CN101964360B - 离子敏感场效晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种离子敏感场效晶体管，其具有：一氮化镓/蓝宝石层，用以充当一基板；一a-InN:Mg外延层，沉积于该氮化镓/蓝宝石层上以提供一电流路径；一第一金属接点，沉积于该a-InN:Mg外延层上以提供一漏极接点；一第二金属接点，沉积于该a-InN:Mg外延层上以提供一源极接点；以及一图案化绝缘层，覆盖于该第一金属接点、该第二金属接点及该a-InN:Mg外延层上，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该a-InN:Mg外延层的曝露区域。
Description
技术领域
本发明是有关于离子敏感场效晶体管(Ion Sensitive Field EffectTransistor；ISFET)，特别是关于具有一敏感接触窗口的离子敏感场效晶体管，用以检测离子浓度或检测经电气极化或带电的蛋白质、分子等标的物的浓度。
背景技术
离子敏感场效晶体管的功能是以其感应闸表面的离子吸附作用为基础-感应闸表面的离子吸附作用会诱发-亥姆霍兹(Helmholtz)电压而调变离子敏感场效晶体管的源-漏电流，而离子敏感场效晶体管的性能主要取决于源-漏电流/电压的灵敏度或在一固定源-漏电流下的栅极灵敏度，其中该栅极灵敏度是指在栅极地区其离子浓度变化所能诱发的亥姆霍兹电压(其具有一理论奈恩斯特常数，在25℃下为59.16毫伏每10倍浓度变化)，而该电流/电压灵敏度是指在输入栅极电压变化下，一离子敏感场效晶体管所能转换出的源-漏电流。在离子敏感场效晶体管于生物医学和化学传感器的应用中，栅极灵敏度和电流/电压灵敏度的优化至关重要，其中该电流/电压灵敏度与门极灵敏度可受场效晶体管的材料或组件结构影响而有不同的数值。
以下为与ISFET相关的美国专利：
(1)美国专利号4,735,702揭露于一ISFET的氧化层上涂布一聚合物，其中该聚合物和该氧化层的接口具有化学键而可形成一敏感的薄膜。
(2)美国专利号5,061,976揭露一方法，是于ISFET的栅极氧化层上涂布一碳薄膜，然后再涂布一2，6-二甲酚电解聚合薄膜。
(3)美国专利号5,314,833揭露一方法，其步骤包括在一GaAs基板上沉积一硅薄膜及在该硅薄膜上掺杂砷/磷离子以制备低阻抗的栅极。
(4)美国专利号5,319,226揭露一Ta2O5感应薄膜，是由一射频溅射方法沉积于一ISFET上，其中该ISFET包括一Ta2O5/Si3N4/SiO2结构。
(5)美国专利号5,387,328揭露一方法，是由将酶固定在一感应薄膜上及使用白金(铂)作为参考电极以测量血糖浓度。该传感器具有一铂电极，其可感测所有与酶反应会产生H2O2的生物物质。
(6)美国专利号6,531,858 B2揭露一用以量测一a-Si:H ISFET其迟滞值和漂移值的方法。
(7)美国专利号6,573,741 B2揭露一方法及装置，是用以测量一ISFET的温度参数，其中该ISFET使用氢化非晶硅作为感应薄膜。
(8)美国专利号6,617,190 B2揭露一种ISFET，其具有由射频溅射的a-WO3的一H+-感应膜。
(9)美国专利号7,387,923B2揭露一种ISFET，其使用一PbTiO3层作为一感应膜以检测H+离子，而该PbTiO3感应膜的制造是由一溶胶-凝胶法。
近来，III族的氮化物，例如AlGaN、GaN及InN，被发现具有高灵敏度和可对抗化学损害的稳定表面特性。这些III族氮化物传感器连同其电子读出方式极可能成为下一代的传感器。
在III族的氮化物中，InN具有不寻常的强大表面电子积累特性，而有实现高电流/电压灵敏度ISFET的潜能。以InN为基的ISFET其载子是经由表面通道、本体通道及接口通道运输。该表面通道中的载子是来自累积的表面电子，且已由各种实验技术，如电容-电压(C-V)测量或高解析电子-能量-损失谱(HREELS)等证实其机制。该电子累积特性是导因于其导带深处的费米稳定能阶(EFs)位于Γ-点特别低的导带底(conduction bandminimum)上方。该接口通道的载子，因接口极化电荷的能带弯曲作用而被诱发，是由该InN外延层与其底下缓冲层间的极性及晶格不匹配决定其片载子密度。由于自发极化的差异，面载子密度在极性InN/AlN接口约比在较低极性InN/GaN接口高一个数量级以上。本体通道的载子在原生、非极性InN外延层中为n型，而在掺杂镁的InN外延层中可能为p型。在该三个载子通道中，该表面通道因最接近离子吸附层而对通道电流具有强烈影响。
