專(zhuān)利名稱(chēng)：具有輕度摻雜的排出裝置的化學(xué)敏感的傳感器的制作方法
具有輕度摻雜的排出裝置的化學(xué)敏感的傳感器相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求2010年7月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)系列號(hào)61/361，403的權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)弓I用整體并入本文。
背景技術(shù)：
電子裝置和組件已經(jīng)在化學(xué)和生物學(xué)(更一般地，“生命科學(xué)”)中得到眾多應(yīng)用，特別是用于檢測(cè)和測(cè)量不同的化學(xué)和生物反應(yīng)，以及鑒別、檢測(cè)和測(cè)量不同的化合物。一種這樣的電子裝置被稱(chēng)作離子敏感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在相關(guān)文獻(xiàn)中經(jīng)常表示為ISFET (或pHFET)。ISFET常規(guī)地主要在科學(xué)和研究團(tuán)體中采用，用于便利溶液的氫離子濃度(通常表示為“pH”)的測(cè)量。更具體地，ISFET是一種阻抗轉(zhuǎn)化裝置，其以類(lèi)似于MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的方式運(yùn)行，且為選擇性地測(cè)量溶液中的離子活性而特別構(gòu)建(例如，溶液中的氫離子是“分析物”)。在“Thirty years of ISFETOLOGY: what happened in thepast 30 years and what may happen in the next 30 years,，’P.Bergveld, Sens.Actuators, 88(2003),第1- 20頁(yè)(所述出版物通過(guò)引用整體并入本文)中，給出了 ISFET的詳細(xì)運(yùn)行理論。使用常規(guī)CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)方法來(lái)制造ISFET的細(xì)節(jié)，可以參見(jiàn):Rothberg,等人，美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2010/0301398，Rothberg,等人，美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2010/0282617,和Rothberg等人，美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)2009/0026082 ;這些專(zhuān)利公開(kāi)統(tǒng)稱(chēng)為“Rothberg”，并且都通過(guò)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(jié)構(gòu)?？商鎿Q地，可以采用其它技術(shù)，其中敏感元件可以用三端裝置來(lái)制作，其中感知的離子會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的形成，所述信號(hào)控制3個(gè)終端之一；這樣的技術(shù)還可以包括，例如，GaAs和碳納米管技術(shù)。以CMOS為例，P-型ISFET制造是基于p_型硅基質(zhì)，其中形成N-型孔，它構(gòu)成晶體管“主體”。在N-型孔內(nèi)形成高度摻雜的P-型(P +)區(qū)域S和D，它們構(gòu)成ISFET的源和排出裝置。在N-型孔內(nèi)還形成高度摻雜的N-型(N +)區(qū)域B，以提供與N-型孔的傳導(dǎo)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(qū)上面，穿過(guò)它們制作開(kāi)口，以提供與這些區(qū)域的電連接(通過(guò)電導(dǎo)體)。在源和排出裝置之間，在N-型孔區(qū)域上面的位置，可以在氧化物層上面形成多晶硅柵。因?yàn)樗仓迷诙嗑Ч钖藕途w管主體(即，N-型孔)之間，所述氧化物層經(jīng)常被稱(chēng)作“柵氧化物”。類(lèi)似于M0SFET，ISFET的運(yùn)行是基于由MOS (金屬氧化物半導(dǎo)體)電容造成的電荷濃度(和因而通道電導(dǎo))的調(diào)節(jié)，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，N-型孔)區(qū)域組成。當(dāng)在柵和源區(qū)域之間施加負(fù)電壓時(shí)，通過(guò)剝奪該區(qū)域的電子，在該區(qū)域和柵氧化物的界面處建立通道。就N-孔而言，所述通道是P-通道(反之亦然)。在N-孔的情況下，所述P-通道在源和排出裝置之間延伸，且當(dāng)柵-源負(fù)電勢(shì)足以從源吸收孔進(jìn)入通道時(shí)，傳導(dǎo)電流穿過(guò)P-通道。通道開(kāi)始傳導(dǎo)電流時(shí)的柵-源電勢(shì)稱(chēng)作晶體管的閾值電壓Vth (當(dāng)Vgs具有大于閾值電壓Vth的絕對(duì)值時(shí)，晶體管傳導(dǎo))。源因此得名，因?yàn)樗橇鬟^(guò)通道的電荷載體(P-通道的孔)的源；類(lèi)似地，排出裝置是電荷載體離開(kāi)通道的地方。如Rothberg所述，可以制造具有浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的ISFET，所述浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)如下形成:將多晶硅柵聯(lián)接到多個(gè)金屬層上，所述金屬層安置在一個(gè)或多個(gè)額外的氧化物層內(nèi)，所述氧化物層安置在柵氧化物的上面。浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)由此得名，因?yàn)樗c其它的ISFET相關(guān)導(dǎo)體在電學(xué)上分離；也就是說(shuō)，它夾在柵氧化物和鈍化層之間，所述鈍化層安置在浮動(dòng)?xùn)诺慕饘賹?