具有每孔多个传感器的化学传感器阵列的制作方法

本案为分案申请。其母案的发明名称为“具有每孔多个传感器的化学传感器阵列”，申请日为2014年6月4日，申请号为201480044626.0。

相关申请案

本申请案主张2013年6月10日提交的第61/833,375号美国临时申请案的优先权，所述申请案以引用的方式并入本文中。

本发明涉及用于化学分析的传感器，并且涉及用于制造此类传感器的方法。

背景技术：

在化学过程的检测中已经使用多种类型的化学传感器。一种类型是化学敏感场效应晶体管（chemfet）。chemfet包含由通道区分离的源极和漏极以及耦合到通道区的化学敏感区域。chemfet的操作是基于由敏感区域处电荷因附近发生的化学反应而变化所引起的通道电导的调制。通道电导的调制改变了chemfet的阈值电压，所述阈值电压可经测量以检测和/或确定化学反应的特性。可以例如通过向源极和漏极施加适当偏压并且测量所得的流过chemfet的电流来测量阈值电压。作为另一实例，可以通过驱动已知电流通过chemfet并且测量在源极或漏极处的所得电压来测量阈值电压。

离子敏感场效应晶体管（isfet）是在敏感区域包含离子敏感层的一种类型的chemfet。归因于由分析物溶液中存在的离子引起的表面电荷群的质子化或去质子化，分析物溶液中离子的存在改变了在离子敏感层与分析物溶液之间的介面处的表面电势。在isfet的敏感区域处表面电势的变化影响装置的阈值电压，所述阈值电压可经测量以指示在溶液内离子的存在和/或浓度。

isfet阵列可以用于基于检测在反应期间存在的、所产生的或使用的离子来监测化学反应，例如dna测序反应。例如，见罗斯伯格（rothberg）等人的第7,948,015号美国专利，所述专利以引用的方式并入本文中。更一般地说，较大阵列的chemfet或其它类型的化学传感器可以用于检测和测量多种过程中的多种分析物（例如，氢离子、其它离子、化合物等）的静态和/或动态量或浓度。所述过程可为（例如）生物或化学反应、细胞或组织培养或监测神经活动、核酸测序等。

在大型化学传感器阵列的操作中产生的问题是传感器输出信号对噪音的敏感性。具体来说，噪音影响用以确定由传感器检测的化学和/或生物过程的特性的下游信号处理的准确性。

因此合乎需要的是提供包含低噪音化学传感器的装置以及用于制造此类装置的方法。

技术实现要素：

在一个实施例中，描述一种装置。所述装置包含界定反应区的材料。所述装置还包含多个化学敏感场效应晶体管，所述化学敏感场效应晶体管具有与反应区连通的共同浮动栅极。所述装置还包含电路，所述电路用以从化学敏感场效应晶体管获得指示反应区内的分析物的个别输出信号。

在另一实施例中，描述一种用于制造装置的方法。所述方法包含形成界定反应区的材料。所述方法进一步包含形成具有与反应区连通的共同浮动栅极的多个化学敏感场效应晶体管。所述方法进一步包含形成用以从化学敏感场效应晶体管获得指示反应区内的分析物的个别输出信号的电路。

在图式和下文描述中阐述本说明书中描述的标的物的一个或多个实施方案的特定方面。所述标的物的其它特征、方面和优点将从所述描述、图式和权利要求书而变得明显。

附图说明

图1图解说明用于核酸测序的系统的组件的框图。

图2图解说明集成电路装置的部分和流槽的截面和展开视图。

图3图解说明包含具有耦合到同一反应区的多个化学传感器的传感器阵列的集成电路装置100的部分的示意图。

图4是用于计算耦合到单个反应区的一组化学传感器的合成输出信号的实例过程的流程图。

图5图解说明根据第一实施例的两组化学传感器及其对应反应区的部分的截面视图。

图6到10图解说明根据第一实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图11图解说明根据第二实施例的两组化学传感器及其对应反应区的部分的截面视图。

图12到14图解说明根据第二实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图15到18图解说明根据第三实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图19到21图解说明根据第四实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

具体实施方式

描述一种化学检测装置，其包含用于并行地检测在同一操作上相关联的反应区内的化学反应的多个化学传感器。所述多个传感器可以在检测化学反应的特性时提供冗余以及改良的精确性。

通过利用多个化学传感器分别地检测同一化学反应，可以组合或者处理个别输出信号以产生合成低噪音输出信号。例如，可以对个别输出信号求平均值，使得提高合成输出信号的信噪比（snr），提高程度多达个别输出信号的数目的平方根。另外，合成输出信号可以弥补由化学传感器性能变化引起的个别输出信号的值之间的差，化学传感器性能变化会另外使下游信号处理复杂化。由于本文中所描述的技术，可以提供低噪音化学传感器输出信号，使得可以精确检测反应的特性。

