物層上面形成多晶硅柵。因為它安置在多晶硅柵和晶體管主體(即，η-型孔)之間，所述氧化物層經常被稱作“柵氧化物”。類似于M0SFET，ISFET的運行是基于由MOS (金屬氧化物半導體)電容造成的電荷濃度(和因而通道電導)的調節，所述電容由多晶硅柵、柵氧化物和在源和排出裝置之間的孔(例如，η-型孔)區域組成。當在柵和源區域之間施加負電壓時，通過剝奪該區域的電子，在該區域和柵氧化物的界面處建立通道。就η-孔而言，所述通道是ρ-通道(反之亦然)。在η-孔的情況下，所述P-通道在源和排出裝置之間延伸，且當柵-源負電勢足以從源吸收孔進入通道時，傳導電流穿過P-通道。通道開始傳導電流時的柵-源電勢稱作晶體管的閾值電壓vth(當Vgs具有大于閾值電壓Vth的絕對值時，晶體管傳導)。源因此得名，因為它是流過通道的電荷載體(P-通道的孔)的源；類似地，排出裝置是電荷載體離開通道的地方。如Rothberg所述，可以制造具有浮動柵結構的ISFET，所述浮動柵結構如下形成:將多晶硅柵聯接到多個金屬層上，所述金屬層安置在一個或多個額外的氧化物層內，所述氧化物層安置在柵氧化物的上面。浮動柵結構由此得名，因為它與其它的ISFET相關導體在電學上分離；也就是說，它夾在柵氧化物和鈍化層之間，所述鈍化層安置在浮動柵的金屬層(例如，頂金屬層)的上面。如Rothberg進一步所述，ISFET鈍化層構成離子敏感的膜,其產生裝置的離子靈敏度。與鈍化層(尤其可以位于浮動柵結構上面的敏感區域)相接觸的分析物溶液(即，含有目標分析物(包括離子)的溶液，或被測試目標分析物存在的溶液)中的分析物(諸如離子)的存在，會改變ISFET的電特征，從而調節流過ISFET的源和排出裝置之間的通道的電流。鈍化層可以包含多種不同材料中的任一種，以促進對特定離子的靈敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金屬氧化物(諸如硅、鋁或鉭的氧化物)的鈍化層通常會提供對分析物溶液中氫離子濃度(PH)的靈敏度，而包含聚氯乙烯(含有纈氨霉素)的鈍化層會提供對分析物溶液中鉀離子濃度的靈敏度。適用于鈍化層且對其它離子(諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸鹽)敏感的物質是已知的，且鈍化層可以包含多種材料(例如，金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物)。關于在分析物溶液/鈍化層界面處的化學反應，用于ISFET的鈍化層的特定材料的表面可以包括這樣的化學基團:其可以為分析物溶液捐獻質子，或接受來自分析物溶液的質子，在任意給定的時間在分析物溶液界面處的鈍化層的表面上剩下帶負電荷的、帶正電荷的和中性的位點。關于離子靈敏度，通常稱作“表面電勢”的電勢差出現在鈍化層和分析物溶液的固/液界面處，隨敏感區域中的離子濃度而變化，這是由于化學反應(例如，通常包含在敏感區域附近的分析物溶液中的離子對氧化物表面基團的解離)。該表面電勢又影響ISFET的閾值電壓；因而，ISFET的閾值電壓隨著在敏感區域附近的分析物溶液中的離子濃度的變化而變化。如Rothberg所述，由于ISFET的閾值電壓Vth對離子濃度敏感，源電壓Vs提供與在ISFET的敏感區域附近的分析物溶液中的離子濃度直接有關的信號。化學敏感的FET( “chemFET”)的陣列或更具體地ISFET，可以用于監測反應——包括例如核酸(例如，DNA)測序反應，這基于監測在反應過程中存在的、產生的或使用的分析物。更通常地，包括chemFET的大陣列在內的陣列可以用于檢測和測量在眾多化學和/或生物學過程(例如，生物學或化學反應、細胞或組織培養或監測、神經活性、核酸測序等)中的多種分析物(例如，氫離子、其它離子、非離子型分子或化合物等)的靜態和/或動態量或濃度，其中基于這樣的分析物測量可以得到有價值的信息。這樣的chemFET陣列可以用于檢測分析物的方法中和/或通過在chemFET表面處的電荷的變化而監測生物學或化學過程的方法中。ChemFET (或ISFET)陣列的這種用途包括:檢測溶液中的分析物，和/或檢測在chemFET表面(例如ISFET鈍化層)上結合的電荷的變化。關于ISFET陣列制造的研究記載在下述出版物中:“A large transistor-basedsensor array chip for direct extracellular imaging,J.Milgrew,M.0.Riehle,andD.