背景技術(shù)：

1、電子裝置和組件已經(jīng)在化學(xué)和生物學(xué)(更一般地，“生命科學(xué)”)中得到眾多應(yīng)用，特別是用于檢測(cè)和測(cè)量不同的化學(xué)和生物反應(yīng)，以及鑒別、檢測(cè)和測(cè)量不同的化合物。一種這樣的電子裝置被稱作離子敏感的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在相關(guān)文獻(xiàn)中經(jīng)常表示為“isfet”(或phfet)。isfet常規(guī)地主要在科學(xué)和研究團(tuán)體中采用，用于便利溶液的氫離子濃度(通常表示為“ph”)的測(cè)量。

2、更具體地，isfet是一種阻抗轉(zhuǎn)化裝置，其以類似于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)的方式運(yùn)行，且為選擇性地測(cè)量溶液中的離子活性而特別構(gòu)建(例如，溶液中的氫離子是“分析物”)。在“thirty?years?of?isfetology:what?happened?in?the?past30years?and?what?may?happen?in?the?next?30years,”p.bergveld,sens.actuators,88(2003),第1-20頁(“bergveld”)中給出了isfet的詳細(xì)運(yùn)行理論，所述出版物通過引用整體并入本文。

3、使用常規(guī)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)方法來制造isfet的細(xì)節(jié)，可以參見：rothberg,等人,美國(guó)專利公開號(hào)2010/0301398,rothberg,等人,美國(guó)專利公開號(hào)2010/0282617,和rothberg等人,美國(guó)專利公開2009/0026082；這些專利公開統(tǒng)稱為“rothberg”，并且都通過引用整體并入本文。除了cmos以外，可以使用兩極的和cmos(bicmos)加工，諸如包括p-通道m(xù)os?fet陣列的方法，所述陣列具有在外圍上的兩極結(jié)構(gòu)。可替換地，可以采用其它技術(shù)，其中敏感元件可以用三端裝置來制作，其中感知的離子會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的形成，所述信號(hào)控制3個(gè)線端之一；這樣的技術(shù)還可以包括，例如，砷化鎵(gaas)和碳納米管技術(shù)。

4、以cmos為例，p-型isfet制造是基于p-型硅襯底，其中n-型孔形成晶體管的“主體”。在n-型孔內(nèi)形成高度摻雜的p-型(p+)源(s)和排出裝置(d)區(qū)域。在n-型孔內(nèi)還可以形成高度摻雜的n-型(n+)區(qū)域b，以提供與n-型孔的傳導(dǎo)體(或“塊”)連接。氧化物層可以安置在源、排出裝置和主體接頭區(qū)上面，穿過它們制作開口，以提供與這些區(qū)域的電連接(通過電導(dǎo)體)。在源和排出裝置之間，在n-型孔區(qū)域上面的位置，可以在氧化物層上面形成多晶硅柵。因?yàn)樗仓迷诙嗑Ч钖藕途w管主體(即，n-型孔)之間，所述氧化物層經(jīng)常被稱作“柵氧化物”。

5、類似于mosfet，isfet的運(yùn)行是基于由金屬氧化物半導(dǎo)體(mos)電容造成的電荷濃度(和因而通道電導(dǎo))的調(diào)節(jié)，所述電容由多晶硅柵、柵氧化物和在源和排出裝置之間的孔(例如，n-型孔)區(qū)域組成。當(dāng)在柵和源區(qū)域之間施加負(fù)電壓時(shí)，通過剝奪該區(qū)域的電子，在該區(qū)域和柵氧化物的界面處建立通道。就n-孔而言，所述通道是p-通道。在n-孔的情況下，所述p-通道在源和排出裝置之間延伸，且當(dāng)柵-源負(fù)電勢(shì)足以從源吸收孔進(jìn)入通道時(shí)，傳導(dǎo)電流穿過p-通道。通道開始傳導(dǎo)電流時(shí)的柵-源電勢(shì)稱作晶體管的閾值電壓vth(當(dāng)vgs具有大于閾值電壓vth的絕對(duì)值時(shí)，晶體管傳導(dǎo))。源因此得名，因?yàn)樗橇鬟^通道的電荷載體(p-通道的孔)的源；類似地，排出裝置是電荷載體離開通道的地方。

6、如rothberg所述，可以制造具有浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)的isfet，所述浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)如下形成：將多晶硅柵聯(lián)接到多個(gè)金屬層上，所述金屬層安置在一個(gè)或多個(gè)額外的氧化物層內(nèi)，所述氧化物層安置在柵氧化物的上面。浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)由此得名，因?yàn)樗c其它的isfet相關(guān)導(dǎo)體在電學(xué)上分離；也就是說，它夾在柵氧化物和鈍化層之間，所述鈍化層安置在浮動(dòng)?xùn)诺慕饘賹?例如，頂金屬層)的上面。

