CN101101272A - 一种生化微传感集成芯片、制作及模具制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生化微传感集成芯片的结构、制作及模具制备方法。集成芯片包括差分延长栅和读出电路。差分延长栅由Ta₂O₅敏感薄膜、PTFE钝化薄膜和Pt准参比电极组成；ISEGFET/REEGFET传感器的MOSFET位于读出电路的运算放大器中。在标准商用CMOS工艺线完成基础集成芯片；在研究性工艺线制备敏感膜、钝化薄膜及Pt薄膜等后续工艺；设计微小芯片后续工艺模具。延长栅结构的离子敏场效应传感器，给引入静电保护电路提供条件。差分延长栅和读出电路集成一个芯片或两个芯片再二次集成。单芯片集成传感器使检测系统体积缩小，实现信号原位读取和处理，一致性、可靠性及稳定性得到保证，在生化、医学领域应用。

Description

一种生化微传感集成芯片、制作及模具制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于标准CMOS技术的电位型微传感集成芯片的设计与后续工艺技术，特别涉及到传感器新颖的延长栅结构设计以及微传感芯片后续加工技术。

背景技术

离子敏场效应管(Ion Sensitive Field Effect Transistor，ISFET)的研究起源于上世纪70年代。由于其体积小、输入阻抗高且输出阻抗低、响应快、全固态等优势在生物医学，环境监测，工业生产等各个领域得到广泛应用。传统的ISFET结构是将MOSFET(Metallic OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的金属栅极去除，仅保留二氧化硅(SiO₂)层，通过在其上淀积离子敏感薄膜而制成的。测试时，敏感薄膜要与待测液直接接触，整个器件除敏感膜区域外均须用绝缘性能良好的密封胶包封。栅极敏感薄膜直接与电解液相接触，电解液/绝缘层界面的电势与电解液中的离子活度(浓度)有关，电解液中离子浓度的改变将引起ISFET器件阈值电压相应的改变。这样就可以通过检测ISFET的沟道电流的变化来检测所测离子的浓度。

以pH-ISFET器件为基础，至今已发展研制成一系列响应无机离子、有机离子、药物及酶、免疫的离子敏感场效应晶体管。虽然对FET型生物传感器集成化的研究由来已久，但目前在国内外尚未见到完全采用标准CMOS(硅栅)工艺设计并制备出可实用的传感器。其主要困难在于：

(1)工艺上无法与标准硅栅CMOS工艺兼容，后续工艺不能有高温过程；

(2)参比电极集成化比较困难。

随着CMOS技术水平的快速发展，线宽日益减小，集成度越来越高，铝(Al)栅工艺己无法满足要求，多晶硅栅技术已经成为主流。利用多晶硅栅的“自对准”效应定义源极和漏极区域是现在标准CMOS技术的主要特征。近年来，国内外对传感器与标准CMOS的兼容性设计与制备进行了大量的探索。为了实现ISFET与集成电路的单芯片集成，目前最为常用的方法有两种：(1)通过腐蚀技术去除MOSFET栅极的Al 金属层及多晶硅层，然后在SiO₂层之上淀积敏感薄膜。该方案工艺复杂，一致性和可靠性很难保证。(2)由于芯片表面以CMOS工艺中的氮化硅(SiNxOy)钝化层为敏感膜，对溶液中氢离子活度具有一定响应。该方案不需要芯片再进行后续加工，方便可靠。但同时存在灵敏度不高、线性度不好等问题。此外，由于标准CMOS工艺中几乎均以Al为互连线，故采用标准CMOS工艺流片获得的芯片不能再经受高温过程。

Ta₂O₅由于具有较高的介电常数(k～26)，低的漏电流密度，低的内应力以及高的击穿电压、易与目前的硅工艺相兼容等优点，是目前所知的最为优良的pH敏感材料。具有良好的化学稳定性、不溶性、很宽的Nemst响应以及良好的生物兼容性。目前对于该薄膜的制备技术有：钽氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相淀积技术、磁控溅射技术等。由于在通常淀积条件下很难获得理想的组分和结构，往往呈现出富钽状态，为了获得性能优良的Ta₂O₅薄膜，大都需要在O₂氛围中进行高温(高于650℃)退火后处理。这就限制了它在集成芯片上的应用。

