用於測量生物構造的場效應電晶體的製作方法

2023-05-23 19:47:56

專利名稱：用於測量生物構造的場效應電晶體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對生物構造、尤其是對活的細胞進行測量的裝置，其具有至少一個場效應電晶體，此場效應管在一基片上具有一個源極、一個漏極和一個將它們相互連接的溝道區，在溝道區上設置有一個柵極，它通過一個薄的絕緣層與溝道區電氣隔離。
DE 196 235 17 C1公開了一種這樣的裝置，它具有一個場效應電晶體，其中柵極通過一個導體條與一個被電絕緣體圍繞、開放的接觸面(pad)導電地連接，其尺寸適合於與一個位於營養液中的活生物細胞相連接。採用這種裝置，可以在細胞外測量接觸面上的細胞，尤其是一個神經細胞或肌肉細胞的活動電位。場效應電晶體有一個由矽構成的基片，在基片中嵌入一個第一載流子類型的池形半導體層。在這個半導體層中設置摻雜的漏極區和源極區，在它們之間構成一個溝道區。在溝道區上設置一個薄的絕緣層，並在此絕緣層上設置柵極。柵極由多晶矽構成並且覆蓋整個溝道區和漏極及源極的邊緣。柵極構成一個等電位面，它在整個從漏極到源極延伸的溝道長度上分配加於其上的電位，從而在場效應管飽和工作時，如果自由載流子沿著溝道長度非對稱單側分布在溝道區中，則此電位也抵達溝道區具有其最大靈敏度的位置。然而這種裝置有以下缺點當與柵極相連接的接觸面僅僅部分地被細胞覆蓋，使得細胞所在的營養液與接觸面的其餘部分相接觸時，其測量靈敏度嚴重降低。測量靈敏度的降低首先使得由生物細胞基本上電容性耦合到接觸面進而也耦合到柵極的電壓對應於一個具有高的源阻抗的等效電壓源的輸出電壓。因為由於營養液中所含的離子，營養液相對於源阻抗來說阻抗相對較低，當等效電壓源被營養液的電阻抗加載時，加在柵極上的測量信號相應減小。被測量的細胞信號實際上被位於參考電位上的營養液短接，即電壓的多餘部分不加在柵極上，而是加在等效電壓源的源阻抗上。此外缺點還在於，由柵極、導體條和接觸面構成的排列具有相對大的與營養液的電容量，從而使測量信號進一步減弱。
所以本發明目的在於給出一種如本說明書開始處所述類型的裝置，其中測量信號由於柵極與被測生物構造置於其中的營養液相接觸而減小的危險得以降低。
上述任務由此來解決柵極至少具有兩個側向相鄰排列的電極區，它們垂直於溝道區連接源極和漏極的方向相互有間隔地設置，並且相互電絕緣。
因此柵極以具有優點的方式被分成多個相互電絕緣的電極區，它們垂直於源極和漏極彼此連接的方向，即對應於溝道區中的直線的電流流動方向彼此排列。如果一個置於營養液中的生物構造(藉助於場效應電晶體對其進行測量)僅僅部分地覆蓋柵極，則柵極的至少一個第一電極區與營養液直接接觸，並且至少一個第二電極區完全被生物構造所覆蓋並從而相對於營養液密閉，從而避免了在第一和第二電極區之間的直接電位均衡，並避免了加在第二個電極區上的測量電壓被與第一電極區相接觸的、處於參考電位的營養液的電阻抗所加載。此外通過劃分柵極電極還相對於具有單個柵極的裝置降低了測量信號被寄生電容電容性加載的危險。如果生物構造只部分地覆蓋柵極的話，這種裝置具有優點地可以具有相對高的測量和檢測靈敏度。各個電極區上的電位尤其在場效應電晶體工作在飽和區時可以分別被耦合到溝道區的具有其最大靈敏度的各個部分區域中。具有優點地如此設計所述裝置，使得被測生物構造可以直接固定在柵極上。該裝置使得在生物構造上以高阻引出信號成為可能。
具有優點的是此裝置具有至少三個，尤其是至少五個，並且最好是至少七個電極區，它們彼此相鄰地排成一列。當生物構造只部分地覆蓋柵極時，通過生物構造相對於柵極的不同排列可以獲得更高的測量靈敏度和測量可靠性。
在本發明的一個優選實施方式中，圍著溝道區的漏極和源極邊緣相互平行，並且彼此相鄰的電極區的彼此相對的電極邊緣分別垂直於圍繞溝道區的漏極和/或源極的邊緣。相互鄰接排列的電極區之間的分界線沿著電流在溝道中流動的方向前進。這樣各個電極區上施加的電位之間的負面影響被有效地避免了。
