Интегральная схема с нанопроводными датчиками на полевых транзисторах, изготовленных химическим методом, сенсорное устройство, способ измерения и способ изготовления

Изобретение может быть использовано для измерения представляющего интерес аналита. Интегральная схема (ИС) (100) содержит полупроводниковую подложку (110); изолирующий слой (120) поверх упомянутой подложки; первый транзистор (140) на упомянутом изолирующем слое, при этом упомянутый первый транзистор содержит открытую канальную область (146) между областью (142а, 142b) истока и областью (144) стока; и генератор (150) волнового сигнала напряжения, проводящим образом соединенный с полупроводниковой подложкой для снабжения первого транзистора напряжением смещения во время периода улавливания сигнала, при этом генератор волнового сигнала напряжения выполнен с возможностью генерирования чередующегося волнового сигнала (300) напряжения смещения, содержащего периодически возрастающую амплитуду. Кроме того, раскрыто сенсорное устройство, включающее в себя такую ИС и способ измерения, использующий такую ИС. Изобретение обеспечивает возможность обеспечить ИС, в которой исключена необходимость использования отдельного электрода сравнения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к интегральной схеме, содержащей полупроводниковую подложку; изолирующий слой над упомянутой подложкой; первый транзистор аналита на упомянутом изолирующем слое, при этом упомянутый первый транзистор содержит открытую канальную область между областью истока и областью стока; и генератор волнового сигнала напряжения, проводящим образом соединенный с полупроводниковой подложкой для снабжения первого транзистора напряжением смещения во время периода улавливания сигнала.

Настоящее изобретение дополнительно относится к сенсорному устройству, включающему в себя такую интегральную схему (ИС).

Еще настоящее изобретение дополнительно относится к способу измерения представляющего интерес аналита в среде с использованием такой ИС.

Предпосылки создания изобретения

Происходящая миниатюризация полупроводниковой технологии обусловила поразительное разнообразие функциональных возможностей, внедренных в полупроводниковые устройства, такие как интегральные схемы (ИС), что в некоторых случаях привело к реализации почти целостных решений в единственном устройстве. Например, миниатюризация полупроводникового устройства привела к интегрированию в единственном полупроводниковом устройстве одного или более датчиков, и результаты ввода в действие таких устройств можно увидеть в самых различных технических областях, например, в практических применениях в автомобилестроении, в практических применениях в здравоохранении, при мониторинге за промышленными газоотводными каналами и т.д.

Одной из главных трудностей в обеспечении сенсорной функциональности такого электронного устройства, как ИС, является обеспечение того, чтобы это полупроводниковое устройство могло быть получено экономически приемлемым образом. Это, например, является особенной трудностью, когда в полупроводниковое устройство должны быть интегрированы сенсорные элементы субмикронных размеров, например наноэлементы, такие как транзисторы на основе нанопроводов, поскольку совсем не просто изготавливать такие наноэлементы, используя этапы обработки, которые совместимы с процессом изготовления всего полупроводникового устройства. Следовательно, интегрирование таких специальных элементов может привести к значительному увеличению сложности процесса изготовления полупроводникового устройства, тем самым значительно увеличивая стоимость таких устройств.

Особенная проблема в этой связи заключается в том, что когда средой обнаружения является текучая среда, например жидкость или газ, структура датчика обычно требует присутствия датчика опорного сигнала или электрода сравнения для компенсации смещения датчика, т.е. изменяющегося во времени отклика датчика на представляющий интерес аналит, который, например, может быть вызван постепенным встраиванием загрязнений на поверхности датчика. Такое встраивание происходит, например, когда первый транзистор смещается постоянным напряжением, вызывая тем самым разность потенциалов между средой и открытой канальной областью, что может вызвать накопление заряженных частиц на поверхности датчика, что, в свою очередь, может вызвать сдвиг порогового напряжения Vth первого транзистора.

Пример такой структуры раскрыт в заявке US 2004/0136866 А1, в которой электрод сравнения помещен в контакт с анализируемой текучей средой для управления потенциалом раствора относительно полупроводникового нанопроводного сенсорного элемента.

Однако добавление датчика опорного сигнала или электрода сравнения может дополнительно усложнить конструкцию структуры датчика, что, следовательно, может дополнительно увеличить стоимость электронного устройства. Более того, поверхность электрода сравнения сама по себе также может быть предрасположена к загрязнению, и в этом случае показания датчика могут стать ненадежными.

