专利名称：用于测试isfet阵列的方法和装置的制作方法
用于测试ISFET阵列的方法和装置相关申请本申请要求2010年6月30日提交的美国临时申请系列号61/360，493和2010年7月I日提交的美国临时申请系列号61/360，495的优先权权益，它们每篇的公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术：
电子装置和组件已经在化学和生物学(更一般地，“生命科学”)中得到众多应用，特别是用于检测和测量不同的化学和生物反应，以及鉴别、检测和测量不同的化合物。一种这样的电子装置被称作离子敏感的场效应晶体管，在相关文献中经常表示为ISFET(或pHFET)。ISFET常规地主要在科学和研究团体中采用，用于便利溶液的氢离子浓度(通常表示为“pH”)的测量。 更具体地，ISFET是一种阻抗转化装置，其以类似于MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)的方式运行，且为选择性地测量溶液中的离子活性而特别构建(例如，溶液中的氢离子是“分析物”)。在 “Thirty years of ISFET0L0GY:what happened in thepast30years and what may happen in the next30years,,r .Bergveld, Sens.Actuators,88 (2003)，第1-20页(所述出版物通过引用整体并入本文)中，给出了 ISFET的详细运行理论。使用常规CMOS(互补金属氧化物半导体)方法来制造ISFET的细节，可以参见:Rothberg,等人，美国专利公开号2010/0301398, Rothberg,等人，美国专利公开号2010/0282617，和Rothberg等人，美国专利公开2009/0026082 ;这些专利公开统称为“Rothberg”，并且都通过引用整体并入本文。但是，除了 CMOS以外，也可以使用biCMOS(即，两极的和CMOS)加工，诸如包括PMOS FET阵列的方法，所述阵列具有在外围上的两极结构。可替换地，可以采用其它技术，其中敏感元件可以用三端装置来制作，其中感知的离子会导致信号的形成，所述信号控制3个终端之一；这样的技术还可以包括，例如，GaAs和碳纳米管技术。以CMOS为例，P-型ISFET制造是基于p_型硅衬底，其中形成n_型孔，它构成晶体管“主体”。在η-型孔内形成高度掺杂的P-型(ρ+)区域S和D，它们构成ISFET的源和排出装置。在η-型孔内还形成高度掺杂的η-型(η+)区域B，以提供与η-型孔的传导体(或“块”)的连接。氧化物层可以安置在源、排出装置和主体接头区上面，穿过它们制作开口，以提供与这些区域的电连接(通过电导体)。在源和排出装置之间，在η-型孔区域上面的位置，可以在氧化物层上面形成多晶硅栅。因为它安置在多晶硅栅和晶体管主体(即，η-型孔)之间，所述氧化物层经常被称作“栅氧化物”。类似于M0SFET，ISFET的运行是基于由MOS (金属氧化物半导体)电容造成的电荷浓度(和因而通道电导)的调节，所述电容由多晶硅栅、栅氧化物和在源和排出装置之间的孔(例如，η-型孔)区域组成。当在栅和源区域之间施加负电压时，通过剥夺该区域的电子，在该区域和栅氧化物的界面处建立通道。就η-孔而言，所述通道是ρ-通道(反之亦然)。在η-孔的情况下，所述P-通道在源和排出装置之间延伸，且当栅-源负电势足以从源吸收孔进入通道时，传导电流穿过P-通道。通道开始传导电流时的栅-源电势称作晶体管的阈值电压vth(当Vgs具有大于阈值电压Vth的绝对值时，晶体管传导)。源因此得名，因为它是流过通道的电荷载体(P-通道的孔)的源；类似地，排出装置是电荷载体离开通道的地方。如Rothberg所述，可以制造具有浮动栅结构的ISFET，所述浮动栅结构如下形成:将多晶硅栅联接到多个金属层上，所述金属层安置在一个或多个额外的氧化物层内，所述氧化物层安置在栅氧化物的上面。浮动栅结构由此得名，因为它与其它的ISFET相关导体在电学上分离；也就是说，它夹在栅氧化物和钝化层之间，所述钝化层安置在浮动栅的金属层(例如，顶金属层)的上面。如Rothberg进一步所述，ISFET钝化层构成离子敏感的膜,其产生装置的离子灵敏度。