Интегральная схема с нанопроводниковыми датчиками, измерительное устройство, способ измерения и способ изготовления
Описана интегральная схема (100), содержащая подложку (110); изолирующий слой (120) на упомянутой подложке; а также первый нанопроводниковый элемент (140a) и второй нанопроводниковый элемент (140b), смежный с упомянутым первым нанопроводниковым элементом на упомянутом изолирующем слое; в которой первый нанопроводниковый элемент расположен так, чтобы он подвергался воздействию среды, содержащей интересующий аналит, и в которой второй нанопроводниковый элемент защищен от упомянутой среды защитным слоем (150) на упомянутом втором нанопроводниковом элементе. Интегральная схема согласно изобретению содержит подложку, изолирующий слой на упомянутой подложке, первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент на упомянутом изолирующем слое, при этом первый нанопроводниковый элемент является узлом истока первого транзистора и второй полупроводниковый элемент является узлом истока второго транзистора, причем упомянутый первый транзистор и упомянутый второй транзистор имеют общий узел стока, причем первый нанопроводниковый элемент расположен таким образом, чтобы подвергаться воздействию среды, содержащей аналит, и при этом второй нанопроводниковый элемент расположен таким образом, чтобы быть защищенным от упомянутой среды защитным слоем на упомянутом втором нанопроводниковом элементе. Также предложены измерительное устройство, включающее в себя такую ИС, способ измерения с использованием такой ИС и способ изготовления такой ИС. Изобретение обеспечивает упрощение конфигурации датчика и повышение надежности измерений. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к интегральной схеме (ИС), содержащей подложку; изолирующий слой на упомянутой подложке; и первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент, смежный с упомянутым первым нанопроводниковым элементом, на упомянутом изолирующем слое.
Кроме того, настоящее изобретение относится к полупроводниковому устройству, включающему в себя такую ИС.
Кроме того, настоящее изобретение также относится к способу измерения интересующего аналита в среде с использованием такой ИС.
Кроме того, настоящее изобретение также относится к способу изготовления такой ИС.
Уровень техники
Продолжающаяся миниатюризация полупроводниковых технологий обеспечила замечательное разнообразие функциональности, встроенной в полупроводниковые устройства, такие как интегральные схемы (ИС), которое в некоторых случаях привело к обеспечению почти целостных решений в одном устройстве. Например, миниатюризация полупроводниковых устройств привела к интеграции одного или более датчиков в одно полупроводниковое устройство, и развертывание таких устройств можно заметить в различных технических областях, например в автомобильных применениях, медицинских применениях, в отслеживании промышленных выбросов и так далее.
Одной из основных проблем в обеспечении измерительной функциональности в электронном устройстве, таком как ИС, является обеспечение возможности экономически оправданного изготовления полупроводникового устройства. Например, особой проблемой является ситуация, когда элементы субмикронного размера, например наноэлементы, такие как транзисторы на основе нанопроводников, должны быть интегрированы в полупроводниковое устройство, поскольку совсем непросто изготовить такие наноэлементы с использованием этапов обработки, которые совместимы с процессом изготовления всего полупроводникового устройства. Следовательно, интеграция таких специализированных элементов может привести к существенному увеличению сложности процесса изготовления полупроводникового устройства, значительно увеличивая таким образом стоимость таких устройств.
Особая проблема в этом отношении состоит в том, что когда измеряемая среда является текучей средой, например жидкостью или газом, конфигурация датчика обычно требует наличия опорного датчика или электрода для компенсации дрейфа датчика, то есть изменяющегося во времени отклика датчика на интересующий аналит, что может быть вызвано, например, постепенным отложением загрязнителей на поверхности датчика. Пример такой конфигурации раскрыт в заявке на патент США №2004/0136866 A1, в которой опорный электрод помещается в контакт с анализируемой текучей средой для управления потенциалом раствора относительно нанопроводникового полупроводникового элемента.
Аналогичные конфигурации для обнаружения или определения присутствия газа могут быть найдены в заявках на патенты US 2011/1477802, US 2006/0263255, US 2006/0270053, US 2006/0078468, WO 2010/120297, а также в публикации Moh T.S.Y. et al. “Silicon nanowire FET Arrays for Real Time Detection of Chemical Activation of Cells” (2012).
