JP2013533483A - 低濃度ドープドレインを有する化学的感応性センサ - Google Patents

低濃度ドープドレインを有する化学的感応性センサ Download PDF

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Abstract

化学的感応性センサのゲートと電極との間のオーバーラップ静電容量に影響を与える低濃度ドープ領域を有する、化学的感応性センサを提供する。低濃度ドープ領域は、化学的感応性センサのゲート領域の下に延伸しており、かつゲート領域に隣接する。化学的感応性センサの利得の修正を、電極下の低濃度ドープ領域を操作することにより達成する。

Description

関連出願
本出願は、２０１０年７月３日に出願された米国仮特許出願第６１／３６１，４０３号の利益を主張し、その内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
背景
電子装置および構成部品は、特に、様々な化学的および生物的反応の検出および測定、ならびに各種化合物の識別、検出および測定のために、化学および生物学（より一般には「生命科学」）において多数の応用を見出した。このような電子装置の１つは、イオン感応電界効果トランジスタと称され、「ＩＳＦＥＴ」（またはｐＨＦＥＴ）として、関連文献においてしばしば示されている。ＩＳＦＥＴは、溶液の水素イオン濃度（一般的に「ｐＨ」として示される）の測定を容易にするために、主として学術的な研究コミュニティにおいて、従来から調査されている。
より具体的には、ＩＳＦＥＴは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のものと同様の方式で動作し、溶液（例えば、溶液における水素イオンは「分析物」である）においてイオン活量を選択的に測定するように、特に構成されるインピーダンス変換装置である。ＩＳＦＥＴの詳細な動作原理は、Ｐ． Ｂｅｒｇｖｅｌｄ，「Ｔｈｉｒｔｙ ｙｅａｒｓ ｏｆ ＩＳＦＥＴＯＬＯＧＹ：ｗｈａｔ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ３０ ｙｅａｒｓ ａｎｄ ｗｈａｔ ｍａｙ ｈａｐｐｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ３０ ｙｅａｒｓ」Ｓｅｎｓ． Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，８８（２００３），ｐｐ．１−２０（「Ｂｅｒｇｖｅｌｄ」）（非特許文献１）に示され、その刊行物は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
従来のＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）プロセスを用いてＩＳＦＥＴを製造することについての詳細は、Ｒｏｔｈｂｅｒｇらによる米国特許出願公開第２０１０／０３０１３９８号（特許文献１）、Ｒｏｔｈｂｅｒｇらによる米国特許出願公開第２０１０／０２８２６１７号（特許文献２）、およびＲｏｔｈｂｅｒｇらによる米国特許出願公開第２００９／００２６０８２号（特許文献３）において見出すことができ、これらの特許公報は、まとめて「Ｒｏｔｈｂｅｒｇ」と称され、それらの全体が参照によりすべて本明細書に組み込まれる。但し、ＣＭＯＳに加えて、ｂｉＣＭＯＳ（すなわち、バイポーラおよびＣＭＯＳ）プロセス（周囲のバイポーラ構造とＰＭＯＳ ＦＥＴ配列を含むプロセスなど）を用いてもよい。あるいは、３つの端子のうちの１つを制御する信号の開発が検知されたイオンによってもたらされる三端子素子により検知元素を製作することができる、他の技術を利用してもよく、このような技術は、また、例えば、ＧａＡｓおよびカーボンナノチューブの技術を含んでもよい。
ＣＭＯＳの例を使用すると、Ｐ型ＩＳＦＥＴの製作は、トランジスタ「本体」を形成するＮ型ウェルが形成されるＰ型シリコン基板に基礎を置く。ＩＳＦＥＴのソースおよびドレインを構成する高濃度にドープしたＰ型（Ｐ＋）領域ＳおよびＤは、Ｎ型ウェル内に形成される。Ｎ型ウェルに対する導電体（または「バルク」）接続を供給するために、高濃度にドープしたＮ型（Ｎ＋）領域Ｂを、Ｎ型ウェル内に形成してもよい。酸化物層を、ソース、ドレイン、および本体の接続領域（これらの領域に電気的接続（導電体を介して）を供給するために開口部が作られる）の上に配置してもよい。ポリシリコンゲートを、ソースとドレインとの間のＮ型ウェルの領域の上の位置における酸化物層の上に形成してもよい。酸化物層をポリシリコンゲートとトランジスタボディ（すなわちＮ型ウェル）との間に配置するので、酸化物層をしばしば「ゲート酸化膜」と称する。
ＭＯＳＦＥＴのように、ＩＳＦＥＴのオペレーションは、ＭＯＳ（金属酸化膜半導体）静電容量によりもたらされる電荷濃度（したがって、チャネルコンダクタンス）の変化に基づく。この静電容量は、ソースとドレインとの間のポリシリコンゲート、ゲート酸化膜、およびウェル（例えばＮ型ウェル）領域により構成される。負電圧をゲート領域およびソース領域の両端に印加すると、この領域の電子を使い尽くすことにより、領域とゲート酸化膜との界面にチャネルを生成する。Ｎウェルに対して、チャネルは、Ｐチャネルになるだろう（逆もまた同様）。Ｎウェルのケースにおいて、Ｐチャネルは、ソースとドレインとの間に延伸しており、ゲートソース間電位がソースからチャネルのホールを誘引するのに十分に負であれば、電流はＰチャネルを通じて伝導されるであろう。チャネルが電流を伝導し始めるゲートソース間電位を、トランジスタの閾値電圧ＶＴＨと称する（ＶＧＳが閾値電圧ＶＴＨよりも大きな絶対値をもつ場合にトランジスタは伝導する）。ソースはチャネルを介して流れる電荷キャリア（Ｐチャネルのためのホール）のソースであるので、そのように命名され、同様に、ドレインは、電荷キャリアがチャネルから流れ出る所である。
