CN102288655B - 一种阵列式光寻址电位传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式光寻址电位传感器，包括SOI衬底和在SOI衬底上形成的若干个隔离岛，隔离岛内的SOI衬底设有光寻址电位传感单元、扩散环、衬底电极和片上参考电极；本发明还公开了该阵列式光寻址电位传感器的制作方法，包括(1)制作隔离岛；(2)制作扩散环；(3)制作光寻址电位传感单元；(4)制作片上参考电极；(5)制作衬底电极。本发明通过采用SOI衬底结合隔离槽技术，有效提高了光寻址电位传感单元间的隔离度，且本发明独特的片上参考电极设计更有利于传感器的微型化、集成化。

Description

一种阵列式光寻址电位传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于传感器设计技术领域，具体涉及一种阵列式光寻址电位传感器及其制作方法。

背景技术

光寻址电位传感器(LAPS)是一种以电容型传感器为基础，结合半导体光电特性的传感器件。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。

光寻址电位传感器的敏感单元具有电解质溶液-敏感膜-半导体结构。当把光寻址电位传感器的半导体表面偏置在耗尽状态时，用强度可调制的光源照射硅片，光子会激发硅材料电子从价带跃迁到导带，从而产生的非平衡电子-空穴对在耗尽电场作用下被分离，在交流通路中就表现为交变的光电流。敏感膜接触待测溶液所产生的固-液界面势将会对偏置电压起调制作用，使光电压或光电流发生变化，根据光电信号的大小，可测得待测溶液中离子浓度等相关信息。

可以进行多种参量的同时检测是阵列式光寻址电位传感器的一个主要优点。在阵列式光寻址电位传感器中，一般采用与传感器阵列相对应的LED阵列作为激励光源，由于LED的发散角较大，所以不管阵列式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单元之间的区域上，光线照射在该区域所产生的信号将作为一种噪声被引入，并且由于现有的阵列式光寻址电位传感器中，阵列单元大面积分布在同一个硅衬底上，不同敏感单元同时测试时噪声会通过硅衬底耦合。而对相邻阵列单元进行隔离是减除该噪声的有效办法。

现有的阵列式光寻址电位传感器中，相邻阵列单元的隔离基本采用传统的聚酰亚胺、光刻胶等介质层或生长厚氧化层来实现隔离。这些方法都存在固有缺陷：聚酰亚胺和光刻胶在光刻过程中会污染敏感单元，而光刻胶还存在无法在溶液中长期浸泡的局限，厚氧化层虽然没有相应的污染，但对噪声的抑制效果并不理想。同时，目前阵列式光寻址电位传感器上的参考电极基本采用传统的体积较大的Ag/AgCl电极或甘汞电极，不利于阵列式光寻址电位传感器的微型化和集成化。

发明内容

本发明提供了一种阵列式光寻址电位传感器及其制作方法，通过采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)衬底结合隔离槽技术，克服了现有技术在隔离方面所存在的不足和缺陷，保证了传感器可实现多种生化参量的同时检测，具备微型化和集成化的特点。

一种阵列式光寻址电位传感器，包括SOI衬底和在SOI衬底上形成的若干个隔离岛；

所述的SOI衬底上设有二氧化硅层；所述的隔离岛由SOI衬底的埋氧层和设置于SOI衬底的顶层硅中且连接二氧化硅层和埋氧层的环形隔离槽构成；

所述的隔离岛内的顶层硅的顶部设有扩散环，所述的扩散环与环形隔离槽相连；

所述的隔离岛内的二氧化硅层上设有与所述的扩散环对应的U型环状的衬底电极和包含在衬底电极所围成区域内的方环状的片上参考电极；

所述的隔离岛内的二氧化硅层中设有若干接触孔，所述的接触孔连接所述的衬底电极与所述的扩散环；

所述的片上参考电极所围成区域内集成有光寻址电位传感单元，所述的光寻址电位传感单元自底向上依次由顶层硅、二氧化硅层和敏感膜层构成。

所述的光寻址电位传感单元的二氧化硅层的厚度低于周围二氧化硅层的厚度。

所述的SOI衬底为P型SOI衬底或N型SOI衬底。

所述的环形隔离槽的截面为U型结构。

所述的扩散环为P+扩散环或N+扩散环。

优选的技术方案中，相邻两个隔离岛的环形隔离槽的相邻边可合并。

一种阵列式光寻址电位传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)制作隔离岛：选用电阻率为2～20Ω·cm，硅层厚度为0.5～20μm的SOI衬底；在SOI衬底正面旋涂光刻胶后，采用半导体干法刻蚀技术在SOI衬底上刻蚀出环形隔离槽；氧化生长并沉积二氧化硅进行隔离槽内回填，并在槽外其他区域形成二氧化硅层；

(2)制作扩散环：在隔离岛内光刻出一圈环形扩散区的窗口；然后离子注入或扩散P型/N型杂质形成P+或N+扩散环；

(3)制作光寻址电位传感单元：采用干法或湿法刻蚀去除光寻址电位传感区域的二氧化硅层；用干氧氧化法在传感区域上重新生长一厚度为300～1000埃的二氧化硅层，再用LPCVD法在传感区域的二氧化硅层上生长氮化硅层作为敏感膜；

