用于分析物檢測的三維集成電路的制作方法

專利名稱：用于分析物檢測的三維集成電路的制作方法
技術領域：
本發明的實施方案涉及用于檢測生物分子如分析物的器件 和方法。具體而言，所述實施方案包括使用包括晶體管的半導體器 件作為在生物分子檢測中的電傳感器。本發明跨越了若干學科，如 生物化學、物理學、微電子學、免疫學、分子生物學和醫學診斷 學。
背景對于諸如基因組學、蛋白質組學、診斷和病理研究至關重 要的生物測定而言，快速而特異性地檢測生物分子和生物細胞(如蛋 白、DNA和RNA，病毒、肽、抗體、抗原、紅細胞、白細胞和血小 板)已經變得越來越重要。例如，快速而準確地檢測特定抗原和病毒 對于抗擊流行性疾病如AIDS、流感和其它傳染病而言非常重要。此 外，由于分離和檢測細胞和生物分子的方法更快且特異性更強，因 此正在以飛快的速度闡明疾病的分子水平起源，有可能開創一個個 人化醫療的新時代，為每位患者開發出特定的療程。為了全面利用 疾病表型的這一延展的知識，越來越需要和要求同時檢測多種生物 分子(如病毒、DNA和蛋白)的新方法。多重生物分析檢測法必須快 速、靈敏、高度平行，且理想的是能夠在體內診斷細胞表型。越來越多地用于醫學診斷、食物及環境分析中的一種特定 類型的生物測定法是免疫測定。免疫測定是一種生物化學檢驗，利用抗體與其抗原的反應，測量生物液體(如血清或尿液)中物質的水平。該測定法利用抗體對其抗原的特異性結合。常常使用單克隆抗體，因為它們通常僅與特定分子的一個部位結合，因而提供特異性更強且更準確的檢驗，這種檢驗不太容易因其它分子的存在而被混淆。所選抗體必須對抗原具有高親和性(如果可得到抗原，則其相當大的部分必須與該抗體結合)。在免疫測定中，抗原或抗體的存在皆可4皮測量。例如，當4企測感染時，4全測抗病原體抗體是否存在。為了測量激素如胰島素，則將胰島素用作抗原。傳統上，為了得到數值結果，必須將待測的液體反應與已
知濃度的標準品相比較。這通常通過在圖上作標準曲線來完成，然后檢查曲線中未知物反應的位置，因而發現未知物的量。對抗體或抗原含量的檢測可以通過各種各樣的方法來實現。最常用的方法之一是對抗原或抗體進行標記。標記可以由酶、放射性同位素或熒光團組成。日益增多的生物測定如免疫測定和基因測序正在在微陣列(如DNA微陣列或蛋白微陣列)上進行。微陣列是連接于固體表面(如玻璃、塑料或硅芯片)、形成陣列的含有探針的微觀點(如DNA點或蛋白點)的集合。可以采用本領域技術人員眾所周知的技術將多重探針裝配在單個基片上。探針可以通過雜交與分析物或分析物組結合。應用這種陣列的實例包括但不限于研究以確定哪些基因在癌癥中有活性、研究以確定哪些基因差異使患者對藥物治療產生不良反應、研究傳染病、研究以確定患者是否存在基因突變。目前，對化學反應或結合的檢測用多步驟方法來實現，如

圖1所示。用熒光標記或其它標記(例如化學發光、放射性、染料等)對樣品中的分析物進行標記。在陣列上洗滌樣品，分析物因雜交而結合于與表面上的其互補探針上。基片上發生與探針的結合時，所述標記被結合到基片上的某個位置。用儀器照射標記產生讀者可見的點。通常使用熒光標記，且用利用激光照明和CCD照相機的儀器來讀出，以將所結合標記的位置和亮度數字化。附圖簡述圖1 (現有技術)圖示了采用常規微陣列用熒光型標記檢測分析物的方法。圖2顯示本發明實施方案的生物化學傳感器。圖2a顯示記錄用作為微處理器應用的邏輯晶體管的SOI FET的平面圖。圖2b表明SOI器件可以通過使生物化學試劑暴露于晶體管的溝道區而用作傳感器。圖2c闡明了用三維晶片(wafer)疊層技術制造的SOIFET傳感器。圖3顯示了可在本發明實施方案中用作生物傳感器的疊層晶片器件的橫截面視圖。圖4顯示了薄體SOI器件和背面基片(back substrate)偏壓對含p型晶體管器件的溝道傳輸的影響。圖5顯示具有本發明實施方案的生物化學傳感器的微陣列。圖6顯示了可以片上直接檢測和數字化讀出和分析的測定法的示意圖。
詳細描述如說明書和權利要求書中所使用的，單數形式"a"、"an"和"所述(the)"包括復數形式，除非上下文清楚表明并非如此。例如，術語"陣列(an array)"可以包括多個陣列，除非上下文清楚表明并非如此。"電傳感器"、"生化傳感器"或"傳感器"意指4企測或感測由于電子運動而產生的電信號(包括但不限于電阻、電流、電壓或功率)的物質或器件。"場效應晶體管"或FET意指依賴于電場來控制半導體材料中溝道電導的晶體管。FET有三個端子，通常被稱為柵極、漏極和源極。施加在柵極端子和源極端子之間的電壓調節源極端子和漏極端子之間的電流。小的柵極電壓變化可以引起從源極至漏極電流的大變化，因此使FET能夠放大信號。場效應晶體管(FET)是依賴電場來礦質半導體材料中溝道電導的晶體管。FET有三個端子，通常被稱為柵極、漏極和源極。施加在柵極端子和源極端子之間的電壓調節源極端子和漏極端子間的電流。小的柵極電壓變化可以引起從源極至漏極電流的大變化，因此使FET能夠放大信號。FET可用來放大弱信號，并且可以放大模擬信號或數字信號。它們也可用作電壓控制電阻以及化學和生物檢測中的傳感器。"陣列，，"宏陣列(macroarray)"或"微陣列"是有意創造的連接于或制造于基片或固體表面(如玻璃、塑料、硅芯片或形成陣列的其它材料)上的物質(如分子)、開口(opening)、微線圈、檢測器和/或傳感器的集合。這些陣列可用來同時測量大量(如數十個、成千或成百萬個)反應或組合的表達水平。陣列也可以含有小數目的物質，如幾種或12種物質。陣列中的所述物質可以彼此相同或不同。陣列可以采用各種各樣的形式，例如可溶性分子庫；結合于樹脂珠、氧化硅芯片或其它固相支持體的化合物庫。陣列或者是宏觀陣列或微陣列，這取決于陣列上焊盤(pad)的尺寸。宏觀陣列的焊盤尺寸一般約為300微米以上，宏觀陣列可以容易地通過凝膠和印跡掃描器成像。微陣列的焊盤大小通常小于300微米。"基片"、"支持體"和"固相支持體"意指具有一個或多個剛性或半剛性表面的材料或一組材料。在某些方面，固相支持體的至少一個表面為基本平的，盡管在某些方面可能理想的是對于不同分子有例如阱(well)、凸區、管腳(pin)、蝕刻溝槽等的物理上獨立的合成區。在某些方面，固相支持體將采用微珠、樹脂、凝膠、微球或其它幾何結構的形式。術語"分析物，，、"靶標，，或"靶分子"意指有待檢測和/或分析的目標分子，例如核苷酸、寡核苷酸、多核苦酸、肽或蛋 白。分析物、靶標或靶分子可以是小分子、生物分子或納米材料， 例如但不必限于具生物活性的小分子、核酸極其序列、肽和多肽、 以及用生物分子或能結合分子探針的小分子修飾的納米結構材料，