Ｒｏｔｈｂｅｒｇに記載されるように、ＩＳＦＥＴは、ゲート酸化膜上に配置された１つ以上の付加的な酸化物層内に配置された複数の金属層にポリシリコンゲートを連結することにより形成され、フローティングゲート構造で製造されてもよい。フローティングゲート構造は、ＩＳＦＥＴに関連づけた他の導線から電気的に分離されるので、そのように名付けられ、すなわち、ゲート酸化膜と、浮遊ゲージの金属層（例えば最上部の金属層）上に配置されるパッシベーション層との間に差し込まれる。
Ｒｏｔｈｂｅｒｇにおいてさらに記載されるように、ＩＳＦＥＴパッシベーション層は、デバイスのイオン感応性を生じさせるイオン感応性膜を構成する。分析用溶液（すなわち、対象の分析物（イオンを含む）を含む溶液または対象の分析物の有無に関して検査されている溶液）におけるイオンなどの分析物の有無は、パッシベーション層との接点において、特にフローティングゲート構造上に存在してもよい感応性領域において、ＩＳＦＥＴのソースとドレインとの間のチャネルを介して流れる電流を調整するように、ＩＳＦＥＴの電気的特性を変化させる。パッシベーション層は、特にイオンに対する感応性を促進するために、様々な異材質のうちのいずれか１つ、例えばシリコン、アルミニウム、またはタンタルオキサイドなどの金属酸化物のみならず、一般に、分析用溶液内の水素イオン濃度（ｐＨ）に感応性を与える窒化シリコンまたは酸窒化ケイ素を含むパッシベーション層を含んでもよい。その一方で、バリノマイシンを含有するポリ塩化ビニルを含むパッシベーション層は、分析用溶液内のカリウムイオン濃度に感応性を与える。パッシベーション層に好適で、かつ、例えばナトリウム、銀、鉄、臭素、ヨウ素、カルシウム、およびニトレートなどの他のイオンに対して感応性のある材料は、既知であり、パッシベーション層は、様々な材料（例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属オキシナイトライド）を含んでもよい。分析用溶液／パッシベーション層の界面における化学反応に関して、ＩＳＦＥＴのパッシベーション層のために利用される所与の材料の表面は、分析用溶液との界面におけるパッシベーション層の表面上に負に荷電された部位、正に荷電された部位およびニュートラル部位を常に残しながら、分析用溶液に陽子を供与できる、または分析用溶液から陽子を受容できる化学基を含んでもよい。
イオン感応性に関して、一般的に「表面ポテンシャル」と称される電位差が、化学反応（例えば、感応性領域に近接する分析用溶液において、イオンによる酸化物表面グループの解離を通常含む）による感応性領域内のイオン濃度に応じてパッシベーション層および分析用溶液の固体／液界面において生じる。この表面ポテンシャルは、ＩＳＦＥＴの閾値電圧に順番に作用し、したがって、感応性領域に近接する分析用溶液内のイオン濃度の変化により変化するのは、ＩＳＦＥＴの閾値電圧である。ＩＳＦＥＴの閾値電圧ＶＴＨがイオン濃度に対して感応性があるので、Ｒｏｔｈｂｅｒｇに記載されているように、電源電圧ＶＳは、ＩＳＦＥＴの感応性領域に近接する分析用溶液内のイオン濃度に直接関連する信号を供給する。
化学的感応性ＦＥＴ（「ｃｈｅｍＦＥＴ」）の、またはより具体的にはＩＳＦＥＴのアレイを、例えば、反応の間に生じるか、生成されるか、または用いられる分析物の監視に基づいて、核酸（例えばＤＮＡ）配列決定反応を含む反応の監視のために用いてもよい。より一般には、ｃｈｅｍＦＥＴの大型アレイを含むアレイは、様々な分析物（例えば、水素イオン、他のイオン、非イオンの分子または化合物など）の静的および／または動的な量または濃度を検出し測定するために、このような分析物の測定に基づいて有益な情報を取得できる様々な化学物質および／または生物過程（例えば、生物反応または化学反応、細胞、組織培養、監視、神経作用、核酸配列決定など）において、利用できる。このようなｃｈｅｍＦＥＴアレイは、ｃｈｅｍＦＥＴ表面における電荷の変動を介して、分析物を検出する方法および／または生物過程または化学過程を監視する方法に利用できる。ＣｈｅｍＦＥＴ（またはＩＳＦＥＴ）アレイのこのような利用は、溶液内の分析物の検出および／またはｃｈｅｍＦＥＴ表面（例えばＩＳＦＥＴパッシベーション層）に対する電荷境界の変化の検出を含む。
ＩＳＦＥＴアレイ製作に関する研究は、Ｍ．Ｊ．Ｍｉｌｇｒｅｗ，Ｍ．Ｏ．Ｒｉｅｈｌｅ，ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｓ．Ｃｕｍｍｉｎｇ，「Ａ ｌａｒｇｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｉｍａｇｉｎｇ」Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，１１１−１１２，（２００５），ｐｐ．３４７−３５３（非特許文献２）およびＭ．Ｊ．Ｍｉｌｇｒｅｗ，Ｐ．Ａ．Ｈａｍｍｏｎｄ，ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｓ．Ｃｕｍｍｉｎｇ，「Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃａｌａｂｌｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙｓ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ＣＭＯＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，１０３，（２００４），ｐｐ．３７−４２（非特許文献３）において報告されており、これらの刊行物は、参照により本明細書に組み込まれ、以降まとめて「Ｍｉｌｇｒｅｗら」と指される。イオンの検出を含む化学的検出のためのＣｈｅｍＦＥＴまたはＩＳＦＥＴのアレイを、ＤＮＡ塩基配列決定法に関連して製造し用いる説明は、Ｒｏｔｈｂｅｒｇに含まれる。より具体的には、Ｒｏｔｈｂｅｒｇは、核酸が反応チャンバにおける単一のビーズに結合される、ｃｈｅｍＦＥＴに接するまたは容量的に連結される反応チャンバにおける複数の同一の核酸に既知のヌクレオチドを組み込むこと、および信号の検出が、合成された核酸への既知のヌクレオチド三燐酸塩の組み込みに起因する１つ以上の水素イオンの放出を示す、ｃｈｅｍＦＥＴにおける信号を検出することを含む核酸の配列のためにｃｈｅｍＦＥＴアレイ（特にＩＳＦＥＴ）を用いることを記載する。
