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CN112578013B - 包括生物敏感场效应晶体管的感测电路及操作方法 - Google Patents

包括生物敏感场效应晶体管的感测电路及操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种感测电路，包括：生物敏感场效应晶体管(BioFET)，该晶体管包括：衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有源极区和漏极区，第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上，以及第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，所述第二控制栅极包括在所述衬底的所述第二侧上设置的感测膜；以及存储单元，耦合至所述第一控制栅极并且配置为存储所述第一控制栅极的第一阈值电压和所述第二控制栅极的第二阈值电压之间的差值。本发明的实施例还提供了一种用于操作晶体管的方法。

Description

包括生物敏感场效应晶体管的感测电路及操作方法
分案申请
本申请是2016年11月23日提交的标题为“双栅极生物敏感场效应晶体管及阈值校准方法”、专利申请号为201611047224.3的中国专利的分案申请。
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，更具体地涉及包括生物敏感场效应晶体管的感测电路及晶体管的操作方法。
背景技术
生物传感器是用于感测和检测生物分子的器件且基于电子、电化学、光学和机械检测原理操作。包括晶体管的生物传感器是电学地感测生物实体或生物分子的电荷、光子和机械性能的传感器。传感器检测生物实体或生物分子的浓度或通过特定反应物和生物实体/生物分子之间的相互作用或反应来来检测。这样的生物传感器在信号转换中快捷且能够使用半导体工艺制造以及易于应用于集成电路和MEMS。
场效应晶体管(FET)包括源极、漏极和栅极，并且可以用作用于各种类型目标的传感器。创建生物敏感场效应晶体管或生物有机场效应晶体管(BioFET)以检测生物分子，包括例如H+、Ca2+、DNA、蛋白质和葡萄糖。包含目的分子(molecule of interest)的电解质用作Bio-FET栅极。
发明内容
本发明的实施例提供了一种生物敏感场效应晶体管(BioFET)，包括：衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有源极区和漏极区；至少一个第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上；以及至少一个第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，所述第二控制栅极包括在所述衬底的所述第二侧上设置的感测膜，其中，所述源极区和所述第二控制栅极之间偏置的电压小于所述第二控制栅极的阈值电压。
本发明的实施例还提供了一种双栅极场效应晶体管读出接口，包括：场效应晶体管，包括至少两个栅极端、漏极端和源极端；反馈放大器，所述反馈放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端耦合至所述漏极端，在参考电压下偏置所述第二输入端，以及所述输出端耦合至所述控制栅极端中的一个；以及恒定电流输入端，耦合至所述漏极端。
本发明的实施例还提供了一种用于传感阵列的阈值失配校准的方法，其中，所述传感器中的每一个都具有至少两个控制栅极，包括：通过采样环路产生第一信号；基于来自所述采样环路的所述第一信号评估并且存储每个传感器的失配；以及执行每个传感器的失配补偿，并且通过取消失配环路产生第二信号。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的实施例。应该强调的是，根据工业中的标准实践，对各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或缩小。
图1是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的示意性截面图；
图2A是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的示意性截面图；
