半導(dǎo)體生化感測(cè)器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及使用于檢測(cè)晶片的半導(dǎo)體生化感測(cè)器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，先進(jìn)國(guó)家一齊邁向高齡化社會(huì)，為了防止醫(yī)療費(fèi)用的高漲，預(yù)防醫(yī)學(xué)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(xué)物質(zhì)，因此若能精 確地檢測(cè)出所述化學(xué)物質(zhì)的話(huà)，則可早期發(fā)現(xiàn)疾病并且大幅節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用。如此的檢測(cè)的 方法，可能可利用微電子技術(shù)而予以實(shí)現(xiàn)（例如，參照非專(zhuān)利文獻(xiàn)「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(jià)格昂貴，且設(shè)備體積較大，若非大醫(yī)院或特定 醫(yī)療設(shè)施是無(wú)法處理相關(guān)檢測(cè)。如此將造成檢查成本高昂，且檢查結(jié)果也需等待數(shù)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(huà)，在規(guī)模較小的醫(yī)療機(jī)關(guān)即可 進(jìn)行低價(jià)格的檢查。再者，借助檢查本身的簡(jiǎn)單化，可大幅縮短檢查時(shí)間，以大幅地降低使 用者的負(fù)擔(dān)，且可飛躍地提升便利性。因此，需要使用組合了半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)技術(shù)及生化感測(cè) 器技術(shù)的半導(dǎo)體生化感測(cè)器，在不會(huì)犧牲檢查裝置的精確度之前提下，使裝置體積相當(dāng)程 度地小型化，以獲得降低檢查費(fèi)用的效果。
[0005] 圖1是一種現(xiàn)有半導(dǎo)體生化感測(cè)器110的一例示，包含在半導(dǎo)體基板4上，布局了 氧化膜1、源極電極2及汲極電極3。進(jìn)而，涂布光阻100以在溶入檢查目標(biāo)物的溶液（已處 理的血液、尿及汗水等等）時(shí)保護(hù)源極電極2及汲極電極3。此裝置在進(jìn)行檢查的過(guò)程中， 將其直接暴露在溶液中。類(lèi)似所述現(xiàn)有半導(dǎo)體生化感測(cè)器的一實(shí)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(biāo)物7將與附著在氧化膜1表面上的接收器8之 間產(chǎn)生結(jié)合反應(yīng)。其中，解離常數(shù)300(K)是決定該結(jié)合反應(yīng)的平衡狀態(tài)，若解離常數(shù)300 大的話(huà)，則目標(biāo)物7與接收器8將傾向分離，相反地若解離常數(shù)300小的話(huà)，則目標(biāo)物7與 接收器8將傾向結(jié)合以形成結(jié)合體5。如圖2、圖3及圖4所示，結(jié)合體5會(huì)出現(xiàn)在氧化膜 1的表面上。
[0007] 結(jié)合體5是持有目標(biāo)物7運(yùn)來(lái)的電荷，該電荷是通過(guò)氧化膜1而使半導(dǎo)體基板4 的場(chǎng)放射產(chǎn)生變化。其結(jié)果，在源極電極2及汲極電極3之間流動(dòng)的電流產(chǎn)生變化，且借助 讀取其變化，而可判定溶液中是否包含目標(biāo)物7。
[0008] 若解離常數(shù)300小的話(huà)，則如圖2所示，多數(shù)的結(jié)合體5存在于氧化膜1的表面上。 解離常數(shù)300若變大的話(huà)，則如圖3或圖4所示，氧化膜1表面上的結(jié)合體5的數(shù)量漸漸的 減少。
[0009] 或者，若溶液中包含的目標(biāo)物7的數(shù)量多的話(huà)，則如圖2所示，多數(shù)的結(jié)合體5存 在于氧化膜1的表面上。若溶液中所含的目標(biāo)物7的數(shù)量減少的話(huà)，則如圖3或圖4所示， 氧化膜1表面上的結(jié)合體5的數(shù)量漸漸的減少。
[0010] 已知，解離常數(shù)300對(duì)溶液中的目標(biāo)物7的濃度敏感。再者，解離常數(shù)300對(duì)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(huì)形成稀疏。如此的情況，由于結(jié)合 體5所造成的電荷是在氧化膜1表面上，表現(xiàn)得如同點(diǎn)電荷般，因此如圖6所示，當(dāng)電子由 源極電極2往汲極電極3傳導(dǎo)之際，容易迂回繞過(guò)結(jié)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(dǎo)，該結(jié)合體5不會(huì)使電流特性產(chǎn)生變化。
[0012] 據(jù)此，如圖7所示，將具有寬的閘極寬度的半導(dǎo)體基板4替換為具有細(xì)的閘極寬度 的導(dǎo)線6,在此情況下，找不到迂回路的電子，即使是僅一個(gè)點(diǎn)電荷（僅一個(gè)結(jié)合體5)存在， 也會(huì)造成電子減速，并使電流減少。通過(guò)感測(cè)電減少，理論上即使溶液中僅包含一個(gè)目標(biāo)物 7,也可檢測(cè)出。
[0013] 一般而言，流動(dòng)于晶體管的半導(dǎo)體表面的電流變化，其是作為門(mén)檻電壓Vt的變化 (ΔVt)而被檢測(cè)出。使電流變化量作為ΔIds，晶體管的互導(dǎo)值作為gn，目標(biāo)物7運(yùn)來(lái)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(biāo)物7濃度作為[X]，溶液的解離常數(shù)作為K，且將背景干擾的截?cái)嘀礳ut-off列入 考慮，則可獲得下式（1)。其中，一截?cái)嘀礳ut-off是為了去除非起因于生化感測(cè)器的干擾 而設(shè)定的補(bǔ)償值。一般而言，截?cái)嘀礳ut-off是遠(yuǎn)比起因于生化感測(cè)器的干擾小。
[0014]