(4)制作片上参考电极：遮挡保护器件区域，仅暴露参考电极区域；在参考电极区上溅射银电极，然后把整个SOI衬底浸入三氯化铁溶液，从而获得Ag/AgCl的片上参考电极；

(5)制作衬底电极：在隔离岛内光刻出扩散环的接触孔，在衬底电极区域上蒸发或溅射Al或Au金属电极材料，并反向光刻后作为衬底电极引出。

本发明的有益技术效果为：

(1)本发明通过采用SOI衬底结合隔离槽技术，使相邻传感单元之间形成了彻底的物理隔离，不仅可以有效阻断光生载流子在相邻传感单元间的横向扩散，而且从结构上将同一传感器芯片上的不同传感单元的衬底相互隔离开，有效降低了相邻传感单元同时检测时的信号干扰和来自于衬底耦合所致的噪声串扰，同时也提高了光寻址电位传感单元间的隔离度；

(2)本发明通过在SOI顶层硅中设置扩散环，把衬底电极从传感器芯片表面引出，减小了SOI顶层硅的接触电阻，提高了衬底电流的收集效率；同时也为传感器芯片提供了干扰噪声阻断区，使光激励产生的光生载流子在重掺杂区快速复合掉，而不会横向扩散到相邻单元造成信号干扰；

(3)本发明采用方环状的片上参考电极，将参考电极与传感器在同一芯片上单片集成，有效减小了传感器件的体积，更有利于传感器件的微型化、集成化；在测试过程中，可将阵列中一个传感单元作为参考单元(对待测物质不敏感)，其他传感单元作为测试单元，测试信号经处理后，参考单元的信号体现了溶液、温度等环境噪声的影响，将作为共模噪声予以去除，从而可以有效提高测试精度。

附图说明

图1为本发明2×2阵列式光寻址电位传感器的结构示意图。

图2为图1沿AA’方向的2×2阵列式光寻址电位传感器的结构剖视图。

图3为本发明2×2阵列式光寻址电位传感器制作方法的步骤流程图。

图4为本发明2×2阵列式光寻址电位传感器制作的工艺流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和图2所示，一种2×2阵列式光寻址电位传感器，包括SOI衬底1和在SOI衬底1上形成的四个隔离岛；

SOI衬底1上设有二氧化硅层8；隔离岛由SOI衬底1的埋氧层1.1和设置于SOI衬底1的顶层硅1.2中且连接二氧化硅层8和埋氧层1.1的环形隔离槽2构成；相邻两个隔离岛的环形隔离槽2的相邻边合并；

隔离岛内的顶层硅1.2的顶部设有P+扩散环7，P+扩散环7与环形隔离槽2相连；

隔离岛内的二氧化硅层8上设有与P+扩散环7对应的U型环状的衬底电极4和包含在衬底电极4所围成区域内的方环状的片上参考电极5；

隔离岛内的二氧化硅层8中设有若干接触孔6，接触孔6连接衬底电极4与P+扩散环7；

片上参考电极5所围成区域内集成有光寻址电位传感单元3，光寻址电位传感单元3自底向上依次由顶层硅1.2、二氧化硅层3.2和敏感膜层3.1构成，光寻址电位传感单元的二氧化硅层3.2的厚度低于周围二氧化硅层8的厚度。

如图3所示，一种2×2阵列式光寻址电位传感器的制作方法，包括如下步骤：

(1)制作隔离岛。

选用电阻率为8～10Ω·cm，硅层厚度为10μm的P型SOI衬底，清洗并烘干处理，如图4(a)所示；

在SOI衬底正面旋涂SU-8厚膜光刻胶，进行前烘处理，在光刻胶上放置掩膜版，用紫外光曝光，掩膜版图形为2×2矩形阵列，每个矩形尺寸为3mm×3mm，矩形间距为2mm。曝光后用显影液显影，烘箱中坚膜处理。采用半导体干法刻蚀技术去除暴露出来的SOI衬底的顶层硅，刻蚀出环形隔离槽，构成含有4个独立传感区域的2×2阵列式光寻址电位传感区，去胶、清洗并烘干SOI衬底，如图4(b)所示；

氧化生长并沉积二氧化硅进行隔离槽区回填，并在槽外其他区域形成二氧化硅层，如图4(c)所示。

(2)制作扩散环。

在SOI衬底正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置P+扩散区掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，用氟化氨和氢氟酸配成的二氧化硅缓冲溶液进行腐蚀，去除未被光刻胶保护的二氧化硅层，暴露出环形的SOI衬底的顶层硅，之后去胶并清洗烘干，得到由隔离槽围成的隔离岛内的一圈环形P+扩散区窗口；