与钝化层(尤其可以位于浮动栅结构上面的敏感区域)相接触的分析物溶液(即，含有目标分析物(包括离子)的溶液，或被测试目标分析物存在的溶液)中的分析物(诸如离子)的存在，会改变ISFET的电特征，从而调节流过ISFET的源和排出装置之间的通道的电流。钝化层可以包含多种不同材料中的任一种，以促进对特定离子的灵敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物(诸如硅、铝或钽的氧化物)的钝化层通常会提供对分析物溶液中氢离子浓度(PH)的灵敏度，而包含聚氯乙烯(含有缬氨霉素)的钝化层会提供对分析物溶液中钾离子浓度的灵敏度。适用于钝化层且对其它离子(诸如钠、银、铁、溴、碘、钙和硝酸盐)敏感的物质是已知的，且钝化层可以包含多种材料(例如，金属氧化物、金属氮化物、金属氮氧化物)。关于在分析物溶液/钝化层界面处的化学反应，用于ISFET的钝化层的特定材料的表面可以包括这样的化学基团:其可以为分析物溶液捐献质子，或接受来自分析物溶液的质子，在任意给定的时间在分析物溶液界面处的钝化层的表面上剩下带负电荷的、带正电荷的和中性的位点。关于离子灵敏度，通常称作“表面电势”的电势差出现在钝化层和分析物溶液的固/液界面处，随敏感区域中的离子浓度而变化，这是由于化学反应(例如，通常包含在敏感区域附近的分析物溶液中的离子对氧化物表面基团的解离)。该表面电势又影响ISFET的阈值电压；因而，ISFET的阈值电压随着在敏感区域附近的分析物溶液中的离子浓度的变化而变化。如Rothberg所述，由于ISFET的阈值电压Vth对离子浓度敏感，源电压Vs提供与在ISFET的敏感区域附近的分析物溶液中的离子浓度直接有关的信号。化学敏感的FET( “chemFET”)的阵列或更具体地ISFET，可以用于监测反应——包括例如核酸(例如，DNA)测序反应，这基于监测在反应过程中存在的、产生的或使用的分析物。更通常地，包括chemFET的大阵列在内的阵列可以用于检测和测量在众多化学和/或生物学过程(例如，生物学或化学反应、细胞或组织培养或监测、神经活性、核酸测序等)中的多种分析物(例如，氢离子、其它离子、非离子型分子或化合物等)的静态和/或动态量或浓度，其中基于这样的分析物测量可以得到有价值的信息。这样的chemFET阵列可以用于检测分析物的方法中和/或通过在chemFET表面处的电荷的变化而监测生物学或化学过程的方法中。ChemFET (或ISFET)阵列的这种用途包括:检测溶液中的分析物，和/或检测在chemFET表面(例如ISFET钝化层)上结合的电荷的变化。关于ISFET阵列制造的研究记载在下述出版物中:“A large transistor-basedsensor array chip for direct extracellular imaging,J.Milgrew,M.0.Riehle,andD.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 111-112, (2005),第 347-353 页，和“The development of scalable sensor arrays using standard CMOS technology,^M.J.Milgrew, P.A.Hammond,和 D.R.S.Cumming, Sensors and Actuators, B:Chemical, 103,(2004)，第37-42页，所述出版物通过引用并入本文，且在下文中共同称作“Milgrew等人”。在Rothberg中，含有关于制造和使用ChemFET或ISFET阵列的描述，所述阵列用于化学检测，包括与DNA测序有关的离子的检测。更具体地,Rothberg描述了使用chemFET阵列(特别是ISFET)来对核酸测序，其包括:将已知的核苷酸掺入反应室中的多个相同核酸中，所述反应室与chemFET接触或电容式联接，其中所述核酸与反应室中的单个珠子结合，并检测在chemFET处的信号，其中信号的检测指示一个或多个氢离子的释放，所述氢离子源自已知的三磷酸核苷酸向合成的核酸中的掺入。用于测试以化学敏感的晶体管为基础的阵列(诸如离子敏感的场效应晶体管(ISFET)阵列)的现有技术包括“湿试验”。