图1图解说明根据示例性实施例的用于核酸测序的系统的组件的框图。所述组件包含集成电路装置100上的流槽101、参比电极108、用于测序的多个试剂114、阀块116、洗涤溶液110、阀门112、射流控制器118、线120/122/126、通路104/109/111、废弃物容器106、阵列控制器124以及用户界面128。集成电路装置100包含覆盖如本文所描述的传感器阵列的化学传感器组的反应区微孔阵列107。流槽101包含入口102、出口103以及界定微孔阵列107上的试剂流动路径的流室105。

参比电极108可以具有任何合适的类型或形状，包含具有嵌入通路111的内腔中的流体通路或导线的同心圆柱体。试剂114可以经由泵、气体压力或其它合适的方法推进通过流体通路、阀门和流槽101，并且可以在退出流槽101的出口103之后被丢弃到废弃物容器106中。射流控制器118可以通过合适的软件控制用于试剂114的驱动力以及阀门112和阀块116的操作。

微孔阵列107包含反应区，所述反应区在本文中也被称作微孔，与传感器阵列的化学传感器操作上相关联。如下文更详细地描述，每个反应区与适用于检测所述反应区内的所关注分析物或反应的多个化学传感器操作上相关联。这些多个化学传感器可以提供冗余以及改良的检测精确性。微孔阵列107可以整合在集成电路装置100中，使得微孔阵列107和传感器阵列成为单个装置或芯片的部分。

在下文描述的示例性实施例中，四个化学传感器的组耦合到反应区中的每一个。替代地，与单个反应区操作上相关联的化学传感器的数目可不同于四个。更一般地说，两个或更多个化学传感器可以与单个反应区操作上相关联。

流槽101可以具有多种配置以用于控制试剂114在微孔阵列107上的路径和流动速率。阵列控制器124向集成电路装置100提供偏压以及时序和控制信号以用于读取如本文所描述的传感器阵列的化学传感器。阵列控制器124还向参比电极108提供基准偏压以偏置在微孔阵列107上流过的试剂114。

在实验期间，阵列控制器124经由总线127通过集成电路装置100上的输出端口从传感器阵列的化学传感器收集个别输出信号并处理所述信号。如下文更详细地描述，此处理可以包含根据来自一组传感器中的化学传感器的个别输出信号计算所述组传感器的合成输出信号。阵列控制器124可以是计算机或其它计算构件。阵列控制器124可以包含用于数据和软件应用程序的存储的存储器、用于存取数据和执行应用程序的处理器、以及促进与图1中的系统的各种组件通信的组件。

在图解说明的实施例中，阵列控制器124在集成电路装置100的外部。在一些替代实施例中，阵列控制器124实施的一些或全部功能通过集成电路装置100上的控制器或其它数据处理器执行。在又其它实施例中，集成电路装置100内部和外部的资源的组合用来获得个别输出信号并使用本文中所描述的技术计算一组传感器的合成输出信号。

一组化学传感器的合成输出信号的值指示在对应反应区中发生的一个或多个反应的物理和/或化学特性。例如，在示例性实施例中，可以使用在雷里克（rearick）等人于2011年12月29日提交的第13/339,846号美国专利申请案（所述专利申请案基于2010年12月30日提交的第61/428,743号美国临时专利申请案和2011年1月3日提交的第61/429,328号美国临时专利申请案）以及哈贝尔（hubbell）于2011年12月29日提交的第13/339,753号美国专利申请案（所述专利申请案基于2010年12月29日提交的第61/428,097号美国临时专利申请案）中揭示的技术进一步处理合成输出信号的值，所述申请案中的每一个以引用的方式并入本文中。

用户界面128可以显示关于流槽101和从集成电路装置100上的传感器阵列的化学传感器接收到的输出信号的信息。用户界面128还可以显示仪器设置和控制，并允许用户输入或设置仪器设置和控制。

射流控制器118可以控制个别试剂114在预定流动速率下持续预定时间以预定序列到流槽101和集成电路装置100的输送。接着，阵列控制器124可以收集并分析指示响应于试剂114的输送而发生的化学反应的化学传感器的输出信号。

在实验期间，系统还可以监测和控制集成电路装置100的温度，使得在已知的预定温度下发生反应以及进行测量。

所述系统可经配置以使单个流体或试剂在操作期间在整个多步反应中接触参比电极108。可以关闭阀门112以防止在试剂114流动时任何洗涤溶液110流入通路109中。尽管可以停止洗涤溶液的流动，但是在参比电极108、通路109和微孔阵列107之间仍可能存在不间断的流体和电连通。可以选择在参比电极108与通路109和111之间的连接点之间的距离，使得在通路109中流动并可能扩散到通路111中的试剂极少量或没有会到达参比电极108。在示例性实施例中，洗涤溶液110可以选择为与参比电极108连续地接触，这可尤其适用于使用频繁洗涤步骤的多步反应。