米国特許出願公開第２０１０／０３０１３９８号 米国特許出願公開第２０１０／０２８２６１７号 米国特許出願公開第２００９／００２６０８２号
Ｐ． Ｂｅｒｇｖｅｌｄ，「Ｔｈｉｒｔｙ ｙｅａｒｓ ｏｆ ＩＳＦＥＴＯＬＯＧＹ：ｗｈａｔ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ３０ ｙｅａｒｓ ａｎｄ ｗｈａｔ ｍａｙ ｈａｐｐｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｘｔ ３０ ｙｅａｒｓ」Ｓｅｎｓ． Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，８８（２００３），ｐｐ．１−２０（「Ｂｅｒｇｖｅｌｄ」） Ｍ．Ｊ．Ｍｉｌｇｒｅｗ，Ｍ．Ｏ．Ｒｉｅｈｌｅ，ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｓ．Ｃｕｍｍｉｎｇ，「Ａ ｌａｒｇｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｉｍａｇｉｎｇ」Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，１１１−１１２，（２００５），ｐｐ．３４７−３５３ Ｍ．Ｊ．Ｍｉｌｇｒｅｗ，Ｐ．Ａ．Ｈａｍｍｏｎｄ，ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｓ．Ｃｕｍｍｉｎｇ，「Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃａｌａｂｌｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙｓ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄ ＣＭＯＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，１０３，（２００４），ｐｐ．３７−４２
イオン感応性金属酸化物電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）は、知られている。これらの種類のトランジスタにより検知された化学反応は、振幅が非常に小さい電気的信号をもたらし、したがって、信号を効率的に処理できるように、信号利得を供給する付加的な回路による増幅が必要かもしれない。付加的な回路は、増幅回路の代わりに付加的なセンサ素子に用いることができる半導体基板の実装場所を占有する。化学的感応性センサが、付加的な利得回路の必要性を排除するために、修正された利得を有することができれば有用だろう。本発明者は、以下に記載される実施形態の有益性を認識した。
本発明の１つの実施形態による半導体基板の構築を示す。 本発明の１つの実施形態による、低濃度ドープドレインを供給するためにドープされた半導体を示す。 本発明の１つの実施形態における化学的感応性センサのそれぞれのドープ領域により生じた静電容量の図を示す。 本発明の１つの実施形態による化学的感応性センサの典型的な構成を示す。 本発明の１つの実施形態による化学的感応性センサの別の典型的な構成を示す。
詳細な説明
実施形態は、修正された利得をもつ化学的感応性センサを提供する。化学的感応性センサは、基板内に、マイクロウェル、フローティングゲート端子、ドレイン端子、ソース端子および１対のドープ領域を含んでもよい。マイクロウェルは、化学反応において用いられる試料を受容してもよい。フローティングゲートは、基板上のゲート電極に電気的に連結されてもよい。ドレイン端子接続およびソース端子接続は、化学的感応性センサの電気端子であってもよい。基板内の対のドープ領域は、各々、低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を含んでもよい。各々の低濃度ドープ領域は、基板上のゲート電極の下に延伸してもよく、かつ各々の高濃度ドープ領域は、ドレイン端子およびソース端子にそれぞれ連結されるように延伸してもよい。
別の実施形態は、また、修正された利得をもつ化学的感応性センサを提供できる。化学的感応センサは、基板内に、マイクロウェル、フローティングゲート端子、ドレイン端子、ソース端子、１対の電極および１対のドープ領域を含んでもよい。マイクロウェルは、化学反応において用いられる試料を受容してもよい。フローティングゲートは、基板上のゲート電極に電気的に連結されてもよい。ドレイン端子接続およびソース端子接続は、化学的感応性センサの電気端子であってもよい。１対の電極は、基板上に形成されてもよく、１対の電極の一方は、ゲート電極のいずれかの側にある。１対のドープ領域の一方は、低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を含んでもよい。その一方で、１対のドープ領域の他方は、高濃度ドープ領域のみを含む。低濃度ドープ領域は、電極のそれぞれ１つの下に延伸してもよく、かつ各対の高濃度ドープ領域は、ドレイン端子またはソース端子にそれぞれ連結されるように延伸している。
１つの実施形態は、また、本発明の１つの実施形態による化学的感応性センサを構築するための方法を提供できる。本方法は、第１の導電型のドーパントで基板を形成してもよい。エピタキシャル層は、基板を形成するために用いられたものと同じ導電型であるが基板のドーパントよりも濃度を低くしたドーパントを用いて、構築されてもよい。電極層は、形成されたエピタキシャル層上に、基板を形成するために用いられた第１の導電型のドーパントとは異なる第２の導電型のドーパントから形成されてもよい。電極層および基板の双方におけるドーパントの濃度は、ほぼ同じであってもよい。電極層は、ゲートおよび電極を製作するためにマスクされエッチングされてもよい。第１の低濃度ドープ領域は、多方向注入技術（ｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｌａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いて、電極のうちの１つに隣接して作成されてもよい。第１の低濃度ドープ領域は、エピタキシャル層ドーパントとは反対側の導電型のドーパントから形成される。ゲート、電極および低濃度ドープ領域と同様の導電型のドーパントから、ゲートに隣接した電極に自己整列した拡散ノードを生成してもよく、拡散ノードの１番目のものは、第１の低濃度ドープ領域に隣接する。絶縁体、誘電体、導電層および金属層が交互に重なった層により、フローティングゲート電極と、拡散領域の上の電極と、電極のための接点とを形成してもよい。