ЕР 2362219 А1 раскрывает способ выполнения измерений датчиком, имеющим сенсорную поверхность и по меньшей мере одну молекулу захвата, прикрепленную к сенсорной поверхности для образования связующей пары с представляющим интерес аналитом, при этом связующая пара имеет гибкую пространственную ориентацию, способ включает в себя захват представляющего интерес аналита молекулой захвата с образованием тем самым связующей пары с первоначальной пространственной ориентацией; приложение первой электромагнитной силы к сенсорной поверхности для изменения пространственной ориентации связующей пары; и выполнение измерения датчиком с помощью связующей пары в измененной пространственной ориентации. Следовательно, выдается выходной сигнал датчика, который модулируется обусловленными ЭДС конформационными изменениями в связующей паре, так что вклады сигнала от загрязнений, которые обычно не проявляют обусловленную ЭДС модуляцию, эффективно отфильтровываются.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение имеет целью обеспечить ИС в соответствии со вступительной частью, в которой исключена необходимость отдельного электрода сравнения.

Настоящее изобретение дополнительно имеет цель обеспечить сенсорное устройство, включающее в себя такую ИС.

Еще настоящее изобретение дополнительно имеет цель обеспечить способ измерения представляющего интерес аналита, использующий такую ИС.

Изобретение определено независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты определяют преимущественные варианты выполнения.

В соответствии с аспектом настоящего изобретения обеспечена интегральная схема в виде, определенном в изобретении. Первый транзистор особенно успешен для обнаружения представляющего интерес аналита. Этот первый транзистор может быть обнаруживающим аналит транзистором.

Настоящее изобретение основано на осознании того, что обеспечивая ИС, имеющую первый транзистор со сродством к конкретному представляющему интерес аналиту, например потому, что канальная область транзистора соответствующим образом функционализирована посредством, например, слоя функционализации, отрицательное влияние загрязнений на сигнал обнаружения может быть в значительной степени устранено приложением волнового сигнала напряжения смещения, которое периодически притягивает и отталкивает такие загрязнения, например ионы, без необходимости выделения модулированной составляющей из сигнала датчика, приобретенного во время приложения волнового сигнала напряжения смещения. Вместо этого, с удивлением было обнаружено периодическое увеличение амплитуды по меньшей мере одной части волнового сигнала, например положительной части и (или) отрицательной части, приложенного к нижнему затвору первого транзистора, при этом может быть выполнено точное измерение аналита первым транзистором посредством выделения вклада аналита из приобретенного сигнала, например из его наклона и/или из его Vth. Дополнительное преимущество использования такого волнового сигнала напряжения над обеспечением постоянного напряжения обратного смещения заключается в том, что ток сток-исток транзистора становится нечувствительным к приложенному к транзистору напряжению смещения.

ИС может дополнительно содержать процессор сигналов, проводящим образом соединенный с первым транзистором аналита и выполненный с возможностью выделения измерения аналита из сигнала аналита первого транзистора, полученного во время упомянутого периода улавливания сигнала. Как вариант, такой процессор сигналов может быть предусмотрен вне микросхемы.

В варианте выполнения волновой сигнал напряжения смещения имеет усредненный по времени нулевой потенциал, например, обеспечивая волновой сигнал напряжения смещения, который (симметрично) осциллирует вокруг нулевого значения. Это имеет то преимущество, что заряженные частицы, например ионы, не могут эффективно связываться с канальной областью первого транзистора, если они не имеют особенного сродства к канальной области, например, в случае подходящего связующего слоя на канальной области, поскольку усредненный по времени потенциал смещения не выдает для таких частиц силы притяжения.

Как вариант, развертка напряжения содержит множество чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения, при этом только один из положительных импульсов напряжения и отрицательных импульсов напряжения проявляет периодически возрастающую амплитуду. Например, только максимальная, т.е. положительная составляющая напряжения развертки может постепенно возрастать от первоначальной величины до конечной величины, в то время как минимальная или отрицательная амплитуда напряжения в каждом из этих периодов удерживается на постоянном уровне, таким образом выдавая положительный потенциал, который возрастает в ряде этапов и который чередуется с зафиксированным отрицательным потенциалом. С удивлением было обнаружено, что такой потенциал является особенно эффективным при предотвращении накопления заряженных загрязнителей на поверхности канальной области, в то же самое время обеспечивая возможность накопления представляющих интерес заряженных частиц или молекул благодаря дополнительной стабилизации связующим слоем на канальной области. Это обусловлено тем, что положительная часть волнового сигнала напряжения действует как импульсный волновой сигнал с увеличивающейся интенсивностью во времени, в то время как отрицательная часть волнового сигнала гарантирует, чтобы усредненный потенциал в течение того периода, во время которого приложен волновой сигнал напряжения, оставался нулевым.

В предпочтительном варианте выполнения канальная область содержит нанопровод или нанотрубку, такие как кремниевый нанопровод или углеродная нанотрубка. Поскольку такие нанопровода или нанотрубки могут быть изготовлены по КМОП-совместимой технологии (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) и в субмикронных размерах, то таким дешевым образом по КМОП-технологии может быть изготовлен массив транзисторов, имеющий высокую плотность транзисторов.

