CN100334443C - 离子感应场效应晶体管及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子感应场效应晶体管及制造方法，其中多晶硅层形成于非单晶硅基衬底上。源极及漏极形成于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层为预定沟道区。绝缘层形成于多晶硅层上，并具有第一接触孔及第二接触孔。第一电极及第二电极分别借由第一接触孔及第二接触孔与源极及漏极电连接，钝化层形成于绝缘层之上，并覆盖第一电极及第二电极。钝化层具有一开口，用以暴露预定沟道区上方的部分绝缘层，离子感应栅极配置于开口中的绝缘层上。

Description

离子感应场效应晶体管及制造方法
技术领域
本发明涉及一种离子感应场效应晶体管(ion sensitive field effect transistor，ISFET)及制造方法，且特别涉及一种具有非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的离子感应场效应晶体管及制造方法。
背景技术
离子感应场效应晶体管是结合电化学与微电子学的原理的化学传感器，用以与待测溶液接触并测量其所含的特定离子的浓度。离子感应场效应晶体管由金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor fieldeffect transistor，MOSFET)所改良而成，其与金属氧化物半导体场效应晶体管不同之处在于，金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极为金属栅极，但离子感应场效应晶体管具有一用以与待测溶液接触的离子感应栅极，其运作原理将于后文中提到。另外，由于离子感应场效应晶体管具有高输入阻抗、低输出阻抗及响应速度快等优点，再加上其工艺技术与金属氧化物半导体场效应晶体管的工艺技术兼容的特性，使得离子感应场效应晶体管蕴藏着无比开发的潜力。
请参照图1，其显示的是传统的离子感应场效应晶体管的剖面图。在图1中，离子感应场效应晶体管100包括单晶硅衬底(monocrystalline siliconsubstrate)102、源极(source)104、漏极(drain)106、二氧化硅层(silicondioxide layer)108、第一金属电极(metal electrode)110a、第二金属电极110b、钝化层(passivation layer)112及离子感应栅极113。单晶硅衬底102为轻度掺杂P型(P-)，而单晶硅衬底102具有衬底正面102a。离子感应场效应晶体管100的制造方法如下。在定义衬底正面102a的预定掺杂区后，即可借由从衬底正面102a掺杂N型掺杂剂于单晶硅衬底102中的步骤，使得相互隔开的重度掺杂N型(N+)的源极104及漏极106形成于单晶硅衬底102中。其中，源极104及漏极106的厚度小于单晶硅衬底102的厚度，而源极104及漏极106之间的部分单晶硅衬底102即形成一预定沟道区107，且预定沟道区107较靠近衬底正面102a。此外，二氧化硅层108形成于衬底正面102a上，并具有第一接触孔(contact hole)109a及第二接触孔109b。此时，第一接触孔109a及第二接触孔109b分别暴露部分源极104及漏极106的表面。
第一金属电极110a及第二金属电极110b借由第一接触孔109a及第二接触孔109b与源极104及漏极106电连接，且第一金属电极110a及第二金属电极110b覆盖部分二氧化硅层108。另外，钝化层112形成于二氧化硅层108之上，并覆盖第一金属电极110a及第二金属电极110b。钝化层112具有一开口114，用以暴露预定沟道区107上方的二氧化硅层108。离子感应栅极113配置于开口114中的二氧化硅层108上，用以感测容纳于开口114中的待测溶液的离子溶度。
举例而言，当具有阳离子浓度的待测溶液202填满于离子感应场效应晶体管100的开口114中时，如图2所示，离子感应栅极113将感测到待测溶液202中的阳离子，使得离子感应栅极113产生界面电位变化。此时，在施加漏极-源极电压差Vds于漏极106及源极104之间的条件下，第一金属电极109a及第二金属电极109b之间将会有电流Ids通过。所以，当待测溶液202的阳离子浓度越高，离子感应栅极113所产生的界面电位变化越大。相对地，流经源极104及漏极106的电流Ids也越大，藉此以得知待测溶液202中的阳离子的浓度。