在本發明的一個有利的實施方式中，在漏極和源極上分別設置一個最好構造成氧化物層的電絕緣層，其厚度比絕緣層的厚度大至少10倍，必要時為30倍，最好是50倍，其中電極區和必要時的絕緣層分別側向直接臨界於絕緣層對著溝道區的邊緣。通過這一措施，可以進一步減小測量中與營養液接觸的設備表面和與這些表面相隔開的源極區及漏極之間的寄生電容。
具有優點的是，各個電極區分別覆蓋溝道區的面積小於或等於可固定在柵極上的生物細胞的點狀觸點的面積，並且具有優點的是，各個電極區分別覆蓋在溝道區上的面積特別是在0.5μm2和5μm2之間。這樣可以在活的細胞上得到測量信號，這些細胞具有不同的大小和/或相對於柵極在不同位置上，得到更高的測量靈敏度和可靠性。
在本發明的一個合乎目的的設計中，絕緣層被設計為矽氧化物層，尤其是二氧化矽層，並且柵極被設計為貴金屬層，尤其是鈀層，其中在絕緣層和柵極之間設置一個多晶矽層，它在相鄰設置的電極區之間的中間地帶分別中斷，並且在多晶矽層和貴金屬層之間設置一個與它們相互連接的貴金屬矽化物層。於是在加工此裝置時柵極可以通過中間層的介入被構造。為此在場效應電晶體中首先在摻雜的半導體層(它可以由基片或基片上的池形區域構成)上產生源極區和漏極區以及溝道區，以便接著在溝道區上產生電絕緣的矽氧化物層(柵極氧化物)。然後在此層上整個敷設一個多晶矽層，接著它被如此構造，使得它只出現在以後放置柵極的位置上。
現在在基片上敷設用於構成導體條的結構層。在導體條層的各層之間設置電絕緣層。一個鈍化層作為保護層被敷設。然後在多晶矽所在位置上腐蝕出凹槽，它們一直延伸到用於阻止腐蝕的多晶矽層。如果柵極僅僅部分覆蓋凹槽的底部，多晶矽層被構造在凹槽中。接著整個面被敷設一個由貴金屬構成的金屬化層。在接著的熱處理中矽從多晶矽層擴散到貴金屬層，並且在被貴金屬層的表面隔開的貴金屬層的區域中形成貴金屬矽化物層。這樣貴金屬比附著在其它表面上更好地附著在多晶矽層上，使得它可以按照多晶矽層的結構用機械方法，如藉助於超聲波被構造。這裡貴金屬只在不與多晶矽層形成接觸的位置處被剝離。
本發明的裝置最好被如此構造，使得生物構造可以與設置在溝道區上的柵極直接接觸，即在測量過程中生物構造最好直接位於溝道區上方柵極背對溝道區的側面上。這樣在柵極上有較小的寄生電容。為此目的，柵極最好與盛裝生物構造且必要時盛裝包含生物構造的營養液的測量室或一個池相毗鄰。
在本發明的範圍內還存在以下解決方案其中各個電極區分別通過一個導體條與一個電接觸單元(襯墊)相連接，此單元用於與放置在一個與柵極相隔開的生物構造放置區中的生物構造相接觸。在原來的場效應電晶體與生物構造在空間上分離時，這種實施方式是特別具有優點的。
在本發明的一個合乎目的的實施方式中，此裝置具有多個場效應電晶體，其中在一個公共半導體基片上的場效應電晶體最好以矩陣形式相鄰地排列。此裝置使得可以在生物構造上進行有地點分辨力的測量信號採集。
在本發明的一個具有優點的實施方式中，柵極的至少一個電極區和/或一個除了此電極區之外與此電極區相鄰的激勵電極與用於生物構造的電激勵裝置相連接。此激勵裝置具有一個電壓源，它可通過一個電氣開關與電極區和/或激勵電極相連接。藉助於此裝置可以在具有多個相網際網路的神經細胞的細胞結構上研究電信號的傳播和/或細胞結構內部的信號模型。為此首先一個電激勵電位被加在至少一個電極區上和/或加在激勵電極上，緊接著被拿開，以便隨後藉助此電極區測量細胞對此激勵電位的響應。
下面藉助附圖詳細說明本發明的一個實施例。附圖中

圖1是用於實現對生物構造的測量的裝置所具有的一個場效應電晶體的三維局部視圖，其中所述裝置在場效應電晶體區域內以剖面圖被示出，圖2是圖1所示裝置在場效應電晶體區域內的頂視圖，其中可看到被構造的柵極層，圖3是處於使用狀態下的裝置的局部頂視圖，以及圖4是所述裝置的一個剖面圖，其中簡要示出寄生電容。
用於對活的生物構造進行細胞外部的細胞電位測量的裝置具有一個半導體晶片，在晶片中集成有至少一個場效應電晶體1，它與一個圖中未詳細示出的測量放大器相連接。在圖1所示實施例中半導體晶片具有一個摻雜的、第一載流子類型的半導體層2，它由半導體晶片的基片構成。然而也可想像其它實施例，在其中半導體層2作為池形的摻雜區(井)被嵌入到半導體基片中。