据此，本发明公开了一种新颖的ISFET，其具有掺杂镁的InN(InN:Mg)外延层。
发明内容
本发明目的在于提供一种离子敏感场效晶体管。
本发明的又一目的在于提供一种上述离子敏感场效晶体管的制造方法。
为实现上述目的，本发明提供的离子敏感场效晶体管，其具有：
一基板；
一掺杂镁的氮化铟外延层，沉积于该基板上以提供一电流路径；
一第一导电接点，沉积于该InN:Mg外延层上以提供一漏极接点；
一第二导电接点，沉积于该InN:Mg外延层上以提供一源极接点；以及
一图案化绝缘层，用以覆盖该第一导电接点、该第二导电接点及该InN:Mg外延层，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该InN:Mg外延层的曝露区域。
所述的离子敏感场效晶体管中，该基板为一氮化镓/蓝宝石层。
所述的离子敏感场效晶体管中，该导电接点具有一金属。
所述的离子敏感场效晶体管中，该InN:Mg外延层为一a-InN:Mg外延层。
所述的离子敏感场效晶体管中，该接触窗口用以接触一电解液。
所述的离子敏感场效晶体管中，该第一导电接点用以耦接一第一电压及该第二导电接点用以耦接一第二电压以提供一通道电流。
所述的离子敏感场效晶体管中，该第一导电接点及该第二导电接点具有一Au/Al/Ti结构。
所述的离子敏感场效晶体管中，该图案化绝缘层具有聚亚酰胺。
所述的离子敏感场效晶体管中，该离子敏感场效晶体管用以感测一电解液的pH值。
本发明提供的上述离子敏感场效晶体管的制造方法，包含以下步骤：
形成一基板；
在该基板上沉积一InN:Mg外延层；
在该InN:Mg外延层上沉积一第一导电接点及一第二导电接点以分别提供一漏极接点及一源极接点；以及
形成一图案化绝缘层以覆盖该第一导电接点、该第二导电接点及该InN:Mg外延层，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该InN:Mg外延层的曝露区域。
所述的制造方法中，该InN:Mg外延层的沉积方式是由一等离子体辅助式分子束外延系统实现。
所述的制造方法中，该基板的形成是以形成一氮化镓/蓝宝石层实现。
所述的制造方法中，该导电接点的沉积是金属的沉积。
所述的制造方法中，该InN:Mg外延层的沉积为一a-InN:Mg外延层的沉积。
所述的制造方法中，包括以聚二甲基硅氧烷封装该离子敏感场效晶体管的步骤。
本发明的效益是：
1)本发明的离子敏感场效晶体管具有高电流/电压灵敏度。
2)本发明的离子敏感场效晶体管具有可抗化学侵蚀的强健表面。
3)本发明的离子敏感场效晶体管具有简洁结构T，其电流路径是以一InN:Mg外延层实现。
附图说明
图1为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例实现的离子敏感场效晶体管的剖面图。
图2为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例的离子敏感场效晶体管制造方法流程图。
图3a为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，以等离子体辅助式分子束外延(PAMBE)工艺在氮化镓/蓝宝石上沉积一a-InN:Mg外延层后的结构剖面图。
图3b为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，图案化一光阻层以供金属蒸镀的结构剖面图。
图3c为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，沉积一金属层后的结构剖面图。
图3d为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例去除该光阻层后的结构剖面图。
图3e为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，图样化一光阻层以供非等向性蚀刻的结构剖面图。