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の１つの実施形態による半導体基板の構築物を示す。この実施形態において、化学的感応性センサ１００は、半導体ドーピングによりポリシリコン基板１１０上に組立ててもよく、半導体ドーピングは、この例においてＰまたは（Ｐ＋）型ドーパントであり、図１Ａに示されるように形成される。図１Ｂに示されるように、エピタキシャル層（Ｐ−ｅｐｉ）１２０を、Ｐ＋型基板１１０と同様の導電型、すなわちＰ型でのドーピングの結果、Ｐ＋型基板１１０上に、しかし低濃度で、形成してもよい。もちろん、Ｎ型ドープなどのような他のドープを用いてもよい。
電荷結合センサセルが形成される予定の領域は、基板（Ｐ＋）１１０およびエピタキシャル層１２０の導電型とは反対側の導電型、すなわちＮ＋を有するドーパントによる濃厚なドーピングレベルで、あらかじめドープしてもよい。図１Ｃにおいて、Ｎ＋ドーピングレベル１３０を、Ｐ型エピタキシャル層１２０およびＰ＋型基板１１０上に構築してもよい。Ｎ＋ドーピングレベル１３０を、電荷結合化学センサ領域内で用いてもよい。マスクおよびエッチング作用を用いながら、化学的感応性センサ１００のゲート１３３、および電極１３４、１３６を、図１Ｄに示されるように、Ｎ＋ドーピングレベル１３０のあらかじめドープされた領域内に形成してもよい。記載された実施形態において、ドーピングレベルを逆にすることもできることは、当業者によって理解されるだろう。
上記で開示された実施形態は、ゲート電極１３３に適用された信号に基づいた電極１３４と１３６との間の任意の信号に第１の利得を与えることができるトランジスタの製作を記載する。化学的感応性センサ１００の利得を、電極１３４、１３６またはゲート１３３に隣接する位置における基板１１０内の位置に、付加的なドーピング物質を挿入することにより修正してもよい。付加的なドーピング物質は、トランジスタ１００の静電容量に作用することができ、結果的にトランジスタ１００の利得を修正する。利得修正の詳細は、図３について、より詳細に説明されるだろう。
図２Ａは、本発明の１つの実施形態による、ゲート電極に隣接するエピタキシャル層における付加的なドーピングの近似位置を示す。図２Ａのデバイスは、図１Ｃと同様の基板構造を有してもよい。化学的感応性センサ２００は、第１の導電型のドーパント（すなわち、Ｐ型）のエピタキシャル層２２０と、第２の導電型のドーパント（すなわちＮ型）から形成されたゲート電極２１５と、低濃度ドープ領域２２３、２２５とを含んでもよい。低濃度ドープドレイン（ＬＤＤ）と呼ばれる低濃度ドープ領域２２３、２２５は、ゲート電極２１５と同一の導電型のドーパント（すなわち、Ｐ型）であってもよい。化学的感応性センサ２００の利得を、ゲート電極２１５よりも低濃度ドープ領域２２３、２２５における低濃度のドーパントの注入により修正してもよい。低濃度ドープ領域２２３、２２５は、例えば、ゲート電極２１５の下の低濃度ドープ領域２２３、２２５に低濃度のドーパントを注入するために多方向注入技術を用いることにより形成してもよい。もちろん、他の技術を用いてもよい。トランジスタのソース端子およびドレイン端子のための高濃度ドープ領域を、低濃度ドープ領域の前または後に追加してもよい。図２Ｂは、ゲート電極２１５、低濃度ドープ領域２２３、２２５に関して、化学的感応性センサ２２０のソース端子およびドレイン端子に連結するための拡散ノード２２３、２２５（それらは高濃度ドープ領域であってもよい）の配置を示す。既知のドーピング技術を用いて、高濃度ドープ領域２２３、２２５を、ドーパントのゲート電極２１５と同じ導電型の高濃度ドーパントにより構築してもよい。
図２Ｃおよび図２Ｄは、改良型ドーピングを有する化学的感応性センサのための他の実施形態を示す。図２Ｃは、ゲート２１０に加えて、電極２１４、２１６も有することができる化学的感応性センサ２０２を示す。図２Ｃにおいて、低濃度ドープ領域２２７、２２９または低濃度ドープドレイン（ＬＤＤ）を生成するために、それぞれの電極２１４、２１６に隣接して挿入される多方向ドーピング注入を可能にするために、化学的感応性センサ２０２のゲート２１０および電極２１４、２１６をマスクする。ＬＤＤ２２７および２２９を、エピタキシャル層とは反対側の導電型、すなわちＮ＋から形成してもよい。図示する実施形態において、ＬＤＤ２２７、２２９を、電極２１４、２１６下の化学的感応性センサ２０２内で形成してもよい。あるいは、ＬＤＤ２２７、２２９を、当該技術分野において既知のような代替の注入方法を用いて注入してもよい。
フォトレジスト膜は、所望の領域をマスクし、かつ、ゲート２１０に隣接する電極２１４、２１６に自己整列しかつＬＤＤ２２７、２２９に隣接してもよい拡散ノード２３５、２３７を形成するために用いることができる。拡散領域２３５および２３７は、ゲート２１０、電極２１４、２１６、およびＬＤＤ２２７、２２９と同様でありかつエピタキシャル層２２１の導電型とは反対側の導電型から、形成してもよい。図２Ｄにおいて、Ｎ＋拡散ノード２３７および２３９は、高濃度ドープ領域であってもよく、かつ半導体の技術分野で既知の任意の従来技術を用いて形成してもよい。さらに、他のノードを形成してもよい。低濃度ドープ領域２２７、２２９を、拡散ノード２３７および２３９のドーパント濃度レベル未満であるドーパント濃度レベルでドープしてもよい。