在电化学的电位测量中必须使用参比电极，ISFET(Ion SensitiveField Effect Transistor，离子敏场效应管)尤其如此。但这类参比电极的液接盐桥结构以及不同温度特性等因素限制了ISFET向着小型、集成化方面的发展。较好的解决途径是采用两个ISFET构成差分结构，再共用一个准参比电极(QRE，Quasi-Reference Electrode)，该结构可以通过标准CMOS工艺集成到同一芯片中，而且可以有效地消除温度和光照等原因引起的共模误差。由于差分结构测量的精度依赖于两个ISFET对离子敏感度差异，因此，如何制作对离子完全不敏感的ISFET，即REFET(Reference FET，参比场效应管)是目前许多科研工作者正在努力的方向。目前用作差分结构的REFET钝化膜主要可分两类：离子阻挡型和非离子阻挡型。两者均能达到较好的钝化效果。多数绝缘体表面都存在着键结合位，键结合位密度较大时，会表现出对pH的Nernst响应；相反，当键密度极小时，则不会表现Nernst响应，甚至对pH无响应，而聚合物表面通常都具有极低的键结合位密度。但P.Bergveld等人认为，离子阻挡型钝化膜会产生附加电容，使REFET和ISFET二者的电学参数，尤其是跨导发生较大的改变，从而失去差分结构消除干扰信号的意义。而非离子阻挡型聚合物，因为它允许水溶液中的电压通过薄膜到达ISFET栅区，从而使REFET与ISFET具有相同的跨导。这种薄膜应该对H⁺不敏感，而且与栅氧化物间应有较好的热动力学平衡，在材料设计和制备中有不少技术难题需要解决。常见的离子阻挡型pH钝化膜材料主要有：PVC、Ppy、PTFE等。聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)薄膜，具有许多独特的物理和化学性能，如优异的化学稳定性、耐高低温性能、低介电常数、疏水性等，是一种优良的离子阻挡型钝化膜。

由于ISFET结构中，栅极处于悬浮状态，很容易受到外界干扰，尤其是静电的损害，这是FET型传感器失效的一个主要因素之一。

发明内容

如上所述电位型生化微传感集成芯片面临几个关键技术问题，由于标准CMOS工艺中几乎均以Al为互连线，故采用标准CMOS工艺流片获得的芯片，制备Ta₂O₅薄膜不能再经受高温过程；如何克服参比电极集成化的困难；如何避免ISFET受到外界静电的损害。为了解决上述技术的问题，本发明提供一种实现差分型延长栅的生化微传感集成芯片、制作及模具制备方法，目的是可在低温条件下沉积Ta₂O₅薄膜、PTFE薄膜；引入差分测试免去参比电极；提供引入保护电路的条件。

为了实现上述目的，本发明的第一个方面是提供的生化微传感集成芯片包括：差分延长栅和读出电路，差分延长栅产生的信号由读出电路检测和处理，读出电路中含有作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的两个金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET。

根据本发明的实施例，所述差分延长栅和读出电路，可以直接集成于一个芯片，也可以分别于两个芯片再二次集成。

根据本发明的实施例，所述差分延长栅的构成包括：在集成芯片表面上有三个导电块分别作为第一底电极、第二底电极和第三底电极位于第一薄膜、第二薄膜和电极的下面；

电极位于第一薄膜和第二薄膜之间；

电极与参比电压引线连通，对系统提供基准电压；

第一薄膜为敏感薄膜，其第一底电极的一端通过一个串联的静电保护电路与读出电路中第一场效应管的多晶硅栅极连通；

第二薄膜为钝化薄膜，其第三底电极的一端通过另一个串联的静电保护电路与读出电路中第二场效应管的多晶硅栅极连通。

根据本发明的实施例，所述第一底电极、第二底电极和第三底电极由金属Al或者多晶硅制成，电极采用Pt或Au制成。

根据本发明的实施例，所述第一薄膜采用具有氢离子敏感特性的五氧化二钽薄膜Ta₂O₅构成敏感薄膜延长栅，所述第二薄膜采用具有钝化特性的聚四氟乙烯PTFE薄膜构成钝化薄膜延长栅。

