CN101266239A - 阵列化光寻址电位传感器芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列化光寻址电位传感器芯片及其制作方法。它具有硅基片，在硅基片的正面设有多个敏感区域，在多个敏感区域周围的硅基片上设有正面重掺杂层，在多个敏感区域和正面重掺杂层上设有氧化层，在正面重掺杂层上的厚氧化层上设有片上电极，硅基片的背面设有背面重掺杂层，在背面重掺杂层上设有铝电极。本发明在制作过程中对敏感区域之间的硅基片进行了重掺杂，并在重掺杂层上生长厚氧化层，在厚氧化层上设置片上电极。本发明芯片可以增加涂覆敏感膜的自由度，片上电极能直接与外电路连接用于测量而不必另加电极，背面重掺杂层能使铝电极和硅基片形成很好的欧姆接触，制作过程采用的是标准的半导体工艺，保证了芯片性能的一致性。

Description

阵列化光寻址电位传感器芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及一种阵列化光寻址电位传感器芯片及其制作方法。

背景技术

光寻址电位传感器(Light Addressable Potentiometric Sensor，LAPS)是一种利用半导体场效应原理的生物化学传感器。由于其具有制备工艺简单、封装要求低、电位稳定性好、灵敏度高、响应时间短、测量过程中光源可移动等特点，引起了广泛的研究和应用。光寻址电位传感器可以分为MIS(金属/绝缘层/半导体)结构和EIS(电解质溶液/绝缘层/半导体)结构。MIS结构光寻址电位传感器一般用于测量气体的成分，EIS结构光寻址电位传感器可用于检测溶液的pH值、溶液中不同离子的浓度、细胞的动作电位等，一般指的光寻址电位传感器都是指EIS结构的光寻址电位传感器，如图1所示。基本的光寻址电位传感器芯片结构是在N型或P型硅基片正面上热氧化生长一层薄氧化层(一般为30～100纳米)，然后根据不同用途在薄氧化层上面涂覆不同的敏感膜，并在硅基片背面设置电极。

在EIS结构光寻址电位传感器中，当通过外电路加上溶液相对于硅基片衬底的偏置电压时(P型硅基片光寻址电位传感器加正偏置电压，N型硅基片光寻址电位传感器加负偏置电压)，就会在氧化层/硅基片界面处形成耗尽层。硅材料在受到一定波长的光照射时，光子会激发硅材料中的电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对。一般情况下电子空穴对会很快的复合，但是在外加电场作用下，电子、空穴就会分离。当用激励光源从正面或背面照射光寻址电位传感器芯片时，会有一部分光进入耗尽层，直接在耗尽层中激发产生电子空穴对，这部分电子空穴对会在耗尽层的电场作用下马上分离；耗尽层外面的硅材料受光激发也会产生一部分电子空穴对，它们其中的一部分会在复合之前通过扩散作用进入耗尽层，然后在电场的作用下被分离。上述两部分电流组成了位移电流。被耗尽层电场分离的其中一种载流子(电子或空穴。当采用P型硅基片时这种载流子是指电子；当采用N型硅基片时这种载流子是指空穴)会在氧化层/硅基片界面处积累，这些积累的载流子会通过扩散离开界面，它们形成了扩散电流。由于光寻址电位传感器的激励光源是强度调制的，所以上述的位移电流和扩散电流就会处于动态的变化中，在外电路就表现为交变的光电流。在光源不变的情况下，光电流的大小与耗尽层的宽度有关，而耗尽层的宽度不仅与偏置电压有关，还与敏感膜/溶液的界面电势有关。根据电化学知识，界面电势的大小与溶液中离子的浓度有关。所以通过测量光电流的大小能间接测出溶液中的离子浓度。光寻址电位传感器测量溶液的pH值时得到的特性曲线见图2。

