專利名稱：具有背景電流操縱的背側(cè)受激傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中揭示基于親和性的傳感器的實施例。具體但非排他地，本文中揭示背側(cè)受激CMOS (互補金屬氧化物半導體)型傳感器的實施例。在若干實施例中，傳感器利用其背景電流來測量對其背側(cè)表面的親和性相關(guān)刺激。
背景技術(shù)：
基于親和性的檢測是識別和測量的基礎(chǔ)方法。舉例而言，基于親和性的檢測可用于識別及測量生物和生化分析物的豐度。基于親和性的檢測是包括生物技術(shù)的許多奮斗領(lǐng)域中的重要分析方法?；谟H和性的生物傳感器利用目標分析物與固定捕獲探針的選擇性相互作用和結(jié)合來特定地將目標分析物捕獲至固體表面上。此特定捕獲基于所捕獲的分析物產(chǎn)生可檢測的信號。所產(chǎn)生的信號與目標分析物(例如，離子、毒素、聚合物、激素、DNA 鏈、蛋白質(zhì)、細胞等)的存在相關(guān)，且因此用于估計分析物的豐度。為了產(chǎn)生目標特定信號，樣本中的目標分析物首先與裝備有探針的捕獲層碰撞、 結(jié)合至這些探針且開始轉(zhuǎn)導過程，轉(zhuǎn)導過程即產(chǎn)生可測量信號(例如，電信號、機械信號或光學信號)的過程，可測量信號僅由經(jīng)捕獲實體產(chǎn)生。接著通過各種方式(例如，基于半導體的信號處理技術(shù))來處理這些信號。在本領(lǐng)域中已知各種基于親和性的傳感器。然而，本領(lǐng)域中普遍存在對新的且有用的基于親和性的傳感器的需求。


可藉由參考以下描述及參看附圖來最佳地理解本發(fā)明，該描述及該等附圖用于說明本發(fā)明的實施例。在附圖中圖1為展示背側(cè)表面上的生物探針的CMOS生物傳感器系統(tǒng)的橫截面圖；圖2A為展示結(jié)合至背側(cè)表面的正離子的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2B為展示結(jié)合至背側(cè)表面的負離子的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2C為展示結(jié)合至背側(cè)表面上的魚精蛋白生物受體的肝素分子的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2D為展示結(jié)合至背側(cè)表面上的探針DNA生物探針的目標DNA的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2E為展示結(jié)合至背側(cè)表面上的抗原生物探針的目標抗原的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2F為展示結(jié)合至背側(cè)表面上的酶生物探針的分析物的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2G為展示刺激背側(cè)表面上的細胞生物探針的分析物的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖2H為展示刺激背側(cè)表面上的組織生物探針的分析物的CMOS生物傳感器背側(cè)表面的橫截面圖；圖3A為含有二極管及STI結(jié)構(gòu)的CMOS像素的透視截面圖，其中不對二極管或STI 結(jié)構(gòu)進行操縱；圖;3B為含有二極管的CMOS像素的透視截面圖，該二極管已被操縱以擁有不同于未經(jīng)操縱的二極管的幾何形狀；圖3C為含有STI結(jié)構(gòu)的CMOS像素的橫截面圖，該STI結(jié)構(gòu)已被操縱以擁有比未經(jīng)操縱的STI結(jié)構(gòu)的表面粗糙的表面；圖3D為已被操縱以含有摻雜劑的CMOS像素的橫截面圖，該摻雜劑影響CMOS像素的背景電流；圖3E為在電感元件或部件附近的CMOS像素的橫截面圖，該電感元件或部件更改 CMOS像素的溫度，藉此影響CMOS像素的背景電流；圖3F為在電感元件或部件、溫度傳感器及參考像素附近的CMOS像素的橫截面圖， 該電感元件或部件、溫度傳感器及參考像素形成控制CMOS像素的溫度的反饋機構(gòu)，藉此影響CMOS像素的背景電流；圖4A為檢測背側(cè)表面處或附近的帶電荷實體的移動的CMOS像素陣列的橫截面圖；圖4B為CMOS像素陣列的經(jīng)修改背側(cè)表面的橫截面圖，其中凸塊結(jié)構(gòu)形成促進對帶電荷實體的移動的檢測的通道；圖5為在背側(cè)表面上含有懸臂結(jié)構(gòu)的CMOS生物傳感器系統(tǒng)的橫截面圖；圖6A為包括懸臂結(jié)構(gòu)的CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面的橫截面圖，該懸臂結(jié)構(gòu)經(jīng)由塊體型結(jié)構(gòu)而耦接至背側(cè)表面；圖6B為包括懸臂結(jié)構(gòu)的CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面的橫截面圖，該懸臂結(jié)構(gòu)經(jīng)由尖端型結(jié)構(gòu)而耦接至背側(cè)表面；圖6C為包括懸臂結(jié)構(gòu)的CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面的橫截面圖，該懸臂結(jié)構(gòu)實質(zhì)上位于該背側(cè)表面上；圖7為說明根據(jù)實施例的CMOS生物傳感器的框圖；及圖8為說明根據(jù)實施例的在生物傳感器陣列內(nèi)的兩個CMOS生物傳感器像素的樣本像素電路的電路圖。