Однако включение опорного датчика или электрода может дополнительно усложнить выполнение конфигурации датчика, что может дополнительно увеличить стоимость электронного устройства. Кроме того, поверхность опорного электрода также может быть склонной к загрязнению, и в этом случае отсчеты датчика могут стать ненадежными.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание интегральной схемы (ИС) в соответствии с вводным абзацем, в которой можно было бы избежать потребности в отдельном опорном электроде.
Кроме того, настоящее изобретение направлено на создание сенсорного устройства, включающего в себя такую ИС.
Кроме того, настоящее изобретение направлено на создание способа измерения интересующего аналита с использованием такой ИС.
Кроме того, настоящее изобретение направлено на создание способа изготовления такой ИС.
Настоящее изобретение определено в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные варианты осуществления.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена интегральная схема, определенная в настоящем изобретении.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что путем обеспечения двух нанопроводников, смежных друг с другом (относительно направления потока измеряемой среды), и обеспечения одного из этих двух нанопроводников защитным слоем, таким как гидрофобный слой или антиионный лист, который предотвращает прилипание частиц, таких как ионы или незаряженные молекулы, ко второму нанопроводнику, и который делает второй нанопроводник по существу или даже полностью инертным, то есть нечувствительным к среде, эффекты постепенного отложения таких загрязнений на первом нанопроводнике могут быть отфильтрованы путем дифференциального измерения сигналов, получаемых с этих нанопроводников. В дополнение к этому, вследствие того, что нанопроводники расположены в одной и той же области подложки, то есть рядом друг с другом, эффекты несовмещения, которые изначально присутствуют в технологиях субмикронных процессов, могут быть минимизированы, поскольку такие эффекты несовмещения, как правило, преобладают между различными областями подложки.
Предпочтительно второй нанопроводниковый элемент находится в непосредственной близости от первого нанопроводникового элемента. Более предпочтительно вторые нанопроводниковые элементы являются смежными друг с другом. Возможно также их параллельное размещение в направлении их длины. Чем ближе нанопроводниковый элемент находится к нанопроводнику обнаружения аналита, тем меньше различий может быть между восприятием среды этими двумя нанопроводниками, и тем лучше может быть сравнение с образцом.
Каждый из нанопроводников может содержать оксидный поверхностный слой, например, за счет частичного окисления материала нанопроводника, который может действовать как подзатворный оксид, со средой, действующей как плавающий затвор, который обеспечивает потенциал затвора, который является функцией, например, содержания интересующего аналита в среде.
Дифференциальное измерение может выполняться вне чипа, например, путем соединения нанопроводников с внешней схемой через контактные площадки и т.п. В качестве альтернативы, интегральная схема может дополнительно содержать схему обработки сигналов для обработки соответствующих сигналов первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента, что имеет то преимущество, что никаких внешних схем не требуется для выполнения измерения.
В одном варианте осуществления схема обработки сигналов содержит дифференциатор, выполненный с возможностью вычитания сигнала второго нанопроводникового элемента из сигнала первого нанопроводникового элемента. Такой дифференциатор, например инвертор или дифференциальный усилитель, таким образом, обеспечивает выходной сигнал, в котором сигнал «инертного» второго нанопроводника вычтен из сигнала измеряющего первого нанопроводника. Это обеспечивает базовый сигнал для измеряющего нанопроводника, который может быть вычтен из любых последующих измерений для фильтрации влияния загрязнителей на измеряющий первый нанопроводник.
Предпочтительно ИС дополнительно содержит первый транзистор (который может быть полевым транзистором (FET)), содержащий первый нанопроводниковый элемент, и второй транзистор (который может быть полевым транзистором (FET)), содержащий второй нанопроводниковый элемент. Включение нанопроводника в качестве канала транзистора обеспечивает простой и чувствительный способ измерения вызванных прилипанием изменений в импедансе нанопроводника.
В одном варианте осуществления ИС содержит транзисторов, в котором каждый транзистор содержит нанопроводник, проходящий между электродом истока и электродом стока, причем упомянутый массив включает в себя первый транзистор и второй транзистор. Это имеет то преимущество, что присутствие многих различных интересующих аналитов может быть одновременно измерено соответствующими транзисторами массива, например, путем индивидуальной функционализации измерительных транзисторов. Соответствующие транзисторы в упомянутом массиве могут совместно использовать одно из электрода стока и электрода истока, что дополнительно упрощает конструкцию массива.
Подложка может быть подложкой из кремния на изоляторе (SOI). Каждый из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента может содержать кремниевый нанопроводник, например нанопроводник, сформированный путем формирования рельефа кремниевого слоя подложки из кремния на изоляторе.