根据本发明的实施例，所述读出电路包括：

在集成芯片上有第一运算放大器和作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管(MOSFET)、两个保护电路、差分输出端、第二运算放大器和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管  (MOSFET)、差分运算放大器；

差分延长栅产生的输入信号，通过第一底电极和第三底电极分别接到两个保护电路的一端，两个保护电路的另一端分别与第一运算放大器中的第一场效应管与第二运算放大器中的第二场效应管的多晶硅栅极连接，由第一运算放大器和第二运算放大器分别读出第一薄膜和第二薄膜的电位；

两个保护电路对第一场效应管、第二场效应管加以静电保护，并进行预先的电容补偿，使作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管的跨导相近；

由第一场效应管和第三场效应管构成对称结构的第一运算放大器；

由第二场效应管和第四场效应管构成对称结构的第二运算放大器；

第一运算放大器、第二运算放大器的输出分别反馈到第三场效应管和第四场效应管的多晶硅栅极，并和两个电阻的一端相连，用于将电流信号转化为电压信号；

两个电阻的另一端分别与差分运算放大器的输入端连接，将第一运算放大器和第二运算放大器的输出信号进行差分，最终由输出端输出差分信号。

本发明的第二个方面是生化微传感集成芯片的制作方法如下：

集成芯片上的差分延长栅的第一底电极、第二底电极、第三底电极和读出电路，构成基础集成芯片；

在标准商用的基于金属-氧化物-半导体集成电路CMOS工艺线流片，获得基础集成芯片；

通过后续工艺，在基础集成芯片的第一底电极、第二底电极、第三底电极上制备第一薄膜、第二薄膜和电极。

根据本发明的实施例，所述差分延长栅的第一薄膜的低温溅射制备方法包括：

采用五氧化二钽敏感材料Ta₂O₅陶瓷为靶面，采用氩气/氧气混合气体为工作气体，溅射气压选择范围0.2Pa～1Pa，集成芯片加热温度≤300℃，将敏感材料Ta₂O₅低温溅射淀积到集成芯片上，形成五氧化二钽Ta₂O₅敏感薄膜延长栅。

根据本发明的实施例，所述制备第二薄膜的磁控溅射方法包括：采用聚四氟乙烯材料加工而成靶面，利用磁控溅射法，溅射气压为10^-2Pa量级；将聚四氟乙烯材料溅射到集成芯片上，溅射聚四氟乙烯薄膜的厚度约为80nm～120nm，最后以剥离工艺形成所需的薄膜图形，在室温下制备出用于集成芯片后续加工的聚四氟乙烯钝化薄膜延长栅。

根据本发明的实施例，所述制备电极的射频溅射方法如下：选取为金Au或铂Pt材料，将所述金属材料溅射成薄膜于集成芯片表面，薄膜厚度为300nm～500nm，利用剥离工艺将所述的薄膜形成所需的薄膜图形为Pt或Au电极。

