具有包括屏蔽层的纳米线传感器的集成电路、感测装置、测量方法以及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路(IC)，其包括:衬底；在所述衬底之上的绝缘层；以及在所述绝缘层上的第一纳米线元件和与所述第一纳米线元件相邻的第二纳米线元件。
[0002]本发明进一步涉及包括这样的IC的半导体器件。
[0003]本发明又进一步涉及利用这样的IC测量介质中的感兴趣的分析物的方法。
[0004]本发明又进一步涉及制造这样的IC的方法。
【背景技术】
[0005]半导体技术的持续小型化已使得嵌入在诸如集成电路(IC)等的半导体器件中的功能能够显著多样化，这在一些情况中已导致在单个器件上提供近全面的解决方案。例如，半导体器件小型化已导致一个或多个传感器集成到单个半导体器件内，并且在迥然不同的技术领域中、例如在汽车应用、医疗应用、工业气体烟道监测等等中可以看到这样的器件的部署。
[0006]在诸如IC等的电子器件上提供感测功能的主要挑战之一是确保半导体器件能够以经济上可行的方式生产。这例如在将亚微米尺寸的元件(例如诸如基于纳米线的晶体管等的纳米元件)集成在半导体器件中时是特别的挑战，因为根本不是利用与整体半导体器件的制造工艺兼容的处理步骤来直接制造这样的纳米元件。因此，这样的专用元件的集成会导致半导体器件的制造工艺的复杂度显著增加，由此显著地增加了这样的器件的成本。
[0007]在这方面的特别问题在于，当感测介质是流体(例如液体或气体)时，传感器布置通常需要参考传感器或电极的存在，以补偿传感器漂移、即传感器对感兴趣的分析物的随时间而变化的响应，该漂移例如由传感器表面上的污染物的逐渐堆积而引起。在US2004/0136866 Al中公开了这样的布置的示例，其中参考电极被放置成与待分析的流体接触以便控制溶液的相对于半导体纳米线元件的电势。
[0008]然而，包括参考传感器或电极会使传感器布置的设计进一步复杂化，这因此可能进一步增加电子器件的成本。此外，参考电极的表面也会易于积垢，在该情况中传感器读数会变得不可靠。
【发明内容】
[0009]本发明旨在提供一种其中避免对于单独的参考电极的需要的根据开篇段落的1C。
[0010]本发明进一步旨在提供一种包括这样的IC的感测装置。
[0011]本发明又进一步旨在提供一种利用这样的IC测量感兴趣的分析物的方法。
[0012]本发明又进一步旨在提供一种制造这样的IC的方法。
[0013]本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。
[0014]根据本发明的一个方面，提供了一种如在本发明中所限定的集成电路。
[0015]本发明基于如下认识:通过提供彼此相邻(相对于待测介质的流动方向)的两个纳米线并且为两个纳米线中的一个提供屏蔽层(诸如疏水层或反离子片材等，其防止诸如离子或不带电的分子等的颗粒附着至第二纳米线并且使得第二纳米线对于介质基本或甚至完全惰性、即不敏感)，可以通过对源于这些纳米线的信号的差分测量而将这样的污染物的逐渐堆积对第一纳米线的影响过滤掉。另外，归因于纳米线位于晶片的相同区域中、即彼此挨着的事实，在亚微米工艺技术中固有存在的工艺失配的影响可以被最小化，因为这样的失配影响典型地常见于晶片的不同区域之间。
[0016]优选地，第二纳米线元件与第一纳米线元件直接邻近。更优选地，第二纳米线元件彼此相邻。也可以是沿其长度方向平行。纳米元件越靠近分析物检测纳米线，由两个纳米线感测到的与介质之间可能有的差异越小并且随之参考性可以越好。
[0017]纳米线中的每一个可以包括例如通过纳米线材料的局部氧化形成的可以充当栅极氧化物的氧化物表面层，其中介质充当提供作为例如介质中的感兴趣的分析物的函数的栅极电势的浮置栅极。
[0018]可以例如通过将纳米线经由接合焊盘等类似物连接至外部电路而在片外执行差分测量。作为可选方案，集成电路可以进一步包括用于处理第一纳米线元件和第二纳米线元件的相应的信号的信号处理电路，这具有不需要用于执行测量的外部电路的优点。
[0019]在实施例中，信号处理电路包括布置成从第一纳米线元件信号减去第二纳米线元件信号的差分器。这样的差分器、例如反相器或差分放大器由此提供了其中已经从感测的第一纳米线中扣除了“惰性的”第二纳米线的信号的输出信号。这为感测纳米线提供了可以从任何随后的测量上被扣除的基本信号，以便将污染物对感测的第一纳米线的影响过滤掉。
[0020]优选地，IC进一步包括具有第一纳米线元件的第一晶体管(这可以是场效应晶体管(FET))和具有第二纳米线元件的第二晶体管(这可以是场效应晶体管(FET))。包括作为晶体管的沟道的纳米线促进了测量在纳米线的阻抗上的由附着诱发的改变的简单且敏感的方式。
[0021]在实施例中，IC包括晶体管的阵列，其中各晶体管包括在源极电极与漏极电极之间延伸的纳米线，所述阵列包括第一晶体管和第二晶体管。这具有可以用阵列的相应晶体管、例如通过对感测晶体管的单独官能化来同时测量很多不同的感兴趣的分析物的存在的优点。在所述阵列中的相应晶体管可以共享漏极电极和源极电极中的一个，这进一步简化了阵列的设计。
[0022]衬底可以是绝缘体上硅(SOI)衬底。第一纳米线元件和第二纳米线元件可以各包括硅纳米线，例如通过使S1衬底的硅层图案化而形成的纳米线。
[0023]屏蔽层优选地由在诸如COMS技术等的IC的可应用的制造技术中可容易得到的材料形成。例如，屏蔽层可以是诸如氧化物或氮化物层等的介电层，或者代替地可以是诸如聚酰亚胺或聚对二甲苯层等的聚合物层。特别地，屏蔽层可以是合适的光致抗蚀剂或硬掩模材料的一部分，其可以利用这样的材料的可容易得到的图案化技术而形成在第二纳米线元件之上。
[0024]屏蔽层典型地具有确保第二纳米线元件对介质不敏感的厚度，使得由第二纳米线元件产生的信号反应例如通过布置成作为背侧栅极操作的衬底而被施加至元件的偏置。为此，衬底优选地是半导体衬底。
[0025]根据本发明的另一方面，提供了一种包括流动通道和根据本发明的实施例的集成电路的感测装置，其中第一纳米线元件和第二纳米线元件被布置在所述流动通道中，以使得第一纳米线元件和第二纳米线元件相对于通过所述流动通道的介质的流动方向彼此相邻。这具有如之前所说明的可以在不需要单独的参考电极的情况下将传感器漂移和其他不显著的影响过滤掉的优点。
[0026]根据本发明的又一方面，提供了一种如本发明所限定的测量介质中的感兴趣的分析物的方法。这确保了在不需要单独的参考电极的情况下的对感兴趣的分析物的精确测量。
[0027]在实施例中，同时捕捉来自所述第一纳米线元件的第一纳米线元件信号和来自所述第二纳米线元件的第二纳米线元件信号的步骤包括用交流电流来驱动第一纳米线元件和第二纳米线元件；并且从第二纳米线元件信号与第一纳米线元件信号之间的差异导出分析物测量值的步骤包括测量第一纳米线元件对所述交流电流的复阻抗响应以及第二纳米线元件对所述交流电流的复阻抗响应。AC源的使用进一步