具有3D孔道的ISFETs传感结构的制作方法

过孔环包括多个金属层，所述金属层沿所述金属-过孔环的轴向排布且相邻金属层之间填充绝缘层；
14.相邻金属层之间通过至少一个过孔连接，所述过孔设置于所述绝缘层中。
15.在一可选实施例中，所述绝缘层的材料为二氧化硅；所述金属层的材料与所述过孔的材料相同。
16.在一可选实施例中，所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层的上表面积小于其他金属层的上表面积。
17.在第三实施例中，本技术提供一种具有3d孔道的isfets传感结构，包括：
18.一具有3d孔道的传感芯片，包括：
19.一芯片；
20.一孔道，贯穿所述芯片；
21.一金属-过孔环，所述金属-过孔环的外侧表面与所述孔道的内壁贴合，所述金属-过孔环包括多个金属层，所述金属层沿所述金属-过孔环的轴向排布且相邻金属层之间填充绝缘层；
22.多个离子敏场效应晶体管，与所述多个金属层一一对应连接。
23.在一可选实施例中，所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层的上表面积小于其他金属层的上表面积。
24.在第四实施例中，本技术提供另一种具有3d孔道的isfets传感结构，包括：
25.一具有3d孔道的传感芯片，包括：
26.一芯片；
27.一孔道，贯穿所述芯片；
28.一金属-过孔环，所述金属-过孔环的外侧表面与所述孔道的内壁贴合，所述金属-过孔环包括多个金属层，所述金属层沿所述金属-过孔环的轴向排布且相邻金属层之间填充绝缘层；
29.相邻金属层之间通过至少一个过孔连接，所述过孔设置于所述绝缘层中；
30.一离子敏场效应晶体管，所述离子敏场效应晶体管的栅极与所述多个金属层中的一个连接。
31.在一可选实施例中，所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层的上表面积小于所述多个金属层中的其他金属层的上表面积。
32.在一可选实施例中，所述离子敏场效应晶体管的栅极与所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层连接。
33.在第五实施例中，本技术提供一种检测装置，包括：
34.一检测池；
35.一具有3d孔道的isfets传感结构，设置于所述检测池中，将所述检测池分隔为第一空间和第二空间；该具有3d孔道的isfets传感结构为本技术提供的任一具有3d孔道的isfets传感结构；待测溶液可从所述第一空间经所述具有3d孔道的isfets传感结构的金属-过孔环流入所述第二空间；
36.一个参比电极和一个工作电极，分别设置于所述第一空间和所述第二空间内；
37.信号处理电路，与所述具有3d孔道的isfets传感结构、所述工作电极及所述参比
电极分别连接，用于根据具有3d孔道的isfets传感结构、所述工作电极及所述参比电极的电势信号输出待测溶液中的带电离子对应的电信号。
38.本技术提供的具有3d孔道的传感芯片的内部包含纵向的孔道，利用该具有3d孔道的传感芯片设计的具有3d孔道的isfets传感结构和检测装置结合isfet和孔道检测技术，利用孔道的空间限域效应实现不以减小传感面积、增大噪音为代价的高灵敏、高精度检测，同时可以通过具有3d孔道的isfets传感结构快速获得粒子的带电性质、粒子类型等关键信息，提高响应速度。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本技术第一实施例的具有3d孔道的传感芯片的结构示意图。
41.图2为本技术第一实施例的金属-过孔环的结构示意图。
42.图3a为本技术第一实施例的金属-过孔环的第二种结构示意图。
43.图3b为本技术第一实施例的金属-过孔环的第二种结构的另一角度的示意图。
44.图4为本技术第二实施例的金属-过孔环的结构示意图。
45.图5为本技术第二实施例的金属-过孔环的另一种结构示意图。
46.图6a为本技术第三实施例中的具有3d孔道的isfets传感结构的示意图。
47.图6b为本技术第三实施例中的离子敏场效应晶体管与金属层的连接示意图。
48.图7为本技术第四实施例中的离子敏场效应晶体管与金属层的连接示意图。
