CN104160484A - 用于生物化学应用中极低电流测量的噪声屏蔽技术 - Google Patents

用于生物化学应用中极低电流测量的噪声屏蔽技术 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有集成噪声屏蔽物的装置。装置包括基本上包围半导体装置的多个垂直屏蔽结构。装置进一步包括位于半导体装置上方基本上充满导电流体的开口，其中，多个垂直屏蔽结构和导电流体屏蔽半导体装置免受环境辐射的影响。在一些实施例中，装置进一步包含位于半导体装置下方的导电底部屏蔽物，其屏蔽半导体装置免受环境辐射的影响。在一些实施例中，开口被配置为允许将生物样本引入至半导体装置中。在一些实施例中，垂直屏蔽结构包括多个通孔，其中，多个通孔中的每个把多于一个的导电层连接在一起。在一些实施例中，装置包括纳米孔装置，并且其中，纳米孔装置包括纳米孔阵列的单一单元。

Description

用于生物化学应用中极低电流测量的噪声屏蔽技术
背景技术
近些年来半导体工业内微小型化方面的进步已使得生物工艺专家能够将传统笨重的感测工具包装成越来越小的形状因数，封装到所谓的生物芯片上。由于装置尺寸缩小，将希望开发用于生物芯片的高灵敏性测量技术。
附图说明
本发明的各个实施例被公开于下述详细描述和附图中。
图1是图示了用于在生物传感器阵列的单一单元内利用积分放大器测量物理性质(如电流、电压或电荷)的传感器电路100的实施例的方框图。
图2是图示了具有集成噪声屏蔽物的半导体装置200的实施例的剖视图的图。
图3A是图示了垂直屏蔽结构218的示例性配置的顶视图的图。
图3B是图示了垂直屏蔽结构218的另一示例性配置的顶视图的第二图。
图4是图示了具有集成噪声屏蔽物的半导体装置400的实施例的剖视图的图。
具体实施方式
本发明可以以多种方式被实现，包括作为过程；设备；系统；物质的组成；体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或处理器，诸如被配置为执行存储在耦合到该处理器的存储器上和/或由耦合到该处理器的存储器提供的指令的处理器。在本说明书中，这些实现方式或本发明可以采用的任何其他形式可以被称为技术。一般而言，所公开的过程的步骤的次序可以在本发明的范围内被变更。除非另有说明，诸如被描述为被配置成执行任务的处理器或存储器之类的组件可以被实现为：被临时配置成在给定时间执行该任务的通用组件或被制造成执行该任务的专用组件。如此处所使用的，术语“处理器”指的是被配置为处理数据(诸如计算机程序指令)的一个或多个装置、电路和/或处理核。
下面连同图示本发明的原理的附图提供本发明的一个或多个实施例的详细描述。本发明是结合这样的实施例而被描述的，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求的限制，并且本发明包含多种替代、修改和等同。在下面的描述中阐述了许多具体细节以便提供本发明的完全理解。这些细节为了示例的目的而被提供，并且，可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实践本发明。为了清楚的目的，没有详细地描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，以便本发明不被不必要地混淆。
具有大约1纳米内径孔径大小的纳米孔薄膜装置已示出在快速核苷酸排序中有前途。纳米孔是非常小的孔，并且纳米孔可以由孔道形成蛋白创建或被创建为合成材料(如硅或石墨烯)的孔。当在浸没于导电流体中的纳米孔两端施加电压电势时，可观察到由离子穿过纳米孔传导引起的小离子电流。当分子(如DNA或RNA分子)通过纳米孔时，该分子可部分或完全阻塞纳米孔。因为离子电流的大小对孔径大小敏感，所以DNA或RNA分子对纳米孔的阻塞引起通过纳米孔的电流量值的改变。已经示出的是，离子电流阻塞可能与DNA分子的碱基对顺序有关。
然而，使用纳米孔薄膜装置的分子表征面临各种挑战。挑战之一是测量很低水平的信号：通过纳米孔的离子电流的量值很低，通常大约数十或数百皮安(pA)。因此，在通过纳米孔的这样的低水平电流中探测任何改变变得十分具有挑战性。
使用积分放大器是一种用于测量低水平电流的有效电路技术。使用积分放大器来测量低水平电流具有几个优点。积分放大器平均许多测量时段上的电流，这帮助将噪声的效果减轻至某种程度。积分放大器还在不需额外滤波的情况下把带宽限制到感兴趣的带宽。针对测量点处的积分放大器的电路还比对应于其他测量技术的电路更小，因此使得制作具有大阵列的测量单元的生物传感器阵列变得可行，在如单链DNA表征之类的应用中，这对于标识分子是十分合乎期望的。
