CN101122571B - 光激发场寻址半导体传感器 - Google Patents
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Abstract
新型光激发场寻址半导体传感器，属于半导体生化传感器中器件设计领域。本发明利用半导体器件物理及其工艺，将敏感膜与电极分立于器件上下两面，并具有寻址功能。其中在p+-Si衬底的下表面制备有敏感膜，其四周为局部场氧化层，其上为n--Si外延层；外延层的上表面，分别形成了新的局部场氧化层、磷掺杂；二氧化硅层和氮化硅层在外延层上，作为绝缘栅层；氮化硅层上表面为Al栅极和多晶硅栅极，光源照射在透光性的多晶硅栅极上。本发明采用光激发、场寻址的方法，可减少电荷注入过程中产生的噪声，而场寻址方法简单、成本低、且寻址精度较高。采用单一光源激发，保证了在相同的控制信号作用下，每一个敏感单元所受到的光激发是相同的。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体传感器的器件设计领域。
【背景技术】
本发明的理论基础为光寻址电位传感器(Light Addressable PotensiometricSensor，LAPS)、以及掩埋沟道电荷转移器件(BCCD)。
1、LAPS敏感机制
自1988年首次研制出光寻址电位传感器(Light Addressable Potensiometric Sensor，LAPS)[1]以来，LAPS因其结构简单、灵敏度高、响应快、多参数检测等优点，被广泛地应用在免疫测定[2，3]、细胞代谢[4，5，6]以及活细胞检测[7]等研究领域。随着微电子工艺的发展，固态化、微型化和便携式LAPS[8，9，10]，以及多敏感单元LAPS得到了研究[11]，这种固态化、集成化、多功能性的特点使得LAPS对于实现无荧光标记物的生物分子、甚至活细胞胞检测，乃至实现实验室芯片化，都具有很好的发展前景。
图1为典型LAPS敏感单元的剖面结构及其测试系统示意图，器件的敏感单元[12]由被测溶液3、敏感膜4(氮化硅层)以及绝缘层5构成，是整个传感器敏感机制的核心部分。器件的敏感膜将被测信息的变化转变为绝缘层表面电势的变化；绝缘层5和衬底6将表面电势变化转化为衬底6的表面空间电场强度的变化；当激发光源8在其驱动及频率调制电路9的控制下，周期性地照射在敏感单元的下表面或者上表面时，将产生光生载流子，当这些光生载流子扩散到空间电荷区时，将被其中的电场分离，成为光电流，而且变化的空间电场将产生变化的光电流；该光电流经锁相放大器10转化为光电压，经计算机11进行数据采集与处理。
LAPS与MOS器件相似，其空间电荷层由有效栅压Vg。LAPS中Vg与偏置电压Vb、敏感膜表面势Vfilm的关系为：
Vg＝Vb+Vfilm <1>
当敏感膜与被测物质反应时，将引起Vfilm的变化，从而对Vg进行调制。空间电荷区所能存储的电荷量Qs与Vg有关，在耗尽状态下，Vg越大则Qs越大，则被锁相放大器(10)检测的光电压V越大，从而实现了对被测物质的检测。
2、BCCD简介
图2为BCCD结构示意图。p型Si衬底6上为n-Si层13，在此pn结界面处形成耗尽层，当电极16接高电平时，pn结反偏，耗尽层展宽，从而使n-Si中形成了一个转移信道。若电极15的电位为零或平带电压，则各个电极下的转移信道的纵向位置基本相同(与6-13界面垂直的方向为纵向y，界面处y＝0，与其平行的方向为横向)；若用一组时钟脉冲控制各个电极15的电位，则各电极下的转移信道的电位将被调制，从而形成了由脉冲控制的沿横向运动的势阱。
在势阱存在的时间内，由左侧的磷(P+)掺杂14向信道注入电荷，则这个电荷包将在脉冲控制下，由左向右依次通过各转移电极下的势阱，最后由右侧磷(P+)掺杂14及其欧姆接触与电极引线16输出，输出电流或电压的大小与被注入的电荷包成正比。
3、本发明的提出