Канальная область может быть покрыта оксидной пленкой, например, с помощью частичного окисления канальной области, так, что эта оксидная пленка действует в качестве подзатворного оксида. Дополнительно, канальная область может быть покрыта связующим слоем для функционализации канальной области таким образом, чтобы она преимущественно связывала конкретный представляющий интерес аналит, например биомолекулу, такую как ДНК, живые организмы, такие как бактерии или вирусы, ионы конкретного типа, конкретный тип (заряженных) молекул и т.д.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечено сенсорное устройство в виде, определенном в изобретении. Такое сенсорное устройство обладает преимуществами, обусловленными надежным и точным определением присутствия и (или) концентрации представляющего интерес аналита в камере образца, например в текучей среде, протекающей через проточную ячейку, содержащую открытый для воздействия первый транзистор аналита без необходимости в отдельном электроде сравнения.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения обеспечен способ измерения представляющего интерес аналита в среде в виде, определенном в изобретении. Таким путем может быть в значительной степени исключено отрицательное влияние загрязнителей на сигнал обнаружения с помощью приложения волнового сигнала напряжения смещения, который периодически притягивает и отталкивает такие загрязнения, например ионы, без необходимости выделения модулированной составляющей из сигнала датчика, уловленного во время приложения волнового сигнала напряжения смещения, как это пояснялось ранее.

Этап смещения может включать в себя смещение первого транзистора аналита волновым сигналом напряжения смещения, имеющим усредненный по времени нулевой потенциал для минимизации риска прилипания заряженных загрязнителей к открытой поверхности канальной области. С этой целью волновой сигнал напряжения смещения может (симметрично) чередоваться вокруг нулевой величины.

В другом варианте выполнения волновой сигнал напряжения смещения содержит множество чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения, при этом только один из положительных импульсов напряжения и отрицательных импульсов напряжения проявляет периодически возрастающую амплитуду, поскольку было обнаружено, что эта форма волнового сигнала особенно подходит для отталкивания несущих заряд загрязнителей от сенсорной поверхности, в то же время обеспечивая возможность связывания заряженных представляющих интерес аналитов, как это пояснялось ранее.

Краткое описание вариантов выполнения

Варианты выполнения изобретения описаны более подробно посредством неограничивающих примеров со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых

фиг. 1 схематично изображает аспект ИС в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг. 2 изображает токовые характеристики четырех различных нанопроводных датчиков ИС в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг. 3 изображает форму сигнала напряжения смещения в соответствии с примерным вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг. 4 изображает отклик нанопроводного полевого транзистора на постоянное напряжение смещения нижнего затвора (верхняя часть) и форму сигнала напряжения смещения нижнего затвора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения (нижняя часть);

фиг. 5 изображает динамику накопления на открытой канальной области полевого транзистора, смещенного постоянным напряжением смещения (левая часть), и формой сигнала напряжения смещения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения (правая часть);

фиг. 6 изображает экспериментально полученный отклик от кремниевого нанопроводного полевого транзистора, подверженного воздействию различных растворов NaCl при смещении с использованием волнового сигнала напряжения смещения нижнего затвора в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг. 7А-Е схематично изображают вариант выполнения способа изготовления ИС по настоящему изобретению; и

фиг. 8 схематично изображает дополнительный аспект ИС в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Подробное описание чертежей

Следует понимать, что фигуры являются лишь схематичными и выполнены не в масштабе. Также следует понимать, что для обозначения одних и тех же или подобных частей по всем фигурам используются одинаковые позиционные обозначения.

ИС 100 на фиг. 1 содержит кремниевую подложку 110, сформированный рисунком углубленный оксидный слой 120 и множество сенсорных полевых транзисторов 140, которые в качестве канальной области имеют наноструктуру, такую как кремниевый нанопровод или углеродная нанотрубка. Показаны два первых транзистора 140 с соответствующими нанопроводами 140а и 140b, но следует понимать, что ИС 140 может содержать гораздо большее число таких транзисторов, которые, предпочтительно, имеют канальные области, расположенные смежно одна с другой в массиве.

На фиг. 1 первая канальная область 146а простирается между областью 142а истока и областью 144 стока, в то время как вторая канальная область простирается между областью 142b истока и областью 144 стока. Таким образом, первая канальная область 146а и вторая канальная область 146b имеют совместную область стока для обеспечения нанопроводных канальных областей общим током возбуждения, с индивидуальными областями 142а и 142b истока обеспечивающими возможность измерения тока, наведенного в отдельных нанопроводах. Следует понимать, что эта структура является лишь неограничивающим примером; для первых транзисторов 140 одинаково приемлемо иметь совместную область истока и иметь индивидуальные области стока или иметь индивидуальные области истока и стока, хотя последнее усложняет изготовляемость ИС 100 вследствие того факта, что при этом должно быть обеспечено большее число контактов к этим индивидуальным областям.

