半導體生化感測器及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及使用于檢測晶片的半導體生化感測器及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，先進國家一齊邁向高齡化社會，為了防止醫療費用的高漲，預防醫學的重 要性日益增加。在疾病的初期階段，特定檢體樣本中僅含極微量的化學物質，因此若能精 確地檢測出所述化學物質的話，則可早期發現疾病并且大幅節省醫療費用。如此的檢測的 方法，可能可利用微電子技術而予以實現（例如，參照非專利文獻「K.KoiKe,etal.，Jpn. J.Appl.Phys.，vol. 53, 05FF04 (2014)」）。
[0003] 然而，精確度高的檢查裝置不只是價格昂貴，且設備體積較大，若非大醫院或特定 醫療設施是無法處理相關檢測。如此將造成檢查成本高昂，且檢查結果也需等待數日才可 知悉的情形。
[0004] 換而言之，若能提供高精確度的小型檢查裝置的話，在規模較小的醫療機關即可 進行低價格的檢查。再者，借助檢查本身的簡單化，可大幅縮短檢查時間，以大幅地降低使 用者的負擔，且可飛躍地提升便利性。因此，需要使用組合了半導體微結構技術及生化感測 器技術的半導體生化感測器，在不會犧牲檢查裝置的精確度之前提下，使裝置體積相當程 度地小型化，以獲得降低檢查費用的效果。
[0005] 圖1是一種現有半導體生化感測器110的一例示，包含在半導體基板4上，布局了 氧化膜1、源極電極2及汲極電極3。進而，涂布光阻100以在溶入檢查目標物的溶液（已處 理的血液、尿及汗水等等）時保護源極電極2及汲極電極3。此裝置在進行檢查的過程中， 將其直接暴露在溶液中。類似所述現有半導體生化感測器的一實施例已揭露于Koike，et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，vol. 53, 05FF04 (2014)中。
[0006] 如圖10所示，在所述溶液中，目標物7將與附著在氧化膜1表面上的接收器8之 間產生結合反應。其中，解離常數300(K)是決定該結合反應的平衡狀態，若解離常數300 大的話，則目標物7與接收器8將傾向分離，相反地若解離常數300小的話，則目標物7與 接收器8將傾向結合以形成結合體5。如圖2、圖3及圖4所示，結合體5會出現在氧化膜 1的表面上。
[0007] 結合體5是持有目標物7運來的電荷，該電荷是通過氧化膜1而使半導體基板4 的場放射產生變化。其結果，在源極電極2及汲極電極3之間流動的電流產生變化，且借助 讀取其變化，而可判定溶液中是否包含目標物7。
[0008] 若解離常數300小的話，則如圖2所示，多數的結合體5存在于氧化膜1的表面上。 解離常數300若變大的話，則如圖3或圖4所示，氧化膜1表面上的結合體5的數量漸漸的 減少。
[0009] 或者，若溶液中包含的目標物7的數量多的話，則如圖2所示，多數的結合體5存 在于氧化膜1的表面上。若溶液中所含的目標物7的數量減少的話，則如圖3或圖4所示， 氧化膜1表面上的結合體5的數量漸漸的減少。
[0010] 已知，解離常數300對溶液中的目標物7的濃度敏感。再者，解離常數300對溶液 的溫度敏感。
[0011] 如圖3、4所示，存在于氧化膜1表面的電荷將會形成稀疏。如此的情況，由于結合 體5所造成的電荷是在氧化膜1表面上，表現得如同點電荷般，因此如圖6所示，當電子由 源極電極2往汲極電極3傳導之際，容易迂回繞過結合體5。因此，若電子沿一迂回路徑由 源極電極2往汲極電極3傳導，該結合體5不會使電流特性產生變化。
[0012] 據此，如圖7所示，將具有寬的閘極寬度的半導體基板4替換為具有細的閘極寬度 的導線6,在此情況下，找不到迂回路的電子，即使是僅一個點電荷（僅一個結合體5)存在， 也會造成電子減速，并使電流減少。通過感測電減少，理論上即使溶液中僅包含一個目標物 7,也可檢測出。
