具有包括屏蔽層的納米線傳感器的集成電路、感測裝置、測量方法以及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路(IC)，其包括:襯底；在所述襯底之上的絕緣層；以及在所述絕緣層上的第一納米線元件和與所述第一納米線元件相鄰的第二納米線元件。
[0002]本發明進一步涉及包括這樣的IC的半導體器件。
[0003]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。
[0004]本發明又進一步涉及制造這樣的IC的方法。
【背景技術】
[0005]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，并且在迥然不同的技術領域中、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。
[0006]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。
[0007]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，該漂移例如由傳感器表面上的污染物的逐漸堆積而引起。在US2004/0136866 Al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元件的電勢。
[0008]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，這因此可能進一步增加電子器件的成本。此外，參考電極的表面也會易于積垢，在該情況中傳感器讀數會變得不可靠。
【發明內容】
[0009]本發明旨在提供一種其中避免對于單獨的參考電極的需要的根據開篇段落的1C。
[0010]本發明進一步旨在提供一種包括這樣的IC的感測裝置。
[0011]本發明又進一步旨在提供一種利用這樣的IC測量感興趣的分析物的方法。
[0012]本發明又進一步旨在提供一種制造這樣的IC的方法。
[0013]本發明由獨立權利要求限定。從屬權利要求限定了有利的實施例。
[0014]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。
[0015]本發明基于如下認識:通過提供彼此相鄰(相對于待測介質的流動方向)的兩個納米線并且為兩個納米線中的一個提供屏蔽層(諸如疏水層或反離子片材等，其防止諸如離子或不帶電的分子等的顆粒附著至第二納米線并且使得第二納米線對于介質基本或甚至完全惰性、即不敏感)，可以通過對源于這些納米線的信號的差分測量而將這樣的污染物的逐漸堆積對第一納米線的影響過濾掉。另外，歸因于納米線位于晶片的相同區域中、即彼此挨著的事實，在亞微米工藝技術中固有存在的工藝失配的影響可以被最小化，因為這樣的失配影響典型地常見于晶片的不同區域之間。
[0016]優選地，第二納米線元件與第一納米線元件直接鄰近。更優選地，第二納米線元件彼此相鄰。也可以是沿其長度方向平行。納米元件越靠近分析物檢測納米線，由兩個納米線感測到的與介質之間可能有的差異越小并且隨之參考性可以越好。
[0017]納米線中的每一個可以包括例如通過納米線材料的局部氧化形成的可以充當柵極氧化物的氧化物表面層，其中介質充當提供作為例如介質中的感興趣的分析物的函數的柵極電勢的浮置柵極。
[0018]可以例如通過將納米線經由接合焊盤等類似物連接至外部電路而在片外執行差分測量。作為可選方案，集成電路可以進一步包括用于處理第一納米線元件和第二納米線元件的相應的信號的信號處理電路，這具有不需要用于執行測量的外部電路的優點。
[0019]在實施例中，信號處理電路包括布置成從第一納米線元件信號減去第二納米線元件信號的差分器。這樣的差分器、例如反相器或差分放大器由此提供了其中已經從感測的第一納米線中扣除了“惰性的”第二納米線的信號的輸出信號。這為感測納米線提供了可以從任何隨后的測量上被扣除的基本信號，以便將污染物對感測的第一納米線的影響過濾掉。
[0020]優選地，IC進一步包括具有第一納米線元件的第一晶體管(這可以是場效應晶體管(FET))和具有第二納米線元件的第二晶體管(這可以是場效應晶體管(FET))。包括作為晶體管的溝道的納米線促進了測量在納米線的阻抗上的由附著誘發的改變的簡單且敏感的方式。
[0021]在實施例中，IC包括晶體管的陣列，其中各晶體管包括在源極電極與漏極電極之間延伸的納米線，所述陣列包括第一晶體管和第二晶體管。這具有可以用陣列的相應晶體管、例如通過對感測晶體管的單獨官能化來同時測量很多不同的感興趣的分析物的存在的優點。在所述陣列中的相應晶體管可以共享漏極電極和源極電極中的一個，這進一步簡化了陣列的設計。
[0022]襯底可以是絕緣體上硅(SOI)襯底。第一納米線元件和第二納米線元件可以各包括硅納米線，例如通過使S1襯底的硅層圖案化而形成的納米線。
[0023]屏蔽層優選地由在諸如COMS技術等的IC的可應用的制造技術中可容易得到的材料形成。例如，屏蔽層可以是諸如氧化物或氮化物層等的介電層，或者代替地可以是諸如聚酰亞胺或聚對二甲苯層等的聚合物層。特別地，屏蔽層可以是合適的光致抗蝕劑或硬掩模材料的一部分，其可以利用這樣的材料的可容易得到的圖案化技術而形成在第二納米線元件之上。
[0024]屏蔽層典型地具有確保第二納米線元件對介質不敏感的厚度，使得由第二納米線元件產生的信號反應例如通過布置成作為背側柵極操作的襯底而被施加至元件的偏置。為此，襯底優選地是半導體襯底。
[0025]根據本發明的另一方面，提供了一種包括流動通道和根據本發明的實施例的集成電路的感測裝置，其中第一納米線元件和第二納米線元件被布置在所述流動通道中，以使得第一納米線元件和第二納米線元件相對于通過所述流動通道的介質的流動方向彼此相鄰。這具有如之前所說明的可以在不需要單獨的參考電極的情況下將傳感器漂移和其他不顯著的影響過濾掉的優點。
[0026]根據本發明的又一方面，提供了一種如本發明所限定的測量介質中的感興趣的分析物的方法。這確保了在不需要單獨的參考電極的情況下的對感興趣的分析物的精確測量。
[0027]在實施例中，同時捕捉來自所述第一納米線元件的第一納米線元件信號和來自所述第二納米線元件的第二納米線元件信號的步驟包括用交流電流來驅動第一納米線元件和第二納米線元件；并且從第二納米線元件信號與第一納米線元件信號之間的差異導出分析物測量值的步驟包括測量第一納米線元件對所述交流電流的復阻抗響應以及第二納米線元件對所述交流電流的復阻抗響應。AC源的使用進一步