В контексте настоящего изобретения нанопровод представляет собой проводящую или полупроводящую структуру, имеющую поперечное сечение субмикронных размеров и имеющую длину, которая может находиться в диапазоне от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон. Нанопровод может быть твердой или полой структурой и может иметь круговое или некруговое, например квадратное или прямоугольное, поперечное сечение. Термин "нанотрубка" в настоящей заявке подразумевает включение в себя нанотрубок с единственной стенкой или многостеночных. В предпочтительном варианте выполнения нанопровод представляет собой кремниевый нанопровод, который, предпочтительно, имеет окисленную внешнюю поверхность, как далее будет пояснено более подробно.

Подложка 110, необязательно, может содержать нижний затвор 102, например, металлизированный слой на поверхности, противоположной поверхности, на которой образован углубленный оксидный слой 120.

При работе нижний затвор 102 используется для снабжения полевых транзисторов 140, включающих в себя первую нанопроводную канальную область 146а и вторую нанопроводную канальную область 146b, волновым сигналом напряжения смещения таким образом, что нанопровода приводятся в состояние проводимости, например, с помощью приложения волнового сигнала напряжения смещения, который (по меньшей мере частично) превышает пороговое напряжение нанопроводов, таким образом, что через эти нанопровода начинает протекать ток как функция тока возбуждения, поданного на полевые транзисторы, образованные областями 142а, 142b истока, первыми и вторыми нанопроводными канальными областями 146а и 146b и общей областью 144 стока. Поскольку на первую нанопроводную канальную область 146а и вторую нанопроводную канальную область 146b воздействует измеряемая среда, например текучая среда, такая как жидкий образец или поток газа, то импеданс этих канальных областей является функцией взаимодействия канальной области с этой средой. Это проиллюстрировано на фиг. 2, где стрелками показаны токовые характеристики четырех различных нанопроводных канальных областей. Разные наклоны токовых профилей вызваны различными взаимодействиями со средой, например различными характеристиками явления захвата.

На данном этапе следует отметить, что поданный на совместный сток 144 массива полевых транзисторов 140 ток возбуждения может иметь любую подходящую форму, например постоянный ток или переменный ток. В случае подачи переменного тока импеданс нанопроводов будет иметь комплексную форму, то есть будет содержать действительную часть и мнимую часть. Это дополнительно увеличивает селективность сенсорного полевого транзистора 140 и дополнительно облегчает обнаруживаемость материалов или частиц определенного размера вследствие того факта, что этот импеданс будет демонстрировать большое изменение, когда переменный ток соответствует резонансной частоте или частоте собственных колебаний поступательных или вращательных режимов частиц.

Возвращаясь к фиг. 1, в случае, когда нанопроводные канальные области 146а и 146b покрыты оксидной пленкой, эта оксидная пленка действует как подзатворный оксид со средой, действующей как затвор с плавающим потенциалом затвора, который зависит от состава среды, например содержания ионов. Нанопроводные канальные области 146а и 146b могут дополнительно содержать одинаковый или различный функциональный слой (не показан) для взаимодействия с одним и тем же или различным представляющим интерес аналитом, и в этом случае функциональный слой может рассматриваться как плавающий затвор, поскольку его потенциал будет являться функцией степени взаимодействия функционального слоя с представляющим интерес аналитом. Такие функциональные или связующие слои сами по себе известны и ради краткости не будут объясняться здесь более подробно. Кроме того, сами по себе известны также и вышеупомянутые принципы, например, на основе полевых транзисторов, изготовленных химическим методом (ChemFET), таких как ионно-селективные полевые транзисторы (ISFET) и ферментативные полевые транзисторы (ENFET), которые, поэтому, только ради краткости не будут объясняться более подробно.

ИС 100 дополнительно содержит генератор 150 волнового сигнала напряжения, проводящим образом связанный с электродом 102 нижнего затвора, для генерирования волнового сигнала напряжения смещения, содержащего множество импульсов напряжения чередования положительной и отрицательной величины. Волновой сигнал напряжения смещения, образованный генератором 150 волновых сигналов напряжения, обычно представляет собой волновой сигнал, чередующийся предпочтительно, но не обязательно относительно нулевого значения, в котором по меньшей мере одна из положительных амплитуд и отрицательных амплитуд периодически увеличивается. В дальнейшем заряженные частицы в среде, которой канальная область 146 открыта для воздействия, обнаруживают наведенный напряжением смещения усредненный во времени потенциал, который равен нулю или около нуля, так что не имеется действующей на заряженные частицы эффективной притягивающей силы, что предотвращает постепенное загрязнение сенсорной поверхности такими заряженными частицами. Было с удивлением обнаружено, что приложение волнового сигнала, который действует как импульсный волновой сигнал, в одной из своих фаз существенно уменьшает смещение датчика и кардинально увеличивает стабильность датчика, - эффект, который не наблюдается, когда в качестве напряжения смещения прилагается постоянное напряжение или постоянно увеличивающееся напряжение постоянного тока. Более того, такой импульсный волновой сигнал обеспечивает возможность определения вольт-амперных характеристик датчика.