图3f为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，以ICP在氮化铟上执行非等向性蚀刻后的结构剖面图。
图3g为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，去除该光阻层后的结构剖面图。
图3h为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例，图样化一聚亚酰胺层以界定一栅极窗口的结构剖面图。
图4为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例实现的1.2μma-InN:Mg ISFET的量测系统。
图5为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例实现的1.2μma-InN:Mg ISFET其栅极偏压于一pH值为7的缓冲溶液中的电流响应。
图6为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例实现的a-InN:MgISFET其栅极偏压于pH值由10至2的缓冲溶液中的I-V响应。
图7为一示意图，其绘示依本发明一较佳实施例实现的a-InN:MgISFET其栅极偏压于pH值由5变至2的缓冲溶液中的动态响应。
具体实施方式
本发明提供的离子敏感场效晶体管，其具有：一氮化镓/蓝宝石层，用以充当一基板；一a-平面、掺杂镁的氮化铟(a-InN:Mg)外延层，沉积于该氮化镓/蓝宝石层上以提供一电流路径；一第一金属接点，沉积于该a-InN:Mg外延层上以提供一漏极接点；一第二金属接点，沉积于该a-InN:Mg外延层上以提供一源极接点；以及一图案化绝缘层，覆盖于该第一金属接点、该第二金属接点及该a-InN:Mg外延层上，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该a-InN:Mg外延层的曝露区域。
为能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以附图及较佳具体实施例作详细说明。
请参照图1，其绘示依本发明一较佳实施例实现的离子敏感场效晶体管的剖面图。如图1所示，该离子敏感场效晶体管具有一氮化镓/蓝宝石层101、一a-InN:Mg外延层102、金属接点103a、103b及绝缘层104a、104b。
该氮化镓/蓝宝石层101，具有可抗化学侵蚀的稳定表面，用作该离子敏感场效晶体管的基板。
该a-InN:Mg外延层102是一掺杂镁的a-平面纤锌矿InN层，用以在该金属接点103a和103b之间提供一电流路径。该a-InN:Mg外延层102具有一表面通道、一本体通道及一接口通道。该表面通道是一靠近该a-InN:Mg外延层102表面、由表面电子反转形成的只有几毫微米的超薄n型通道，其对栅极偏压的变化很敏感，所以该离子敏感场效晶体管的电流路径主要由该表面通道贡献。该本体通道属p型，是用以在与该表面通道介接处形成一空乏区以隔离该表面通道。该接口通道的载子为电子，是形成于该a-InN:Mg外延层102与该氮化镓/蓝宝石层101之间，而该n型接口通道与该p型本体通道间所形成的空乏区可进一步为该离子敏感场效晶体管提供隔离作用。该a-InN:Mg外延层102的厚度较佳为但不限于1.2μm以提供一隔离完善的表面通道。
该金属接点103a较佳为Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)的结构，以提供该离子敏感场效晶体管的漏极接点。该金属接点103b较佳为Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)的结构，以提供该离子敏感场效晶体管的源极接点。
该绝缘层104a和104b较佳为但不限于2μm厚的聚亚酰胺层。一位于该绝缘层104a和104b间的接触窗口105定义了该a-InN:Mg外延层102的曝露区域。电解液中的离子可通过该接触窗口105影响该离子敏感场效晶体管其表面通道的电导值。
请参照图2，其绘示依本发明一较佳实施例的离子敏感场效晶体管制造方法流程图。如图2所示，该制造方法包括：在氮化镓/蓝宝石上沉积一a-InN:Mg外延层(步骤a)；在该a-InN:Mg外延层上沉积二金属接点以形成一开栅极场效晶体管(步骤b)；以及在该ISFET周围形成一图样化的聚亚酰胺层，以防止短路(步骤c)。