例如化學改性碳納米管、碳納米管束、納米線(nanowire)、納米簇 (nanocluster)或納米微粒。靶分子可以是熒光標記的抗原、抗體、 DNA或RNA。"生物分析物"意指作為生物分子的分析物。術語"捕獲分子"意指被固定在表面上的分子。捕獲分子 一般(但非必須)與靶標或靶分子結合。捕獲分子通常為抗體、核苷 酸、寡核苦酸、多核普酸、肽或蛋白，但也可以是小分子、生物分 子或納米材料，例如但不必限于具有生物活性的小分子、核酸及其 序列、肽和多肽、以及用能與結合了探針分子的靶分子結合的生物 分子或小分子化學修飾的、以形成捕獲分子、靶分子和探針分子復 合物的納米結構材料。就固相免疫測定而言，捕獲分子被固定在基 片表面，并且是對靶標即待測抗原具特異性的抗體。捕獲分子可以 是熒光標記的抗體、蛋白、DNA或RNA。捕獲分子能夠或不能僅與 輩巴分子或僅與4笨針分子結合。術語"探針"或"探針分子"意指與用于分析靶標的與靶 分子結合的分子。探針或探針分子一般(但非必須)具有已知的分子結 構或序列。探針或探針分子可以連接或不連接于陣列基片。探針或 探針分子通常是抗體、核苷酸、寡核苷酸、多核苷酸、肽或蛋白， 包括例如單克隆抗體、cDNA或預先合成的沉積于陣列上的多核苷 酸。探針分子是能夠與靶分子進行結合或分子識別事件的生物分 子。(在某些文獻中，術語"靶標，，和"探針"的定義與本文所提供 的定義相反)。在免疫測定中，探針分子可以是標記的對靶標即待測 抗原具特異性的抗體。在這種情況下，捕獲分子、靶分子和探針分 子形成"三明治，，。多核苷酸探針僅需要基因的序列信息，因此可 以利用生物體的基因組序列。在cDNA陣列中，由于在基因家族成員中的序列同源性，可能有交叉雜交。多核苷酸陣列可以具體用來 鑒別基因家族中的高同源性成員以及同 一基因的剪接形式(外顯子特 異性的)。本發明實施方案的多核苷酸陣列也可以用來允許檢測突變 和單核苷酸多態性。探針或探針分子可以是捕獲分子。"結合配偶體"意指對一種或多種分析物、靶標或其它分 子具有結合親和性的分子或聚集體。從這種意義來說，結合配偶體 或者是"捕獲分子"或者是"探針分子"。在本發明實施方案的范 圍內，實際上對目標分析物或靶標具有結合親和性的任何分子都可 以是結合配偶體，包括但不限于多克隆抗體、單克隆抗體、單鏈抗 體、嵌合抗體、人源化抗體、抗體片段、寡核苷酸、多核苷酸、核 酸、適體、核酸配體和可以與至少一種靶分子結合的任何其它已知 配體。盡管在某些實施方案中，結合配偶體與單一靶標特異性地結 合，但在其它實施方案中，結合配偶體可以與具有相似結合或結合 結構域的多種靶標結合。"結合，，是指兩種以上物質之間產生足夠穩定的復合物以 便允許檢測結合分子復合物的相互作用，如耙標和捕獲分子或探針 分子之間的相互作用。在本發明的某些實施方案中，結合也可以指 第二分子和靶標之間的相互作用。"與......連接"或"連接(association)"意指兩種以上物質
之間產生足夠穩定的復合物的直接或間接相互作用，例如靶標和捕 獲分子或探針之間的相互作用。例如，當分子或復合物通過另一分 子或物質與基片表面直接結合或者與另一分子或物質和基片表面結 合時，所述分子或分子復合物"與"基片表面"連接"。換句話 說，當所述物質中任一成員直接結合于所述物質的至少另一成員 時，所述物質彼此"連接"。另外，集成器件中的元件也與該器件 "連接"。例如，集合電路中的晶體管與該電路"連接"。術語"標記"、"標志"和"傳感化合物"可互換使用， 意指可被觀測者、但不一定被用來鑒別分析物或靶標的系統辨別的標記或指示物。標記也可以通過進行預先設計的可檢測過程來達到 其效果。標記通常在生物測定中用來與在其它情況下難以被檢測的 物質綴合或連接。同時，標記通常不改變或影響基礎的測定過程。 用于生物測定的標記或標志包括但不限于放射性物質、磁性物質、 量子點、酶、基于脂質體的標記、生色團、熒光團、染料、納米微 粒、量子點或量子阱、復合有機-無機納米簇、膠體金屬微粒、或它 們的組合。術語"管芯"、"聚合物陣列芯片"、"陣列"、"陣列 芯片"或"生物芯片"可互換使用，意指布置在共享基片上的大量 捕獲分子的集合，其中共享基片可以是硅晶片、尼龍條或載玻片的 一部分。當用陣列芯片來分析核苷酸時，使用術語"DNA陣列"或 "DNA陣列芯片"。當用陣列芯片分析蛋白質時，使用術語"蛋白 芯片"。術語"芯片"或"效芯片"意指由半導體材料制造并具有 一個以上集成電路或一個以上器件的微電子器件。"芯片"或"微 芯片，，通常為晶片切片，通過切割晶片制造。"芯片，，或"微芯 片，，可以在單個薄長方形硅、藍寶石、鍺、氮化硅、硅鍺(silicn germanium)或任何其它半導體材料上包括許多微型晶體管和其它電子 元件。微芯片可以包含數打、數百或數百萬個電子元器件。"微型電子機械系統(MEMS)"是通過微制造技術將機械 部件、傳感器、執行器和電子器件集成在共同的硅基片上。雖然電 子器件用集成電路(IC)工藝步驟制造(例如CMOS、雙極性或 BICMOS工藝)，但可以用選擇性地蝕刻掉硅晶片上部分或加入新結 構層形成機械器件或電子機械器件的兼容"微制造"工藝制造微型 機械元件。微電子集成電路可被認為是系統的"大腦"，而MEMS 以"目艮睛"和"手臂"增強這種決策能力，允許微系統感測和控制 環境。傳感器通過測量機械、熱、生物、化學、光學和^ 茲力現象， 從環境采集信息。然后電子器件處理來自傳感器的信息，并且通過某些決策能力，命令執行器通過移動、定位、調節、泵送和過濾而
作出反應，借此控制環境以達到某些所需結果或目的。因為MEMS 器件采用與集成電路所用技術相似的批量制造技術來制造，所以能 夠以相對低成本給小硅芯片賦予空前水平的功能性、可靠性和復雜性。"微處理器"是集成電路(IC)芯片上處理器。該處理器可 以是一個以上IC芯片上的一個以上的處理器。芯片通常是具有數千 個電子元件的硅芯片，用作計算機或計算裝置的中央處理器(CPU)。"大分子，，或"聚合物"包括共價連接的兩個以上的單 體。單體可以一次連接一個，或者可被連接在一連串的多個單體 中， 一般被稱為"寡聚物"。因此，例如，l個單體和一連串的5個 單體可以連接形成6個單體的大分子或聚合物。同樣地， 一連串的 50個單體可以與一連串的100個單體連接形成150個單體的大分子 或聚合物。本文所用的術語聚合物包括例如核酸、多核苷酸、多核 苷酸、多糖、寡糖、蛋白、多肽、肽、磷脂和肽核酸(PNA)的線性或 環狀聚合物。肽包括具有a-氨基酸、(3-氨基酸或co-氨基酸的那些 肽。另外，聚合物包括雜聚物，其中已知藥物被共價連接到以上任 何一種、聚氨酯、聚酯、聚碳酸酯、聚脲、聚酰胺、聚乙烯亞胺、 聚亞芳基硫醚、聚硅氧烷、聚酰亞胺、聚醋酸酯或在參閱本申請公 開內容后顯而易見的其他聚合物。本文所用的"納米材料"意指在原子水平、分子水平和大 分子水平上具有長度范圍在大約1-100納米范圍尺寸的結構、器件 或系統。優選納米材料因其大小而具有性能和功能，并且可以在原 子水平上進行4乘作和控制。