需要注意的是，由于源极104及漏极106和单晶硅衬底102之间为pn结(pn juction)，将会产生漏电流现象，使得经由第一金属电极110a及第二金属电极110b所测量到的电流并非为实际的电流。因此，产生测量上的误差，且无法确知待测溶液202中的阳离子浓度。另外，单晶硅衬底102的价格相当昂贵，将会增加材料成本许多。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在于提供一种离子感应场效应晶体管及制造方法，其采用非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的设计，可以解决传统上因源极及漏极和单晶硅衬底之间的pn结而产生的漏电流现象。且非单晶硅基衬底的价格比单晶硅衬底的价格便宜，减少材料成本许多。
根据本发明的目的，提出一种离子感应场效应晶体管，包括非单晶硅基衬底、多晶硅层、源极、漏极、绝缘层、第一电极、第二电极、钝化层及离子感应栅极。多晶硅层形成于非单晶硅基衬底上，源极及漏极形成于多晶硅层中，且源极及漏极之间的多晶硅层为一预定沟道区。绝缘层形成于多晶硅层上，并具有第一接触孔及第二接触孔。第一电极及第二电极分别借由第一接触孔及第二接触孔与源极及漏极电连接，钝化层形成于绝缘层之上，并覆盖第一电极及第二电极。钝化层具有一开口，用以暴露预定沟道区上方的部分绝缘层，离子感应栅极配置于开口中的绝缘层上。
根据本发明的再一目的，提出一种离子感应场效应晶体管的制造方法。首先，提供一非单晶硅基衬底。接着，形成一多晶硅层于非单晶硅基衬底上。然后，形成一源极及一漏极于多晶硅层中，源极及漏极之间的多晶硅层为一预定沟道区。接着，形成一具有第一接触孔及第二接触孔的绝缘层于多晶硅层上，第一接触孔及第二接触孔分别暴露部分源极及漏极。然后，形成第一电极及第二电极，第一电极及第二电极分别借由第一接触孔及第二接触孔与源极及漏极电连接。接着，形成一具有一开口的钝化层于绝缘层之上，以覆盖第一电极及第二电极，开口暴露预定沟道区上方的部分绝缘层的表面。然后，形成一离子感应栅极于开口中的绝缘层上。
其中，非单晶硅基衬底为玻璃衬底、塑料衬底或绝缘衬底，绝缘层为二氧化硅层。此外，第一电极及第二电极为两金属电极，且钝化层为环氧树脂或其它封胶物质。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下，图中：
图1显示的是传统的离子感应场效应晶体管的剖面图；
图2显示的是图1的离子感应场效应晶体管测量待测溶液的阳离子浓度时的状态的剖面图；
图3显示的是依照本发明的优选实施例的离子感应场效应晶体管的剖面图；以及
图4A～4D显示的是依照本发明的优选实施例的离子感应场效应晶体管的制造方法的流程剖面图。
附图中的附图标记说明如下：
100、300：离子感应场效应晶体管    102：单晶硅衬底
102a：衬底正面                    104、304：源极
106、306：漏极                    107、307：预定沟道区
108：二氧化硅层                   109a、309a：第一接触孔
109b、309b：第二接触孔            110a：第一金属电极
110b：第二金属电极                112、312：钝化层
113、313：离子感应栅极            114、314：开口
202：待测溶液                     302：非单晶硅基衬底
303：多晶硅层                     308：绝缘层
310a：第一电极                    310b：第二电极
404a：第一预定掺杂区              406a：第二预定掺杂区
具体实施方式
本发明特别设计一离子感应场效应晶体管(ion sensitive field effecttransistor，ISFET)及制造方法，其采用非单晶硅基衬底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的设计，可以解决传统上因源极及漏极和单晶硅衬底之间的pn结而产生的漏电流现象。且非单晶硅基衬底的价格比单晶硅衬底的价格便宜，可以减少材料成本。
请参照图3，其显示的是依照本发明的优选实施例的离子感应场效应晶体管的剖面图。在图3中，离子感应场效应晶体管300包括非单晶硅基衬底302、多晶硅层303、源极304、漏极306、绝缘层308、第一电极310a、第二电极310b、钝化层312及离子感应栅极313。多晶硅层303形成于非单晶硅基衬底302上，源极304及漏极306形成于多晶硅层303中，且源极304及漏极306之间的多晶硅层303作为一预定沟道区307。绝缘层308形成于多晶硅层303上，并具有第一接触孔309a及第二接触孔309b。
第一电极310a及第二电极310b分别借由第一接触孔309a及第二接触孔309b与源极304及漏极306电连接，且第一电极310a及第二电极310b覆盖部分绝缘层308。钝化层312形成于绝缘层308之上，并覆盖第一电极310a及第二电极310b。钝化层312具有一开口314，开口314用以暴露预定沟道区307上方的部分绝缘层308。离子感应栅极313配置于开口314中的绝缘层308上，用以感测容纳于开口314中的待测溶液的离子溶度。