本发明的第三个方面是生化微传感集成芯片模具的制备方法，制作步骤如下：

步骤a.选择厚度与集成芯片一样、晶向<100>的硅片a₁，在硅片a₁上溅射铝膜a₂，铝膜a₂的厚度选择为300nm～500nm并旋涂光刻胶a₃；

步骤b.以整个集成芯片作为掩模b₁，在置于有光刻胶a₃上面上进行光刻，形成铝膜图形a₂；

步骤c.以铝膜a₂为掩模，以六氟化硫SF₆气体为反应气体进行等离子体深刻蚀，把硅片a₁刻蚀穿，形成方孔；

步骤d.去除光刻胶a₃；

步骤e.与另一块硅片e₁用光刻胶粘在一起成为凹槽模子；集成芯片放进凹槽中，可进行各种工艺的操作；用有机溶液去胶，模子与硅片e₁脱离，集成芯片容易取出。

附图说明

图1a是本发明生化微传感集成芯片的结构平面图

图1b是本发明生化微传感集成芯片的结构和延长栅剖面图

图2是本发明生化微传感集成芯片模具制备图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本发明提出一种基于标准CMOS技术电位型生化传感器与读出电路的集成的芯片设计与后续工艺技术，发明中设计了一种差分测试结构的延长栅。它由具有氢离子敏感特性的五氧化二钽(Ta₂O₅)薄膜、具有钝化特性的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜以及Pt金属电极构成。这种延长栅与读出电路中作为敏感器件的一对金属氧化物半导体场效应管MOSFET组成ISEGFET离子敏延长栅场效应管(Ion SensitiveExtended-gate Field Effect Transistor，ISEGFET)/参比电极延长栅场效应管REEGFET(Reference Electrode EGFET)差分传感器。为了克服ISEGFET/REEGFET二者的电学参数，尤其是两者的跨导差异，并克服FET型传感器静电损害引起的失效，在设计读出电路时，引入两个相同的保护电路分别串联于延长栅和场效应管之间；所述保护电路可以是任何有保护作用、CMOS工艺能够实现的电路；

另外，为了实现这项设计，发明中包含低温制备Ta₂O₅敏感薄膜制备和室温下制备聚四氟乙烯(PTFE)钝化膜的关键技术、后续工艺的“微小芯片专用工艺模具”。

根据本发明的图1a，是本发明生化微传感集成芯片的结构平面图，根据本发明的图1b，是本发明生化微传感集成芯片的结构和延长栅剖面图。基于标准CMOS技术的生化微传感集成芯片的设计如下：

图1中包括差分延长栅A和读出电路B；差分延长栅A和读出电路B位于同一个集成芯片上。差分延长栅A产生的信号由读出电路B检测和处理；读出电路B中含有作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的MOSFET；差分延长栅A和读出电路B，可以直接集成于一个芯片，也可以分别于两个芯片二次集成。

所述差分延长栅A的构成包括：

在集成芯片上有三块金属铝或多晶硅制成的金属块，作为差分延长栅A即第一薄膜1、第二薄膜3和电极2的第一底电极141、第二底电极142、第三底电极143；

在第一底电极141、第二底电极142、第三底电极143上有第一薄膜1、Pt或Au电极2、第二薄膜3；

Pt或Au电极2位于第一薄膜1和第二薄膜3中间，它与参比电压引线4连通，对系统提供基准电压；

在第一薄膜1为敏感薄膜的第一底电极141的一端与读出电路B中的一个静电保护电路7连通，第二薄膜3为钝化薄膜的第三底电极143一端与读出电路B中的另一个静电保护电路7连通；

第一薄膜1采用具有氢离子敏感特性的五氧化二钽薄膜构成敏感薄膜延长栅，所述第二薄膜3采用具有钝化特性的聚四氟乙烯薄膜构成钝化薄膜延长栅。

所述读出电路B包括：

在集成芯片上第一运算放大器5和作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管6(MOSFET)、保护电路7、差分输出端9、第二运算放大器10和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管8(MOSFET)、差分运算放大器11；

差分延长栅A的产生的输入信号通过第一底电极141和第三底电极143分别经过两个保护电路7与第一运算放大器5中的第一场效应管6与第二运算放大器10中的第二场效应管8的多晶硅栅极连接，由第一运算放大器5和第二运算放大器10分别读出第一薄膜1和第二薄膜3的电位；

两个保护电路对第一场效应管6、第二场效应管8加以静电保护，并进行预先的电容补偿，使作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管6和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管8的跨导相近；

