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一種用于高通量基因測序的cmosisfet雙模式圖像化學傳感器芯片的制作方法

文檔序號:9780555閱讀:922來源:國知局
一種用于高通量基因測序的cmos isfet雙模式圖像化學傳感器芯片的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及集成電路傳感器芯片,特別是用于基因測序的CMOS ISFET雙模式圖像化學傳感器芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]由Bergveld等提出的傳統(tǒng)的離子敏感場效應晶體管(1n sensitive fieldeffective transistor,簡稱ISFET)本質(zhì)上是沒有多晶娃柵極的金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,簡稱M0SFET),如圖 1(a)中所示,它的pH檢測原理是基于電解質(zhì)直接在柵極氧化膜上離子敏感膜的表面反應而改變晶體管的性會泛(P.Bergveld,“Development of an 1n-sensitive solid-state devicefor neurophys11gicaI measurements,,,IEEE Trans.B1med.Eng.,vol.17,n0.I,pp.70 - 7 I,Jan.1970 )。然而,由于和標準的 CMOS ( Comp I ementary Metal OxideSemiconductor,互補金屬氧化物半導體)半導體制造工藝不兼容,傳統(tǒng)的ISFET生產(chǎn)制造成本昂貴。如圖1(b)所示,Bausells通過將多晶硅柵極連接到頂層金屬和氮氧化合物鈍化層(J.Bausells et al.,“1n-sensitive field effect transistors fabricated in acommercial CMOS technology,,,Sens.Actuators B Chem.,vol.57 ,pp.56-62, Sep.1999),通過氮氧化合物鈍化層和待測溶液中的離子接觸后產(chǎn)生的表面勢能變化而間接改變晶體管的性能(閥值電壓)。首次在標準的半導體制造工藝中整合了ISFET,使得ISFET成本降低,能夠大規(guī)模生產(chǎn)。
[0003]DNA測序在生命科技上有深遠的影響,例如個人基因組研究、衛(wèi)生保健、藥物開發(fā)等。第一代測序技術(shù)由Sanger于1975年發(fā)明,采用了雙脫氧鏈終止法及熒光檢測法,但是這種光學探測方法不僅昂貴而且測試時間長,不適用于人類長基因序列的檢測。為了實現(xiàn)更高通量和更低成本的測序,在過去的幾十年里,以半導體電子探測技術(shù)為基礎的第二代DNA測序(NGS)儀器已經(jīng)有了顯著發(fā)展,例如被稱為個人基因組機器(PGM)的電子測序機已經(jīng)被美國 1n Torrent公司發(fā)明(J.M.Rothberg et al.,“An integrated semiconductordevice enabling non-optical genome sequencing/’Nature,vol.475,pp.348-352,Jul.2011),由于采用價格低廉的半導體生產(chǎn)技術(shù),可以大大降低測序成本。由于DNA測序過程中DNA鏈的堿基配對發(fā)生pH值變化,可探測離子濃度的基于CMOS ISFET的傳感器芯片被應用在了PGM中。它的基本測序過程如下,首先,為了準備基因組樣本,DNA長鏈被切分成單鏈模板,后將其附著培養(yǎng)在微球上進行多聚酶鏈式反應(Polymerase Chain React1n,PCR)擴增,再通過微流控裝置把微球注入并分布到ISFET傳感器陣列表面的微孔里。每一個微孔就是一個測序反應池,包含一個待測的單鏈DNA模板和一個DNA聚合酶,微孔底部與ISET傳感像素單元一一對應,孔高和孔徑的設計使得每一個微孔里只能存在一個微球用于測序。在測序時,通過微流控裝置按固定順序重復向ISFET傳感陣列中注入四種腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)不同堿基的核苷酸進行配對。一旦當前注入的堿基類型和待測DNA鏈的堿基配對時,DNA聚合酶把該核苷酸聚合到延伸的DNA鏈上,并釋放一個單位的氫離子,從而使當前微孔里ISFET像素表面的離子濃度產(chǎn)生變化,降低溶液的pH值,該化學信號會被ISFET傳感單元檢測到并轉(zhuǎn)化為相應電信號并最終數(shù)字化讀出。因此,測得的PH變化被轉(zhuǎn)化成了相應的DNA的ATCG堿基序列,完成測序。如果可以通過一個大陣列的ISFET傳感器檢測數(shù)百萬被準確定位了的微珠上DNA片段的pH值變化,即可通過非光學的方式實現(xiàn)一種高通量的DNA測序方法。但是,面臨的挑戰(zhàn)是要提高測序的精確性,需要消除錯誤的pH檢測結(jié)果和非一致性。