例如，頂金屬層)的上面。如Rothberg進(jìn)一步所述，ISFET鈍化層構(gòu)成離子敏感的膜,其產(chǎn)生裝置的離子靈敏度。與鈍化層(尤其可以位于浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)上面的敏感區(qū)域)相接觸的分析物溶液(即，含有目標(biāo)分析物(包括離子)的溶液，或被測(cè)試目標(biāo)分析物存在的溶液)中的分析物(諸如離子)的存在，會(huì)改變ISFET的電特征，從而調(diào)節(jié)流過(guò)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(jìn)對(duì)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(huì)提供對(duì)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(huì)提供對(duì)分析物溶液中鉀離子濃度的靈敏度。適用于鈍化層且對(duì)其它離子(諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸鹽)敏感的物質(zhì)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(guān)于在分析物溶液/鈍化層界面處的化學(xué)反應(yīng)，用于ISFET的鈍化層的特定材料的表面可以包括這樣的化學(xué)基團(tuán):其可以為分析物溶液捐獻(xiàn)質(zhì)子，或接受來(lái)自分析物溶液的質(zhì)子，在任意給定的時(shí)間在分析物溶液界面處的鈍化層的表面上剩下帶負(fù)電荷的、帶正電荷的和中性的位點(diǎn)。關(guān)于離子靈敏度，通常稱(chēng)作“表面電勢(shì)”的電勢(shì)差出現(xiàn)在鈍化層和分析物溶液的固/液界面處，隨敏感區(qū)域中的離子濃度而變化，這是由于化學(xué)反應(yīng)(例如，通常包含在敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子對(duì)氧化物表面基團(tuán)的解離)。該表面電勢(shì)又影響ISFET的閾值電壓；因而，ISFET的閾值電壓隨著在敏感區(qū)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(duì)離子濃度敏感，源電壓Vs提供與在ISFET的敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子濃度直接有關(guān)的信號(hào)?；瘜W(xué)敏感的FET (“chemFET”)的陣列或更具體地ISFET，可以用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)——包括例如核酸(例如，DNA)測(cè)序反應(yīng)，這基于監(jiān)測(cè)在反應(yīng)過(guò)程中存在的、產(chǎn)生的或使用的分析物。更通常地，包括chemFET的大陣列在內(nèi)的陣列可以用于檢測(cè)和測(cè)量在眾多化學(xué)和/或生物學(xué)過(guò)程(例如，生物學(xué)或化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞或組織培養(yǎng)或監(jiān)測(cè)、神經(jīng)活性、核酸測(cè)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(tài)和/或動(dòng)態(tài)量或濃度，其中基于這樣的分析物測(cè)量可以得到有價(jià)值的信息。這樣的chemFET陣列可以用于檢測(cè)分析物的方法中和/或通過(guò)在chemFET表面處的電荷的變化而監(jiān)測(cè)生物學(xué)或化學(xué)過(guò)程的方法中。ChemFET (或ISFET)陣列的這種用途包括:檢測(cè)溶液中的分析物，和/或檢測(cè)在chemFET表面(例如ISFET鈍化層)上結(jié)合的電荷的變化。關(guān)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,，，M.J.Milgrew, M.0.Riehlej and D.R.S.Cummingj Sensors and Actuators, B: Chemical, 111—112，(2005),第 347-353 頁(yè)，和 “The development of scalable sensor arrays usingstandard CMOS technology,，，M.J.Milgrew, P.A.Hammond, 和 D.R.S.Cumming,Sensors and Actuators, B: Chemical, 103, (2004),第 37-42 頁(yè)，所述出版物通過(guò)引用并入本文，且在下文中共同稱(chēng)作“Milgrew等人”。在Rothberg中，含有關(guān)于制造和使用ChemFET或ISFET陣列的描述，所述陣列用于化學(xué)檢測(cè)，包括與DNA測(cè)序有關(guān)的離子的檢測(cè)。更具體地，Rothberg描述了使用chemFET陣列(特別是ISFET)來(lái)對(duì)核酸測(cè)序，其包括:將已知的核苷酸摻入反應(yīng)室中的多個(gè)相同核酸中，所述反應(yīng)室與chemFET接觸或電容式聯(lián)接，其中所述核酸與反應(yīng)室中的單個(gè)珠子結(jié)合，并檢測(cè)在chemFET處的信號(hào)，其中信號(hào)的檢測(cè)指示一個(gè)或多個(gè)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。離子敏感的金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)是已知的。由這些類(lèi)型的晶體管感知的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度非常小的電信號(hào)，因此可能需要由額外電路進(jìn)行放大以提供信號(hào)增益，使得所述信號(hào)可以得到有效處理。所述額外電路在半導(dǎo)體基質(zhì)上占據(jù)可以為其它傳感器元件(而不是放大電路)使用的空間。如果化學(xué)敏感的傳感器具有改進(jìn)增益以消除對(duì)額外增益電路的需求，將是有益的。發(fā)明人認(rèn)識(shí)到下述實(shí)施方案的益處。