ISFET阵列对流体中的化学组成的变化敏感。因此，通常如下测试ISFET阵列:使一种或多种液体(例如具有不同pH值的液体)在阵列上面流动，读出所述阵列中的每个ISFET元件的应答，并确定所述元件是否适当地运行。尽管湿试验具有在预期的运行条件下测试ISFET的益处，在大多数情况下认为湿试验是不实用的。具体地，湿试验对于高体积生产而言是麻烦的且不实用的。并且，湿试验将装置暴露于流体，所述流体可能造成腐蚀和阻止所述装置在正常运行之前完全干燥。此外，装置向液体的暴露，可能产生在装置中或将来污染的缺陷。因为这些原因，一旦装置暴露于流体，生产商通常不再接受该装置。

因此，本领域需要以化学敏感的晶体管为基础的装置的干试验。


图1图示了离子敏感的场效应晶体管(ISFET)的横截面。图2图示了元件阵列的框图。图3图示了用于测试元件阵列的简化流程图。图4图示了 2-T像素阵列的一个实施例。图5图示了 3-T像素的一个实施例。图6图示了浮动栅终端晶体管的横截面。图7图示了与浮动栅终端晶体管等效的电路示意图。图8图示了在测试阶段中的与浮动栅终端晶体管等效的电路示意图。
具体实施例方式本发明的实施方案提供了一种测试化学检测装置的方法，所述装置包括像素元件阵列，其中每个像素元件包括化学敏感的晶体管，所述晶体管具有源终端、排出装置终端和浮动栅终端。所述方法可以包括:共同地连接一组化学敏感的晶体管的源终端，在该组的源终端处施加第一试验电压，测量由第一试验电压在排出装置终端处产生的对应的第一电流，并基于所述第一试验电压和电流计算电阻值。所述方法还可以包括:在该组的源终端处施加第二试验电压，以在不同运行模式下运行该组，其中所述第二试验电压至少部分地基于所述电阻值，并测量由第二试验电压在排出装置终端处产生的对应的第二组电流。基于化学敏感的晶体管的第二试验电压和电流和运行性能，计算该组中的每个化学敏感的晶体管的浮动栅电压。本发明的实施方案提供了化学敏感的晶体管阵列的干试验方法，所述晶体管具有源、排出装置和浮动栅。所述方法可以包括将第一试验电压施加于公共源连接的化学敏感的晶体管的组；基于由第一组试验电压产生的第一试验电压和电流，计算电阻；施加第二试验电压，其中所述第二试验电压驱动化学敏感的晶体管在多个运行模式之间转变，且其中所述第二试验电压部分地基于计算的电阻；计算每个驱动的化学敏感的晶体管的浮动栅电压；和确定每个计算的浮动栅电压是否在预定的阈值内。本发明的实施方案提供了一种装置，所述装置包括化学检测元件阵列和测试电路。每个元件可以包括化学敏感的场效应晶体管，所述晶体管具有半导体主体终端、源终端、排出装置终端和浮动栅终端。所述测试电路可以包括在所述阵列的每侧处的多个驱动电压终端，其中所述多个驱动电压终端与多个源终端和多个主体终端联接，和电流源，所述电流源与所述阵列中的至少一个元件的排出装置终端联接，以通过将排出装置电流转化成对应的电压测量值来测量排出装置电流。本发明的实施方案提供了一种测试晶体管的方法，所述晶体管具有浮动栅和重叠电容，所述重叠电容是在所述浮动栅与第一和第二终端中的至少一个之间。所述方法可以包括将试验电压施加于所述晶体管的第一终端，偏压所述晶体管的第二终端，测量在所述第二终端处的输出电压，和确定所述输出电压是否在预定范围内。经由重叠电容的试验电压可以将晶体管置于活化模式。本发明的实施方案提供了一种装置，所述装置包括检测元件阵列和试验电路。每个元件可以包括场效应晶体管，所述晶体管具有浮动栅、第一终端、第二终端和重叠电容，所述重叠电容是在所述浮动栅与所述第一和第二终端中的至少一个之间。所述测试电路可以包括与至少一个第一终端联接的驱动电压终端、与至少一个第二终端联接的偏压电流终端、和与至少一个第二终端联接的输出电压测量终端。本发明的实施方案涉及用于测试离子感知装置(诸如ISFET装置)的系统和方法。通常，ISFET感知在所述ISFET上面形成的微孔中的化学组成的变化。这样的化学变化可以由所述微孔含有的流体中的化学反应造成。图1是ISFET100的简化图。ISFET100被解释为NMOS装置；但是，PMOS装置也可以用于本发明的方面中。在该实施方案中，ISFET100是具有4个终端的半导体器件。所述4个终端是栅终端110、排出装置终端120、源终端130和主体终端140。