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 111-112, (2005),第 347-353 頁，和“The development of scalable sensor arrays using standard CMOS technology,^M.J.Milgrew, P.A.Hammond,和 D.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 103,(2004)，第37-42頁，所述出版物通過引用并入本文，且在下文中共同稱作“Milgrew等人”。在Rothberg中，含有關于制造和使用ChemFET或ISFET陣列的描述，所述陣列用于化學檢測，包括與DNA測序有關的離子的檢測。更具體地,Rothberg描述了使用chemFET陣列(特別是ISFET)來對核酸測序，其包括:將已知的核苷酸摻入反應室中的多個相同核酸中，所述反應室與chemFET接觸或電容式聯接，其中所述核酸與反應室中的單個珠子結合，并檢測在chemFET處的信號，其中信號的檢測指示一個或多個氫離子的釋放，所述氫離子源自已知的三磷酸核苷酸向合成的核酸中的摻入。用于測試以化學敏感的晶體管為基礎的陣列(諸如離子敏感的場效應晶體管(ISFET)陣列)的現有技術包括“濕試驗”。ISFET陣列對流體中的化學組成的變化敏感。因此，通常如下測試ISFET陣列:使一種或多種液體(例如具有不同pH值的液體)在陣列上面流動，讀出所述陣列中的每個ISFET元件的應答，并確定所述元件是否適當地運行。盡管濕試驗具有在預期的運行條件下測試ISFET的益處，在大多數情況下認為濕試驗是不實用的。具體地，濕試驗對于高體積生產而言是麻煩的且不實用的。并且，濕試驗將裝置暴露于流體，所述流體可能造成腐蝕和阻止所述裝置在正常運行之前完全干燥。此外，裝置向液體的暴露，可能產生在裝置中或將來污染的缺陷。因為這些原因，一旦裝置暴露于流體，生產商通常不再接受該裝置。

因此，本領域需要以化學敏感的晶體管為基礎的裝置的干試驗。


圖1圖示了離子敏感的場效應晶體管(ISFET)的橫截面。圖2圖示了元件陣列的框圖。圖3圖示了用于測試元件陣列的簡化流程圖。圖4圖示了 2-T像素陣列的一個實施例。圖5圖示了 3-T像素的一個實施例。圖6圖示了浮動柵終端晶體管的橫截面。圖7圖示了與浮動柵終端晶體管等效的電路示意圖。圖8圖示了在測試階段中的與浮動柵終端晶體管等效的電路示意圖。
具體實施例方式本發明的實施方案提供了一種測試化學檢測裝置的方法，所述裝置包括像素元件陣列，其中每個像素元件包括化學敏感的晶體管，所述晶體管具有源終端、排出裝置終端和浮動柵終端。所述方法可以包括:共同地連接一組化學敏感的晶體管的源終端，在該組的源終端處施加第一試驗電壓，測量由第一試驗電壓在排出裝置終端處產生的對應的第一電流，并基于所述第一試驗電壓和電流計算電阻值。所述方法還可以包括:在該組的源終端處施加第二試驗電壓，以在不同運行模式下運行該組，其中所述第二試驗電壓至少部分地基于所述電阻值，并測量由第二試驗電壓在排出裝置終端處產生的對應的第二組電流。基于化學敏感的晶體管的第二試驗電壓和電流和運行性能，計算該組中的每個化學敏感的晶體管的浮動柵電壓。本發明的實施方案提供了化學敏感的晶體管陣列的干試驗方法，所述晶體管具有源、排出裝置和浮動柵。所述方法可以包括將第一試驗電壓施加于公共源連接的化學敏感的晶體管的組；基于由第一組試驗電壓產生的第一試驗電壓和電流，計算電阻；施加第二試驗電壓，其中所述第二試驗電壓驅動化學敏感的晶體管在多個運行模式之間轉變，且其中所述第二試驗電壓部分地基于計算的電阻；計算每個驅動的化學敏感的晶體管的浮動柵電壓；和確定每個計算的浮動柵電壓是否在預定的閾值內。本發明的實施方案提供了一種裝置，所述裝置包括化學檢測元件陣列和測試電路。每個元件可以包括化學敏感的場效應晶體管，所述晶體管具有半導體主體終端、源終端、排出裝置終端和浮動柵終端。所述測試電路可以包括在所述陣列的每側處的多個驅動電壓終端，其中所述多個驅動電壓終端與多個源終端和多個主體終端聯接，和電流源，所述電流源與所述陣列中的至少一個元件的排出裝置終端聯接，以通過將排出裝置電流轉化成對應的電壓測量值來測量排出裝置電流。本發明的實施方案提供了一種測試晶體管的方法，所述晶體管具有浮動柵和重疊電容，所述重疊電容是在所述浮動柵與第一和第二終端中的至少一個之間。所述方法可以包括將試驗電壓施加于所述晶體管的第一終端，偏壓所述晶體管的第二終端，測量在所述第二終端處的輸出電壓，和確定所述輸出電壓是否在預定范圍內。