TW201224478A - Methods and apparatus for testing ISFET arrays - Google Patents

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Description

201224478 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請案主張2010年6月30曰申請之美國臨時申請案第 61/3 60,493號及2010年7月1日申請之美國臨時申請案第 61/360,495號的優先權，其内容係以全文引用方式併入本 文中。 【先前技術】 依據目前的研究發現，電子裝置及元件在化學及生物學 (通常稱為生命科學）上可以有許多種應用，特別是應用於 偵測及測量各種生化反應及檢驗’以及偵測及測量各種化 合物’其中之·一是熟知的離子感測場效電晶體（ion-sensitive field effect transistor, ISFET ， 或稱pHFET) ， 其 通常被大專院校及研究單位使用於測量溶液中的氫離子濃 度（即pH值）。 一般而言，離子感測場效電晶體是一種阻抗轉換裝置， 其操作方式與金氧半場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)相似，且其通常係用以選 擇性測量溶液中的離子活性，例如可以將溶液中的氫離子 視為分析物，有關於離子感測場效電晶體之操作的詳細理 論可以參照博夫德發表的論文（「Thirty years of ISFETOLOGY: what happened in the past 30 years and what may happen in the next 30 years，」P. Bergveld, Sens. Actuators，88 (2003)，pp. 1-20)，其係以全文納入本說明書 之範圍。 157327.doc 201224478 另外，羅斯伯格等人在美國專利公開第2〇1〇/〇3〇1398 號、第2〇1〇/〇282617號及第2009/0026〇82號，亦揭露關於 利用習知的互補式金氧半導體（complementary Meui 〇xide t
Semiconductor，CM0S)之製程來製造離子感測場效電晶 體，其係以全文納入本說明書之範圍。除上述互補式金氧 半導體之製程外，還可以使用雙載子金氧半導體⑼一 and CMOS,㈣議狀冑程，此製程會在—p型金氧半場 效電晶體陣列的周圍形成雙載子結構。此外，當然可以應 用其他科技，只要可以形成具有三端子裝置之感測元件即 可’例如為料及奈米碳管技術’其巾，㈣測之離子可 以導致一信號，以便控制三個端子其中之一。 體的製程可以於-p财基板上進行，其中，—n型井㈣ 成於p型石夕基板，以形成電晶體之基體，並且在。型井中幵; 型㈣換雜區域咖，以分別構成離子感測場效/ 电曰曰體之源極料極，料，在η型井中形成—高度_ ㈣摻雜區域Β，以形成與11型井連接之導電基 :然後’在源極”及極與基極連接區域分別形成 性連接(經由電導· 有-多晶.閘極， …卜…S 與〉及極之間，由於此氧化 極與電晶體基體（如η型井）之間，所、 其通常可以作為—閘極氧化層。 日 以 晶體 與金孰半場效電晶體的操作相似，離子感測場效電
S 157327.doc 201224478 的操作是基於由一金氧丰導辦恭六 礼牛導體％谷所形成之電荷濃度調變 (及通道傳導性），此電容是由m極…閘極氧化 層及介於源極與祕之間的—井區域（如n型井）所構成.舍 施加-負電壓於閘極區域與源極區域之間時，可以消耗二 區域中的電子以便在此區域與間極氧化層之介面形成通 道’以-η型井為例，所形成之通道為—p型通道，反之亦 然。另夕卜，在η型井中，所形成之_通道係延伸於源極與 沒極之間，因此當施加於閘極與源極之間的負電位差夠大 時，可以吸引源極的電洞進入通道，藉以形成電流，此 時’使得通道開始產生電流時的閘極與源極電位差係為電 晶體之臨限電塵VTH(當間極與源極電位差〜的絕對值大 於臨限電壓〜時’電晶體會導電），由於源極係作為通過 通道之電何載_型通道之電洞）的來源，所以被稱為源 極，相同地，汲極係為電荷载體離開通道處。 依據羅斯伯格所述，離子感測場效電晶體可以且有一浮 動問極結構，其係利用連接多晶石夕間極與複數個金屬層而 得，其中該等金屬層係設置於一個以上之設置在間極氧化 層之上的氧化層中’由於序動閘極結構係與離子感測場效 電晶體中的其他導體電性隔離，所以被稱料動問極結 構’另外’其係夾設於間極氧化層與一鈍化保護層之間， 其中’鈍化保護層係設置於浮動閘極之一金屬層（如上金 屬層）上方。 另外如羅斯伯格所揭露’離子感測場效電晶體之純化 保護層可形成-離子感測膜，其係能夠提高裝置的離子靈 157327.doc 201224478 敏度；若分析物與鈍化保護層接觸時，位於浮動閘極結構 上方之一感測區域通常能夠改變離子感測場效電晶體之電 J·生特性，因此可以S周變通過離子感測場效電晶體之源極與 汲極間之通道的電流，其中，分析物例如為分析物溶液中 的離子，如一溶液中含有相關之分析物（含離子），或一待 測試溶液以測試是否存在相關之分析物。