[0004]基于ISFET的DNA測序存在很大的非準確性。由圖2所述,第一,由于附著有DNA模板的微珠是通過離心機旋轉(zhuǎn)被隨機分散到ISFET傳感器芯片上的微孔陣列中的,因此微珠在微孔陣列的分布是未知的,所以測得的PH值響應和微珠的實際分布物理地址沒有關聯(lián)。假如在微孔里沒有微珠,卻檢測出來自相鄰微珠的PH響應的干擾,會導致虛假的pH值報告,導致了錯誤的測序數(shù)據(jù)。第二,為了提高測序通量,通常需要采用更先進的CMOS工藝節(jié)點制造的更大像素陣列的ISFET傳感器芯片。但是,這也導致在晶體管的參數(shù)上有更大的工藝失配,例如氧化膜厚度、溝道長度和寬度等(B.E.St ine et al., uAnalys i s anddecomposit1n of spatial variat1n in integrated circuit processes anddevices,,,IEEE Trans.Semicond.Manuf.,vol.10,n0.I,pp.24-41,F(xiàn)eb.1997)。因此,像素之間的閥值電壓Vt失配,或者叫固定圖形噪聲(Fixed pattern noise,簡稱FPN)也會增加(K.Yonemoto,and H.Sumi,“A CMOS image sensor with a simple fixed-pattern-noise-reduct1n technology and a hole accumulat1n d1de,,,IEEE J.Solid-StateCircuits,vol.35,n0.12,pp.2038-2043,Dec.2000)。由于ISFET傳感器是檢測閥值電壓Vt的變化的,這會使PH值檢測的精確性大大降低。
[0005]為了解決第一個難題,通常采用顯微鏡來觀察微珠的平面分布,但這需要笨重的光學設備和繁瑣的校準過程。此外,由于放大到微米級的空間分辨率后的視野范圍非常小,顯微鏡需要通過物理平移來掃描整個陣列,這個過程很慢而且可能導致更多的檢測錯誤。注意到傳統(tǒng)的光學顯微鏡成像系統(tǒng)需要笨重的鏡頭作為中間媒介來放大,這往往限制了尺寸、重量和成本,對系統(tǒng)的小型化造成了阻礙。一種很有前景的解決方法是采用接觸式成像,接觸式成像是一種無需光學透鏡的近場感應方式(H.Ji et al.,“Contact imaging:simulat1n and experiment,,,IEEE Trans.Circuits Syst.1 ,Reg.Papers ,vol.54,n0.8,pp.1698-1710,Aug.2007)。因此,與基于透鏡成像的空間分辨率相比,接觸式成像系統(tǒng)有不同的幾何約束。在傳統(tǒng)的光學成像系統(tǒng)中,圖像分辨率由照片檢測陣列中的像素的數(shù)目所決定,這是因為鏡頭完全是投射到光學傳感器陣列上的。傳統(tǒng)成像系統(tǒng)通過增加像素的數(shù)目可以提高光學分辨率。在接觸式成像中,當物體的圖像被直接投射到圖像傳感器陣列上時,分辨率主要是由像素尺寸和物體與像素陣列的距離決定的。因此,接觸式成像是非常適合應用在小型化的生物醫(yī)學感測中的,比如在DNA測序中微珠檢測(A.0zcan,andU.Demirci,“Ultra wide-f ield lens-free monitoring of cells on_chip,,,Lab Chip,vol.8,ηο.I,pp.98-106,Jan.2008)。因此,假如能利用一種雙模的ISFET傳感器,既能檢測微珠中的氫離子變化得到PH值,也能通過接觸式成像檢測微珠的位置分布,那么在目前PGM的DNA測序中ISFET傳感器芯片使用時出現(xiàn)的錯誤pH檢測問題就能夠得到解決。
[0006]對于第二個難題,在工藝層可用紫外線照射來去除在ISFET柵極上積累的陷阱電荷,但這額外要求一個需長時間匯聚的外部校準源(M.J.Mi I grew,and D.R.S.Cumming,“Matching the transconductance characteristics of CMOS ISFET arrays byremoving trapped charge,,,IEEE Tr
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