具體實施例方式在以下描述中，陳述眾多具體細節(jié)。然而，應(yīng)理解，可在無這些具體細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的實施例。在其他情況下，未詳細展示熟知的電路、結(jié)構(gòu)及技術(shù)以免混淆對此描述的理解。貫穿本說明書，使用若干技術(shù)術(shù)語。這些術(shù)語將采用其在其所屬技術(shù)中的一般涵義，除非本文中明確定義或其使用的內(nèi)容脈絡(luò)將另有清楚地建議。“背景電流”在本文中定義為在缺少諸如入射光的外部信號輸入的情況下在傳感器中流動的電流，該電流通過二極管的材料性質(zhì)的固有特性且通過傳感器中的應(yīng)力產(chǎn)生?！盎谟H和性的結(jié)合”在本文中定義為一種或多種分析物與在生物傳感器的檢測表面上固定的一個或多個探針的結(jié)合，此結(jié)合產(chǎn)生生物傳感器可檢測到的信號，例如光學、磁性、電、電化學或機電信號?！氨硞?cè)”在本文中定義為襯底的與前側(cè)相反的側(cè)，其中金屬疊層架構(gòu)位于其中。術(shù)語“生物傳感器”及“生物探針”用于描述傳感器實施例及探針實施例。然而，如本公開內(nèi)容中所描述的傳感器及探針不限于生物應(yīng)用。所揭示的傳感器及探針亦屬于其他應(yīng)用領(lǐng)域，包括但不限于離子、化學、 電、機械及磁性應(yīng)用。在一個或多個實例實施例中，用于感測選自生物、化學、離子、電、機械及磁性刺激中的至少一者的CMOS像素(諸如，背側(cè)受激生物傳感器像素)可包括襯底，該襯底包括背側(cè)。源可與該襯底耦接以產(chǎn)生背景電流。在一個方面中，用于產(chǎn)生背景電流的源可包括實質(zhì)上安置于襯底內(nèi)的二極管。檢測元件(諸如，電路)可經(jīng)電耦接以測量該背景電流。在一個或多個實施例中，該檢測元件可為適合于讀取像素陣列的像素的電路或其他元件(例如，讀出電路)。CMOS像素的背側(cè)表面可包括親和性地結(jié)合至分析物的探針或生物探針的一層?；谟H和性的結(jié)合增加或減小背側(cè)表面處或附近的電荷，藉此造成背景電流或刺激的改變。該刺激(其將被提供至背側(cè))可影響背景電流的可測量改變。雖然本文中使用術(shù)語像素，但不要求該像素用于成像或甚至該像素檢測光或?qū)?yīng)于光的電子。而是，該像素可具有用作背景電流的源的光電二極管或二極管，而非用作光檢測器的光電二極管，該光電二極管可視情況地被遮蔽(例如，用光或電子阻擋層或材料)、覆蓋、屏蔽或以其他方式阻擋以免接收光或相應(yīng)電子，使得其實際上不需要檢測光而是可改為主要用作背景電流的源。CMOS “背側(cè)”受激生物傳感器像素與“前側(cè)”受激生物傳感器像素不同。典型CMOS 像素包括在底部處的硅襯底、位于襯底上的諸如晶體管之類的有源器件、在有源器件上方的若干金屬及介電層。生物探針可位于頂面上。分析物與生物探針之間的相互作用可產(chǎn)生行進穿過金屬及介電層至有源器件的信號?？山又逵捎性雌骷爸С蛛娐穪頊y量這些信號以便量化基于親和性的效應(yīng)或分析物與生物探針之間的相互作用的量。常規(guī)CMOS像素架構(gòu)的顯著缺點為堆疊在有源器件頂部上的多個金屬層及介電層。這些多個互連層用于電存取晶體管、產(chǎn)生某一電路布局、以及減少待分析的流體樣本與半導體結(jié)構(gòu)之間的不當相互作用。然而，這些多個層亦增加了疊層高度，將增加生物傳感器系統(tǒng)的體積，且導致較高系統(tǒng)復雜性及成本。疊層的厚度亦可造成檢測敏感性及準確性的降低。希望減少或消除這些層，同時仍允許存取晶體管及保護半導體結(jié)構(gòu)以免與流體樣本相互作用。作為將基于親和性的結(jié)合信號從芯片的頂部經(jīng)由頂部金屬層而傳輸至CMOS集成電路中的替代，可將這些信號自底部且直接經(jīng)由襯底而耦接至CMOS像素中。作為置放于頂部金屬層上的替代，可在襯底的背側(cè)表面上的CMOS像素的背側(cè)上構(gòu)造生物探針。背側(cè)刺激方案已成功地用于CMOS圖像傳感器像素，諸如OmniVision 背側(cè)照明式CMOS成像器產(chǎn)品。 然而，CMOS生物傳感器技術(shù)中的普遍教示建議，“電信號可僅自頂部且經(jīng)由襯墊而耦接”，亦即，從形成金屬/介電層的CMOS像素的前側(cè)(B. Jang及A. Hassibi，“Biosensor Systems in Standard CMOS Processes =Fact or Fiction ？ ” IEEE 工業(yè)電子國際會議(ISIE)會議記錄，2049, 2008)。背側(cè)刺激方案挑戰(zhàn)此常識。除了背側(cè)刺激之外，對于某些生物傳感器實施例，并非在分析物-電極界面處使用常規(guī)電極來測量電化學信號(諸如，阻抗、電位、電流及I-V曲線)，實施例利用CMOS像素的背景電流作為測量工具。在電子技術(shù)中，背景電流替代地被稱作漏電流。其主要由附接至電容器的電子器件(諸如，晶體管或二極管)造成，這些電子器件甚至在截止時仍傳導小量的電流。對于 CMOS圖像圖像傳感器，背景電流常被稱作暗電流。其為在光電二極管節(jié)點處的漏電流，該漏電流對像素電容放電(即使無光刺激光電二極管)。背景電流可描述為具有至少兩個分量，即，理想的背景電流及應(yīng)力產(chǎn)生的背景電流。理想的背景電流部分取決于摻雜濃度、帶隙及光電二極管的溫度。理想的背景電流進一步包括兩個子分量。第一子分量為歸因于熱電子及空穴的注入的注入-擴散電流， 這些熱電子及空穴具有比p-n結(jié)的內(nèi)建式勢能高的能量。第二子分量為歸因于p-n結(jié)內(nèi)的熱電子-空穴產(chǎn)生或再結(jié)合的產(chǎn)生-再結(jié)合電流。此兩個分量取決于施加電壓及溫度。理想背景電流為P-n結(jié)的材料性質(zhì)的固有特性的結(jié)果。應(yīng)力產(chǎn)生的背景電流由CMOS像素的結(jié)構(gòu)中的個別缺陷的特性來判定。