将SOI衬底放入扩散炉，通过预沉积和再分布两个步骤进行P型杂质的掺杂形成P+扩散环，杂质再分布的同时，会在SOI衬底表面生长一层二氧化硅层，如图4(d)所示。

(3)制作光寻址电位传感单元。

在SOI衬底的正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置光寻址电位传感器的传感区掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，用氟化氨和氢氟酸配成的二氧化硅缓冲溶液进行腐蚀，去除敏感区域暴露出来的二氧化硅层，之后去胶并清洗烘干，然后采用干氧氧化法热生长一薄二氧化硅层(约300埃)，如图4(e)所示；

在整个SOI衬底表面采用LPCVD法淀积一薄层氮化硅层作为氢离子敏感膜，之后在SOI衬底正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置光寻址电位传感器敏感区掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，用干法刻蚀去除非传感区域的氮化硅层，之后去胶并清洗烘干，如图4(f)所示。

(4)制作片上参考电极。

在SOI衬底正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置参考电极掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，此时SOI衬底上仅暴露要制作参考电极及引线的区域，其他部分由光刻胶遮挡；溅射法沉积银电极金属，把SOI衬底浸入三氯化铁溶液，化学反应获得Ag/AgCl片上参考电极，之后去胶、清洗，如图4(g)所示。

(5)制作衬底电极。

在SOI衬底正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置接触孔掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，用氟化氨和氢氟酸配成的二氧化硅缓冲溶液进行腐蚀，去除接触孔区域暴露出来的二氧化硅层，之后去胶并清洗烘干，如图4(h)所示；

在整个SOI衬底上溅射Al金属电极材料，之后在SOI衬底正面旋涂光刻胶，前烘处理，在光刻胶上放置衬底电极掩膜版，紫外光曝光后显影、坚膜，用热磷酸溶液腐蚀掉其余部分的Al金属，仅保留衬底电极及引线，之后去胶、清洗，如图4(i)所示。

传感器制作完成后，把衬底电极和片上参考电极通过片上设计的压焊点进行压焊、封装，加参考电位后以调制光进行激励，四个阵列传感单元即可同时进行溶液中氢离子浓度分布的测试。

Claims (9)

1.一种阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：包括SOI衬底和在SOI衬底上形成的若干个隔离岛；

所述的SOI衬底上设有二氧化硅层；所述的隔离岛由SOI衬底的埋氧层和设置于SOI衬底的顶层硅中且连接二氧化硅层和埋氧层的环形隔离槽构成；

所述的隔离岛内的顶层硅的顶部设有扩散环，所述的扩散环与环形隔离槽相连；

所述的隔离岛内的二氧化硅层上设有与所述的扩散环对应的U型环状的衬底电极和包含在衬底电极所围成区域内的方环状的片上参考电极；

所述的隔离岛内的二氧化硅层中设有若干接触孔，所述的接触孔连接所述的衬底电极与所述的扩散环；

所述的片上参考电极所围成区域内集成有光寻址电位传感单元，所述的光寻址电位传感单元自底向上依次由顶层硅、二氧化硅层和敏感膜层构成。

2.根据权利要求1所述的阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：相邻两个隔离岛的环形隔离槽的相邻边合并。

3.根据权利要求1所述的阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：所述的SOI衬底为P型SOI衬底或N型SOI衬底。

4.根据权利要求1所述的阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：所述的环形隔离槽的截面为U型结构。

5.根据权利要求1所述的阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：所述的扩散环为P+扩散环或N+扩散环。

6.根据权利要求1所述的阵列式光寻址电位传感器，其特征在于：所述的光寻址电位传感单元的二氧化硅层的厚度小于周围二氧化硅层的厚度。

7.一种阵列式光寻址电位传感器的制作方法，包括如下步骤：

（1）制作隔离岛：在SOI衬底正面旋涂光刻胶后，采用半导体干法刻蚀技术在SOI衬底上刻蚀出环形隔离槽；氧化生长并沉积二氧化硅进行隔离槽内回填，并在槽外其他区域形成二氧化硅层；

（2）制作扩散环：在隔离岛内光刻出一圈环形扩散区的窗口；然后离子注入或扩散P型/N型杂质形成扩散环；

（3）制作光寻址电位传感单元：采用干法或湿法刻蚀去除光寻址电位传感区域的二氧化硅层；用干氧氧化法在传感区域上重新生长一厚度为300~1000埃的二氧化硅层，再用LPCVD法在传感区域的二氧化硅层上生长氮化硅层作为敏感膜；

（4）制作片上参考电极：遮挡保护器件区域，仅暴露参考电极区域；在参考电极区上溅射银电极，然后把整个SOI衬底浸入三氯化铁溶液，从而获得Ag/AgCl的片上参考电极；

（5）制作衬底电极：在隔离岛内光刻出扩散环的接触孔，在衬底电极区域上蒸发或溅射金属电极材料，并反向光刻后作为衬底电极引出。

8.根据权利要求7所述的阵列式光寻址电位传感器的制作方法，其特征在于：所述的金属电极材料为Al金属或Au金属。

9.根据权利要求7所述的阵列式光寻址电位传感器的制作方法，其特征在于：所述的SOI衬底为电阻率为2~20Ω·cm，硅层厚度为0.5~20μm的P型或N型<100>SOI衬底。

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