阵列化光寻址电位传感器结合敏感膜的研究是当前研究的一个热点，但是大部分研究将关注点集中在敏感膜上，对器件结构的研究较少。在阵列化光寻址电位传感器中，一般采用与芯片上阵列相对应的LED阵列作为激励光源，由于LED的发散角较大，所以不管阵列化光寻址电位传感器采用的是正面照射还是背面照射，都会有部分光线照射在各敏感区域之间的区域上，光线照射在该区域产生的信号将作为一种噪声被引入。减小这种噪声的影响是阵列化光寻址电位传感器中必须考虑的问题。现有方法中，主要是通过在敏感区域之间覆盖诸如聚酰亚胺、光刻胶等某种介质层或生长厚氧化层来解决此问题。前者在光刻过程中会污染敏感区域，若用光刻胶覆盖还存在其不能在溶液中长期浸泡的局限；后者虽然没有相应的污染，但是对噪声的抑制效果并不理想。本发明针对当前阵列化光寻址电位传感器结构上的这一不足之处，提出了一种新的结构，对阵列化光寻址电位传感器敏感区域之间的硅基片进行重掺杂，形成重掺杂层，并在其表面生长厚氧化层。在同样的偏置电压下，重掺杂层的耗尽层宽度将比敏感区域的耗尽层宽度小得多。由于光电流的大小与耗尽层的宽度有关，所以重掺杂层产生的光电流将会很小，从而有效地抑制该区域在测量过程中引入的噪声。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种阵列化光寻址电位传感器芯片及其制作方法。

阵列化光寻址电位传感器芯片具有硅基片，在硅基片的正面设有多个敏感区域，在多个敏感区域周围的硅基片上设有正面重掺杂层，在多个敏感区域和正面重掺杂层上设有氧化层，正面重掺杂层上厚氧化层的厚度为500～1000纳米，多个敏感区域上薄氧化层的厚度为30～100纳米，在正面重掺杂层上的厚氧化层上设有片上电极，硅基片的背面设有背面重掺杂层，在背面重掺杂层上设有铝电极。

阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法包括如下步骤：

1)硅基片经清洗、烘干处理后，用热氧化法生长一层厚氧化层；

2)在硅基片正面的氧化层上用旋转法涂覆正性光刻胶层，并在80～100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置掩膜版，并用紫外光进行曝光，掩膜版图形为矩形阵列，每个矩形的尺寸为1～5mm×1～5mm，矩形之间的间距为1～3mm，曝光后用正性光刻胶显影液进行显影、在80～100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除硅基片上暴露的氧化层，然后将硅基片放在浓硫酸中煮沸去除正性光刻胶层，最后进行清洗、烘干；

3)将硅基片放置在通有含杂质气体的炉管中进行杂质的预沉积，然后将硅基片放置在氧化炉管中通氧气进行再分布，在硅基片上形成正面重掺杂层和背面重掺杂层，再分布的过程还在敏感区域、正面重掺杂层和背面重掺杂层的表面生长了氧化层，预沉积的温度为950～980℃，再分布的温度为1000～1100℃；

4)在硅基片正面的氧化层上用旋转法涂覆负性光刻胶层，并在80～100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置同一掩膜版，并用紫外光进行曝光，曝光后用负性光刻胶显影液进行显影、在80～100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除掉硅基片上暴露的氧化层，然后将硅基片放在浓硫酸中煮沸去除负性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，保留在正面重掺杂层上面的厚氧化层厚度约为500～1000纳米；

5)在1000℃下通干氧氧化20～90分钟，使敏感区域上生长一层30～100纳米厚的薄氧化层，同时硅基片背面也生长了一层薄氧化层；

6)将硅基片背面贴在浸润腐蚀液的滤纸上去除背面的薄氧化层，并用去离子水冲洗干净并烘干，然后在背面重掺杂层上蒸铝，形成铝电极，并进行合金；

7)用溅射金的方法在厚氧化层上设置片上电极。

当硅基片选用P型硅基片时，应该选用P型杂质气体进行预沉积，当硅基片选用N型硅基片时，应该选用N型杂质气体进行预沉积。

本发明对阵列化光寻址电位传感器敏感区域之间的硅基片进行重掺杂，形成重掺杂层，并在其表面生长厚氧化层。在同样的偏置电压下，重掺杂层的耗尽层宽度将比敏感区域的耗尽层宽度小得多。由于光电流的大小与耗尽层的宽度有关，所以重掺杂层产生的光电流将会很小，从而有效地抑制该区域在测量过程中引入的噪声。当在应用中采用正面照射时，采用本发明芯片的阵列化光寻址电位传感器可以有效抑制敏感区域之间的区域由于杂散光照射引入的噪声；当在应用中采用背面照射时，除了重掺杂层的耗尽层宽度比敏感区域的耗尽层宽度小很多从而光电流也小很多以外，重掺杂的硅材料还可以有效缩短电子和空穴的寿命，减少通过扩散作用进入重掺杂层耗尽层的电子和空穴的数量，所以本发明芯片在采用背面照射时能起到更好的抑制噪声的作用。