图2B是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的简化电路布线的示意图；
图2C是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的简化电路布局的示意图；
图3A是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的对pH值变化的电流灵敏度的图表；
图3B是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)中的后栅极(back gate)的pH值灵敏度和跨导(transconductance)的图表；
图4是根据本发明的一些实施例的示出了在双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的各个pH值处的电流漂移率的图表；
图5是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的简化电路布局的示意图；
图6是根据本发明的一些实施例的示出了一系列的双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的简化电路布局的示意图；
图7A是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的详细的模拟电路布局的示意图；
图7B是根据本发明的一些实施例的示出了双栅极生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)的详细的数字电路布局的示意图；以及
图8是根据本发明的一些实施例的示出了用于传感(sensory)阵列的阈值失配校准的方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件形成为直接接触的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以便于描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而在此使用的空间相对描述符可以同样地作相应的解释。
在生物敏感场效应晶体管(Bio-FET)中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极被替换为用作表面受体的不可移动的探针分子的生物或生物化学兼容层或生物功能层。BioFET主要是具有半导体变换器的场效应生物传感器，并且栅极控制其源极和漏极接触件之间的半导体的电导。
BioFET的典型检测机制是源于目标生物分子与栅极或与固定在栅极上的受体分子接合的变换器的电导调制。当目标生物分子接合至栅极或固定的受体时，BioFET的漏极电流被栅极电势改变。可以测量漏极电流中的这种波动，并且可识别受体和目标生物分子之间的接合。大量的生物分子可用作BioFET的栅极，诸如离子、酶、抗体、配体、受体、缩氨酸、寡核苷酸、器官细胞、生物体及组织片段。例如，为了检测单链脱氧核糖核酸(ssDNA)，BioFET的栅极配置有固定的互补ssDNA链。此外，为了检测诸如肿瘤标记物的各种蛋白质，单克隆抗体可以实现为BioFET的栅极。
当在材料的片段上应用电场时，电子通过以称为漂移速度的平均速度移动响应。该现象称为电子迁移。常规的BioFET传感器遭受较大的累积漂移效应。漂移效应源自栅极绝缘体内的电场增强的离子迁移，并且电化学非均衡发生在绝缘体-溶液界面处。在一个实例中，在操作模式下漂移率高达36nA/min。高迁移率可导致传感器的灵敏度的折衷。许多方法已经用于衰减漂移效应。例如，当BioFET需要校准时，对背景(background)应用测试电源，并且检测溶液中的与pH值有关的电流变化。根据电流变化测量阈值斜率(电流/时间)。然后，信号在CPU中经历模拟/数字转换，且时间漂移数据被提取并且存储在存储器中。当进行分析物测试时，该时间漂移数据用于校准。然而，获得背景时间漂移数据相对耗时，并且总的时间漂移数据导致累积偏差。此外，该工艺需要复杂的硬件集合，例如，模数转换器、CPU和存储器单元。
常规BioFET校准的另一实例使用了参考FET(REFET)和现有的BioFET。与BioFET对比，该REFET是非生物敏感的。REFET获得在溶液中的pH值的背景电压和时间，而Bio-FET获得生物敏感电压数据和时间。然后在该对之间进行差分测量。在该校准系统中，必须在额外的工艺中制造REFET，且一旦考虑到REFET中的漂移效应，出错范围就可能增加。
