CN1926428A - 用于测量生物构造的场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对活的细胞或类似的生物构造进行测量的装置，它具有一个场效应晶体管(1)，此晶体管在基片上具有一个源极、一个漏极和一个使它们彼此连接的沟道区(4)，在沟道区上设置一个栅极(8)。此栅极(8)具有至少两个侧向相邻排列的电极区(10)，所述电极区垂直于沟道区(4)连接源极(3a)和漏极(3b)的方向相互间隔一段距离，并相互电绝缘。

Description

用于测量生物构造的场效应晶体管
本发明涉及一种对生物构造、尤其是对活的细胞进行测量的装置，其具有至少一个场效应晶体管，此场效应管在一基片上具有一个源极、一个漏极和一个将它们相互连接的沟道区，在沟道区上设置有一个栅极，它通过一个薄的绝缘层与沟道区电气隔离。
DE 196 235 17 C1公开了一种这样的装置，它具有一个场效应晶体管，其中栅极通过一个导体条与一个被电绝缘体围绕、开放的接触面(pad)导电地连接，其尺寸适合于与一个位于营养液中的活生物细胞相连接。采用这种装置，可以在细胞外测量接触面上的细胞，尤其是一个神经细胞或肌肉细胞的活动电位。场效应晶体管有一个由硅构成的基片，在基片中嵌入一个第一载流子类型的池形半导体层。在这个半导体层中设置掺杂的漏极区和源极区，在它们之间构成一个沟道区。在沟道区上设置一个薄的绝缘层，并在此绝缘层上设置栅极。栅极由多晶硅构成并且覆盖整个沟道区和漏极及源极的边缘。栅极构成一个等电位面，它在整个从漏极到源极延伸的沟道长度上分配加于其上的电位，从而在场效应管饱和工作时，如果自由载流子沿着沟道长度非对称单侧分布在沟道区中，则此电位也抵达沟道区具有其最大灵敏度的位置。然而这种装置有以下缺点：当与栅极相连接的接触面仅仅部分地被细胞覆盖，使得细胞所在的营养液与接触面的其余部分相接触时，其测量灵敏度严重降低。测量灵敏度的降低首先使得由生物细胞基本上电容性耦合到接触面进而也耦合到栅极的电压对应于一个具有高的源阻抗的等效电压源的输出电压。因为由于营养液中所含的离子，营养液相对于源阻抗来说阻抗相对较低，当等效电压源被营养液的电阻抗加载时，加在栅极上的测量信号相应减小。被测量的细胞信号实际上被位于参考电位上的营养液短接，即电压的多余部分不加在栅极上，而是加在等效电压源的源阻抗上。此外缺点还在于，由栅极、导体条和接触面构成的排列具有相对大的与营养液的电容量，从而使测量信号进一步减弱。
所以本发明目的在于给出一种如本说明书开始处所述类型的装置，其中测量信号由于栅极与被测生物构造置于其中的营养液相接触而减小的危险得以降低。
上述任务由此来解决：栅极至少具有两个侧向相邻排列的电极区，它们垂直于沟道区连接源极和漏极的方向相互有间隔地设置，并且相互电绝缘。
因此栅极以具有优点的方式被分成多个相互电绝缘的电极区，它们垂直于源极和漏极彼此连接的方向，即对应于沟道区中的直线的电流流动方向彼此排列。如果一个置于营养液中的生物构造(借助于场效应晶体管对其进行测量)仅仅部分地覆盖栅极，则栅极的至少一个第一电极区与营养液直接接触，并且至少一个第二电极区完全被生物构造所覆盖并从而相对于营养液密闭，从而避免了在第一和第二电极区之间的直接电位均衡，并避免了加在第二个电极区上的测量电压被与第一电极区相接触的、处于参考电位的营养液的电阻抗所加载。此外通过划分栅极电极还相对于具有单个栅极的装置降低了测量信号被寄生电容电容性加载的危险。如果生物构造只部分地覆盖栅极的话，这种装置具有优点地可以具有相对高的测量和检测灵敏度。各个电极区上的电位尤其在场效应晶体管工作在饱和区时可以分别被耦合到沟道区的具有其最大灵敏度的各个部分区域中。具有优点地如此设计所述装置，使得被测生物构造可以直接固定在栅极上。该装置使得在生物构造上以高阻引出信号成为可能。
具有优点的是此装置具有至少三个，尤其是至少五个，并且最好是至少七个电极区，它们彼此相邻地排成一列。当生物构造只部分地覆盖栅极时，通过生物构造相对于栅极的不同排列可以获得更高的测量灵敏度和测量可靠性。
