一種用于高通量基因測序的cmos isfet雙模式圖像化學傳感器芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及集成電路傳感器芯片，特別是用于基因測序的CMOS ISFET雙模式圖像化學傳感器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]由Bergveld等提出的傳統(tǒng)的離子敏感場效應(yīng)晶體管(1n sensitive fieldeffective transistor，簡稱ISFET)本質(zhì)上是沒有多晶娃柵極的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱M0SFET)，如圖 1(a)中所示，它的pH檢測原理是基于電解質(zhì)直接在柵極氧化膜上離子敏感膜的表面反應(yīng)而改變晶體管的性會泛(P.Bergveld，“Development of an 1n-sensitive solid-state devicefor neurophys11gicaI measurements，，，IEEE Trans.B1med.Eng.，vol.17，n0.I，pp.70 - 7 I，Jan.1970 )。然而，由于和標準的 CMOS ( Comp I ementary Metal OxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體)半導(dǎo)體制造工藝不兼容，傳統(tǒng)的ISFET生產(chǎn)制造成本昂貴。如圖1(b)所示，Bausells通過將多晶硅柵極連接到頂層金屬和氮氧化合物鈍化層(J.Bausells et al.，“1n-sensitive field effect transistors fabricated in acommercial CMOS technology，，，Sens.Actuators B Chem.,vol.57 ,pp.56-62, Sep.1999),通過氮氧化合物鈍化層和待測溶液中的離子接觸后產(chǎn)生的表面勢能變化而間接改變晶體管的性能(閥值電壓)。首次在標準的半導(dǎo)體制造工藝中整合了ISFET，使得ISFET成本降低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。
[0003]DNA測序在生命科技上有深遠的影響，例如個人基因組研究、衛(wèi)生保健、藥物開發(fā)等。第一代測序技術(shù)由Sanger于1975年發(fā)明，采用了雙脫氧鏈終止法及熒光檢測法，但是這種光學探測方法不僅昂貴而且測試時間長，不適用于人類長基因序列的檢測。為了實現(xiàn)更高通量和更低成本的測序，在過去的幾十年里，以半導(dǎo)體電子探測技術(shù)為基礎(chǔ)的第二代DNA測序(NGS)儀器已經(jīng)有了顯著發(fā)展，例如被稱為個人基因組機器(PGM)的電子測序機已經(jīng)被美國 1n Torrent公司發(fā)明(J.M.Rothberg et al.，“An integrated semiconductordevice enabling non-optical genome sequencing/’Nature，vol.475，pp.348-352，Jul.2011)，由于采用價格低廉的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)，可以大大降低測序成本。由于DNA測序過程中DNA鏈的堿基配對發(fā)生pH值變化，可探測離子濃度的基于CMOS ISFET的傳感器芯片被應(yīng)用在了PGM中。它的基本測序過程如下，首先，為了準備基因組樣本，DNA長鏈被切分成單鏈模板，后將其附著培養(yǎng)在微球上進行多聚酶鏈式反應(yīng)(Polymerase Chain React1n，PCR)擴增，再通過微流控裝置把微球注入并分布到ISFET傳感器陣列表面的微孔里。每一個微孔就是一個測序反應(yīng)池，包含一個待測的單鏈DNA模板和一個DNA聚合酶，微孔底部與ISET傳感像素單元一一對應(yīng)，孔高和孔徑的設(shè)計使得每一個微孔里只能存在一個微球用于測序。在測序時，通過微流控裝置按固定順序重復(fù)向ISFET傳感陣列中注入四種腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)不同堿基的核苷酸進行配對。一旦當前注入的堿基類型和待測DNA鏈的堿基配對時，DNA聚合酶把該核苷酸聚合到延伸的DNA鏈上，并釋放一個單位的氫離子，從而使當前微孔里ISFET像素表面的離子濃度產(chǎn)生變化，降低溶液的pH值，該化學信號會被ISFET傳感單元檢測到并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號并最終數(shù)字化讀出。因此，測得的PH變化被轉(zhuǎn)化成了相應(yīng)的DNA的ATCG堿基序列，完成測序。如果可以通過一個大陣列的ISFET傳感器檢測數(shù)百萬被準確定位了的微珠上DNA片段的pH值變化，即可通過非光學的方式實現(xiàn)一種高通量的DNA測序方法。但是，面臨的挑戰(zhàn)是要提高測序的精確性，需要消除錯誤的pH檢測結(jié)果和非一致性。