Наконец, периодический волновой сигнал напряжения смещения может иметь частоту, которая достаточно высока, так что заряженные частицы оказываются слишком медленными, чтобы реагировать на полупериод волнового сигнала, во время которого сила притяжения оказывает влияние на частицы противоположного заряда по сравнению со знаком полупериода. Как вариант, на более низких частотах эти заряженные частицы могут проявлять поступательный рисунок, который резонирует с потенциалом, сгенерированным приложенным волновым сигналом напряжения смещения.

В каждом из этих сценариев только частицы, которые имеют дополнительное сродство с открытой канальной областью, например, вследствие дополнительной стабилизации с помощью конкретного события связывания с функциональным или связующим слоем на канальной области 146, будут эффективно связываться с сенсорной поверхностью полевого транзистора 140. В случае связывания заряженного представляющего интерес аналита с сенсорной поверхностью должны быть приняты меры к тому, чтобы при приложении низкочастотного периодического волнового сигнала напряжения смещения отталкивающая потенциальная энергия не превышала энергии специфического связывания заряженного представляющего интерес аналита к связующему слою канальной области 146, так чтобы можно было избежать нежелательного отталкивания заряженного представляющего интерес аналита. Для высокочастотного периодического волнового сигнала напряжения смещения это не представляет беспокойства, поскольку частота слишком велика, чтобы заряженный представляющий интерес аналит мог на это реагировать, так что заряженный представляющий интерес аналит просто "чувствует" усредненный по времени (около)нулевой потенциал. Очевидно, для нейтрально заряженного представляющего интерес аналита частота приложенного периодического волнового сигнала напряжения смещения в значительной степени несущественна.

ИС 100 может дополнительно содержать процессор 160 сигналов для обработки сигналов, выдаваемых полевыми транзисторами 140. На фиг. 1 процессор 160 сигналов соединен с индивидуальными областями 142а, 142b истоков полевых транзисторов 140 для этой цели лишь в качестве неограничивающего примера, поскольку специалисты в данной области без труда поймут, что между полевыми транзисторами 140 и процессором 160 сигналов может быть применено любое подходящее проводящее соединение. Процессор 160 сигналов выполнен с возможностью выделения измерения аналита из сигнала, уловленного во время упомянутого периода улавливания сигнала, первого транзистора аналита, т.е. периода, в котором один или более полевых транзисторов 140 активированы генератором напряжения смещения. Поскольку распознавание уловленных сигналов хорошо известно само по себе, то ради краткости оно не будет объясняться здесь более подробно. В альтернативном варианте выполнения процессор 160 сигналов на интегральной схеме 100 может быть опущен, и в этом случае области 142а, 142b истоков могут быть проводящим образом соединены с внешне доступными контактными площадками для облегчения внемикросхемной оценки сигналов обнаружения полевых транзисторов 140.

Фиг. 3 изображает примерный вариант выполнения периодического волнового сигнала 300 напряжения смещения, в котором положительная амплитуда периодически возрастает, в то время как отрицательная амплитуда сохраняется постоянной. Заметим, что поскольку положительная амплитуда волнового сигнала начинается на величине, которая меньше, чем отрицательная амплитуда волнового сигнала, но периодически возрастает, например монотонно возрастает, до величины больше, чем отрицательная амплитуда, то усредненный по времени потенциал, испытываемый заряженными частицами, представляет собой потенциал "невозмущения" среды - (около)нулевой потенциал, предотвращающий, таким образом, притягивание заряженных частиц к сенсорной поверхности приложенным потенциалом напряжения смещения, так что любые события связывания на сенсорной поверхности полевого транзистора 140 стимулированы сродством представляющего интерес аналита к сенсорной поверхности.

Следует понимать, что волновой сигнал 300 на фиг. 3 представляет собой лишь неограничивающий пример; одинаково приемлемы волновые сигналы другой формы, например, в которых положительная амплитуда сохраняется постоянной, но в которых отрицательная амплитуда периодически увеличивается, при условии, что обнаруживаемый заряженными частицами в среде усредненный по времени потенциал насколько возможно близок к нулю или такой, как необходим. Кроме того, хотя импульсы волнового сигнала 300 напряжения смещения имеют синусоидальную форму, следует понимать, что одинаково приемлемы другие формы импульсов, например прямоугольной формы, формы зуба пилы и т.д. В предпочтительном варианте выполнения длительность каждого импульса напряжения, т.е. каждого полупериода выбирают в диапазоне 0,1-100 миллисекунд.