術語"生物分子"意指作為有生命的生物體一部分的任何 有機分子。生物分子其中包括核苷酸、多核苷酸、寡核苷酸、肽、 蛋白、配體、受體。"生物分子復合體，，意指由兩種以上類型生物 分子構成的結構。生物分子復合體的實例包括細胞或病毒粒子。細胞可以包括例如細菌、真菌、哺乳動物細胞。術語"核苦酸"包括脫氧核苦酸及其類似物。這些類似物 是這樣的分子，它們具有某些與天然核苷酸相同的結構特征，因此 當被摻入到多核苷酸序列中時，它們可以與溶液中的互補多核苦酸 雜交。通常，這些類似物由天然核普酸通過置換和/或修飾堿基、核 糖或磷酸二酯鍵而衍生。這些變化可以是定制的，以使雜交體的形 成穩定或去穩定，或者以增強與所需互補多核苷酸序列雜交的特異 性，或者以增強多核苦酸穩定性。本文所用術語"多核苷酸"意指任何長度的核苷酸(是核糖 核苷酸或脫氧核苷酸)的聚合形式，其包含噪呤和嘧啶堿基、或其他 天然的、經化學或生物化學修飾的、非天然的、或衍生化的核苷酸 堿基。本發明實施方案的多核苷酸包括可以從天然來源中分離的、 重組生產的、或人工合成的脫氧核糖多核苷酸(DNA)、核糖多核苷酸 (RNA)或核糖多核苷酸的DNA拷貝(cDNA)。本發明實施方案的多核 苷酸的其他實例包括聚酰胺多核苷酸(PNA)。多核苷酸和核酸可以作 為單鏈或雙鏈存在。多核苷酸的主鏈可以包含通常可以在RNA或 DNA中找到的糖和磷酸基團，或者包含修飾型或取代型糖或磷酸基 團。多核苷酸可以包含修飾型核苷酸，例如曱基化核苷酸和核苷酸 類似物。核苷酸序列可以被非核苷酸成分中斷。由核苷酸構成的聚 合物(例如核酸、多核苷酸和多核苷酸)在本文也可被稱為"核苷酸聚 合物"。"寡核苷酸，，是具有2-20個核苷酸的多核苷酸。類似物 還包括常規用于多核苷酸合成的受保護和/或修飾型單體。正如本領 域技術人員所周知的，多核苷酸合成釆用多種堿基保護的核苷衍生 物，其中嘌呤和嘧啶部分的一個以上的氮原子被諸如二曱氧基三苯 曱基、千基、叔丁基、異丁基等的基團保護。例如，任選將結構基團加入到用于摻入多核苷酸的核苷酸 的核糖或核苷的堿基，例如核糖2，-0位的曱基、丙基或烯丙基，或用于取代2'-0基團的氟基，或核糖核苷堿基上的溴基。2，-0-曱基寡 核苷酸(2，-0-MeORN)對互補多核苷酸(尤其是RNA)的親和性強于其 未經修飾的對應物。或者，還可以使用其中嘌呤或嗜咬中的一個以 上的氮原子被C原子取代的脫氮嘌呤和脫氮嘧啶。多核苦酸的磷酸二酯鍵或"糖-磷酸酯主鏈"也可被取代或 修飾，例如被曱基膦酸酯、O-曱基磷酸酯或硫代磷酸酯取代或修 飾。用于本公開目的、包含這種修飾型鍵合的多核苷酸的另一實例 包括"肽多核苷酸"，其中聚酰胺主鏈與多核苷酸堿基或修飾型多 核苷酸堿基連接。包含聚酰胺主鏈和天然核苷酸中存在的堿基的肽 多核苷酸是市售的。具有修飾型堿基的核苷酸也可以用于本發明實施方案中。 某些堿基修飾的實例包括2-氨基腺噤呤、5-曱基胞嘧啶、5-(丙炔-1-基)胞嗜啶、5-(丙炔-l-基)尿嘧啶、5-溴尿嘧啶、5-溴胞嘧啶、羥曱基 胞嗜啶、曱基尿嘧啶、羥曱基尿嘧啶和二羥基戊基尿嘧啶，其可被 摻入多核苷酸以便改變對互補多核苷酸的結合親和性。基團也可以連接于核苷糖環上或者嘌呤或嘧啶環上的各種 位置，這可以通過與帶負電的磷酸酯主鏈靜電相互作用、或者通過 大溝或小溝中的相互作用而穩定雙鏈體。例如，腺嘌呤和鳥嘌呤核 普酸可以在N^立被咪唑基丙基取代，以提高雙鏈體的穩定性。也可 以包括通用的堿基類似物，例如3-硝基吡咯和5-辨基吲咮。在文獻 中描述了各種各樣的適用于本發明實施方案的修飾型多核苷酸。當目標大分子為肽時，氨基酸可以是任何氨基酸，包括a-氨基酸、(3-氨基酸或co-氨基酸。當氨基酸為a-氨基酸時，可以使用 L-旋光異構體或D-旋光異構體。另外，本發明實施方案也包括非天 然氨基酸，例如P-丙氨酸、苯甘氨酸和高精氨酸。這些氨基酸在本 領域眾所周知。"肽，，是一種聚合物，其中單體為氨基酸，氨基酸通過酰 胺鍵連接在一起，或者被稱為多肽。在本說明書的上下文中，應當認識到，所述氨基酸可以是L-旋光異構體或D-旋光異構體。肽長度 為兩個以上的氨基酸單體，通常多于20個氨基酸單體。"蛋白"是通過肽鍵連接的氨基酸的長聚合物，可以由兩 條以上的多肽鏈組成。更具體地說，術語"蛋白"意指由一條以上 特定順序的氨基酸鏈組成的分子，所述順序由蛋白編碼基因中的核 苦酸序列來確定。蛋白是生物體的細胞、組織和器官的結構、功能 和調節所必不可少的，每種蛋白具有特有的功能。實例為激素、酶 和抗體。術語"序列"意指大分子中單體的特定順序，它在本文中 可被稱為大分子的序列。術語"雜交"意指兩個單鏈多核苷酸非共價結合形成穩定 的雙鏈多核苷酸的過程；三鏈雜交在理論上是可行的。所產生的(通 常的)雙鏈多核苷酸為"雜交體"。形成穩定雜交體的核苷酸群的比 例在本文中被稱為"雜交程度"。例如，雜交意指在探針多核苷酸 (例如包括取代、缺失和/或添加的本發明多核苷酸)與特定靶多核苷酸 (例如分析物多核苷酸)之間形成雜交體，其中探針優先與所述特定靶 多核苷酸雜交，基本上不與基本上不與靶多核苷酸互補的序列構成 的多核苷酸雜交。然而，本領域技術人員會認識到，與靶多核苷酸 特異性雜交所需的多核苷酸最小長度將取決于若干因素其中有G/C 含量、錯配堿基(如果有的話)的位置、與耙多核苷酸群相比所述序列 的獨特程度、和多核苷酸的化學性質(例如曱基膦酸酯主鏈、硫代磷 酸酉旨等)。用于進行多核苷酸雜交測定的方法在本領域已被充分開發 出。雜交測定程序和條件將隨應用而變，按照本領域已知的通用結 合方法來進行選擇。應當認識到，兩種單鏈多核苷酸雜交的能力將取決于諸如 互4卜程度以及雜交反應條件的嚴格性的因素。"配體"是被特定受體識別的分子或分子部分。可以用本發明研究的配體的實例包括但必不限于細胞膜受體的激動劑和拮 抗劑、毒素和毒物、病毒表位、激素、激素受體、肽、酶、酶底 物、輔因子、藥物(例如阿片類、類固醇等)、凝集素、糖、多核苷 酸、核酸、寡糖、蛋白和單克隆抗體。"受體，，是對給定配體具有親和性的分子。受體可以是天 然的或人造的分子。此外，它們可以其未經改變的狀態或作為與其 他物質的聚集體來使用。可將受體與結合成員直接或通過特定的結 合物質共價或非共價連接。可用于本發明的受體的實例包括但不限 于抗體、細胞膜受體、與特定抗原決定簇(例如病毒、細胞或其他 物質上的)反應的單克隆抗體和抗血清、藥物、多核苷酸、核酸、 肽、輔因子、凝集素、糖、多糖、細胞、細胞膜和細胞器。受體有 時在本領域被稱為抗配體。本文使用術語"受體，，，在含義上沒有 差別。當兩種大分子通過分子識別已經結合形成復合體時，形成 "配體受體對，，。可以用本發明研究的受體的其他實例包括但不限
于
a) 微生物受體確定與受體結合的配體(例如特定的轉運蛋白或 對于微生物存活必不可少的酶)可用于開發新一類抗生素。抗機會致 病性真菌、原生動物和那些抗目前所用抗生素的細菌的抗生素將特 別有價值。