常规的BioFET校准系统的又另一实例使用脉冲调制的偏置以重复重置垂直电场并且因此减小漂移效应。在该方法中，要求高频交流电(AC)偏置。结果，必须设计时间离散采样读出接口(interface)以用于解析数据。
请参照图1。图1示出了根据本发明的一些实施例的双栅极BioFET传感器100。传感器100包括衬底110、第一控制栅极120和第二控制栅极130。应该理解，第一和第二控制栅极的数量不限制为一。相同的系统可以应用于多个控制栅极结构。为了简洁，在附图中仅示出一对第一控制栅极和第二控制栅极。衬底110具有第一侧111和与第一侧相对的第二侧113。衬底110可以是半导体衬底(例如，晶圆)。半导体衬底可以是硅衬底。可选地，衬底110可以包括另一元素半导体，诸如锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、和/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、和/或GaInAsP；或它们的组合。在实施例中，衬底110是绝缘体上半导体(SOI)衬底。衬底可以包括掺杂区，诸如p阱和n阱。
在衬底110的有源区上形成源极、漏极和/或沟道区115、117、119。FET可以是n型FET(nFET)或p型FET(pFET)。例如，源极/漏极区115、117可包括取决于FET配置的n型掺杂剂或p型掺杂剂。第一控制栅极120设置在衬底110的第一侧111上，且包括栅极介电层121、互连层123、第一栅电极125、和/或其它合适的层。在实施例中，栅电极125是多晶硅。其它示例性栅电极包括金属栅电极，该金属栅电极包括诸如Cu、W、Ti、Ta、Cr、Pt、Ag、Au的材料；诸如TiN、TaN、NiSi、CoSi的合适的金属化合物；它们的组合；和/或其他合适的导电材料。在实施例中，栅极介电层121是氧化硅。其它示例性栅极介电层121包括氮化硅、氮氧化硅、具有高介电常数(高k)的电介质、和/或它们的组合。高k材料的实例包括硅酸铪、氧化铪、氧化锆、氧化铝、五氧化钽、二氧化铪-氧化铝(HfO2-Al2O3)合金、或它们的组合。可以使用典型的CMOS工艺形成第一控制栅极120，CMOS工艺诸如：光刻；离子注入；扩散；沉积，包括物理汽相沉积(PVD)、金属蒸发或溅射、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)、常压化学汽相沉积(APCVD)、低压CVD(LPCVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、原子层沉积(ALD)、旋涂；蚀刻，包括湿蚀刻、干蚀刻和等离子体蚀刻；和/或其他合适的CMOS工艺。
衬底110还包括通过诸如注氧隔离(SIMOX)、和/或其他合适的工艺形成的掩埋氧化物(BOX)层131。在衬底110的第二侧113处形成开口137。开口137可包括形成在设置于包括第一控制栅极120的衬底110的第二侧113上的一层或多层中的沟槽。开口137暴露出覆盖第一控制栅极120的区和本体结构(例如，邻近第一控制栅极120的沟道区119)。在实施例中，开口137暴露出覆盖第一控制栅极120的有源区(例如，硅有源区)和衬底110的有源/沟道区119。可以使用合适的光刻工艺形成开口137以在衬底上提供图案且使用蚀刻工艺以从埋氧层131去除材料直至暴露出衬底110的第二侧113。蚀刻工艺包括湿蚀刻、干蚀刻、等离子体蚀刻、和/或其他合适的工艺。
共形地形成感测膜133至BOX 131和开口137。感测膜133沉积在开口137的侧壁和底部以及覆盖第一控制栅极120的暴露有源区上方。感测膜133与生物分子或生物实体接合是兼容的。例如，感测膜133可以为生物分子或生物实体提供接合界面。感测膜133可包括介电材料、导电材料、和/或用于保持受体的其他合适的材料。示例性感测材料包括高k介电膜、金属、金属氧化物、电介质、和/或其它合适的材料。如另一实例，示例性感测材料包括HfO2、Ta2O5、Pt、Au、W、Ti、Al、Cu、这些金属的氧化物、SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN、SnO、SnO2、SrTiO3、ZrO2、La2O3；和/或其他合适的材料。