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JP2005308749A - センサ用のホイートストンブリッジ機構 - Google Patents

センサ用のホイートストンブリッジ機構 Download PDF

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JP2005308749A JP2005123129A JP2005123129A JP2005308749A JP 2005308749 A JP2005308749 A JP 2005308749A JP 2005123129 A JP2005123129 A JP 2005123129A JP 2005123129 A JP2005123129 A JP 2005123129A JP 2005308749 A JP2005308749 A JP 2005308749A
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bridge circuit
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Xioofeng Yang
シャオフェン・ヤン
Kevin Peters
ケビン・ピーターズ
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Abstract

【課題】ナノスケールの生物センサ又は化学センサにおいて使用するためのホイートストンフ゛リッシ゛の性能を改善する。
【解決手段】センサのためのホイートストンフ゛リッシ゛回路は、測定されることになるサンフ゜ルに該センサがさらされる時に生成される刺激に対して応答する第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)であって、適合可能な基板内に形成された第1及び第2の細長く延びたn型ナノ幅領域を含む、第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)と、測定されることになる該サンフ゜ルに該センサがさらされる時に生成される該刺激に対して応答する第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)であって、該基板内に形成された第3及び第4の細長く延びたp型ナノ幅領域を含む、第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)と、ホイートストンフ゛リッシ゛構成を形成するように分離且つ相互接続(101〜104)する。
【選択図】図2

Description

本発明は、ホイートストンブリッジに関し、特にセンサのためのホイートストンブリッジ機構に関する。
ナノスケールの生物学的センサ又は化学的センサにおいて使用するためのホイートストンブリッジを形成する従来の試みは、入力段においてオフセットキャンセル(又はオフセット補正)が無いこと、回路のダイナミックレンジが狭められていること、結果としてより低い電源電圧ノイズ除去比(PSRR)となること、及び/又は、温度による悪影響を受けること、のような欠点を被った構成(又は機構、又は装置)に結果としてなってしまっている。
ナノスケールの生物学的センサ又は化学的センサにおいて使用するためのホイートストンブリッジの性能を改善する。
本発明の一実施例は、センサのためのホイートストンブリッジ回路であって、
測定されることになるサンプルに前記センサがさらされる時に生成される刺激に対して応答する第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)であって、適合可能な基板内に形成された第1及び第2の細長く延びたn型ナノ幅領域を含む、第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)と、
測定されることになる前記サンプルに前記センサがさらされる時に生成される前記刺激に対して応答する第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)であって、前記基板内に形成された第3及び第4の細長く延びたp型ナノ幅領域を含む、第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)と、
ホイートストンブリッジ構成(図1)を形成するようなやり方で、前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)が、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)から分離されるように、且つ、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に接続されるように、前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)を、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に相互接続する相互接続
とを備える、ホイートストンブリッジ回路である。
ナノスケールの生物学的センサ又は化学的センサにおいて使用するためのホイートストンブリッジの性能を改善することができる。