図３は、本発明の１つの実施形態による化学的感応性センサのそれぞれのドーピング領域に関連する静電容量を示す図である。図示する化学的感応性センサ３００は、エピタキシャル層３９７上に構築されるゲート電極３８４、ならびに拡散領域３９１および３９５を含んでもよい。エピタキシャル層３９７がＰ型として示されている一方で、ゲート電極３８４、および拡散領域３９１、３９５のドーピングは、Ｎ型ドーピングとして示される。もちろん、ドーピングを逆にしてもよい。拡散領域３９１および３９５は、高濃度でドープしてもよい。拡散領域３９１は、化学的感応性センサ３００のソース端子と接してもよく、かつ拡散領域３９５は、化学的感応性センサ３００のドレイン端子を接してもよい。もちろん、ソース端子およびドレイン端子は、入れ替わってもよい。ゲート電極３８４は、信号を供給するフローティングゲート（図示せず）に接続してもよい。フローティングゲートからの信号の振幅によって、チャネル３９６を、既知のトランジスタ原理に従って伝導するように誘発してもよい。ドレイン拡散領域３９５の信号は、ソース拡散領域３９１に向かってチャネル３９６を貫通してもよい。さらに、センサ３００の製作により、ゲートドレイン間容量Ｃｇｄが、ゲート電極３８４とドレイン拡散領域３９５との間に存在するかもしれない。同様に、ゲートソース間容量ｃｇが、ゲート電極３８４とソース拡散領域３９１との間に存在するかもしれない。これらの静電容量Ｃｇｄおよびｃｇの値は、センサ３００の信号利得に影響を及ぼすかもしれない。静電容量Ｃｇｄおよびｃｇは、拡散領域３９１および３９５のドーピングとゲート電極３８４との間の接合領域の結果であるかもしれない。静電容量Ｃｇｄおよびｃｇの部分は、拡散領域とゲート電極３８４との交点における寄生容量に起因するかもしれない。寄生容量の量を、ドレイン拡散領域およびソース拡散領域３９５および３９１に低濃度ドープ領域３９４および３９２を追加することにより、それぞれ調整してもよい。低濃度ドープ領域３９４および３９２を、高濃度にドープした拡散領域３９１および３９５よりも低濃度でドープしたが、拡散領域３９５および３９１とゲート電極３８４との交点に追加領域を追加してもよい。追加領域により、付加的な寄生容量Ｃｐａｒａ１および／またはＣｐａｒａ２が、接合領域に存在してもよい。低濃度ドープ領域内のドーピングの濃度は、Ｃｐａｒａ１および／またはＣｐａｒａ２が生成した寄生容量の量に影響を与える。したがって、ゲート３８４／ドレイン拡散領域３９５における全静電容量は、Ｃｇｄ＋Ｃｐａｒａ１とほぼ等しいかもしれない。その一方で、ゲート３８４／ソース拡散領域３９１における全静電容量は、ｃｇ＋Ｃｐａｒａ２とほぼ等しいかもしれない。
寄生容量値Ｃｐａｒａ１および／またはＣｐａｒａ２の有無は、センサ３００の利得を変化させるかもしれない。化学的感応性センサ（例えばＩＳＦＥＴ）および列選択トランジスタを有する画素において、画素を、ソースフォロアー構成または共通ソース構成において読み出す。寄生容量値は、どの構成が用いられるかによって異なる方法で画素の利得に影響を与えるかもしれない。ソースフォロアー構成において、単一（１）の利得は、最大利得である。寄生コンデンサは、利得を減ずるための役目をする。これは、流体の界面における信号が、化学的感応性センサのフローティングゲートに、容量的に連結されるからである。寄生コンデンサは、ゲートにおいて生じる電圧変換に対して電荷を低減する容量分圧器を生成する。したがって、ソースフォロアー構成において、ＬＤＤ領域を除去し、寄生容量を最小限にすることは、最大の利得を供給する。共通ソース構成において、規則正しい利得値を確立するための負のフィードバックを生成するために、寄生容量を制御することが望ましい。寄生容量を伴わないと、画素は、処理パラメータにより十分に制御されない非常に多くの利得により、読み出しの間にオープンループを動作させるだろう。したがって、ＬＤＤ領域を、デバイス間で十分に制御し、かつ連続して整合することができるので、利得は、これらの確立された容量値により制御することができる。共通ソース構成において、最も重要なオーバーラップキャパシタはＣｇｄである。画素の利得は、Ｃｇｄにより分離された二重層容量とほぼ等しい。例として、二重層容量が３ｆＦで、Ｃｇｄの値が０．３ｆＦである場合、画素の利得は、約１０である。ＬＤＤにより制御される場合、これは、十分に制御されたパラメータになる。利得を減少させるために、Ｃｇｄは、より大型のＬＤＤ拡張部分により増加される。利得を増加させるために、ＬＤＤ拡張部分を低減してＣｇｄを低下させる。非常に小さなＣｇｄを有するので、十分に制御されないのは望ましくない。したがって、１から２０の範囲の利得を得るようにＬＤＤ領域を制御することが望ましい。
例えば、別の実施形態において、ドレイン拡散領域３９５に関連する低濃度ドープ領域３９４が省かれてもよく、低濃度ドープ領域３９２のみが、センサ３００に存在してもよい。この場合、ソース端子３９１に起因する静電容量は、ｃｇ＋Ｃｐａｒａ２と等しいかもしれない。その一方で、ドレイン端子３９５に起因する静電容量は、せいぜいｃｄと等しいかもしれない。この実施形態におけるセンサ３００の利得は、寄生容量Ｃｐａｒａ１およびＣｐａｒａ２の両方が存在した上記の実施形態とは異なる。したがって、低濃度ドープ領域３９２および／または３９４の追加を、センサ３００の利得を変化させ、かつ、それによってセンサ３００の信号を増幅するために必要かもしれない付加的な回路を省くために用いてもよい。
本発明の１つの実施形態による化学的感応性センサの構成の典型的な実例は、図４において理解できる。化学的感応性センサ４００は、マイクロウェル部４０１、積層部４０３、および基板部４０５を含んでもよい。マイクロウェル部４０１は、マイクロウェル４１０の底部近くに、酸化物層４１５などのパッシベーション層を有することができるマイクロウェル４１０を含んでもよい。検出される化学反応が、マイクロウェル４１０において生じ、組立部４０３におけるフローティングゲート電極４２０により検出されてもよい。