所述栅终端110可以是浮动栅。ISFET100可以包括浮动栅，在所述浮动栅上面存在微孔。该微孔可以含有氧化物(或其它材料)，所述氧化物具有造成特定离子物质结合的表面位点，从而诱导电荷分布的变化，和造成在所述表面处的电势变化。该表面电势的变化然后可以由ISFET检测，并由读出电路测量，其代表所述微孔内含有的离子的量。以此方式，阵列(例如，图2的ISFET元件阵列210)中的每个ISFET可以用于检测在所述阵列上面存在的样品液体的离子浓度的局部变化。ISFET100可以与标准MOSFET装置类似地运行，且可以在几个运行区域之间转换。当ISFET100被偏压使得V&s-Vth为正值且大于Vds时，所述晶体管是处于三极管区域，它也通常称作线性区域。在所述三极管区域，可以将穿过排出装置终端120的电流Id定义为:
权利要求
1.一种测试化学检测装置的方法，所述化学检测装置包括像素元件阵列，每个像素元件包括化学敏感的晶体管，所述化学敏感的晶体管具有源终端、排出装置终端和浮动栅终端，所述方法包括: 共同地连接一组化学敏感的晶体管的源终端； 在所述组的源终端处施加第一试验电压； 测量由所述第一试验电压在所述排出装置终端处产生的对应的第一电流； 基于所述第一试验电压和电流，计算电阻值； 在所述组的源终端处施加第二试验电压，以在不同运行模式下运行所述组，其中所述第二试验电压至少部分地基于所述电阻值； 测量由所述第二试验电压在所述排出装置终端处产生的对应的第二组电流；和基于所述化学敏感的晶体管的所述第二试验电压和电流以及运行性能，计算所述组中的每个化学敏感的晶体管的浮动栅电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中每个化学敏感的晶体管是离子敏感的场效应晶体管(ISFET)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述组包括所述阵列中的所有化学敏感的晶体管。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述组包括所述阵列的交替行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述组包括所述阵列的交替列。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一试验电压顺序地施加在所述阵列的不同侧。
7.根据权利要求1所述的方法，其另外包括:用所述第二试验电压施加试验电流。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二试验电压顺序地施加在所述阵列的不同侦牝且其中关于所述阵列的每侧计算所述浮动栅电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中计算的浮动栅电压关于所有侧一起取平均值。
10.根据权利要求2所述的方法，其中没有流体样品与所述阵列中的任意浮动栅终端接触或邻近。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述化学敏感的晶体管的不同运行模式包括三极管模式和饱和模式之一。
12.一种化学敏感的晶体管阵列的干试验方法，所述化学敏感的晶体管具有源、排出装置和浮动栅，所述方法包括: 将第一试验电压施加于公共源连接的化学敏感的晶体管的组； 基于由所述第一组试验电压产生的第一试验电压和电流，计算电阻； 施加第二试验电压，其中所述第二试验电压驱动所述化学敏感的晶体管在多个运行模式之间转变，且其中所述第二试验电压部分地基于计算的电阻； 计算每个驱动的化学敏感的晶体管的浮动栅电压；和 确定每个计算的浮动栅电压是否在预定的阈值内。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述化学敏感的晶体管是ISFET。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述公共源连接的组是整个阵列。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述公共源连接的组包括所述阵列的交替行。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述公共源连接的组包括所述阵列的交替列。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个运行模式包括三极管模式和饱和模式。