图2图解说明集成电路装置100的部分和流槽101的截面和展开视图。集成电路装置100包含与传感器阵列205操作上相关联的反应区的微孔阵列107。在操作期间，流槽101的流室105限制跨微孔阵列107中的反应区的开口端输送的试剂的试剂流208。可以基于正发生的反应的性质、以及试剂、副产物或所采用的标记技术（如果存在）选择反应区的容积、形状、纵横比（例如底宽与孔深的比例）以及其它尺寸特性。

传感器阵列205的化学传感器响应于微孔阵列107中的相关联反应区内的化学反应（并且产生与所述化学反应相关的输出信号）以检测所关注的分析物。传感器阵列205的化学传感器可以（例如）是化学敏感场效应晶体管（chemfet），例如离子敏感场效应晶体管（isfet）。在第2010/0300559号、第2010/0197507号、第2010/0301398号、第2010/0300895号、第2010/0137143号和第2009/0026082号美国专利申请公开案以及第7,575,865号美国专利中描述了可以用于实施例的化学传感器和阵列配置的实例，每个所述专利以引用的方式并入本文中。

图3图解说明包含具有耦合到同一反应区的多个化学传感器的传感器阵列205的集成电路装置100的部分的示意图。在图解说明的实施例中，图解说明十六个化学传感器和四个反应区，表示可以包含数百万化学传感器和反应区的传感器阵列205和微孔阵列107的小区段。

集成电路装置100包含用于接入传感器阵列205的化学传感器的接入电路。在图解说明的实例中，接入电路包含经由行线311到314耦合到传感器阵列205的行选择电路310。接入电路还包含经由列线321到328耦合到传感器阵列205的列输出电路320。

行选择电路310和列输出电路320响应于通过图1中的阵列控制器124提供的时序和控制信号以选择各种化学传感器并操作传感器阵列205，如下文所述。阵列控制器124还向参比电极（见图1，参考标号108）提供基准偏压以偏置在操作期间跨微孔阵列107的反应区380、382、384、386的开口端流动的试剂。

在图解说明的实施例中，四个化学传感器的组与反应区380、382、384、386中的每一个操作上相关联。替代地，与单个反应区操作上相关联的化学传感器的数目可以不同于四个。更一般地说，两个或更多个化学传感器可以与单个反应区操作上相关联。在一些实施例中，与单个反应区操作上相关联的化学传感器的数目可以大于四个，例如十六个或更多。

含有化学传感器331.1到331.4的组表示传感器阵列205的传感器组。在图解说明的实施例中，每个化学传感器331.1到331.4包含化学敏感场效应晶体管341.1到341.5和行选择交换器351.1到351.4。

化学敏感场效应晶体管341.1到341.4具有与反应区380连通的共同浮动栅极370。也就是说，共同浮动栅极370耦合到化学敏感场效应晶体管341.1到341.5中的每一个的通道。化学敏感场效应晶体管341.1到341.5可以各自包含在介电材料层内的多个图案化传导元件层。

共同浮动栅极370可以（例如）包含界定反应区380的表面（例如，底表面）的最上部传导元件（在本文中被称作传感器板）。也就是说，在最上部电导体与反应区380的表面之间不存在中间沉积材料层。在一些替代实施例中，共同浮动栅极370的最上部传导元件通过所沉积的感测材料与反应区380分离（在下文更详细论述）。

在操作中，反应物、洗涤溶液以及其它试剂可以通过扩散机构移入和移出反应区380。化学传感器331.1到331.4各自响应于反应区380内的化学反应（并且产生与所述化学反应相关的个别输出信号）以检测所关注的分析物或反应属性。反应区380内的电荷变化使得共同浮动栅极370上的电压变化，这又改变了传感器331.1到331.4的化学敏感场效应晶体管341.1到341.4中的每一个的个别阈值电压。

在所选化学传感器331.1的读取操作中，行选择电路310促进向行线311提供足以接通行选择晶体管351.1的偏压。接通行选择晶体管351.1将化学敏感晶体管341.1的漏极端子耦合到列线321。列输出电路320促进向列线321提供偏压，并且在列线321上提供流过化学敏感晶体管341.1的偏流。这又在耦合到列线322的化学敏感晶体管341.1的源极端子处建立电压。在这样做时，列线322上的电压是基于化学敏感晶体管341.1的阈值电压，并且因此基于反应区380内的电荷量。替代地，可以使用其它技术来读取所选化学传感器331.1。

列输出电路320基于列线322上的电压产生化学敏感晶体管341.1的个别输出信号。取决于阵列配置和读出技术，列输出电路320可以包含交换器、采样和保持电容器、电流源、缓冲区以及用以操作和读取化学传感器的其它电路。在一些实施例中，列输出电路320可以包含例如那些在第2010/0300559号、第2010/0197507号、第2010/0301398号、第2010/0300895号、第2010/0137143号和第2009/0026082号美国专利申请公开案以及第7,575,865号美国专利中描述的电路，所述专利在上文以引用的方式并入。