其中，鈍化保護 層可包括任一種能夠對特定離子提高靈敏度之不同物質， 例如鈍化保濩層可包括氮化石夕或氮氧化石夕，或金屬氧化物 如石夕、叙、或组氧化物，其通常能夠提高對分析物溶液中 氫離子濃度（PH值）的靈敏度；相同地，若鈍化保護層中包 括聚氯乙烯’其含有纈氨黴素，能夠提高對分析物溶液中 卸離子濃度的靈敏度。目前已知可以利用其他適當之物質 來形成純化保護層，藉以提高對其他離子的靈敏度，如納 離子、銀離子、鐵離子、漠離子、碘離子、鈣離子、及硝 -夂風離子等’當然，鈍化保護層以可以包含其他物質，如 $屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物等。針對分析物 冷液與銑化保護層之介面所產生的化學反應而言，在離子 感測场效電晶體之純化保護層中所加人之物質的表面可以 具有化學基團’其可以用來提供質子給分析 ::物!液所提供之質子，其可以在與分析物溶二 保4層的表面上，於任意時間提供負電 或中性位置。 冤何、 以離子靈敏度而言，在純化保護層與分析 固體/液體介面上會產m從之間的 "囬上會產生一電位差（通常稱為表面 s 157327.doc 201224478 係能夠利用其化學反應提供感測離子濃度之功能，其通常 包含氧化物表面基團受到在感測區域附近之分析物溶液中 的離子所影響而產生解離。此表面電位可依序影響離子感 測場效電晶體之臨限電邊，因此，離子感測場效電晶體: 臨限電壓會依據位在感測區域附近之分析物溶液中的離子 變化而變動；如羅斯伯格所述，由於離子感測場效電晶體 =臨限电壓乂作對離子濃度敏感，所以其源極電壓％可以 提七、仏唬，其係直接反應位在離子感測場效電晶體之感 測區域附近之分析物溶液甲的離子濃度。 〜 化學感測場效電晶體（chemFET)陣列，或特別是離子感 測場效電晶體陣列，可以用來監控反應，例如為核酸（如 DNA)疋序反應’其係利用監控在反應過程中分析物的出 現、生成或消耗而達成；一般而言，此陣列(包括大陣列 之化學感測場效電晶體)可以在各種化學及/或生物學製程 (如生化反應、細胞或組織培養或監控、神經活性、核酸 定序等）中’偵測並測量各種分析物之靜態及/或動態數量 或濃度（如氫離子、其他離子、非離子分子或化合物等）， 其可以依據分析物的各種測量結果而得到有價值的資訊。 上述之化學感測場效電晶體陣列可以藉由化學感測場效電 晶體表面之電荷變化而應用於各種分析物之偵測方法及/ 或生化製程之監控方法，其中’化學感測場效電晶體（或 離子感測場效電晶體）陣列之應用可包括制溶液中之分 析物’及/或_附著於化學感測場效電晶體表面（如離子 感測場效電晶體之鈍化保護層）之電荷變化。 357327.doc 201224478 有關於製造離子感測場效電晶體陣列之研究係如米爾古 羅與庫敏所揭露之内容（「A large transistor-based sensor array chip for direct extracellular imaging,」M. J· Milgrew, M. 0. Riehle, and D. R. S. Cumming, Sensors and
Actuators, B: Chemical，111-112,（2005)，pp. 347-353)及米
爾古羅、哈蒙德與庫敏所揭露之内容（「The development of scalable sensor arrays using standard CMOS technology，」M. J. Milgrew, P. A. Hammond，and D. R. S.
Cumming, Sensors and Actuators, B: Chemical, 103, (2004), PP. 37-42)，其係以全文納入本說明書之範圍，其中，化 學感測場效電晶體陣列或離子感測場效電晶體陣列之製造 與在化學制之應用（包含DNA定序相關之離子監測）的敛 述係如羅斯伯格所述，詳言之，羅斯伯格係揭露利用化學 感測場效電晶體陣列（特別是離子感測場效電晶體陣列）來 定序-核酸，纟包括在—反應腔室令將已知的核甘酸與複 數核酸混合後接觸或連接至化學感測場效電晶體，其中， 核酸係在反應腔室中連成一聿.欲 八 曰 串，…、'後測置化學感測場效電 曰曰體之4號，其中，測量此信號表㈣已 酸形成合成核酸時，所釋出之一個以上之氯離子 在習知技術中，測試化學感 感測場效電晶體㈣括電邱料列（如離子 诞工汗， 包括一濕測試方法，1中， 感:===?…化學成一 之液趙流經此陣列《進行二趙::通常措由將-種以上 仃I式，其中，各流體分別具有不 157327.doc 201224478 同之酸驗值，進-步可以讀出陣列中各離子感測場效電晶 體元件之反應’並判斷各元件是否正常運作。雖然，、甚=