由第一场效应管6和第三场效应管12构成对称结构的第一运算放大器5；

由第二场效应管8和第四场效应管13构成对称结构的第二运算放大器10；

第一运算放大器5、第二运算放大器10的输出分别反馈到第三场效应管12和第四场效应管13的多晶硅栅极，并和两个电阻R₁、R₂的一端相连，用于将电流信号转化为电压信号；

两个电阻R₁、R₂的另一端分别与差分运算放大器11的输入端连接，将第一运算放大器5和第二运算放大器10的输出信号进行差分，最终由输出端9输出差分信号。

所述两个保护电路7，分别串联于第一底电极141和第三场效应管6的多晶硅栅，或第三底电极143和第四场效应管8的多晶硅栅之间；

所述保护电路7不限结构原理，保护电路7有静电保护和电容补偿作用，并以CMOS工艺能够实现；可以是任何有保护作用、CMOS工艺能够实现的电路，其结构完全相同。

本发明集成芯片的设计中有以下几点说明：

(1)差分延长栅A：

实施例设计了由具有氢离子敏感特性的五氧化二钽(Ta₂O₅)薄膜和具有钝化特性的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜与Pt金属电极2一起构成差分测试结构的延长栅A。这种差分延延长栅A与读出电路B中作为敏感器件的一对第三场效应管6和第四场效应管8(MOSFET)组成ISEGFET离子敏延长栅场效应管(Ion Sensitive Extended-gate Field EffectTransistor，ISEGFET)/参比电极延长栅场效应管REEGFET(ReferenceElectrode EGFET)差分传感器，实现传感器与集成电路的完全单芯片集成。这种结构摒弃了传统的体积大、不易集成的参比电极。ISEGFET对溶液氢离子具有较高的灵敏度响应，而REEGFET对溶液中氢离子几乎不具有灵敏度，Pt金属电极2为传感器提供基本的工作点，使传感器沟道处于导通状态。通常金属电极2在溶液中由于存在不稳定的电极电势(与溶液成分有关)，不能作为参比电极，但差分测试可以把来自电极电势的不稳定影响作为共模噪声进行有效抑制，同时还能够对温漂，光照等噪声进行抑制，从而保证了较高的信噪比。

(2)MOSFET的跨导补偿：为了克服ISEGFET/REEGFET二者的电学参数，尤其是两者的跨导等电学参数的差异，在设计读出电路时，对用于传感器的第一场效应管6(MOSFET)和第二场效应管8(MOSFET)的多晶硅栅极进行预先的补偿，保证它们与差分延长栅A连接后ISEGFET/REEGFET的电学参数，尤其是两者的跨导相近。

(3)图1中静电保护电路7：本发明ISEGFET/REEGFET的结构，提供引入保护电路的条件；两个保护电路7可以是任何有保护作用、CMOS工艺能够实现的电路，有效地克服FET型传感器静电损害引起的容易失效问题。

