專利名稱：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
本申請要求2010年7月3日提交的美國臨時專利申請系列號61/361，403的權(quán)益，其內(nèi)容通過弓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，特別是用于檢測和測量不同的化學(xué)和生物反應(yīng)，以及鑒別、檢測和測量不同的化合物。一種這樣的電子裝置被稱作離子敏感的場效應(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”)的測量。更具體地，ISFET是一種阻抗轉(zhuǎn)化裝置，其以類似于MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的方式運行，且為選擇性地測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(所述出版物通過引用整體并入本文)中，給出了 ISFET的詳細(xì)運行理論。使用常規(guī)CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)方法來制造ISFET的細(xì)節(jié)，可以參見:Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0301398，Rothberg,等人，美國專利公開號2010/0282617,和Rothberg等人，美國專利公開2009/0026082 ;這些專利公開統(tǒng)稱為“Rothberg”，并且都通過引用整體并入本文。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制作，其中感知的離子會導(dǎo)致信號的形成，所述信號控制3個終端之一；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，穿過它們制作開口，以提供與這些區(qū)域的電連接(通過電導(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。因為它安置在多晶硅柵和晶體管主體(即，N-型孔)之間，所述氧化物層經(jīng)常被稱作“柵氧化物”。類似于M0SFET，ISFET的運行是基于由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，通過剝奪該區(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)電勢足以從源吸收孔進(jìn)入通道時，傳導(dǎo)電流穿過P-通道。通道開始傳導(dǎo)電流時的柵-源電勢稱作晶體管的閾值電壓Vth (當(dāng)Vgs具有大于閾值電壓Vth的絕對值時，晶體管傳導(dǎo))。源因此得名，因為它是流過通道的電荷載體(P-通道的孔)的源；類似地，排出裝置是電荷載體離開通道的地方。如Rothberg所述，可以制造具有浮動?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的ISFET，所述浮動?xùn)沤Y(jié)構(gòu)如下形成:將多晶硅柵聯(lián)接到多個金屬層上，所述金屬層安置在一個或多個額外的氧化物層內(nèi)，所述氧化物層安置在柵氧化物的上面。浮動?xùn)沤Y(jié)構(gòu)由此得名，因為它與其它的ISFET相關(guān)導(dǎo)體在電學(xué)上分離；也就是說，它夾在柵氧化物和鈍化層之間，所述鈍化層安置在浮動?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?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，會改變ISFET的電特征，從而調(diào)節(jié)流過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)的鈍化層通常會提供對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)的鈍化層會提供對分析物溶液中鉀離子濃度的靈敏度。適用于鈍化層且對其它離子(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，或接受來自分析物溶液的質(zhì)子，在任意給定的時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。關(guān)于離子靈敏度，通常稱作“表面電勢”的電勢差出現(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氧化物表面基團(tuán)的解離)。該表面電勢又影響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?；瘜W(xué)敏感的FET (“chemFET”)的陣列或更具體地ISFET，可以用于監(jiān)測反應(yīng)——包括例如核酸(例如，DNA)測序反應(yīng)，這基于監(jiān)測在反應(yīng)過程中存在的、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和測量在眾多化學(xué)和/或生物學(xué)過程(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、神經(jīng)活性、核酸測序等)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/或動態(tài)量或濃度，其中基于這樣的分析物測量可以得到有價值的信息。這樣的chemFET陣列可以用于檢測分析物的方法中和/或通過在chemFET表面處的電荷的變化而監(jiān)測生物學(xué)或化學(xué)過程的方法中。ChemFET (或ISFET)陣列的這種用途包括:檢測溶液中的分析物，和/或檢測在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，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，所述出版物通過引用并入本文，且在下文中共同稱作“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，包括與DNA測序有關(guān)的離子的檢測。更具體地，Rothberg描述了使用chemFET陣列(特別是ISFET)來對核酸測序，其包括:將已知的核苷酸摻入反應(yīng)室中的多個相同核酸中，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)室中的單個珠子結(jié)合，并檢測在chemFET處的信號，其中信號的檢測指示一個或多個氫離子的釋放，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效應(yīng)晶體管(ISFET)是已知的。由這些類型的晶體管感知的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生強度非常小的電信號，因此可能需要由額外電路進(jìn)行放大以提供信號增益，使得所述信號可以得到有效處理。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)增益以消除對額外增益電路的需求，將是有益的。發(fā)明人認(rèn)識到下述實施方案的益處。