CMOS像素及支持裝置的構(gòu)造中所使用的材料的性質(zhì)經(jīng)由各種機制在CMOS像素中誘發(fā)背景電流。這些機制可包括以下各者首先，背景電流可通過光電二極管的結(jié)泄漏以及經(jīng)由光電二極管及其周圍結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)缺陷或限制的其他泄漏而產(chǎn)生。其次，背景電流可通過連接至光電二極管的晶體管的亞閾值泄漏產(chǎn)生。再者，背景電流可通過漏極引起的勢壘降低泄漏或藉由連接至光電二極管的晶體管的柵極引起漏極漏電流而產(chǎn)生。與歸因于界面處的材料性質(zhì)的光電二極管邊緣及淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)的耗盡區(qū)相關(guān)聯(lián)的漏電流為特別重要的。舉例而言，硅襯底的鄰接STI結(jié)構(gòu)的側(cè)壁內(nèi)的點缺陷可產(chǎn)生充當電荷的泄漏路徑的表面態(tài)。此外，在離子植入步驟期間引入至STI結(jié)構(gòu)中的大體而言的摻雜劑離子且詳言的硼離子可影響緊靠STI結(jié)構(gòu)的硅襯底的表面鈍化。這些摻雜劑離子亦可產(chǎn)生充當電荷的泄漏路徑的界面電荷狀態(tài)。背景電流已以經(jīng)驗模型而描述為I = αΑ+βη，其中I表示背景電流，α表示判定結(jié)單位面積貢獻的系數(shù)，A表示結(jié)面積，β表示判定角落貢獻的系數(shù)，且η表示設(shè)計中角落的數(shù)目(Igor Shcherback、Alexander Belenky 及 OrlyYadid-Pecht, "Empirical dark current modeling for complementary metal oxidesemiconductor active pixel sensor”，Opt. Eng. 41 (6) 1216-1219，2002 年 6 月)。α A 項說明理想背景電流分量，而 β η 項說明應(yīng)力產(chǎn)生的漏電流分量。背景電流使CMOS圖像傳感器的圖像品質(zhì)降級。因此，其減少及消除為CMOS圖像傳感器像素設(shè)計的重要目標。本文中描述利用通常非所需要的背景電流作為生物傳感器的親和性結(jié)合的測量工具的各種實施例。并非旨在清除CMOS像素的背景電流，本文中所描述的實施例維持適當?shù)谋尘半娏魉?，且使用背景電流來檢測CMOS像素的表面處的基于親和性的效應(yīng)，諸如在生物傳感器表面處的基于親和性的結(jié)合。對于背側(cè)受激CMOS像素陣列表面，在背側(cè)表面上的若干組情況影響CMOS像素的背景電流。在一組環(huán)境中，電荷在背側(cè)表面上的存在影響背景電流。在另一組環(huán)境中，背側(cè)表面上的機械應(yīng)力影響背景電流。以下實驗結(jié)果表明，存在于背側(cè)表面上的電荷影響CMOS圖像傳感器的背景電流及圖像品質(zhì)兩者。在第一個實驗中，背側(cè)表面含有離子性質(zhì)的缺陷。因此，白點存在于缺陷的部位處。這些白點具有比周圍區(qū)域高的背景電流值。在剝離處理步驟之后，移除表面電荷缺陷，藉此消除白點。因此，從前的白點采取與周圍區(qū)域相同的背景電流值。在第二個實驗中，在將電壓施加至CMOS圖像傳感器陣列的背側(cè)表面之前，觀測每一像素的背景電流。不同像素產(chǎn)生不同但仍相對類似的背景電流。在正電壓施加之后，表面獲得整個板上的正電位。因此，不同像素中的背景電流被增加至整個背側(cè)表面變成“白區(qū)” 的點。簡言之，通過將均一電壓偏壓施加至CMOS圖像傳感器的背側(cè)，可使無缺陷的像素看似有缺陷的、類白點像素，只要施加正確的電壓位準便可。相反地，藉由施加負電壓偏壓，可使有缺陷的像素看似無缺陷的像素。這些實驗表明，對于背側(cè)受激CMOS像素，表面電荷影響背景電流特性。特定地，正表面電荷增加背景電流，而負表面電荷減小背景電流。此原理可用于設(shè)計新類型的CMOS傳感器，這些新類型傳感器利用背景電流作為用于測量背側(cè)表面處的基于親和性的效應(yīng)的指示器。盡管常規(guī)CMOS傳感器系統(tǒng)(諸如，美國專利申請公開案2010/012四04、2010/0052080 中揭示的生物傳感器)依賴于有源器件(諸如，二極管)來測量基于親和性效應(yīng)的輸入信號，但本申請案中所揭示的基于背景電流的傳感器系統(tǒng)聰明地利用CMOS像素的固有背景電流作為測量輸入信號及基于親和性的效應(yīng)的基礎(chǔ)。此處，基于親和性的效應(yīng)在背側(cè)表面處或附近產(chǎn)生電荷。這些電荷調(diào)制CMOS像素的背景電流。除了背側(cè)表面處或附近的電荷之外，背側(cè)表面上的物理應(yīng)力也可能影響背景電流。如美國專利申請案2010/12708330中所揭示，用額外的光屏蔽層覆蓋表面將向CMOS像素中引入額外物理應(yīng)力，這樣將更改背景電流。此表面應(yīng)力對CMOS像素的背景電流的影響可用于實現(xiàn)類似于上文才論述過的生物傳感器的CMOS生物傳感器。此處，替代在表面處或附近產(chǎn)生電荷，基于親和性的效應(yīng)產(chǎn)生額外表面應(yīng)力，這進而影響CMOS像素的背景電流。揭示了若干背側(cè)受激CMOS生物傳感器系統(tǒng)。生物探針固定于CMOS的襯底背側(cè)表面上。目標分析物與固定受體的基于親和性的結(jié)合產(chǎn)生由CMOS像素檢測的信號。CMOS像素利用其固有背景電流來測量輸入信號。一類實施例依賴于基于親和性的結(jié)合以在背側(cè)表面處或附近產(chǎn)生電荷。替代類別的實施例依賴于基于親和性的結(jié)合來對背側(cè)表面產(chǎn)生物理應(yīng)力。圖1示出根據(jù)實施例的背側(cè)受激CMOS生物傳感器像素100。