CN105408741A - 用于电荷检测的集成传感器装置 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的第一方面，提供了一种基于半导体的集成传感器装置，其包括：与纵向双极结型晶体管(BJT)的基极串联连接的横向绝缘栅极场效应晶体管(MOSFET)，其中所述MOSFET的漏极漂移区是在半导体衬底内的BJT的基区的一部分，因此与BJT的基极电接触，且MOSFET的漏极漂移区与BJT发射极的距离超过在发射极与作为集电极的任何埋层之间的纵向距离，并且所述装置的击穿电压由纵向BJT的BVCEO确定。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成传感器装置。具体地，本发明涉及一种将场效应晶体管与双极结型晶体管结合的半导体装置的混合形式，所述场效应晶体管通过多个接触/通孔和金属层连接到感测电极。
背景技术
近年来，日益增长的兴趣已经出现在可以用于液体中电荷检测的高敏感半导体装置(例如，用于氢离子的离子敏感场效应晶体管(ISFET)类型，如应用于测定pH浓度、检测生物分子、研究DNA复制和基因组序列等)或用于气体混合物中的离子或可极化分子的检测的高敏感半导体装置的领域。以前已经提出并且展示过这样的半导体装置的混合形式(S-R.Chang等Sensors9,2009,pp.8336-8348以及H.Yuan等，BiosensorsandBioelectronics28,2011,pp.434-437)，参考文献1-2。这些混合体在单个集成电路中将ISFET电荷敏感装置并联地与横向双极结型晶体管(LBJT)结合。这样的混合装置有利地将ISFET的高敏感性和由LBJT提供的额外放大相结合。
本文所使用的术语“ISFET”包括这样的装置的各种等效形式(P.Bergveld，SensorsandActuatorsB88,2003,pp.1-20)，另参见参考文献3-6。例如，导电栅电极可以是金属或其它合适的导电材料(如高掺杂的多晶硅)。类似地，栅绝缘材料可以是氧化物(如二氧化硅)，但也可以包括氧氮化物或甚至包括高k介质。
如下布置是已知的：通过由合适的钝化材料(例如，氧化硅、氮化硅或氧化物/氮化物的夹层)包封的接触/金属线和通孔/金属线的连续布置，栅电极与待分析的气体或液体接触。在电极内最接近液体或气体的金属膜可以被所述钝化物包围或可以不被所述钝化物包围。金属本身可以是在半导体器件的制造中所使用的标准金属，例如，铝、钯、铂或金。所述电极选择性地为金属/金属氧化物(Al2O3、Ta2O5、HfO2)的某种形式。
美国专利第8283736号中所公开的离子感测装置由与集成于同一半导体芯片上的横向双极型装置连接的ISFET构成。如所公开的，p-型沟道ISFET位于n-阱中，横向pnp型双极晶体管与之并联连接，其中发射极/源极和漏极/集电极分别为公用的，而基极连接是分开的。当由于在浸没于电解液中的参考电极上施加偏压，导致适当数量的离子在栅电极上积聚(或耗尽)时，在ISFET中的沟道导通状态将会改变。而这会反而影响横向双极型装置的导通。
该特定结构的缺点是两个器件的并联布置，该布置需要额外的端子。为此导致栅控横向双极晶体管的固有的低增益。在低于双极型装置的开启电压的偏压下，亚阈值特性类似于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置(即本文中的ISFET)的亚阈值特性。在该混合配置中所获得的跨导增强主要在高于MOSFET的阈值电压的情况下发生。因此，该结构的放大将非常低。
在该引用专利中指出的寄生纵向pnp-型晶体管对于所有基于n-阱的CMOS工艺是相同的。它是通过ISFET的源极/发射极、外部连接的n-阱基极并以p-型衬底为集电极而形成的。它不是感测装置的一部分，这是因为ISFET的导电性变化不影响所述寄生成分。对寄生纵向pnp-型晶体管的活跃使用可能最终导致可靠性问题，例如，闩锁。另外的问题是在所需的配置中各个器件的外部连接需要额外的端子。这种额外的布线很可能引入不想要的信号噪声。