本発明の実施形態は、生物学的センサと化学的センサとを含む、ナノスケールの半導体タイプの電界効果センサに関する(但し、これに限定されない)。ナノスケールワイヤを含むために製造されるこれらのタイプの半導体センサは、所与の生物学的作用物質か又は化学的作用物質に対して反応するか又は応答する適合可能なコーティング(又は被膜)か又は構成が、ワイヤを覆うように提供される。該所与の生物学的作用物質か又は化学的作用物質が、コーティング/構成と接触することを許される。このコーティング/構成は、センサ表面上に種(又は、生物学的又は化学的な種)を付着させる形態で、検出可能な刺激を生成することによって、応答する。該種は、ナノワイヤの表面電位を変化させ、従ってナノワイヤのコンダクタンスを変化させる。ナノワイヤのコンダクタンスにおける変化を検出することによって、特定の生物学的作用物質か又は化学的作用物質が、存在するかしないかを検出することができる。
これらのナノワイヤセンサ素子は、本発明の実施形態によれば、ホイートストンブリッジ回路の要素(又は素子)であるため、化学的センサ及び生物学的センサとして構成可能である上に、光子及び磁界のような他の刺激に応答するように構成可能でもある。この実施形態の適用の範囲は、上述の用途に限定されず、実施形態の開示がなされるにつれて様々な他の可能性が明らかになってくるであろう。
フルホイートストンブリッジ回路は、4つの抵抗構成要素(R1、R2、R3、及びR4)を含む。これらの抵抗構成要素は、接合部A、B、C、及びDを確立するように接続される。更に、図1内に示されるように、これらの抵抗構成要素は、接合部AとCとの間の電源Vinと、接合部BとDとの間に生じられる電圧を測定する電圧計Vgとに接続される。
この図面内における矢印の上/下の意味は、外部刺激に対する応答の方向を示す。この回路は、R1−R4とR2−R3との差分出力を効果的に付加する。抵抗R1、R2、R3、及びR4の全てを検出素子として使用することによって、且つ、R2とR4とが反対方向に同じ刺激に対して反応するようにR1とR3とを構成することによって、本発明の実施形態の場合、増幅ノイズを増やすことなく利得4を提供することが可能である。
本発明の実施形態は、図2内に示されるような手法で、抵抗R1、R2、R3、及びR4として、P型及びN型の半導体ナノワイヤを使用することによって、フルホイートストンブリッジを実現する。該ナノワイヤを形成するために使用される半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、SiC、Si−Ge合金、GaAs、他のIII−V族化合物、GaN、他のII−VI族化合物、SnO、又は他の金属酸化物半導体材料のような任意の適合可能な半導体材料とすることができる。
図2において、数字101〜104は、金属の層/線のような低抵抗接続素子を示す。それらの低抵抗接続素子は、ナノワイヤ間に低抵抗の接続を提供するために構成され、従って、図1内に示されるような接続部B、C、D、及びAとしてそれぞれ機能する。本発明の実施形態において、各ナノワイヤは、シリコンのような適合可能な基板上に形成される酸化シリコンのような適合可能な絶縁層上に形成された領域であって、細長く延びた、ナノ幅のドープされた(又は不純物を注入された)該領域を含む。
本発明の実施形態において、ナノワイヤは全て、ワイヤに付随して適合可能に配置された検出コーティング及び/又は構成(図示せず)への、(単なる例示を目的としての)化学的作用物質か又は生物学的作用物質の付着のような刺激に対して、応答するように構成される。コーティング/構成と作用物質との間の相互作用は、正電荷によって抵抗が増加するようにP型ワイヤを導き、且つ、その同じ電荷により抵抗が減少することによって反応するようにN型ワイヤを導く。このことは、増幅ノイズを加えることなく上述の利得4を達成する。
このタイプの構成の場合、サンプルにさらされる状態の前に、ブリッジが平衡にされた状態となることが望ましい。理想的な平衡状態のブリッジは、全ての4つの抵抗が等しい、すなわち、R1=R2=R3=R4である。その結果、刺激が無い時には零の読み取り値となる。つまり、抵抗の測定のためには、ブリッジがフルブリッジであろうと、ハーフブリッジであろうと、クオータブリッジでさえあろうとも、平衡状態のブリッジ(又は平衡にされたブリッジ、又はバランスされたブリッジ、又はバランスが取られたブリッジ)を有することが望ましい。
上述のように、本発明の実施形態は、平衡状態のフルホイートストンブリッジ構成において有効である。その4つの抵抗器素子は、化学的に感度が良く、2対の実質的に同一な抵抗器R1&R3と、R2&R4として配置される。このペアは、(図1のように)同じ刺激に対して反対に応答するように各様にドープされている。本発明の実施形態を、平衡状態のハーフホイートストンブリッジとして構成することもできる。該平衡状態のハーフホイートストンブリッジにおいては、1対の実質的に同一の抵抗器(R1&R3)のみが、同一方向における刺激に対して応答し、抵抗器R2&R4は、その刺激に対して応答しない。本発明の実施形態を、平衡状態のクオータホイートストンブリッジとして構成することもできる。該平衡状態のクオータホイートストンブリッジにおいては、1つの抵抗器R1のみが、刺激に対して応答し、抵抗器R2、R3、及びR4は、応答しない。
上述の実施形態において、平衡状態のフルホイートストンブリッジは、ナノスケールの抵抗器素子R1〜R4から構成される。しかしながら、本発明の実施形態は、外部刺激に対して敏感なマイクロスケールの抵抗器素子を完全にか又は部分的に実現することもできる。上述のように、本発明の平衡状態のクオータ及びハーフホイートストンブリッジの実施形態を、所望のバランス(平衡状態)と外部刺激に対する応答とを有するナノスケールの抵抗器素子と、マイクロスケールの抵抗器素子とから構成することもできる。
図3は、ナノワイヤのホイートストンブリッジの概略平面図である。この図面内において、抵抗R1、R2、R3、及びR4は、図2内に示されたものと同じ手法で金属コネクタ101〜104によって相互接続されている。