Защитный слой предпочтительно формируется из материалов, которые являются легко доступными в применимой технологии изготовления ИС, такой как технология CMOS. Например, защитный слой может быть диэлектрическим слоем, таким как оксидный или нитридный слой, или вместо этого может быть слоем полимера, таким как полиимидный или париленовый слой. В частности, защитный слой может быть частью подходящего материала фоторезистивной или твердой маски, который может быть сформирован на втором нанопроводниковом элементе с использованием легкодоступных методов формирования рисунка таких материалов.
Защитный слой как правило имеет такую толщину, которая гарантирует, что второй нанопроводниковый элемент будет нечувствителен к среде, так что сигнал, формируемый вторым нанопроводниковым элементом, будет отражать смещение, приложенное к элементам, например, подложкой, выполненной с возможностью работы в качестве обратного затвора. С этой целью подложка предпочтительно является полупроводниковой подложкой.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложено измерительное устройство, содержащее канал потока и интегральную схему в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, в котором первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент расположены в упомянутом канале потока таким образом, что первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент являются смежными друг с другом относительно направления потока среды через упомянутый канал потока. Это имеет то преимущество, что дрейф датчика и другие мешающие эффекты могут быть отфильтрованы без необходимости отдельного опорного электрода, как было объяснено выше.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен способ измерения интересующего аналита в среде, как определено в настоящем изобретении. Это гарантирует точное измерение интересующего аналита без необходимости отдельного опорного электрода.
В одном варианте осуществления этап одновременного получения сигнала первого нанопроводникового элемента с упомянутого первого нанопроводникового элемента и сигнала второго нанопроводникового элемента с упомянутого второго нанопроводникового элемента содержит возбуждение первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента переменным током; и этап получения измерения аналита из разности между сигналом второго нанопроводникового элемента и сигналом первого нанопроводникового элемента содержит измерение комплексного импедансного отклика первого нанопроводникового элемента и комплексного импедансного отклика второго нанопроводникового элемента на упомянутый переменный ток. Использование источника переменного тока дополнительно увеличивает чувствительность элементов и кроме того позволяет обнаруживать частицы конкретного размера путем применения развертки по частоте, поскольку импеданс элементов будет сильно изменяться при поступательной или вращательной собственной частоте колебаний частицы.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен способ изготовления интегральной схемы, определенной в настоящем изобретении. Такой способ может быть осуществлен, например, путем использования CMOS-совместимых этапов обработки, так что интегральная схема может быть произведена с относительно низкими затратами.
В одном варианте осуществления каждый из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента проходит от области истока до области стока, и способ дополнительно содержит формирование оксидной пленки на каждом из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента, например, путем частичного окисления нанопроводников. Это имеет то преимущество, что среда может использоваться в качестве плавающего затвора элементов, например, в том варианте осуществления, в котором каждый элемент формирует канал транзистора.
В настоящем изобретении транзистор может быть полевым транзистором (FET).
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно и посредством неограничивающих примеров со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых:
Фиг. 1 схематично изображает один аспект ИС в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 схематично изображает другой аспект ИС в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 изображает токовые характеристики четырех различных нанопроводниковых датчиков ИС в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 изображает комплексный импеданс нанопроводникового датчика на ИС в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения при возбуждении источником переменного тока;
Фиг. 5a-e схематично изображают вариант осуществления способа изготовления ИС по настоящему изобретению; и
Фиг. 6 схематично изображает дополнительный аспект ИС в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Следует понимать, что чертежи являются схематичными и не предназначены для масштабирования. Также следует понимать, что одинаковые ссылочные цифры используются во всех чертежах для обозначения одинаковых или подобных деталей. В данном описании варианты осуществления описаны с полевыми транзисторами. Точно также они могут быть заменены любым другим транзистором. Полевые транзисторы, однако, легко интегрируются.
Фиг. 1 схематично изображает ИС 100, содержащую кремниевую подложку 110, структурированный слой 120 углубленного оксида и множество кремниевых нанопроводников, из которых показаны два нанопроводника 140a и 140b, но следует понимать, что ИС 100 может содержать гораздо большее количество таких нанопроводников, которые предпочтительно расположены смежно друг с другом в массиве. Первый нанопроводник 140a проходит между областью 142a истока и областью 144 стока, тогда как второй нанопроводник 140b проходит между областью 142b истока и областью 144 стока. Первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b таким образом совместно используют область стока для обеспечения нанопроводникам общего тока возбуждения, и отдельные области 142a и 142b истока, позволяющие измерять ток, протекающий через отдельные нанопроводники. Следует понимать, что эта конфигурация приведена лишь в качестве неограничивающего примера; в равной степени измеряющие проводники могут совместно использовать область истока и иметь отдельные области стока, или иметь отдельные области истока и стока, хотя последняя конфигурация усложняет изготовление ИС 100 вследствие того, что она требует обеспечения большего количества контактов в этих отдельных областях.