圖1A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的半導(dǎo)體基質(zhì)的構(gòu)建。圖2A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，經(jīng)過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)明的一個實施方案中，由化學(xué)敏感的傳感器的各個摻雜區(qū)域產(chǎn)生的電容的簡圖。圖4解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學(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)明的一個實施方案的化學(xué)敏感的傳感器的另一種示例性結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式實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?xùn)沤K端、排出裝置終端、源終端和在基質(zhì)中的一對摻雜區(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?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。另一個實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?xùn)沤K端、排出裝置終端、源終端、在基質(zhì)中的一對電極和一對摻雜區(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?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。所述一對電極可以形成在基質(zhì)上，且所述一對電極中的一個電極在柵電極的任一偵U。所述一對摻雜區(qū)域中的一個摻雜區(qū)域可以包括輕度摻雜的區(qū)域和高度摻雜的區(qū)域，同時所述一對摻雜區(qū)域中的另一個摻雜區(qū)域可以僅包括高度摻雜的區(qū)域。所述輕度摻雜的區(qū)域可以在電極的相應(yīng)一個電極之下延伸，且每對的高度摻雜的區(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。一個實施方案還可以提供一種構(gòu)建根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學(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)率類型的摻雜劑來構(gòu)建外延層，但是以比基質(zhì)上的摻雜劑更低的密度來制備。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)率類型的摻雜劑不同的第二電導(dǎo)率類型的摻雜劑形成。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)率類型的摻雜劑形成?？梢陨a(chǎn)與鄰近柵的電極自對齊的擴(kuò)散結(jié)，所述擴(kuò)散結(jié)中的第一個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)域類似的電導(dǎo)率類型的摻雜劑形成。通過絕緣層、電介質(zhì)層、傳導(dǎo)層和金屬層的交替層，可以形成浮動?xùn)烹姌O、在擴(kuò)散區(qū)上面的電極和電極的觸點。圖1A-D解釋了根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的半導(dǎo)體基質(zhì)的構(gòu)建。在該實施方案中，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類似的電導(dǎo)率類型(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)人員會理解，在所述的實施方案中，可以反轉(zhuǎn)所述摻雜水平層。上面公開的實施方案描述了晶體管的制造，基于施加于柵電極133的信號，所述晶體管可以為電極134、136之間的任意信號提供第一增益。通過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)明的一個實施方案，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)率類型的摻雜劑(即，P-型)的外延層220，從第二電導(dǎo)率類型的摻雜劑(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)率類型的摻雜劑(即，P-型)。通過在輕度摻雜的區(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替代實施方案。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)率類型(S卩，N +)形成。在所解釋的實施方案中，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類似的電導(dǎo)率類型形成，且不同于外延層221的電導(dǎo)率類型。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的簡圖解釋了與根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學(xué)敏感的傳感器的各個摻雜區(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可以與將來提供信號的浮動?xùn)?未顯示)連接。取決于來自浮動?xùn)诺男盘柕膹姸龋梢愿鶕?jù)已知的晶體管原理誘導(dǎo)通道396來傳導(dǎo)。在排出裝置擴(kuò)散區(qū)395上的信號可以穿過通道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。這是因為，在流體界面處的信號與化學(xué)敏感的傳感器的浮動?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。在沒有任何寄生電容的情況下，所述像素將在讀出期間開環(huán)運行，非常大的增益沒有得到過程參數(shù)的控制。因此，因為LDD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，這會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)域以實現(xiàn)在1-20范圍內(nèi)的增益。例如，在另一個實施方案中，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上可以僅存在輕度摻雜的區(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的電容可以僅等于Cds。在該實施方案中的傳感器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信號可能需要的額外電路。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學(xué)敏感的傳感器的結(jié)構(gòu)的一個示例性圖示可以參見圖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?xùn)烹姌O420檢測到。所述堆積部分403可以包括:浮動?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?xùn)?20施加于柵484上的信號。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)運行模式，所述化學(xué)敏感的傳感器400可以具有這樣的信號增益:所述信號增益部分地依賴于由輕度摻雜的區(qū)域491’和/或493’(如果存在的話)提供的額外寄生電容。化學(xué)敏感的傳感器400的實施方案可以是NMOS或PMOS裝置，例如，形成為具有在浮動?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?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，陣列中的每個化學(xué)敏感的傳感器400可以用于檢測微孔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。將參照圖5描述根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的化學(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?xùn)烹姌O520檢測到。所述堆積部分503可以包括:浮動?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。可以為電極581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，其也會影響晶體管增益。