请参照图4A～4D，其显示的是依照本发明的优选实施例的离子感应场效应晶体管的制造方法的流程剖面图。首先，在图4A中，提供一非单晶硅基衬底302，并形成一多晶硅层303于非单晶硅基衬底302上。接着，定义多晶硅层303的正面，以形成第一预定掺杂区404a及第二预定掺杂区406a。并对第一预定掺杂区404a及第二预定掺杂区406a进行掺杂，以对应地形成源极304及漏极306于多晶硅层303中，且源极304及漏极306之间的多晶硅层303为一预定沟道区307，如图4B所示。在图4B中，更形成一具有第一接触孔309a及第二接触孔309b的绝缘层308于多晶硅层303上，第一接触孔309a及第二接触孔309b分别暴露部分源极304及漏极306。
接着，形成第一电极310a及第二电极310b，第一电极310a及第二电极310b分别借由第一接触孔309a及第二接触孔309b与源极304及漏极306电连接，且第一电极310a及第二电极310b覆盖部分绝缘层308，如图4C所示。然后，形成一具有开口314的钝化层312于绝缘层308之上，钝化层312覆盖第一电极310a及第二电极310b，开口314暴露预定沟道区307上方的部分绝缘层308的表面。接着，形成一离子感应栅极313于开口314中的绝缘层308上，如图4D所示，以得到本发明的离子感应场效应晶体管300。
但是本领域技术人员也可以明了本发明的技术并不局限在此，例如，非单晶硅基衬底302为玻璃衬底、塑料衬底或绝缘性衬底，绝缘层308为二氧化硅层或其它绝缘物质。其中，第一电极310a及第二电极310b为两金属电极，且钝化层312为环氧树脂或其它封胶物质。另外，源极304及漏极306可以是重度掺杂N型(N+)，而多晶硅层303可以是轻度掺杂P型(P-)。
本发明上述实施例所公开的离子感应场效应晶体管及制造方法，其采用非单晶硅基衬底的设计，可以解决传统上因源极及漏极和单晶硅衬底之间的pn结而产生的漏电流现象。且非单晶硅基衬底的价格比单晶硅衬底的价格便宜，减少材料成本许多。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所确定的为准。

Claims (15)

1.一种离子感应场效应晶体管，包括：
一非单晶硅基衬底；
一多晶硅层，形成于该非单晶硅基衬底上；
一源极及一漏极，形成于该多晶硅层中，且该源极及该漏极之间的该多晶硅层为一预定沟道区；
一绝缘层，形成于该多晶硅层上，并具有一第一接触孔及一第二接触孔；
一第一电极及一第二电极，并分别借由该第一接触孔及该第二接触孔与该源极及该漏极电连接；
一钝化层，形成于该绝缘层之上，并覆盖该第一电极及该第二电极，该钝化层具有一开口，该开口用以暴露该预定沟道区上方的部分的该绝缘层的表面；以及
一离子感应栅极，配置于该开口中的该绝缘层上。
2.如权利要求1所述的晶体管，其中该钝化层为环氧树脂。
3.如权利要求1所述的晶体管，其中该非单晶硅基衬底为玻璃衬底。
4.如权利要求1所述的晶体管，其中该非单晶硅基衬底为塑料衬底。
5.如权利要求1所述的晶体管，其中该非单晶硅基衬底为绝缘性衬底。
6.如权利要求1所述的晶体管，其中该绝缘层为二氧化硅层。
7.如权利要求1所述的晶体管，其中该第一电极及该第二电极为两金属电极。
8.一种离子感应场效应晶体管的制造方法，包括：
提供一非单晶硅基衬底；
形成一多晶硅层于该非单晶硅基衬底上；
形成一源极及一漏极于该多晶硅层中，该源极及该漏极之间的该多晶硅层为一预定沟道区；
形成一具有一第一接触孔及一第二接触孔的绝缘层于该多晶硅层上，该第一接触孔及该第二接触孔分别暴露部分该源极及该漏极；
形成一第一电极及一第二电极，该第一电极及该第二电极分别借由该第一接触孔及该第二接触孔与该源极及该漏极电连接；
形成一具有一开口的钝化层于该绝缘层之上，该钝化层覆盖该第一电极及该第二电极，该开口暴露该预定沟道区上方的部分该绝缘层；以及
形成一离子感应栅极于该开口中的该绝缘层上。
9.如权利要求8所述的方法，其中该形成一源极及一漏极于该多晶硅层中的步骤中又包括：
定义该多晶硅层的正面，以形成两预定掺杂区；
对该两预定掺杂区进行掺杂，以对应地形成该源极及该漏极。
10.如权利要求8所述的方法，其中该非单晶硅基衬底为玻璃衬底。
11.如权利要求8所述的方法，其中该非单晶硅基衬底为塑料衬底。
12.如权利要求8所述的方法，其中该非单晶硅基衬底为绝缘性衬底。
13.如权利要求8所述的方法，其中该绝缘层为二氧化硅层。
14.如权利要求8所述的方法，其中该第一电极及该第二电极为两金属电极。
15.如权利要求8所述的方法，其中该钝化层为环氧树脂。
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