[0004]基于ISFET的DNA測序存在很大的非準確性。由圖2所述，第一，由于附著有DNA模板的微珠是通過離心機旋轉(zhuǎn)被隨機分散到ISFET傳感器芯片上的微孔陣列中的，因此微珠在微孔陣列的分布是未知的，所以測得的PH值響應(yīng)和微珠的實際分布物理地址沒有關(guān)聯(lián)。假如在微孔里沒有微珠，卻檢測出來自相鄰微珠的PH響應(yīng)的干擾，會導(dǎo)致虛假的pH值報告，導(dǎo)致了錯誤的測序數(shù)據(jù)。第二，為了提高測序通量，通常需要采用更先進的CMOS工藝節(jié)點制造的更大像素陣列的ISFET傳感器芯片。但是，這也導(dǎo)致在晶體管的參數(shù)上有更大的工藝失配，例如氧化膜厚度、溝道長度和寬度等(B.E.St ine et al., uAnalys i s anddecomposit1n of spatial variat1n in integrated circuit processes anddevices，，，IEEE Trans.Semicond.Manuf.，vol.10，n0.I，pp.24-41，F(xiàn)eb.1997)。因此，像素之間的閥值電壓Vt失配，或者叫固定圖形噪聲(Fixed pattern noise，簡稱FPN)也會增加(K.Yonemoto,and H.Sumi，“A CMOS image sensor with a simple fixed-pattern-noise-reduct1n technology and a hole accumulat1n d1de，，，IEEE J.Solid-StateCircuits，vol.35，n0.12，pp.2038-2043，Dec.2000)。由于ISFET傳感器是檢測閥值電壓Vt的變化的，這會使PH值檢測的精確性大大降低。
[0005]為了解決第一個難題，通常采用顯微鏡來觀察微珠的平面分布，但這需要笨重的光學設(shè)備和繁瑣的校準過程。此外，由于放大到微米級的空間分辨率后的視野范圍非常小，顯微鏡需要通過物理平移來掃描整個陣列，這個過程很慢而且可能導(dǎo)致更多的檢測錯誤。注意到傳統(tǒng)的光學顯微鏡成像系統(tǒng)需要笨重的鏡頭作為中間媒介來放大，這往往限制了尺寸、重量和成本，對系統(tǒng)的小型化造成了阻礙。一種很有前景的解決方法是采用接觸式成像，接觸式成像是一種無需光學透鏡的近場感應(yīng)方式(H.Ji et al.，“Contact imaging:simulat1n and experiment，，，IEEE Trans.Circuits Syst.1 ,Reg.Papers ,vol.54,n0.8,pp.1698-1710，Aug.2007)。因此，與基于透鏡成像的空間分辨率相比，接觸式成像系統(tǒng)有不同的幾何約束。在傳統(tǒng)的光學成像系統(tǒng)中，圖像分辨率由照片檢測陣列中的像素的數(shù)目所決定，這是因為鏡頭完全是投射到光學傳感器陣列上的。傳統(tǒng)成像系統(tǒng)通過增加像素的數(shù)目可以提高光學分辨率。在接觸式成像中，當物體的圖像被直接投射到圖像傳感器陣列上時，分辨率主要是由像素尺寸和物體與像素陣列的距離決定的。因此，接觸式成像是非常適合應(yīng)用在小型化的生物醫(yī)學感測中的，比如在DNA測序中微珠檢測(A.0zcan，andU.Demirci，“Ultra wide-f ield lens-free monitoring of cells on_chip，，，Lab Chip,vol.8，ηο.I，pp.98-106，Jan.2008)。因此，假如能利用一種雙模的ISFET傳感器，既能檢測微珠中的氫離子變化得到PH值，也能通過接觸式成像檢測微珠的位置分布，那么在目前PGM的DNA測序中ISFET傳感器芯片使用時出現(xiàn)的錯誤pH檢測問題就能夠得到解決。
[0006]對于第二個難題，在工藝層可用紫外線照射來去除在ISFET柵極上積累的陷阱電荷，但這額外要求一個需長時間匯聚的外部校準源(M.J.Mi I grew，and D.R.S.Cumming，“Matching the transconductance characteristics of CMOS ISFET arrays byremoving trapped charge，，，IEEE Tr