可以类似方式读出耦合到反应区380的其它化学传感器331.2到331.4的个别输出信号。在这样做时，列输出电路320产生化学传感器331.1到331.4中的每一个的个别输出信号。

接着，可以通过阵列控制器124（或其它数据处理器）组合或者处理化学传感器331.1到331.4中的每一个的个别输出信号，以计算化学传感器组331.1到331.4的合成低噪音输出信号。例如，合成输出信号可以是个别输出信号的平均值。在此情况下，可以提高合成输出信号的snr，提高程度多达个别输出信号的数目的平方根。另外，合成输出信号可以弥补由化学传感器331.1到331.4的性能变化引起的个别输出信号的值之间的差，化学传感器性能变化会另外使下游信号处理复杂化。

图4是用于计算耦合到单个反应区的一组化学传感器的合成输出信号的实例过程的流程图。其它实施例可以执行与图4中图解说明的步骤不同的或额外的步骤。为方便起见，将参考执行过程的系统描述图4。所述系统可以是（例如）图1的系统。

在步骤400处，在耦合到一组两个或更多个化学传感器的反应区内开始化学反应。所述化学传感器组可以（例如）包含具有与反应区连通的共同浮动栅极的各个化学敏感场效应晶体管，如上文关于图3所描述。化学反应可以是测序反应，如上文所描述。

在步骤410处，从所述组中的化学传感器获得个别输出信号。可以（例如）通过使用上文所描述的技术选择并读出个别化学传感器来获得个别输出信号。在一些实施例中，试剂的流动导致反应区内发生释放氢离子的化学反应，并且来自化学传感器的个别输出信号的幅度与检测到的氢离子的量有关。

在步骤420处，基于个别输出信号中的一个或多个计算所述组的合成输出信号。合成输出信号可以（例如）是个别输出信号的平均值。替代地，可以使用其它技术来计算合成输出信号。

在步骤430处，基于合成输出信号确定化学反应的特性。例如，可以使用在雷里克（rearick）等人于2011年12月29日提交的第13/339,846号美国专利申请案（所述专利申请案基于2010年12月30日提交的第61/428,743号美国临时专利申请案和2011年1月3日提交的第61/429,328号美国临时专利申请案）以及哈贝尔（hubbell）于2011年12月29日提交的第13/339,753号美国专利申请案（所述专利申请案基于2010年12月29日提交的第61/428,097号美国临时专利申请案）中揭示的技术基于合成输出信号的值确定化学反应的特性，所述申请案中的每一个在上文以引用的方式并入。

图5图解说明根据第一实施例的两组化学传感器及其对应反应区的部分的截面视图。在图5中，可见耦合到反应区380的传感器组331.1到331.4中的化学传感器331.1、331.2的化学敏感场效应晶体管341.1、341.2。所述组中的其它化学传感器331.3、331.4的化学敏感场效应晶体管341.3、341.4位于此截面后方。类似地，图5的截面示出耦合到相邻反应区382的化学传感器组中的两个化学传感器的化学敏感场效应晶体管。在此图示中，为简单起见，省略化学传感器的选择交换器、接入线和其它连接。

化学传感器331.1表示化学传感器组331.1到331.4。在图解说明的实例中，化学传感器331.1的化学敏感场效应晶体管341.1是化学敏感场效应晶体管（chemfet），更确切地说，在此实例中是离子敏感场效应晶体管（isfet）。

化学敏感场效应晶体管341.1包含具有耦合到反应区380的传导元件520的共同浮动栅极370。传导元件520是共同浮动栅极370中的最上部的浮动栅极导体（在本文中也被称作传感器板）。在图5中图解说明的实施例中，共同浮动栅极370包含在介电材料层519内的多个图案化传导材料层。

在图5中，传导元件520电连接在化学传感器组331.1到331.4的化学敏感场效应晶体管341.1到341.4中的每一个的通道区上延伸的个别多层浮动栅极结构。在这样做时，在化学传感器331.1到331.4之间共享共同浮动栅极370。

化学敏感场效应晶体管341.1包含在半导体衬底354内的源极区521和漏极区522。源极区521和漏极区522包括导电性类型与衬底554的导电性类型不同的掺杂半导体材料。例如，源极区521和漏极区522可以包括掺杂p型半导体材料，并且衬底可以包括掺杂n型半导体材料。

通道区523分离源极区521与漏极区522。共同浮动栅极370包含通过栅极电介质552与通道区523分离的传导元件551。栅极电介质552可以是例如二氧化硅。替代地，可以使用其它电介质用于栅极电介质552。