美国专利第5126806号描述了特别适用于高功率开关应用的横向绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。所公开的是将源极和漏极分别与横向双极型晶体管的基极和发射极连接的增强型MOSFET装置。当将适当的栅极输入电压(在此为正电荷的形式)施加到MOSFET时，沟道导通，从而使双极型晶体管偏置为导通。在栅电极上施加的电荷可以用于通过双极型装置来控制大电流，这在功率应用中是尤其引人注目。但是，在高电压下进行安全开关操作需要双极型晶体管中有非常宽的基极和低增益。所述装置的各种形式已经集成于如以下文献中所描述的现代CMOS工艺中：Bakeroot等，IEEEEDL-28,pp.416-418,2007，参考文献7。与本文相关的还有如下报告：E.KhoChingTee，题目为“AreviewoftechniquesusedinLateralInsulatedGateBipolarTransistor(LIGBT)(在横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)中所使用的技术综述)”JournalofElectricalandElectronicsEngineering,vol.3,pp.35-52,2012，参考文献8。虽然该类型装置对于各种形式的功率开关(由于其对高电压容量和低内部增益的要求)而言是潜在非常有用的，但是对于并入旨在用于液体或气体混合物中的电荷检测(尤其是氢离子的电荷检测)的电路中的装置是不利的。
参考图1A和1B描述现有技术的ISFET-栅控LBJT。首先参考图1A，其描述了现有技术装置10(其表示了在以上所引用的美国专利第8283736号中所公开的装置)的侧视图。如图中所示，栅控的LBJT10是通过分别地在p-型衬底11中形成n-阱12、在所述n-阱12中形成p+-掺杂区以及在p+-掺杂区中围绕发射极13形成横向集电极环15而构成的。
栅控LBJT10在p+-掺杂区之间，在栅极介电层17的顶部上具有受到包覆的栅电极18。另外，在n-阱12中的n+-掺杂区中形成基极接触14。类似地，在n-阱之外设置p+-掺杂区16作为衬底接触。
栅电极18和在相邻侧的p+-掺杂区(起到源极/漏极接触的作用)构成p型MOSFET装置。
在栅控LBJT上方，浮置栅电极18通过多个接触/通孔和金属层21电连接至氢离子感测电极19。感测电极19的表面与含离子溶液22(参考栅极20附接至该溶液)接触。
在如图1A所示的现有技术中，MOSFET漏极区和双极晶体管集电极区固有地连接，这是因为它们是由同一的p+-导电类型半导体区形成。
MOSFET源极区和双极发射极区也同样连接，这是因为它们由同一p+-型半导体区13形成。在图1A所示的具体结构中，在n-阱12中制造n+-区14，以用于到双极型横向和纵向pnp晶体管的基极区以及到p-型MOSFET体(ISFET)的共同的外部偏压连接。
现在参考图1B，其是图1A中的装置的等效电路，可以看出：除了外部参考栅电极(参考20)外，有四个端子：B14、C15、E13、S16。可以看出：p-型MOSFET将其源极13和漏极15端子并联地连接至横向双极型装置5的发射极(E)和集电极(C)。类似地观察到：横向pnp晶体管和纵向(寄生)pnp晶体管6共用发射极(E)和基极(B)端子。
将合适的偏压施加在MOSFET的源极/漏极端子上以及参考电极上将会在MOSFET装置中产生横向电流。
发射极-基极结的正向偏压将增加横向电流(其由图1A中的横向集电极环(15)提取)，并且还将增加在整个图1的衬底(11)中分布的纵向衬底电流。
参考电势的任何变化将会影响MOSFET电流以及通过所述双极型装置的电流。
对于所描述的现有技术装置，电解液部分的电势或电荷的任何变化主要由MOSFET晶体管和横向pnp-双极型晶体管的并联布置5感测。
在p-型MOSFET和横向pnp-晶体管之间分别共用有源层的事实导致非优化的低电流增益pnp-晶体管。
另外，来自纵向寄生pnp晶体管6的衬底电流就器件绝缘而言是不利的，并且不会提供关于在电解液部分中的变化的信息。
图2A显示了如在上述美国专利第5126806号中所描述的LIGBT形式的现有技术的一个示例。集成装置30构建于低掺杂n-型层35，该低掺杂n-型层含有p型掺杂区50(其比n-型层具有更高的杂质浓度)和p+区70(其杂质浓度超过p-型掺杂区50的杂质浓度)。在p-掺杂区50中，设置有比p-型区50具有更高杂质浓度的n+-区60。p-掺杂区50和n+-区60通过发射电极55而电短路。集电极65形成到p+-区70的欧姆接触。绝缘膜用作栅极电介质40且将栅电极45与衬底分开。
当将正电势施加于栅电极45时，在栅极电介质40下方的p-区50的表面部分的导电性反转而形成n-型沟道。于是来自n+-区60的电子能够通过沟道，进入n-层35中，并且传输到p+-区70(正电空穴从p+-区70注入)上。由此，具有高电阻率的n-层35受到导电性调制，从而在图2A中的正极(C)和负极(E)之间提供低电阻路径。因此，可以实现低导通电阻和优异的正向阻断特性，这对各种形式的功率开关是非常有用的。
存在对上述实施方案的许多改进(着重于改善开关性能)，其中的一些包括于E.KhoChingTee的报告中，参考文献8。