可以使用CMOS工艺形成感测膜133，例如，CMOS工艺诸如物理汽相沉积(PVD)(溅射)、化学汽相沉积(CVD)、等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)、大气压化学汽相沉积(APCVD)、低压CVD(LPCVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、或原子层沉积(ALD)。在一些实施例中，感测膜133可包括多层。诸如酶、抗体、配体、缩氨酸、核苷酸、器官细胞、生物体和组织片段的受体置于感测膜133上以用于检测目标生物分子。
参考电极139放置在衬底110的第二侧113处的分析物溶液135中，用作第二控制栅极130。在一些实施例中，感测膜133暴露于分析物溶液135，并且参考电极139浸入分析物溶液，从而使得第二控制栅极130是流体(fluidic)栅极。第二控制栅极130处于截止状态。分析物溶液可以被视为SOI晶体管块状衬底。即，流体栅极130截止，而标准MOS栅极120用作处于导通状态。第二控制栅极130的表面电势变化通过电容耦合调制第一控制栅极120的阈值电压(VTH)。当传感器100的栅极(例如，第二控制栅极130)被生物分子的存在触发时，传感器100将转移电子且引发第一控制栅极120的场效应充电，从而调制电流(例如，Ids)。电流或阈值电压(VTH)的变化可以用作指示相关生物分子或生物实体的检测。因此，由于第二控制栅极130处于截止状态，所以由溶液充电或较大垂直电场造成的时间漂移效应被大大地减小。源极区115、117和第二控制栅极130之间偏置的电压小于第二控制栅极130的阈值电压。更具体地，第二控制栅极130的阈值电压大约为0.5V。在常规双栅极BioFET系统中，流体栅极晶体管的导通电压大大高于标准MOSFET的导通电压。此外，因为没有通过第二控制栅极130施加的电压，所以需要的整体电压保持为大大地低于常规双栅极BioFET。然而，因为衬底效应，所以流体栅极的阈值电压仍然存在于迹线中。
请参照图2A。BioFET传感器200近似地等同于传感器100。在图2A中，第一控制栅极被命名为底部栅极(VBG)220，且第二控制栅极被命名为前栅极(VFG)230。在一些实施例中，源极/漏极区包含n型掺杂剂。沟道区237夹在前栅极230和底部栅极220之间。在传感器100中，在暴露BOX 131和开口137上形成感测膜133。在传感器200中，感测膜233沉积在整个BOX131上方并且经历光刻图案化。保护感测膜233的沟道区237上方的部分。在蚀刻工艺中去除感测膜233的未被保护的部分。因为易受PID影响的部分被保护，所以蚀刻工艺可涉及包括等离子体蚀刻的任何已知的蚀刻工艺。图2A示出了在各自表面上保留的感测膜233。在图2A中，仅在开口137的底面处示出感测膜233。然而，在一些实施例中，开口137的侧壁也可被感测膜233覆盖。感测膜233完全覆盖沟道区237且部分地覆盖源极和漏极区115、117。可以基于FET设计和用于感测膜233的面积要求调节源极和漏极区的部分覆盖。为了防止在不是感测膜233的表面上的生物分子的未指定接合，可以沉积阻挡层或钝化层。钝化层可以是氮化硅、氧化硅、或其它固态介电层。可以是固体或液体的在其上生物分子不能接合或具有较低亲和力的阻断剂可以用于形成钝化层。一个实例是六甲基二硅醚(HMDS)。在另一实例中，诸如牛血清白蛋白(BSA)的蛋白质用作阻断剂。阻挡层/钝化层可以厚于或薄于感测膜233。在一些实施例中，目的分子是质子(H+)。当质子被感测膜233上的受体接收时，前栅极230的离子依赖表面电势改变。传感器200将转移电子并且引发器件的场效应充电，从而通过电容耦合调制底部栅极220的阈值电压。
如图2B所示，描述了简化的耦合电路。VFG表示前栅极电压，VBG表示底部栅极电压。在前栅极和底部栅极之间，电容耦合通过前栅极的栅极氧化物(感测膜233)(COX,FG)且穿过衬底110的沟道区237(CSi)，以及在到达底部栅极220之前，必须通过栅极介电层121。电容耦合原理可以通过下面等式推到：
Figure BDA0002829027110000081
Figure BDA0002829027110000082
VTH,FG表示前栅极230的阈值电压，Eref表示参考电极电势，
Figure BDA0002829027110000083
表示与pH相关的表面电势，χsol是溶液的表面偶极电势(dipole potential)，