通過添加輕度摻雜的區(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)見到使用更多或更少金屬層和絕緣層的實施方案，前述實施方案僅僅是示例性的實施例。另外，電極的數(shù)目可以隨不同的實施方案有很大變化。在形成浮動?xùn)烹姌O以后，可以如下形成任意額外的電極和電極觸點、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?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)見到，使用單一電極多晶硅間隙間隔的實施方案，會使得在足夠小的過程節(jié)點(諸如0.13 um和以下)對電極進(jìn)行電荷耦合成為可能。0.13 um和以下的過程節(jié)點會使電荷耦合結(jié)構(gòu)能夠在當(dāng)前的CMOS工藝中工作。但是，應(yīng)當(dāng)指出，所述過程節(jié)點不限于這樣小，可以容易地更大。還預(yù)見到這樣的實施方案:其采用表面通道、埋藏的通道，和使用離子植入來形成通道堵塞。另外，預(yù)見到這樣的實施方案: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施方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員會容易地明白用于制造本文公開的化學(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)來執(zhí)行。
本文具體地解釋和描述了本發(fā)明的幾個實施方案。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，沒有詳細(xì)描述公知的操作、組件和電路，以免影響對實施例的理解?？梢岳斫猓疚乃_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現(xiàn)，且各個實施方案可以單獨地或組合地實現(xiàn)。因此，盡管已經(jīng)結(jié)合其具體實施例描述了本發(fā)明的實施方案，不應(yīng)如此限制本發(fā)明的實施方案和/或方法的真實范圍，因為熟練的從業(yè)人員在研究附圖、說明書和下述權(quán)利要求以后會明白其它修改。各個實施方案可使用硬件元件、軟件元件或者它們的結(jié)合來實現(xiàn)。硬件元件的實例可以包括: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、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯裝置(PLD)、數(shù)字信號處理器(DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、邏輯門、寄存器、半導(dǎo)體器件、芯片、微芯片、芯片組等。軟件的實例可以包括:軟件組件、程序、應(yīng)用、計算機程序、應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序、機器程序、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、過程、軟件接口、應(yīng)用程序接口(API)、指令集、計算代碼、計算機代碼、代碼段、計算機代碼段、字、值、符號或者它們的任何結(jié)合。確定實施方案是否使用硬件元件和/或軟件元件來實現(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算速率、功率級、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、存儲器資源、數(shù)據(jù)總線速度以及其它設(shè)計或性能限制。一些實施方案可以例如使用計算機可讀介質(zhì)或產(chǎn)品來實現(xiàn)，所述介質(zhì)或產(chǎn)品可存儲指令或指令集，所述指令或指令集如果被機器執(zhí)行，會使所述機器執(zhí)行根據(jù)實施方案的方法和/或操作。這樣的機器可包括例如:任何適當(dāng)?shù)奶幚砥脚_、計算平臺、計算裝置、處理裝置、計算系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、計算機、處理器等，并且可使用硬件和/或軟件的任何適當(dāng)組合來實現(xiàn)。所述計算機可讀介質(zhì)或產(chǎn)品可包括例如:任何適當(dāng)類型的存儲器單元、存儲器裝置、存儲器產(chǎn)品、存儲器介質(zhì)、存儲裝置、存儲產(chǎn)品、存儲介質(zhì)和/或存儲單元，例如存儲器、可移動或不可移動介質(zhì)、可擦除或不可擦除介質(zhì)、可寫或可重寫介質(zhì)、數(shù)字或模擬介質(zhì)、硬盤、軟盤、光盤只讀存儲器(CD-ROM)、可記錄光盤(CD-R)、可重寫光盤(CD-RW)、光盤、磁介質(zhì)、磁光介質(zhì)、可移動存儲卡或盤、各種類型的數(shù)字多功能光盤(DVD)、磁帶、盒式磁帶等。所述指令可以包括任何適當(dāng)類型的代碼，例如源代碼、編譯代碼、解釋代碼、可執(zhí)行代碼、靜態(tài)代碼、動態(tài)代碼、加密代碼等，所述代碼使用任何適當(dāng)?shù)母呒壍?、低級的、面向?qū)ο蟮摹⒖梢暤?、編譯的和/或解釋的編程語言來實現(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?xùn)牛? 排出裝置終端連接； 源終端連接； 在所述基質(zhì)中的一對摻雜區(qū)域，每個摻雜區(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?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?xùn)牛? 排出裝置終端連接； 源終端連接； 形成在所述基質(zhì)上的一對電極，且所述一對電極中的一個電極在所述柵電極的任一側(cè)； 在所述基質(zhì)中的一對摻雜區(qū)域，所述一對摻雜區(qū)域中的一個摻雜區(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)一個電極之下延伸，且每對的高度摻雜的區(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?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，其中所述一對電極中的一個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，其中所述一對電極中的一個電極用作擴(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?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?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)率類型的摻雜劑來構(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)率類型的摻雜劑不同的第二電導(dǎo)率類型的摻雜劑形成，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)率類型的摻雜劑形成； 生產(chǎn)與鄰近所述柵的電極自對齊的擴(kuò)散結(jié)，所述擴(kuò)散結(jié)中的第一個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)域類似的電導(dǎo)率類型的摻雜劑形成；和通過絕緣層、電介質(zhì)層、傳導(dǎo)層和金屬層的交替層，形成浮動?xùn)烹姌O、在擴(kuò)散區(qū)上面的電極和電極的觸點。
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?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。通過操縱在電極下面的輕度摻雜的區(qū)域，實現(xiàn)對化學(xué)敏感的傳感器的增益的修改。
文檔編號H01L21/00GK103168341SQ201180040544
公開日2013年6月19日 申請日期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 申請人:生命科技公司