实施例2：

根据本发明的图2给出制作模具的工艺流程，所述生化微传感集成芯片模具的制备方法，制作步骤如下：

步骤a.选择厚度与集成芯片一样、晶向<100>的硅片a₁，在硅片a₁上溅射铝膜a2，铝膜a2的厚度选择为300nm～500nm并旋涂光刻胶a₃；

步骤b.以整个集成芯片作为掩模b₁，在置于有光刻胶a₃上面上进行光刻，形成铝膜图形a₂；

步骤c.以铝膜a₂为掩模，以六氟化硫SF₆气体为反应气体进行等离子体深刻蚀，把硅片a₁刻蚀穿，形成方孔；

步骤d.去除光刻胶a₃；

步骤e.与另一块硅片e₁用光刻胶粘在一起成为模子；集成芯片放进凹槽中，即可以进行各种工艺的操作；用有机溶液去胶，模子与硅片e₁脱离，集成芯片容易取出。

本发明的微小芯片专用工艺模具目的：

集成芯片采用硅栅标准CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺流片。本发明提出了通过MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术实现的“微小芯片专用工艺模具”。集成芯片由0.35um商用标准CMOS工艺流片，是通过多项目单晶圆(Multiple Project Wafer，MPW)的形式完成的。获得芯片为一个个分立的、只有毫米量极的裸片。这给传感器后续工艺带来很大困难，甩胶后光刻胶在芯片表面的边缘效应对光刻工艺影响非常大，甚至无法光刻。本发明在传感器制备过程中，针对集成芯片尺寸小、旋涂光刻胶困难的问题，设计出小芯片专用工艺模具。该模具为一个凹槽结构，凹槽的尺寸与芯片比较接近，即长度、宽度和深度略大于芯片尺寸。这样在旋涂光刻胶的过程中，避免了由于光刻胶粘稠而带来的边缘问题。为了在微小芯片表面进行甩胶光刻，本发明用Si片制备出了凹槽作为模子，凹槽的尺寸深度与芯片相当，用这种模子甩胶就可以大大减小光刻胶表面张力带来的边缘效应而导致光刻胶不均匀的问题。

实施例3：

本发明的生化微传感集成芯片的制作方法

集成芯片的差分延长栅的底电极和读出电路构成基础集成芯片15，在标准商用基于CMOS工艺线流片；在获得的基础集成芯片15上进行后续工艺制备差分延长栅的第一薄膜1、Pt或Au电极2、第二薄膜3；

所述差分延长栅A的第一薄膜1的低温溅射制备方法包括：

采用五氧化二钽敏感材料Ta₂O₅陶瓷为靶面，采用氩气/氧气混合气体为工作气体，溅射气压选择范围0.2Pa、0.5Pa、1Pa，集成芯片加热温度≤300℃，如100℃、200℃、300℃，将敏感材料Ta₂O₅低温溅射淀积到集成芯片上，形成五氧化二钽(Ta₂O₅)敏感薄膜延长栅。

所述制备第二薄膜3的磁控溅射方法包括：采用聚四氟乙烯材料加工而成靶面，利用磁控溅射法，溅射气压为10^-2Pa量级；将聚四氟乙烯材料溅射到集成芯片上，溅射聚四氟乙烯薄膜的厚度约为80nm～120nm，例如80nm、100nm、120nm，最后以剥离工艺形成所需的薄膜图形，在室温下制备出用于集成芯片后续加工的聚四氟乙烯钝化薄膜延长栅。

所述制备金属电极2射频溅射方法如下：选取为金Au或铂Pt材料，将所述金属材料溅射成薄膜于集成芯片表面，薄膜厚度为300nm～500nm，例如300nm、400nm、500nm，利用剥离工艺将所述的薄膜形成所需的薄膜图形为Pt或Au金属电极2。

低温制备第一薄膜1即Ta₂O₅敏感薄膜制备：

本发明采用射频磁控溅射技术进行薄膜淀积，选用高纯Ta₂O₅材料压制的陶瓷块作为靶材，通过光刻与SF₆气体反应离子刻蚀技术实现Ta₂O₅薄膜图形化。该技术制备的薄膜不需要退火处理就能够获得较好的原子组分和结构，测试结果表明具有较高的灵敏度和稳定性。Ta₂O₅具有相对较高的灵敏度和极好的线性度、良好的化学稳定性、不溶性、很宽的Nernst响应与良好的生物兼容性。

室温下制备第二薄膜3即聚四氟乙烯(PTFE)钝化膜：

在作为参比电极延长栅的钝化膜制备方面，提出采用高纯PTFE为直径100mm，厚为5mm的圆形PTFE板材为靶材，以磁控溅射法生长厚度为100nm的薄膜，最后以lift-off工艺剥去光刻胶，形成所需的薄膜图形。薄膜溅射气压为10^-2Pa量级。实现了室温下制备聚四氟乙烯(PTFE)钝化膜的关键技术，并用于集成芯片后续加工。聚四氟乙烯(PTFE)具有良好的绝缘性和非常好的化学稳定性，对氢离子(H⁺)以及其它几乎所有的生化材料均表现出较好的惰性，并且可以通过磁控溅射技术来制备薄膜，工艺简单，容易控制。PTFE(厚度约为80nm或100nm或120nm)在Ta₂O₅层之上形成，具有较好的附着性且透明。