图2B是图2A中的装置的等效电路图。显示有三个端子C、E和G。该装置还利用了外部背侧衬底电极。n-型MOSFET将其源极和体端子在(E)处连接在一起，这些反过来通过体电阻R1连接至横向双极型pnp-晶体管的集电极区(C)。还显示了横向pnp-晶体管的基极端子如何通过可变电阻R2而连接至MOSFET的漏极，可变电阻R2反映导电性调制。
将其基极连接至横向pnp晶体管的集电极的纵向寄生npn-型晶体管包含于图2B中，从而示出LIGBT含有类似晶闸管的结构。一旦该晶闸管引起闩锁，所述LIGBT装置不再受栅极电势控制。闩锁的条件是：αnpn+αpnp≥1，其中αnpn和αpnp分别是寄生npn晶体管和pnp晶体管的共基极电流增益。为了减少闩锁的风险，有必要降低两个晶体管中的电流增益α。因为pnp晶体管承载通路状态压降，所以npn-型晶体管的增益需要通过例如在发射极区下方增加基极掺杂(降低基极电阻)而进行抑制。
发明内容
很显然需要一种基于将场效应晶体管与双极结型晶体管结合的半导体装置的混合形式的改进的传感器装置，参考图3-7。
本发明的目的是提供一种高度敏感的集成传感器装置(具有内部放大)，该集成传感器装置能够用于液体中的电荷检测或用于气体混合物中的离子或可极化分子检测。这是通过如权利要求1中所限定的装置来实现的。
本发明提供了一种与纵向双极结型晶体管BJT紧密结合的浮栅MOSFET，其特征在于：具有非常高的内部放大、高信噪比以及在低供电电压下操作。在优选的实施方案中，该装置可以通过由世界范围内的半导体晶圆代工厂提供的标准低电压CMOS工艺实现。
根据本发明所述的集成传感器包括设置在半导体衬底中的横向金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)，其中，MOSFET串联连接至纵向BJT的基极。将MOSFET设置为连接在半导体衬底表面处，并且BJT的发射极位于所述半导体衬底表面处。所述MOSFET的漏极漂移区是在半导体衬底内的BJT的基区的一部分，由此使所述漏极漂移区电连接至BJT的基极。从MOSFET的漏极漂移区到BJT的发射极的距离超过在所述发射极和作为集电极的任何埋层之间的纵向距离。因此，该装置的击穿电压由纵向BJT的BVCEO确定。
根据本发明的一个实施方案的传感器装置进一步包括通过多个接触/通孔和金属层电连接到浮置栅电极的离子敏感电极。所述离子敏感电极的表面与参考栅极所附接至的含离子溶液接触，其中，为了外部装置连接以及信号提取的目的，将电极设置为与第三区、作为所述BJT的发射极的第四区、作为MOSFET源极的第五区、以及第六区欧姆接触，所述第三区与作为BJT的集电极的埋层接触，所述第六区提供到所述第三区的欧姆接触。
根据优选实施方案的集成传感器装置包括：
-第一掺杂类型的半导体衬底；
-第二掺杂类型的第一区，用作用于在所述衬底内的装置的埋层，且位于衬底表面之下，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-第一掺杂类型的第二区，作为BJT的基极和MOSFET的漏极漂移区，从衬底表面延伸并且垂直延伸进入所述衬底一段距离，从而在所述衬底内与第二掺杂类型埋层接触且与第二掺杂类型埋层形成半导体结，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-第二掺杂类型的第三区，其围绕且包覆第一掺杂类型的所述第二区，并且从衬底表面垂直延伸进入所述衬底一段距离，以形成与第二掺杂类型的埋层的电接触；并且在表面为所述第三区提供至少一个欧姆接触，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-在所述第二区和第三区的所述衬底表面上并且越过所述区的介质膜，在所述介质膜上形成至少一个矩形导电带形式的栅电极，所述导电带伸展越过在所述第二区和第三区之间的界面，并且延伸到所述第二区和第三区的部分；在衬底平面中，所述栅电极带沿着所述第二区和第三区之间的界面延伸。
-至少一个第四区，其为第二导电类型的直角多边形形式，从表面延伸并进入所述第二区，且在所述第二区的内部作为BJT的发射极，所述第四区在与第二区和第三区之间的界面平行的水平面上。
-所述第一导电类型的第五区，其从与矩形栅电极带相邻且略微重叠的所述第三区的表面延伸并且延伸进入所述第三区，第五区作为MOSFET的源极，第一导电类型的所述区在位于远离所述第二区和第三区的交接处的一侧的衬底平面中；所述第一导电类型的所述区与所述矩形栅电极带并列布置，并且略微由所述矩形栅电极带覆盖，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形。