В контексте настоящего изобретения нанопроводник является проводящей или полупроводящей структурой, имеющей сечение субмикронных размеров и длину, которая может колебаться от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон. Нанопроводник может быть твердой или полой структурой, и может иметь круглое или некруглое, например, квадратное или прямоугольное поперечное сечение. В качестве неограничивающего примера, подразумевается, что термин «нанопроводник» в настоящей заявке на патент включает в себя одностенные или многостенные нанотрубки, нановолокна и так далее. В предпочтительном варианте осуществления нанопроводник является кремниевым нанопроводником, который предпочтительно имеет окисленную наружную поверхность, как будет более подробно объяснено ниже.
Подложка 110 при необходимости может содержать задний затвор 102, например, слой металлизации на поверхности, противоположной поверхности, на которой формируется слой 120 углубленного оксида.
При работе задний затвор 102 используется для обеспечения полевых транзисторов, включая первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b, напряжением смещения или разверткой напряжения смещения таким образом, что нанопроводники приводятся в состояние проводимости, например, путем приложения напряжения смещения или развертки напряжения смещения, которое (по меньшей мере частично) превышает пороговое напряжение нанопроводников, так что ток начинает течь через нанопроводники как функция возбуждающего тока, приложенного к полевым транзисторам, сформированным областями истока 142a и 142b, первого и второго нанопроводников 140a и 140b и общей областью 144 стока. В дополнение к этому, поскольку первый нанопроводник 140a контактирует с измеряемой средой, например, текучей средой, такой как поток жидкого или газообразного образца, импеданс первого нанопроводника 140a является функцией взаимодействия первого нанопроводника 140a со средой. Это демонстрируется на Фиг. 3, где показаны токовые характеристики четырех различных нанопроводников, обозначенных стрелками. Различный наклон токовых профилей вызван различными взаимодействиями со средой, например, различными характеристиками событий захвата.
Возвращаясь к Фиг. 1, в случае первого нанопроводника 140a, покрытого оксидной пленкой, оксидная пленка действует как подзатворный оксид, а среда действует как затвор с плавающим потенциалом затвора, который зависит от состава, например, от содержания ионов в среде. Первый нанопроводник 140a может дополнительно содержать функциональный слой (не показан) для взаимодействия с конкретным интересующим аналитом, и в этом случае функциональный слой можно рассматривать как плавающий затвор, поскольку его потенциал будет функцией количества взаимодействия функционального слоя с интересующим аналитом. Вышеописанные принципы, конечно, известны сами по себе, например, из химических полевых транзисторов ChemFET, таких как ионно-чувствительных полевых транзисторов ISFET и ENFET, и поэтому не будет объясняться в дальнейших деталях исключительно по причинам краткости.
В противоположность этому, второй нанопроводник 140b защищен от среды частью 150 электроизолирующего защитного слоя, который имеет такую толщину, которая гарантирует, что импеданс второго нанопроводника 140b является независимым от среды, то есть нечувствительным к ней. В одном варианте осуществления часть 150 электроизолирующего защитного слоя имеет толщину по меньшей мере 1 микрон. В другом варианте осуществления часть 150 электроизолирующего защитного слоя имеет толщину по меньшей мере 5 микрон. В еще одном варианте осуществления часть 150 электроизолирующего защитного слоя имеет толщину по меньшей мере 10 микрон. Как будет понятно специалисту в данной области техники, необходимая толщина части 150 электроизолирующего защитного слоя будет зависеть от материала, выбранного для части 150 электроизолирующего защитного слоя. Подходящие материалы включают в себя электроизолирующие гидрофобные материалы и электроизолирующие антиионные материалы, например, антиионные листы.