CMOS生物傳感器像素100包括金屬疊層130、設(shè)置于金屬疊層130之上的層間介電質(zhì)120及安置于層間介電質(zhì) 120之上的襯底層110。金屬疊層130可包括安置于一個或多個介電或絕緣層中的一個或多個層級的互連。襯底層110進一步包括STI結(jié)構(gòu)114、二極管111、傳輸柵113及浮動擴散結(jié)構(gòu)112。STI結(jié)構(gòu)114、二極管111、傳輸柵113及浮動擴散結(jié)構(gòu)112實質(zhì)上設(shè)置于襯底 110內(nèi)。至少一種類型的固定生物探針101的至少一層在背側(cè)表面103的頂部上或與背側(cè)表面103耦接。在使用期間，由于分析物102結(jié)合至生物探針101，因此背側(cè)表面103處或附近的電荷特性改變。表面特性的此改變影響CMOS生物傳感器像素100的背景電流特性。 因此，基于親和性的結(jié)合影響背景電流。藉由CMOS電路檢測及處理背景電流的改變。應(yīng)理解，另一實施例可包括類似于像素100的像素的陣列。圖2A至圖2H說明在CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面部分處或附近的基于親和性的結(jié)合的若干實施例。圖2A展示正離子親和性背側(cè)表面部分210，該部分210包括襯底211及帶負電荷的表面層或帶負電荷的實體212。帶負電荷的表面層212可包括處于質(zhì)子-受體狀態(tài)的Si02、Si3N4、Al203或Τει205。帶負電荷的表面層212的質(zhì)子-受體狀態(tài)允許其結(jié)合至諸如質(zhì)子H+的正離子分析物213。圖2Β展示負離子親和性背側(cè)表面部分220，該部分220包括襯底221及帶正電荷的表面層或帶正電荷的實體222。帶正電荷的表面層222可包括處于氫氧化物-受體狀態(tài)的Si02、Si3N4、Al203或Ta205。帶正電荷的表面層222的氫氧化物-受體狀態(tài)允許其結(jié)合至諸如氫氧化物OH-的負離子分析物223。圖2C展示肝素親和性背側(cè)表面部分230，其包括襯底231及附接至襯底表面234 的魚精蛋白探針232。魚精蛋白為親和性地結(jié)合至帶負電荷的肝素233的帶正電荷的蛋白質(zhì)，該肝素233為廣泛用在醫(yī)療過程(諸如，腎透析、開心繞通手術(shù)及血凝塊的治療)中的抗凝劑，亦即，血液稀釋劑。肝素水平應(yīng)受到良好控制，因為肝素過量會導致危險的出血并發(fā)癥。魚精蛋白探針232與肝素233之間的基于親和性的結(jié)合可改變肝素親和性背側(cè)表面部分230處或附近的電荷特性，該肝素親和性背側(cè)表面部分230為圖1中所展示的CMOS生物傳感器像素100的部分。此改變影響CMOS生物傳感器像素100的背景電流。在替代實施例中，肝素可用作用于檢測魚精蛋白分析物的生物探針。在此實施例中，CMOS生物傳感器系統(tǒng)充當魚精蛋白傳感器。或者，可使用其他帶正電荷及帶負電荷的蛋白質(zhì)或整個的其他互補蛋白質(zhì)對。圖2D展示DNA親和性背側(cè)表面部分對0，其包括襯底241及附接至襯底表面246 的DNA探針M2。DNA探針242為互補地結(jié)合至分析物(亦即，目標DNA 243)的單股DNA 分子。由于目標DNA 243結(jié)合至DNA探針M2，因此DNA親和性背側(cè)表面部分MO的電荷特性改變。此改變影響圖1中所展示的CMOS生物傳感器像素100的背景電流。為了增加檢測敏感性，可通過將標簽245附接至目標DNA來修改目標DNA，以產(chǎn)生帶標記的目標DNA 2440標簽245放大了基于親和性的結(jié)合對圖1中所展示的CMOS生物傳感器像素100的電特性的影響。舉例而言，標簽245可為增加DNA親和性表面240處或附近的電荷的存在的電荷。標簽245亦可為磁性性質(zhì)的，且經(jīng)由電磁效應(yīng)而影響表面特性。標簽245亦可為諸如二茂鐵之類的氧化還原標簽，其可供給或接受電子。圖2E展示抗體-抗原親和性背側(cè)表面部分250，其包括襯底251及附接至襯底表面254的抗體探針252。由于分析物抗體253親和性地結(jié)合至抗體探針252，因此基于親和性的結(jié)合改變抗體-抗原親和性表面250的電荷特性。在本實施例中，將抗體用作生物探針，且將抗原用作分析物。舉例而言，分析物可為由炭疽桿菌產(chǎn)生的抗原毒素，且生物探針可為特定結(jié)合至炭疽抗原的抗體?；蛘?，若分析物為抗體(例如，HIV診斷測試中的HIV抗體)，則HIV-特異抗原可用作附接至抗體-抗原親和性表面250的生物探針。類似于DNA相關(guān)實施例，這些抗原-抗體實施例中的抗原及抗體可用標簽來標記以便增加檢測敏感性。圖2F展示酶親和性背側(cè)表面部分沈0，該部分260包括襯底261及附接至襯底表面沈4的酶探針沈2。作為示例，酶探針可為將青霉素轉(zhuǎn)化成青霉素酸的青霉素酶、將尿素轉(zhuǎn)化成(X)2及銨的尿素酶，或?qū)⑵咸烟寝D(zhuǎn)化成葡萄糖酸的葡萄糖氧化酶。分析物的示例可為青霉素、尿素或葡萄糖。由于分析物263結(jié)合至酶探針沈2，因此基于親和性的結(jié)合導致改變酶親和性背側(cè)表面部分260的電荷特性的酶促反應(yīng)。舉例而言，酶促反應(yīng)可產(chǎn)生影響酶親和性表面沈0的表面特性的反應(yīng)產(chǎn)物沈5。反應(yīng)產(chǎn)物的示例可為青霉素酸、(X)2及銨或葡萄糖酸。圖2G展示細胞親和性背側(cè)表面部分270，該部分270包括襯底271及附接至襯底表面274的細胞探針272。細胞探針272可實質(zhì)上覆蓋如圖1中所展示的CMOS生物傳感器像素100的背側(cè)表面。由于分析物刺激273影響細胞探針272，因此所得反應(yīng)改變細胞親和性背側(cè)表面部分270的電荷特性。