-所述第二导电类型的第六区，其从表面延伸且延伸进入第二导电类型的所述第三区，并且提供到所述第三区的欧姆接触，第二导电类型的所述区在位于远离栅电极带和第一导电类型的第二区的衬底的平面内。
-所述第一导电类型的第七区，其延伸进入所述第二区的部段，从而提供作为MOSFET的漏极漂移区的低电阻率区，所述第七区在所述第二区中与所述矩形栅电极带相邻并且与其重叠，所述第七区在与所述矩形栅电极带并列布置且略微由所述矩形栅电极带覆盖的衬底的平面内，其中所述区同时作为MOSFET的漏极漂移区和BJT的基极，从而为基极电流提供低电阻供应路径。
根据一种实施方案，提供一种MOSFET，该MOSFET如上所述地使其漏极共有地连接至纵向BJT的非本征基极，其中，所述MOSFET是n-型的，而所述BJT是pnp-型的。
所述集成传感器在分子水平上具有广泛的应用范围，例如但不限于：医疗诊断装置、环境和生物过程分析装置和食品加工和化学过程监测装置。
然而应用领域不应限于以上列出的应用，这是因为，对本领域技术人员显而易见的是，所提出的装置在没有离子感测电极的情况下，可以在许多类型的电子电路中用作放大器。
本发明的一个优点是，所述传感器装置可以通过在微电子领域中完善的方法和手段来制造。因此，制造成本将与对于标准集成电路所预期的制造成本相当。此外，所述设计仅具有这些特征，使得包括大量的所述MOSFET/BJT装置的传感芯片能够在已经可商业购买的设备中容易地进行制造。
只有在尽可能接近信号源的情况下应用放大，才能获得最大信-噪比输出。在本发明中这可以自动实现，这是因为第一放大阶段与传感器自身相结合。
通过提供制造成本仍然维持在IC制造业的典型低水平的传感芯片，本发明的高增益和优异的信-噪比特性避免了对在这之前的对昂贵的样品富集的需要。
附图说明
现在将参考附图详细描述本发明，其中：图1A是描述根据现有技术的具有栅控横向双极型晶体管的氢离子感测装置的截面视图，而图1B是图1A中的现有技术装置的等效电路图。
图2A是描绘代表性的现有技术的横向绝缘栅极双极晶体管(LIGBT)的侧截面视图，图2B是图2A中的现有技术装置的等效电路。
图3示意性地图示了根据本发明的电子传感器的第一实施方案的结构。
图4示意性地图示了根据本发明的电子传感器的第二实施方案的结构。
图5示意性地图示了根据本发明的电子传感器的第三实施方案的结构。
图6是根据本发明的电子传感器的等效电路示图。
图7示意性地图示了根据本发明的电子传感器的部分的结构。
具体实施方式
浮置栅极结构的功能可以通过以下应用示例来说明，其中，将已知碱基序列的DNA链固定化在图3中的电解液容器的底部金属表面上达到所希望的表面密度。所述容器连接至用于程序化地顺序供应四种核苷酸(碱基)A、C、G和T(不必按照该顺序，但是要一次仅供应一种)的流动池。每当在DNA链和输入的核苷酸之间发生碱基配对(即A-T或C-G结合)时，大量的质子被释放。这将导致电解液中pH值的瞬时变化。这会反过来导致容器的底部表面的质子化。这种质子化导致表面电势变化，该表面电势通过夹层的金属层传递至栅极。在栅极，所述变化导致在源极和漏极端子之间流动的电流以及流入双极晶体管的基极的电流发生变化。为了使敏感度最大化，容器的底部表面可以涂覆有合适的层，通常为对质子化和脱质子化特别敏感的金属氧化物的层。
图中所示的电解液容器的类型和形状仅旨在作为示例，而在容器底部的电极和它在栅控MOSFET中的作用是对当前内容而言的重要方面。感测部分的实际形式与各种应用密切相关，并且对各个领域的技术人员而言是清楚的。此外，对半导体技术领域的技术人员而言应当清楚的是，将分子保持在感测元件之上的适当位置处的电解液容器和/或任何独立的隔室可以被设计为具有从宏观到微观的范围内的尺寸。在微观范围内的实际限制是由源于半导体制造技术现有技术的设计要求而设定的。这所导致的一个结果是，在单个半导体芯片上，容器传感器组件可以进行数百万次的重复。参考电极也可以通过本领域技术人员已知的多种方式来设计。与本发明有关一个示例是位于半导体芯片自身的表面上且适当地变换为氯化银的银膜。在这种情况下，值得注意的是，图3中的浮置扩展栅极结构还用于另一个目的：所述结构阻止液体化学攻击晶体管电子器件。这种保护使得能够将控制电子器件与传感器组件包括在同一半导体芯片上，这种布置不仅保护了信号完整性，而且还允许传感器设计得足够小以安装在例如定点照护(Point-Of-Care)应用中。