試方法具有能夠在較佳之操作條件下測試離子感測場效電 J 晶體之優點，但是濕測試方法在許多環境條件下並不適 用。 舉例而言’濕測試方法在大量生產時是麻填且不實用 的，而且，濕測試方法必須將裝置暴露在流體中，此舉可 能導致裝置的腐蝕，且可能在正常操作之前仍無法完：乾 燥，再者，將裝置暴露於液體中可能導 、_< 守双裒置產生缺陷或 π乐，因此，一旦裝置暴露於流體中， 受此裝置。 ^者通常無法接 因此，提供一種化學感測場效電晶 ,x a 0腹又裒置的乾測試方 式，正疋虽刖的重要課題之一。 【實施方式】 本發明之貫施例揭露一種測試_化學偵測裝置之方法， :中化學偵測裝置包括一畫素元件陣列，各畫素元件包括 子、及一、… 〃具有，原極端子、-汲極端 -群…… 本方法包括下列步驟：共同連接 二 測場效電晶體之源極端子；施加第一、、則噗 电壓於該敎之源極端子 … 力兮笙π &山 像°亥專第一測試電壓而 在…極端子對應產生之第一電流 測試電壓及第—带泣a — 伙嫘忒#第一 弟电机汁鼻電阻值。此外，本發明可以争句 括施加第二測試電壓於該群組之源極端子，以…： 於不同操作子4作該群組 ”中’弟一測试電壓係至少部分依據該 157327.doc 201224478 等電阻值而定；以及測量依據該等 X寸乐一捌試電壓算 及極端子對應產生之第二電流 ° H ^ , L依據上述之第二測試電壓 弟—…以及化學感測場效電晶體之操作特 算 該群組中各化學感測場效電晶體之浮動閉極電壓。- 一=之實？例係揭露一種乾測試方法，其係用以測試 予感測電晶體陣列，各化學 忒別冤日日體分別具有一源 極、一汲極以及一浮動閘極；本 4乃沄a括下列步驟：施加 第一測试電壓於一共同源極， n /、係連接於—群組之化學感 測黾日日體；依據該等第一測 壓及猎由該等第-測試電 ^產生之電流，計算一電阻值.絲y(笛 工片卜 值，施加弟二測試電塵，其 "亥荨第一测試電壓驅動咳！外興、丨 也動°亥#化學感測電晶體而轉變於 複數個操作模式之間，且 ^ 第一 14電壓係至少部分依據該 等计异仔到之電阻值而宏.斗 ^ . ，叶异被驅動之各化學感測電晶 體之序動開極電屡；以θ必丨& Λ、> ϋ斷各洋動閘極電壓是否皆在一 預設臨限值之内。 本發明之貫施例係揭露一 4 , 路種裝置，包括一化學偵測元件 陣列及一測試電路，久/ ρ 各化予偵測元件分別包括一化學感測 %效電晶體，复且古— —…、 +導體基極端子、一源極端子、一 沒極端子 '及—遠叙pq批山 P * ,動閘極缟子，測試電路可包括複數個驅 ;鱼，’端子及t流源，該等驅動電壓端子係分別設置於 I列之周邊，且係輕接於複數個源極端子及複數個基極 端子’電流源係耦接於束 ^ 安π陴列中至少一化學偵測元件之汲極 子，錯以測量一，¾搞兩、去 及極电& ’並將汲極電流轉變為對應之 測量電壓。
157327.doc S 201224478 ，月之實施例係揭露一種測試方法，其係用以測試一 曰曰體’其具有-浮動閘極以及介於此浮動閘極鱼至少一 第一端子與—第二端子其中之—之間的-重疊電容，本方 法^括下列步驟：施加一測試電壓於電晶體之第一端子； 偏壓電晶體之第二端子；測— 則里第一鳊子之一輸出電壓；以 及判辦輸出電壓是否為 ^ — 卬冤楂疋否在一預設範圍之内；其中，通過重疊 電容之測試電壓可以使得電晶體進人—主動模式。 本發明之實施例係揭露一種裝置，包括一偵測元件陣列 及-測试電路，各偵測元件分別包括一場效電晶體，其具 —— __ 第 子以及一重疊電 有浮動閘極、一第一端子 ί疊電容係纟於浮動閘極與至少第一端子與第一 山子/、中之—之間’測試電路包括—驅動電壓端子、一偏 壓電路端子以及-輸出„測量端子，其中驅動電壓端子 係輕接於至少一第—端子，偏壓電路端子係純於至少一 第二端子，輸量端子_接於至少一第二端子。 +本發明之實施例係揭露—種系統與方法，其係用以測試 離子感測裝置，如離子感測場效電晶體裝置，—般而言， 離子感測場效電晶體可以感測形成於其上之微型孔財的 化學成分之變化’此化學變化可以由設置於微型孔洞之流 體中的化學反應而形成。圖竭示—種離子感測場效電晶 體100之示意圖’纟中，離子感測場效電晶體⑽係為一 NMOS裝置，然而’本發明亦可以應用於—ρ刪裝置。 在本實施例中，離子感測場效電晶體⑽係為—具有四個 端子之半導體裝置，其係為—閘極端子i ^ q —沒極端子 157327.doc -12- 201224478 冻極糕子130以及一基極端 穴丁 厂甲 1極端 子11 〇可為一浮動閘極 離子感測場效電晶㈣G可包括—浮_極， 有-微型孔洞，此微型孔洞可以包 …又 皙、，i主二 氧化物（或其他物 ”表面位置可以誘發與某—特定離子之沾人 使得電荷分佈改變，α I# f A 、、口。，包έ 4 文以及使仔表面之電位產生變化，接 者’科感測場效電晶體可以偵測到表面之電位變 二：取:：進行測量’藉以顯示微型孔洞中所含有之離 =趙…感測場 2!。Η測設置於陣列上…：::電晶雜元件陣列 變化量。 之木一液體中的離子濃度之局部 j離子感測場效電晶體⑽之操作方式與標準之金 效電晶體相似，且复可… ，' 換於禝數個操作狀態之間；當 :㈣子感測場效電晶體10。時，例如 於Vds時，電晶體係處於一三 -線性狀態、，在此：極體狀：广，此狀態亦可稱為 W可以定義為：4體“中，通過㈣端子m之電