b) 酶例如， 一種類型的受體是酶的結合部位，所述酶例如為 負責切割神經遞質的酶；確定與某些受體結合從而調節切割不同神 經遞質的酶的作用的配體，可用于開發可用于治療神經傳遞疾病的 藥物。
c) 抗體例如，本發明可以用于研究抗體中與目標抗原之表位 結合的配體結合部位；確定模擬抗原表位的序列可導致開發出基于 一種或多種這種序列的免疫原的疫苗，或者可導致開發出可用于治 療性治療例如自身免疫病(例如通過阻斷"抗自身，，抗體結合)的相關 診斷藥或化合物。d) 核酸可以合成核酸序列，以建立DNA或RNA結合序列。
e) 催化性多肽能促進涉及使一種以上反應物轉化為一種以上 產物的化學反應的聚合物，優選多肽。這種肽一般包括結合部 位，對至少一種反應物或反應中間體具有特異性；和接近結合部位 的活性官能團(fonctionality)，其能化學修修飾所結合的反應物。
f) 激素受體激素受體的實例包括例如胰島素和生長激素的受 體。以高親和性與受體結合的配體的確定有益于開發例如糖尿病患 者服用以緩解糖尿病癥狀的每日注射的口服替代物。其他實例是血 管收縮性激素受體；結合受體的那些配體的確定可導致開發出控制 血壓的藥物。
g) 阿片受體在腦中結合阿片受體的配體的確定有益于開發嗎 啡及相關藥物的成癮性較低的替代物。"熒光團"或"熒光化合物"可以包括但不限于染料、固 有熒光的蛋白、鑭系熒光體等。染料例如包括羅丹明及衍生物， 如得克薩斯紅、ROX (6-羧基-X-羅丹明)、羅丹明-NHS和TAMRA (5/6-羧基四曱基羅丹明NHS);熒光素及衍生物，如5-溴曱基熒光素 和FAM (5，-羧基熒光素NHS)、熒光黃、IAEDANS、 7-Me2、 N-香豆 素-4-乙酸酯、7-OH-4-CHr香豆素-3-乙酸酯、7^112-4013-香豆素-3-乙酸酉旨(AMCA)、 monobromobimane、三石黃酸芘如Cascade Blue、和 monobromotrimethyl-ammoniobimane。術語"互補"意指配體分子和其受體的相互作用表面的拓 樸結構互補性或互相匹配。因此，受體及其配體可被描述為互補 的，此外，接觸表面特征彼此互補。術語"晶片"是指半導體基片。可將晶片制成各種尺寸和 形狀。它可用作微芯片的基片。基片上可以覆蓋或嵌入電路，例如 焊盤、通孔、互連點或劃線。晶片的電路也可用于若干目的，例如 用作微處理器、存貯器和/或通信能力。電路可由晶片本身上的微處 理器控制，或者由晶片外部的器件控制。
本發明的實施方案涉及使用半導體器件的器件和方法，其 中所述半導體器件具有作為晶體管的電傳感器，以檢測電傳感器附 近是否存在生物分子。所述半導體器件對生物化學物質存在的反應 是非線性的。本發明實施方案的半導體器件可以常采用已開發的三 維集成電路工藝技術制備，并且可被制造成對不同生物化學物質或 生物分子的存在相當靈敏。該器件包括晶體管，該晶體管的特性如
暴露時改變。在所述實施方案中，當將生物分子引至電傳感器附近時晶 體管特性的改變是特定化學和/或生物相互作用的反映，并且被電傳 感器檢測到，該電傳感器可作為用于進行化學分析和醫學診斷的集 成片上器件的部分。在具體實施方案中，電傳感器可以是場效應晶 體管。本發明的實施方案還涉及其中基片中包含電傳感器陣列的 器件和方法。來自電傳感器的信號由基片上或獨立器件中的電路檢 測和采集。本發明電傳感器陣列的一個應用是其在用于同時分析多 種蛋白或DNA的蛋白質或DNA陣列中的應用。本發明實施方案的 基片可以是也用作微陣列或宏陣列、集成電路、微流體器件、MEMS 或它們的組合的集成器件的部分。因此，該器件所包含或處理的樣 品也可以由該集成器件分析，并對信號進行處理分析。生物樣品通常含有成千種或甚至更多種類型的生物分子， 床診斷需要測量多種分析物以進行疾病確診。目前，對每種分析 物單獨測量，這需要來自患者的多個樣品。本發明實施方案的傳感 器可以用作多重測定，其中可以對多種分析物同時進行測量。在本發明的實施方案中，可被檢測的分析物包括所有類型 的抗原，例如蛋白、多糖和與蛋白偶聯的小分子。抗原及其相應抗 體之間的特異性結合構成了免疫測定的基礎。適用于本發明實施方 案的抗體包括單克隆抗體、多克隆抗體、重組抗體、隨機肽和適
他體。適用于本發明實施方案的免疫測定包括基于夾心原理和竟爭原 理的固相免疫測定。也包括特定類型的免疫測定，例如酶聯免疫吸
附測定(ELES A)和電化學發光(ECL)。本發明實施方案中的分析物還包括核酸(DNA和RNA)， 它們可以通過雜交、即互補堿基配對而形成雙鏈分子。核酸雜交的 特異性使得可以通過電讀出帶電靶分子(例如DNA、 RNA、蛋白)和 化學修飾型納米材料(例如用DNA功能化的碳納米管、納米線、納 米微粒)間相互作用引起的極化變化，來檢測分子和/或納米材料結合 事件，其中化學修飾型納米材料具有互補靶探針(例如DNA、 RNA、 抗體)，并且與電極(例如Au、 Pt)相連。互補堿基配對的這種特異性 也使得可以在DNA芯片(也稱為DNA陣列)上的同一個實驗中同時 進行上千個雜交。分子探針或捕獲分子通過表面功能化技術被固定在可單獨 尋址的電傳感器陣列的表面。本發明實施方案的陣列可以是布置在 微型支持體上的包含稠密的網格型點(也稱為元件(element)或填料 (pad))的DNA陣列(共用基區上的DNA探針的集合)。每個點可代表 不同的基因。 DNA芯片中的捕獲分子或探針通常與通過制備來源于特 定細胞類型(來源)的RNA分子的復雜復合物的DNA拷貝而產生的復 雜RNA或cDNA靶雜交。這種靶的組成反映了所述來源中各個 RNA分子的水平。來自在探針和耙之間雜交后DNA芯片中的DNA 點的結合事件所產生的信號的強度，代表了所述來源的基因的相對 表達水平。所述DNA芯片可以用于樣品(例如健康組織對患病組織)間 的差別基因表達，以搜索各種特定基因(例如與感染性因子相關的)或 用于基因多態性和表達分析。特別是，所述DNA芯片可以用來研究 與各種疾病相關的各種基因的表達，以找出這些疾病的病因以及使 得能夠進行準確的治療。