圖1A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體基質(zhì)的構(gòu)建。圖2A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，經(jīng)過(guò)摻雜以提供輕度摻雜的排出裝置的半導(dǎo)體。圖3解釋了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，由化學(xué)敏感的傳感器的各個(gè)摻雜區(qū)域產(chǎn)生的電容的簡(jiǎn)圖。圖4解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的一種示例性結(jié)構(gòu)。圖5解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的另一種示例性結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方案提供了具有改進(jìn)增益的化學(xué)敏感的傳感器。所述化學(xué)敏感的傳感器可以包括:微孔、浮動(dòng)?xùn)沤K端、排出裝置終端、源終端和在基質(zhì)中的一對(duì)摻雜區(qū)域。所述微孔可以接收在化學(xué)反應(yīng)中使用的樣品。所述浮動(dòng)?xùn)趴梢耘c在基質(zhì)上的柵電極電聯(lián)接。所述排出裝置終端連接和所述源終端連接可以是在所述化學(xué)敏感的傳感器上的電終端。所述基質(zhì)中的一對(duì)摻雜區(qū)域可以各自包括輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域。每個(gè)輕度摻雜的區(qū)域可以在基質(zhì)上的柵電極之下延伸，且每個(gè)高度摻雜的區(qū)域可以延伸以分別與所述排出裝置終端和所述源終端聯(lián)接。另一個(gè)實(shí)施方案還可以提供具有改進(jìn)增益的化學(xué)敏感的傳感器。所述化學(xué)敏感的傳感器可以包括:微孔、浮動(dòng)?xùn)沤K端、排出裝置終端、源終端、在基質(zhì)中的一對(duì)電極和一對(duì)摻雜區(qū)域。所述微孔可以接收在化學(xué)反應(yīng)中使用的樣品。所述浮動(dòng)?xùn)趴梢耘c在基質(zhì)上的柵電極電聯(lián)接。所述排出裝置終端連接和所述源終端連接可以是在所述化學(xué)敏感的傳感器上的電終端。所述一對(duì)電極可以形成在基質(zhì)上，且所述一對(duì)電極中的一個(gè)電極在柵電極的任一偵U。所述一對(duì)摻雜區(qū)域中的一個(gè)摻雜區(qū)域可以包括輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域，同時(shí)所述一對(duì)摻雜區(qū)域中的另一個(gè)摻雜區(qū)域可以?xún)H包括高度摻雜的區(qū)域。所述輕度摻雜的區(qū)域可以在電極的相應(yīng)一個(gè)電極之下延伸，且每對(duì)的高度摻雜的區(qū)域延伸以分別與所述排出裝置終端或所述源終端聯(lián)接。一個(gè)實(shí)施方案還可以提供一種構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的方法。所述方法可以形成具有第一電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑的基質(zhì)?？梢允褂门c用于形成基質(zhì)相同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑來(lái)構(gòu)建外延層，但是以比基質(zhì)上的摻雜劑更低的密度來(lái)制備。電極層可以形成在外延層上，該電極層由與用于形成基質(zhì)的第一電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑不同的第二電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成。在電極層和基質(zhì)上的摻雜劑的密度可以是類(lèi)似的?？梢匝诒魏臀g刻所述電極層，以生成柵和電極。使用多向植入技術(shù)，可以在所述電極之一附近建立第一輕度摻雜的區(qū)域，其中所述第一輕度摻雜的區(qū)域由與外延層摻雜劑不同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成?？梢陨a(chǎn)與鄰近柵的電極自對(duì)齊的擴(kuò)散結(jié)，所述擴(kuò)散結(jié)中的第一個(gè)與第一輕度摻雜的區(qū)域鄰接，其由與柵、電極和輕度摻雜的區(qū)域類(lèi)似的電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成。通過(guò)絕緣層、電介質(zhì)層、傳導(dǎo)層和金屬層的交替層，可以形成浮動(dòng)?xùn)烹姌O、在擴(kuò)散區(qū)上面的電極和電極的觸點(diǎn)。圖1A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體基質(zhì)的構(gòu)建。在該實(shí)施方案中，可以在多晶硅基質(zhì)110上制造化學(xué)敏感的傳感器100，其中如圖1A所示形成半導(dǎo)體摻雜，在該實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體摻雜是P或(P +)_型摻雜劑。如圖1B所示，可以在P +型基質(zhì)110上形成外延層(P-印i) 120，其具有與P +型基質(zhì)110類(lèi)似的電導(dǎo)率類(lèi)型(B卩，P-型)的摻雜，但是具有更低的密度。當(dāng)然，可以使用其它摻雜諸如N-型摻雜?？