Id = ^Cox^-^ycs - V,h)VDS - iij ^ , /, 三極體狀態方程式 八’ μη係為-電荷载體有效遷移率係數，&係為每單 位面積之閘極氧化雷交 . 係數，评係為閘極寬度，L·係為閘 極長度，VGS係為閘極端 而子”源極端子之間的電壓，Vth係為 臨限電壓，Vds係為汲極 私于/、源極鳊子之間的電壓；在此
S 157327.doc •13· 201224478 三極體狀態中，電晶體之汲極與源極之間符合歐姆定律， 且沒極電流係未飽和。 當vGS-Vth為正、且小於Vds時，離子感測場效電晶體 100係操作於一飽和狀態，此狀態通常稱為一主動狀態， 在此主動狀態中，通過汲極端子120之電流b可以定義為： 、 飽和狀態方程式 其中，叫係為一電荷載體有效遷移率係數，^係為每單 位面積之間極氧化電容係、數，w係為閑極寬度，L係為間 極長度，V«係為閘極端子與源極端子之間的電壓，％係為 L限電壓，Vds係為汲極端子與源極端子之間的電壓，且入 係為通道長度調變因子。 另外，離子感測場效電晶體1〇〇亦具有一臨限電壓，其 係依據基極電位而^，此基極電位係為基極端子14〇之電 壓且其可以作為一第二閑極此基極效應可以定義為： 〜―八网一糊 基極效應方程式 其中’〜係為具有基板偏壓時的臨限電壓，〜係為零 偏壓臨限電壓’喊為介於源極端子與基極端子之間的電 壓’ γ係為-基極效應參數，且料'為—表面電位參數。 承上所述，離子感測場效電晶體1〇〇可以設置在一畫素 凡件上’且畫素元件可以是—陣列之_部分；圖2顯示一 種裝置携，其具有—離子感測場效電晶體元件陣列210， 陣列210中的各元件可包括-離子感測場效電晶體（如圖i 所示）’當然亦可包括其他電晶體及電子元件。陣列210可 157327.doc 201224478 以具有複數列以及複數攔，且其四邊可以分別具有離子感 測場效電晶體端子連接，其中，其基極連接可以設有一偏 壓電壓，例如陣列210之各邊可分別具有離子感測場效電 晶體之源極連接，詳述如下。 陣列21Git f很大’所以沿著陣狀源極f阻通常依據 電晶體之井電阻與源極之連接而變化，在本發明一實施例 中，離子感測場效電晶體陣列21〇可以藉由取代設置在陣 列周圍之不同位置的基極連接與源極連接通道而測試，其 中，源極連接之電阻可以被校正，藉以判斷所需之浮動閉 極電壓之實際值。 圖3顯示一種本發明較佳實施例之方法300之流程圖，发 係用以測試-離子感測場效電晶體陣列，且不需要將陣列 f流體接觸或鄰設。首先’使裝置進入一測試模式，此 置電路係同時與所有離子感測場效電晶體·極連 j1G) ’例如’时料❹杨效f晶紅源極皆互 連 ^電路"^ _或跳欄方式 連接源極，例如所有奇數列之 ^ 炫你立相連接，且所有傜 數列之源極係互相連接，在此， » _ , β 〜用跳列或跳攔連接之設 置可以疋一結構陣列測 再係用以測試陣列之所古 列與欄之整體性，例如，若且 有 陷而導致-攔之Η互相4 (例如’因製程缺 ♦双一攔之間互相短路），其 -¾- Mk iPJ i =)k y i n方式可以利用驅動 今數攔(非偶數攔)至高位準(可施 動 數欄，以觀宛偶|捫θ $ & ^ Λ、、、後/則量偶 準，列判：：Γ 低位準，若偶數櫚為高位 +則判斷具有缺陷攔存在；。位 在硎試列時，可以先 157327.doc 201224478 驅動某-列’且測量此列m，藉以確保信號是否通 過此陣列，SU匕，此結構陣列測試方法可以測試陣列中各 列與各攔之連接性。除上述之陣列中的離子感測場效電曰 體之源極的連接方式之外，離子感測場效電晶體之沒^ 可以利用其他或相似方式建立其連接。 在建立源極連接之後，接著進行一第—測試（步驟 320) ’其中，—第一測試電壓係施加於此陣歹卜第一測 電Μ可以從裝置之複數個不同側邊輸人’例如為陣列^棚 之-端或陣列之列之一側；舉例而言，第一測試電壓可以 依序輸入各邊。此外，第—測試電壓亦可㈣人互相# 之離子感測場效電晶體之基極端子與源極端子，其中，第 -測試電壓可以包括-起始電壓，其係用以判斷測試晝素 陣列之適當的操作電壓（或偏壓）。 接著’測量得到對應第一測試之第一測量結果(步驟 33〇)’其中’第一測試電壓可以透過連接之㈣子感測場 =電晶體而產生對應之電流，然後測量此電流，本發明之 實施例係提供不同電壓及電流測量結果之範圍，例如，a 設定基極至—偏壓電壓（類比式供應電壓或類比式接^ 壓’其係依據離子感測場效電晶體以则裝置或N咖 裝置而定）時’施加源極與沒極電壓，所得到之没極電泣 可以利用測量電流源而得’其係將所測量之電流轉換二 應電左值在另-施例中，理論上離子感測場效電晶體 之所有基極可以設定至介於類比式供應電壓或類比式接地 電壓之間，而且’ P車列中的所有離子感測場效電晶體之基 157327.doc -16- 201224478 極端子可以設定至具有相同電壓，因此、陣列中的所有離 2感測場效電晶體可以具有相同縫。