舉例而言，該反應(yīng)可產(chǎn)生影響酶親和性背側(cè)表面部分 270的表面特性的反應(yīng)產(chǎn)物275?；蛘?，細胞探針272可為在襯底表面274處或附近產(chǎn)生電脈沖的心臟細胞、肌細胞或神經(jīng)元細胞。圖2H展示組織親和性背側(cè)表面部分觀0，該部分280包括襯底281及附接至襯底表面284的組織探針觀2。組織探針282可實質(zhì)上覆蓋一個或若干個CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面。由于分析物刺激283影響組織探針觀2，因此所得反應(yīng)改變組織親和性背側(cè)表面部分觀0的電荷特性。舉例而言，該反應(yīng)可產(chǎn)生影響組織親和性背側(cè)表面部分觀0的表面特性的反應(yīng)產(chǎn)物觀5?；蛘?，組織探針282可為感測環(huán)境中的分析物刺激觀3的昆蟲觸角。分析物刺激觀3的感測在襯底表面284處或附近產(chǎn)生電脈沖。圖3A至圖3E說明操縱CMOS像素的背景電流以使得其可用于測量CMOS像素的表面特性的若干實施例。作為示例，背景電流可具有10至100個電子/秒的范圍。在一個實施例中，背景電流可為約50個電子/秒。適當?shù)谋尘半娏魉皆试S背側(cè)表面刺激產(chǎn)生相對較高的信雜比，此為檢測敏感性所需要的。在一組情況下，CMOS像素中的二極管的幾何形狀經(jīng)操縱或不同于典型的形狀(例如，非立方體)，以產(chǎn)生所需位準的背景電流。在另一組環(huán)境中，STI結(jié)構(gòu)經(jīng)操縱或不同于典型的結(jié)構(gòu)(例如，比相鄰區(qū)域粗糙或以不同方式摻雜)以產(chǎn)生所要位準的背景電流。然而， 在另一組情況下，動態(tài)地控制背景電流。圖3A為展示CMOS像素310的透視圖，CMOS像素310含有在CMOS像素310內(nèi)部的襯底313、二極管311及STI結(jié)構(gòu)312。二極管311與STI結(jié)構(gòu)312皆未被操縱。二極管 311的幾何形狀為立方體(例如，立方體或長方體)。即，平面橫截面為矩形或正方形。圖;3B為展示含有經(jīng)操縱的二極管321的CMOS像素320的透視圖。作為示例，經(jīng)操縱的二極管具有類似六邊形的橫截面幾何形狀。總體形狀為六邊形固體。此幾何形狀不同于如圖3A中所展示的未經(jīng)操縱的立方體二極管311，未經(jīng)操縱的立方體二極管311的橫截面幾何形狀類似矩形或正方形。六邊形形狀的二極管可產(chǎn)生不同于由立方體二極管產(chǎn)生的背景電流的背景電流。若干因素可使六邊形形狀的二極管產(chǎn)生與矩形二極管不同的背景電流。這些因素的示例可為六邊形形狀的二極管具有更多角落及/或角。除了六邊形之外的其他形狀為可能的，諸如具有具四條以上邊的橫截面形狀。在一個或多個實施例中，二極管可具有比立方體或矩形固體多的垂直邊或角落。在一個或多個實施例中，二極管321可具有比立方體多的角或比立方體少的角。在一個或多個實施例中，用于產(chǎn)生背景電流的源可包括實質(zhì)上設(shè)置于襯底內(nèi)的淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)。在一個或多個實施例中，為達成相同目的，CMOS生物傳感器像素的 STI結(jié)構(gòu)經(jīng)操縱或不同于典型結(jié)構(gòu)(例如，比典型STI結(jié)構(gòu)粗糙或在其周圍的較輕摻雜分布)。圖3C為展示含有經(jīng)操縱的STI結(jié)構(gòu)332的CMOS像素330的橫截面圖。藉助于實例，經(jīng)操縱的STI結(jié)構(gòu)332含有比未經(jīng)操縱的STI結(jié)構(gòu)粗糙的一個或多個邊緣。這些邊緣的相對粗糙程度造成與光滑邊緣不同量的應(yīng)力，從而導致不同水平的背景電流。圖3D為展示含有摻雜劑345的CMOS像素340的橫截面圖。作為示例，摻雜劑345 可包括硼離子。摻雜劑345可在STI結(jié)構(gòu)342周圍。與距STI較遠的區(qū)相比，摻雜劑345 可具有較高的濃度范圍或較低的濃度范圍。摻雜劑濃度范圍的示例可為約1014至1016個離子/cm3。摻雜劑濃度范圍的另一示例可為約1017至1020個離子/cm3。實質(zhì)上在預定濃度范圍內(nèi)的摻雜劑345的存在影響襯底343的緊靠STI結(jié)構(gòu)342的部分的表面鈍化，且產(chǎn)生充當電荷的泄漏路徑的界面電荷狀態(tài)，從而影響CMOS像素340的背景電流。圖3E為展示含有襯底353、二極管351及STI結(jié)構(gòu)352的CMOS像素350的橫截面圖。電感線圈3M或另一加熱器或加熱元件(諸如，電阻加熱器)可被定位于CMOS像素 350附近或最接近處，例如與襯底353耦接。可操縱電感線圈354以便影響CMOS像素350 的溫度。如本文中所使用，若電感線圈被定位成足以影響CMOS像素的溫度，則電感線圈在 CMOS像素附近或最接近處。作為示例，電流可穿過電感線圈3M以對其加熱。電感線圈3M 可用作溫度參考。電感線圈354的加熱可影響CMOS像素350的溫度。CMOS像素350中的溫度改變影響其背景電流。圖3F為展示位于CMOS像素360附近的電感線圈364的橫截面圖。溫度傳感器 366耦接至參考像素365及電感線圈364，使得電感線圈364控制CMOS像素360相對于參考像素365的溫度。參考像素、溫度傳感器及電感部件可形成用于控制CMOS像素的溫度的反饋機構(gòu)。圖4A為展示包括大量CMOS像素402、403及404的CMOS像素陣列400的橫截面圖。CMOS像素陣列400包括可感測電荷的存在的背側(cè)表面層401。由于每一個別CMOS像素可檢測其上方的電荷，因此CMOS像素的陣列可檢測電荷的移動。帶電荷實體的移動檢測可用于測量這些帶電荷實體的性質(zhì)，諸如其質(zhì)量、大小、形狀或定向。