49.图8为本技术提供的一种检测装置的示意图。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.《第一实施例》
52.本技术在第一实施例中提供一种具有3d孔道的传感芯片，如图1所示，该传感芯片包括：芯片1、孔道2以及金属-过孔环3。
53.其中，芯片1为现有技术中常用的芯片，其半导体介质材质为二氧化硅；孔道2贯穿所述芯片1，从图1中可以看出，孔道2的开口面积小于芯片1的面积；金属-过孔环3设置于孔道2内，且金属-过孔环3的外侧表面与所述孔道2的内壁紧密贴合在一起，金属-过孔环3中央有一环孔，贯穿芯片3，该环孔可利用rie仪器制造。图1中显示的孔道2和金属-过孔环3的环孔均为方形，实际应用时，可以综合考虑需、成本和工艺的复杂程度，将孔道2和金属-过孔环3的环孔截面设计为圆形或其他任意形状，图1仅提供一种示例，并非对本技术的限制。
54.金属-过孔环3的结构如图2所示，图2为金属-过孔环3内侧表面的结构示意图，即
金属-过孔环3的环孔内壁结构示意图。从图2可以看出，金属-过孔环3沿其轴向依次排布有多个金属层31，相邻的金属层31之间填充绝缘层32。绝缘层32采用与芯片的半导体介质相同的材质(如二氧化硅)。实际应用时，金属层31和绝缘层32的材质取决于芯片的制造工艺。金属层31的数量同样由芯片的制造工艺决定，例如使用0.18工艺生产得到的金属层数量为6，参见图2至图3b。本实施例示出的6层金属层仅作说明之用，并非用以限定本发明。
55.使用本实施例的具有3d孔道的传感芯片对待测溶液进行检测时，待测溶液可流经传感芯片上金属-过孔环的环孔，与金属-过孔环内侧表面的金属层接触，也即金属-过孔环内侧表面的金属层表面即用于传感的金属面。
56.在一可选实施例中，所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层的上表面积小于其他金属层的上表面积。
57.具体地，如图3a和图3b所示，假设实际应用中按照待测溶液的流动方向，待测溶液最先经过的金属层为顶层金属311，则顶层金属311的上表面积要小于金属-过孔环3中的其他金属层31的上表面积(这里的“上表面”以图3b中的方向为参考)。需要说明的是，此处金属层的上表面积指的是从金属-过孔环3的轴向方向看到的金属层的面积，即图3a中示出的金属层的面积，而图5中所示的是金属层31的侧面积。这样的设计可以排除该3d芯片的传感功能来源于顶层金属311的表面的嫌疑，而使其传感功能来源于金属-过孔环3的环孔内壁的金属层的侧面。
58.本实施例的具有3d孔道的传感芯片通过在芯片上打孔道，并在孔道内部设置包含有多个金属层和绝缘层的金属-过孔环，使溶液从金属-过孔环的环孔中通过，与环孔内壁的金属层接触，实现传感。本技术的多层金属的结构设计增加了离子检测技术的空间分辨率及流速信息。
59.《第二实施例》
60.在第二实施例中，本技术提供另一种具有3d孔道的传感芯片，该传感芯片的结构示意图与第一实施例中的具有3d孔道的传感芯片类似，因此参照图1的结构即可。如图1所示，该具有3d孔道的传感芯片包括：芯片1、孔道2以及金属-过孔环3。
61.与第一实施例类似，第二实施例中的芯片1为现有技术中常用的芯片，其材质为二氧化硅；孔道2贯穿所述芯片1，从图1中可以看出，孔道2的开口面积小于芯片1的面积；金属-过孔环3设置于孔道2内，且金属-过孔环3的外侧表面与所述孔道2的内壁紧密贴合在一起，金属-过孔环3中央有一环孔，贯穿芯片3，该环孔的尺寸为微米级，可利用rie仪器制造。图1中显示的孔道2和金属-过孔环3的环孔均为方形，实际应用时，可以综合考虑需、成本和工艺的复杂程度，将孔道2和金属-过孔环3的环孔截面设计为圆形或其他任意形状，图1仅提供一种示例，并非对本技术的限制。
62.第二实施例与第一实施例的不同之处在于，金属-过孔环3的结构不同。如图4所示，第二实施例的金属-过孔环3的内侧表面的结构(即金属-过孔环3的环孔内壁结构)包括沿金属-过孔环3的轴向依次排布有多个金属层31，在相邻的金属层31之间填充的绝缘层32，以及连接相邻金属层31且设置于对应的绝缘层32中的过孔33。过孔33的部分表面暴露在所述金属-过孔环3的内侧表面。其中，相邻金属层31之间设置的过孔33的数量为至少一个，本技术不对过孔33排布方式、排布位置以及形状进行限制，图4仅为说明之用。实际应用中，过孔33的数量最好为多个，以增加离子检测技术的空间分辨率及流速信息；但过孔33的