在另—種測試方法 ，整個陣列中的臨限電壓可以不互相匹配。 依據第-測試電壓值與對應之測量電流，可以計算出源 連接之電阻值(步驟340)’例如，可以計算出源極連接之 + p梯度，其可以顯示出各種測試電壓、所測量之電流與 危阻之間的關係。 /、 =算出源極連接之電阻值後，接著可以建立相對於裝 :彡（如各攔之—端）之基極與源極連接，然:後進行一 步驟350)’在第二測試中，第二測試電壓與電流 1 =加於陣列’其中第二測試電壓可以是一電塵， 不同之操作（或偏壓）電壓點 極連接（偏壓電麼）。在太者始/丨由 了以叹疋基 )在本貝施例中，第二測試電壓與電流 圍之電壓’以便操作離子感測場效電晶體於 餘工 知作模式，如三極體模式及飽和模式。再者， 離子感測場效電晶體亦 者 用基極端子作為第二閉極。基極效果模式，其係利 接著’測量得到對應第二 360)，苴中則忒之弟一測罝結果（步驟 流時;以在I ="^~^第=測試電壓與電 言，參 列上測置得到不同之電流與電塵；舉例而 間時田“電壓位在類比式供應電壓與類比式接地電壓之 間時，施加源極與没_，所 … 測量電流源而得，其係將所測量可以利用 值；依據輪入與測量得到之電㈣為對應電麼 罨&與電流，可以計算得到離 157327.doc •17·
S 201224478 子感測場效電晶體之閘極電壓（步驟370)，詳言之，可以依 據輸入與測量得到之電壓與電流，並利用上述之各種模式 ^操作方程式來計算間極電壓’因此，各離子感測場效電 晶體元件之閘極電壓可以被計算出，並判斷離子感測場效 電晶體是否正常作動。 在本實施例中，步驟350至370可 重複進行，例如在各攔之另一端。在另一實施例中，可以 先增加或減少輸入之電壓與電流後，如増加為兩倍或減為 -半，再重複進行步驟350至370’然後依據調整後之電壓 (偏壓點）計算出閘極電麈，當然，亦可以針對裝置之不同 側邊重複進行此增加或減少之輸入電壓及電流；另外，亦 可以重複進行多次此增加或減少之輸入電壓及電流，且每 次重複步驟中，所輸入之電壓及電流係以—定微小比例變 動然後’在所有重複步驟完成後，可以將所計算得到之 閘極電壓進行平均，以便得到更接近實際值之離子感測場 效電晶體之閘極電壓；接著，將此平均之閉極電壓與一預 ，之臨限範圍進行比較，藉以判斷各離子感測場效電晶體 疋否正“乍動。另外’將位置(如陣列中的X攔、γ列)、各 =感測場效電晶體之閘極電壓、及/或各離子感測場效 曰曰體之操作條件分別靖於—暫存器。此外，還可 供另一電流，以便編程及/或抹除各晝素元件，其係將 離子感测場效電晶體之浮動問 、 β切「甲]徑罨/差進打編程及 除；在部分實施例中，編程及/或抹除之能力可以提供浐 優良之錯誤細圍，然而’編程及/或抹除電路通常需又 157327.doc 201224478 要在較高電壓下進行，因此需要應用較高電壓電路之分離 設計技術以便確保電路元件不受到破壞。 在另一實施例中，除了電壓與電流之外，裝置之溫度亦 可X變化以調變離子感測場效電晶體元件之臨限電壓，藉 由改變溫度的方式，可以得到交替之資料點、並可以用來 °十算離子感測場效電晶體元件之閘極電壓。 另外，個別晝素元件之電路可以具有不同之形式，圖 頌示本土明之貫施態樣之—種雙電晶體（2j)之晝素陣； 40〇,圖中顯示4個晝素元件，其中，晝素陣列可包4 複數個晝素元件術」至4〇1·η，各晝素元件4〇1可包括一崔 子查感測場效電晶體彻及另—電晶體，在本實施例之: Τ畫素中’可以藉由控制及/或測量離子感測場效電晶體3 洋動閘極端子以外的所有節點之方式，以測試陣列。 -圖5顯*本發明之實施騎之-種三電晶體㈣之晝^ =:二其中’晝素元件5〇0可包括-離子感測場效電a1 广固電晶體520及530 ’在本實施例之3·Τ畫清 中’可以藉由控制及/或測量離 閘極端子料料有“之^ . _ 1负即點之方式，以測試陣列。其中，
Sink表示一可控制之電流源，苴 - 測場效電晶體。在本實㈣|φ 供固疋電流至離子感 、 、&例令，能夠配合其他測量 ,，”占，以便更精讀地計算 、 庙“ 才閘極'壓’當然，本發明之實施例 亦可以應用其他變化之晝素電路。 本：明較佳實施例之乾測試方法係利 電晶體之特徵’來測 -動間極 U电日曰體之功能性，因此， I57327.doc -19- s 201224478 可以利用微小，甚至是不需要電路便可以測試裝置之操 作，且由於在陣列區域中不需要額外設置測試電路，所以 陣列之尺寸可以被最佳化。另外，本發明較佳實施例不需 要使用液體以進行陣列之完整測試，所以可以避免污染。 雖然，在本發明之實施態樣中，揭露不需要使用液體便 月b夠測„式離子感測場效電晶體陣列，然而本發明亦可以配 口使用液體以進行測言式，舉例而言，可以將已知酸鹼度之 液體應用於上述之乾測試技術之前、過程中及之後，因 此，若有需要，本發明所述之乾測試技術可以配合濕測試 技術應用。 另外，本發明其他實施例係使用離子感測場效電晶體， 然而’本發明並不限於離子感測場效電晶體，其亦可以應 用”他適备之汙動閘極電晶體裝置或其他適當之化學感測 電晶體。 