参考图3和图6对本发明装置的功能进行概述。所述装置通过对地正向偏置MOSFET的源极和n-阱(束缚在一起)而进入操作模式。由于集电极在内部连接到n-阱，所以所述集电极同样地相对于被保持在接地电势的发射极接收正偏压。可以选择参考电极(栅极)相对于地的电势，使得能够确定所述MOSFET装置的操作模式(如亚阈值区或饱和区)。在操作过程中，测量在集电极端子(连接有金属)处所得到的电流。该电流是MOSFET沟道电流和穿过BJT电流的总和，并且受在浸入电解液中的电极表面上存在的DNA分子和与之相关的电荷的密度影响。这种影响根据这样的事实而表达其自身：在MOSFET沟道中的电场电容耦合至参考电极和MOSFET源极之间的电势差，参见图3。
根据本发明的电子传感器可以适于在各种应用中检测各种带电和/或极化的物质，其示例包括但不限于：用于生物医学和食品质量监测应用中的离子(例如，H+、Na+、Ca++)的液体检测、通过上述布置进行的生物分子检测以及气体监测应用。对于后者，样品容器不是必须的，但是为了获得感测中的选择性和特异性，表面功能化仍然是关键步骤。
作为传感器装置的一部分的纵向BJT的发射极、基极和集电极通过在半导体衬底上将横向延伸的掺杂层纵向堆叠而构建。BJT的基极层具有到达紧邻发射极的表面并且形成横向取向的MOSFET的漏极的纵向延伸部。沿表面继续，漏极之后接着有MOSFET的沟道区和源极区。纵向BJT的集电极区位于所述基极区之下，在此集电极区形成横向带。所述集电极的导电类型与基极和衬底的导电类型相反以形成必要的结。在横向集电极带的外部上方且与其直接接触的是相同导电类型的阱。因此所述阱与基极区相邻并且沿表面横向延伸以允许至集电极区的连接。
优选地，所述装置以这样的方式构成：它具有相对于沿着通过BJT的发射极区并且垂直于纸平面的假想竖直平面的镜像对称，从而提供两个的结合的MOSFET/BJT。
在图3中，图示了根据本发明的一个实施方案的集成传感器装置，其由与样本容器160电连接的浮置基极复合BJT-MOSFET电荷敏感装置101组成。
图3中的集成传感器装置100因此包括如图中叠加的电路原理图所示的结合的MOSFET和BJT。
从图3的底部开始，所述装置包括在本领域中公知类型的p-型硅衬底115。所述衬底115优选为(100)取向。在本发明的实施方案中，衬底115也可以是绝缘体上硅(SOI)衬底。在衬底115的一部分，纵向npn-型晶体管(即，BJT)由以下区形成：第一埋层n-型区120，其被称作为n-带，具有大约1μm的典型厚度和在1×1017到1×1019cm-3范围的典型掺杂浓度；接下来是p-区125，其形成p-阱并且具有大约1μm的典型厚度和在1×1017到1×1018cm-3范围的典型掺杂浓度；以及n+-区145，其具有在1×1019到1×1020cm-3范围的典型浓度。n+区145被p-阱125包围并且从表面延伸进入约0.2μm。
氧化物隔离部119从表面延伸进入p-阱125约0.3μm，并包围发射极区145。这里，在纵向BJT中，p-区125用作基极，n-带120作为集电极以及n+-区145作为发射极。
形成n-区130，该n-区130形成n-阱，具有大约1μm的典型厚度，与n-带纵向接触并延伸到表面。
包括栅电极156、栅极氧化物157和绝缘体158的栅极结构形成于n-区130与p-区125之间的边界处的表面的顶部上。所述栅电极156和栅极氧化物157延伸穿过由n-区130和p-区125所形成的边界。绝缘体158提供与接触金属层150的绝缘。可选地，栅极氧化物157由另一种电介质材料构成，比如所谓的“高k电介质”(例如，铪或锆的氧化物或硅酸盐)。
所述n-区130在MOSFET下在横向方向延伸，并且具有沿纵向方向朝装置的上表面延伸的部分131。n-区130的纵向部分131的表面也形成p-型MOSFET的n-型掺杂沟道区。
所述p-区125的部分126沿纵向方向从在氧化物隔离部119之下的水平朝装置的表面延伸，直到与n-区131的相应部分相邻。p-区125的所述纵向部分126形成MOSFET的漏极漂移区。
此外，提供p+-掺杂漏极区141，其与所述MOSFET的栅电极156相邻，从表面延伸并且进入其中约0.2μm，具有在1×1019到1×1020cm-3范围内的典型表面浓度。所述p+-漏极区141位于p-区125的部分内，用作到所述漏极漂移区126的部分的低电阻分路。
氧化物隔离部119将p-区125内的p+-掺杂漏极区141与n+-区145分隔开，后者是BJT的发射极，氧化物隔离部119将改善发射极-基极/漏极二极管的特性。和氧化物环相邻的p+-掺杂漏极区141的加入同样将提高基极电阻和BJT装置的性能。