如图5中所示，反应区380在延伸穿过介电材料510到传导元件520的上表面的开口内。介电材料510可以包括一个或多个材料层，例如二氧化硅或氮化硅。介电材料510中的开口可以（例如）具有圆形截面。替代地，开口可以是非圆形。例如，截面可以是正方形、长方形、六角形或不规则形状。介电材料510内的开口及其间距的尺寸可以因实施例不同而变化。

在图解说明的实施例中，传导元件520的上表面530是反应区380的底表面。也就是说，在传导元件520的上表面530与反应区380之间不存在中间沉积材料层。由于此结构，传导元件520的上表面530充当用于化学传感器组331.1到331.4的感测表面。传导元件520可以包括用以促进对特定离子（例如，氢离子）的敏感性的多种不同材料中的一种或多种。

在装置的制造和/或操作期间，可以在上表面530上生长充当用于化学传感器组331.1到331.4的感测材料（例如，离子敏感的感测材料）的传导元件520的导电材料的薄氧化物。例如，在一个实施例中，传导元件520可以是氮化钛，并且在制造期间和/或在使用时暴露于溶液期间可以在上表面530上生长三氧化钛或氮氧化钛。是否形成氧化物取决于传导材料、所实施的制造方法、以及在什么条件下操作装置。

在图解说明的实例中，传导元件520示出为单层材料。更一般地说，取决于实施例，传导元件520可以包括一个或多个多种导电材料层，例如金属或陶瓷。传导材料可以是（例如）金属材料或其合金，或可以是陶瓷材料，或其组合。示例性金属材料包含铝、铜、镍、钛、银、金、铂、铪、镧、钽、钨、铱、锆、钯或其组合中的一种。示例性陶瓷材料包含氮化钛、氮化钛铝、氮氧化钛、氮化钽或其组合。

在一些替代实施例中，在介电材料510中的开口的侧壁上以及在传感器板520的上表面530上沉积另外的保形感测材料（未示出）。在此情况下，所沉积的感测材料的内表面界定反应区380。感测材料可以包括用以促进对特定离子的敏感性的多种不同材料中的一种或多种。例如，氮化硅或氮氧化硅以及金属氧化物（例如，氧化硅、氧化铝或氧化钽）一般提供对氢离子的敏感性，而包括含有缬氨霉素的聚氯乙烯的感测材料提供对钾离子的敏感性。取决于实施例，也可以使用对其它离子（例如，钠、银、铁、溴、碘、钙和硝酸盐）敏感的材料。

在操作中，反应物、洗涤溶液以及其它试剂可以通过扩散机构540移入和移出反应区580。化学传感器331.1到331.4中的每一个响应于传导元件520附近的电荷524的量（并且产生与所述电荷量相关的输出信号）。归因于表面电荷群的质子化或去质子化，分析物溶液中电荷524的存在改变了在分析物溶液与传导元件520之间的介面处的表面电势。电荷524的变化使得浮动栅极结构518上的电压变化，这又改变了化学传感器331.1到331.4中的每一个的化学敏感晶体管341.1到341.4的阈值电压。可以通过测量各个通道区（例如，传感器331.1的通道区523）的电流来测量阈值电压的各个变化。因此，可以操作化学传感器331.1到331.4中的每一个以提供连接到其对应源极区或漏极区的阵列线上的个别基于电流或基于电压的输出信号。

在实施例中，在反应区380中进行的反应可以是用以鉴别或确定所关注的分析物的特性或属性的分析型反应。此类反应可以直接或间接产生影响传导元件520附近的电荷524的量的副产物。如果此类副产物少量产生或快速衰减或与其它组分反应，那么可以在反应区380中同时分析同一分析物的多个复制品以便增加由化学传感器组331.1到331.4产生的个别输出信号。在实施例中，分析物的多个复制品可以在沉积到反应区380中之前或之后附着到固相载体512。固相载体512可以是微粒、纳米颗粒、珠粒、固体或多孔凝胶等。为简单起见和易于解释，固相载体512在本文中也被称作颗粒。对于核酸分析物，可以通过滚环扩增（rca）、指数rca、重组酶聚合酶扩增（rpa）、聚合酶链式反应扩增（pcr）、乳胶pcr扩增或类似技术制作多个连接的复制品以在不需要固体载体的情况下产生扩增子。

在各种示例性实施例中，本文中所描述的方法、系统和计算机可读媒体可以有利地用以处理和/或分析从电子核酸测序或基于电荷的核酸测序获得的数据和信号。在电子测序或基于电荷的测序（例如，基于ph值的测序）中，可以通过检测产生为聚合酶催化核苷酸延伸反应的自然副产物的离子（例如，氢离子）确定核苷酸结合的情况。这可以用来对样本或模板核酸定序，样本或模板核酸可以是例如所关注的核酸序列的断片，且可以作为克隆种群直接或间接附着到固体载体，例如颗粒、微粒、珠粒等。样本或模板核酸可以可操作地相关联到引物和聚合酶，并且可经历脱氧核苷三磷酸（“dntp”）添加和洗涤的重复循环或“流动”（其在本文中可以被称作“核苷酸流动”，从中可以产生核苷酸结合）。引物可以退火到样本或模板，使得每当添加与模板中的下一基底互补的dntp时引物的3'端可以通过聚合酶延伸。接着，基于核苷酸流动的已知序列以及基于从化学传感器所测得的指示在每个核苷酸流动期间的离子浓度的输出信号，可以确定对与耦合到一组化学传感器的反应区中存在的样本核酸相关联的核苷酸的类型、序列和数目的鉴别。