図4〜図8は、プロセスを図示する。該プロセスによって、図3内に示された構成を製造することができる。図4は、ウェーハ150を示す。該ウェーハ150上に、ドーピングに適合可能なシリコン層152が作られている。図5は、イオン注入法(又はイオン打ち込み法)か又はそれに類するような適合可能なマスキング技法とドーピング技法とを用いて生成された第1のP型ナノワイヤ(すなわち、細長く延びたナノ幅領域)154を示す。図6は、第2のナノワイヤ156を示す。この例において、第2のナノワイヤ156は、前記第1のワイヤとの間の所定の空間関係において形成されたN型のドープされたワイヤ(すなわち、細長く延びたナノ幅領域)である。
エッチングなどによって余分な材料が除去された後(図7)、残っているナノワイヤ154と156とが、158において概略的に図示されたメタライゼーションとパターン形成(パターンニング)とによって電気的に接続される(図8)。そこでのこのような技術は、使用されるドーピング濃度、ドーピング剤、エッチング液、光リソグラフィ材料、及びナノパターン形成等と、使用されることが可能な様々な代替方法とを含む、半導体製造技術分野において周知であり、簡単化のためにこれ以上は開示しない。
しかしながら、ナノスケールの製造(又は生成)の場合、軽微なプロセス変動が、ナノスケールワイヤの特性に大きな影響を与える可能性がある。つまり、製造中に、ワイヤの幅(又は他のパラメータ)において、いくらかの変動(例えばプロセス変動)があることは避けられない。しかしながら、本発明の実施形態は、ミクロンスケールと違って、ナノスケールにおいて製造されるので(そこでの変動は、ミクロンスケールの下方端となる傾向がある)、ナノスケールにおける任意の変動の影響は、大きい割合の偏差を表し、従って、ナノワイヤの抵抗値に、センサ感度を鈍らせて無くさせる可能性さえあるほどの極めて大きい影響を及ぼす。
上述のように、フルホイートストンブリッジの場合には、2つのP型抵抗器の抵抗が同一である必要があり、2つのN型抵抗器の抵抗が同一である必要がある。図9は、抵抗の整合(抵抗マッチング)を可能にさせることによって、製造プロセス変動により生じる可能性のある線形変動の影響を弱める、ナノワイヤの製造レイアウトを示す。このレイアウトは、コモン・セントロイド(:common centroid(又は共通の中心))を使用することによってブリッジの平衡状態(ブリッジバランス)を改善する。該コモン・セントロイドの周りに、ナノワイヤが配置され、従って、製造プロセスにおける線形変動が、相互のバランシング効果を引き起こす手法で共用されるように(シェアされるように)ワイヤを配列する。
図9は、例えば実質的に等価な抵抗R1とR4とを含む図2内に示されるブリッジにおける一方のアーム(arm)(又はブリッジの片側)における2つのナノワイヤが、2つの半等分(halves)に、すなわちR1及びR1と、R4及びR4とに、それぞれ形成される状況を示す。R1及びR1は、R4及びR4に対して同一線上に製造される。これにより、それらのセントロイド(又は中心、又は重心)が同一となる。抵抗器の半等分が、コモン・セントロイドと共に同一直線上にあるので、線形プロセス変動による2つの半等分R1及びR1における任意の差分が、半等分R4及びR4における差分と極めて類似することになる。その結果、R1及びR4の抵抗は、従って本質的に類似の特性を示すこととなり、線形プロセス変動で発生する可能性のある有害な影響は相殺されるであろう。
図10は、抵抗R1〜R4の各々が、2つの半等分として形成されている状況を示す。該2つの半等分の各々は、接尾文字A又はBによって示されている。2つの半等分と4つの抵抗とを、コモン・セントロイドとの間の対応する空間関係において形成することによって、製造中における1つか又は複数の線形変動の影響を相殺することができ、ナノワイヤによって形成された各抵抗器の抵抗を等しくすることができる。
コモン・セントロイドの配置技法を、3つ以上の同一のサブユニットによって実現することができる。図11は、抵抗R1〜R4の各々が、3つのサブユニットから構成されている状況を示す。該3つのサブユニットは各々、接尾文字A、B、又はCによって示されている。示されていないものは、1つの抵抗器を形成するために、これらの3つのサブユニットを互いに接続するための低抵抗経路である。3つのサブユニットを、セントロイドから本質的に等距離に形成することによって、且つ、セントロイドの周りに本質的に等距離に形成することによって、且つ、4つの抵抗をコモン・セントロイドとの間の対応する空間関係において形成することによって、製造中における1つか又は複数の線形変動の影響を相殺することができ、各抵抗器の抵抗を等しくすることができる。
コモン・セントロイドの配置技法は、線形プロセス変動を相殺するのに特に有効である。例えば、変動がN型のドープされた領域内とP型のドープされた領域内との差分による時には、非線形プロセス変動を、十分に相殺できない場合がある。このような状況において、それらの抵抗を調整するために且つ回路を平衡にさせるために、ワイヤをゲート制御ことができる。半導体ワイヤをゲート制御することは、印加された電界によってなされることができる。
図12は、図3と図8とを拡張させたものとしての適切な一実施形態の側面図である。図12において、基板150は、例えば、薄い絶縁層159と、導電体素子160によって電気的に接触させられることが可能な導電体下層とを含む基板によって、ワイヤ154と156とに電界を提供するように構成されている。そのような構造を製造するための便利な方法は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)の開始ウェーハ(starting wafer)を用いるが、他の方法を使用することもできる。図12において、正のゲート制御電界が、N型のドープされたワイヤの抵抗を低減させ、且つ、P型のドープされたワイヤの抵抗を増加させる傾向があり、負のゲート制御電界が、これらの逆を行うことに留意されたい。従って、共通の基板電位によってP型のドープされたワイヤとN型のドープされたワイヤとをゲート制御するこの実施形態は、具体的には、ドーピング変動が補正を必要とする可能性のあるP型とN型のホイートストンブリッジ回路を平衡にさせるように(又はバランスをとるように)適切に構成される。