图1是图示用于在生物传感器阵列的单一单元内利用积分放大器测量物理性质(如电流、电压或电荷)的传感器电路100的实施例的方框图。如图1中所示，物理性质被探测器102探测为探测信号104。如下面进一步描述的，传感器电路100可用于测量探测信号104的平均值而无需采样。
在一些实施例中，起始标志106重置积分放大器108并开始随时间对探测信号104进行连续积分。使用比较器112把积分输出110与跳变阀值114比较。当积分输出110达到跳变阀值114时，跳变标志116可以被用作到积分放大器108的反馈信号以终止对探测信号104的积分。例如，当跳变标志116为“开”或肯定时，积分被终止。起始标志106的肯定和跳变标志116的肯定之间的持续时间与探测信号104的平均值(例如电流平均值)成比例。因此，跳变标志116的“开”和“关”(仅1比特信息)可以从单元被发送至外部处理器用于计算探测信号114的平均值。可替代地，“开/关”信息可以从单元被发送至外部存储装置以延迟处理。例如，起始标志106和跳变标志116分别被肯定的时钟周期可被记录在外部存储装置中。然后，两个肯定的标志之间的时钟周期的数目可在稍后时间用于确定探测信号104的平均值。
在一些实施例中，可以通过在多个积分周期上对探测信号104进行积分来获得更精确的结果。例如，探测信号104的已确定平均值可以在多个积分周期上被进一步平均。在一些实施例中，起始标志106至少部分基于跳变标志116。例如，起始标志106可以响应于跳变标志116被肯定而被再次肯定。在该实施例中，跳变标志116用作用于再次初始化积分放大器108的反馈信号，使得对探测信号104的另一积分周期可以在先前积分周期终止时立刻开始。在跳变标志116被肯定后，再次肯定起始标志106立即减少探测器102生成未被积分并且因此未被测量的信号的时间部分。积分几乎发生在信号可用的整个时间内。结果，捕获信号的大部分信息，由此最小化获得测量信号平均值的时间。
传感器电路100的灵敏度通过在无需采样的情况下连续积分探测信号102来最小化。这用于限制测量信号的带宽。继续参考图1，跳变阀值114和积分系数A设定测量信号的带宽。随着积分系数A减小或者随着跳变阀值114增加，测量信号带宽减小。
然而，低电流测量电路易受不同噪声源的影响，该噪声源包含外部噪声源和测量电路自身内部的噪声源。影响低电流测量电路性能的外部噪声源有很多，包括交流(AC)线路噪声、来自荧光灯具的镇流器噪声、电磁干扰(EMI)等。
影响低电流测量电路性能的内部噪声源包括来自积分放大器的电压和噪声分量以及来自该测量源的电阻性噪声。这些分量被积分器的噪声增益放大，噪声增益等于(1+Cin/Cfb)，其中，Cin是总输入电容，并且Cfb是积分电容器(即，积分放大器的反馈电容器(Cfb))。
图2是图示了具有集成噪声屏蔽物的半导体装置200的实施例的剖视图的图。在一些实施例中，半导体装置200是位于纳米孔阵列的单一单元中的纳米孔装置，并且集成噪声屏蔽物屏蔽纳米孔装置免受内部噪声源和外部噪声源两者的影响。在一些实施例中，本文中公开的集成噪声屏蔽物也可被集成至其他类型的生物传感器半导体阵列中，如在其中进行易受不同噪声源影响的低水平信号测量的生物传感器半导体阵列。下文使用纳米孔装置作为半导体装置200的示例。然而，纳米孔装置只是出于说明目的而被选择；因此，本申请不只限于该具体示例。
集成噪声屏蔽物包围并屏蔽半导体装置200的易受不同噪声源影响的部分。例如，继续参考图2，半导体装置200的易受噪声影响的部分包括生物样本202、测量电极204、其他测量集成电路(未图示于图中)等，并且半导体装置200的这些部分被集成噪声屏蔽物包围和屏蔽。集成噪声屏蔽物可使用任何导电材料形成。
集成噪声屏蔽物包括底部屏蔽物。继续参考图2，底部屏蔽物包括一个或多个导电层(206A和206B)，其安置于半导体装置200的易受噪声影响的部分的下方。在一些实施例中，导电层206A是金属层5(M5)，其为处于半导体装置200的顶部金属层208(M6)下方的金属层。导电层206B是金属层5’(M5’或MIM帽层)，其为位于M5顶部上的金属层，两者之间具有薄氧化物层210。在一些实施例中，底部屏蔽物使用除金属之外的导电材料形成，包括多晶硅和类似物。在一些实施例中，半导体装置200包括其他导电层，如衬底层。由于衬底层通常是厚且导电的，因此其用作半导体装置200的底部屏蔽层。
集成噪声屏蔽物包括顶部屏蔽物。顶部屏蔽物包括具有开口212的导电层208。继续参考图2，顶部屏蔽物的导电层208是金属层，被安置于半导体装置200的易受噪声影响的部分的上方。在一些实施例中，导电层208是金属层6(M6)，其为半导体装置200的顶部金属层。在一些实施例中，开口212允许将生物样本202引入至半导体装置200中，使得可以通过半导体装置200测试或分析生物样本202。