随着LAPS在生物化学领域中的应用，阵列结构的半导体传感器芯片是必然的发展趋势，其中有两个重要问题需要解决：①对于敏感单元的寻址；②避免半导体传感器工作过程中的电场对生化体系产生影响。
对于寻址问题，目前有两种寻址方法：光寻址和电寻址。LAPS就是一种光寻址的方法，目前这一检测技术已经较为成熟，查阅国内外有关LAPS的专利，内容如下：
1)DETECTION METHOD FOR PATHOGENIC MICROORGANISM WITHLIGHT-ADDRESSABLE POTENTIOMETRIC SENSOR；Inventor：KIM HEE CHAN(KR)；YUM DO YOUNG(KR)；Publication info：KR20050110973-2005-11-24
2)METHOD FOR DETECTING SIGNAL FOR MULTI-CHANNEL LAPS；Inventor：BAESANG KON(KR)；CHO JIN HO(KR)；Publication info：KR20030086753-2003-11-12
3)Genetically biotinylated recombinant antibody in immunofiltration assay by lightaddressable potentiometric sensor for identification of Venezuelan equine encephalitisvirus；Inventor：FULTON R ELAINE(CA)；NAGATA LESLIE P(CA)；Publication info：US2004229216-2004-11-18
4)Genetically biotinylated recombinant antibody in immunofiltration assay by lightaddressable potentiometric sensor for identification of Venezuelan equine encephalitisvirus；Inventor：HU WEIGANG(CA)；NAGATA LESLIE P(CA)；Publicationinfo：CA2462343-2004-09-25
5)Improvements in transducer devices with LAPS type structure；Inventor：DELLA CIANALEOPOLDO；FORTUNATO GUGLIELMO；Publication info：IT1261339-1996-05-14
6)三维微结构光寻址电位传感器，发明人：韩泾鸿，公开号：1168975
7)多光源寻址电位传感器及并行处理的气体图象测试装置，发明人：王平，张钦涛.公开号：258844
8)用于检测Fe的薄膜光寻址电位传感器及其制备方法，发明人：王平，门洪，李毅，许祝安.公开号：1547003
9)用于检测Hg的薄膜光寻址电位传感器及其制备方法，发明人：王平，门洪，李毅，许祝安.公开号：1547004
其中国外专利中1)、5)和国内专利6)、7)为LAPS器件及其检测技术的发明，其它五项为LAPS在生物化学检测领域中应用，与本发明内容无关。发明专利1)、6)、7)，采用多路激发光源，每一个激发光源与敏感单元对准；发明专利5)主要采用多晶硅作为栅极对LAPS所用材料进行了革新，而本发明是对器件结构的革新，二者不存在冲突。
电寻址的方法也是半导体传感器芯片常用的方法，K.Sawada和M.Ishida等人[13]，利用氮化硅敏感膜的EIS型敏感单元作为表面电荷耦合器件(SCCD)的转移控制栅，采用电注入的方式，实现了对pH值的测量。此后该研究小组又利用多晶硅电极对这一器件进行了改进[14]。Parak等人以离子敏场效应晶体管(ISFET)为基础研制了场效应寻址电位型传感器(FAPS，field-effect-addressabel potentiometric sensor)[15，16]，