实施例4：

本发明还可以充分利于延长栅结构的特点，可以将差分延长栅A和读出电路B分别在两个硅片上加工，读出电路B在采用标准CMOS工艺流片，差分延长栅A在可在其它研究性工艺线上制作，然后再将两个芯片进行二次集成。

把延长栅的第一底电极141和第三底电极143引出外引线，分别与读出电路B中第一场效应管6和第二场效应管8的多晶硅栅极的外引线连接，并进行封装构成二次集成传感芯片。在结构上，差分延长栅、读出电路、并不在同一硅片上，可以分别进行封装。采用这种结构的集成芯片，读出电路B中含有作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的两个金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET、和相关的信号读出和处理电路就可以反复使用，且差分延长栅的制备不需要再拘泥于低温条件，因此可以制备Si₃N₄(氮化硅)等高温材料作为敏感薄膜。与传统的ISFET结构比较，更加灵活、廉价、易于封装和保存。

本发明实现了FET型生物传感器与集成电路的单芯片集成，解决生化传感器与集成电路的兼容性问题，获得较高的灵敏度和良好的稳定性，建立了FET型生物传感集成芯片技术平台，为进一步构建数字型生物传感芯片系统奠定了基础。

本发明是基于标准CMOS技术流片的基础上，通过后续工艺实现ISEGFET生化传感器与读出电路的单芯片集成，为微集成芯片系统(System on Chip，SOC)的研制奠定了基础。传感器与集成电路的单芯片集成使检测系统体积大大缩小，传感器信号可以实现原位读取和处理。在医疗检测、环境卫生、工业生产等领域具有深远的应用价值。采用标准CMOS技术制备的传感器一致性、可靠性及稳定性等指标能够得到很好的保证。

上面描述是用于实现本发明及其实施例，因此，本发明的范围不应由该描述来限定。本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。

Claims (11)

1、一种生化微传感集成芯片，其特征在于，包括：差分延长栅和读出电路，差分延长栅产生的信号由读出电路检测和处理，读出电路中含有作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的两个金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET。

2、根据权利要求1所述生化微传感集成芯片，其特征在于：所述差分延长栅和读出电路，集成于同一个芯片，或分别于两个芯片再二次集成。

3、根据权利要求1所述生化微传感集成芯片，其特征在于，所述差分延长栅A的构成包括：在集成芯片表面上有三个导电块分别作为第一底电极、第二底电极和第三底电极位于第一薄膜、第二薄膜和电极的下面；

电极位于第一薄膜和第二薄膜之间；

电极与参比电压引线连通，对系统提供基准电压；

第一薄膜为敏感薄膜，其第一底电极的一端通过一个串联的静电保护电路与读出电路中第一场效应管的多晶硅栅极连通；

第二薄膜为钝化薄膜，其第三底电极的一端通过另一个串联的静电保护电路与读出电路中第二场效应管的多晶硅栅极连通。

4、根据权利要求1、2、3所述生化微传感集成芯片，其特征在于：第一底电极、第二底电极和第三底电极由金属Al或者多晶硅制成，电极采用Pt或Au制成。

5、根据权利要求1、2、3所述生化微传感集成芯片，其特征在于：所述第一薄膜采用具有氢离子敏感特性的五氧化二钽薄膜Ta₂O₅构成敏感薄膜延长栅，所述第二薄膜采用具有钝化特性的聚四氟乙烯PTFE薄膜构成钝化薄膜延长栅。

6、根据权利要求1所述生化微传感集成芯片，其特征在于，所述读出电路包括：

在集成芯片上有第一运算放大器和作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管MOSFET、两个保护电路、差分输出端、第二运算放大器和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管MOSFET、差分运算放大器；