Figure BDA0002829027110000084
来自半导体电子功函数，以及VTH,MOS当其用作标准MOSFET器件时表示前栅极230的阈值电压。
图2C是传感器200电路布局的另一示意图。一旦接收生物分子，感测膜233的表面电势就改变，且通过电容耦合，底部栅极(VBG)(例如，MOS栅极)响应于电流中的变化。D和S分别表示漏极和源极区115、117。
传感器100、200中的pH值具有对器件的准确性的决定影响。传感器具有双控制栅极，但是第二控制栅极处于截止状态，且第一控制栅极处于导通状态。该系统允许来自第二控制栅极的更小的阈值电压干扰，第二控制栅极是通常具有更大偏置电压的流体栅极。电路设计更简单而没有用于校准目的的额外的电路。请参照图3A和图3B。图3A和图3B示出了对器件电压的pH影响。图3A示出了在不同pH条件下，例如pH为4、6、7、8和10，电流(例如，IDS)的变化。在酸性分析物溶液或碱性分析物溶液中，pH电流灵敏度变化。阈值电压受到pH变化的严重影响并且因此电流(IDS)改变。
现在关注图3B。线310示出了第一控制栅极(例如，后栅极)的跨导，并且线320示出了pH灵敏度，其来源于电流关于pH值的变化(ΔIDS/pH)。当晶体管跨导在峰值时，电流灵敏度被优化。更具体地，当第一控制栅极具有约90μA/V跨导时，电流灵敏度到达约0.25μA/pH。这显示在其中第二控制栅极(例如，流体栅极)处于断开状态下的双栅极BioFET系统中的电流灵敏度的优化。
现在关注图4。图4是示出了在不同的pH条件下的第一控制栅极(例如，MOS栅极)的第二个中的电流关于时间的变化的图表。线410表示在pH 4下电流(IDS)的变化，线420表示在pH 7下的电流的变化，且线430表示在pH 10下电流的变化。线性方程指示在每种情况下漂移率的斜率。请参照表1。
表1
Figure BDA0002829027110000091
根据图4结合表1，漂移率是沿着时间进行的近似常数的电平。在不同的pH值下无法观察或正或负的定向漂移。与常规单栅极BioFET感测系统比较，漂移率减小示出了在双栅极BioFET系统中从20倍(在pH 4处)至50倍(在pH 7处)的范围内的减小。由于从第二控制栅极(例如，流体栅极)的电流的撤回，所以大大地减小了漂移效应。
设计读出接口以用于双栅极BioFET。例如，常规的生物传感器具有使用恒压直流(CVCC)结构的单栅极FET以提取BioFET的阈值变化(ΔVTH)。在该配置中，需要具有至少2个运算放大器(OP AMP)、1个电阻器和2个电流源的较大的电路。本体效应(body effect)对电流源漂移有很大影响，并且因此，由于尺寸和准确度，其在传感阵列中不适合。另一实例涉及具有至MOSFET的间接电压反馈环路的ISFET/MOSFET的差分对以提取BioFET的阈值电压变化(ΔVTH,BIO)。漏极/源极电压根据来自ISFET的生物信号变化，并且电流源还遭受本体效应。电压读出取决于FET的两个集合，且因此，偏差添加至结果。常规的读出接口的又一实例采用具有1个运算放大器和1个电阻器以及反馈至溶液中的参考电极的直接电压反馈的更简易电路以提取信号。尽管可以在该配置中减小本体效应，但是输出电压连接至溶液中的参考电极，并且因此，直接电压反馈可以仅用于单一传感器。该配置具有恒定漏极电流和漏极电压，但是由于结构障碍，在传感器阵列中不适合。
可以在传感器阵列的读出接口实施BioFET传感器100、200，并且可以从一系列BioFET有效地收集阈值电压，且与此同时，灵敏度不折衷。例如，BioFET传感器100、200可以被具有FET等同物的单一栅极BioFET代替。应该注意，FET的所有漏极端都连接在一起，且FET的所有源极端都连接在一起。现在关注图5，示出了根据本发明的一些实施例的BioFET电路的简化示意图。VBG表示第一控制栅极(例如，后栅极)，VFG表示第二控制栅极(例如，前栅极)，D表示漏极，以及S表示源极。参考电流IREF连接至漏极D。参考电流可以由漏极和恒定电压源(例如，VDD)之间的电阻器代替。在该配置中布置运算放大器以锁定漏极电压。运算放大器(即，反馈放大器)包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端连接至BioFET的漏极端D，以及第二输入端连接至参考电压VD。输出端连接至不是流体栅极(例如，第一控制栅极)的控制栅极中的一个。读出接口还包括连接至漏极端的恒定输入端。根据操作，恒定电流供应至恒定输入端作为恒定参考源。