積層部４０３は、絶縁体および誘電体４３２、４３４、４３６、４６１、４６５、４６９が交互に重なった層の上に積層されたフローティングゲート電極４２０と、導電層および金属層４３０、４５２、４５４、４５６、４７１、４７５および４７９と、ゲート電極４８４とを含んでもよい。基板部４０５は、Ｐ＋ドーパントでドープされてもよい基板４９９と、Ｐ型ドーパントであってもよいエピタキシャル層４９７と、Ｎ＋ドープ領域４９１（ソース）、Ｎ＋ドープ領域４９３（ドレイン）とを含んでもよい。Ｎ＋ドープ領域４９１（ソース）および４９３（ドレイン）は、高濃度ドープ領域であってもよく、かつ４９１'および４９３'とラベル付けされた領域は、低濃度ドープ領域であってもよい。チャネル４９４は、フローティングゲート４２０からゲート４８４に適用された信号に基づいて導電性を帯びてもよい。もちろん、基板４０５におけるドーピング、領域４９１および４９３におけるドーピング、エピタキシャル層４９７におけるドーピング、およびゲート４８４におけるドーピングは、逆であってもよい。
化学的感応性センサ４００は、オペレーションモードによって、一部において、低濃度ドープ領域４９１'および／または４９３'（もし存在すれば）により供給される付加的な寄生容量に応じた信号利得を有していてもよい。化学的感応性センサ４００の実施形態は、例えば、フローティングゲートの上のマイクロウェルにより標準ＮＭＯＳまたはＰＭＯＳデバイスとして形成されたＮＭＯＳまたはＰＭＯＳデバイスであり得る。マイクロウェル構成４１０は、化学的感応性センサ４００のフローティングゲート４２０に対する電荷を検知するために、化学的試料、例えば特定のイオンを移動させることができる酸化物または他の物質４１５を含有していてもよい。この電荷移動は、その後、化学的感応性センサ４００に連結されたリード回路（図示せず）により読み取ることができ、電荷移動の量は、マイクロウェル４１０における試料に含有されるイオンの量を表すことができる。マイクロウェル４１０における試料の局所変化、例えば、化学的感応性センサの４００アレイ（図示せず）によって示される分析試料液のイオン濃度を検出するために、アレイ内の化学的感応性センサ４００を用いることができるのは、この方法である。
本発明の別の実施形態による化学的感応性センサの別の典型的な構成は、図５について記載されるだろう。化学的感応性センサ５００は、マイクロウェル部５０１、積層部５０３、および基板部５０５を含んでもよい。マイクロウェル部分５０１は、マイクロウェル５１０の底部近くに、酸化物層５１５などのパッシベーション層を有することができるマイクロウェル５１０を含んでもよい。検出される化学反応が、マイクロウェル５１０において生じ、積層部５０３におけるフローティングゲート電極５２０により検出されてもよい。
積層部５０３は、絶縁体および誘電体５４２、５４５、５４６、５６１、５６５、５６９と導電層および金属層５５２、５５５、５５６、５７１、５７４、５７５、５７７および５７９とが交互に重なった層の上に構築されたフローティングゲート電極５２０を含んでもよい。ゲート電極５８４、接点５６４、５６７は、電極５８１および５８５に対して形成することができる。基板部５０５は、Ｐ＋ドーパントによりドープされてもよい基板５９９と、Ｐ型ドーパントであってもよいエピタキシャル層５９７と、Ｎ＋ドープ領域５９１（ソース）、Ｎ＋ドープ領域５９５（ドレイン）とを含んでもよい。もちろん、基板５０５のドーピングは、逆であってもよい。電極５８１および５８５は、閉じ込めおよび分離を促進するためにゲート電極５８４から電荷を蓄積してもよい。ゲート電極５８４による電極５８１および５８５の電荷結合は、アドレス指定可能な読み出しのためにアレイ内に配置されてもよい画素を形成してもよい。トランジスタ利得を、電荷移動によりゲート電極５８４から電極５８１および５８５に増加してもよい。さらに、電荷移動は、図３について上記で説明されたような寄生容量の操作により影響を与えられるかもしれず、それはトランジスタ利得にも影響を与える。寄生容量を、高濃度ドープ領域５９１および５９５よりも低い濃度でドープされてもよい低濃度ドープ領域５９１'および／または５９５'の追加により操作してもよい。その上、電荷移動も、電荷パケットのためのバリアまたはウェルとして機能できるＶＲ端子５６３およびＴｘ端子５８５により影響を与えられるかもしれない。
より多くのまたはより少ない金属および絶縁被膜を用いる実施形態が予見されることは留意するべきであり、前述の実施形態は、単に典型的な例である。さらに、電極の数は、異なる実施形態により大幅に変更することができる。フローティングゲート電極、電極のための任意の追加電極および接点の形成に続いて、イオンを含む化学的感応性センサは、フローティングゲート電極の上のテトラエチル・オルトシリケート（ＴＥＯＳ）または酸化物およびエッチングマイクロウェルの外に絶縁体層または誘電体層を生成することにより形成することができる。マイクロウェルは、その後、少なくともマイクロウェルの底部に配置されるパッシベーション層を有することができる。以下で記載された技術を用いると、化学物質およびイオンを、上記のものと同様のプロセスから作られた構成を用いて検知できる。前述の構成の実施形態の変更は可能である。例えば、ゲート電極を、単一層のポリシリコンを用いて形成してもよい。構造体を、Ｎ＋またはＰ＋電極を用いて作ることができる。単極ポリシリコンギャップ間隔を用いる実施形態は、０．１３ｕｍおよびそれ未満の十分に小さなプロセスノードにて電極を電荷結合することを可能にすることも、また予見される。電荷結合構造体は、現在のＣＭＯＳプロセスにおいて０．１３ｕｍおよびそれ未満のプロセスノードにより作動できる。但し、プロセスノードがこれほど小さいということには限定されず、容易に大型になりうることは、留意するべきである。表面チャネル、埋込チャネル、および、チャネル停止使用を形成するためにイオン注入を用いることを利用する実施形態も予見される。
さらに、界面準位を回避し、かつフリッカ雑音を回避するために、所望のポテンシャルプロファイルを生成する複数のＮ型注入により埋め込まれた電荷移動を用いる実施形態は、予見される。
先の説明は、単に典型的な実施形態を提供しており、本明細書に開示された化学的感応性センサを製造する様々なプロセスが当業者にとって容易に明らかになることは、留意するべきである。例えば、ゲートおよび電極の前に、マスキング技術を用いて低濃度ドープドレインを形成することができるかもしれない。したがって、本明細書に説明されたステップを、いかなる特定の順序で実行する必要はなく、かつ当該技術分野で既知のいかなる半導体技術も用いて実行されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を、本明細書に具体的に示し、記載した。但し、本発明の変更および変形物が、上記の教示により網羅されることは、十分に理解されるだろう。他の実例において、実施形態を不明瞭にしないように、周知のオペレーション、構成部品および回路を、詳細に記載していない。本明細書に開示された特定の構造的および機能的な詳細は、典型的なものであるかもしれず、必ずしも実施形態の範囲を限定しないことは、十分に理解され得る。