図12と図13とにおいて示されるように、個々のワイヤをゲート制御して、ホイートストンブリッジ回路を平衡にさせることができる。ここで、ゲートは、ワイヤの区間の頂点に提供され、厚さ10nmの熱成長二酸化シリコン(thermally grown silicon dioxide)のような薄い誘電体層によってワイヤから分離される。この実施形態によれば、ワイヤ200pと、200nとは、それぞれ1つか又は複数のゲートが提供される。図12内と図13内とに示される構成において、ナノワイヤ200pと200nとはそれぞれ、それらに関連付けられたゲート200pGと200nGとを有する。これらのゲート200pGと200nGとはそれぞれ、絶縁酸化膜210によってナノワイヤから分離された(金属のような)導電体層を含む。
ワイヤの端は、アルミニウムか又はそれに類するもののような高導電性材料で作られたコネクタ要素220に電気的に接続されて示されている。2本のワイヤのみが示されているが、更に多くのワイヤが形成されることができ、コネクタ要素は、(ここではそのようには示されていないが)ブリッジ回路を形成するために他の素子と共に適合可能に接続されることを理解されたい。
図14において示されるように、ゲートは、適合可能な配線を介してインターフェースに電気的に接続されている。このインターフェースは、ブリッジ回路の出力に応答し、且つ、ブリッジに平衡状態をもたらすために1つか又は複数のゲートに対して適合可能な電圧を選択的に印加することができる、電圧制御回路に接続される。このプロセスは、典型的には、センサの初期化/較正の期間中に実行され、その出力は、センサが測定を必要とするサンプルにさらされる前に調整される。
上述のように、ホイートストンセンサのコモン・セントロイドの配置のコンフィギュレーション(又は構成)は、線形プロセス変動の相殺に有効である。コモン・セントロイドの配置を、非プロセス変動が発生する可能性のあるいくつかの特定の用途か又は環境におけるホイートストンブリッジの性能を改善するために使用することもできることにも、更に留意されたい。
例えば、本発明の一実施形態によるホイートストンブリッジは、コモン・セントロイドの配置コンフィギュレーション(又は構成)を有することができ、マイクロ/ナノ流体システム内における生物学的な及び/又は化学的な検知を行うために使用されることが可能である。すなわち、コモン・セントロイドの配置は、流動領域の境界線の近くに置かれるセンサ素子の場合のように、流体システムでのある変動を相殺することができる。このことは、実験室チップ(lab-on-a-chip)及び集積流体(:integrated fluidics(又は統合的な流体))の他の用途において有用である可能性がある。別の実施形態において、平衡状態のホイートストンブリッジは、流れの向きに沿ったなだらかな流れにおける線形変動に適応するように使用される。
本発明を、限られた数の実施形態のみに関して開示したが、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲は、これらの特定の例に制限されず、その様々な修正及び改変を、過度の実験をすることなく実施することができることが理解されよう。前述の開示が行われた場合には、本発明はその様々な修正と改変とに適用可能であることが当業者にとっては自明であろう。
ホイートストンブリッジの概略図である。 ホイートストンブリッジの実施形態のナノワイヤホイートストンブリッジの概略図である。 ナノワイヤを使用して構成されたフルホイートストンブリッジの平面図である。 ホイートストンブリッジの製造に関わるステップを示す図である。 ホイートストンブリッジの製造に関わるステップを示す図である。 ホイートストンブリッジの製造に関わるステップを示す図である。 ホイートストンブリッジの製造に関わるステップを示す図である。 ホイートストンブリッジの製造に関わるステップを示す図である。 セントロイド構成を示す概略配置図である。該セントロイド構成によって線形製造プロセス変動を相殺することができる。 図9内において示された様々なセントロイド構成の変形を示す、図9内に示されるものと類似した概略配置図である。 更なるセントロイドのレイアウト構成を示す概略配置図である。該配置構成によって製造プロセス変動を補正することができる。 センサ素子間の平均的なアンバランス状態(不平衡状態)を打ち消すために、適切なバイアスが基板に印加される本発明の一実施形態を示す断面図である。 バランス状態(平衡状態)を能動的に達成することができる構成を生み出すためにナノワイヤをゲート制御することによって、ブリッジが電気的にトリミングされる本発明の一実施形態を示す上面図である。 切断線XII−XIIに沿って得られる、図13内に示される構成の側面図である。
符号の説明
R1 第3のセンサ素子
R2 第1のセンサ素子
R3 第4のセンサ素子
R4 第2のセンサ素子
101 導電コネクタ要素
102 導電コネクタ要素
103 導電コネクタ要素
104 導電コネクタ要素
150 基板
154 P型センサ素子
156 N型センサ素子
159 絶縁層

Claims (10)

  1. センサのためのホイートストンブリッジ回路であって、