顶部屏蔽物进一步包括导电液体屏蔽物214，其沉积在半导体装置200的易受噪声影响的部分(包括生物样本202)上方并将其覆盖。在没有导电液体屏蔽物214的情况下，开口212将使半导体装置200暴露于不同噪声源。此外，导电层208(例如，M6)不能与导电液体屏蔽物214接触。因此，导电层208被覆盖有氧化物层216以使其与导电液体屏蔽物214绝缘。在一些实施例中，导电液体屏蔽物214是包含使电解质导电的自由离子的电解质。
集成噪声屏蔽物进一步包括侧屏蔽物。侧屏蔽物包括多个垂直屏蔽结构218，垂直屏蔽结构218形成基本上包围半导体装置200的噪声敏感部分的侧壁。注意在图2中，只有2个垂直屏蔽结构218被图示。然而，垂直屏蔽结构218的数目也可以多于两个。在一些实施例中，垂直屏蔽结构218包括通孔。通孔通过在绝缘材料中蚀刻孔并将钨或其他导电材料沉积在蚀刻孔中形成。通孔用于制成半导体装置200的各个金属或其他导电层之间的垂直导电连接。例如，参考图2，通孔218使导电层208和导电层206A相互连接。
多个垂直屏蔽结构218可按不同配置布置以实现最大的屏蔽效果。图3A是图示垂直屏蔽结构218的示例性配置的顶视图的图。如图3A中所示，多个垂直屏蔽结构218(如通孔)可以按矩形布局布置为包围测量电极204和半导体装置200的其他噪声敏感部分。然而，其他配置形状也可使用。例如，多个垂直屏蔽结构218可以布置在包围测量电极204和半导体装置200的其他噪声敏感部分的同心环中。
图3B是图示垂直屏蔽结构218的另一示例性配置的顶视图的第二图。在该配置中，多个垂直屏蔽结构218布置在多个同心正方形或同心环中，例如，两个同心正方形。在一些实施例中，一个环中的垂直屏蔽结构218与不同环中的垂直屏蔽结构218偏离，即垂直屏蔽结构218的环不一起对准。虽然包围半导体装置200的噪声敏感部分的单一连续屏蔽壁可以提供良好的屏蔽效果，但是因为各种设计或技术约束，这种屏蔽壁的实现方式可能不可行。如图3B中所示，通过将垂直屏蔽结构218的一个环偏离于另一环，屏蔽效果接近于通过形成包围半导体装置200的噪声敏感部分的单一连续屏蔽壁所实现的效果。
继续参考图2，作为顶部屏蔽物一部分的导电层208可以水平和径向向外分别在由箭头218和220所指示的方向上扩展。以这种方式向外扩展导电层208创建顶边缘或遮棚屏蔽，其可进一步防止一些干扰通过多个垂直屏蔽结构218之间的多个缝隙。
在一些实施例中，上面描述的导电层208的扩展量可相对于多个垂直屏蔽结构218的密度折衷。通孔通常用钨制成，并且当通孔更密集分布时，抛光钨变得更有挑战性。因此，在一些实施例中，在导电层208进一步向外扩展以形成扩张的顶边缘或遮棚从而防止一些干扰渗入多个垂直屏蔽结构218之间时，多个垂直屏蔽结构218可以被安置得进一步分散。
在一些实施例中，形成半导体装置200的集成屏蔽物的一些导电层或氧化层被用于形成电容器。例如，如图2中所示，M5’和M5之间的氧化层210形成电容器222。在一些实施例中，半导体装置200需要用于各种目的的电容器。例如，半导体装置200中的积分放大器可能需要可由电容器222提供的电容。
图4是图示具有集成噪声屏蔽物的半导体装置400的实施例的剖视图的图。集成噪声屏蔽物包围并屏蔽半导体装置400的易受不同噪声源影响的部分。
集成噪声屏蔽物包括底部屏蔽物。继续参考图4，底部屏蔽物包括安置在半导体装置400的易受噪声影响的部分(包括包含有源半导体电路的层404)下方的衬底层402。
集成噪声屏蔽物包括顶部屏蔽物。在本实施例中，顶部屏蔽物包括导电液体屏蔽物214，其沉积在半导体装置400的易受噪声影响的部分(包括生物样本202)上方并将其覆盖。导电层406(例如M6)不能与导电液体屏蔽物214接触。因此，导电层406覆盖有氧化物层216以使其绝缘于导电液体屏蔽物214，如先前描述的，导电液体屏蔽物214可以是电解质水溶液。
集成噪声屏蔽物进一步包括侧屏蔽物。侧屏蔽物包括多个垂直屏蔽结构218(例如，通孔)，其形成基本上包围半导体装置400的噪声敏感部分的侧壁。
多个垂直屏蔽结构218可以按不同配置布置以实现最大的屏蔽效果。例如可以使用与图3A和图3B中的配置相似的配置。
继续参考图4，导电层406可以径向向外分别在由箭头408和410指示的方向上扩展。以这种方式向外扩展导电层406创建了顶边缘或遮棚，顶边缘或遮棚防止一些干扰渗入多个垂直屏蔽结构218之间。在一些实施例中，上面描述的导电层406的扩展量可相对于多个垂直屏蔽结构218的密度折衷。
虽然为了理解清楚的目的而已经相当详细地描述了前述实施例，但是本发明不限于所提供的细节。存在许多实现本发明的替代方式。所公开的实施例是说明性的并且不是限制性的。

Claims (22)