数量同时也受到芯片的设计规则(design rule)及生产工艺的限制。过孔33的形状也取决于芯片的生产工艺。
63.金属层31和过孔33采用相同的材质，绝缘层32采用与芯片的半导体介质相同的材质(如二氧化硅)。实际应用时，金属层31和绝缘层32的材质取决于芯片的制造工艺。金属层31的数量同样由芯片的制造工艺决定，例如使用0.18工艺生产得到的金属层数量为6，参见图3a、图4和图5。本实施例示出的6层金属层仅作说明之用，并非用以限定本发明。
64.使用本实施例的具有3d孔道的传感芯片对待测溶液进行检测时，待测溶液可流经传感芯片上金属-过孔环的环孔，与金属-过孔环内侧表面的金属层以及金属层之间的过孔接触，也即金属-过孔环内侧表面的金属层表面和过孔表面即用于传感的传感面。
65.在一可选实施例中，所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层的上表面积小于其他金属层的上表面积。
66.具体地，如图3a和图5所示(本实施例的具有3d孔道的传感芯片的俯视图与第一实施例中的具有3d孔道的传感芯片的俯视图一致，因此可一并参考图3a)，假设实际应用中按照待测溶液的流动方向，待测溶液最先经过的金属层为顶层金属311，则顶层金属311的上表面积要小于金属-过孔环3中的其他金属层31的上表面积，同时，顶层金属311的上表面积要大于或等于与其连接的过孔331的上表面积(这里的“上表面”以图5中的方向为参考)。需要说明的是，此处金属层的上表面积指的是从金属-过孔环3的轴向方向看到的金属层的面积，即图3a中示出的金属层的面积，而图5中所示的是金属层31的侧面积。这样的设计可以排除该3d芯片的传感功能来源于顶层金属311的表面的嫌疑，而使其传感功能来源于金属-过孔环3的环孔内壁的金属层的侧面以及相邻金属层之间的过孔的侧面。
67.本实施例的具有3d孔道的传感芯片通过在芯片上打孔道，并在孔道内部设置包含有多个金属层和绝缘层的金属-过孔环，使溶液从金属-过孔环的环孔中通过，与环孔内壁的金属层以及相邻金属层之间的过孔接触，实现传感。与第一实施例相比，本实施例的多层金属和过孔的结构设计提高了环孔内壁与溶液接触的传感面的面积。
68.《第三实施例》
69.在第三实施例中，本技术提供一种具有3d孔道的isfets传感结构，如图6a和图6b所示，该isfets传感结构包括：
70.一具有3d孔道的传感芯片，包括：
71.一芯片1；
72.一孔道2，贯穿所述芯片1；
73.一金属-过孔环3，所述金属-过孔环3的外侧表面与所述孔道2的内壁贴合，所述金属-过孔环3包括多个金属层31(和/或311)(参见图6b)，所述金属层31
74.(和/或311)沿所述金属-过孔环的轴向排布且相邻金属层之间填充绝缘层(参见图6b)；
75.多个离子敏场效应晶体管4(参见图6a)，与所述多个金属层一一对应连接(参见图6b)。
76.本实施例中的具有3d孔道的传感芯片与第一实施例中的具有3d孔道的传感芯片对应，可以为第一实施例中提供的任一具有3d孔道的传感芯片。
77.离子敏场效应晶体管4可以为pmos场效应管，每一金属层均通过金属线与一个离
子敏场效应晶体管的栅极连接。
78.本实施例中，相邻金属层之间填充有绝缘层，因此各金属层并不连通，每一金属层的侧面单独作为感测区域对经过环孔的待测溶液中的离子进行检测，由此可以通过对应连接的离子敏场效应晶体管的输出信号获得不同位置上目标粒子的状态，通过粒子的空间、时间信息推算特定粒子的流速。其中，根据离子敏场效应晶体管的输出信号获得不同位置上目标粒子的状态，通过粒子的空间、时间信息推算特定粒子的流速的过程均为比较成熟的现有技术，是本领域技术人员可以获知的，本技术的重点在于对具有3d孔道的传感芯片的结构的改进，故此处不对获得离子敏场效应晶体管的输出信号后的信号处理过程进行过多说明。
79.虽然本实施例中具有3d孔道的isfets传感结构的传感面积仅为各金属层的侧面积，面积较小会牺牲一定的信噪比，但具有3d孔道的isfets传感结构的空间分辨率得到了有效提高。
80.《第四实施例》
81.在第四实施例中，本技术提供另一种具有3d孔道的isfets传感结构，如图6a和图7所示，该具有3d孔道的isfets传感结构包括：