采用本發明的實施方案，人們可以查找基因的特定核酸區 段，即在所檢查的基因中查找具有特定堿基順序的位點。這種檢測 可以采用診斷性多核苦酸來進行，其中診斷性多核苦酸由合成裝配 的短單鏈互補多核苷酸(即通過A-T或G-C鍵與所述核酸的特定區段 結合(雜交)的以鏡像順序構成的堿基鏈)構成。除非另有說明，否則本發明實施方案的實施可以采用微電 子、納米技術、有機化學、聚合物技術、分子生物學(包括重組技 術)、細胞生物學、生物化學和免疫學的常規技術，這些技術在本領 域的技術范圍內。這樣的常規技術包括聚合物陣列合成、免疫測 定、雜交、連接、分子(如抗體)的檢測和采用標記的雜交。合適技術 的具體說明可以參考下文的實施例。然而，當然也可以使用其它等 同的常規程序。本發明的一個實施方案涉及用于檢測分析的器件。該器件 包括電傳感器，后者在生物分子被引入電傳感器附近時改變其特性 之一。按照本發明的實施方案，其特性如亞閾值斜率因傳感器附近 環境的電荷變化而改變的任何傳感器，皆可用作所述電傳感器。在具體實施方案中，電傳感器包括電磁傳感器、晶體管、 電阻傳感器、電功率傳感器、磁性傳感器、電壓傳感器或電流傳感 器。特定檢測系統可用作電傳感器的部分或全部，包括歐姆計、萬 用表、檢流計、電表、葉片式驗電器(leaf electroscope)、伏特計、瓦 時表、磁羅盤、磁通門羅盤或磁強計。在另外的實施方案中，電傳感器是場效應晶體管(FET)。 如本文所論述的，FET是依賴于電場來控制半導體材料中"溝道，， 電導的晶體管。FET通常有三個端子，被稱為柵極、漏極和源極。 施加于柵極端子和源極端子間的電壓調節源極端子和漏極端子間的 電流。換句話說，在FET中，電流沿稱作溝道的半導體路徑流動。 在溝道一端有稱為源極的電極。在溝道另一端有稱為漏極的電極。 盡管溝道的物理直徑對于給定FET是固定的，但其有效電直徑可通過施加電壓以控制稱為柵極的電極而變化。在一個實施方案中，可將生物分子引至晶體管柵極區附 近，致使生物分子的電荷可在FET的柵極和源極間產生電壓，因此 在FET的源極和漏極之間產生電流。如本文所述，可對FET的兩種 操作模式和電流強度進行測量，使得可以檢測生物分子的存在情況 下和生物分子上電荷的強度。許多類型場效應晶體管可用于本發明實施方案中，包括結 型FET (JFET)和金屬氧化物半導體FET (MOSFET)以及N型半導體 (N-溝道)或P型半導體(P-溝道)。在具體實施方案中，FET是 MOSFET、 JFET、金屬半導體FET (MESFET)或高電子遷移率 (HEMFET)。在本發明的另一實施方案中，在場效應晶體管中可使用各 種納米材料，尤其是用作源極和漏極間的溝道、用于增強靈敏度和 選擇性。在具體實施方案中，FET包括納米線、納米晶體或納米 管，如單壁(single walled)或多壁(multiple walled)納米管。FET也可以 包括納米柱(nanopillar)、納米縫隙(nanogap)、圖案化納米結構。在本發明的所述實施方案中，分析物包括用于檢測或分析 的任何目標化合物、分子或聚集體。分析物的非限制性實例包括 抗體、蛋白、肽、受體、抗原、DNA、 RNA、多核苷酸、核酸、糖 類、脂類、細菌、大分子、變應原、糖類、多糖、糖蛋白、生長因 子、細胞因子、脂類、激素、代謝物、輔因子、抑制劑、藥物、藥 劑、毒物、爆炸物、殺蟲劑、營養素、毒素、化學戰劑、生物戰 劑、生物危害劑、病原體、朊病毒、放射性同位素、維生素、致癌 物質、誘變劑、麻醉藥、雜環芳族化合物、安非他明、巴比妥酸 鹽、 迷幻劑、廢物和污染物。在本發明的一個實施方案中，分析物包括生物分子。更具 體而言，分析物包括抗原、抗體、蛋白、肽、病毒、DNA、 RNA、 淡紅、核酸、糖類、脂類、細菌或大分子。
在本發明的所述實施方案中，通過將生物分子引至傳感器
附近而產生的電荷變化包括電擾動、阻抗、電流、電壓或由電荷變 化引起的光誘導電荷分離。擾動可以電流、電勢、阻抗或場效應的 形式由電傳感器感測。在這方面，本發明的實施方案可以使得能夠實時檢測由分 子事件(如下文所述的生物分子相互作用)所致的電荷變化。在本發明 的某些實施方案中，FET對電擾動、阻抗、電流、電壓或光誘導電 荷分離的檢測是距離依賴性的。具體而言，當生物分子和FET表面 間的距離處于納米(nm)范圍時，檢測的靈敏度可取決于所述距離。在 某些情況下，遠離傳感器的生物分子可能檢測不到。因此，在本發 明的特定實施方案中，生物分子和傳感器間的距離可以小于10微 米，優選小于1微米，更優選小于1000納米(nm)，最優選小于100 nm。按照本發明的另一實施方案，所述器件或電傳感器是另一 器件如集成電路的部分。因此，在一個實施方案中，電傳感器與基 片相連，基片可以包括聚合物、硅或玻璃。在另一實施方案中，基 片包括微陣列、宏陣列、多孔板、微流體器件、集成電路、MEMS 或它們的組合。基片還可包括能夠處理電傳感器所檢測到的信號或 數據的微處理器。在本發明的所述實施方案中，可用作基片的具體材料包括 但不限于聚苯乙烯、聚二曱基硅氧烷(PDMS)、硅、玻璃、化學功能 化的玻璃、包被聚合物的玻璃、包被硝基纖維素的玻璃、未包被玻 璃、石英、天然水凝膠、合成水凝膠、塑料、金屬和陶瓷。基片可 以包括目前用于實施免疫測定、DNA或蛋白微陣列分析的任何平臺 或器件。因此，基片可以包括微陣列或宏陣列、多孔板、微流體器 件、集成電路、MEMS或它們的組合。此外，基片也可以不是平 的，可以包括珠、微粒或其它形狀的物體。在本發明的另一實施方案中，基片包括微處理器，后者含有軟件或硬件以處理來自所述器件或電傳感器的信號或數據。例 如，由傳感器產生的作為電信號的相/強度信息可以被讀取到微處理 器以轉換并產生數據，例如所檢測的特定分析物的類型和量。在本發明的另一實施方案中，基片包括在其上進行化學分 析或生物分析的平臺或器件。具體而言，基片可以包括用于進行免 疫測定如ELISA測定的器件，其中已經形成了抗體/抗原/抗體的夾心 型結合。基片也可以包括DNA微陣列測定，其中已經形成了夾心型 的捕獲分子/靶DNA/探針結合。因此，按照本發明所述實施方案的 器件和檢測可以作為其中可形成序貫的多重程序的更大器件或方法 的部分。在本發明的所述實施方案中，所述一個或多個微流溝道可 以作為基片的部分，它們可以是集成器件，如集成電路、微流體器 件或MEMS。微流體溝道或其集成器件可以采用本領域技術人員已 知的技術或本文所公開的方法來制造。例如，微流體溝道可以采用 軟光刻法(soft l池ography method)用聚二曱基硅氧烷來制造。采用這 些技術，可以產生小至30 nm臨界尺寸的圖案。這些技術使用在表 面具有圖案化凹凸(relief)的透明彈性聚二曱基硅氧烷(PDMS)"印 記，，來產生特征(feature)。可以通過在用常規光刻技術形成圖案的主 部件上以及在其它目標主部件上澆鑄預聚合物，制備所述印記。若 干不同的技術被統稱為軟光刻。所用的技術還包括微制造用于微型電子機械系統(MEMS) 的硅、和用圖案化石英使熱塑性塑料成紋。與常規光刻法不同，這 些技術能在彎曲基片和反射基片上產生特征，以及快速使大區域圖 案化。可以用以上技術使各種各樣的材料形成圖案，包括金屬和聚 合物。所述方法補充和擴展了現有的納米光刻技術，并且為特征尺 寸約為30nm的高質量圖案和結構4是供了新途徑。可以由壓力梯度、電場梯度、重力、熱梯度等來控制。標記或標記 綴合分子可被帶有單室或多室的平面器件來分隔，其中表面用可使