在一些实施例中，第二控制栅极处于导通状态且第一控制栅极处于截止状态。当BioFET的感测膜接收目的分子时，在第二控制栅极的感测膜上初始化表面电势变化。通过电容耦合，处于截止状态下的第一控制栅极处的电压变化将对第二控制栅极引发耦合效应。在第二控制栅极处发生的阈值电压的变化(ΔVTH(pH))受到pH值影响。此外，第一控制栅极的电压变化(ΔVBG)也导致第二控制栅极处的阈值电压的变化ΔVTH(VBG)。由于耦合效应，通过pH值的第二控制栅极的ΔVTH因此被由第一控制栅极造成的ΔVTH抵消。结果，等于ΔVBG的ΔVOUT大于ΔVTH(pH)，导致大于1的放大增益。因为在图2B中示出的氧化物电容很大程度上取决于氧化物层的厚度，所以氧化物层的厚度对耦合效应有影响。应该注意，可以对双MOSFET结构或对ISFET和MOSFET利用图5中示出的电路。
图6示出了传感器阵列中的BioFET的实施。单独的阈值电压在执行标准感测程序之前经历失配校准。在校准模式中，采样环路导通，而取消失配环路断开。然后，每个像素的初始阈值电压失配的数据都存储在阈值电压存储单元中。传感器阵列包括多个传感器单元，且失配补偿工艺为总体结果遍历每个传感器单元。因此，在失配校准工艺中，发生每个传感器单元之间的切换，从而收集来自传感器单元的所有失配数据。更具体地，如图6所示，传感器阵列可以包括一个以上的传感器单元。失配校准遍历1-n个传感器单元，且系统从Sel<1>、Sel<2>…切换至Sel<n>，以收集所有失配数据。校准工艺的详细机制在图7A和图7B中阐述。在感测模式中，采样环路断开，而取消失配环路导通，并且执行正常的感测操作。
现在关注图7A。图7A示出了根据本发明的一些实施例的采样环路和取消失配环路的模拟设计的示意图。当传感器经历失配校准时，第一信号(电压和电流)通过采样环路。即，第一信号通过Cal。接下来，传感器阵列中的每个传感器单元的失配都被评估并且存储。根据来自采样环路的第一信号，产生失配数据。随后，执行每个传感器单元的失配补偿，且第二信号通过取消失配环路。结果，校正传感器阵列中的每个传感器单元的初始阈值电压失配。图7B示出了根据本发明的一些实施例的采样环路和取消失配环路的数字设计。当失配校准发生时，信号经过Cal路径，其中，存在模数转换器且阈值电压失配通过数字接口存储在存储器中。当传感器处于感测模式中时，信号经过其它路径，其中，遇到数模转换器且在数据根据存储在存储器中的阈值电压数据被处理之后数据被输出。
本发明利用双栅极结构且允许发生电容耦合效应。一个栅极处于截止状态，且因此减小溶液偏置电压，以及最小化时间漂移效应。因为从结构设计去除或衰减更多变化，所以提高器件的检测分辨率。当对读出接口实施该结构时，放大增益可以大于1。图8示出了传感器阵列中的校准的工艺，其中，每个传感器都包括两个栅极。在操作810中，第一信号被产生且通过采样环路。第一信号可以是电流或电压。在操作830中，根据来自采样环路的第一信号评估和存储每个传感器的失配。在传感器阵列中，收集每个和任何一个传感器单元的失配数据。在每个传感器单元中的对应的存储单元中存储失配数据。在操作850中，执行每个传感器单元的失配补偿，且通过取消失配环路产生第二信号以校准传感器阵列。
在本发明的一个实施例中，生物敏感场效应晶体管包括衬底、第一控制栅极和第二控制栅极。衬底具有第一侧和与第一侧相对的第二侧、源极区和漏极区。在衬底的第一侧上设置第一控制栅极。在衬底的第二侧上设置第二控制栅极。第二控制栅极包括在衬底的第二侧上设置的感测膜。源极区和第二控制栅极之间偏置的电压小于第二控制栅极的阈值电压。
在本发明的另一实施例中，双栅极场效应晶体管读出接口包括包含至少两个栅极端、漏极端和源极端的场效应晶体管。读出接口还包括反馈放大器，反馈放大器包括连接至漏极端的第一输入端、在参考电压下偏置的第二输入端以及连接至一个控制栅极的输出端。
在本发明的又一实施例中，一种方法包括通过采样环路产生第一信号、基于来自采样环路的第一信号评估并且存储每个单元的失配、以及执行失配补偿并且通过取消失配环路产生第二信号。
本发明的实施例提供了一种生物敏感场效应晶体管(BioFET)，包括：衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有源极区和漏极区；至少一个第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上；以及至少一个第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，所述第二控制栅极包括在所述衬底的所述第二侧上设置的感测膜，其中，所述源极区和所述第二控制栅极之间偏置的电压小于所述第二控制栅极的阈值电压。
