CN103308584A - 场效应晶体管气体传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型场效应晶体管气体传感器，该传感器包括至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且以共源、共漏或共源且共漏中一种或者它们的组合连接，其中至少一个场效应晶体管的栅电极作为参考栅电极而不具有敏感膜，其余场效应晶体管的栅电极作为测试栅电极而具有敏感膜。同时还提供了一种制作所述传感器的方法和使用所述传感器进行测试的方法。本发明提供的新型场效应晶体管气体传感器，可以通过改变场效应晶体管的连接方式、排布、参考栅电极和测试栅电极的排列方式以及敏感膜的材料组成，对不同的物质进行检测，且具有功耗低、便于设计加工、物理稳定性好、检测范围灵活多变的特点。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管传感器的设计领域，特别涉及一种新型结构的场效应晶体管气体传感器及其制造方法。
背景技术
场效应晶体管是一种半导体组件，此类器件具有源电极、漏电极、栅电极与衬底电极四端。其中连接源电极与漏电极的沟道中流通的电流通过施加于栅电极的电压所产生的电场来控制。利用此原理通过在栅电极上制作不同的敏感物质来检测气体或者液体中的目标成分已经有30年左右的历史，很多利用场效应晶体管的原理制作的生物传感器产品也已经生产出成型产品。
虽然现在有很多利用场效应晶体管作为传感器的产品，但是这些产品仍然存在很多问题，比如，当今流行的基于金属氧化物敏感的场效应晶体管大多需要在其背面额外添加一个加热元件，这种设计在增加了功耗的同时，也增加了设计成本，从而极大地限制这类产品的应用领域；而对于采用顶栅悬空的理念设计的场效应晶体管，一方面加工困难，另一方面则容易导致顶栅的折断；对于采用有机材料敏感的场效应晶体管，由于其只有单一测试元件，很难满足当今对于智能多参数检测的要求。综上所述，设计一种既能在常温下工作(能够满足低功耗的要求)又能满足多测试要求的新型器件是非常有意义的。
发明内容
针对之前传感器产品功耗大、加工困难、物理稳定性差、检测范围小等缺点，本发明提供一种新型场效应晶体管气体传感器。
根据本发明的一个方面，提供了一种场效应晶体管气体传感器，包括至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且以共源、共漏或共源且共漏中一种或者它们的组合连接，其中至少一个场效应晶体管的栅电极作为参考栅电极而不具有敏感膜，其余场效应晶体管的栅电极作为测试栅电极而具有敏感膜。
根据本发明的另一个方面，提供了制作上述传感器的方法，包括：
a)形成至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且共源、共漏或共源且共漏，其中将所述至少两个场效应晶体管的栅电极形成为参考栅电极，并在其上形成保护层；
b)去除至少一个场效应晶体管的保护层和参考栅电极以露出栅介质层；
c)在露出的栅介质层上形成金属层，并进行高温退火处理；
d)在所述金属层上形成敏感膜。
本发明的另一方面提供了一种使用上述传感器进行测量的方法，其中通过分时控制参考栅电极和测试栅电极对敏感物质进行测量。
本发明提供的新型场效应晶体管气体传感器，可以通过改变场效应晶体管的连接方式、排布以及参考栅电极和测试栅电极的排列方式，对不同的物质进行检测，且具有功耗低、便于设计加工、物理稳定性好、检测范围灵活多变的特点。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的场效应晶体管气体传感器结构的剖面示意图；
图2为本发明的一个实施例的场效应晶体管气体传感器结构俯视图；
图3～图6为本发明的不同实施例的场效应晶体管气体传感器结构俯视图；
图7是使用图3所示实施例的气体传感器进行测量的示意图；
图8的流程图示例说明了制作气体传感器的方法；
图9a～图9c为制作气体传感器过程中不同阶段的剖面示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
本发明的一个方面提供了一种场效应晶体管气体传感器，包括至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且以共源、共漏或共源且共漏中一种或者它们的组合连接，其中至少一个场效应晶体管的栅电极作为参考栅电极而不具有敏感膜，其余场效应晶体管的栅电极作为测试栅电极而具有敏感膜。
在一个实施例中至少两个测试栅电极具有不同的敏感膜。
在一个实施例中所述场效应晶体管平面尺寸大小一致。
在一个实施例中所述场效应晶体管的栅电极为矩形，其长和宽的尺寸在200～500微米之间。
在一个实施例中所述测试栅电极包括金属层和敏感膜，其中金属层的材料为金、铂和钯中的一种或者它们的组合；并且敏感膜的材料包括金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合。