非特異性結合最小化的聚合物(聚乙二醇(PEG)改性(dramatized)化合
物)來修飾。本發明的實施方案也包括用于檢測分析物的器件，其包括
括電傳感器的陣列和連接的復合物。具體而言，該器件包括電傳感 器陣列和與至少一部分所述電傳感器中的每個電傳感器的表面連接
的復合物。在該實施方案中，復合物包含在暴露于輻射時能產生電 荷變化的標記，而被連接的電傳感器能檢測所述電荷變化。因此，按照該實施方案，所述器件包括預設計圖案的電傳 感器(如場效應晶體管)陣列。在具體實施方案中，電傳感器中的至少 一部分可分別尋址。換句話說，根據需要，檢測和控制單獨傳感器 的類型、位置和電連接。該實施方案能夠對分析物進行同時的多重 才企測和分片斤。本發明的實施方案涉及一種器件，其包括第一基片，其 含有晶體管；第二基片；絕緣層，其位于第一基片和第二基片之間
并與第一基片和第二基片鄰接；和開口，位于第二基片內，所述開
口對準晶體管；其中晶體管配置用于檢測開口內的電荷變化。優選
晶體管是場效應晶體管(FET)。優選FET是金屬氧化物半導體FET (MOSFET)、結型FET (JFET)、金屬半導體FET (MESFET)或高電子 遷移率(MEMFET)。優選FET含有納米線、納米晶體、納米管、納 米柱、納米縫隙或圖案化納米結構。優選FET含有單壁碳納米管。 優選第一基片和第二基片獨立包含聚合物、硅或玻璃。優選第一基 片和第二基片獨立包含微陣列、宏陣列、多壁板、微流體器件、集
成電路、MEMS或它們的組合。該器件可以進一步包括能處理晶體管所產生的信號或數據 的微處理器。優選第一基片連接于支持基片，所述連接通過粘結 層。優選第一基片為基本平的，厚度為約10 nm至約1.0 mn。優選絕緣層包含氧化硅。優選絕緣層的厚度為約5.0 nm至約100 nm。優 選第二基片為基本平的，厚度為約0.5 nm至約10 nm。優選開口通 過第二基片的厚度方向。優選開口所占空間包括立方體、圓柱體、 棱柱體或平截頭體。優選開口的尺寸為約10 nm至約5 pm。優選晶 體管是FET，而開口對準FET的溝道區。優選電荷變化包括電擾 動、阻抗、電流、電壓或光i秀導電荷分離。j尤選開口內表面^皮功能 化，以有助于分子結合。優選電荷變化由開口內表面或其附近的分 子結合事件引起。優選所述分子結合事件包括第一結合配偶體結合
到開口內表面以及第二結合配偶體與第一結合配偶體的結合。優選 第一或第二結合配偶體包含生物分子。優選第一結合配偶體包含抗 體、抗原、受體、配體、蛋白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多 核苷酸、核酸或大分子。優選第二結合配偶體包含抗原、抗體、蛋 白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多核苷酸、核酸或大分子。優 選第二結合配偶體包含抗原，而第 一結合配偶體包含抗該抗原的抗 體。優選第二結合配偶體包含肽，而第一結合配偶體包含該肽的受 體或配體。優選第二結合配偶體包含第一多核苦酸，而第一結合配 偶體包含第 一 多核苦酸的互補多核苷酸。本發明的另一實施方案涉及一種方法，其包括提供基 片，該基片包含第一部分、第二部分、和位于第一部分和第二部分 之間并鄰接第一和第二部分的絕緣層；在第一部分上制造晶體管； 和在第二部分內制造開口，所述開口對準晶體管；其中晶體管配置 用于檢測開口內的電荷變化。優選基片包括硅晶片。優選基片的提 供包括將氧離子植入基片的預定區域，以產生絕緣層，該絕緣層將 基片分隔成第 一部分和第二部分。優選基片的提供包括提供第 一基 片和第二基片；氧化第一基片和第二基片的表面；和將第一基片和 第一基片通過氧化表面結合；其中所述第一基片形成第一部分，第 二基片形成第二部分，而結合的氧化表面形成絕緣層。在一個變體中，上述方法可進一步包括將支持基片與第一基片連接。優選所述連接通過焊接(bonding)手段進行。上述方法可進一步包括在第一部分和第二部分上獨立制造微陣列、宏陣列、多孔板、微流體器件，集成電路、MEMS或它們的組合。上述方法可進一步包括在第一部分或第二部分上制備微處理器，所述微處理器能夠處理由晶體管產生的信號或數據。上述方法可進一步包括將第一部分或第二部分削薄(thinning)。優選第一部分為基本平的，厚度為約10 nm至約1.0 mm。優選絕緣層的厚度為約5.0 nm至約100 nm。優選第二部分為基本平的，厚度為約1.0 pm至約10 mm。優選開口通過第二基片的厚度方向。優選晶體管為FET，而開口對準FET的溝道區。在一個實施方案中，上述方法可進一步包括將開口內表面功能化，以有助于分子結合。本發明的另外的實施方案涉及一種方法，其包括提供一種器件，該器件包含含有晶體管的第一基片、第二基片、位于第一基片和第二基片之間并與這兩個基片鄰接的絕緣層；和位于第二基片內的開口，所述開口對準晶體管；在開口內表面或其附近提供分析物；和用晶體管才企測開口內表面或附近的電荷變化。該方法可進一步包括處理由晶體管產生的信號或數據。優選電荷變化包括電擾動、阻抗、電流、電壓或光誘導電荷分離。優選開口的內表面被功能化，以有助于分子結合。優選電荷變化因開口內表面或其附近的分子結合事件而產生。該方法可進一步包括將結合配偶體固定在開口內表面。優選分析物的提供包括使分析物與結合配偶體結合。優選結合配偶體或分析物包含生物分子。優選結合配偶體包含抗體、抗原、受體、配體、蛋白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多核苷酸、核酸或大分子。優選分析物包含抗原、抗體、蛋白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多核苷酸、核酸或大分子。優選分析物包含抗原，而結合配偶體包含抗該抗原的抗體。優選分析物包含肽，而結合配偶體包含該肽的受體或配體。優選分析物包含第一多核苷酸，而結合配偶體包含第一多核苷酸的互補多核苷酸。
本發明的其它實施方案涉及一種器件，其包含第一基片、第二基片、和位于第一基片和第二基片并與這兩個基片鄰接的絕緣
層；其中第一基片包含晶體管陣列，而第二基片包含開口陣列，至少一部分開口中的每個開口對準所述晶體管之一。優選至少一部分