在本发明的一个优选实施方式中，围着沟道区的漏极和源极边缘相互平行，并且彼此相邻的电极区的彼此相对的电极边缘分别垂直于围绕沟道区的漏极和/或源极的边缘。相互邻接排列的电极区之间的分界线沿着电流在沟道中流动的方向前进。这样各个电极区上施加的电位之间的负面影响被有效地避免了。
在本发明的一个有利的实施方式中，在漏极和源极上分别设置一个最好构造成氧化物层的电绝缘层，其厚度比绝缘层的厚度大至少10倍，必要时为30倍，最好是50倍，其中电极区和必要时的绝缘层分别侧向直接临界于绝缘层对着沟道区的边缘。通过这一措施，可以进一步减小测量中与营养液接触的设备表面和与这些表面相隔开的源极区及漏极之间的寄生电容。
具有优点的是，各个电极区分别覆盖沟道区的面积小于或等于可固定在栅极上的生物细胞的点状触点的面积，并且具有优点的是，各个电极区分别覆盖在沟道区上的面积特别是在0.5μm2和5μm2之间。这样可以在活的细胞上得到测量信号，这些细胞具有不同的大小和/或相对于栅极在不同位置上，得到更高的测量灵敏度和可靠性。
在本发明的一个合乎目的的设计中，绝缘层被设计为硅氧化物层，尤其是二氧化硅层，并且栅极被设计为贵金属层，尤其是钯层，其中在绝缘层和栅极之间设置一个多晶硅层，它在相邻设置的电极区之间的中间地带分别中断，并且在多晶硅层和贵金属层之间设置一个与它们相互连接的贵金属硅化物层。于是在加工此装置时栅极可以通过中间层的介入被构造。为此在场效应晶体管中首先在掺杂的半导体层(它可以由基片或基片上的池形区域构成)上产生源极区和漏极区以及沟道区，以便接着在沟道区上产生电绝缘的硅氧化物层(栅极氧化物)。然后在此层上整个敷设一个多晶硅层，接着它被如此构造，使得它只出现在以后放置栅极的位置上。
现在在基片上敷设用于构成导体条的结构层。在导体条层的各层之间设置电绝缘层。一个钝化层作为保护层被敷设。然后在多晶硅所在位置上腐蚀出凹槽，它们一直延伸到用于阻止腐蚀的多晶硅层。如果栅极仅仅部分覆盖凹槽的底部，多晶硅层被构造在凹槽中。接着整个面被敷设一个由贵金属构成的金属化层。在接着的热处理中硅从多晶硅层扩散到贵金属层，并且在被贵金属层的表面隔开的贵金属层的区域中形成贵金属硅化物层。这样贵金属比附着在其它表面上更好地附着在多晶硅层上，使得它可以按照多晶硅层的结构用机械方法，如借助于超声波被构造。这里贵金属只在不与多晶硅层形成接触的位置处被剥离。
本发明的装置最好被如此构造，使得生物构造可以与设置在沟道区上的栅极直接接触，即在测量过程中生物构造最好直接位于沟道区上方栅极背对沟道区的侧面上。这样在栅极上有较小的寄生电容。为此目的，栅极最好与盛装生物构造且必要时盛装包含生物构造的营养液的测量室或一个池相毗邻。
在本发明的范围内还存在以下解决方案：其中各个电极区分别通过一个导体条与一个电接触单元(衬垫)相连接，此单元用于与放置在一个与栅极相隔开的生物构造放置区中的生物构造相接触。在原来的场效应晶体管与生物构造在空间上分离时，这种实施方式是特别具有优点的。
在本发明的一个合乎目的的实施方式中，此装置具有多个场效应晶体管，其中在一个公共半导体基片上的场效应晶体管最好以矩阵形式相邻地排列。此装置使得可以在生物构造上进行有地点分辨力的测量信号采集。
在本发明的一个具有优点的实施方式中，栅极的至少一个电极区和/或一个除了此电极区之外与此电极区相邻的激励电极与用于生物构造的电激励装置相连接。此激励装置具有一个电压源，它可通过一个电气开关与电极区和/或激励电极相连接。借助于此装置可以在具有多个相互联网的神经细胞的细胞结构上研究电信号的传播和/或细胞结构内部的信号模型。为此首先一个电激励电位被加在至少一个电极区上和/或加在激励电极上，紧接着被拿开，以便随后借助此电极区测量细胞对此激励电位的响应。
下面借助附图详细说明本发明的一个实施例。附图中：
图1是用于实现对生物构造的测量的装置所具有的一个场效应晶体管的三维局部视图，其中所述装置在场效应晶体管区域内以剖面图被示出，
图2是图1所示装置在场效应晶体管区域内的顶视图，其中可看到被构造的栅极层，
图3是处于使用状态下的装置的局部顶视图，以及
图4是所述装置的一个剖面图，其中简要示出寄生电容。