差分延长栅产生的输入信号，通过第一底电极和第三底电极分别接到两个保护电路的一端，两个保护电路的另一端分别与第一运算放大器中的第一场效应管与第二运算放大器中的第二场效应管的多晶硅栅极连接，由第一运算放大器和第二运算放大器分别读出第一薄膜和第二薄膜的电位；

两个保护电路对第一场效应管、第二场效应管加以静电保护，并进行预先的电容补偿，使作为离子敏延长栅场效应管ISEGFET传感器的第一场效应管和参比延长栅场效应管REEGFET传感器的第二场效应管的跨导相近；

由第一场效应管和第三场效应管构成对称结构的第一运算放大器；

由第二场效应管和第四场效应管构成对称结构的第二运算放大器；

第一运算放大器、第二运算放大器的输出分别反馈到第三场效应管和第四场效应管的多晶硅栅极，并和两个电阻的一端相连，用于将电流信号转化为电压信号；

两个电阻的另一端分别与差分运算放大器的输入端连接，将第一运算放大器和第二运算放大器的输出信号进行差分，最终由输出端输出差分信号。

7、根据权利要求1所述一种生化微传感集成芯片的制备方法，其特征在于：集成芯片上的差分延长栅的第一底电极、第二底电极、第三底电极和读出电路，构成基础集成芯片；

在标准商用的基于金属-氧化物-半导体集成电路CMOS工艺线流片，获得基础集成芯片；

通过后续工艺，在基础集成芯片的第一底电极、第二底电极、第三底电极上制备第一薄膜、第二薄膜和电极。

8、根据权利要求7所述生化微传感集成芯片的后续工艺制备方法，其特征在于：所述差分延长栅的第一薄膜的低温溅射制备方法包括：

采用五氧化二钽敏感材料Ta₂O₅陶瓷为靶面，采用氩气/氧气混合气体为工作气体，溅射气压选择范围0.2Pa～1Pa，集成芯片加热温度≤300℃，将敏感材料Ta₂O₅低温溅射淀积到集成芯片上，形成五氧化二钽Ta₂O₅敏感薄膜延长栅。

9、根据权利要求7所述生化微传感集成芯片的后续工艺制备方法，其特征在于：所述制备第二薄膜的磁控溅射方法包括：采用聚四氟乙烯材料加工而成靶面，利用磁控溅射法，溅射气压为10^-2Pa量级；将聚四氟乙烯材料溅射到集成芯片上，溅射聚四氟乙烯薄膜的厚度约为80nm～120nm，最后以剥离工艺形成所需的薄膜图形，在室温下制备出用于集成芯片后续加工的聚四氟乙烯钝化薄膜延长栅。

10、根据权利要求7所述金属氧化物生化微传感集成芯片的后续工艺制备方法，其特征在于，所述制备电极的射频溅射方法如下：选取为金Au或铂Pt材料，将所述金属材料溅射成薄膜于集成芯片表面，薄膜厚度为300nm～500nm，利用剥离工艺将所述的薄膜形成所需的薄膜图形为Pt或Au电极。

11、根据权利要求1，所述生化微传感集成芯片后续工艺模具的制备方法，其特征在于，模具结构制作步骤如下：

步骤a.选择厚度与集成芯片一样、晶向<100>的硅片a₁，在硅片a₁上溅射铝膜a₂，铝膜a₂的厚度选择为300nm～500nm并旋涂光刻胶a₃；

步骤b.以整个集成芯片作为掩模b₁，在置于有光刻胶a₃上面上进行光刻，形成铝膜图形a₂；

步骤c.以铝膜a₂为掩模，以六氟化硫SF₆气体为反应气体进行等离子体深刻蚀，把硅片a₁刻蚀穿，形成方孔；

步骤d.去除光刻胶a₃；

步骤e.与另一块硅片e₁用光刻胶粘在一起成为凹槽模子；集成芯片放进凹槽中，可进行各种工艺的操作；用有机溶液去胶，模子与硅片e₁脱离，集成芯片容易取出。

Images