當電晶體連接到測量放大器時，在半導體層2上設置第二載流子類型的摻雜區，由這些摻雜區形成電晶體1的源極區3a和漏極區3b。由圖1可見，源極3a和漏極3b嵌入到半導體層2的表面中，並且由位於它們之間的一個溝道區4側向上相互隔開。在遠離溝道區4的一個位置上源極3a與一個源極接點5a相連接，漏極3b與一個漏極接點5b相連接，它們連接到測量放大器。在圖1右側可見，源極接點5a還連接於半導體層2(基片)上。
在溝道區4上設置絕緣層6，它被構造為薄的氧化物層，並且在整個溝道區上伸展，兩側延伸到源極3a及漏極3b的分界邊緣區7a，7b。在此絕緣層6上敷設一個圖中未詳細示出的被構造的多晶矽層，在此層上面設置一個整體用8表示的柵極，它通過金屬化構成。金屬化由一種防腐蝕的貴金屬，最好是鈀構成。在從多晶矽層到柵極8的過渡區中構造一個金屬矽化物層。柵極8從而很好地附著在多晶矽層上或與它牢固地結合。柵極8直接與放置空間9相鄰，此空間用於放置位於營養液15中的活細胞14。
由圖1可特別好地看到，柵極8具有多個側向相鄰排列的電極區10，它們平行於半導體晶片的延伸平面並在垂直於圖1中用雙箭頭11指示的方向，在此方向上溝道區4使源極3a與漏極3b相連接，所述電極區相互間隔一段距離，並在電氣上相互絕緣。各個電極區10分別被大致構成矩形，並且在方向11上不中斷地在溝道區4上方延伸，溝道區4在方向11上連接源極3a和漏極3b。由圖2可見，電極區10分別用其一端覆蓋源極3a臨界溝道區4的邊緣區7a，並用其相對的另一端覆蓋漏極3b臨界溝道區4的邊緣區7b。
彼此相鄰的電極區10分別被一個狹長的中間空間相互隔開，所述中間空間在半導體晶片頂視圖中分別垂直於源3a和源3b與溝道區4分界的邊緣前進。電極區10平行於這些邊緣相互排列在一直線上，從而整體上給出一個大致呈矩形的、由多個排成一列的電極區10組成的稍長的柵極8，其尺寸與生物細胞相匹配。由圖2可見，源極3a和漏極3b分別不中斷地在柵極8的所有電極區10上方延伸。
在源極3a和漏極3b上與溝道區4有間距地分別設置一個電絕緣層12a，12b，它們被構造為厚氧化物層(場氧化物層)，並有比絕緣層6更大的厚度。電極區10和絕緣層6側向以其一端分別與源極3a上的絕緣層12a分界，並以其另一端與漏極3b上的絕緣層12b分界。在絕緣層12a，12b上設置一個鈍化層13作為保護層，它的末端與柵極8有一段距離，因此柵極是可接觸的。
圖3示出處於使用狀態的裝置的頂視圖。可以清楚看到，一個生物細胞14被固定在半導體晶片的表面上，該生物細胞置於營養液15中(圖4)，它通過一個圖中未詳細示出的參考電極而處於一個電氣參考電位上，例如施加到源極接點5a的電位上，該細胞14如此相對於柵極8定位，使得它完全覆蓋某些電極區10。同時該細胞如此附著在這些電極區10和圍繞它們的、相對於電極區10電絕緣的半導體晶片表面區上，使得該細胞14相對營養液15密封這些電極區10。其餘的電極區10具有與營養液15的至少區域性的接觸，並從而處於加在營養液15上的參考電位上。由於柵極8被劃分成多個電極區10，避免了從細胞14經細胞膜耦合到被細胞14相對於營養液15密封的電極區10的細胞電位被拉到相對較低的參考電位上。因此該裝置使得在柵極8僅部分地被細胞14覆蓋時也可以實現對細胞電位變化的精確測量。
圖4以等效電路圖的形式簡要示出由此裝置在細胞14所覆蓋區域中所形成的電容。可以清楚看到，等效電容CFox的為由絕緣層12a，12b形成的電容，等效電容CPass為由鈍化層13被細胞14所覆蓋的區域形成的電容，CFox的電容器板和CPass的電容器板分別被相互隔開的距離比用作由柵極8形成的電容的等效電容Cox的電容板隔開的距離遠得多。因此電容CFox和CPass明顯小於柵極8的總電容。由於柵極被分成多個在半導體晶片上相互電絕緣的電極區，它們通過電容Cox作用到測量信號上的電容性負載相對較小。因此該裝置可以有整體上很高的測量靈敏度，並以寬帶方式進一步無失真地獲取測量信號。