被n-区130至少部分包围的是接触n+-区135，接触n+-区从表面延伸并且进入到其中约0.2μm，具有在1×1019到1×1020cm-3范围内的典型表面浓度。具有n+-掺杂接触区135的n-区130用作p-型MOSFET的体。所述n+接触区135通过氧化物隔离部区117与MOSFET的p+-掺杂源极区140分隔开，氧化物隔离部区117从表面延伸进入n-区130约0.3μm。在n-型区130内形成的所述p+-源极区从所述表面延伸并且进入其中约0.2μm，并具有在1×1019到1×1020cm-3范围内的典型表面浓度。金属层150连接至所述接触n+-区135以及p+-源极区140，从而形成结合的体/源极连接。
栅极结构可以与适合于保持例如电解液161和功能化的生物分子162的样品容器160连接。将参考电极170浸入样品容器160中的电解液中。样品容器160可以通过在其底部的金属层163、中间电介质层164(例如，Si3N4层)和一个或多个夹层的金属层165而与栅极156连接。可选择地，如果电子传感器适于检测例如气体，则样品容器和其底部金属层可以用适当的功能化表面替代。
如图3所示，n-区130、氧化物隔离部117、接触n+-区135、p+源区140、金属接触层150、栅电极156、p+漏极区141和氧化物隔离部119可以相对于穿过发射区145和p-区125并且垂直于纸平面的假想的竖直平面122进行镜像。这表示了非限制性示例，考虑功能性和制造的简易性，这种示例可能成为优选的。还应当注意的是：借助于对在以上描述中提及的掺杂层和衬底的极性进行适当地变化，所述装置可以在另一个实施方案中以n-型MOSFET和具有pnp-结构的BJT的形式构建。此外，以上给出的尺寸和浓度应被视为非限制性的示例。如本领域中已熟知的，例如，掺杂浓度可以通过不同的方式改变和优化，这样的变化对本领域技术人员来说是显而是易见的。
图4中显示了本发明的另一实施方案。在图4中，附图标记代表与已在图3中所示的部分相同的部分。
大致上，图3和图4分别显示的浮置基极复合BJT-MOSFET电荷敏感装置101和201的结构除了下述重要例外之外是相似的：在图4中，将在p-区125中的MOSFET漏极与作为BJT发射极的n+-区145分隔开的氧化物隔离部219与栅电极156部分重叠255。类似地观察到：p-区125的部分126沿纵向方向朝装置的上表面延伸，并与n-区131的相应部分相邻。n-区130的纵向部分131形成p-型MOSFET的n-型掺杂沟道区，而p-区125的纵向部分126形成MOSFET的漏极漂移区。氧化物隔离部区219从表面延伸进入p-区125约0.3μm。将作为低电阻分路的p+-掺杂漏极区141省略。这允许更高的堆积密度，但导致基极电阻的轻微增加。
图5中显示了本发明的另一实施方案。在图5中，附图标记代表与已在图3和图4中显示的部分相同的部分。
图5中浮置基极复合BJT-MOSFET电荷敏感装置301的结构显示出一些相对于图3、图4的重要区别：没有将MOSFET的漏极漂移区126与用作BJT的发射极的n+-区145分隔开的氧化物隔离部区。这导致了允许密堆积结构的简单拓扑设计。
参见图7，从n-带层120朝发射极n+-区145延伸并且与n-带层120电连接的第二n-区127的可选增加允许对掺杂剂分布进行调整和对BJT进行器件优化。形成集电极基座(collectorpedestal)的第二n-区127位于作为BJT的基极的p-区125之下，并因此决定了基极宽度。
现在参考图6(其分别是图3、4和5中的装置的等效电路)，可以看出，除了所述外部参考栅电极外，还有三个端子。参照图3、4和5中的附图标记，图6中可以看到p-型MOSFET401使其p+-源极140和n+-层135通过金属层150而结合在一起，并且看到它们通过n-区130而在内部连接至纵向npn-BJT402的集电极120。类似地，MOSFET的漏极漂移区和纵向BJT基极区为固有地连接，因为它们是同一的p-型区125的一部分。
MOSFET装置401因此呈现为与纵向npn-BJT402的基极串联，纵向npn-BJT402的n-型发射区145在半导体表面处。
同样地观察到，纵向(寄生)pnp-晶体管403由作为发射极的p-型区125、作为基极的n-带120以及用作全局集电极(globalcollector)的p-型衬底115形成。为了减少所述寄生晶体管的电流增益以避免闩锁，将高掺杂水平和大的层厚度用于实现n-带。
在这种结构中，由MOSFET401所产生的沟道电流也是在BJT402内的基极电流。栅极上的信号因此可以通过沟道电流在BJT402内放大，并因此以在集电极端子的强集电极电流响应的形式从传感器中显现。通过为获得最佳的敏感度和线性而在亚阈值状态下操作p-型MOSFET401，浮置栅极的表面电势的变化(如由例如样品容器160的底部的带电分子引起的变化)将会导致放大的集电极电流的相应变化。MOSFET的操作点是通过在参考电极和图6中的MOSFET的源极端子之间偏压的施加而设定的。由于本发明的装置熔合了MOSFET和BJT，在信号已经到达第一放大阶段之前，进入信号路径的噪声被排除在外。