从现有的半导体生化传感器来看，大多数器件都将敏感膜与电极布线置于芯片的同一表面，这其中不可避免的存在电场与被测生化体系间的相互影响问题。Parak等人的FAPS将敏感膜制备在ISFET的背面，很好的避免了这一问题的出现，但是这种器件要求衬底从上表面至下面全部作为沟道，在制备工艺上与现有的表面工艺兼容性较差。
【发明内容】
本发明目的是解决现有技术存在的上述不足，提供一种新型光激发场寻址半导体传感器。
一种新型光激发场寻址半导体传感器，依次包括p型Si衬底、衬底上的n--Si外延层、二氧化硅栅氧层、Al栅极，在与二氧化硅栅氧层接触面附近的n--Si外延层上设有两处磷掺杂，该磷掺杂通过欧姆接触与穿过二氧化硅栅氧层引线孔的电极引线连接，其特征是在与n--Si外延层接触面附近的p型Si衬底的上表面附近设有掺硼的p+-Si层，在p型Si衬底上表面外周和n-Si外延层上部外周分别设有局部场氧化层，在二氧化硅栅氧层中部两个Al栅极之间设有多晶硅栅极，在p型Si衬底下表面的中部与多晶硅栅极对应位置直至掺硼的p+-Si层为腐蚀区，在腐蚀区底部设有敏感膜。
场寻址与控制电极采用Al-多晶硅结构，各栅极下的绝缘层厚度相同。
图3为本发明提出的：新型光激发场寻址半导体传感器。激发光源位于传感器的上表面，并照射在多晶硅栅极所在区域。敏感膜制备在器件的下表面(图3中23所示)，多晶硅栅极、Al栅极和电极引线则制备于器件的上表面。这样，在使用时敏感膜所在的面与被测溶液接触，而半导体传感器的电学通路则全部在芯片的另一面，从而避免了电场与被测生化体系间的相互影响。下面对工作原理、及其创新点进行详细说明：
敏感机制
图3中18、19分别为掺有硼(B)的p+-Si层和n--Si外延层，构成了p+n-结，其耗尽层向n--Si外延层19一侧延伸，根据背景技术所介绍的原理，在电极(16)的作用下将在n--Si外延层19体内中形成一个转移信道。在本发明中掺有硼(B)的p+-Si层一侧固定有敏感膜23，当其与被测物质接触时，产生敏感膜表面电势Vfilm，根据电化学原理，这个电势是溶液中被测物质浓度Cx的函数：
Vfilm＝f1(Cx)<2>
Vfilm对整个信道的电势产生调制作用，当固定多晶硅栅极21的电位时，信道中势阱的深度将由Vfilm决定。
为减少电荷注入过程产生的噪声，本发明采用了光激发的方式，光源8照射在器件的上表面，多晶硅栅极21以及钝化层(BPSG)具有透光性，当光源照在外延层上时，根据Si材料的光电特性，n--Si外延层19中吸收光子，产生光生载流子。其中光生电子被信道区中的势阱收集，形成电荷包Qs，在栅极15、21上一定时序电位的驱动下，这一电荷被右侧磷(P+)掺杂14及其欧姆接触和电极引线16输出，形成输出电流Iout。在外界条件恒定的情况下，Qs的大小由势阱的深度决定，势阱越深则Qs越大；而，当电极引线16和栅极15、21的电位都保持恒定时，势阱的深度则由Vfilm决定；又根据<2>式，通过右侧电极引线16输出电流Iout由被测物质的浓度决定，即：
Iout＝f2(Cx)<3>
将右侧电极引线16与放大器24相连构成电流型检测电路，可将Iout转化为输出电压Vout，便于测量。这样，通过对Vout的检测即可实现对被测量的检测。
以上为本发明所提出的“新型光激发场寻址半导体传感器”一个敏感单元的设计，为实现高通量、集成化检测，可将n×n个相同的传感器单元制备在同一个衬底上，形成阵列。图4为3×3新型光激发场寻址半导体传感器阵列的某一行(列)的剖面图。
电极的工作方式
根据半导体物理，对于MOS结构中的n--Si外延层，当栅电极的电位为低电平时，形成势阱；为高电平时，形成势垒。据此，通过对电极电位的控制，可以完成电荷存储、转移和输出。