图6到10图解说明根据第一实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图6图解说明在第一阶段中形成的结构600。结构600包含用于化学传感器的场效应晶体管的部分完成的浮动栅极结构。例如，结构600包含用于化学传感器331.1的化学敏感场效应晶体管341.1的部分完成的浮动栅极结构618。

可以通过在半导体衬底554上沉积栅极介电材料层并且在所述栅极介电材料层上沉积多晶硅（或其它导电材料）层来形成结构600。接着可以使用蚀刻掩模来蚀刻多晶硅层和栅极介电材料层以形成浮动栅极结构的栅极介电元件（例如，栅极电介质552）和最下部传导材料元件（例如，传导元件551）。在形成离子注入掩模之后，接着可以执行离子注入以形成化学传感器的源极区和漏极区（例如，源极区521和漏极区522）。

接着可以在最下部传导材料元件上沉积第一层介电材料519。随后可以在第一层介电材料519中蚀刻的通孔内形成传导插塞以接触浮动栅极结构的最下部传导材料元件。接着可以在第一层介电材料519上沉积传导材料层并将所述传导材料层图案化以形成电连接到传导插塞的第二传导材料元件。接下来，可以多次重复此过程以形成图6中示出的部分完成的浮动栅极结构。替代地，可以执行其它和/或另外的技术以形成所述结构。

取决于在其中实施化学传感器的装置和阵列配置，形成图6中的结构600也可以包含形成例如用于接入化学传感器的阵列线（例如，行线、列线等）的另外的元件、衬底554中的另外的掺杂区、以及用以操作化学传感器的其它电路（例如，选择交换器、接入电路、偏置电路等）。

接下来，在图6中图解说明的结构上形成传导材料700以接触部分完成的浮动栅极结构。接着在传导材料700上形成包含掩模元件720、722的蚀刻掩模，从而产生图7中图解说明的结构。

传导材料700包含一个或多个导电材料层。例如，传导材料700可以包含在铝层上形成的氮化钛层，或在铜层上形成的氮化钛层。替代地，层数可以不同于两层，并且可以使用其它和/或另外的导电材料。可用于一些实施例的导电材料的实例包含钽、铝、镧、钛、锆、铪、钨、钯、铱等及其组合。

掩模元件720、722的位置界定用于对应化学传感器组的化学敏感场效应晶体管的传感器板的位置。在图解说明的实施例中，掩模元件720、722包括已经使用光刻工艺图案化的光阻材料。替代地，可以使用其它技术和材料。

接下来，使用掩模元件700、722将传导材料700蚀刻为掩模，从而产生图8中图解说明的结构。蚀刻工艺形成与对应传感器组的部分完成的浮动栅极结构电接触的传导元件520、810。传导元件520电连接用于一组传感器331.1到331.4的部分完成的浮动栅极结构，以完成用于此组传感器的共同浮动栅极370。类似地，传导材料元件810完成用于相邻组传感器的共同浮动栅极

接下来，去除掩模元件700、722并且形成介电材料510，从而产生图9中图解说明的结构。介电材料510可以包括一个或多个所沉积介电材料层，例如二氧化硅或氮化硅。

接下来，蚀刻介电材料510以形成延伸到传导材料元件520、810的上表面的界定反应区380、382的开口，从而产生图10中图解说明的结构。

图11图解说明根据第二实施例的两组化学传感器及其对应反应区的部分的截面视图。与图5中示出的实施例相比，用于各组化学传感器的共同浮动栅极包含小于对应反应区的底表面的传感器板。

在图11中，用于化学传感器组331.1到331.4的浮动栅极结构1118包含耦合到反应区380的传导元件1120。传导元件1120通过传导插塞1130耦合到传导元件520。传导元件1120是浮动栅极结构1118中的最上部的浮动栅极导体，并且因此充当用于化学传感器组331.1到331.4的传感器板。

在图11中，传导元件1120的上表面1122是反应区380的底表面的一部分。也就是说，在传导元件1120的上表面1122与反应区380之间不存在中间沉积材料层。由于此结构，传导元件1120的上表面1122充当用于化学传感器组331.1到331.4的感测表面。在图解说明的实施例中，传导元件1120在介电材料1160内，使得传导元件1120的上表面1122与介电材料1160的上表面共面。替代地，传导元件1120可以在介电材料1160的上表面上形成，并且因此略微伸出到反应区380中。