在同一衬底115上的多个上述浮置基极复合BJT-MOSFET电荷敏感装置101、201和301可以并联连接，每个装置包括直接合并到BJT的ISFET以及经由多个接触/通孔和金属层165连接至与电解液161接触的电极163的浮置栅极156，从而提高敏感度。
同样地，在同一的衬底115上的多个所述集成传感器装置101、201和301上可以经由以阵列配置的多个接触/通孔和金属层165与每个浮置栅极连接，其中每个浮置栅极连接至与电解液161接触的独立电极163，从而连续监测每个独立的集成传感器装置的集电极电流。
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Claims (20)
1.一种集成传感器装置，其包括设置在半导体衬底中的横向金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和双极结型晶体管(BJT)，其中，MOSFET与纵向BJT的基极串联连接；
并且其中，将MOSFET设置为连接在半导衬底表面处，而BJT的发射极位于半导体衬底表面处；
所述MOSFET的漏极漂移区是在半导体衬底内的所述BJT的基极区的一部分，由此所述漏极漂移区与BJT的基极电接触；以及
MOSFET的漏极漂移区到BJT的发射极的距离超过在所述发射极与作为集电极的任何埋层之间的纵向距离。
2.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，所述装置的击穿电压由纵向BJT的BVCEO来确定。
3.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，所述MOSFET的栅电极(156)伸展越过n-区(130)与p-区(125)之间的界面。
4.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，操作中的所述MOSFET偏置在亚阈值区，而所述BJT偏置在放大区。
5.根据权利要求1所述的集成传感器装置，进一步包括离子敏感电极(163)，所述离子敏感电极通过多个接触/通孔和金属层(165)电连接到浮置栅电极(156)，所述离子感测电极的表面与参考栅电极(170)所附接至的含离子溶液(160)接触，其中，为了外部装置连接和信号提取的目的，将电极设置为与第三区(130)、作为BJT的发射极的第四区(145)、作为MOSFET的源极的第五区(140)和第六区(135)欧姆接触，所述第三区(130)与作为BJT的集电极的埋层(120)接触，所述第六区(135)提供到第三区(130)的欧姆接触。
6.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，对所述集成传感器装置相对于通过发射极/基极的假想竖直平面(122)进行镜像，由此使MOSFET/BJT的布置增加一倍。
7.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，在同一衬底上的多个所述结构并联电连接，以提高敏感度。
8.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，在同一衬底上的多个所述结构单独地或成组地电连接，每个结构允许独立的感测操作。
9.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，所述离子感测电极(163)由金属组成，所述金属包括Au、Pt、Pd和Al。
10.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，所述离子感测电极(163)的表面由氧化钽、氧化铝、氧化硅、氧化铪、氧化锆或氮化硅覆盖。
11.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，所述MOSFET是p-型，而所述BJT是npn-型。
12.根据权利要求1所述的集成传感器装置，其中，MOSFET的漏极漂移区(126)是高增益浮置基极双极结型晶体管(BJT)的基区(125)的一部分，所述装置包括：
-第一掺杂类型的半导体衬底(115)；