根据本发明的一个实施例，其中，所述第一控制栅极包括栅极介电层和设置在所述第一介电层中的互连层。
根据本发明的一个实施例，其中，所述第二控制栅极的所述阈值电压小于0.5V。
根据本发明的一个实施例，生物敏感场效应晶体管还包括设置在所述衬底的所述第二侧上的埋氧层，其中，在所述埋氧层中形成开口以暴露所述衬底的所述第二侧，并且所述开口与所述第一控制栅极对准。
根据本发明的一个实施例，其中，所述感测膜共形地设置在所述埋氧层上并且对所述衬底的暴露的第二侧加衬。
根据本发明的一个实施例，其中，所述第一控制栅极和所述第二控制栅极具有相同的源极区和漏极区。
根据本发明的一个实施例，其中，所述第一控制栅极是金属氧化物半导体控制栅极，并且所述第二控制栅极是流体控制栅极。
根据本发明的一个实施例，其中，所述流体控制栅极包括分析物溶液和设置在所述分析物溶液中的参考电极。
本发明的实施例还提供了一种双栅极场效应晶体管读出接口，包括：场效应晶体管，包括至少两个栅极端、漏极端和源极端；反馈放大器，所述反馈放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端，其中，所述第一输入端耦合至所述漏极端，在参考电压下偏置所述第二输入端，以及所述输出端耦合至所述控制栅极端中的一个；以及恒定电流输入端，耦合至所述漏极端。
根据本发明的一个实施例，其中，所述恒定电流输入端允许恒定参考源的输入。
根据本发明的一个实施例，其中，所述控制栅极通过电容耦合电相关。
根据本发明的一个实施例，其中，所述源极端和所述栅极端中的一个之间偏置的电压小于0.5V。
根据本发明的一个实施例，其中，所述场效应晶体管的所述控制栅极具有相同的漏极和源极端。
根据本发明的一个实施例，其中，所述控制栅极中的一个是流体栅极，并且另一控制栅极是MOS栅极。
根据本发明的一个实施例，其中，所述源极端和所述MOS栅极之间偏置的电压小于所述MOS栅极的阈值电压。
本发明的实施例还提供了一种用于传感阵列的阈值失配校准的方法，其中，所述传感器中的每一个都具有至少两个控制栅极，包括：通过采样环路产生第一信号；基于来自所述采样环路的所述第一信号评估并且存储每个传感器的失配；以及执行每个传感器的失配补偿，并且通过取消失配环路产生第二信号。
根据本发明的一个实施例，用于传感阵列的阈值失配校准的方法还包括：在所述传感器的每一个之间切换；以及执行如下方法：通过采样环路产生第一信号；基于来自所述采样环路的所述第一信号评估并且存储每个传感器的失配；以及执行每个传感器的失配补偿，并且通过取消失配环路产生第二信号。
根据本发明的一个实施例，其中，所述传感器阵列的所述传感器中的每一个都包括阈值电压存储单元。
根据本发明的一个实施例，其中，通过所述采样环路产生第一信号还包括：从所述传感器中的每一个产生阈值电压变化；以及将所述阈值电压变化存储在对应的存储单元中。
根据本发明的一个实施例，其中，所述控制栅极中的一个处于截止状态。
上面概述了若干实施例的部件、使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实现与在此所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，在此他们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (20)

1.一种感测电路，包括：
生物敏感场效应晶体管(BioFET)，包括：
衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有源极区和漏极区，
第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上，以及
第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，所述第二控制栅极包括在所述衬底的所述第二侧上设置的感测膜；以及
存储单元，耦合至所述第一控制栅极并且配置为存储所述第一控制栅极的第一阈值电压和所述第二控制栅极的第二阈值电压之间的差值。