在一個或多個實施例中，生物傳感器系統(tǒng)可包括襯底的背側(cè)、在襯底背側(cè)之下的 CMOS像素陣列以及與襯底的背側(cè)耦接的大量凸塊結(jié)構(gòu)。如本文中所使用，大量包括至少20 個，在一些情況下至少50個，在一些情況下至少100個，或100個以上。大量凸塊結(jié)構(gòu)可實質(zhì)上藉由空隙隔開。圖4B為展示如圖4A中所揭示的CMOS像素陣列400的經(jīng)修改背側(cè)表面部分410 的橫截面圖。經(jīng)修改的背側(cè)表面層410包括襯底411及位于表面415上的凸塊結(jié)構(gòu)412、 413及414。凸塊結(jié)構(gòu)412、413及414可在其間形成空腔416及417。凸塊結(jié)構(gòu)及空腔可輔助粒子、電荷及表面415上的其他實體的流動的測量。作為示例，凸塊結(jié)構(gòu)及空腔可經(jīng)配置以形成可引導粒子、電荷及其他實體的流動的通道。在另一示例中，這些空腔可具有不同大小，從而允許分離并分類粒子、電荷及其他實體。在另一組實施例中，在CMOS生物傳感器像素的背側(cè)表面的頂部上構(gòu)造懸臂 (cantilever)結(jié)構(gòu)。生物探針附接至該懸臂結(jié)構(gòu)。分析物與生物探針之間的基于親和性的結(jié)合影響CMOS像素的背側(cè)表面的應(yīng)力條件，藉此造成背景電流的改變。圖5說明根據(jù)實施例的背側(cè)受激CMOS生物傳感器像素500。除了特定提及的差異的外，像素500可類似于圖1的像素100和/或具有圖1的像素100的特征。為簡短起見， 將不會不必要地重復這些特征。CMOS生物傳感器像素500包括金屬疊層530、層間介電質(zhì) 520及襯底層510。襯底層510進一步包括STI結(jié)構(gòu)514、二極管511、傳輸柵513及浮動擴散部件512。懸臂504在CMOS背側(cè)表面503的頂部上。在一個實施例中，懸臂504實質(zhì)上位于CMOS背側(cè)表面503上或與CMOS背側(cè)表面503耦接。懸臂504包括檢測表面505，生物探針501固定或耦接至該檢測表面505上。分析物502可結(jié)合至生物探針501，藉此將質(zhì)量添加至懸臂504。因此，CMOS背側(cè)表面503上的應(yīng)力改變。表面應(yīng)力的此改變影響CMOS生物傳感器像素500的背景電流特性。藉由CMOS電路檢測及處理背景電流的改變。懸臂504可具有不同操作模式。藉助于實例，懸臂504可具有靜態(tài)操作模式。在靜態(tài)模式中，分析物502至生物探針501的基于親和性的結(jié)合造成懸臂504的靜態(tài)彎曲。該靜態(tài)彎曲改變CMOS背側(cè)表面503的表面應(yīng)力，藉此造成CMOS生物傳感器像素500的背景電流的可檢測改變。在另一示例中，懸臂504可具有動態(tài)操作模式。在該動態(tài)模式中，懸臂504可實質(zhì)上在其諧振頻率下被機械地激勵。該機械激勵可藉由各種力產(chǎn)生。作為示例，一種機械激勵力可為壓電力。懸臂504的機械激勵可造成對CMOS背側(cè)表面503的動態(tài)應(yīng)力循環(huán)。分析物502至生物探針501的基于親和性的結(jié)合可將額外質(zhì)量添加至懸臂504，從而造成諧振頻率的偏移。諧振頻率的偏移可造成CMOS背側(cè)表面503上的動態(tài)應(yīng)力循環(huán)的相應(yīng)頻率偏移，該動態(tài)應(yīng)力循環(huán)的相應(yīng)頻率偏移可通過監(jiān)視CMOS生物傳感器像素500的背景電流而被檢測到。替代實施例可包括懸臂陣列，其中每一懸臂對應(yīng)于相應(yīng)像素陣列中的像素。除了圖5之外，圖6A至圖6C亦說明懸臂與CMOS背側(cè)表面之間的耦接的若干實施例。圖6A展示具有懸臂臂(cantilever arm) 611的懸臂610。生物探針612附接至懸臂臂表面614。懸臂臂611經(jīng)由中間部件615而實質(zhì)上耦接至CMOS背側(cè)表面616。作為示例， 由于分析物633可結(jié)合至生物探針612，因此懸臂臂611彎曲。所得應(yīng)力可經(jīng)由中間部件 615而傳送至CMOS背側(cè)表面616。中間部件615可為各種便利材料。在另一示例中，懸臂臂611可受機械激勵，從而導致懸臂臂611的循環(huán)運動。所得應(yīng)力循環(huán)可經(jīng)由中間部件615 而傳送至CMOS背側(cè)表面616。圖6B展示具有懸臂臂612的懸臂620。生物探針622附接至懸臂臂表面624。生物探針622可親和性地結(jié)合至分析物623。懸臂臂621可經(jīng)由尖端部件625而耦接至CMOS 背側(cè)表面626。尖端部件625可將懸臂臂621的應(yīng)力及運動傳送至CMOS背側(cè)表面626。類似于前一段中所揭示的實施例，本實施例可具有若干操作模式，包括靜態(tài)模式及動態(tài)模式。圖6C展示具有懸臂臂632的懸臂630。懸臂630包括基座部分637。懸臂630可實質(zhì)上位于CMOS背側(cè)表面636上，其中基座部分637實質(zhì)上位于在CMOS背側(cè)表面636內(nèi)的類凹口結(jié)構(gòu)638上。基座部分637與類凹口結(jié)構(gòu)638之間的相互作用可促進懸臂630與 CMOS背側(cè)表面636之間的應(yīng)力的傳送。生物探針632可附接至懸臂臂表面634。生物探針 632可親和性地結(jié)合至分析物633?；谟H和性的結(jié)合添加懸臂630的質(zhì)量。在靜態(tài)操作模式下，所添加的質(zhì)量影響CMOS背側(cè)表面636上的應(yīng)力。在動態(tài)操作模式下，所添加的質(zhì)量影響CMOS背側(cè)表面636的循環(huán)應(yīng)力的頻率。圖7為說明根據(jù)實施例的CMOS生物傳感器700的框圖。所說明的CMOS生物傳感器700的實施例包括像素陣列702。像素陣列702或組成像素陣列702的個別CMOS像素701可具有上述特性中的一些或所有。CMOS生物傳感器700亦至少包括讀出電路710、 功能邏輯715及控制電路720。讀出電路710表示用于測量背景電流的檢測元件的實例實