[0015]由該式（1)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的推導(dǎo)，請(qǐng)參照EA.Reed,IEEEIEDM13,ρρ· 208-211 (2013)， 檢測(cè)極限（LimitofDetection:!!?)可以表示如下式（2)所示。其中。與起因于生化感 測(cè)器的干擾的雜訊電流1_%及截?cái)嘀礳ut-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(cè)器干擾的雜訊電流I_s/變小形成與截 斷值cut-off相同的話(huà)，貝lj檢測(cè)極限L0D也變小。
[0018] 如同在上述所作的說(shuō)明，由于利用導(dǎo)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(shù)個(gè)導(dǎo)線6。于該圖的例示中，在四個(gè)導(dǎo)線6 上的氧化膜1的表面上形成結(jié)合體5。該四個(gè)導(dǎo)線6是分別可檢測(cè)出關(guān)于僅一個(gè)結(jié)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(gè)導(dǎo)線6能夠使檢測(cè)極限L0D下降。
[0019] 然而，實(shí)際上來(lái)自全部的導(dǎo)線6的信號(hào)，其是于共通汲極3與干擾一起被合計(jì)，因 此難以充分達(dá)到改善檢測(cè)極限L0D的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明是有鑒于上述缺陷而進(jìn)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(dǎo)體生化感測(cè)器技術(shù)為目的。
[0021] 本發(fā)明為解決技術(shù)問(wèn)題，采用了如下的手段。相關(guān)本發(fā)明的半導(dǎo)體生化感測(cè)器，其 是形成高精確度小型檢查裝置的中心部件的半導(dǎo)體晶片，且制造于半導(dǎo)體晶片內(nèi)，其包含 數(shù)個(gè)導(dǎo)線，及該數(shù)個(gè)導(dǎo)線所共有的共通源極領(lǐng)域，及分別地連接該數(shù)個(gè)導(dǎo)線的數(shù)個(gè)非揮發(fā) 性存儲(chǔ)器，及各自連接該數(shù)個(gè)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的數(shù)個(gè)感測(cè)放大器，及解析該數(shù)個(gè)感測(cè)放大 器的輸出且管理該數(shù)個(gè)感測(cè)放大器的動(dòng)作的位元線解碼器，及包覆該數(shù)個(gè)導(dǎo)線的氧化膜， 及附著在該氧化膜表面的數(shù)個(gè)接收器。
[0022] 再者，相關(guān)本發(fā)明的半導(dǎo)體生化感測(cè)器，其包含在暴露于包含檢體樣本的溶媒前， 檢查來(lái)自該數(shù)個(gè)導(dǎo)線的輸出信號(hào)，以進(jìn)行判斷有無(wú)斷裂或異常高電阻等的導(dǎo)線異常的初始 化步驟；及根據(jù)該導(dǎo)線異常的判斷，連接至該數(shù)個(gè)導(dǎo)線中對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線的非揮發(fā)性記憶體型 汲極選擇閘極晶體管中對(duì)應(yīng)的非揮發(fā)性記憶體型汲極選擇閘極晶體管，針對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)入處 理的篩選步驟。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，可用更便宜的價(jià)格提供為了實(shí)現(xiàn)高精確度小型檢查裝置所必要的基 本部件。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的基本裝置構(gòu)造的圖。
[0025] 圖2 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的基本裝置構(gòu)造的圖。
[0026] 圖3 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的基本裝置構(gòu)造的圖。
[0027] 圖4 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的基本裝置構(gòu)造的圖。
[0028] 圖5 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的基本裝置構(gòu)造的圖。
[0029] 圖6 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器中電子電流于電荷的周?chē)鼗氐那闆r的圖。 [0030]圖7 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的生化感測(cè)器的導(dǎo)線中電子電流于電荷的周?chē)鸁o(wú)法迂回的情 況的圖。
[0031]圖8 :揭示現(xiàn)有技術(shù)的接收器附著在生化感測(cè)器的氧化膜上，且漂流在溶液中的 目標(biāo)物附著在接收器的情況的圖。
[0032] 圖9 :揭示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的基本構(gòu)成要素的構(gòu)成圖。
[0033]圖10 :揭示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的目標(biāo)物及接收器的反應(yīng)關(guān)系的圖。
[0034] 圖11 :揭示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的制造方法的圖。
[0035] 圖12 :揭示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的制造方法的圖。
[0036] 圖13 :是揭示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的制造方法的圖。
[0037] 圖14 :表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的等效電路的圖。
[0038] 圖15 :表示本發(fā)明的一實(shí)施形態(tài)的生化感測(cè)器的等效電路上接收器接受目標(biāo)物 的情況的圖。