7、如rothberg進(jìn)一步所述，isfet鈍化層構(gòu)成離子敏感的膜，其產(chǎn)生裝置的離子靈敏度。與鈍化層(尤其可以位于浮動(dòng)?xùn)沤Y(jié)構(gòu)上面的敏感區(qū)域)相接觸的分析物溶液(即，含有目標(biāo)分析物(包括離子)的溶液，或被測(cè)試目標(biāo)分析物存在的溶液)中的分析物(諸如離子)的存在，會(huì)改變isfet的電特征，從而調(diào)節(jié)流過isfet的源和排出裝置之間的通道的電流。鈍化層可以包含多種不同材料中的任一種，以促進(jìn)對(duì)特定離子的靈敏度；例如，包含氮化硅或氮氧化硅以及金屬氧化物(諸如硅、鋁或鉭的氧化物)的鈍化層通常會(huì)提供對(duì)分析物溶液中氫離子濃度(ph)的靈敏度，而包含聚氯乙烯(含有纈氨霉素)的鈍化層會(huì)提供對(duì)分析物溶液中鉀離子濃度的靈敏度。適用于鈍化層且對(duì)其它離子(諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸鹽)敏感的物質(zhì)是已知的，且鈍化層可以包含多種材料(例如，金屬氧化物、金屬氮化物和金屬氮氧化物)。關(guān)于在分析物溶液/鈍化層界面處的化學(xué)反應(yīng)，用于isfet的鈍化層的特定材料的表面可以包括這樣的化學(xué)基團(tuán)：其可以為分析物溶液捐獻(xiàn)質(zhì)子，或接受來自分析物溶液的質(zhì)子，在任意給定的時(shí)間在分析物溶液界面處的鈍化層的表面上剩下帶負(fù)電荷的、帶正電荷的和中性的位點(diǎn)。

8、關(guān)于離子靈敏度，通常稱作“表面電勢(shì)”的電勢(shì)差出現(xiàn)在鈍化層和分析物溶液的固/液界面處，隨敏感區(qū)域中的離子濃度而變化，這是由于化學(xué)反應(yīng)(例如，通常包含在敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子對(duì)氧化物表面基團(tuán)的解離)。該表面電勢(shì)又影響isfet的閾值電壓；因而，isfet的閾值電壓隨著在敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子濃度的變化而變化。如rothberg所述，由于isfet的閾值電壓vth對(duì)離子濃度敏感，源電壓vs提供與在isfet的敏感區(qū)域附近的分析物溶液中的離子濃度直接有關(guān)的信號(hào)。

9、化學(xué)敏感的fet(“chemfet”)的陣列或更具體地isfet，可以用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)——包括例如核酸(例如，dna)測(cè)序反應(yīng)，這基于監(jiān)測(cè)在反應(yīng)過程中存在的、產(chǎn)生的或使用的分析物。更通常地，包括chemfet的大陣列在內(nèi)的陣列可以用于檢測(cè)和測(cè)量在眾多化學(xué)和/或生物學(xué)過程(例如，生物學(xué)或化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞或組織培養(yǎng)或監(jiān)測(cè)、神經(jīng)活性、核酸測(cè)序等)中的多種分析物(例如，氫離子、其它離子、非離子型分子或化合物等)的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)量或濃度，其中基于這樣的分析物測(cè)量可以得到有價(jià)值的信息。這樣的chemfet陣列可以用于檢測(cè)分析物的方法中和/或通過在chemfet表面處的電荷的變化而監(jiān)測(cè)生物學(xué)或化學(xué)過程的方法中。chemfet(或isfet)陣列的這種用途包括：檢測(cè)溶液中的分析物，和/或檢測(cè)在chemfet表面(例如isfet鈍化層)上結(jié)合的電荷的變化。

10、關(guān)于isfet陣列制造的研究記載在下述出版物中：“a?large?transistor-basedsensor?array?chip?for?direct?extracellular?imaging,”m.j.milgrew,m.o.riehle,and?d.r.s.cumming,sensors?and?actuators,b:chemical,111-112,(2005),第347-353頁,和“the?development?of?scalable?sensor?arrays?using?standard?cmostechnology,”m.j.milgrew,p.a.hammond,和d.r.s.cumming,sensors?and?actuators,b:chemical，103,(2004),第37-42頁，所述出版物通過引用并入本文，且在下文中共同稱作“milgrew等人”。在rothberg中，含有關(guān)于制造和使用chemfet或isfet陣列的描述，所述陣列用于化學(xué)檢測(cè)，包括與dna測(cè)序有關(guān)的離子的檢測(cè)。更具體地，rothberg描述了使用chemfet陣列(特別是isfet)來對(duì)核酸測(cè)序，其包括：將已知的核苷酸摻入反應(yīng)室中的多個(gè)相同核酸中，所述反應(yīng)室與chemfet接觸或電容式聯(lián)接，其中所述核酸與反應(yīng)室中的單個(gè)珠子結(jié)合，并檢測(cè)在chemfet處的信號(hào)，其中信號(hào)的檢測(cè)指示一個(gè)或多個(gè)氫離子的釋放，所述氫離子源自已知的三磷酸核苷酸向合成的核酸中的摻入。

11、但是，傳統(tǒng)上，通過測(cè)量在isfet的輸出處的瞬時(shí)電壓，測(cè)量分析物溶液中的離子濃度。在許多情況下，由瞬時(shí)電壓提供的信噪比可能不象希望的那樣高。此外，利用isfet傳感器陣列設(shè)計(jì)的縮放，將更多的isfet傳感器填塞在芯片上。因而，本領(lǐng)域需要提供比瞬時(shí)電壓測(cè)量更好的snr，以及需要在芯片上的(on-chip)數(shù)據(jù)壓縮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路