82.一具有3d孔道的传感芯片，包括：
83.一芯片1(参见图6a)；
84.一孔道2(参见图6a)，贯穿所述芯片1；
85.一金属-过孔环3(参见图6a)，所述金属-过孔环3的外侧表面与所述孔道2的内壁贴合，所述金属-过孔环3包括多个金属层31(和/或311)(参见图7)，所述金属层31(和/或311)沿所述金属-过孔环的轴向排布且相邻金属层之间填充绝缘层32(参见图7)；
86.相邻金属层之间通过至少一个过孔33(参见图7)连接，所述过孔33设置于所述绝缘层32中；
87.一离子敏场效应晶体管4(参见图6a)，所述离子敏场效应晶体管的栅极与所述多个金属层中的一个连接(参见图7)。
88.本实施例中的具有3d孔道的传感芯片与第二实施例中的具有3d孔道的传感芯片对应，可以为第二实施例中提供的任一具有3d孔道的传感芯片。
89.离子敏场效应晶体管4可以为pmos场效应管，且本实施例仅需使用一个离子敏场效应晶体管，该离子敏场效应晶体管的栅极与金属层中的其中之一连接即可，在一可能的实施例中，所述离子敏场效应晶体管的栅极与所述多个金属层中最先与待测溶液接触的金属层(即顶层金属)连接。本实施例中，相邻金属层之间通过过孔连通，因此，所有金属层的侧面和过孔侧面作为一个整体对经过环孔的待测溶液中的离子进行检测，由此可以通过对应连接的离子敏场效应晶体管的输出信号获得目标粒子的状态(如带电性质等)。其中，根据离子敏场效应晶体管的输出信号获得目标粒子的状态为比较成熟的现有技术，是本领域技术人员可以获知的，本技术的重点在于对具有3d孔道的传感芯片的结构的改进，故此处不对获得离子敏场效应晶体管的输出信号后的信号处理过程进行过多说明。
90.本实施例中具有3d孔道的isfets传感结构的传感面积为各金属层的侧面积与各过孔的侧面积之和，相较于第三实施例的具有3d孔道的isfets传感结构，本实施例的具有3d孔道的isfets传感结构因传感面积的提高，信噪比也会有一定程度的提高，但由于本实
施例中各金属层和过孔作为整体进行检测，因此无法获取待测溶液中各粒子的空间信息和精确的流速信息。
91.《第五实施例》
92.在第五实施例中，本技术提供一种检测装置，如图8所示，包括：
93.一检测池81；
94.一具有3d孔道的isfets传感结构82，设置于所述检测池中，将所述检测池分隔为第一空间83和第二空间84；该具有3d孔道的isfets传感结构为本技术第三实施例和第四实施例中提供的任一具有3d孔道的isfets传感结构；待测溶液可从所述第一空间经所述具有3d孔道的isfets传感结构的金属-过孔环的环孔流入所述第二空间(如图8中的箭头所示的方向)；
95.一个参比电极85和一个工作电极86，所述参比电极85设置于所述第一空间83(或所述第二空间84)内，所述工作电极86设置于所述第二空间84(或所述第一空间83)内；参比电极和工作电极设置于检测池的不同空间内即可；
96.信号处理电路(图中未示出)，与所述具有3d孔道的isfets传感结构、所述工作电极及所述参比电极分别连接，用于根据具有3d孔道的isfets传感结构、所述工作电极及所述参比电极的电势信号输出待测溶液中的带电离子对应的电信号。
97.其中，信号处理电路根据具有3d孔道的isfets传感结构、所述工作电极及所述参比电极的电势信号输出待测溶液中的带电离子对应的电信号为比较成熟的现有技术，是本领域技术人员可以获知的，本实施例的重点在于对具有3d孔道的isfets传感结构的应用场景的描述，故此处不对获得离子敏场效应晶体管的输出信号后的信号处理过程进行过多说明。
98.本技术提供的具有3d孔道的传感芯片的内部包含纵向的孔道，利用该具有3d孔道的传感芯片设计的具有3d孔道的isfets传感结构和检测装置结合isfet和孔道检测技术，利用孔道的空间限域效应实现不以减小传感面积、增大噪音为代价的高灵敏、高精度检测，同时可以通过具有3d孔道的isfets传感结构快速获得粒子的带电性质、粒子类型等关键信息，提高响应速度。
99.本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。
100.在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。