На фиг. 4 проиллюстрировано дополнительное преимущество использования волнового сигнала 300 напряжения смещения по настоящему изобретению для смещения сенсорного полевого транзистора 140, который показан на фиг. 1. Верхняя часть показывает отклик сенсорного полевого транзистора на постоянно возрастающий потенциал напряжения. Как можно видеть на верхней части, конечные точки окна сканирования такого прямого напряжения смещения влияют на характеристики тока исток-сток и на пороговое напряжение Vth полевого транзистора 140, как показано фактом, что напряжение затвора, при котором полевой транзистор 140 становится проводящим, изменяется. Напротив, при приложении волнового сигнала напряжения по настоящему изобретению, как показано на нижней части, характеристики включенного полевого транзистора 140 становятся в значительной степени независимыми от размеров приложенного окна сканирования, увеличивая таким образом точность и надежность полевого транзистора 140.

Фиг. 5 схематично изображает влияние приложения постоянного напряжения смещения во время улавливания датчиком сигнала (левый чертеж) и влияние приложения волнового сигнала 300 напряжения смещения к полевым транзисторам 140 во время улавливания датчиком сигнала (правый чертеж) на накопление заряженных загрязнений на поверхности полевого транзистора 140. Для полевого транзистора 140, сформированного, например, по технологии "кремний на изоляторе" (SOI) на подложке 110, такого, как показанный на фиг. 1, постоянное напряжение смещения положительного знака вызывает возникновение положительной разности потенциалов между открытой сенсорной поверхностью полевого транзистора 140 и средой над этой открытой сенсорной поверхностью, так что в дополнение к представляющему интерес аналиту 510 к открытой сенсорной поверхности притягиваются отрицательно заряженные частицы 520. Положительно заряженные частицы 530 от открытой сенсорной поверхности отталкиваются. Напротив, когда к подложке 110, действующей в качестве нижнего затвора полевого транзистора 140, приложен волновой сигнал 300 напряжения смещения, заряженные частицы 520 и 530 испытывают усредненный по времени нулевой потенциал, так что накопление заряженных частиц на открытой сенсорной поверхности исключено, как показано на правом чертеже фиг. 5.

Фиг. 6 показывает в качестве неограничивающего примера результаты измерений, полученных при воздействии на кремниевый нанопроводной полевой транзистор 140, сформированный на подложке "кремний на изоляторе" (SOI) и функционализированный в качестве датчика рН посредством покрытия кремниевого нанопровода 146 пленкой Al2O3. Конечно, в зависимости от природы представляющего интерес аналита, могут быть выбраны другие функционализирующие пленки. Датчик подвергался воздействию ряда водных образцов с различным рН, каждый содержащий растворенные ионы Na+ и Cl–. Для каждого измерения рН к подложке 110 во время фазы улавливания сигнала обнаружения прикладывался волновой сигнал 300 напряжения смещения. В каждом случае из отклика датчика можно было безошибочно получить величину рН, что ясно демонстрировало, что присутствие ионов Na+ и Cl– в растворах не оказывало воздействия на измерения рН.

На фиг. 7 схематично изображен примерный способ изготовления ИС 100. На этапе (а) обеспечивают подложку 110, которая несет электроизолирующий слой 120 и слой 130 полупроводникового материала. Эта структура, предпочтительно, выполнена в виде кремния на изолирующей подложке, в которой слои 110 и 130 являются слоями кремния, разделенными углубленным оксидным слоем 120, но следует понимать, что пакет слоев, который показан на этапе (а), может быть обеспечен любым подходящим образом с использованием любых подходящих материалов. Кроме того, в этом способе в любой подходящей точке также может присутствовать или может быть сформирован металлический контакт 102 (не показан) для обеспечения подложки 110 контактом нижнего затвора с тем, чтобы подложка 110 могла использоваться в качестве нижнего затвора.

На следующем этапе (b) на кремниевом слое 130 формируют маску 710 с рисунком, которая определяет области, в которые надо будет ввести примеси, после чего в кремниевый слой 130 вводят такие примеси, такие как примеси 720, например, примеси типа N– - в область, в которой должны быть сформированы нанопроводные канальные области 146, и примеси 730, например, примеси типа N++ - в области 142 и 144 истока и стока. Поскольку этапы формирования такой маски и ввода примеси для специалистов в данной области техники являются обычной практикой, они ради краткости не будут поясняться здесь более подробно.

В дальнейшем маску 710 с кремниевого слоя 130 удаляют, и на него впоследствии формируют рисунок для образования нанопроводов 146 и областей 142 и 144 истока и стока, как показано на этапе (с). Заметим, что показанное на этапе (с) поперечное сечение ИС 100 повернуто на 90° по сравнению с поперечными сечениями, показанными на этапах (а) и (b), так что сформированные области 142 и 144 истока и стока на поперечном сечении этапа (с) не показаны. Формирование рисунка из кремниевого слоя 130 может быть выполнено любым подходящим образом. Особенно предпочтительно для формирования нанопроводов 146 является использование электроннолучевой литографии, которая может быть скомбинирована с сухим травлением для формирования областей 142 истока и области (ей) 144 стока.