梢栽诿芗瘬诫s水平，用具有與基質(zhì)(P +) 110和外延層120不同的電導(dǎo)率類(lèi)型(即，N +)的摻雜劑，預(yù)摻雜要形成電荷耦合的傳感器池的區(qū)域。在圖1C中，N +摻雜水平層130可以構(gòu)建在P-型外延層120和P +型基質(zhì)110上面。N +摻雜水平層130可以用在電荷耦合的化學(xué)傳感器區(qū)域內(nèi)。使用掩蔽和蝕刻操作，可以在N +摻雜水平層130的預(yù)摻雜區(qū)域中形成化學(xué)敏感的傳感器100的柵133和電極134、136，如圖1D所示。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)理解，在所述的實(shí)施方案中，可以反轉(zhuǎn)所述摻雜水平層。上面公開(kāi)的實(shí)施方案描述了晶體管的制造，基于施加于柵電極133的信號(hào)，所述晶體管可以為電極134、136之間的任意信號(hào)提供第一增益。通過(guò)將額外摻雜材料插入在基質(zhì)110內(nèi)與電極134、136或柵133鄰近的位置處，可以修改化學(xué)敏感的傳感器100的增益。所述額外摻雜材料可以影響晶體管100的電容，這從而修改晶體管100的增益。將結(jié)合圖3更詳細(xì)地解釋增益修改的細(xì)節(jié)。圖2A解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，額外摻雜在與柵電極鄰近的外延層中的近似位置。圖2A的裝置可以具有與圖1C的裝置類(lèi)似的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。化學(xué)敏感的傳感器200可以包括:第一電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑(即，P-型)的外延層220，從第二電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑(即，N-型)形成的柵電極215，和輕度摻雜的區(qū)域223、225。輕度摻雜的區(qū)域223、225也稱(chēng)作輕度摻雜的排出裝置(LDD)，它們可以具有與柵電極215相同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑(即，P-型)。通過(guò)在輕度摻雜的區(qū)域223、225中注射比柵電極215更低密度的摻雜劑，可以修改化學(xué)敏感的傳感器200的增益。所述輕度摻雜的區(qū)域223、225可以如下形成:例如，使用多向注射技術(shù)，將更低密度的摻雜劑注射進(jìn)輕度摻雜的區(qū)域223、225中，在柵電極215的下面。當(dāng)然，也可以使用其它技術(shù)。可以在輕度摻雜的區(qū)域之前或之后，添加所述晶體管的源和排出裝置終端的高度摻雜的區(qū)域。圖2B解釋了擴(kuò)散結(jié)223、225的布局，所述擴(kuò)散結(jié)可以是高度摻雜的區(qū)域，用于與化學(xué)敏感的傳感器220的源和排出裝置終端聯(lián)接，針對(duì)柵電極215和輕度摻雜的區(qū)域223、225。使用已知的摻雜技術(shù)，可以用高密度摻雜劑(其屬于與柵電極215相同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑)構(gòu)建高度摻雜的區(qū)域223、225。圖2C和2D解釋了具有改進(jìn)摻雜的化學(xué)敏感的傳感器的一個(gè)替代實(shí)施方案。圖2C解釋了這樣的化學(xué)敏感的傳感器202:其除了具有柵210以外，還可以具有電極214、216。在圖2C中，可以掩蔽化學(xué)敏感的傳感器202的柵210和電極214、216，以使多向摻雜植入物插入各個(gè)電極214、216附近，從而建立輕度摻雜的區(qū)域227、229或輕度摻雜的排出裝置(LDD)。所述LDD 227和229可以由與外延層不同的電導(dǎo)率類(lèi)型(S卩，N +)形成。在所解釋的實(shí)施方案中，所述LDD 227、229可以形成在化學(xué)敏感的傳感器202內(nèi)，在電極214、216的下面?？商鎿Q地,使用本領(lǐng)域已知的替代性的植入方法,可以植入LDD 227,2290光致抗蝕劑層可以用于掩蔽所需區(qū)域，并形成擴(kuò)散結(jié)235、237，所述擴(kuò)散結(jié)可以與鄰近柵210的電極214、216自對(duì)齊，且與LDD 227、229鄰近。所述擴(kuò)散區(qū)235和237可以由與柵210、電極214、216和LDD 227、229類(lèi)似的電導(dǎo)率類(lèi)型形成，且不同于外延層221的電導(dǎo)率類(lèi)型。在圖2D中，N +擴(kuò)散結(jié)237和239可以是高度摻雜的區(qū)域，且可以使用半導(dǎo)體領(lǐng)域已知的任意常規(guī)技術(shù)形成。另外，也可以形成其它結(jié)?？梢栽谶@樣的摻雜劑密度水平摻雜所述輕度摻雜的區(qū)域227、229:所述摻雜劑密度水平小于擴(kuò)散結(jié)237和239的摻雜劑密度水平。圖3的簡(jiǎn)圖解釋了與根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的各個(gè)摻雜區(qū)域有關(guān)的電容。解釋的化學(xué)敏感的傳感器300可以包括:柵電極384和擴(kuò)散區(qū)391和395，它們構(gòu)建在外延層397上。柵電極384和擴(kuò)散區(qū)391、395的摻雜顯示為N-型摻雜，而外延層397顯示為P-型。當(dāng)然，可以反轉(zhuǎn)所述摻雜。所述擴(kuò)散區(qū)391和395可以在高密度摻雜。所述擴(kuò)散區(qū)391可以與化學(xué)敏感的傳感器300的源終端接觸，所述擴(kuò)散區(qū)395可以與化學(xué)敏感的傳感器300的排出裝置終端接觸。當(dāng)然，所述源終端和所述排出裝置終端可以互換。所述柵電極384可以與將來(lái)提供信號(hào)的浮動(dòng)?xùn)?未顯示)連接。取決于來(lái)自浮動(dòng)?xùn)诺男盘?hào)的強(qiáng)度，可以根據(jù)已知的晶體管原理誘導(dǎo)通道396來(lái)傳導(dǎo)。