如图11中所示，传导元件1120的上表面1122的宽度1125小于反应区380的底表面的宽度。如下文更详细地描述，将较小的传导元件1120用作传感器板可以使得化学传感器331.1到331.4的个别输出信号的信噪比（snr）能够最大化。

通过化学传感器331.1到331.4响应于分析物溶液中的电荷524检测到的所需信号的幅度是沿着传导元件1120与分析物溶液之间的介面的电荷浓度的叠加。因为电荷524在反应区380的底部和中间更高度集中，所以传导元件1120的宽度1125是在响应于电荷524而检测到的所需信号的幅度与归因于传导元件1120与分析物溶液之间的随机波动而导致的射流噪音之间的折衷。增加传导元件1120的宽度1125增大了用于化学传感器331.1到331.4的射流介面区，这减小了射流噪音。然而，由于电荷524的局部表面密度随着与反应区380的中间的距离而减小，因此传导元件1120从具有更小电荷浓度的区域检测到更多比例的信号，这可以减小检测到的信号的整体幅度。相反，减少传导元件1120的宽度1122减小了感测表面区域并且因此增大了射流噪音，而且还增大了检测到的信号的整体幅度。

对于极小的感测表面区域，申请人已经发现射流噪音根据感测表面区域而变化，与所需信号的幅度不同。因为个别输出信号的snr是这两个数量的比例，所以在来自化学传感器331.1到331.2的个别输出信号的snr最大时存在理想宽度1125。

取决于传导元件1120和介电材料510、1160的材料特性、反应区的容积、形状、纵横比（例如底宽与孔深的比例）和其它尺寸特性、正发生的反应的性质、以及试剂、副产物或所采用的标记技术（如果存在），理想宽度1125可以因实施例不同而变化。可以（例如）凭经验确定理想宽度。

图12到14图解说明根据第二实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图12图解说明形成延伸穿过介电材料1200以接触图8中图解说明的结构的传导元件520、810的传导插塞1210、1220的第一阶段。可以通过去除图8中的掩模元件720、722并在所得的结构上形成介电材料1200来形成图12中的结构。接着可以通过介电材料1200蚀刻通孔，并且在通孔内沉积金属。随后可以执行平坦化工艺（例如，化学机械抛光）以从介电材料1200的上表面去除所沉积的金属并且形成插塞1210、1220。替代地，可以使用其它技术。

接下来，在图12中图解说明的结构上形成传导材料1300。接着在传导材料1300上形成包含掩模元件1320、1322的蚀刻掩模，从而产生图13中图解说明的结构。

传导材料1300可以包括一个或多个传导材料层，例如上文关于图7的传导材料700所描述的那些传导材料层。掩模元件1320、1322的位置界定用于对应化学传感器组的场效应晶体管的传感器板的位置。在图解说明的实施例中，掩模元件1320、1322包括已经使用光刻工艺图案化的光阻材料。替代地，可以使用其它技术和材料。

接下来，使用掩模元件1320、1322将传导材料1300蚀刻为掩模以形成传导元件1120、1400。接着在传导元件1120与1400之间形成介电材料1160，从而产生图14中图解说明的结构。

接下来，在图14中图解说明的结构上形成介电材料510。接着蚀刻介电材料510以形成延伸到传导材料元件1120、1400的上表面的界定反应区380、382的开口，从而产生图11中图解说明的结构。介电材料1160所包括的材料可以不同于介电材料510的材料。例如，介电材料510可以包括在经历所选蚀刻工艺时能够相对于介电材料1160的材料（例如，氮化硅）选择性地蚀刻的材料（例如，氧化硅）。在此情况下，介电材料1160可以充当在用以形成反应区380、382的蚀刻工艺期间的蚀刻终止层。在这样做时，介电材料1160可以防止经过传导元件1120、1400的蚀刻并且因此可以界定并维持反应区380、382的所需形状。

图15到18图解说明根据第三实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图15图解说明在图12中图解说明的结构上形成介电材料1160的第一阶段。接着在介电材料1160上形成包含掩模元件1510、1520、1530的蚀刻掩模，从而产生图15中图解说明的结构。如下文更详细地描述，在掩模元件1510、1520、1530之间的开口界定用于对应化学传感器组的场效应晶体管的传感器板的位置。

接下来，使用掩模元件1510、1520、1530将介电材料1160蚀刻为蚀刻掩模以在介电材料1160内形成开口1610、1620，从而产生图16中图解说明的结构。如图16中所示，开口延伸到传导插塞1210、1220的上表面。

接下来，去除掩模元件1510、1520、1530并且在图16中图解说明的结构上沉积传导材料1800，从而产生图17中图解说明的结构。传导材料1800可以包括一个或多个传导材料层，例如上文关于图7的传导材料700所描述的那些传导材料层。