Этап (d) является необязательным этапом, который, однако, предпочтителен для гарантирования того, чтобы среда, которая воздействует на нанопровода 146, действовала как плавающий затвор на канальных областях полевого транзистора 140, включающего в себя нанопроводные канальные области 146. На этапе (d) нанопровода 146а снабжают оксидным слоем 740. В случае кремниевых нанопроводов 146, это предпочтительно достигается частичным окислением кремния, например, воздействием на кремниевые нанопровода 146 в течение периода времени обогащенной кислородом окружающей средой при повышенной температуре, например, 300°С или выше. Когда нанопровода 146 приводятся в контакт со средой, этот оксидный слой 740, следовательно, действует как подзатворный оксид.

Затем выбранные нанопровода 146 могут быть функционализированы посредством функционализирующего или связующего слоя 750, как показано на этапе (e). Один или более участков 750 связующего слоя может быть сформирован любым подходящим образом, например, осаждением связующего слоя поверх нанопроводов 146 и выборочным удалением материала связующего слоя с тех нанопроводов 146, которые не предполагается использовать в качестве сенсорных нанопроводов для аналита, имеющего сродство к связывающему слою 750, или, как вариант, выборочным осаждением связующего слоя 750 поверх только тех нанопроводов 146, которые должны быть чувствительными по отношению к представляющему интерес аналиту, имеющему сродство к связующему слою 750. Как будет очевидно специалисту в данной области техники, разные нанопровода 146 могут быть функционализированы различными связующими слоями 750. Поскольку многие из таких материалов связующих слоев сами по себе хорошо известны, достаточно сказать, что может быть использован любой подходящий связующий материал.

Вследствие того факта, что промежуток между нанопроводами 146 является во много раз больше, чем поперечное сечение или толщина отдельного нанопровода 146, такое выборочное осаждение может быть выполнено с использованием технологий, которыми специалисты в данной области техники пользуются повседневно. Фиг. 8 схематично изображает вид сверху одиночного полевого транзистора 140, включающего в себя контакт 842 истока, контакт 844 стока, металл 852 в проводящем контакте с контактом 842 истока (для ясности металл, контактирующий с контактом стока, опущен) и нанопровод 146. Это ясно показывает, что существует большая площадь для выборочного осаждения связующего слоя 750 поверх нанопровода 146.

ИС 100 может быть интегрирована в любое подходящее сенсорное устройство. Такое сенсорное устройство обычно содержит камеру образца для приема неподвижного образца или текучего образца, и в этом случае камера образца может содержать проточный канал, который может иметь любые подходящие размеры. ИС 100 обычно размещена таким образом, что первые транзисторы 140 открыты для воздействия в камере образца. Такое сенсорное устройство может быть, например, сенсорным устройством на основе микрогидродинамики или сенсорным устройством для анализов, предназначенным для использования в областях здравоохранения, сенсорным устройством анализа выхлопных газов для использования в быту, в промышленных или в автомобильных применениях. Специалистам будет очевидно множество других подходящих сфер применения для такого сенсорного устройства.

Следует заметить, что вышеупомянутые варианты выполнения иллюстрируют, а не ограничивают изобретение, и специалисты в данной области техники смогут выполнить много альтернативных вариантов выполнения, не выходя за рамки объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения указанные в круглых скобках любые ссылочные позиции не должны толковаться как ограничивающие данный пункт формулы изобретения. Слово "содержащий" не исключает присутствия элементов или этапов, отличных от тех, которые перечислены в пункте формулы изобретения. Предшествующие элементу неопределенные артикли «a» или «an» не исключают присутствия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством технического обеспечения, содержащего несколько различных элементов. В пункте формулы изобретения устройства, перечисляющем несколько средств, несколько из этих средств могут быть реализованы одним и тем же предметом аппаратного обеспечения. Тот простой факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована с выгодой.

1. Интегральная схема, содержащая:

- полупроводниковую подложку;

- изолирующий слой поверх упомянутой подложки;

- первый транзистор на упомянутом изолирующем слое, при этом упомянутый первый транзистор содержит открытую канальную область между областью истока и областью стока и чувствительный затвор в упомянутой канальной области, причем эта канальная область выполнена с возможностью обнаружения аналита; и

- генератор волнового сигнала напряжения, проводящим образом соединенный с полупроводниковой подложкой для снабжения первого транзистора напряжением смещения во время периода улавливания сигнала обнаружения, при этом генератор волнового сигнала напряжения выполнен с возможностью генерирования содержащего периодически возрастающую амплитуду переменного волнового сигнала напряжения смещения.

2. Интегральная схема по п. 1, дополнительно содержащая процессор сигналов, проводящим образом соединенный с первым транзистором, и при этом первый транзистор выполнен с возможностью выделения измерения аналита из сигнала, полученного во время упомянутого периода улавливания сигнала обнаружения.