Предпочтительно для части 150 электроизолирующего защитного слоя используются материалы, которые являются легкодоступными или по меньшей мере совместимыми с технологией процесса, с помощью которого производится ИС 100, например, процесса CMOS. Например, часть 150 электроизолирующего защитного слоя может быть сформирована с помощью селективно осажденного или структурированного оксида или нитрида, например SiO2, Al2O3, Si3N4 и т.д. Альтернативно, часть 150 электроизолирующего защитного слоя может быть сформирована с помощью селективно осажденного или структурированного резиста, или с помощью гидрофобного полимера, такого как парилен или полиимид. Другие подходящие материалы будут очевидными для специалиста в данной области техники.
Одним из дополнительных преимуществ такой части 150 электроизолирующего защитного слоя является то, что любое загрязнение на этом материале, например, из-за постепенного отложения загрязнителей на поверхности части 150 электроизолирующего защитного слоя, контактирующей со средой, также не воспринимается вторым нанопроводником 140b, так что этот нанопроводник кроме всего прочего нечувствителен к такому загрязнению.
Следовательно, сигнал, производимый вторым нанопроводником 140b, чувствителен только к обратному смещению, так что влияние обратное смещения на поведение сигнала первого нанопроводника 140a может быть отфильтровано из ответного сигнала первого нанопроводника 140a путем вычитания сигнала второго нанопроводника 140b из сигнала первого нанопроводника 140a.
Фиг. 2 изображает примерную схему для этой цели. В этой конфигурации первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b размещены смежно друг с другом в канале 160 потока. При работе среда течет через канал 160 потока в направлении, обозначенном жирными черными стрелками. Из этого направления потока можно заметить, что первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b помещаются таким образом, что они подвергаются воздействию по существу одних и тех же характеристик потока. Это имеет то преимущество, что минимизируется риск различных условий между нанопроводниками, например перепада температур и связанных с потоком артефактов, таких как напряжение или изгиб. Кроме того, путем обеспечения первого нанопроводника 140a и второго нанопроводника 140b в непосредственной близости друг от друга, артефакты несоответствия обработки, которые изначально имеют место между различными областями одной и той же подложки, могут быть в значительной степени исключены. Таким образом гарантируется, что поведение импеданса, свойственное первому нанопроводнику 140a и второму нанопроводнику 140b, идентично настолько, насколько это возможно, так что любое различие в характеристиках импеданса первого нанопроводника 140a и второго нанопроводника 140b вызывается средой.
С этой целью область 142a первого истока и область 142b второго истока могут быть связаны с дифференцирующей схемой 200 посредством соответствующих проводников 202 и 204. Дифференцирующая схема или дифференциатор 200 выполнен с возможностью формировать разность между сигналом от первого нанопроводника 140a и сигналом от второго нанопроводника 140b на своем выходе 206, например, путем вычитания сигнала второго нанопроводника 140b из сигнала первого нанопроводника 140a. Такие схемы сами по себе являются известными, и может быть выбрана любая подходящая реализация такого дифференциатора 200, например, дифференциальный усилитель или инвертор. Как правило, будут выполняться два дифференциальных измерения, одно до и одно после события захвата аналита, так что разность между этими двумя измерениями, например, измеренная разность в импедансе первого нанопроводника 140a, может интерпретироваться как характеризующая тип и/или количество материала, отложившегося на первом нанопроводнике 140a.
В одном варианте осуществления дифференцирующая схема 200 расположена снаружи по отношению к ИС 100, и в этом случае проводники 202 и 204 могут быть связаны с соответствующими контактными площадками ИС 100, причем каждая контактная площадка обеспечивает проводящее соединение с одной из областей 142a и 142b истока. В альтернативном варианте осуществления дифференцирующая схема 200 является частью ИС 100, и в этом случае проводники 202 и 204 могут быть расположены, например, в стеке металлизации ИС. Много других подходящих конфигураций будут очевидными для специалистов в данной области техники.
Вышеупомянутое дифференциальное измерение может также использоваться для установления уровня загрязнения открытой поверхности первого нанопроводника 140a или по меньшей мере откалибровать первый нанопроводник 140a. С этой целью может быть выполнено первое калибровочное дифференциальное измерение, во время которого текучая среда с известным составом, например, калибровочная текучая среда, течет над массивом нанопроводников, содержащим первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b. Дифференциальный сигнал может быть связан с известным составом, как это обычно делается в процессе калибровки. Если интересующий аналит отсутствует в известном составе, дифференциальный сигнал D1 может быть указывать на уровень загрязнения, которое отложилось на открытой поверхности первого нанопроводника 140a.