施例。像素陣列702可為個別CMOS像素701(例如，像素P1、P2.....Pn)的二維陣列。如
所說明，每一個別像素701配置成行(例如，行Rl至Ry)及列(例如，列Cl至Cx)，以獲取分析物與生物探針之間的基于親和性的結(jié)合的資料。這些資料可接著用于呈現(xiàn)分析物信息的二維數(shù)據(jù)集。舉例而言，每一個別像素可用于檢測特定DNA序列。不同像素的陣列可允許同時檢測組成整個基因組的各種DNA序列，基因組為這些各種DNA序列的總體。簡言之，CMOS生物傳感器700準許在一個測量中判定整個基因組的DNA序列信息。在每一像素701已獲取其數(shù)據(jù)之后，藉由讀出電路710讀出該數(shù)據(jù)且將其傳送至功能邏輯715。作為示例，讀出電路710可至少包括放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路或其他電路。 功能邏輯715可簡單地存儲數(shù)據(jù)或甚至通過應(yīng)用后測量效應(yīng)來操縱數(shù)據(jù)。在一個實施例中，讀出電路710可沿著讀出列線而一次讀出一行數(shù)據(jù)(經(jīng)說明)，或可使用各種其他技術(shù)來讀出數(shù)據(jù)(未經(jīng)說明)，其它技術(shù)諸如列/行讀出、串行讀出或同時對所有像素的完全并行讀出?？刂齐娐?20與像素陣列702連接，以控制組成像素陣列702的一些或所有像素 701的操作特性。舉例而言，控制電路720可產(chǎn)生一個或多個信號，以更改一些或所有像素 701中的背景電流，以提高特定的基于親和性的結(jié)合生物檢定的檢測敏感性。圖8為說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的像素陣列內(nèi)的兩個四晶體管像素的像素電路 800的電路圖。像素電路800為用于實施圖7的像素陣列702內(nèi)的每一像素的一個可能的像素電路架構(gòu)。然而，應(yīng)了解，實施例并不限于四晶體管像素架構(gòu)；而是，受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，當前教示亦適用于三晶體管設(shè)計、五晶體管設(shè)計及各種其他像素架構(gòu)。在圖8中，像素1 及1 配置成兩行和一列。每一像素電路800的所說明實施例包括二極管DD、傳送晶體管Tl、重設(shè)晶體管T2、源極跟隨器(「SF」)晶體管T3及一選擇晶體管T4。在操作期間，分析物與生物探針之間的基于親和性的結(jié)合可調(diào)制像素1 及1 中的背景電流的水平。此外，二極管DD可具有與其周圍襯底的界面，其中該界面可為背景電流的主要源。傳送晶體管Tl接收傳送信號TX，其將背景電流從二極管DD的附近區(qū)傳送至浮動擴散節(jié)點FD。在一個實施例中，浮動擴散節(jié)點FD可耦接至用于臨時儲存來自背景電流的電荷的儲存電容器。重設(shè)晶體管T2耦接于電力軌VDD與浮動擴散節(jié)點FD之間，以在重設(shè)信號RST的控制下重設(shè)像素(例如，對FD及DD放電或充電至預設(shè)電壓)。浮動擴散節(jié)點FD經(jīng)耦接以控制SF晶體管T3的柵極。SF晶體管T3耦接于電力軌VDD與選擇晶體管T4之間。SF晶體管T3作為源極跟隨器操作，為浮動擴散區(qū)FD提供高阻抗連接。最后，選擇晶體管T4在選擇信號SEL的控制下選擇性地將像素電路800的輸出耦接至讀出列線。本發(fā)明的所說明實施例的以上描述(包括在發(fā)明摘要中所描述的內(nèi)容)不意欲為詳盡的，或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。如本鄰域普通技術(shù)人員將認識到，雖然在本文中出于說明性目的而描述本發(fā)明的具體實施例及實例，但在本發(fā)明的范疇內(nèi)各種修改是可能的?？筛鶕?jù)以上詳細描述而對本發(fā)明進行這些修改。在所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)被理解為將本發(fā)明限于本說明書中所揭示的具體實施例。實情為，本發(fā)明的范疇將完全藉由所附權(quán)利要求書確定，所附權(quán)利要求書將根據(jù)權(quán)利要求書解釋的公認準則加以理解。在上文的描述中且在所附權(quán)利要求書中，術(shù)語“經(jīng)耦接”可意謂著兩個或兩個以上元件直接實體接觸或電接觸。然而，“經(jīng)耦接”可改為意謂著兩個或兩個以上元件彼此并不直接接觸，而是仍(諸如)經(jīng)由一個或多個介入組件或結(jié)構(gòu)彼此協(xié)作或相互作用。在上文的描述中，為達成闡述的目的，陳述眾多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。然而，將對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，可在無這些具體細節(jié)中的一些的情況下實踐其他實施例。所描述的特定實施例不是被提供用來限制本發(fā)明而是說明本發(fā)明。本發(fā)明的范疇不由上文所提供的具體實例來確定，而是僅由所附權(quán)利要求來確定。在其他情況下，熟知的電路、結(jié)構(gòu)、器件及操作以框圖形式加以展示或無細節(jié)地展示，以便避免混淆對描述的理解。 舉例而言，貫穿本說明書對“ 一個實施例”或“一實施例”或“ 一個或多個實施例” 的提及意謂著本發(fā)明的實踐中可包括特定特征。類似地，在描述中，為達成使本揭示內(nèi)容流暢及輔助理解各種發(fā)明性方面的目的，有時在單一實施例、單一圖或其描述中將各種特征分組到一起。然而，此揭示方法不應(yīng)被解釋為反映以下意圖本發(fā)明需要比每一權(quán)利要求中所明確陳述的特征多的特征。而是，如所附權(quán)利要求所反映，發(fā)明性方面可處于單一所揭示實施例的所有特征中的一部分中。因此，特此將跟在“具體實施方式