1)电荷存储：两个Al栅电极处于高电位，多晶硅栅处于低电位，则：多晶硅栅极下形成势阱，且势阱较深，Al栅电极下为势垒。光源8照在多晶硅栅极上，由于多晶硅具有透光性，在外延层中被吸收，并产生光生载流子；由于两侧势垒的阻碍，光生载流子在势阱中逐步积累，形成电荷包Qs。
2)电荷转移和输出：左侧Al栅极仍处于高电位，右侧Al栅极变为低电位，多晶硅栅逐步由低电位升高为高电位。这样，电荷包Qs将在多晶硅电位逐渐升高的过程中，向右侧Al栅极下形成的势阱中倾倒，并被右侧磷(P+)掺杂14及其欧姆接触和电极引线16收集，形成输出电流Iout。
当磷(P+)掺杂14接高电平时，p+n-界面处有耗尽层产生，敏感单元被选中；当磷(P+)掺杂14接地或者较小的低电平，同时栅极15、21都处于高电平时，敏感单元不被选中。
本发明的优点和积极效果：
本发明所提出的“新型光激发场寻址半导体传感器”的创新点在于：
1)：采用光激发、场寻址的方法，这不同于现有报道的光激发光寻址或电注入电寻址的半导体传感器。其优点在于光激发方法可减少电荷注入过程中产生的噪声，而场寻址方法简单、成本低、且寻址精度较高。
2)：敏感膜与电极分别被制备于传感器的上下两面，同时采用电荷耦合(CCD)技术，完成生化量敏感电荷包的存储和读取。这既不同于CCD型化学图像传感器[13，14]，也不同于FAPS[15，16]。前者采用CCD技术，但敏感膜与电极在同一表面，而且器件的工作实质是离子敏场效应晶体管作为敏感单元，而CCD仅仅作为信号的传输，而本发明CCD本身就是一个敏感单元，同时又用于信号电荷产生、存储、转移和场寻址；后者(FAPS)采用了敏感膜与电极分离的器件结构，但未将CCD技术用于敏感电荷转移。
3)：在光激发方式上，本发明采用的是单一光源激发，光源在步进电机的带动下对芯片上各个敏感单元进行扫描，这保证了在相同的控制信号作用下，每一个敏感单元所受到的光激发是相同的，唯一的区别来自与敏感膜界面势Vfilm。
【附图说明】：
图1为现有技术中典型LAPS敏感单元示意图。
图2为现有技术中BCCD结构示意图。
图3为新型光激发场寻址半导体传感器结构示意图。
图4为3×3新型光激发场寻址半导体传感器阵列剖面图。
其中1：参比电极；2：对电极；3：被测溶液；4：氮化硅层；5：二氧化硅(栅氧层)；6：p型Si衬底；7：欧姆接触；8：光源；9：光源控制电路；10：锁相放大器；11：计算机；12：地电极；13：n-Si外延层；14：磷(P+)掺杂；15：Al栅极；16：电极引线；17-1：p型Si衬底上的局部场氧化层；17-2：n--Si外延层上的局部场氧化层；18：掺有硼(B)的p+-Si层；19：n--Si外延层；20：氮化硅层；21：多晶硅栅极；22：钝化层；23：敏感膜；24：放大器。
【具体实施方式】
实施例1
如图3所示，本发明提供的新型光激发场寻址半导体传感器，依次包括p型Si衬底6、衬底上的n--Si外延层19、二氧化硅栅氧层5、Al栅极15，在与二氧化硅栅氧层接触面附近的n--Si外延层上设有两处磷掺杂14，该磷掺杂14通过欧姆接触与穿过二氧化硅栅氧层引线孔的电极引线16连接，在与n--Si外延层接触面附近的p型Si衬底的上表面附近设有掺硼的p+-Si层18，在p型Si衬底上表面外周和n-Si外延层上部外周分别设有局部场氧化层17-1、17-2，在二氧化硅栅氧层中部两个Al栅极15之间设有多晶硅栅极21，在p型Si衬底下表面的中部与多晶硅栅极对应位置直至掺硼的p+-Si层18为腐蚀区，在腐蚀区底部设有敏感膜23。
制备工艺
采用微米级集成电路工艺，即可完成本发明提出的器件(图3)——“新型光激发场寻址半导体传感器”，制备工艺流程如下：
1)选择(100)面的高阻p型Si作为衬底6；
2)局部场氧化工艺：
a)热氧化工艺，形成一层20～30nm左右的氧化层；
b)化学气相淀积工艺，在氧化层上，形成一层150nm左右的氮化硅层；
c)光刻工艺，在淀积有薄膜的一侧，形成与局部场氧化层17-1相反的光刻胶图形；