在步骤a中，该a-InN:Mg外延层，一掺杂镁的a-平面纤锌矿InN，是由一等离子体辅助式分子束外延(PAMBE)系统成长于一GaN缓冲层上，而该GaN缓冲层则位于一r-平面(1102)蓝宝石基板上。由图3a可以看出，一a-InN:Mg外延层102沉积于一氮化镓/蓝宝石层101上。该a-InN:Mg外延层102的厚度较佳为但不限于1.2μm以提供一隔离良好的表面通道。
在步骤b中，第一，如图3b所示，一图案化光阻层301，其较佳的组成为AZ4620，是形成于该a-InN:Mg外延层102上；第二，如图3c所示，一金属层103其组成较佳为但不限于Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)，是沉积于该图案化光阻层301上；以及第三，如图3d所示，一金属接点103a和一金属接点103b是由一剥离工艺(lift-off process)形成于该a-InN:Mg外延层102上。
在步骤c中，第一，如图3e所示，一图案化光阻层301，其较佳的组成为AZ4620，是形成于该金属接点103a、103b及该a-InN:Mg外延层102上；第二，如图3f所示，该a-InN:Mg外延层102的异相性蚀刻是由感应偶合等离子体(ICP)302执行；第三，如图3g所示，该图案化光阻层301被去除；以及第四，如图3h所示，一图案化聚亚酰胺层103a和一图案化聚亚酰胺层103b被形成以界定一接触窗口105。
接着硅片被切割，各ISFET被搭接于对应的载板上，且经一绝缘材料封装，其中该载板为例如但不限于PVC板，其所用导线为例如但不限于铝导线，而该绝缘材料为例如但不限于聚二甲基硅氧烷(polyimethylsiloxane)。
请参照图4，其绘示依本发明一较佳实施例实现的1.2μm a-InN:MgISFET的量测系统。如图4所示，该量测系统包括一参考电极401、一函数产生器402、一直流电源供应器403及一数字万用电表404。
该参考电极401由该函数产生器402提供，其较佳为Hg/HgCl，是沉浸在一电解液405中以提供一栅极偏压。
该函数产生器402是用以提供该参考电极401的可调直流电压。
该直流电源供应器403具有与该金属接点103a(漏极)耦接的阳极及与该金属接点103b(源极)耦接的阴极，是用以提供该ISFET的通道电流。
该数字万用电表404置于该金属接点103b与该阳极之间，用以量测该ISFET的通道电流。
请参照图5，其绘示依本发明一较佳实施例实现的1.2μm a-InN:MgISFET其栅极偏压于一pH值为7的缓冲溶液中的电流响应。如图5所示，该归一化(normalized)的漏-源电流(IDS)，以栅极偏压在0V所得的电流为归一化的基准，在漏-源电压(VDS)固定为0.25V，而栅极偏压在pH值为7的缓冲溶液中的条件下，变换栅极偏压(VGS)而测得。栅极偏压在0.3V及-0.3V的电流反应分别为1.52及0.7(归一化的数值)。该a-InN:Mg ISFET具有高电流/电压灵敏度，其原因在于非极性InN/GaN异质接口的接口通道会有较少的载子存在于其中。离InN表面几毫微米、位于最上方的表面通道，其在足够的栅极偏压下很容易被耗乏。然而，该通道电流并无法被完全抑制，因为在该接口的载子仍可能会经由侧壁或本体中的差排环(dislocation loops)而电气连接到表面。
请参照图6，其绘示依本发明一较佳实施例实现的a-InN:Mg ISFET其栅极偏压于pH值由10至2的缓冲溶液中的I-V响应。在该量测中，漏-源电压(VDS)保持在0.1V。电流随VGS的下降而减少，即VGS是用以耗乏表面反转载子，从而抑制通道电流。测量结果显示该a-InN:Mg ISFET在0.2V与0V间具有约45％的电流变化，即高电流/电压灵敏度特性(即对栅极偏压敏感)。在曝露于各pH缓冲溶液中，pH值由10至2的情况下，电流系呈现单调递增。相对于每10倍的pH值变化，其平均的电流变化，在与栅极偏压于水中所得的电流值相关计算后，得到的值为2.7μA，而其对应电压变化为56.5mV(亦即，56.5mV/pH的灵敏度)。