在一个实施例中述金属层的厚度在50～500埃之间。
本发明的另一个方面提供了一种制作场效应晶体管气体传感器的方法，包括：
a)形成至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且共源、共漏或共源且共漏，其中将所述至少两个场效应晶体管的栅电极形成为参考栅电极，并在其上形成保护层；
b)去除至少一个场效应晶体管的保护层和参考栅电极以露出栅介质层；
c)在露出的栅介质层上形成金属层，并进行高温退火处理；
d)在所述金属层上形成敏感膜。
在一个实施例中，在步骤c)中，金属层所采用的材料为金、铂或者钯中的一种或者它们的组合。
在一个实施例中，在步骤d)中，采用金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合作为敏感膜的材料。
在一个实施例中，在步骤c)中，高温退火的时间为一个小时左右。
在一个实施例中，在步骤c)中，高温退火的温度小于800℃。
本发明的还有一个方面提供了一种使用上述传感器进行测量的方法，其中通过分时控制参考栅电极和测试栅电极对敏感物质进行测量。
图1为本发明的一个实施例的场效应晶体管气体传感器结构的剖面示意图。图2为该场效应晶体管气体传感器结构的俯视图。
其中衬底100可以为硅衬底(例如硅晶片)。根据现有技术公知的设计要求(例如P型衬底或者N型衬底)，衬底100可以包括各种掺杂配置。其他实施例中衬底100还可以包括其他基本半导体，例如锗。或者，衬底100可以包括化合物半导体(如III-V族材料)，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟。典型地，衬底100可以具有但不限于约几百微米的厚度，例如可以在400um-800um的厚度范围内。
掺杂区110，120为源区和漏区。在本实施例中，两个场效应晶体管共用漏区120。
由侧墙240，栅介质层210，参考栅电极层220以及保护层230组成参考栅堆叠21。其中侧墙240可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅及其组合，和/或其他合适的材料形成；介质层210的材料可以是氧化硅或氮化硅及其组合形成，在其他实施例中，也可以是高K介质，例如，HfO2、HfSiO、HfSiON、HfTaO、HfTiO、HfZrO、Al2O3、La2O3、ZrO2、LaAlO中的一种或其组合，其厚度可以为2nm-10nm；本实施例中参考栅电极层220的导电材料为掺杂的多晶硅；其厚度可以为10nm-80nm，如30nm或50nm。保护层材料可以是Si3N4。
特别地，衬底100中可以形成有隔离区，例如浅沟槽隔离(STI)结构130，以便电隔离连续的场效应晶体管器件。
测试栅堆叠31由侧墙240，栅介质层210，金属层320以及敏感膜330组成。其中侧墙和栅介质层的材料选用与前述相同。金属层320的材料为金、铂和钯中一种或者它们的组合。金属层320可以是带孔的，例如，可以是蜂窝状的。敏感膜330根据传感器需要检测物质的不同，采用金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合作为敏感膜的材料。例如，敏感膜采用有机导电聚合物，如：rr-P3HT、MWCNTs、PANI等，可在常温下实现对气体的检测。
在本实施例中，气体传感器由两个场效应晶体管组成，呈直线排列，采用共漏结构，包括一个参考栅电极和一个测试栅电极。在其他实施例中，可以对场效应晶体管的数量、排列方式、连接方式以及参考栅电极和测试栅电极的数量和排列方式进行调整，以适应不同的测量需要。
图3～图6为本发明的不同实施例的场效应晶体管气体传感器结构示意图；
图3所示的实施例中，气体传感器由三个场效应晶体管组成，呈直线排列；采用共源且共漏的结构；位于中间的栅电极为参考栅电极，两边的为测试栅电极。
图4所示的实施例中，气体传感器由六个场效应晶体管排列成2*3的矩形阵列；按照从左至右的顺序分别为第一竖列和第二竖列。该传感器采用所有场效应晶体管共漏，竖直方向每列晶体管共源的结构；其中位于两个竖列列中间的栅电极均作为参考栅电极，其余栅电极为测试栅电极。
图5所示的实施例中，气体传感器由7个场效应晶体管呈环形排列；采用共漏结构；与衬底电极的引出端41相对位置处的栅电极作为参考电极；其余栅电极作为测试电极。
图6所示的实施例中，场效应晶体管的数量、排列方式与图5中相同，区别在于采用共源且共漏结构。
在实际使用时，通过分时控制参考栅电极和测试栅电极对敏感物质进行测量。图7是使用图3所示实施例的气体传感器进行测量的示意图。其中参考栅电极和两个测试栅电极分别接入三路分时控制开关41，三路分时控制开关41接入电源。在进行测试，将一个测试周期分成三个时段，第一个时段为参考栅电极接入电源，此后两个时段分别为两个测试栅电极接入参考电源。在测试周期内，记录下源漏电极电压与电路的变化的情况。通过将两个测试晶体管的数据与参考晶体管的数据进行对比，达到测试的目的。