在排出裝置擴(kuò)散區(qū)395上的信號(hào)可以穿過(guò)通道396到達(dá)源擴(kuò)散區(qū)391。另外，由于傳感器300的制造，柵-至-排出裝置電容Cgd可以存在于柵電極384和排出裝置擴(kuò)散區(qū)395之間。類(lèi)似地，柵-至-源電容Cgs可以存在于柵電極384和源擴(kuò)散區(qū)391之間。這些電容Cgd和Cgs的值可以影響傳感器300的信號(hào)增益。所述電容Cgd和Cgs可以是擴(kuò)散區(qū)391和395的摻雜與柵電極384之間的接頭區(qū)的結(jié)果。電容Cgd和Cgs的一部分可以歸于在擴(kuò)散區(qū)和柵電極384的接頭處的寄生電容。通過(guò)將輕度摻雜的區(qū)域394和392分別加入排出裝置和源擴(kuò)散區(qū)395和391，可以調(diào)節(jié)寄生電容的量。所述輕度摻雜的區(qū)域394和392可以在比高度摻雜的擴(kuò)散區(qū)391和395更低的密度摻雜，但是可以將額外區(qū)域添加在擴(kuò)散區(qū)395和391與柵電極384的接頭處。由于所述額外區(qū)域，額外寄生電容Cparal和/或Cpara2可以存在于接頭區(qū)處。所述輕度摻雜的區(qū)域中的摻雜密度將會(huì)影響建立的寄生電容Cparal和/或Cpara2的量。因此，在柵384/排出裝置擴(kuò)散區(qū)395處的總電容可以大致等于Cgd + Cparal，而在柵384/源擴(kuò)散區(qū)391處的總電容可以大致等于Cgs + Cpara2。
寄生電容值Cparal和/或Cpara2的存在，可以改變傳感器300的增益。在具有化學(xué)敏感的傳感器(例如，ISFET)和行選晶體管的像素中，可以以源極跟隨器構(gòu)型或以公共源構(gòu)型讀出像素。所述寄生電容值可以以不同方式影響像素的增益，所述方式取決于使用哪種構(gòu)型。在源極跟隨器構(gòu)型中，整體(I)的增益是最大增益。寄生電容器用于減弱增益。這是因?yàn)?，在流體界面處的信號(hào)與化學(xué)敏感的傳感器的浮動(dòng)?xùn)烹娙菔铰?lián)接。所述寄生電容器產(chǎn)生電容式分壓器，后者會(huì)減少在所述柵處發(fā)生的電荷至電壓轉(zhuǎn)換。因此，在源極跟隨器構(gòu)型中，消除LDD區(qū)域和使寄生電容最小化會(huì)提供最大增益。在公共源構(gòu)型中，希望控制寄生電容以便建立負(fù)反饋，從而建立系統(tǒng)性增益值。在沒(méi)有任何寄生電容的情況下，所述像素將在讀出期間開(kāi)環(huán)運(yùn)行，非常大的增益沒(méi)有得到過(guò)程參數(shù)的控制。因此，因?yàn)長(zhǎng)DD區(qū)域可以被較好地控制和在裝置之間一致地匹配，所述增益可以由這些建立的電容值來(lái)控制。在公共源構(gòu)型中，最重要的重疊電容器是CgcL所述像素的增益大致等于雙層電容除以Cgd。作為實(shí)例，如果所述雙層電容是3fF且Cgd的值是0.3fF，那么所述像素的增益是大約10。當(dāng)它受到LDD控制時(shí)，這會(huì)變成較好地控制的參數(shù)。為了減少增益，Cgd隨著LDD延伸增大而增加。為了增加增益，將LDD延伸減少至更低的Cgd。不希望具有小至不能得到較好控制的Cgd。因此，希望控制LDD區(qū)域以實(shí)現(xiàn)在1-20范圍內(nèi)的增益。例如，在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以消除與排出裝置擴(kuò)散區(qū)395結(jié)合的輕度摻雜的區(qū)域394，在傳感器300上可以?xún)H存在輕度摻雜的區(qū)域392。在該情況下，歸因于源終端391的電容可以等于Cgs + Cpara2，而歸因于排出裝置終端395的電容可以?xún)H等于Cds。在該實(shí)施方案中的傳感器300的增益不同于上述存在寄生電容Cpara I和Cpara 2的實(shí)施方案。因此，輕度摻雜的區(qū)域392和/或394的添加，可以用于改變傳感器300的增益，并從而消除放大傳感器300信號(hào)可能需要的額外電路。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例性圖示可以參見(jiàn)圖4。所述化學(xué)敏感的傳感器400可以包括:微孔部分401、堆積部分403和基質(zhì)部分405。所述微孔部分401可以包括微孔410，所述微孔410可以具有在微孔410底部附近的鈍化層，諸如氧化物層415。要檢測(cè)的化學(xué)反應(yīng)可以在微孔410中發(fā)生，且被堆積部分403中的浮動(dòng)?xùn)烹姌O420檢測(cè)到。所述堆積部分403可以包括:浮動(dòng)?xùn)烹姌O420，其堆積在絕緣層和電介質(zhì)層432、434、436、461、465、469 的交替層上面；傳導(dǎo)層和金屬層 430、452、454、456、471、475 和 479 ；和柵電極484。所述基質(zhì)部分405可以包括:可以用P +摻雜劑摻雜的基質(zhì)499、也可以是P-型摻雜劑的外延層497 JPN +摻雜區(qū)域491 (源)和493 (排出裝置)。所述N +摻雜區(qū)域491 (源)和493 (排出裝置)可以是高度摻雜的區(qū)域，且所述用491’和493’標(biāo)記的區(qū)域可以是輕度摻雜的區(qū)域。所述通道494可以變成傳導(dǎo)性的，這基于從浮動(dòng)?xùn)?20施加于柵484上的信號(hào)。當(dāng)然，可以反轉(zhuǎn)在基質(zhì)405中、在區(qū)域491和493中、在外延層497中和在柵484中的摻雜。根據(jù)運(yùn)行模式，所述化學(xué)敏感的傳感器400可以具有這樣的信號(hào)增益:所述信號(hào)增益部分地依賴(lài)于由輕度摻雜的區(qū)域491’和/或493’(如果存在的話(huà))提供的額外寄生電容?；瘜W(xué)敏感的傳感器400的實(shí)施方案可以是NMOS或PMOS裝置，例如，形成為具有在浮動(dòng)?xùn)派厦娴奈⒖椎臉?biāo)準(zhǔn)NMOS或PMOS裝置。