Последующее дифференциальное измерение D2 образца, протекающего над массивом нанопроводников, может быть скоррелировано с калибровочным дифференциальным измерением D1 любым подходящим образом, например, путем вычитания D1 из D2 в том случае, если D1 указывает на уровень загрязнения на открытой поверхности первого нанопроводника 140a. С этой целью сигнальный процессор (не показан) может быть соединен с выходом 206 дифференцирующей схемы 200, причем этот сигнальный процессор выполнен с возможностью выполнения вышеупомянутой корреляции. Сигнальный процессор как правило выполняется с возможностью по меньшей мере сохранять последнее значение D1, для чего сигнальный процессор может содержать память данных или иметь доступ к ней. Сигнал D1 может быть сохранен в цифровой форме, и в этом случае сигнальный процессор может быть соединен с выходом 206 через аналого-цифровой преобразователь (не показан). Сигнальный процессор как правило содержит выход для обеспечения результата корреляции таким образом, чтобы пользователь ИС 100 или измерительного устройства, включающего в себя ИС 100, мог интерпретировать этот результат корреляции. Сигнальный процессор может быть внешним по отношению к ИС 100 или может являться частью ИС 100.
Ток возбуждения, приложенный к общему стоку 144 массива нанопроводников, включающего в себя первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b, посредством проводника 212, может иметь любую подходящую форму, например, может быть постоянным током или переменным током. В случае применения переменного тока импеданс нанопроводников будет иметь комплексную форму, то есть будет содержать вещественную и мнимую части. Это дополнительно улучшает селективность измеряющего нанопроводника, такого как первый нанопроводник 140a, и дополнительно способствует возможности обнаружения материалов или частиц конкретного размера вследствие того, что импеданс будет показывать большое изменение, когда переменный ток будет соответствовать резонансной или собственной частоте поступательного или вращательного колебания частиц. На Фиг. 4 показан пример декомпозированной комплексной характеристики импеданса нанопроводника, возбуждаемого переменным током, который включает в себя вещественный компонент 410 и мнимый компонент 420.
Примерный способ изготовления такой ИС 100 схематично изображен на Фиг. 5. На этапе (a) обеспечивается подложка 110, которая несет на себе электрически изолирующий слой 120 и слой 130 полупроводникового материала. Предпочтительно эта конфигурация обеспечивается как подложка из кремния на изоляторе, в которой слои 110 и 130 являются слоями кремния, разделенными слоем 120 углубленного оксида, однако следует понимать, что показанный на этапе (a) стек слоев может быть обеспечен любым подходящим образом с использованием любых подходящих материалов. Металлический контакт 102 (не показан) может также присутствовать или быть сформированным в любой подходящей точке в этом способе, чтобы снабдить подложку 110 контактом заднего затвора таким образом, чтобы подложка 110 могла использоваться в качестве заднего затвора.
На следующем этапе (b) на слое 130 кремния формируется структурированная маска 510, которая определяет области, в которые должны быть внедрены примеси, после чего такие примеси внедряются в слой 130 кремния, такие как примеси 520, например примеси типа N-, в области, в которой должны быть сформированы нанопроводники 140, и примеси 530, например примеси типа N++, в областях истока 142 и стока 144. Поскольку формирование такой маски и таких этапов внедрения является обычной практикой для специалиста в данной области техники, они не будут объясняться в дальнейших в целях краткости.
После этого маска 510 удаляется со слоя 130 кремния, который затем структурируется так, чтобы сформировать нанопроводники 140 и области истока 142 и стока 144, как показано на этапе (c). Следует отметить, что сечение ИС 100, показанное на этапе (c), представляет собой поперечное сечение, обозначенное пунктирной линией на Фиг. 1, которое повернуто на 90° по сравнению с поперечными сечениями, показанными на этапах (a) и (b), так что сформированные области истока 142 и стока 144 не показаны в сечении на этапе (c). Структурирование слоя 130 кремния может быть достигнуто любым подходящим образом. Особенно предпочтительным является использование электронно-лучевой литографии для формирования нанопроводников 140, что может быть объединено с сухим травлением, чтобы сформировать области истока 142 и область (области) стока 144.
Этап (d) является дополнительным этапом, который, однако, является предпочтительным, чтобы гарантировать, что среда, воздействию которой подвергаются нанопроводники 140, действует как плавающий затвор на областях канала полевых транзисторов, определенных нанопроводниками 140. На этапе (d) нанопроводники снабжаются оксидным слоем 540. В случае кремниевых нанопроводников 140 это предпочтительно достигается частичным окислением кремния, например, путем обработки кремниевых нанопроводников 140 богатой оксидом средой при повышенных температурах, например, 300°C или выше, в течение некоторого времени. Этот оксидный слой 540 таким образом действует как подзатворный оксид, когда нанопроводники 140 входят в контакт со средой.