2.根据权利要求1所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极包括栅极介电层和设置在所述第一介电层中的互连层。
3.根据权利要求1所述的感测电路，其中，所述第二控制栅极的所述阈值电压小于0.5V。
4.根据权利要求1所述的感测电路，其中，所述生物敏感场效应晶体管还包括设置在所述衬底的所述第二侧上的埋氧层，其中，在所述埋氧层中形成开口以暴露所述衬底的所述第二侧，并且所述开口与所述第一控制栅极对准。
5.根据权利要求4所述的感测电路，其中，所述感测膜共形地设置在所述埋氧层上并且对所述衬底的暴露的第二侧加衬。
6.根据权利要求1所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极和所述第二控制栅极具有相同的源极区和漏极区。
7.根据权利要求1所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极是金属氧化物半导体控制栅极，并且所述第二控制栅极是流体控制栅极。
8.根据权利要求7所述的感测电路，其中，所述流体控制栅极包括分析物溶液和设置在所述分析物溶液中的参考电极。
9.一种感测电路，包括：
生物敏感场效应晶体管(BioFET)，包括：
衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有沟道区、源极区和漏极区，
第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上，
掩埋氧化物层，设置在所述衬底的所述第二侧上，其中，开口形成在所述掩埋氧化物层中以暴露所述衬底的所述第二侧；以及
第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，其中，所述第二控制栅极包括在所述开口的底面上设置的感测膜；以及
存储单元，耦合至所述第一控制栅极并且配置为存储所述第一控制栅极的第一阈值电压和所述第二控制栅极的第二阈值电压之间的差值。
10.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述感测膜仅设置在所述开口的底面上。
11.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述感测膜设置在所述开口的侧壁上。
12.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述感测膜完全覆盖所述沟道区并且部分地覆盖所述源极区和所述漏极区。
13.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极包括栅极介电层并且互连层设置在所述栅极介电层中。
14.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述第二控制栅极的第二阈值电压小于0.5V。
15.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述第二控制栅极的第二阈值电压为0.5V。
16.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极和所述第二控制栅极具有相同的所述源极区和所述漏极区。
17.根据权利要求9所述的感测电路，其中，所述第一控制栅极是金属氧化物半导体控制栅极，并且所述第二控制栅极是流体控制栅极。
18.根据权利要求17所述的感测电路，其中，所述流体控制栅极包括分析物溶液并且参考电极设置在所述分析物溶液中。
19.一种用于操作晶体管的方法，包括：
提供晶体管，其中，所述晶体管包括：
衬底，具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述衬底具有沟道区、源极区和漏极区，
第一控制栅极，设置在所述衬底的所述第一侧上，
第二控制栅极，设置在所述衬底的所述第二侧上，其中，所述第二控制栅极包括在所述衬底的所述第二侧上设置的感测膜；以及
将偏置电压施加在所述源极区和所述第二控制栅极之间，其中，所述偏置电压小于所述第二控制栅极的阈值电压。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二控制栅极的阈值电压为0.5V。
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