1.一种具有集成噪声屏蔽物的装置，包括：
基本上包围半导体装置的多个垂直屏蔽结构；以及
位于所述半导体装置上方的、基本上充满导电流体的开口；
其中，所述多个垂直屏蔽结构和所述导电流体屏蔽所述半导体装置免受环境辐射的影响。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：位于所述半导体装置下方的导电底部屏蔽物，其屏蔽所述半导体装置免受环境辐射的影响。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述导电底部屏蔽物包括金属层。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述导电底部屏蔽物包括衬底层。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述开口被配置为允许将生物样本引入至所述半导体装置中。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述垂直屏蔽结构包括多个通孔，其中，多个通孔中的每个将多于一个的导电层连接在一起。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个通孔被布置在围绕所述半导体装置的单一同心环中。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个通孔被布置在多个同心环中，并且其中，第一通孔环中的通孔偏离于第二通孔环中的通孔。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述导电流体包括电解质。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括纳米孔装置，并且其中，所述纳米孔装置包括纳米孔阵列的单一单元。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括形成所述集成噪声屏蔽物一部分的导电层；其中，所述导电层位于所述多个垂直屏蔽结构的上方，并且其中，所述导电层从所述多个垂直屏蔽结构水平且径向向外扩展，以屏蔽环境辐射免于通过所述多个垂直屏蔽结构之间的多个缝隙。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括形成所述集成噪声屏蔽物一部分的多于一个的导电层；并且进一步包括在所述多于一个的导电层之间的氧化层，并且其中，所述氧化层被配置为形成电容器。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步包括使导电层绝缘于所述导电流体的氧化层。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述氧化层被配置为形成电容器。
15.一种用于屏蔽装置免受噪声影响的方法，包括：
提供基本上包围半导体装置的多个垂直屏蔽结构；以及
提供位于所述半导体装置上方的、基本上充满导电流体的开口；
其中，所述多个垂直屏蔽结构和所述导电流体屏蔽所述半导体装置免受环境辐射的影响。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：提供位于所述半导体装置下方的导电底部屏蔽物，其屏蔽所述半导体装置免受环境辐射的影响。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述开口被配置为允许将生物样本引入至所述半导体装置中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述垂直屏蔽结构包括多个通孔，其中，所述多个通孔中的每个将多于一个的导电层连接在一起。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个通孔被布置于围绕所述半导体装置的单一同心环中。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多个通孔被布置于多个同心环中，并且其中，第一通孔环中的通孔偏离于第二通孔环中的通孔。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述导电流体包括电解质。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，所述装置包括纳米孔装置，并且其中，所述纳米孔装置包括纳米孔阵列的单一单元。
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