所述微孔結(jié)構(gòu)410可以含有氧化物或其它材料415，它們可以運(yùn)輸化學(xué)樣品(例如，特定離子)，以感知在化學(xué)敏感的傳感器400的浮動(dòng)?xùn)?20上的電荷。該電荷轉(zhuǎn)移然后可以由與化學(xué)敏感的傳感器400聯(lián)接的讀電路(未顯示)解讀，且電荷轉(zhuǎn)移量可以代表在微孔410中的樣品內(nèi)所含有的離子的量。以此方式，陣列中的每個(gè)化學(xué)敏感的傳感器400可以用于檢測(cè)微孔410中的樣品內(nèi)的局部變異，例如，樣品液體的離子濃度，其呈現(xiàn)在化學(xué)敏感的傳感器400的陣列(未顯示)上面。將參照?qǐng)D5描述根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)敏感的傳感器的另一種示例性結(jié)構(gòu)。所述化學(xué)敏感的傳感器500可以包括:微孔部分501、堆積部分503和基質(zhì)部分505。所述微孔部分501可以包括微孔510，所述微孔510可以具有在微孔510底部附近的鈍化層，諸如氧化物層515。要檢測(cè)的化學(xué)反應(yīng)可以在微孔510中發(fā)生，且被堆積部分503中的浮動(dòng)?xùn)烹姌O520檢測(cè)到。所述堆積部分503可以包括:浮動(dòng)?xùn)烹姌O520，其堆積在絕緣層和電介質(zhì)層542、545、546、561、565、569 以及傳導(dǎo)層和金屬層 552、555、556、571、574、575、577 和 579 的交替層上面?？梢詾殡姌O581和585形成柵電極584和觸電564、567。所述基質(zhì)部分505可以包括:可以用P +摻雜劑摻雜的基質(zhì)599、也可以是P-型摻雜劑的外延層597 JPN +摻雜區(qū)域591 (源)和595 (排出裝置)。當(dāng)然，可以反轉(zhuǎn)在基質(zhì)505中的摻雜。所述電極581和585可以積累來(lái)自柵電極584的電荷，以促進(jìn)限制和分離。電極581和585與柵電極584的電荷耦合可以形成像素，所述像素可以放入陣列中用于可尋址讀出。從柵電極584至電極581和585的電荷轉(zhuǎn)移，可以增加晶體管增益。此外，寄生電容的操縱也可以影響電荷轉(zhuǎn)移，如上面結(jié)合圖3所解釋的，其也會(huì)影響晶體管增益。通過(guò)添加輕度摻雜的區(qū)域591’和/或595’(它們可以在比高度摻雜的區(qū)域591和595更低的密度摻雜)，可以操縱寄生電容。另夕卜，VR終端563和Tx終端585也可以影響電荷轉(zhuǎn)移，所述終端可以起電荷包的屏障或孔的作用。應(yīng)當(dāng)指出，預(yù)見(jiàn)到使用更多或更少金屬層和絕緣層的實(shí)施方案，前述實(shí)施方案僅僅是示例性的實(shí)施例。另外，電極的數(shù)目可以隨不同的實(shí)施方案有很大變化。在形成浮動(dòng)?xùn)烹姌O以后，可以如下形成任意額外的電極和電極觸點(diǎn)、化學(xué)敏感的傳感器(包括離子):用原硅酸四乙酯(TEOS)或氧化物建立絕緣層或電介質(zhì)層，并在浮動(dòng)?xùn)烹姌O上面蝕刻微孔。所述微孔然后可以具有鈍化層，所述鈍化層至少放置在所述微孔的底部中。使用下述的技術(shù)，使用從與上述那些類(lèi)似的方法制備的結(jié)構(gòu)，可以感知化學(xué)試劑和離子。前述結(jié)構(gòu)的變化實(shí)施方案是可能的。例如，可以使用單層多晶硅形成柵電極?？梢允褂肗 +或P +電極制作所述結(jié)構(gòu)。還預(yù)見(jiàn)到，使用單一電極多晶硅間隙間隔的實(shí)施方案，會(huì)使得在足夠小的過(guò)程節(jié)點(diǎn)(諸如0.13 um和以下)對(duì)電極進(jìn)行電荷耦合成為可能。0.13 um和以下的過(guò)程節(jié)點(diǎn)會(huì)使電荷耦合結(jié)構(gòu)能夠在當(dāng)前的CMOS工藝中工作。但是，應(yīng)當(dāng)指出，所述過(guò)程節(jié)點(diǎn)不限于這樣小，可以容易地更大。還預(yù)見(jiàn)到這樣的實(shí)施方案:其采用表面通道、埋藏的通道，和使用離子植入來(lái)形成通道堵塞。另外，預(yù)見(jiàn)到這樣的實(shí)施方案:其使用埋藏的電荷轉(zhuǎn)移，具有多種N-型植入物以建立希望的電勢(shì)特性，從而避免界面態(tài)和避免閃爍噪音。應(yīng)當(dāng)指出，前面的描述僅僅提供了示例性的實(shí)施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)容易地明白用于制造本文公開(kāi)的化學(xué)敏感的傳感器的不同方法。例如，使用掩蔽技術(shù)，可以在柵和電極之前形成輕度摻雜的排出裝置。因此，本文討論的步驟不一定以任何特定次序執(zhí)行，且可以使用本領(lǐng)域已知的任意半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)執(zhí)行。
本文具體地解釋和描述了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案。但是，應(yīng)當(dāng)理解，上述教導(dǎo)覆蓋本發(fā)明的改進(jìn)和變體。在其它情況下，沒(méi)有詳細(xì)描述公知的操作、組件和電路，以免影響對(duì)實(shí)施例的理解?？梢岳斫?，本文所公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)可以是代表性的，而不一定限制實(shí)施方案的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員從前面的描述可以理解，本發(fā)明可以以多種形式實(shí)現(xiàn)，且各個(gè)實(shí)施方案可以單獨(dú)地或組合地實(shí)現(xiàn)。因此，盡管已經(jīng)結(jié)合其具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的實(shí)施方案，不應(yīng)如此限制本發(fā)明的實(shí)施方案和/或方法的真實(shí)范圍，因?yàn)槭炀毜膹臉I(yè)人員在研究附圖、說(shuō)明書(shū)和下述權(quán)利要求以后會(huì)明白其它修改。