3. Интегральная схема по п. 1 или 2, в которой волновой сигнал напряжения смещения имеет усредненный по времени нулевой потенциал, который предпочтительно чередуется по знаку вокруг нулевого значения.

4. Интегральная схема по п. 3, в которой волновой сигнал напряжения смещения содержит множество чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения, при этом только один из положительных импульсов напряжения и отрицательных импульсов напряжения проявляет периодически возрастающую амплитуду.

5. Интегральная схема по любому из пп. 1-4, в которой канальная область содержит нанопровод или нанотрубку.

6. Интегральная схема по п. 5, в которой нанопровод содержит кремниевый нанопровод или состоит из него.

7. Интегральная схема по п. 5, в которой нанотрубка содержит углеродную нанотрубку или состоит из нее.

8. Интегральная схема по любому из пп. 1-7, в которой канальная область покрыта оксидным слоем.

9. Интегральная схема по любому из пп. 1-8, в которой первый транзистор является частью массива первых транзисторов.

10. Сенсорное устройство, содержащее камеру образца и интегральную схему по любому из пп. 1-9, при этом первый транзистор открыт для воздействия в упомянутой камере образца.

11. Сенсорное устройство по п. 10, в котором упомянутая камера образца содержит проточный канал.

12. Способ измерения представляющего интерес аналита в среде, содержащий:

- обеспечение интегральной схемы по любому из пп. 1-9;

- воздействие на первый транзистор средой, потенциально включающей в себя обнаруживаемый первым транзистором аналит;

- смещение первого транзистора волновым сигналом напряжения смещения посредством генератора волновых сигналов напряжения, проводящим образом соединенного с полупроводниковой подложкой, причем упомянутое смещение содержит периодически возрастающую амплитуду во время периода улавливания сигнала обнаружения первым транзистором; и

- выделение измерения аналита из сигнала, полученного во время упомянутого периода улавливания сигнала.

13. Способ измерения по п. 12, в котором волновой сигнал напряжения смещения имеет усредненный по времени нулевой потенциал.

14. Способ измерения по п. 12 или 13, в котором волновой сигнал напряжения смещения чередуется по знаку вокруг нулевого значения.

15. Способ измерения по п. 14, в котором волновой сигнал напряжения смещения содержит множество чередующихся положительных и отрицательных импульсов напряжения, при этом только один из положительных импульсов напряжения и отрицательных импульсов напряжения проявляет периодически возрастающую амплитуду.



 

Похожие патенты:

Использование: для обнаружения концентрации вещества в образце текучей среды. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит: подложку, расположенный на подложке изолирующий слой, множество расположенных на упомянутом электроизолирующем слое индивидуально адресуемых нанопроводов, причем каждый нанопровод из упомянутого множества нанопроводов покрыт изолирующим материалом, при этом множество нанопроводов выполнено с возможностью обнаружения присутствия вещества в образце текучей среды посредством измерения электрической характеристики нанопровода из множества нанопроводов, при этом каждый упомянутый нанопровод имеет длину, ширину и толщину, отделение для образцов для содержания упомянутого образца текучей среды, при этом упомянутое отделение для образцов расположено таким образом, что оно покрывает по меньшей мере часть каждого нанопровода из упомянутого множества нанопроводов, при этом упомянутая длина, упомянутая ширина и упомянутая толщина соответствующих нанопроводов имеют такие размеры, чтобы формировать различные диапазоны обнаружения вещества.

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.

Изобретение относится к селективному детектору монооксида углерода. Предложен детектор монооксида углерода, который базируется на двух чувствительных слоях.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения активности ионов в растворах, и наиболее эффективно может быть использовано в аналитических системах.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к ионометрии, и может быть применено в системах экологического мониторинга. .

Изобретение относится к полупроводниковым датчикам для определения различных химических веществ в растворах потенциометрическими методами анализа и может быть использовано в медицине, биологии, сельском хозяйстве, а также в системах контроля окружающей среды.

Изобретение может быть использовано для измерения представляющего интерес аналита. Интегральная схема содержит полупроводниковую подложку ; изолирующий слой поверх упомянутой подложки; первый транзистор на упомянутом изолирующем слое, при этом упомянутый первый транзистор содержит открытую канальную область между областью истока и областью стока; и генератор волнового сигнала напряжения, проводящим образом соединенный с полупроводниковой подложкой для снабжения первого транзистора напряжением смещения во время периода улавливания сигнала, при этом генератор волнового сигнала напряжения выполнен с возможностью генерирования чередующегося волнового сигнала напряжения смещения, содержащего периодически возрастающую амплитуду. Кроме того, раскрыто сенсорное устройство, включающее в себя такую ИС и способ измерения, использующий такую ИС. Изобретение обеспечивает возможность обеспечить ИС, в которой исключена необходимость использования отдельного электрода сравнения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Наверх