在本發明另—實施例中，耦接於浮動閘極之寄生臂 可以用來測試浮動閘極電日日日體之功能性，圖6顯示1 閘極電晶體600(如離子感測場效電晶體）之示意、圖，直弓 洋動閉極電晶體_可包括一浮動閑極612、_没極： =，616。在本實施例中，汲極6Η與源極616係為 ί板中的ρ型摻雜’藉以形成-Ρ型通道場效電晶體裝3 ^而，热悉該項技術者皆應瞭解 义 IV , Λ|1 a ，于勒閘極電晶體60 由ni通迢場效電晶體裝置 為。型半導體中的η型摻雜。 〃及極與《 -般而言’可以利用一自對準製程以形成—離子❹ 157327.doc -20- 201224478 效電晶體’其中，先形成一多晶石夕間極，其係在一間極氧 化層615或其他適當之閘極絕緣層上形成浮動閘極心，然 後利用數個步驟以形成源極與沒極推雜，在形成一輕声接 雜沒極(LDD)離子植入之後，形成一氮化物間隔層= 中，輕度摻雜沒極離子植入係在閑極下方擴散小距離，藉 以減少電場、並減少電晶體效能之負面影響，如孰載子。 另外’輕度接雜汲極離子植入通常伴隨著變質之推雜離子 植入，以形成沒極6U與源極616，其係具有部分重疊區域 607及608’設置於閘極氧化層615之相對下方位置，此重 疊區域607及6〇8係形成於其相對之離子植入中，因此—部 份之離子植入會位在浮動閘極電極之下方，以便形成一寄 生電容。另外，可以利用調整與重疊區域大小相關之製程 參數，來控制重疊區域之大小及其電容。 圖7為-浮動閘極端子電晶體_之一等效電路圖，复顯 示位於問極與源極之間的寄生電容（Cgs)以及位於間極盘及 極之間的寄生電容（Cgd)。除此之外，寄生電容亦可以、僅 存在於閘極㈣極之間，或是僅存在於閘極與源極之間。 、☆在本發明之一實施例中，可以利用上述之寄生電容進行 子動閘極ί而子電晶體之測試，而不需要利用射流偏壓來操 作洋動閘極；圖8為浮動閘極電晶體中，針對—陣列之i、 晝素元件之測試結構’其中，如圖8所示之浮動閉極電晶 體(例如為離子感測場效電晶體)係具有一源極隨輕器配 置’然而’熟悉該項技術者應該瞭解，在此亦可以採 他配置’如共同源極；另外，浮動閘極電晶體之沒極以 157327.doc
S •21 201224478 耦接於一電壓電源供應器vDD ,其係用以驅動此電晶體， 其中，電壓電源供應器VDD例如為3伏特；浮動閘極電晶體 之源極可以偏壓至一電流源，其中，電流源係例如為汴A 之電流源。 接著，可以測量源極之電壓（如圖8所示之Vow)，其 中，源極電壓V0UT可以表示浮動閘極之電壓，當電晶體之 寄生電容使得浮動閘極進入一飽和狀態時，電晶體可以產 生此源極電壓V〇UT，其係使得開極電位達到預期另外，電 晶體之臨限.電壓及寄生電容值可以使得浮動閘極達到適當 之耦接，藉以使得電晶體達到其操作範圍。 若源極電壓V〇UT在陣列中的正常分佈之預期範圍内，此 測試結果係判斷浮動閘極電晶體可以產生有效且可測量之 信號，所以畫素可以視為操作中；然而，若所測量之信號 與正常分佈相比為過高或過低時，則表示在浮動間極中可 能存在有過多的電荷；另外，料對所測試之 =數^分佈過廣，料示各畫素元素具有極大的不均 ^。’此不均勾性會被視為不可靠，甚至導致陣列為不可 在另貫把例中，浮動閘極電晶體 量書辛之婵兴另1 體之測式可以擴展至调 I畫素之“及/或判斷其他晝素之性 試亦可以在不需要射泣傯茂t l 门樣地，此測 要射极偏Μ來操作浮_ 行，因此可以维持陣列的 障况下進 源極電壓時，汲極電壓可 時，源極偏壓電流可以维 在一實施例中 以變化，其中， ’在測量相對之 當汲極電壓變化 157327.doc •22- 201224478 ，在—第一步驟中，將一第一電壓⑽如為3伏特）輸 入至汲極’而源極則被偏虔；在一第二步驟卜當偏墨電 流=第一步驟開始維持值定時，汲極電屡係被調整至一第 -电屋（，如為2,8伏特），接著可以測量對應之源極電壓， 由於重豐電容Cgd的作用’汲極電壓之電壓差(例如為· ’可以耦接至浮動間極，因此，最終之源極電遷可以是 汲極電屡差之一部份；所測量之數值與輸入電塵之比值表 不晝素增益，且其可以用來求得其他晝素性質。 以上說明係揭露本發明之數種實施例，’然而，所揭露之 内容應可涵蓋本發明之修飾及變化，另外，耗部分操 作:元件及電路並未詳細說明，但並非用以限制本實施例 之祀圍而且雖然本說明書詳細說明特定結構及功能，但 其並非用以限制本實施例之範園。 H亥項技術者可以藉由上述之說明，對本發明進行各 種I化，凊可以單獨或合併實施上述之所有實施例，因 a此上述之說明僅列舉部分特定之實施例，但是本發 -貝知例及/或方法並非限制於此，熟悉該項技術者可 以藉由本說明書之内容、圖示及申請專利範圍而進行任意 的修娜及改變。 入上述：各種實施例可以藉由硬體元件、軟體元件或其組 m加X K現，其中，硬體元件係例如為處理器、微處理 抑電路电路元件（如電晶體、電阻器、電容器、電感 ^等）、積體電路、特定應用積體電路（ASIC)、可程式邏 輯裂置（PLD)、數位訊號處理器（DSp)、現場可編程間陣列