各個(gè)實(shí)施方案可使用硬件元件、軟件元件或者它們的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬件元件的實(shí)例可以包括:處理器、微處理器、電路、電路元件(例如晶體管、電阻器、電容器、電感器等)、集成電路、專(zhuān)用集成電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、邏輯門(mén)、寄存器、半導(dǎo)體器件、芯片、微芯片、芯片組等。軟件的實(shí)例可以包括:軟件組件、程序、應(yīng)用、計(jì)算機(jī)程序、應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序、機(jī)器程序、操作系統(tǒng)軟件、中間件、固件、軟件模塊、例程、子例程、函數(shù)、方法、過(guò)程、軟件接口、應(yīng)用程序接口(API)、指令集、計(jì)算代碼、計(jì)算機(jī)代碼、代碼段、計(jì)算機(jī)代碼段、字、值、符號(hào)或者它們的任何結(jié)合。確定實(shí)施方案是否使用硬件元件和/或軟件元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)任何數(shù)量的因素而改變，所述因素例如希望的計(jì)算速率、功率級(jí)、耐熱性、處理周期預(yù)算、輸入數(shù)據(jù)速率、輸出數(shù)據(jù)速率、存儲(chǔ)器資源、數(shù)據(jù)總線(xiàn)速度以及其它設(shè)計(jì)或性能限制。一些實(shí)施方案可以例如使用計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述介質(zhì)或產(chǎn)品可存儲(chǔ)指令或指令集，所述指令或指令集如果被機(jī)器執(zhí)行，會(huì)使所述機(jī)器執(zhí)行根據(jù)實(shí)施方案的方法和/或操作。這樣的機(jī)器可包括例如:任何適當(dāng)?shù)奶幚砥脚_(tái)、計(jì)算平臺(tái)、計(jì)算裝置、處理裝置、計(jì)算系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、處理器等，并且可使用硬件和/或軟件的任何適當(dāng)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或產(chǎn)品可包括例如:任何適當(dāng)類(lèi)型的存儲(chǔ)器單元、存儲(chǔ)器裝置、存儲(chǔ)器產(chǎn)品、存儲(chǔ)器介質(zhì)、存儲(chǔ)裝置、存儲(chǔ)產(chǎn)品、存儲(chǔ)介質(zhì)和/或存儲(chǔ)單元，例如存儲(chǔ)器、可移動(dòng)或不可移動(dòng)介質(zhì)、可擦除或不可擦除介質(zhì)、可寫(xiě)或可重寫(xiě)介質(zhì)、數(shù)字或模擬介質(zhì)、硬盤(pán)、軟盤(pán)、光盤(pán)只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、可記錄光盤(pán)(CD-R)、可重寫(xiě)光盤(pán)(CD-RW)、光盤(pán)、磁介質(zhì)、磁光介質(zhì)、可移動(dòng)存儲(chǔ)卡或盤(pán)、各種類(lèi)型的數(shù)字多功能光盤(pán)(DVD)、磁帶、盒式磁帶等。所述指令可以包括任何適當(dāng)類(lèi)型的代碼，例如源代碼、編譯代碼、解釋代碼、可執(zhí)行代碼、靜態(tài)代碼、動(dòng)態(tài)代碼、加密代碼等，所述代碼使用任何適當(dāng)?shù)母呒?jí)的、低級(jí)的、面向?qū)ο蟮摹⒖梢暤?、編譯的和/或解釋的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)敏感的傳感器，其包括: 與基質(zhì)上的柵電極電聯(lián)接的浮動(dòng)?xùn)牛? 排出裝置終端連接； 源終端連接； 在所述基質(zhì)中的一對(duì)摻雜區(qū)域，每個(gè)摻雜區(qū)域包括輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域，其中每個(gè)所述輕度摻雜的區(qū)域在所述基質(zhì)上的所述柵電極之下延伸，且每個(gè)所述高度摻雜的區(qū)域延伸以分別與所述排出裝置終端和所述源終端聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其另外包括: 用于接收樣品的微孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述微孔具有在孔底部處與所述浮動(dòng)?xùn)培徑难趸飳印?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中寄生電容存在于所述柵電極和輕度摻雜的區(qū)域下面之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中根據(jù)在所述輕度摻雜的區(qū)域中使用的摻雜劑的量，修改所述化學(xué)敏感的傳感器的增益。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中在比所述高度摻雜的區(qū)域的摻雜劑密度水平更小的摻雜劑密度水平，摻雜所述輕度摻雜的區(qū)域。