此外在圖4中可看到一個歐姆等效電阻RSeal，它等效於封閉電阻，細胞膜區域排列在細胞的接觸面區域內，並且與接觸面區域的邊緣相互隔開，細胞膜區域通過所述電阻與形成在鈍化層13的位於細胞的塗敷面區域外的區域與半導體層2之間的電容相連接。當細胞14被放在鈍化層上時，細胞14封閉鈍化層13的表面。在圖4中為清楚起見，細胞膜與鈍化層13之間的距離被顯著放大示出。
權利要求
1.用於對生物構造、尤其是活的細胞進行測量的裝置，其具有至少一個場效應電晶體(1)，此電晶體在基片上具有一個源極、一個漏極和一個使它們彼此連接的溝道區(4)，在溝道區上設置一個柵極(8)，所述柵極通過一個薄的絕緣層(6)與溝道區(4)電氣絕緣，其特徵在於，柵極(8)具有至少兩個側向相鄰排列的電極區(10)，所述電極區垂直於溝道區(4)連接源極(3a)和漏極(3b)的方向，相互間隔一段距離，並相互電絕緣。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，至少三個，尤其是至少五個，最好是至少七個電極區(10)相鄰排列成一列。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，漏極(3a)和源極(3b)與溝道區(4)分界的邊緣大致相互彼此平行，並且彼此相鄰的電極區(10)的彼此相對的電極邊緣分別大致垂直於漏極(3a)和/或源極(3b)與溝道區(4)分界的邊緣前進。
4.如權利要求1至3中任一項所述的裝置，其特徵在於，在漏極(3a)和源極(3b)上分別設置一個最好構造成氧化物層的電絕緣層(12a，12b)，其厚度比絕緣層(6)的厚度大至少10倍，必要時為30倍，最好為50倍，並且電極區(10)和必要時的絕緣層(6)在側向分別直接與絕緣層(12a，12b)對著溝道區(4)的邊緣相臨界。
5.如權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特徵在於，單個電極(10)分別覆蓋在溝道區(4)上的面積小於或等於可固定在柵極上的生物細胞(14)的點狀觸點的面積，並且最好在0.5μm2和5μm2之間。
6.如權利要求1至5中任一項所述的裝置，其特徵在於，絕緣層(6)被構造成矽氧化物層，尤其是二氧化矽層，柵極(8)被構造成貴金屬層，尤其是鈀層，在絕緣層(6)和柵極(8)之間設置一個多晶矽層(8)，所述多晶矽層在位於相鄰電極區(10)之間的中間空間內分別被中斷，並且在多晶矽層(8)與貴金屬層之間設置一個使它們彼此連接的貴金屬矽化物層。
7.如權利要求1至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，柵極直接臨界於用於盛裝生物構造和必要時盛裝包含生物構造的營養液的測量室或一個池。
8.如權利要求1至7中任一項所述的裝置，其特徵在於，各個電極區(10)分別通過一個導體條連接於一個電接觸單元，此單元被設置用來與一個放置在一個與柵極(8)相間隔的生物構造放置區中的生物構造接觸。
9.如權利要求1至8中任一項所述的裝置，其特徵在於，它具有多個場效應電晶體(1)，並且這些場效應電晶體(1)最好以矩陣形式彼此相鄰地排列在一個公共的半導體基片上。
10.如權利要求1至9中任一項所述的裝置，其特徵在於，柵極(8)的至少一個電極區(10)和/或一個除了電極區之外與此電極區相鄰的激勵電極與用於生物構造的電激勵裝置相連接。
11.如權利要求1至10中任一項所述的裝置的應用，該裝置用於在細胞外測量生物細胞的信號，尤其是測量細胞電位變化。
全文摘要
本發明涉及一種用於對活的細胞或類似的生物構造進行測量的裝置，它具有一個場效應電晶體(1)，此電晶體在基片上具有一個源極、一個漏極和一個使它們彼此連接的溝道區(4)，在溝道區上設置一個柵極(8)。此柵極(8)具有至少兩個側向相鄰排列的電極區(10)，所述電極區垂直於溝道區(4)連接源極(3a)和漏極(3b)的方向相互間隔一段距離，並相互電絕緣。
文檔編號G01N33/487GK1926428SQ200580006826
公開日2007年3月7日 申請日期2005年3月1日 優先權日2004年3月2日
發明者維爾納·鮑曼, 米爾科·萊曼, 英戈·弗羅因德, 漢斯-于爾根·加勒 申請人:邁克納斯公司