После этого выбранные нанопроводники 140 покрываются частью 150 защитного слоя для их защиты от воздействия измеряемой среды, как было объяснено выше. Одна или более частей защитного слоя могут быть сформированы любым подходящим образом, например, путем осаждения защитного слоя на все нанопроводники 140 и избирательного удаления материала защитного слоя с тех нанопроводников 140, которые должны использоваться в качестве измеряющих нанопроводников, или альтернативно путем избирательного осаждения защитного слоя только на те нанопроводники 140, которые должны быть защищены от измеряемой среды. Вследствие того, что расстояние между нанопроводниками 140 намного больше, чем поперечное сечение или толщина одного нанопроводника 140, такое избирательное осаждение может быть достигнуто с использованием методов, хорошо известных специалисту в данной области техники.
Фиг. 6 схематично изображает вид сверху одного полевого транзистора, включающего в себя контакт 642 истока, контакт 644 стока, металл 652, находящийся в проводящем контакте с контактом 642 истока (металл, контактирующий с контактом стока, не описан ради ясности), и нанопроводник 140. Это ясно демонстрирует, что имеется вполне достаточное место для избирательного осаждения защитного слоя 150 на нанопроводник 140.
В массиве нанопроводников 140 на ИС 100 может присутствовать любое подходящее количество покрытых защитным слоем нанопроводников 140b. Например, каждый измеряющий нанопроводник 140a может иметь свой собственный покрытый защитным слоем нанопроводник 140b, так что массив содержит рисунок [ab]n, в котором a и b соответственно представляют собой измеряющий нанопроводник 140a и покрытый защитным слоем нанопроводник 140b, и в котором n является положительным целым числом. В случае n=1 массив содержит только два нанопроводника 140, то есть первый нанопроводник 140a и второй нанопроводник 140b, однако следует понимать, что n может принимать намного большие значения, например, n=50, n=500 и так далее. В альтернативном варианте осуществления покрытый защитным слоем нанопроводник 140b совместно используется двумя измеряющими нанопроводниками 140a по обе стороны от покрытого защитным слоем нанопроводника 140b, так что массив имеет рисунок [aba]n, который имеет то преимущество, что более высокий процент нанопроводников 140 в массиве представляет собой измеряющие нанопроводники. Покрытый защитным слоем нанопроводник 140b может совместно использоваться любым количеством измеряющих нанопроводников 140a таким образом, что массив может иметь любой подходящий повторяющийся рисунок или не иметь рисунка вообще, хотя предпочтительно, чтобы измеряющие нанопроводники 140a располагались в тесной близости к их покрытому защитным слоем нанопроводнику 140b по причинам, уже объясненным выше.
ИС 100 может быть интегрирована в любое подходящее измерительное устройство. Такое измерительное устройство, как правило, содержит канал 160 потока, как показано на Фиг. 2, который может иметь любой подходящий размер. ИС 100 как правило помещается таким образом, что первый измеряющий нанопроводник 140a и покрытый защитным слоем нанопроводник 140b находятся в канале потока, как показано на Фиг. 2, то есть с гарантией того, что оба нанопроводника подвергаются воздействию по существу одинаковых характеристик потока, с тем, чтобы минимизировать риск вызванных потоком различий в поведении нанопроводника. Такое измерительное устройство может быть, например, микроструйным измерительным устройством или измерительным устройством для взятия проб, используемым в медицинских применениях, измерительным устройством для измерения выхлопного газа, используемым в промышленных или автомобильных применениях, и так далее. Многие другие подходящие области применения для такого измерительного устройства будут очевидными для специалиста в данной области техники.
Следует отметить, что вышеприведенные варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут разработать альтернативные варианты осуществления, не выходящие за рамки объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые условные обозначения, помещенные в круглые скобки, не должны рассматриваться как ограничивающие соответствующий пункт формулы изобретения. Слова «содержащий» не исключают наличия других элементов или этапов кроме перечисленных в формуле изобретения. Упоминание элемента в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть осуществлено аппаратными средствами, содержащими несколько отдельных элементов. В пункте формулы изобретения на устройство, в котором перечислены несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же аппаратным средством. Тот факт, что некоторые средства приведены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих средств не может быть использовано с достижением преимущества.