7.一種化學(xué)敏感的傳感器，其包括: 與基質(zhì)上的柵電極電聯(lián)接的浮動(dòng)?xùn)牛? 排出裝置終端連接； 源終端連接； 形成在所述基質(zhì)上的一對(duì)電極，且所述一對(duì)電極中的一個(gè)電極在所述柵電極的任一側(cè)； 在所述基質(zhì)中的一對(duì)摻雜區(qū)域，所述一對(duì)摻雜區(qū)域中的一個(gè)摻雜區(qū)域包括輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域，其中所述輕度摻雜的區(qū)域在所述電極的相應(yīng)一個(gè)電極之下延伸，且每對(duì)的高度摻雜的區(qū)域延伸以分別與所述排出裝置終端和所述源終端聯(lián)接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的化學(xué)敏感的傳感器，其另外包括: 用于接收生物材料的微孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述微孔具有在孔底部處與所述浮動(dòng)?xùn)培徑难趸飳印?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述一對(duì)電極中的一個(gè)電極用作參比電極和用作電荷包的屏障或孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述一對(duì)電極中的一個(gè)電極用作擴(kuò)散電極并且促進(jìn)電荷包。
12.一種化學(xué)敏感的傳感器，其包括: 與柵電極電聯(lián)接的浮動(dòng)?xùn)牛? 用輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域形成的源；和 用輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域形成的排出裝置； 其中所述源的輕度摻雜的區(qū)域和所述排出裝置的輕度摻雜的區(qū)域在所述浮動(dòng)?xùn)鸥浇虮舜搜由爝M(jìn)入通道區(qū)域中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，所述源和所述排出裝置的高度摻雜的區(qū)域包括: 比所述源和所述排出裝置的輕度摻雜的區(qū)域更大的摻雜劑濃度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述源和所述排出裝置的高度摻雜的區(qū)域遠(yuǎn)離所述通道區(qū)域和所述柵區(qū)域地延伸。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述源的高度摻雜的區(qū)域與金屬觸點(diǎn)聯(lián)接。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述排出裝置的高度摻雜的區(qū)域與金屬觸點(diǎn)聯(lián)接。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述源的輕度摻雜的區(qū)域的體積大于所述排出裝置的輕度摻雜的區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的化學(xué)敏感的傳感器，其中所述源和所述排出裝置的輕度摻雜的區(qū)域造成增加的電容，所述增加的電容限制所述化學(xué)敏感的傳感器的增益。
19.一種制作化學(xué)敏感的傳感器的方法，所述方法包括: 形成具有第一電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑的基質(zhì)； 使用與用于形成所述基質(zhì)相同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑來(lái)構(gòu)建外延層，但是以比所述基質(zhì)上的摻雜劑更低的密度來(lái)制備； 在所述外延層上形成電極層，所述電極層由與用于形成所述基質(zhì)的第一電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑不同的第二電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成，其中在所述電極層和所述基質(zhì)上的摻雜劑的密度是類(lèi)似的； 掩蔽和蝕刻所述電極層，以生成柵和電極； 使用多向植入技術(shù)，在所述電極之一附近建立第一輕度摻雜的區(qū)域，其中所述第一輕度摻雜的區(qū)域由與外延層摻雜劑不同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成； 生產(chǎn)與鄰近所述柵的電極自對(duì)齊的擴(kuò)散結(jié)，所述擴(kuò)散結(jié)中的第一個(gè)與第一輕度摻雜的區(qū)域鄰接，其由與所述柵、電極和輕度摻雜的區(qū)域類(lèi)似的電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成；和通過(guò)絕緣層、電介質(zhì)層、傳導(dǎo)層和金屬層的交替層，形成浮動(dòng)?xùn)烹姌O、在擴(kuò)散區(qū)上面的電極和電極的觸點(diǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其另外包括: 使用多向植入技術(shù)，在所述電極之一附近建立第二輕度摻雜的區(qū)域，其中所述第二輕度摻雜的區(qū)域由與外延層摻雜劑不同電導(dǎo)率類(lèi)型的摻雜劑形成。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述擴(kuò)散結(jié)中的第二個(gè)與第二輕度摻雜的區(qū)域鄰接。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其另外包括: 在擴(kuò)散區(qū)上形成額外電極。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其另外包括: 形成微孔，以容納樣品在所述浮動(dòng)?xùn)派厦妗?br> 全文摘要
一種具有輕度摻雜的區(qū)域的化學(xué)敏感的傳感器，所述輕度摻雜的區(qū)域會(huì)影響化學(xué)敏感的傳感器的柵和電極之間的重疊電容。所述輕度摻雜的區(qū)域在化學(xué)敏感的傳感器的柵區(qū)域的下面且鄰近地延伸。通過(guò)操縱在電極下面的輕度摻雜的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)敏感的傳感器的增益的修改。
文檔編號(hào)H01L21/00GK103168341SQ201180040544
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月3日
發(fā)明者K.G.法伊夫 申請(qǐng)人:生命科技公司