用于对活的生物构造进行细胞外部的细胞电位测量的装置具有一个半导体芯片，在芯片中集成有至少一个场效应晶体管1，它与一个图中未详细示出的测量放大器相连接。在图1所示实施例中半导体芯片具有一个掺杂的、第一载流子类型的半导体层2，它由半导体芯片的基片构成。然而也可想像其它实施例，在其中半导体层2作为池形的掺杂区(井)被嵌入到半导体基片中。
当晶体管连接到测量放大器时，在半导体层2上设置第二载流子类型的掺杂区，由这些掺杂区形成晶体管1的源极区3a和漏极区3b。由图1可见，源极3a和漏极3b嵌入到半导体层2的表面中，并且由位于它们之间的一个沟道区4侧向上相互隔开。在远离沟道区4的一个位置上源极3a与一个源极接点5a相连接，漏极3b与一个漏极接点5b相连接，它们连接到测量放大器。在图1右侧可见，源极接点5a还连接于半导体层2(基片)上。
在沟道区4上设置绝缘层6，它被构造为薄的氧化物层，并且在整个沟道区上伸展，两侧延伸到源极3a及漏极3b的分界边缘区7a，7b。在此绝缘层6上敷设一个图中未详细示出的被构造的多晶硅层，在此层上面设置一个整体用8表示的栅极，它通过金属化构成。金属化由一种防腐蚀的贵金属，最好是钯构成。在从多晶硅层到栅极8的过渡区中构造一个金属硅化物层。栅极8从而很好地附着在多晶硅层上或与它牢固地结合。栅极8直接与放置空间9相邻，此空间用于放置位于营养液15中的活细胞14。
由图1可特别好地看到，栅极8具有多个侧向相邻排列的电极区10，它们平行于半导体芯片的延伸平面并在垂直于图1中用双箭头11指示的方向，在此方向上沟道区4使源极3a与漏极3b相连接，所述电极区相互间隔一段距离，并在电气上相互绝缘。各个电极区10分别被大致构成矩形，并且在方向11上不中断地在沟道区4上方延伸，沟道区4在方向11上连接源极3a和漏极3b。由图2可见，电极区10分别用其一端覆盖源极3a临界沟道区4的边缘区7a，并用其相对的另一端覆盖漏极3b临界沟道区4的边缘区7b。
彼此相邻的电极区10分别被一个狭长的中间空间相互隔开，所述中间空间在半导体芯片顶视图中分别垂直于源3a和源3b与沟道区4分界的边缘前进。电极区10平行于这些边缘相互排列在一直线上，从而整体上给出一个大致呈矩形的、由多个排成一列的电极区10组成的稍长的栅极8，其尺寸与生物细胞相匹配。由图2可见，源极3a和漏极3b分别不中断地在栅极8的所有电极区10上方延伸。
在源极3a和漏极3b上与沟道区4有间距地分别设置一个电绝缘层12a，12b，它们被构造为厚氧化物层(场氧化物层)，并有比绝缘层6更大的厚度。电极区10和绝缘层6侧向以其一端分别与源极3a上的绝缘层12a分界，并以其另一端与漏极3b上的绝缘层12b分界。在绝缘层12a，12b上设置一个钝化层13作为保护层，它的末端与栅极8有一段距离，因此栅极是可接触的。
图3示出处于使用状态的装置的顶视图。可以清楚看到，一个生物细胞14被固定在半导体芯片的表面上，该生物细胞置于营养液15中(图4)，它通过一个图中未详细示出的参考电极而处于一个电气参考电位上，例如施加到源极接点5a的电位上，该细胞14如此相对于栅极8定位，使得它完全覆盖某些电极区10。同时该细胞如此附着在这些电极区10和围绕它们的、相对于电极区10电绝缘的半导体芯片表面区上，使得该细胞14相对营养液15密封这些电极区10。其余的电极区10具有与营养液15的至少区域性的接触，并从而处于加在营养液15上的参考电位上。由于栅极8被划分成多个电极区10，避免了从细胞14经细胞膜耦合到被细胞14相对于营养液15密封的电极区10的细胞电位被拉到相对较低的参考电位上。因此该装置使得在栅极8仅部分地被细胞14覆盖时也可以实现对细胞电位变化的精确测量。
图4以等效电路图的形式简要示出由此装置在细胞14所覆盖区域中所形成的电容。可以清楚看到，等效电容CFox的为由绝缘层12a，12b形成的电容，等效电容CPass为由钝化层13被细胞14所覆盖的区域形成的电容，CFox的电容器板和CPass的电容器板分别被相互隔开的距离比用作由栅极8形成的电容的等效电容Cox的电容板隔开的距离远得多。因此电容CFox和CPass明显小于栅极8的总电容。由于栅极被分成多个在半导体芯片上相互电绝缘的电极区，它们通过电容Cox作用到测量信号上的电容性负载相对较小。因此该装置可以有整体上很高的测量灵敏度，并以宽带方式进一步无失真地获取测量信号。