d)湿法腐蚀工艺，将没有光刻胶保护的氮化硅薄膜、薄氧化层腐蚀掉，露出需要进行氧化的区域；
e)热氧化工艺，形成500～600nm左右的局部场氧化层17-1；
f)去胶、清洗工艺，以去除剩余的氮化硅薄膜和薄氧化层；
3)形成掺有硼(B)的p+-Si层18：
a)LPCVD，200nm左右的氮化硅层；
b)光刻工艺，在硅片上形成与p+-Si层18相反的光刻胶图形；
c)湿法腐蚀工艺，将没有光刻胶保护的氮化硅层腐蚀掉，露出需要进行扩散的区域；
d)扩散工艺，扩B，形成掺有硼(B)的p+-Si层18，深度约2μm；
e)清洗工艺，以去除剩余氮化硅层；
4)外延工艺，形成n--Si外延层19；
5)在n--Si外延层19上，进行局部场氧化工艺：
a)热氧化工艺，形成一层30nm左右的薄氧化层；
b)化学气相淀积工艺，在氧化层上，形成一层150nm左右的氮化硅薄膜；
c)光刻工艺，在淀积有薄膜的一侧，形成与局部场氧化层17-2相反的光刻胶图形；
d)湿法腐蚀工艺，将没有光刻胶保护的氮化硅薄膜、薄氧化层腐蚀掉，露出需要进行氧化的区域；
e)热氧化工艺，形成500～600nm左右的局部场氧化层17-2；
f)去胶、清洗工艺，以去除剩余的氮化硅薄膜和薄氧化层；
6)绝缘栅的形成：
a)热氧化工艺，形成一层高质量的栅氧化层5，约20nm；
b)LPCVD，形成一层氮化硅薄膜，约10nm；
c)化学气相淀积工艺，在栅氧化层上，形成多晶硅薄膜(约300～400nm)；
7)形成磷(P+)掺杂14
a)光刻工艺，形成与磷(P+)掺杂14相反的光刻胶图形；
b)RIE刻蚀工艺，将没有光刻胶保护的多晶硅刻蚀掉，露出需要掺杂的区域；
c)去胶、清洗；
d)离子注入工艺，形成磷(P+)掺杂14；
e)退火
8)多晶硅栅极21的形成：
a)光刻工艺；
b)去胶；
c)热氧化工艺，多晶硅周围的部分被氧化为二氧化硅
9)Al栅极15的形成：
a)蒸发Al，约500nm；
b)光刻、刻蚀，形成Al栅极15图型
c)去胶、清洗；
10)接触的形成：
a)光刻、刻蚀钝化层，使得多晶硅栅极21、Al栅极15部分被保护起来；
b)低温湿法氧化；
c)去胶、清洗；
d)APCVD，淀积一层钝化层；
e)光刻，形成接触孔
f)蒸发Al；
g)光刻、刻蚀，Al层的图型化
h)去胶、清洗；
11)压焊点的形成(圆片级封装)：
a)旋涂工艺形成聚酰亚胺(PI)层，约5μtm：
b)光刻、刻蚀，至压焊点，形成压焊点窗口；
c)电镀Ni/Au合金，约10nm厚；
d)电镀Sn/Pb合金，约5～10txm厚；
e)去胶，同时将光刻胶上的合金剥离；
f)流，形成凸点
12)背面腐蚀：
a)光刻工艺，先对硅片电极布线一侧涂胶，再对其背面涂胶，然后对背面光刻胶进行光刻(使用与第9)步相同的掩膜版)；
b)湿法腐蚀，腐蚀过程自动终止于p+-Si层18，形成图3中p+-Si层18下表面所示的凹型结构；
c)去胶、清洗。
至此，传感器的执行器部分制作完毕，在使用时将器件焊接在中间镂空的引线框架上，然后根据需要，在p+-Si表面固定相应敏感膜。
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Claims (1)
1.一种光激发场寻址半导体传感器，依次包括p型Si衬底、衬底上的n--Si外延层、二氧化硅栅氧层、A1栅极，在与二氧化硅栅氧层接触面附近的n--Si外延层体内上部设有两处磷掺杂，该磷掺杂通过欧姆接触与穿过二氧化硅栅氧层引线孔的电极引线连接，其特征是所述的p型Si衬底的上表面附近设有掺硼的p+-Si层，在p型Si衬底上表面外周和n--Si外延层上表面外周分别设有局部场氧化层，在两个Al栅极之间的二氧化硅栅氧层上方钝化层体内的中部设有多晶硅栅极，在p型Si衬底下表面的中部与多晶硅栅极对应位置直至掺硼的p+-Si层为腐蚀区，在腐蚀区底部设有敏感膜。
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