[0013] 一般而言，流動于晶體管的半導體表面的電流變化，其是作為門檻電壓Vt的變化 (ΔVt)而被檢測出。使電流變化量作為ΔIds，晶體管的互導值作為gn，目標物7運來氧化 膜1表面的總電荷量作為Qx，晶體管的閘極電容作為C，接收器8的表面密度作為[Y]，溶液 中的目標物7濃度作為[X]，溶液的解離常數作為K，且將背景干擾的截斷值cut-off列入 考慮，則可獲得下式（1)。其中，一截斷值cut-off是為了去除非起因于生化感測器的干擾 而設定的補償值。一般而言，截斷值cut-off是遠比起因于生化感測器的干擾小。
[0014]
[0015]由該式（1)，經過簡單的推導，請參照EA.Reed,IEEEIEDM13,ρρ· 208-211 (2013)， 檢測極限（LimitofDetection:!!?)可以表示如下式（2)所示。其中。與起因于生化感 測器的干擾的雜訊電流1_%及截斷值cut-off已列入考慮。
[0016]
[0017] 由上式（2)可得知，只要使起因于生化感測器干擾的雜訊電流I_s/變小形成與截 斷值cut-off相同的話，貝lj檢測極限L0D也變小。
[0018] 如同在上述所作的說明，由于利用導線6,可使該InMS/變小。圖5中揭示一例示。 在共通源極2及共通汲極3之間，平行的配置數個導線6。于該圖的例示中，在四個導線6 上的氧化膜1的表面上形成結合體5。該四個導線6是分別可檢測出關于僅一個結合體5 的電流變化，由此可知，可按照上式（2)看出利用該四個導線6能夠使檢測極限L0D下降。
[0019] 然而，實際上來自全部的導線6的信號，其是于共通汲極3與干擾一起被合計，因 此難以充分達到改善檢測極限L0D的效果。
【發明內容】
[0020] 本發明是有鑒于上述缺陷而進行的，以提供可使高精確度的檢查裝置更小型化的 新穎的半導體生化感測器技術為目的。
[0021] 本發明為解決技術問題，采用了如下的手段。相關本發明的半導體生化感測器，其 是形成高精確度小型檢查裝置的中心部件的半導體晶片，且制造于半導體晶片內，其包含 數個導線，及該數個導線所共有的共通源極領域，及分別地連接該數個導線的數個非揮發 性存儲器，及各自連接該數個非揮發性存儲器的數個感測放大器，及解析該數個感測放大 器的輸出且管理該數個感測放大器的動作的位元線解碼器，及包覆該數個導線的氧化膜， 及附著在該氧化膜表面的數個接收器。
[0022] 再者，相關本發明的半導體生化感測器，其包含在暴露于包含檢體樣本的溶媒前， 檢查來自該數個導線的輸出信號，以進行判斷有無斷裂或異常高電阻等的導線異常的初始 化步驟；及根據該導線異常的判斷，連接至該數個導線中對應的導線的非揮發性記憶體型 汲極選擇閘極晶體管中對應的非揮發性記憶體型汲極選擇閘極晶體管，針對其進行寫入處 理的篩選步驟。
[0023] 根據本發明，可用更便宜的價格提供為了實現高精確度小型檢查裝置所必要的基 本部件。
【附圖說明】
[0024] 圖1 :揭示現有技術的生化感測器的基本裝置構造的圖。
[0025] 圖2 :揭示現有技術的生化感測器的基本裝置構造的圖。
[0026] 圖3 :揭示現有技術的生化感測器的基本裝置構造的圖。
[0027] 圖4 :揭示現有技術的生化感測器的基本裝置構造的圖。
[0028] 圖5 :揭示現有技術的生化感測器的基本裝置構造的圖。
[0029] 圖6 :揭示現有技術的生化感測器中電子電流于電荷的周圍迂回的情況的圖。 [0030]圖7 :揭示現有技術的生化感測器的導線中電子電流于電荷的周圍無法迂回的情 況的圖。
[0031]圖8 :揭示現有技術的接收器附著在生化感測器的氧化膜上，且漂流在溶液中的 目標物附著在接收器的情況的圖。
[0032] 圖9 :揭示本發明的一實施形態的生化感測器的基本構成要素的構成圖。
[0033]圖10 :揭示本發明的一實施形態的目標物及接收器的反應關系的圖。
[0034] 圖11 :揭示本發明的一實施形態的生化感測器的制造方法的圖。
[0035] 圖12 :揭示本發明的一實施形態的生化感測器的制造方法的圖。
[0036] 圖13 :是揭示本發明的一實施形態的生化感測器的制造方法的圖。
[0037] 圖14 :表示本發明的一實施形態的生化感測器的等效電路的圖。
[0038] 圖15 :表示本發明的一實施形態的生化感測器的等效電路上接收器接受目標物 的情況的圖。