157327.doc S •23· 201224478 (FPGA)、邏輯間、暫存器、半導體裝置、晶片、微” 晶片組等等；軟體元件係例如為程式、應用程式： 式、系統程式、機械程式、作業系統程式、中^軟^腦程 體、軟體模組、例行程序、子程式、功能、方法人、韌 軟體介面、應用程式介面(API)、指令 ：程序、 機碼、程式碼片段、計算機程式碼片段、文〜:、計异 號、或其組合；可以藉由數種分析因子判斷：行一：、符 係採用不同之硬體元件及/或軟 實施例 算機逮度、功率箄級例如為預期之計 …熱耐受度、程序循環預算、資料輸 …貧枓輸出速度、記憶體來源、 迷 及其他設計或效能限制。 L排速度 例如’部分實施例可以藉由電腦可讀取媒體而實現 係儲存有-指令或—组指令，以便在—機器上執行時，可 以使得此機器實現本實施例之方法及/或操作，此機器^ 例如包括任一種適用之處理平台、計算平台、計算裝置、 處理裝置、計算系統、處理系統、計算機、處理器等等， 且其亦可以藉由硬體及/或軟體之任一種適用之組合而實 現’其中’電腦可讀取媒體包括任一種適當形式之記憶單 :、記憶裝置、記憶物品、記憶媒體、儲存裳置'儲存物 品 '儲存媒體及/或儲存單元例如為記憶體、可移動式或 不可移動式媒體、可抹除式或不可抹除式媒體、可寫入式 或可複寫式媒體、數位或類比式媒體、硬碟、軟碟、唯讀 記憶光碟、寫入式光碟、可複寫式光碟、光碟、磁式媒 體、磁光媒體、卸除式記憶卡或記憶碟、各種數位多功能 157327.doc -24- 201224478 光碟（DVD)、磁帶、卡帶等等，另外’指令可包括任一種 適用之程式碼’如原始碼、編譯碼、直譯碼、可執行碼、 靜態程式碼、動態程式碼、加密程式碼荨等，其可以利用 任一種適用之高階、低階、物件導向、虛擬、編譯及/或 直譯之程式語言而實現。【圖式簡單說明】 圖1為一離子感測場效電晶體之剖面圖； 圖 圖2為—單元陣列之方塊圖-; 圖3為測試一單元陣列之簡化流程圖；圖4顯示— 2_τ晝素陣列之範例；圖5顯示—3_τ畫素陣列之範例； 圖6為一浮動閘極端子電晶體之一剖面圖； 圖7為—浮動閘極端子電晶體之__等 牧 SI ο V, . 丁从电路圖，以及 為在測試狀態冑浮動間極#子 。 日日體之一等效電路 【主要元件符號說明】 100 110 120 130 140 200 離子感測場效電晶體 閘極端子 汲極端子 源極端子 基極端子 裝置 210 陣列方法 157327.doc
-25· S 300 201224478 310-370 步驟 400 畫素陣列 401 晝素元件 410 離子感測場效電晶體 420 電晶體 500 晝素元件 510 離子感測場效電晶體 520 電晶體 530 電晶體 600 電晶體 607 重疊區域 608 重疊區域 612 浮動閘極 614 汲極 615 閘極氧化層 616 源極 157327.doc -26-

Claims (1)

  1. 201224478 七、申請專利範圍： ι· 一種測試方法，其係用以測試一化學偵測裝置，該化學 偵測裝置包括一陣列之晝素元件，各該晝素元件包括一 化學感測電晶體，該化學感測電晶體具有—源極端子、 一汲極端子、及一浮動閘極端子，該測試方法包括下列 步驟： 共同連接一群紐之該等化學感測電晶體之該等源極端 子； 施加第一測試電壓於該群組之該等源極端子； 測量依據該等第一測試電壓而在該等汲極端子對應產 生之第一電流； 依據該等第一測試電壓及該等第一電流計算電阻值； 施加第二測試電壓於該群組之該等源極端子，以操作 該群組於不同操作模式，盆中 辞莖筮一 、^ τ 孩等第一測試電壓係至 少部分依據該等電阻值而定； μ 測量依據該等第二測試雷厭而A j 叫戎电Μ而在该4汲極端子對應產 生之第二電流；以及 依據該等第二測試電壓及該等第- 久成寻乐一冤流，以及該等化 學感測電晶體之操作特性，对瞀哮链 寸Γ彳f哀群組中各該化學感測 電晶體之一浮動閘極電壓。 2. 如中請專利範圍第丨項所述之測試方法，其中各該化學 感測電晶體係為-離子感測場效電晶體（ι〇η Field Effect Transistor，ISFET)。 3. 如申請專利範圍第丨項 、 〗巧万去，其中該群組包 I57327.doc S 201224478 含該陣列中的所有該等化學感測電晶體。 4.如申請專利範圍第i項所述之測試方法，其中該群組包 含該陣列中之跳列。 5·如申請專利範圍第！項所述之測試方法，其中該群組包 含該陣列中之跳欄。 6·如申請專利範圍第丨項所述之測試方法直 測試電壓係依序輸入該陣列之不同側邊。^ " 7. 如申請專利範圍第i項所述之測試方法，更包括下列步 驟： 與該等第二測試電壓同時輸入測試電流。 8. 如申请專利範圍第丨項所述之測試方法，其中該等第二 測試電壓係依序輸人該陣列之不同側邊，且該浮動間極 電壓係依據該陣列之各該側邊分別計算而得。 9. 如f請專利範圍第8項所述之測試方法，其中針對所有 該等側邊計算得到之該等浮動閘極電壓係加以平均。 10·如申請專利範圍第2項所述之測試方法，其中該陣列之 任一該牙動閘極端子係不與液體樣品接觸或鄰設。 