”之后的權(quán)利要求明確地并入至此“具體實施方式
“中，其中每一請求項獨立地作為本發(fā)明的單獨實施例。
權(quán)利要求
1.一種用于感測從生物刺激、化學刺激、離子刺激、電刺激、機械刺激以及磁性刺激中選擇的至少一個的CMOS (互補金屬氧化物半導體)像素，包括襯底，所述襯底包括背側(cè)；源，所述源與所述襯底耦接以產(chǎn)生背景電流；以及檢測元件，所述檢測元件經(jīng)電耦接以測量所述背景電流；其中將被提供至所述背側(cè)的所述刺激影響所述背景電流的可測量改變。
2.如權(quán)利要求1所述的CMOS像素，其特征在于，生物探針或多個生物探針的至少一層實質(zhì)上與所述背側(cè)耦接。
3.如權(quán)利要求2所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針具有與分析物的基于親和性結(jié)合的能力；且其中所述基于親和性的結(jié)合影響所述背景電流。
4.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括至少一個帶正電荷的實體。
5.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括至少一個帶負電荷的實體。
6.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括親和性地結(jié)合至目標DNA的至少一個探針DNA。
7.如權(quán)利要求6所述的CMOS像素，其特征在于，所述目標DNA附接至標簽。
8.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括肝素和魚精蛋白中的至少一個。
9.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括抗體和抗原中的至少一個。
10.如權(quán)利要求3所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括至少一種酶。
11.如權(quán)利要求2所述的CMOS像素，其特征在于，所述生物探針或多個生物探針包括選自細胞及組織中的至少一個。
12.如權(quán)利要求1所述的CMOS像素，其特征在于，用于產(chǎn)生背景電流的所述源包括實質(zhì)上設(shè)置于所述襯底內(nèi)的二極管。
13.如權(quán)利要求12所述的CMOS像素，其特征在于，所述二極管包括以下兩種情況之一 比立方體多的角度；比立方體少的角度。
14.如權(quán)利要求1所述的CMOS像素，其特征在于，用于產(chǎn)生背景電流的所述源包括實質(zhì)上設(shè)置于所述襯底內(nèi)的淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)，且其中存在以下情況之一 (1)所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)包括至少一粗糙表面；及(2)所述襯底包括鄰近所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的包括嵌入式摻雜劑原子的一部分。
15.如權(quán)利要求14所述的CMOS像素，其特征在于，所述嵌入式摻雜劑原子包括硼離子。
16.如權(quán)利要求1所述的CMOS像素，其特征在于，進一步包括至少一個懸臂；其中所述至少一個懸臂實質(zhì)上與所述背側(cè)相互作用；且其中所述至少一個懸臂包括與所述至少一個懸臂的表面耦接的生物探針或多個生物探針的層。
17.如權(quán)利要求16所述的CMOS像素，其特征在于，所述至少一個懸臂經(jīng)由中間部件與所述背側(cè)耦接。
18.一種生物傳感器系統(tǒng)，包括 襯底的背側(cè)；以及在所述襯底的所述背側(cè)之下的CMOS(互補金屬氧化物半導體)像素的陣列；以及與所述襯底的所述背側(cè)耦接的大量的凸塊結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求18所述的生物傳感器系統(tǒng)，其特征在于，所述大量的凸塊結(jié)構(gòu)實質(zhì)上由空隙隔開。
20.一種生物傳感器系統(tǒng)，包括CMOS (互補金屬氧化物半導體)像素；以及在所述CMOS像素附近的電感部件； 其中所述電感部件與所述CMOS像素熱耦合。
21.如權(quán)利要求20所述的生物傳感器系統(tǒng)，其特征在于，還包括 參考像素；以及溫度傳感器；其中所述電感部件、所述溫度傳感器及所述參考像素形成用于控制該CMOS像素的溫度的反饋機構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于感測從生物刺激、化學刺激、離子刺激、電刺激、機械刺激及磁性刺激中選擇的至少一個的CMOS(互補金屬氧化物半導體)像素。該CMOS像素包括襯底，其包括背側(cè)；源，其與該襯底耦接以產(chǎn)生背景電流；及檢測元件，其經(jīng)電耦接以測量該背景電流。該刺激(其將被提供至該背側(cè))影響該背景電流的可測量改變。
文檔編號G01N27/416GK102375016SQ201110261318
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者M·畢庫曼德拉 申請人:美商豪威科技股份有限公司