当業者は、本発明が様々な形式により実現されてもよく、かつ様々な実施形態が単独でまたは組み合わせて実行されてもよいことを、前述の説明から十分に理解できる。したがって、本発明の実施形態は、その特定の例に関連して記載されているが、他の変更が図面、明細書および添付の特許請求の範囲に関する研究に熟練した従業者にとって明らかになるので、本発明の実施形態および／または方法の真の範囲を、そのように限定するべきでない。
様々な実施形態を、ハードウェア要素、ソフトウェア要素、またはその両方の組み合わせを用いて実行してもよい。ハードウェア要素の例は、プロセッサ、マイクロプロセッサ、回路、回路素子（例えば、トランジスタ、抵抗器、キャパシタ、誘導子など）、集積回路、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、論理ゲート、レジスタ、半導体デバイス、チップ、マイクロチップ、チップセットなどを含んでもよい。ソフトウェアの例は、ソフトウエアコンポーネント、プログラム、アプリケーション、コンピュータプログラム、アプリケーションプログラム、システムプログラム、機械語プログラム、オペレーティングシステムソフトウェア、ミドルウェア、ファームウェア、ソフトウェアモジュール、ルーチン、サブルーチン、関数、方法、プロシージャ、ソフトウェアインターフェース、アプリケーションプログラムインターフェース（ＡＰＩ）、命令セット、コンピューティングコード、計算機コード、コードセグメント、計算機コードセグメント、ワード、値、シンボル、またはそれらの任意の組み合わせを含んでもよい。１つの実施形態がハードウェア要素および／またはソフトウェア要素を用いて実行されるかどうかの判定は、所望の電算機の速度、電力レベル、耐熱性、処理サイクル量、入力データ速度、出力データ速度、メモリリソース、データバス速度、および他の設計または性能の制約などのいくつかの要素によって変動してもよい。
いくつかの実施形態は、例えば、実施形態による方法および／またはオペレーションを（もしマシンにより実行されるのであれば）マシンに実行させることができる命令または命令セットを格納できるコンピュータ読み取り可能な媒体またはアーティクルを用いて実行されてもよい。このようなマシンは、例えば、任意の好適な処理プラットフォーム、コンピューティングプラットフォーム、コンピュータ装置、処理デバイス、コンピューティングシステム、処理システム、コンピュータ、プロセッサなども含み、ハードウェアおよび／またはソフトウェアの任意の適切な組み合わせを用いて実行されてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体またはアーティクルは、例えば、任意の好適な型のメモリユニット、メモリデバイス、メモリアーティクル、メモリ媒体、ストレージデバイス、ストレージアーティクル、記憶媒体および／またはストレージ装置、例えば、リムーバブルメディアまたは非リムーバブルメディア、消去可能メディアまたは非消去可能メディア、書き込み可能メディアまたは再書き込み可能メディア、デジタルメディアまたはアナログメディア、ハードディスク、フロッピーディスク、コンパクトディスクを使った読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）書き込み可能コンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ）、再書き込み可能コンパクトディスク（ＣＤ−ＲＷ）、光ディスク、磁気媒体、光磁気媒体、リムーバブルメモリカードまたはディスク、各種ディジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、テープ、カセットなどを含んでもよい。命令は、任意の好適なハイレベル、ローレベル、オブジェクト指向、ビジュアル、コンパイル済みおよび／または翻訳済みのプログラミング言語を用いて実行される、ソースコード、コード、翻訳済みコード、実行可能コード、静的コード、動的コード、暗号化コードなどの任意の好適な型のコードを含んでもよい。

Claims (23)

  1. 基板上のゲート電極に電気的に連結された、フローティングゲートと、
    ドレイン端子接続と、
    ソース端子接続と、
    各ドープ領域が低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を含む、該基板内の１対のドープ領域と
    を備え、
    該低濃度ドープ領域の各々が、該基板の該ゲート電極の下に延伸しており、かつ該高濃度ドープ領域の各々が、該ドレイン端子および該ソース端子にそれぞれ連結されるように延伸している、
    化学的感応性センサ。
  2. 試料を受容するためのマイクロウェル
    をさらに備える、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  3. 前記マイクロウェルが、前記フローティングゲートに隣接する該ウェルの底に酸化物層を有する、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  4. 寄生容量が、前記ゲート電極と前記低濃度ドープ領域との間の下方に存在する、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  5. 前記化学的感応性センサの利得が、前記低濃度ドープ領域において用いられるドーパントの量によって修正される、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  6. 前記低濃度ドープ領域が、前記高濃度ドープ領域のドーパント濃度レベル未満であるドーパント濃度レベルでドープされる、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  7. 基板上のゲート電極に電気的に連結された、フローティングゲートと、