设中间的栅电极为参考电极，左右两个为敏感电极。假设测试周期为3ms(毫秒)，分时控制，指的是，将3ms平均分成3个1ms。第一毫秒中在参考栅电极上施加电压，第二毫秒和第三毫秒分别在左边和右边的敏感栅电极上施加电压。而源漏电极则时时记录测试的电压与电流变化情况。
图8为制作场效应晶体管气体传感器的方法流程图。图1和图9a～图9c为制作示例的气体传感器过程中不同阶段的剖面示意图。
在步骤S801中，形成至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且共源、共漏或共源且共漏，其中将所述至少两个场效应晶体管的栅电极形成为参考栅电极，并在其上形成保护层。
所述至少两个场效应晶体的数量，排布方式、以及源漏连接的方式可以如图3到图6中任一个所示。例如，通过公知的处理工艺形成图9a中所示的结构，其中标号的各部分与图1中对应的各部分具有相同的工艺和原料。两个场效应晶体管的栅电极按照自右至左的顺序分别为第一栅电极和第二栅电极。
在步骤S802中，去除至少一个场效应晶体管的保护层和参考栅电极以露出栅介质层。
本步骤开始进行制作测试栅电极的工艺。该制作工艺中至少一个场效应晶体管的选择可以是任意的。例如，旋涂光刻胶，并通过光刻进行图形化，露出第二栅电极堆叠，并刻蚀掉第二栅电极的保护层230和参考栅电极层220两部分，露出栅介质层210。形成如图9b所示的结构。
在步骤S803中，在露出的栅介质层上形成金属层，并进行高温退火处理。
在本步骤中，重新制作栅电极中的金属层。例如，在图9b所示的结构中，在第二栅介质层之上镀金、铂或钯。例如可以采用光刻加剥离的工艺。金属的厚度不高于几百埃，并对其进行高温退火处理，以产生完全的再结晶，产生软化效果。高温退火的时间可以为一个小时左右。高温退火的温度可以在小于800℃以下。本步骤完成后，形成如图9c中所示的结构。
在步骤S804中，在所述金属层上形成敏感膜。
在本步骤中，根据传感器需要检测物质的不同，采用相应的敏感物质，如金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合作为敏感材料，根据具体敏感材料是否会溶于有机溶剂确定是否采用光刻技术，对于金属、金属氧化物和难溶于丙酮的有机敏感材料(如聚吡咯)可采用光刻成型的方法镀在所述金属层上，对于易溶解于丙酮的有机敏感材料一般采用滴涂或者喷印的方法镀在所述金属层上，形成敏感膜330。例如，形成如图1中所示的结构。例如，敏感膜采用有机导电聚合物，如：rr-P3HT、MWCNTs、PANI等，可在常温下实现对气体的检测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种场效应晶体管气体传感器，包括至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且以共源、共漏或共源且共漏中一种或者它们的组合连接，其中至少一个场效应晶体管的栅电极作为参考栅电极而不具有敏感膜，其余场效应晶体管的栅电极作为测试栅电极而具有敏感膜。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中至少两个测试栅电极具有不同的敏感膜。
3.根据权利要求1所述的传感器，所述场效应晶体管平面尺寸大小一致。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的传感器，所述场效应晶体管的栅电极为矩形，其长和宽的尺寸在200～500微米之间。
5.根据权利要求1所述的传感器，所述测试栅电极包括金属层和敏感膜，其中金属层的材料为金、铂和钯中的一种或者它们的组合；并且敏感膜的材料包括金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合。
6.根据权利要求5所述的传感器，所述金属层的厚度在50～500埃之间。
7.一种制作场效应晶体管气体传感器的方法，包括：
a)形成至少两个场效应晶体管，所述至少两个场效应晶体管并列排布，串接排布，或者环状排布，并且共源、共漏或共源且共漏，其中将所述至少两个场效应晶体管的栅电极形成为参考栅电极，并在其上形成保护层；
b)去除至少一个场效应晶体管的保护层和参考栅电极以露出栅介质层；
c)在露出的栅介质层上形成金属层，并进行高温退火处理；
d)在所述金属层上形成敏感膜。
8.根据权利要求7所述的方法，在步骤c)中，金属层所采用的材料为金、铂或者钯中的一种或者它们的组合。
9.根据权利要求7所述的方法，在步骤d)中，采用金属、金属氧化物、有机敏感材料、特殊离子中的一种或者它们的组合作为敏感膜的材料。
10.根据权利要求7所述的方法，在步骤c)中，高温退火的时间为一个小时左右。
11.根据权利要求7所述的方法，在步骤c)中，高温退火的温度小于800℃。
12.一种使用根据权利要求1的传感器进行测量的方法，其中通过分时控制参考栅电极和测试栅电极对敏感物质进行测量。
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