阵列化光寻址电位传感器主要用于同时测量溶液中的若干种离子浓度，这需要在不同的敏感区域的薄氧化层上涂覆不同的敏感膜。根据敏感膜性质的不同，可以通过蒸发、溅射、涂布等方法涂覆。本发明的阵列化光寻址电位传感器芯片可以给敏感膜的涂覆带来方便：1、由于敏感区域和周围区域的氧化层厚度不同，用肉眼就能区分出敏感区域，方便涂覆敏感膜时的定位；2、由于使用本发明芯片的阵列化光寻址电位传感器能够有效减小敏感区域之间的区域的耗尽层宽度，所以可以增加涂覆敏感膜时选择面积的自由度。敏感膜涂覆的面积可以适当地超出敏感区域，以保证敏感区域充分涂覆敏感膜，而光照射在敏感区域外的敏感膜上产生的信号将比敏感区域小很多，对测量结果影响很小。

本发明阵列化光寻址电位传感器芯片集成了片上电极，使得在实际使用中只要将外电路与片上电极连接即可，不必另外加电极放置在溶液中。本发明将片上电极规则地设置在敏感区域的周围，可以尽量就近收集光电流，减小由于外设电极位置的不同对测量结果产生的影响。

本发明芯片的制作过程在硅基片背面形成了背面重掺杂层，由于背面重掺杂层的存在，使得背面的铝电极能和硅基片形成很好的欧姆接触，有利于外电路对光电流的检测。

本发明阵列化光寻址电位传感器芯片的制作过程采用的是标准的半导体工艺，所以可以保证一批次芯片性能的一致性，适合于批量生产。

附图说明

图1是EIS型光寻址电位传感器的基本原理图；

图2是光寻址电位传感器测量溶液的pH值时得到的特性曲线图；

图3是本发明阵列化光寻址电位传感器芯片的结构图；

图4是本发明阵列化光寻址电位传感器芯片的工艺流程图；

图5是集成四个敏感区域的阵列化光寻址电位传感器芯片的顶视图；

图6是用同样的激光束正面照射阵列化光寻址电位传感器芯片的敏感区域和敏感区域周围区域得到的特性曲线比较图。

具体实施方式

如图3所示，阵列化光寻址电位传感器芯片具有硅基片1，在硅基片1的正面设有多个敏感区域2，在多个敏感区域2周围的硅基片上设有正面重掺杂层3，在多个敏感区域2和正面重掺杂层3上设有氧化层，正面重掺杂层3上厚氧化层4的厚度为500～1000纳米，多个敏感区域2上薄氧化层5的厚度为30～100纳米，在正面重掺杂层3上的厚氧化层4上设有片上电极6，硅基片1的背面设有背面重掺杂层7，在背面重掺杂层7上设有铝电极8。

实施例1

如图4所示，阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法包括如下步骤：

1)硅基片1经清洗、烘干处理后，用热氧化法生长一层厚氧化层，如图4(a)所示；

2)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆正性光刻胶层，并在80℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置掩膜版，并用紫外光进行曝光，掩膜版图形为矩形阵列，每个矩形的尺寸为1mm×1mm，矩形之间的间距为1mm，曝光后用正性光刻胶显影液进行显影、在80℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除正性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，如图4(b)所示；

3)将硅基片1放置在通有含P型杂质气体的炉管中进行杂质的预沉积，然后将硅基片1放置在氧化炉管中通氧气进行再分布，在硅基片1上形成正面重掺杂层3和背面重掺杂层7，再分布的过程还在敏感区域2、正面重掺杂层3和背面重掺杂层7的表面生长了氧化层，预沉积的温度为950℃，再分布的温度为1000℃，如图4(c)所示；