    ドレイン端子接続と、
    ソース端子接続と、
    該基板上に形成され、１対の電極の一方が該ゲート電極のいずれかの側にある、該１対の電極と、
    １対のドープ領域の一方が低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を含む、該基板内の該１対のドープ領域と
    を備え、
    該低濃度ドープ領域が、該電極のそれぞれ１つの下に延伸しており、かつ各対の該高濃度ドープ領域が、ドレイン端子およびソース端子にそれぞれ連結されるように延伸している、
    化学的感応性センサ。
  8. 生体材料を受容するためのマイクロウェル
    をさらに備える、請求項７に記載の化学的感応性センサ。
  9. 前記マイクロウェルが、前記フローティングゲートに隣接する該ウェルの底に酸化物層を有する、請求項７に記載の化学的感応性センサ。
  10. 前記１対の電極の一方が、基準電極として、および電荷パケットのためのバリアまたはウェルとして機能する、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  11. 前記１対の電極の一方が、拡散電極として機能し、かつ電荷パケットを促進する、請求項１に記載の化学的感応性センサ。
  12. ゲート電極に電気的に連結された、フローティングゲートと、
    低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を伴って形成された、ソースと、
    低濃度ドープ領域および高濃度ドープ領域を伴って形成された、ドレインと
    を備え、
    該ソースの該低濃度ドープ領域および該ドレインの該低濃度ドープ領域が、チャネル領域内の該フローティングゲートに隣接して互いに向かって延伸している、
    化学的感応性センサ。
  13. 前記ソースおよび前記ドレインの前記高濃度ドープ領域が、該ソースと該ドレインとの前記低濃度ドープ領域よりも大きなドーパント濃度を含む、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  14. 前記ソースおよび前記ドレインの前記高濃度ドープ領域が、前記チャネル領域および前記ゲート領域から離れて延伸している、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  15. 前記ソースの前記高濃度ドープ領域が、金属接点に連結される、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  16. 前記ドレインの前記高濃度ドープ領域が、金属接点に連結される、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  17. 前記ソースの前記低濃度ドープ領域の容量が、前記ドレインの前記低濃度ドープ領域よりも大きい、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  18. 前記ソースと前記ドレインとの前記低濃度ドープ領域が、前記化学的感応性センサの利得を制限する静電容量の増大をもたらす、請求項１２に記載の化学的感応性センサ。
  19. 第１の導電型のドーパントで基板を形成するステップと、
    該基板を形成するために用いられたものと同じ導電型であるが該基板の該ドーパントよりも濃度を低くしたドーパントを用いて、エピタキシャル層を構築するステップと、
    形成された該エピタキシャル層上に、該基板を形成するために用いられた該第１の導電型のドーパントとは異なる第２の導電型のドーパントから電極層を形成するステップであって、該電極層および該基板の双方における該ドーパントの濃度がほぼ同じである、ステップと、
    ゲートおよび電極を製作するために該電極層をマスクしてエッチングするステップと、
    多方向注入技術（ｍｕｌｔｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｉｍｐｌａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を用いて、該電極のうちの１つに隣接した第１の低濃度ドープ領域を生成するステップであって、該第１の低濃度ドープ領域が、該エピタキシャル層のドーパントとは反対側の導電型のドーパントから形成される、ステップと、
    該ゲート、該電極および該低濃度ドープ領域と同様の導電型のドーパントから、該ゲートに隣接した該電極に自己整列した拡散ノードを生成するステップであって、該拡散ノードの１番目のものが該第１の低濃度ドープ領域に隣接する、ステップと、
    絶縁体、誘電体、導電層および金属層が交互に重なった層により、フローティングゲート電極、該拡散領域の上の電極、および電極のための接点を形成するステップと
    を含む、化学的感応性センサの作製方法。
  20. 多方向注入技術を用いて、前記電極のうちの１つに隣接する第２の低濃度ドープ領域を生成するステップ
    をさらに含み、
    該第２の低濃度ドープ領域が、前記エピタキシャル層のドーパントとは反対側の導電型のドーパントから形成される、
    請求項１９に記載の方法。
  21. 前記拡散ノードの２番目のものが、前記第２の低濃度ドープ領域に隣接する、請求項２０に記載の方法。
  22. 拡散領域の上に追加電極を形成するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  23. 前記フローティングゲートの上の試料を保持するためにマイクロウェルを形成するステップ
    をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
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