18.一种装置，其包括: 化学检测元件阵列，每个元件包括: 化学敏感的场效应晶体管，所述化学敏感的场效应晶体管具有半导体主体终端、源终端、排出装置终端和浮动栅终端；和测试电路，所述测试电路包括: 在所述阵列的每侧处的多个驱动电压终端，所述多个驱动电压终端与多个源终端和多个主体终端联接； 电流源，所述电流源与所述阵列中的至少一个元件的所述排出装置终端联接，以通过将排出装置电流转化成对应的电压测量值来测量排出装置电流。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述化学敏感的晶体管是ISFET。
20.根据权利要求18所述的装置，其中所述测试电路构造成驱动所述化学敏感的场效应晶体管以在不同模式下运行。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述不同模式包括三极管模式和饱和模式。
22.一种测试晶体管的 方法，所述晶体管具有浮动栅和重叠电容，所述重叠电容是在所述浮动栅与第一和第二终端中的至少一个之间，所述方法包括: 将试验电压施加于所述晶体管的所述第一终端； 偏压所述晶体管的第二终端； 测量在所述第二终端处的输出电压；和 确定所述输出电压是否在预定范围内； 其中经由所述重叠电容的试验电压将所述晶体管置于活化模式。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述晶体管是ISFET。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述第一终端是排出装置终端，所述第二终端是源终端。
25.根据权利要求22所述的方法，其另外包括: 调节所述试验电压至另一电压值； 将调节过的试验电压施加于所述第一终端； 测量在所述第二终端处的第二输出电压；和 基于所述输出电压，测定晶体管性能。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述晶体管性能是晶体管增益。
27.根据权利要求22所述的方法，其中由与所述晶体管的终端植入物部分地重叠的栅氧化物层材料形成所述重叠电容。
28.根据权利要求23所述的方法，其中没有流体样品与所述浮动栅终端接触或邻近。
29.一种装置，其包括: 检测元件阵列，每个元件包括: 场效应晶体管，所述场效应晶体管具有浮动栅、第一终端、第二终端和重叠电容，所述重叠电容是在所述浮动栅与所述第一和第二终端中的至少一个之间；和测试电路，所述测试电路包括: 与至少一个第一终端联接的驱动电压终端， 与至少一个第二终端联接的偏压电流终端，和 与所述至少一个第二终端联接的输出电压测量终端。
30.根据权利要求29所述的装置，其中每个场效应晶体管是ISFET。
31.根据权利要求29所述的装置，其中每个场效应晶体管的第一终端是排出装置终端，每个场效应晶体管的第二终端是源终端。
32.根据权利要求29所述的装置，其中由与所述晶体管的终端植入物部分地重叠的栅氧化物层材料形成所述重 叠电容。
全文摘要
本发明提供了化学敏感的晶体管器件(诸如ISFET装置)的测试，无需将所述装置暴露于液体。在一个实施方案中，本发明执行第一试验来计算晶体管的电阻。基于所述电阻，本发明执行第二试验，以使试验晶体管在多个模式之间转变。基于对应的测量结果，然后在几乎没有至没有电路开销的情况下计算浮动栅电压。在另一个实施方案中，使用至少任一个源或排出装置的寄生电容来偏压ISFET的浮动栅。施加驱动电压和偏压电流，以利用寄生电容来测试晶体管的功能性。
文档编号G01N27/403GK103080739SQ201180041968
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者J.博兰德, K.G.法伊夫, M.J.米尔格鲁 申请人:生命科技公司