-第二掺杂类型的第一区(120)，其用作用于在所述衬底(115)内的装置的埋层，且位于衬底的表面之下，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-第一掺杂类型的第二区(125)，其作为BJT的基极和MOSFET的漏极漂移区(126)，并且从衬底表面延伸且垂直地延伸进入所述衬底一段距离，以与所述衬底(115)中的第二掺杂类型的埋层(120)接触并且与所述衬底(115)中的第二掺杂类型的埋层(120)形成半导体结，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-第二掺杂类型的第三区(130)，其围绕且包覆所述第一掺杂类型的第二区(125)，并且从衬底表面垂直延伸进入所述衬底一段距离，以与第二掺杂类型的埋层(120)电接触；且在表面为所述第三区提供至少一个欧姆接触，当在所述衬底的平面中观察时，所述第三区构成直角多边形；
-在所述第二区(125)和第三区(130)的所述衬底表面上并且越过所述区的电介质膜(157)，在所述电介质膜(157)上形成至少一个矩形导电带形式的栅电极156，所述导电带伸展越过在所述第二区(125)和第三区(130)之间的界面，并且延伸进入所述第二区和第三区的一部分；在衬底平面中，所述栅电极带(156)沿着在所述第二区(125)和第三区(130)之间的界面延伸；
-至少一个第四区(145)，其以第二导电类型的直角多边形形式从表面延伸并进入所述第二区(125)，并且在所述第二区(125)内作为BJT的发射极，所述第四区(145)在与第二区(125)和第三区(130)之间的界面平行的水平面中；
-所述第一导电类型的第五区(140)，其从相邻于矩形栅电极带(156)且与矩形栅电极带(156)略微重叠的所述第三区(130)的表面延伸并且进入所述第三区(130)，作为MOSFET的源极，第一导电类型的所述区在位于远离所述第二区(125)和第三区(130)的交接处的一侧的衬底平面中；所述第一导电类型的所述区与所述矩形栅电极带(156)并列布置，并且略受到所述矩形栅电极带(156)覆盖，当在衬底的平面中观察时，所述区构成直角多边形；
-所述第二导电类型的第六区(135)，其从表面延伸且进入所述第二导电类型的第三区(130)，并且提供到所述第三区(130)的欧姆接触，第二导电类型的所述区在位于远离所述栅电极带(156)和第一导电类型的第二区(125)的衬底的平面内；
-所述第一导电类型的第七区(126)，其延伸进入所述第二区(125)的部段，从而提供作为MOSFET的漏极漂移区的低电阻率区，所述第七区在所述第二区(125)中与所述矩形栅电极带(156)相邻并且与所述矩形栅电极带重叠，所述第七区在与所述矩形栅电极带(156)并列布置且略微由所述矩形栅电极带覆盖的衬底的平面内，其中所述区同时作为MOSFET的漏极漂移区和BJT的基极，从而为基极电流提供低电阻供应路径。
13.根据权利要求12所述的集成传感器装置，其中，所述第一掺杂类型的第八区(141)在所述第二区(125)中以一定距离形成于表面之下，作为MOSFET的漏极漂移区(126)的部分中的低电阻分路，所述第八区与所述矩形栅电极带(156)以及在所述第二区(125)内的所述氧化物隔离部(119)相邻，所述第八区在与所述栅电极(156)和所述氧化物隔离部(119)并列布置的衬底的平面内。
14.根据权利要求12所述的集成传感器装置，其中，所述第二类型的第八掺杂区(127)在所述第二区(125)内以一定距离形成于表面之下，并与所述第二类型的所述埋层(120)电连接，并且与所述第二区(125)形成半导体结，所述第八区形成集电极基座(127)且与所述第四发射极区(145)纵向分隔开。
15.根据权利要求12所述的集成传感器装置，其中，所述第二导电类型(127)的所述第八掺杂区通过掺杂剂的高能量离子注入获得。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的集成传感器装置，其中，MOSFET的封闭的栅电极结构(156)围绕包含发射极的第一导电类型的第二区(125)而形成。
17.根据权利要求16所述的集成传感器装置，其中，MOSFET的封闭的栅电极结构(156)设置有至少一个栅极接头。
18.根据权利要求12-15中任一项所述的集成传感器装置，其中，作为发射极的第二导电类型的所述第四区(145)由从衬底表面延伸且垂直进入第一导电类型的第二区(125)一段距离的凹入的电介质层(119)在各面围绕。
19.根据权利要求12所述的集成传感器装置，其中，构成掩埋区的第二导电类型的所述第一区(120)通过高能离子注入来形成，并垂直地位于衬底表面以下0.5-1.0μm，以及更深处。
20.一种MOSFET，其如权利要求1所述而将其漏极共有地连接至纵向BJT的非本征基极，其中，所述MOSFET是n-型，而所述BJT是pnp-型。
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