此外在图4中可看到一个欧姆等效电阻RSeal，它等效于封闭电阻，细胞膜区域排列在细胞的接触面区域内，并且与接触面区域的边缘相互隔开，细胞膜区域通过所述电阻与形成在钝化层13的位于细胞的涂敷面区域外的区域与半导体层2之间的电容相连接。当细胞14被放在钝化层上时，细胞14封闭钝化层13的表面。在图4中为清楚起见，细胞膜与钝化层13之间的距离被显著放大示出。

Claims (11)

1.用于对生物构造、尤其是活的细胞进行测量的装置，其具有至少一个场效应晶体管(1)，此晶体管在基片上具有一个源极、一个漏极和一个使它们彼此连接的沟道区(4)，在沟道区上设置一个栅极(8)，所述栅极通过一个薄的绝缘层(6)与沟道区(4)电气绝缘，其特征在于，栅极(8)具有至少两个侧向相邻排列的电极区(10)，所述电极区垂直于沟道区(4)连接源极(3a)和漏极(3b)的方向，相互间隔一段距离，并相互电绝缘。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，至少三个，尤其是至少五个，最好是至少七个电极区(10)相邻排列成一列。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，漏极(3a)和源极(3b)与沟道区(4)分界的边缘大致相互彼此平行，并且彼此相邻的电极区(10)的彼此相对的电极边缘分别大致垂直于漏极(3a)和/或源极(3b)与沟道区(4)分界的边缘前进。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，在漏极(3a)和源极(3b)上分别设置一个最好构造成氧化物层的电绝缘层(12a，12b)，其厚度比绝缘层(6)的厚度大至少10倍，必要时为30倍，最好为50倍，并且电极区(10)和必要时的绝缘层(6)在侧向分别直接与绝缘层(12a，12b)对着沟道区(4)的边缘相临界。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，单个电极(10)分别覆盖在沟道区(4)上的面积小于或等于可固定在栅极上的生物细胞(14)的点状触点的面积，并且最好在0.5μm2和5μm2之间。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，绝缘层(6)被构造成硅氧化物层，尤其是二氧化硅层，栅极(8)被构造成贵金属层，尤其是钯层，在绝缘层(6)和栅极(8)之间设置一个多晶硅层(8)，所述多晶硅层在位于相邻电极区(10)之间的中间空间内分别被中断，并且在多晶硅层(8)与贵金属层之间设置一个使它们彼此连接的贵金属硅化物层。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，栅极直接临界于用于盛装生物构造和必要时盛装包含生物构造的营养液的测量室或一个池。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，各个电极区(10)分别通过一个导体条连接于一个电接触单元，此单元被设置用来与一个放置在一个与栅极(8)相间隔的生物构造放置区中的生物构造接触。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，它具有多个场效应晶体管(1)，并且这些场效应晶体管(1)最好以矩阵形式彼此相邻地排列在一个公共的半导体基片上。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，栅极(8)的至少一个电极区(10)和/或一个除了电极区之外与此电极区相邻的激励电极与用于生物构造的电激励装置相连接。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置的应用，该装置用于在细胞外测量生物细胞的信号，尤其是测量细胞电位变化。
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