    測定されることになるサンプルに前記センサがさらされる時に生成される刺激に対して応答する第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)であって、適合可能な基板内に形成された第1及び第2の細長く延びたn型ナノ幅領域を含む、第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)と、
    測定されることになる前記サンプルに前記センサがさらされる時に生成される前記刺激に対して応答する第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)であって、前記基板内に形成された第3及び第4の細長く延びたp型ナノ幅領域を含む、第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)と、
    ホイートストンブリッジ構成(図1)を形成するようなやり方で、前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)が、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)から分離されるように、且つ、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に接続されるように、前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)を、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に相互接続する相互接続
    とを備える、ホイートストンブリッジ回路。
  2. 前記p型及びn型ナノ幅領域は、シリコン、ゲルマニウム、ダイヤモンド、SiC、Si−Ge合金、GaAs、他のIII−V族化合物、GaN、他のII−VI族化合物、SnO、他の金属酸化物半導体材料からなるグループから選択された半導体材料で形成され、
    前記p型及びn型のセンサ素子は、p型及びn型素子となるように化学的にドープされることからなる、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  3. 前記4つのセンサ素子(R1,R2,R3,R4)は、実質的に等しい抵抗特性を有し、従って前記ホイートストンブリッジを実質的に平衡にさせる、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  4. 前記ブリッジ回路を平衡にさせるための手段(図9〜図11のコモン・セントロイド、図14のゲート制御−200pG、200nG)を更に含む、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  5. 前記センサ素子は、基板(150)の上に形成されるP型及びN型センサ素子(154,156)を含み、該基板は、前記P型及びN型センサ素子を平衡にさせるために、バイアスされるように構成されることからなる、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  6. 前記基板は、電気的にバイアスされるように構成される基底をなす導電体層から絶縁層(159)によって分離されるサブミクロン厚の半導体上層を含む、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  7. 前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)は、セントロイドから本質的に等距離であり、
    前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)は、前記セントロイドから本質的に等距離である(図9)ことからなる、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  8. 前記センサ素子は、同一直線上に配列される(図9、図10、及び図11)、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  9. 前記センサ素子は、コモン・セントロイドを共用する(図9、図10、及び図11)、請求項1に記載のホイートストンブリッジ回路。
  10. センサのためのホイートストンブリッジ回路を作成する方法であって、
    第1及び第2の細長く延びたn型ナノ幅領域を適合可能な基板上に形成することによって、第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)を形成するステップと、
    第3及び第4の細長く延びたp型ナノ幅領域を前記基板上に形成することによって、第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)を形成するステップと、
    ホイートストンブリッジの構成(図1)を形成するようなやり方で、前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)が、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)から分離されるように、且つ、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に接続されるように、導電コネクタ要素(101〜104)によって前記第1及び第2のセンサ素子(R2,R4)を、前記第3及び第4のセンサ素子(R1,R3)に相互接続するステップ
    とを含む、方法。
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