4)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆负性光刻胶层，并在80℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置同一掩膜版，并用紫外光进行曝光，曝光后用负性光刻胶显影液进行显影、在80℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除掉硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除负性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，保留在正面重掺杂层3上面的厚氧化层4厚度约为500纳米，如图4(d)所示；

5)在1000℃下通干氧氧化20分钟，使敏感区域2上生长一层30纳米厚的薄氧化层5，同时硅基片1背面也生长了一层薄氧化层，如图4(e)所示；

6)将硅基片1背面贴在浸润腐蚀液的滤纸上去除背面的薄氧化层，并用去离子水冲洗干净并烘干，然后在背面重掺杂层7上蒸铝，形成铝电极8，并进行合金，如图4(f)所示；

7)用溅射金的方法在厚氧化层4上设置片上电极6，如图4(g)所示。

实施例2

如图4所示，阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法包括如下步骤：

1)硅基片1经清洗、烘干处理后，用热氧化法生长一层厚氧化层，如图4(a)所示；

2)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆正性光刻胶层，并在100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置掩膜版，并用紫外光进行曝光，掩膜版图形为矩形阵列，每个矩形的尺寸为5mm×5mm，矩形之间的间距为3mm，曝光后用正性光刻胶显影液进行显影、在100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除正性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，如图4(b)所示；

3)将硅基片1放置在通有含N型杂质气体的炉管中进行杂质的预沉积，然后将硅基片1放置在氧化炉管中通氧气进行再分布，在硅基片1上形成正面重掺杂层3和背面重掺杂层7，再分布的过程还在敏感区域2、正面重掺杂层3和背面重掺杂层7的表面生长了氧化层，预沉积的温度为980℃，再分布的温度为1100℃，如图4(c)所示；

4)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆负性光刻胶层，并在100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置同一掩膜版，并用紫外光进行曝光，曝光后用负性光刻胶显影液进行显影、在100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除掉硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除负性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，保留在正面重掺杂层3上面的厚氧化层4厚度约为1000纳米，如图4(d)所示；

5)在1000℃下通干氧氧化90分钟，使敏感区域2上生长一层100纳米厚的薄氧化层5，同时硅基片1背面也生长了一层薄氧化层，如图4(e)所示；

6)将硅基片1背面贴在浸润腐蚀液的滤纸上去除背面的薄氧化层，并用去离子水冲洗干净并烘干，然后在背面重掺杂层7上蒸铝，形成铝电极8，并进行合金，如图4(f)所示；

7)用溅射金的方法在厚氧化层4上设置片上电极6，如图4(g)所示。

实施例3

如图4所示，阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法包括如下步骤：

1)硅基片1经清洗、烘干处理后，用热氧化法生长一层厚氧化层，如图4(a)所示；

2)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆正性光刻胶层，并在88℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置掩膜版，并用紫外光进行曝光，掩膜版图形为矩形阵列，每个矩形的尺寸为3mm×3mm，矩形之间的间距为2mm，曝光后用正性光刻胶显影液进行显影、在88℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除正性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，如图4(b)所示；

3)将硅基片1放置在通有含P型杂质气体的炉管中进行杂质的预沉积，然后将硅基片1放置在氧化炉管中通氧气进行再分布，在硅基片1上形成正面重掺杂层3和背面重掺杂层7，再分布的过程还在敏感区域2、正面重掺杂层3和背面重掺杂层7的表面生长了氧化层，预沉积的温度为960℃，再分布的温度为1000℃，如图4(c)所示；

4)在硅基片1正面的氧化层上用旋转法涂覆负性光刻胶层，并在85℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置同一掩膜版，并用紫外光进行曝光，曝光后用负性光刻胶显影液进行显影、在85℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除掉硅基片1上暴露的氧化层，然后将硅基片1放在浓硫酸中煮沸去除负性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，保留在正面重掺杂层3上面的厚氧化层4厚度约为800纳米，如图4(d)所示；