11 _如申明專利範圍第i項所述之測試方法，其中該等化學 感測電晶體以同操作模式包括三極龍式與飽和模式 其中之一。 12. —種乾測試方法，其係用以測試一陣列之化學感測電晶 體’各該化學感測電晶體分別具有-源極、-沒極以及 一浮動問極；該乾測試方法包括下列步驟： 施加第一測試電壓於—共同源極，其中該共同源極係 157327.doc 201224478 連接於一群組之該等化學感測電晶體； 依據該等第-測試電壓及藉由該等第—测試電壓所產 生之電流，計算一電阻值； 施加第二測試電壓，盆中，該蓉輦一 λ ,、 '、 寺第一測5式電壓驅動該 等化學感測電晶體轉變於複數個操作模式之間，且該等 第二測試電壓係至少部分依據計算得到之料電阻值而 定； 計算被驅動之各該化學感測電晶體之一浮動閉極電 壓；以及 判斷各該浮動閘極電壓是否皆在一預設臨限值之内。 13. 如申請專利範圍第12項所述之乾測試方法，其中，該化 學感測電晶體係為一離子感測場效電晶體。 14. 如申請專利範圍第12項所述之乾測試方法，其中該共同 源極所連接之該群組係包含整個該陣列。 15. 如申凊專利範圍第12項所述之乾測試方法，其中該共同 源極所連接之該群組係包含該陣列之跳列。 16. 如申請專利範圍第12項所述之乾測試方法，其中該共同 源極所連接之該群組係包含該陣列之跳欄。 17. 如申請專難圍第12項所述之乾測試方法，其中該等操 作模式包括一三極體模式以及一飽和模式。 18. —種裝置，包含： —陣列之化學偵測元件，其中各該化學偵測元件分別 包括： 一化學感測場效電晶體，其具有一半導體基極端子、 157327.doc S 201224478 -源極端子、-沒極端子、及—浮動閉極端子，·以及 一測試電路，包括： 複數個驅動電塵端子，分別設置於該陣列之周邊， 其中該複數個驅動電廢端子係轉接於複數個源極端子 及複數個基極端子； —一電流源’其係輕接於該陣列中至少—該化學_ 元件之該汲極端子，藉由蔣 t— _ 猎由將汲極電流轉變為對應之 測量電壓之方式以測量該汲極電流。 仪如申請專利範圍㈣項所述之裝置，其中該化學感測電 晶體係為一離子感測場效電晶體。 从如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中該測試電路伟 用以驅動該化學感測場效電晶體而操作於不同模式。 儿如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中該等不同 包括一三極體模式及一飽和模式。 22. 一種測試方法’錢用以测試—電晶體，該電晶體具有 :子動閘極以及介於該浮動閘極與至少一第一端子與— 弟一端子其中之一弓ιίΛ -r_ m 之間的—重疊電容，該方法包括下列 步驟： 〜 施加-測試電壓於該電晶體之該第一端子； 偏壓該電晶體之該第二端子； 冽里该第二端子之一輸出電壓；以及 判斷該輸出電壓是否在一預設範圍之内； /、中通過4重登電容之該測試電壓使得該電晶體進 入一主動模式》 157327.doc 201224478 23. 如申明專利範圍第22項所述之測試方法，其中該電晶體 係為一離子感測場效電晶體。 24. 如申明專利範圍第22項所述之測試方法，其中該第一端 子係為一汲極端子，且該第二端子係為一源極端子。 25. 如申叫專利範圍第22項所述之測試方法，更包含下列步 驟： 調整該測試電壓至另一測試電壓； 輸入調整後之該測試電壓至該第一端子； 測量該第二端子之一第二輸出電壓；以及 依據該等輸出電壓判斷一電晶體特性。 π如中請專利範圍第25項所述之測試方法，#中該電晶體 特性係為一電晶體增益。 27·如中請專利範圍第22項所述之測試方法，其中該重疊電 容係由-閘極氧化層部分重疊於該電晶體之-端子離子 植入而構成。 沈如申請專利範圍第23項所述之測試方法，其中該浮動間 極端子係不與液體樣品接觸或鄰設。 29. —種裝置，包含： -陣列之偵測元件，其中各該偵測元件分別包括： %效電晶體，其具有-浮動閘極、—第一端子、一 第二端子以及—重疊電容，其中該重疊電容係介於該浮 動閘極與至少該第-端子與該第二端子其中之一之間； 以及 一測試電路，包括： 157327.doc S 201224478 一驅動電麼端子，其係耦接於至少一該第一端子； 一偏壓電路端子，其係耦接於至少一該第二端子； 以及 一輸出電壓測量端子’其係耦接於至少一該第二端 子。 3〇·如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中各該場效電晶 體係為一離子感測場效電晶體。 31. 如申請專利範圍第29項所述之裝置，其中各該場效電晶 體之該第-端子係為—没極端子，且該第二端子係為一 源極端子。 32. 如:請專利範圍第29項所述之裝置，其中該重疊電容係 由一間極氧化層部分重疊於該電晶體之一端子離子植入 而構成。 157327.doc
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