經由重疊電容的試驗電壓可以將晶體管置于活化模式。本發明的實施方案提供了一種裝置，所述裝置包括檢測元件陣列和試驗電路。每個元件可以包括場效應晶體管，所述晶體管具有浮動柵、第一終端、第二終端和重疊電容，所述重疊電容是在所述浮動柵與所述第一和第二終端中的至少一個之間。所述測試電路可以包括與至少一個第一終端聯接的驅動電壓終端、與至少一個第二終端聯接的偏壓電流終端、和與至少一個第二終端聯接的輸出電壓測量終端。本發明的實施方案涉及用于測試離子感知裝置(諸如ISFET裝置)的系統和方法。通常，ISFET感知在所述ISFET上面形成的微孔中的化學組成的變化。這樣的化學變化可以由所述微孔含有的流體中的化學反應造成。圖1是ISFET100的簡化圖。ISFET100被解釋為NMOS裝置；但是，PMOS裝置也可以用于本發明的方面中。在該實施方案中，ISFET100是具有4個終端的半導體器件。所述4個終端是柵終端110、排出裝置終端120、源終端130和主體終端140。所述柵終端110可以是浮動柵。ISFET100可以包括浮動柵，在所述浮動柵上面存在微孔。該微孔可以含有氧化物(或其它材料)，所述氧化物具有造成特定離子物質結合的表面位點，從而誘導電荷分布的變化，和造成在所述表面處的電勢變化。該表面電勢的變化然后可以由ISFET檢測，并由讀出電路測量，其代表所述微孔內含有的離子的量。以此方式，陣列(例如，圖2的ISFET元件陣列210)中的每個ISFET可以用于檢測在所述陣列上面存在的樣品液體的離子濃度的局部變化。ISFET100可以與標準MOSFET裝置類似地運行，且可以在幾個運行區域之間轉換。當ISFET100被偏壓使得V&s-Vth為正值且大于Vds時，所述晶體管是處于三極管區域，它也通常稱作線性區域。在所述三極管區域，可以將穿過排出裝置終端120的電流Id定義為:
權利要求
1.一種測試化學檢測裝置的方法，所述化學檢測裝置包括像素元件陣列，每個像素元件包括化學敏感的晶體管，所述化學敏感的晶體管具有源終端、排出裝置終端和浮動柵終端，所述方法包括: 共同地連接一組化學敏感的晶體管的源終端； 在所述組的源終端處施加第一試驗電壓； 測量由所述第一試驗電壓在所述排出裝置終端處產生的對應的第一電流； 基于所述第一試驗電壓和電流，計算電阻值； 在所述組的源終端處施加第二試驗電壓，以在不同運行模式下運行所述組，其中所述第二試驗電壓至少部分地基于所述電阻值； 測量由所述第二試驗電壓在所述排出裝置終端處產生的對應的第二組電流；和基于所述化學敏感的晶體管的所述第二試驗電壓和電流以及運行性能，計算所述組中的每個化學敏感的晶體管的浮動柵電壓。
2.根據權利要求1所述的方法，其中每個化學敏感的晶體管是離子敏感的場效應晶體管(ISFET)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述組包括所述陣列中的所有化學敏感的晶體管。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述組包括所述陣列的交替行。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述組包括所述陣列的交替列。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一試驗電壓順序地施加在所述陣列的不同側。
7.根據權利要求1所述的方法，其另外包括:用所述第二試驗電壓施加試驗電流。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述第二試驗電壓順序地施加在所述陣列的不同偵牝且其中關于所述陣列的每側計算所述浮動柵電壓。
9.根據權利要求8所述的方法，其中計算的浮動柵電壓關于所有側一起取平均值。
10.根據權利要求2所述的方法，其中沒有流體樣品與所述陣列中的任意浮動柵終端接觸或鄰近。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述化學敏感的晶體管的不同運行模式包括三極管模式和飽和模式之一。
