[发明专利]具有一致传感器表面区域的化学传感器

说明书

在一个实施方式中，描述了化学传感器。化学传感器包括化学灵敏的场效应晶体管，其包括具有上表面的浮栅导体。材料限定延伸至所述浮栅导体的上表面的开孔，材料包括在第二电介质下方的第一电介质。导电元件接触所述浮栅导体的上表面并且沿着所述开孔的侧壁延伸一定的距离。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年11月6日提交的美国临时申请号61/900,907和2013年3月15日提交的61/790,866的优先权，其全部内容通过引用以它们的整体并入本文。

技术领域

本公开涉及用于化学分析的传感器，和涉及制造这样的传感器的方法。

背景技术

各种类型的化学传感器已经用于化学过程的检测。一种类型是化学灵敏的场效应晶体管(chemFET)。chemFET包括由通道区域分开的源极和漏极，和偶联至通道区域的化学灵敏区域。ChemFET的运转是基于通道电导的调制，其是由于附近发生的化学反应在灵敏区域的电荷的改变造成的。通道电导的调制改变chemFET的阈值电压，其可被测量，以检测和/或测定化学反应的特征。可例如通过施加适当的偏压电压至源极和漏极，和测量流过chemFET的所得电流测量阈值电压。作为另一实施例，可通过驱动已知电流通过chemFET，和测量在源极或漏极的所得电压。

离子灵敏的场效应晶体管(ISFET)是在灵敏区域包括离子灵敏的层的一类chemFET。分析物溶液中离子的存在改变离子灵敏的层和分析物溶液之间界面处的表面电位，其是由于分析物溶液中存在的离子造成的表面电荷基团的质子化或去质子化。ISFET的灵敏区域处表面电位的改变影响可测量的设备的阈值电压，以指示溶液中离子的存在和/或浓度。ISFET阵列可用于监测化学反应，比如DNA测序反应，其基于反应期间存在、产生或使用的离子的检测。见，例如，2009年12月14日提交的Rothberg等美国专利申请号12/002,291(现美国专利号7,948,015)，其基于2007年8月16日提交的美国临时专利申请号60/956,324，2007年7月10日提交的60/968,748，和2006年12月14日提交的60/870,073的优先权，其通过引用以其整体并入本文。更一般而言，大的chemFET阵列或其他类型的化学传感器可用于检测和测量各种过程中各种分析物(例如氢离子、其他离子、化合物等)的静态和/或动态量或浓度。过程可例如是生物或化学反应、细胞或组织培养或监测天然活性、核酸测序等。

操作大尺寸化学传感器阵列出现的问题是传感器输出信号容易遭受噪声的影响。具体而言，噪声影响用于测定通过传感器检测的化学和/或生物过程的特征的下游信号处理的精确性。另外，横跨阵列的化学传感器性能变化产生传感器输出信号的非期望的差异，其使下游信号处理更加复杂。所以期望提供包括低噪声化学传感器的设备，和制造这样的设备的方法。

发明内容

在一个实施方式中，描述了化学传感器。化学传感器包括化学灵敏的场效应晶体管，其包括具有上表面的浮栅导体；材料，其限定延伸至浮栅导体上表面的开孔，所述材料包括在第二电介质下方的第一电介质；和导电元件，其接触所述浮栅导体的上表面并且沿着所述开孔的侧壁延伸一定的距离。在示例性实施方式中，化学传感器的开孔可包括所述第一电介质中的下部和所述第二电介质中的上部。在另一实施方式中，所述开孔的下部的宽度基本上与所述上部的宽度相同。在仍另一实施方式中，导电元件与开孔的形状共形。在一个实施方式中，导电元件延伸至第二电介质的上表面。在示例性实施方式中，导电元件包括限定所述化学传感器的反应区域下部的内表面，和第二电介质包括限定所述开孔上部的内表面。在示例性实施方式中，导电元件包括导电材料，和所述导电元件的内表面包括所述导电材料的氧化物。在另一实施方式中，所述化学传感器的传感表面包括所述导电元件的内表面。在仍另一实施方式中，化学灵敏的场效应晶体管响应在所述导电元件附近发生的化学反应而产生传感器信号。在一个实施方式中，浮栅导体包括彼此电耦联并且由电介质层分开的多个导体，和浮栅导体是多个导体中的最上导体。