接下来，执行平坦化工艺（例如，cmp）以从介电材料1160的上表面去除传导材料1800，从而产生图18中图解说明的结构。平坦化工艺将剩余的传导材料保留在开口1610、1620内以形成传导元件1120、1400。

接下来，在图18中图解说明的结构上形成介电材料510。接着可以蚀刻介电材料510以形成延伸到传导材料元件1120、1400的上表面的界定反应区380、382的开口，从而产生图11中图解说明的结构。

图19到21图解说明根据第四实施例用于形成包含耦合到同一反应区的多个化学传感器的装置的制造过程中的各阶段。

图19图解说明形成延伸穿过介电材料1900以接触图8中图解说明的结构的传导元件520、810的传导插塞1210、1220的第一阶段。如下文更详细地描述，包括一个或多个介电材料层的介电材料1900可以充当在后续形成反应区380、382期间的蚀刻终止层。可以通过去除图8中图解说明的掩模元件720、722并在所得的结构上形成介电材料1900来形成图19中的结构。接着可以使用上文参考图12所描述的技术形成插塞1210、1220。替代地，可以使用其它技术。

接下来，在介电材料1900的上表面上形成传导元件1120、1400从而产生图20中图解说明的结构。可以通过沉积传导材料、形成界定传导元件1120、1400的位置的包含掩模元件的蚀刻掩模、以及使用作为蚀刻掩模的掩模元件蚀刻传导材料来形成传导元件1120、1400。

接下来，在图20中图解说明的结构上形成介电材料510。接着蚀刻介电材料510以形成延伸到传导元件1120、1400的上表面的界定反应区380、382的开口，从而产生图21中图解说明的结构。如图21中所示，在此实施例中，反应区380、382在传导元件1120、1400的上表面下方延伸以露出其侧表面。

介电材料1900所包括的材料可以不同于介电材料510的材料。例如，介电材料510可以包括在经历所选蚀刻工艺时能够相对于介电材料1900的材料（例如，氮化硅）选择性地蚀刻的材料（例如，氧化硅）。在此情况下，介电材料1900可以充当在用以形成反应区380、382的蚀刻工艺期间的蚀刻终止层。在这样做时，介电材料1900可以防止在传导元件1120、1400下方的蚀刻并且因此可以界定并维持反应区380、382的所需形状。

可使用硬件元件、软件元件或两者的组合来实施各种实施例。硬件元件的实例可以包含处理器、微处理器、电路、电路元件（例如，晶体管、电阻器、电容器、电感器等等）、集成电路、专用集成电路（asic）、可编程逻辑装置（pld）、数字信号处理器（dsp）、现场可编程门阵列（fpga）、逻辑门、寄存器、半导体装置、芯片、微芯片、芯片组等等。软件的实例可以包含软件组件、程序、应用、计算机程序、应用程序、系统程序、机器程序、操作系统软件、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、功能、方法、操作步骤、软件接口、应用程序接口（api）、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、值、符号或其任何组合。确定是否使用硬件元件和/或软件元件来实施实施例可根据例如以下各者的任何数目个因素而发生变化：所需计算速率、功率电平、耐热性、处理循环预算、输入数据速率、输出数据速率、存储器资源、数据总线速度和其它设计或性能约束。

可使用例如计算机可读媒体或制品实施一些实施例，所述计算机可读媒体或制品可以存储指令或指令集，所述指令或指令集若通过机器执行则可使得所述机器执行根据实施例的方法和/或操作。此类机器可以包含（例如）任何合适的处理平台、计算平台、计算装置、处理装置、计算系统、处理系统、计算机、处理器等，并且可以使用硬件和/或软件的任何合适的组合来实施。计算机可读媒体或制品可以包含（例如）任何合适类型的存储器单元、存储器装置、存储器制品、存储器媒体、存储装置、存储制品、存储媒体和/或存储单元，例如，存储器、可拆卸或不可拆卸式媒体、可擦除或不可擦除式媒体、可写入或可重写入媒体、数字或模拟媒体、硬盘、软盘、只读存储器压缩光盘（cd-rom）、可记录压缩光盘（cd-r）、可重写入压缩光盘（cd-rw）、光盘、磁性媒体、磁光媒体、可拆卸式存储器卡或盘、各种类型的数字多功能光盘（dvd）、磁带、盒式磁带等。指令可以包含使用任何合适的高阶、低阶、面向对象的、视觉、经编译和/或经解译编程语言实施的任何合适类型的代码，例如，源代码、经编译代码、经解译代码、可执行码、静态代码、动态代码、经加密代码等。

尽管参考上述优选实施例和实例揭示了本发明，但是应理解，这些实例意图为示意性的而不是限制性的。可以预期的是，对于所属领域的技术人员来说很容易想到各种修改和组合，所述修改和组合将在本发明的精神和所附权利要求书的范围内。