5)在1000℃下通干氧氧化40分钟，使敏感区域2上生长一层50纳米厚的薄氧化层5，同时硅基片1背面也生长了一层薄氧化层，如图4(e)所示；

6)将硅基片1背面贴在浸润腐蚀液的滤纸上去除背面的薄氧化层，并用去离子水冲洗干净并烘干，然后在背面重掺杂层7上蒸铝，形成铝电极8，并进行合金，如图4(f)所示；

7)用溅射金的方法在厚氧化层4上设置片上电极6，如图4(g)所示。

芯片制作完成后根据实际使用的需要进行划片、涂覆敏感膜，然后进行封装测试。集成四个敏感区域的阵列化光寻址电位传感器芯片的顶视图如图5所示。

直接用氧化层作为敏感膜测量溶液的pH值，用同样的激光束正面照射阵列化光寻址电位传感器芯片的敏感区域和敏感区域周围区域得到的特性曲线比较图如图6所示。图中可以看到，虽然敏感区域之间的区域也表现出了光寻址电位传感器的响应特性，但是它的光电流明显要比敏感区域的光电流小得多。如果增加重掺杂层的掺杂浓度或增加覆盖在重掺杂层上的厚氧化层的厚度，两者的光电流大小将相差更大，芯片将体现出更好的噪声抑制效果。

Claims (3)

1.一种阵列化光寻址电位传感器芯片，其特征在于它具有硅基片(1)，在硅基片(1)的正面设有多个敏感区域(2)，在多个敏感区域(2)周围的硅基片上设有正面重掺杂层(3)，在多个敏感区域(2)和正面重掺杂层(3)上设有氧化层，正面重掺杂层(3)上厚氧化层(4)的厚度为500～1000内米，多个敏感区域(2)上薄氧化层(5)的厚度为30～100纳米，在正面重掺杂层(3)上的厚氧化层(4)上设有片上电极(6)，硅基片(1)的背面设有背面重掺杂层(7)，在背面重掺杂层(7)上设有铝电极(8)。

2.一种如权利要求1所述阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1)硅基片(1)经清洗、烘干处理后，用热氧化法生长一层厚氧化层；

2)在硅基片(1)正面的氧化层上用旋转法涂覆正性光刻胶层，并在80～100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置掩膜版，并用紫外光进行曝光，掩膜版图形为矩形阵列，每个矩形的尺寸为1～5mm×1～5mm，矩形之间的间距为1～3mm，曝光后用正性光刻胶显影液进行显影、在80～100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除硅基片(1)上暴露的氧化层，然后将硅基片(1)放在浓硫酸中煮沸去除正性光刻胶层，最后进行清洗、烘干；

3)将硅基片(1)放置在通有含杂质气体的炉管中进行杂质的预沉积，然后将硅基片(1)放置在氧化炉管中通氧气进行再分布，在硅基片(1)上形成正面重掺杂层(3)和背面重掺杂层(7)，再分布的过程还在敏感区域(2)、正面重掺杂层(3)和背面重掺杂层(7)的表面生长了氧化层，预沉积的温度为950～980℃，再分布的温度为1000～1100℃；

4)在硅基片(1)正面的氧化层上用旋转法涂覆负性光刻胶层，并在80～100℃烘箱中进行前烘，然后在光刻胶层上面放置同一掩膜版，并用紫外光进行曝光，曝光后用负性光刻胶显影液进行显影、在80～100℃烘箱中进行坚膜、用二氧化硅缓冲腐蚀液进行腐蚀，去除掉硅基片(1)上暴露的氧化层，然后将硅基片(1)放在浓硫酸中煮沸去除负性光刻胶层，最后进行清洗、烘干，保留在正面重掺杂层(3)上面的厚氧化层(4)厚度约为500～1000纳米；

5)在1000℃下通干氧氧化20～90分钟，使敏感区域(2)上生长一层30～100内米厚的薄氧化层(5)，同时硅基片(1)背面也生长了一层薄氧化层；

6)将硅基片(1)背面贴在浸润腐蚀液的滤纸上去除背面的薄氧化层，并用去离子水冲洗干净并烘干，然后在背面重掺杂层(7)上蒸铝，形成铝电极(8)，并进行合金；

7)用溅射金的方法在厚氧化层(4)上设置片上电极(6)。

3.根据权利要求2所述的一种阵列化光寻址电位传感器芯片的制作方法，其特征在于当硅基片(1)选用P型硅基片时，应该选用P型杂质气体进行预沉积，当硅基片(1)选用N型硅基片时，应该选用N型杂质气体进行预沉积。

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