晶體管中的每個晶體管能檢測對準所述晶體管的開口內的電荷變化。優選至少一部分晶體管是場效應晶體管(FET)。優選至少一部分晶體管可單獨尋址。優選至少一部分晶體管的內表面被功能化，以有助于分子結合。優選至少一部分開口中的每個開口的內表面結合有一種以上結合配偶體。優選與一個開口結合的結合配偶體包含相同的分子。優選與一個開口結合的結合配偶體中的至少兩種包含不同的分子。優選與開口中的至少兩個結合的結合配偶體包含相同的分子。優選與開口中的至少兩個結合的結合配偶體包含不同的分子。本發明的其它實施方案涉及一種器件，其包含具有正面和背面的基片、基片第一面上的傳感器節點陣列和穿過基片厚度的通孔開口(via opening),其中至少某些傳感器節點含有由基片背面通過通孔開口功能化的探針分子。所述器件還可在起始晶片(start wafer)上含有用于列和行選擇的外部邏輯，以訪問特定傳感器節點。該器件還可含有包括CMOS邏輯的讀出電路，所述CMOS邏輯單元具有讀出放大器，以檢測分析物分子被加入到通孔開口時的電流變化。現通過以下實施例解釋本發明的實施方案。實施例實施例l:本發明實施方案的傳感器本發明實施方案的傳感器示于圖2，該圖顯示了作為生物化學傳感器的SOIFET (硅絕緣子場效應晶體管(Silicon on InsulatorField Effect Transistor))。圖2a顯示了記錄S01 FET用作為微處理器應用的邏輯晶體管的平面圖。SOI FET的特征是設置在埋入氧化物頂部的極薄的硅鰭片(fm); Si膜厚度根據晶體管柵極長度來調整-柵極長度越小，則需要越薄的Si膜，以維持溝道中的靜電。圖2b表明，SOI器件可通過使生物化學物質接觸晶體管的溝道區而用作傳感器。生物化學物質的變化改變了晶體管裝置的傳輸特性，并因此用作傳感器。圖2c闡述了用三維晶片疊層技術制造的SOIFET傳感器。圖lc顯示了用作SOIFET傳感器的最終器件。MOSFET晶體管的加工首先在SOI基片上完成。此后將其倒裝，用銅焊將其焊接到操作用晶片(handle wafer)上以得到機械支持。然后使SOI晶圓基片從頂部變薄至厚度范圍為0.5微米至5微米。在圖案形成步驟之后，在削薄的基片上制造通孔開口并蝕刻到埋入氧化物，產生貫通硅通孔。在某些情況下，可用定時的濕法蝕刻法使埋入氧化物層進一步變薄。帶有SOI器件的晶片可用銅焊層連接到操作用晶片上，如圖3所示。然后將器件晶片變薄至數微米，隨后可以制造貫通硅通孔(開口)。可將生物分子加入到通孔中，它們會改變器件的特性。因此，本發明實施方案的半導體器件可用作傳感器。請參閱圖3，在第一含硅基片上制造晶體管和其它器件，所述第一含硅基片位于絕緣層(例如氧化物層)上，而絕緣層位于第二含硅基片上。在絕緣層或第一含硅基片頂部制造由銅塊制成的偽焊接層(dummy bonding layer)。在有源SOI晶片和操作用晶片兩者的介質鈍化層中產生銅焊。將具有相似焊接層(其為銅層)的操作用晶片精確對準并焊接(例如通過熱壓焊接)至第一含硅基片，使得另 一晶片適用于操作用晶片，這在磨削和深腐蝕處理期間提供機械支持。焊接后，通過機械磨削或蝕刻，將作為含有有源晶體管的SOI基片晶片的第二含硅基片變薄至數微米。通過蝕刻制造與晶體管器件對應的貫通硅通孔。選擇性地蝕刻硅，直至到達埋入氧化物層。此時，可將埋入氧化物層進一步變薄至50-500埃的厚度。這將用作晶體管溝道的背面柵極氧化物。可將待測生物分子加入該通孔，與該生物分子相關的電荷將改變傳感器的傳輸特性。實施例2:背面基片偏置對本發明實施方案之傳感器的溝道傳輸的影響圖4 (上圖)顯示了可加入到本發明實施方案之傳感器中的薄體(thin body) SOI器件的示意圖。圖4 (下圖)顯示了背面基片偏壓對含P型晶體管器件的溝道傳輸的影響。圖4表明，基片偏置電壓可與溝道耦合，并改變該器件的閾值電壓，從而影響驅動電流。實施例3:帶有本發明實施方案的傳感器的微陣列
圖5顯示了制造帶有本發明實施方案之傳感器的微陣列的方法中的各步驟。圖3的傳感器將構成節點陣列中的一個節點。這些傳感器節點中的至少某些(優選每個)節點可通過背面貫通硅通孔開口用具有獨特特征的探針分子功能化。陣列的密度由背面通孔尺寸和間隔以及對準允許誤差來確定。在SOI起始晶片中有用CMOS邏輯技術形成的用于行列選擇的外周邏輯，以訪問特定傳感器節點；讀出電路也可用CMOS邏輯用讀出放大器實現，以檢測分析物分子加入到通孔開孔時的電流(I讀數)變化。 圖6顯示了用帶有本發明實施方案之傳感器的微陣列檢測和分析生物分子的方法。樣品制備、雜交、片上直接檢測和數字化讀出以及分析的方法是本領域技術人員所熟知的標準技術。本申請公開了支持所公開數值范圍內任何范圍的若干數值范圍限定，即使在說明書中沒有逐字逐句地陳述精確的范圍限定，因為本發明的實施方案可以在整個所公開的數值范圍內實施。此外，本申請中所引用的專利和出版物(如果有的話)的整個公開內容在此整體引作參考。
權利要求
1. 一種器件，其含有第一基片，其含有晶體管；第二基片；絕緣層，位于第一基片和第二基片之間并與這兩個基片鄰接；和開口，位于第二基片內，所述開口對準晶體管；其中所述晶體管配置用于檢測所述開孔內的電荷變化。
2. 權利要求l的器件，其中晶體管為場效應晶體管(FET)。
3. 權利要求2的器件，其中FET是金屬氧化物半導體FET (MOSFET)、結型FET (JFET)、金屬半導體FET (MESFET)或高電子 遷移率(HEMFET)。
4. 權利要求2的器件，其中FET含有納米線、納米晶體、納米 管、納米柱、納米縫隙或圖案化納米結構。
5. 權利要求4的器件，其中FET含有單壁碳納米管。
6. 權利要求1的器件，其中第一基片和第二基片獨立含有聚合 物、^圭或玻璃。
7. 權利要求l的器件，其中第一基片或第二基片含有硅晶片。
8. 權利要求1的器件，其中第一基片和第二基片獨立含有微陣 列、宏陣列、多孔板、微流體器件、集成電路、MEMS或它們的組 合。
9. 權利要求1的器件，其進一步包含能處理晶體管所產生的信 號或數據的微處理器。
10. 權利要求l的器件，其中第一基片與支持基片相連接。
11. 權利要求10的器件，其中所述連接通過焊接層實現。
12. 權利要求l的器件，其中第一基片為基本平的，并且厚度為 約10nm至約1.0 mm。
13. 權利要求l的器件，其中絕緣層含有氧化硅。
14. 權利要求1的器件，其中絕緣層的厚度為約5.0nm至約100nm。
15. 權利要求l的器件，其中第二基片為基本平的，并且厚度為 約0.5 pm至約10 mm。
16. 權利要求15的器件，其中開口通過第二基片的厚度方向。
17. 權利要求15的器件，其中開口所占空間包括立方體、圓柱 體、棱柱體或平截頭體。
18. 權利要求17的器件，其中開口的尺寸為約10 nm至約5,。
19. 權利要求1的器件，其中晶體管為FET,而開口對準FET 的溝道區。
20. 權利要求1的器件，其中電荷變化包括電擾動、阻抗、電 流、 電壓或光誘導電荷分離。
21. 權利要求1的器件，其中開口內表面被功能化，以有助于分 子結合。
22. 權利要求1的器件，其中電荷變化由開口內表面或其附近的 分子結合事件引起。
23. 權利要求22的器件，其中分子結合事件包括第一結合配偶 體結合到開口內表面以及第二結合配偶體與第一結合配偶體的結 合。