1. Интегральная схема, содержащая:
- подложку;
- изолирующий слой на упомянутой подложке; и
- первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент на упомянутом изолирующем слое, отличающаяся тем, что
первый нанопроводниковый элемент является узлом истока первого транзистора и второй полупроводниковый элемент является узлом истока второго транзистора, причем упомянутый первый транзистор и упомянутый второй транзистор имеют общий узел стока,
причем первый нанопроводниковый элемент расположен таким образом, чтобы подвергаться воздействию среды, содержащей аналит, и при этом второй нанопроводниковый элемент расположен таким образом, чтобы быть защищенным от упомянутой среды защитным слоем на упомянутом втором нанопроводниковом элементе.
2. Интегральная схема по п. 1, в которой каждый из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента покрыт оксидной пленкой, и защитный слой (150) расположен на упомянутой оксидной пленке.
3. Интегральная схема по п. 1, дополнительно содержащая схему обработки сигналов для обработки соответствующих сигналов первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента.
4. Интегральная схема по п. 3, в которой схема обработки сигналов содержит дифференциатор, выполненный с возможностью вычитания сигнала второго нанопроводникового элемента из сигнала первого нанопроводникового элемента.
5. Интегральная схема по п. 1, дополнительно содержащая массив из упомянутого первого транзистора и упомянутого второго транзистора.
6. Интегральная схема по п. 1, в которой подложка является полупроводниковой подложкой, выполненной с возможностью обеспечения напряжения смещения для первого нанопроводникового
элемента и второго нанопроводникового элемента.
7. Интегральная схема по п. 1, в которой каждый из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента содержит кремниевый нанопроводник.
8. Интегральная схема по п. 1, в которой защитный слой имеет такую толщину, которая гарантирует, что второй нанопроводниковый элемент будет нечувствительным к среде.
9. Интегральная схема по п. 1, в которой защитный слой содержит диэлектрический слой, такой как оксидный слой или нитридный слой, или слой полимера, причем упомянутый слой полимера является одним из: слоя полиимида или слоя парилена.
10. Измерительное устройство, содержащее канал потока и интегральную схему по п. 1, причем первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент расположены в упомянутом канале потока таким образом, что первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент являются смежными друг с другом относительно направления потока среды через упомянутый канал потока.
11. Способ измерения интересующего аналита в среде, причем способ содержит этапы, на которых:
- обеспечивают интегральную схему по п. 1;
- пропускают упомянутую среду над первым нанопроводниковым элементом и вторым нанопроводниковым элементом в таком направлении, что первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент являются смежными друг с другом относительно направления упомянутого потока;
- одновременно получают сигнал первого нанопроводникового элемента с упомянутого первого нанопроводникового элемента и сигнал второго нанопроводникового элемента с упомянутого второго нанопроводникового элемента; и
- получают измерение аналита из разности между сигналом второго нанопроводникового элемента и сигналом первого нанопроводникового элемента.
12. Способ по п. 11, в котором:
- этап одновременного получения сигнала первого нанопроводникового элемента с упомянутого первого
нанопроводникового элемента и сигнала второго нанопроводникового элемента с упомянутого второго нанопроводникового элемента содержит этап, на котором возбуждают первый нанопроводниковый элемент и второй нанопроводниковый элемент переменным током; и
- этап получения измерения аналита из разности между сигналом второго нанопроводникового элемента и сигналом первого нанопроводникового элемента содержит этап, на котором измеряют комплексный импедансный отклик первого нанопроводникового элемента и комплексный импедансный отклик второго нанопроводникового элемента на упомянутый переменный ток.
13. Способ изготовления интегральной схемы, содержащий этапы, на которых:
- обеспечивают подложку, изолирующий слой на упомянутой подложке и слой полупроводника на упомянутом изолирующем слое;
- структурируют слой полупроводника для формирования первого нанопроводникового элемента в качестве узла истока первого транзистора, и второго нанопроводникового элемента, смежного с упомянутым первым нанопроводниковым элементом на упомянутом изолирующем слое, причем упомянутый второй нанопроводниковый элемент является узлом истока второго транзистора, причем упомянутый первый транзистор и упомянутый второй транзистор совместно используют общий узел стока; и
- наносят защитный слой только на второй нанопроводниковый элемент.
14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этап, на котором:
формируют оксидную пленку на каждом из первого нанопроводникового элемента и второго нанопроводникового элемента перед нанесением упомянутого защитного слоя.