请参照图7，其绘示依本发明一较佳实施例实现的a-InN:Mg ISFET其栅极偏压于pH值由5变至2的缓冲溶液中的动态响应。该InN:Mg ISFET在曝露于不同pH缓冲溶液中时其电流会有动态变化。动态变化的响应时间系指当该a-InN:Mg ISFET曝露至一不同的pH值缓冲液中时，电流增量(或减量)从稳态值的10％至90％所花费的时间。该a-InN:Mg ISFET的响应时间量测值少于10秒。
总之，本发明该电流(IDS)-电压(VGS)特性说明了该非极性a-InN:MgISFET具有高电流/电压灵敏度；该掺杂效应和非极性InN/GaN异质接口有效降低了本体通道和接口通道对电流变化的影响力，从而增加了电流/电压灵敏度；以及作为一pH传感器，该a-InN:Mg ISFET显示的灵敏度为56.5mV/pH值及其反应时间小于10秒。这些结果使该a-InN:Mg ISFET成为可应用于各种化学和生物医学感测的非常有潜力的传感器。
本发明所描述的，只是较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为本领域技术人员所易于推知的，俱不脱本发明的权利范畴，例如，本发明的基板可为硅或r-蓝宝石或c-蓝宝石等；晶体的排列方式可为c-或a-或m-等；而厚度则可加以调整。
Claims (15)
1.一种离子敏感场效晶体管，其具有：
一基板；
一掺杂镁的氮化铟(InN:Mg)外延层，沉积于该基板上以提供一电流路径；
一第一导电接点，沉积于该掺杂镁的氮化铟外延层上以提供一漏极接点；
一第二导电接点，沉积于该掺杂镁的氮化铟外延层上以提供一源极接点；以及
一图案化绝缘层，用以覆盖该第一导电接点、该第二导电接点及该掺杂镁的氮化铟外延层，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该掺杂镁的氮化铟外延层的曝露区域。
2.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该基板为一氮化镓/蓝宝石层。
3.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该第一导电接点和第二导电接点均具有一金属。
4.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该掺杂镁的氮化铟外延层为一a-掺杂镁的氮化铟外延层。
5.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该接触窗口用以接触一电解液。
6.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该第一导电接点用以耦接一第一电压及该第二导电接点用以耦接一第二电压以提供一通道电流。
7.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该第一导电接点及该第二导电接点具有一Au/Al/Ti结构。
8.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该图案化绝缘层具有聚亚酰胺。
9.如权利要求1所述的离子敏感场效晶体管，其中，该离子敏感场效晶体管用以感测一电解液的pH值。
10.一种离子敏感场效晶体管制造方法，包含以下步骤：
形成一基板；
在该基板上沉积一InN:Mg外延层；
在该InN:Mg外延层上沉积一第一导电接点及一第二导电接点以分别提供一漏极接点及一源极接点；以及
形成一图案化绝缘层以覆盖该第一导电接点、该第二导电接点及该InN:Mg外延层，其中该图案化绝缘层具有一接触窗口以界定该InN:Mg外延层的曝露区域。
11.如权利要求10所述的离子敏感场效晶体管制造方法，其中，该InN:Mg外延层的沉积方式是由一等离子体辅助式分子束外延系统实现。
12.如权利要求10所述的离子敏感场效晶体管制造方法，其中，该基板的形成是以形成一氮化镓/蓝宝石层实现。
13.如权利要求10所述的离子敏感场效晶体管制造方法，其中，该第一导电接点及一第二导电接点的沉积是金属的沉积。
14.如权利要求10所述的离子敏感场效晶体管制造方法，其中，该InN:Mg外延层的沉积为一a-InN:Mg外延层的沉积。
15.如权利要求10所述的离子敏感场效晶体管制造方法，其中，包括以聚二甲基硅氧烷封装该离子敏感场效晶体管的步骤。
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