12.一種化學敏感的晶體管陣列的干試驗方法，所述化學敏感的晶體管具有源、排出裝置和浮動柵，所述方法包括: 將第一試驗電壓施加于公共源連接的化學敏感的晶體管的組； 基于由所述第一組試驗電壓產生的第一試驗電壓和電流，計算電阻； 施加第二試驗電壓，其中所述第二試驗電壓驅動所述化學敏感的晶體管在多個運行模式之間轉變，且其中所述第二試驗電壓部分地基于計算的電阻； 計算每個驅動的化學敏感的晶體管的浮動柵電壓；和 確定每個計算的浮動柵電壓是否在預定的閾值內。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述化學敏感的晶體管是ISFET。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述公共源連接的組是整個陣列。
15.根據權利要求12所述的方法，其中所述公共源連接的組包括所述陣列的交替行。
16.根據權利要求12所述的方法，其中所述公共源連接的組包括所述陣列的交替列。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述多個運行模式包括三極管模式和飽和模式。
18.一種裝置，其包括: 化學檢測元件陣列，每個元件包括: 化學敏感的場效應晶體管，所述化學敏感的場效應晶體管具有半導體主體終端、源終端、排出裝置終端和浮動柵終端；和測試電路，所述測試電路包括: 在所述陣列的每側處的多個驅動電壓終端，所述多個驅動電壓終端與多個源終端和多個主體終端聯接； 電流源，所述電流源與所述陣列中的至少一個元件的所述排出裝置終端聯接，以通過將排出裝置電流轉化成對應的電壓測量值來測量排出裝置電流。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述化學敏感的晶體管是ISFET。
20.根據權利要求18所述的裝置，其中所述測試電路構造成驅動所述化學敏感的場效應晶體管以在不同模式下運行。
21.根據權利要求20所述的裝置，其中所述不同模式包括三極管模式和飽和模式。
22.一種測試晶體管的 方法，所述晶體管具有浮動柵和重疊電容，所述重疊電容是在所述浮動柵與第一和第二終端中的至少一個之間，所述方法包括: 將試驗電壓施加于所述晶體管的所述第一終端； 偏壓所述晶體管的第二終端； 測量在所述第二終端處的輸出電壓；和 確定所述輸出電壓是否在預定范圍內； 其中經由所述重疊電容的試驗電壓將所述晶體管置于活化模式。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述晶體管是ISFET。
24.根據權利要求22所述的方法，其中所述第一終端是排出裝置終端，所述第二終端是源終端。
25.根據權利要求22所述的方法，其另外包括: 調節所述試驗電壓至另一電壓值； 將調節過的試驗電壓施加于所述第一終端； 測量在所述第二終端處的第二輸出電壓；和 基于所述輸出電壓，測定晶體管性能。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述晶體管性能是晶體管增益。
27.根據權利要求22所述的方法，其中由與所述晶體管的終端植入物部分地重疊的柵氧化物層材料形成所述重疊電容。
28.根據權利要求23所述的方法，其中沒有流體樣品與所述浮動柵終端接觸或鄰近。
29.一種裝置，其包括: 檢測元件陣列，每個元件包括: 場效應晶體管，所述場效應晶體管具有浮動柵、第一終端、第二終端和重疊電容，所述重疊電容是在所述浮動柵與所述第一和第二終端中的至少一個之間；和測試電路，所述測試電路包括: 與至少一個第一終端聯接的驅動電壓終端， 與至少一個第二終端聯接的偏壓電流終端，和 與所述至少一個第二終端聯接的輸出電壓測量終端。
30.根據權利要求29所述的裝置，其中每個場效應晶體管是ISFET。
31.根據權利要求29所述的裝置，其中每個場效應晶體管的第一終端是排出裝置終端，每個場效應晶體管的第二終端是源終端。
32.根據權利要求29所述的裝置，其中由與所述晶體管的終端植入物部分地重疊的柵氧化物層材料形成所述重 疊電容。
全文摘要
本發明提供了化學敏感的晶體管器件(諸如ISFET裝置)的測試，無需將所述裝置暴露于液體。在一個實施方案中，本發明執行第一試驗來計算晶體管的電阻。基于所述電阻，本發明執行第二試驗，以使試驗晶體管在多個模式之間轉變。基于對應的測量結果，然后在幾乎沒有至沒有電路開銷的情況下計算浮動柵電壓。在另一個實施方案中，使用至少任一個源或排出裝置的寄生電容來偏壓ISFET的浮動柵。施加驅動電壓和偏壓電流，以利用寄生電容來測試晶體管的功能性。
文檔編號G01N27/403GK103080739SQ201180041968
公開日2013年5月1日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者J.博蘭德, K.G.法伊夫, M.J.米爾格魯 申請人:生命科技公司