24. 權利要求23的器件，其中第一結合配偶體或第二結合配偶 體包含生物分子。
25. 權利要求23的器件，其中第一結合配偶體包含抗體、抗 原、受體、配體、蛋白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多核苷 酸、核酸或大分子。
26. 權利要求23的器件，其中第二結合配偶體包含抗原、抗 體、蛋白、肽、病毒、細菌、糖類、脂類、多核苷酸、核酸或大分子。
27. 權利要求23的器件，其中第二結合配偶體包含抗原，而第 一結合配偶體包含抗該抗原的抗體。
28. 權利要求23的器件，其中第二結合配偶體包含肽，而第一 結合配偶體包含該肽的受體或配體。
29. 權利要求23的器件，其中第二結合配偶體包含第一多核苷 酸，而第一結合配偶體包含第一多核苦酸的互補多核香酸。
30. —種方法，其包括提供基片，其含有第一部分、第二部分、和位于第一部分和第二部分之間并與這兩部分鄰接的絕緣層； 在第一部分上制造晶體管；和在第二部分中制造開口，所述開口對準晶體管；其中所述晶體管配置用于檢測所述開口內的電荷變化。
31. 權利要求30的方法，其中所述基片含有硅晶片。
32. 權利要求30的方法，其中基片的提供包括將氧離子植入基 片的預定區域，以產生絕緣層，其中絕緣層將基片分隔成第一部分 和第二部分。
33. 權利要求30的方法，其中基片的提供包括 提供第一基片和第二基片； 氧化第一基片和第二基片的表面；和 使第一基片和第二基片通過氧化表面結合； 其中第一基片形成所述第一部分，第二基片形成所述第二部分，而結合的氧化表面形成所述絕緣層。
34. 權利要求30的方法，其進一步包括使支持基片與第一基片 相連接。
35. 權利要求34的方法，其中所述連接通過焊接手段實現。
36. 權利要求30的方法，其進一步包括在第一部分和第二部分 上獨立制造微陣列、宏陣列、多孔板、微流體器件、集成電路、MEMS或它們的組合。
37. 權利要求30的方法，其進一步包括在第一部分或第二部分 上制造微處理器，所述微處理器能處理晶體管所產生的信號或數 據。
38. 權利要求30的方法，其進一步包括使第一部分或第二部分變薄。
39. 權利要求30的方法，其中第一部分為基本平的，且厚度為 約10 nm至約1.0 mm。
40. 權利要求30的方法，其中絕緣層的厚度為約5.0 nm至約 100 nm。
41. 權利要求30的方法，其中第二部分為基本平的，且厚度為 約1.0 pm至約10 mm。
42. 權利要求39的方法，其中開口通過第二基片的厚度方向。
43. 權利要求30的方法，其中晶體管為FET，而開口對準FET 的溝道區。
44. 權利要求30的方法，其進一步包括將開口的內表面功能 化，以有助于分子結合。
45. —種方法，其包括提供器件，所述器件含有包含晶體管的第一基片、第二基 片、位于第一基片和第二基片之間并與這兩個基片鄰接的絕緣層、 和位于第二基片內的開口，所述開口對準晶體管； 在開口內表面或其附近提供分析物；和 用晶體管檢測開口內表面上或其附近的電荷變化。
46. 權利要求45的方法，其進一步包括處理晶體管產生的信號 或數據。
47. 權利要求45的方法，其中電荷變化包括電擾動、阻抗、電 流、電壓或光誘導電荷分離。
48. 權利要求45的方法，其中開口內表面被功能化，以有助于分子結合。
49. 權利要求45的方法， 的分子結合事件引起。
50. 權利要求49的方法， 口的內表面。
51. 權利要求50的方法， 合配偶體結合。
52. 權利要求51的方法，子。
53. 權利要求50的方法， 體、配體、蛋白、肽、病毒、 或大分子。
54. 權利要求51的方法， 肽、病毒、細菌、糖類、脂類
55. 權利要求52的方法， 包含抗該抗原的抗體。
56. 權利要求52的方法， 含該肽的受體或配體。
57. 權利要求52的方法， 合配偶體包含第一多核苷酸的互補多核苷酸。
58. —種器件，其含有第一基片、第二基片、和位于第一基片和第二基片之間并與這 兩個基片鄰接的絕緣層；其中第一基片含有晶體管陣列，而第二基 片含有開口陣列，至少一部分開口中的每一個開口對準所述晶體管之一《
59. 權利要求58的器件，其中至少一部分晶體管中的每一個都 能檢測對準該晶體管的開口內的電荷變化。
60. 權利要求58的器件，其中至少一部分晶體管為場效應晶體其中電荷變化由開口內表面或其附近其進一步包括將結合配偶體固定在開其中分析物的提供包括使分析物與結其中結合配偶體或分析物包含生物分其中結合配偶體包含抗體、抗原、受 細菌、糖類、脂類、多核苷酸、核酸其中分析物包含抗原、抗體、蛋白、 多核苦酸、核酸或大分子。 其中分析物包含抗原，而結合配偶體其中分析物包含肽，而結合配偶體包其中分析物包含第一多核苷酸，而結管(FET)。
61. 權利要求58的器件，其中至少一部分晶體管可獨立尋址。
62. 權利要求58的器件，其中至少一部分開口的內表面被功能 化，以有助于分子結合。
63. 權利要求58的器件，其中至少一部分開口中的每一個開口 的內表面結合有一種以上結合配偶體。
64. 權利要求63的器件，其中與一個開口結合的結合配偶體包 含相同的分子。
65. 權利要求63的器件，其中與一個開口結合的結合配偶體中 的至少兩種包含不同的分子。
66. 權利要求63的器件，其中與所述開口中的至少兩個開口結 合的結合配偶體包含相同的分子。
67. 權利要求63的器件，其中與所述開口中的至少兩個開口結 合的結合配偶體包含不同分子。
68. —種器件，其含有具有正面和背面的基片、位于基片第一 面上的傳感器節點陣列、和通過基片厚度的通孔開口，其中至少某 些所述傳感器節點含有由基片背面通過通孔開口的功能化探針分 子。
69. 權利要求68的器件，其進一步含有在起始晶片上用于列和 行選擇的外部邏輯，以訪問特定傳感器節點。
70. 權利要求69的器件，其進一步含有讀出電路，該電路包含 具有讀出放大器的CMOS邏輯，以檢測分析物分子被加入到通孔開 口時的電流變化。
全文摘要
本發明的實施方案涉及一種器件，其具有包含晶體管的第一基片；第二基片；絕緣層，位于第一基片和第二基片之間并且與第一基片和第二基片鄰接；和位于第二基片內的開口，所述開口對準晶體管；其中晶體管配置用于檢測開口內的電荷變化。其它實施方案涉及一種方法，其包括提供基片，其包括第一部分、第二部分和位于第一部分和第二部分之間并鄰接這兩部分的絕緣層；和制造位于第二部分中的開口，所述開口對準晶體管；其中晶體管配置用于檢測開口內的電荷變化。
文檔編號H01L21/20GK101484978SQ200780025053
公開日2009年7月15日 申請日期2007年6月28日 優先權日2006年6月30日
發明者B·巴內特, J·K·布拉斯克, J·T·卡瓦利羅斯, S·拉馬納坦, S·達塔 申請人:英特爾公司