CN107449812A - 一种在cmos标准工艺下的生物化学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器，包括底座、离子敏感场效应晶体管、金属层、接触层、电极；离子敏感场效应晶体管设置在底座上；晶体管包括在CMOS多晶硅层形成的多晶硅沟道，多晶硅沟道两端分别连接源极和漏极，源极和漏极再通过接触层与金属层连接；多晶硅沟道的多晶硅沟道区域暴露出来接触电解质溶液；电极接触电解质溶液，为多晶硅沟道提供栅极电压。本发明的多晶硅传感器具有很高的灵敏度，采用CMOS工艺大幅提高传感器的重复性，降低了器件误差，降低生产成本。本发明的微型传感器很适合环境物联网，农业物联网，及生物检测等广泛应用。

Description

一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器
技术领域
本发明属于生物传感器领域，具体涉及一种利用CMOS标准工艺实现的纳米尺度生物化学传感器。
背景技术
生物及化学传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。生物传感器是应生命科学和信息科学的需要而发展起来，它是用生物活性材料与物理化学换能器相结合的一种生物物质敏感器件。与传统的化学传感器和离线分析(质谱和HPLC等)相比，具有制作简单、省时、选择性高、分析速度快、操作简单、成本低等特点，同时还利于计算机数据收集与处理，并能实现在线活体检测，是发展生物技术必不可少的一种先进检测与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在国民经济中的医疗保健与临床诊断、工业控制、食品检测和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。
实现纳米线传感器的物理方法采用光、电技术使材料在真空或者惰性气体中蒸发，使原子或者分子结合形成纳米线，如热蒸发、激光烧蚀法等。化学方法一般采用“自上而下”或“自下而上”的方法，即通过适当的化学反应，从分子、原子出发制备纳米材料，包括化学沉积法(CVD)、模板法、氧化物辅助法等。但上述方法在需要复杂组装，比如构装纳米线的功能网络时，所需要的复杂微电极制备起来也很困难。由于器件可靠性及可重复性的不足，这些技术方案很难实现产业化。
如图1所示，在通常的CMOS电路标准工艺中，多晶硅栅层用作CMOS晶体管的栅极，通过很薄的一层介电材料(比如二氧化硅)给其下方的硅衬底沟道提供偏置电压。源极和漏极采用与沟道相反的参杂类型，形成p-n结构实现在栅极截止时的有效电流阻断。在此标准结构中，多晶硅栅层一般都采用高参杂，同时顶上有一层硅化物作为导体降低栅极电阻，因而多晶硅层不再具有半导体特性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种在CMOS标准工艺下实现的生物化学传感器。实现生物化学传感器的高可靠性，并大幅减小误差。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器，利用CMOS标准工艺的版图设计法则实现纳米尺度传感器。包括底座、离子敏感场效应晶体管、金属层、接触层、电极；晶体管设置在底座上，包括多晶硅层上形成的多晶硅沟道，在多晶硅沟道的区域去除了硅化物的顶层；多晶硅沟道两端分别连接源极和漏极，源极和漏极再通过接触层与金属层连接；多晶硅沟道区域暴露出来连接电解质溶液，通过与溶液接触的电极为多晶硅沟道提供栅极电压。
底座包括上层和下层，上层为二氧化硅，下层为硅晶圆，晶体管设置在底座的上层。
多晶硅沟道上设有介电材料；介电材料可以为二氧化硅，氧化铝，二氧化铪，二氧化钛，氧化钽的一种或多种，也可以为其他类似的无机或有机介电材料，比如自组装单分子膜(SAMS)。
多晶硅沟道为一根或多根纳米线结构，呈直线型或非直线型，作为优选，呈蜿蜒线形或螺旋线形。多晶硅沟道为纳米尺度沟道，宽度范围是10纳米到600纳米。
源极、漏极上部设有硅化物层；金属层通过接触层与硅化物层相连。
电极可以是芯片上由CMOS标准工艺制备的金属电极、硅化物电极或外设金属丝电极；金属电极为采用CMOS工艺金属层形成的片上电极结构；硅化物电极采用CMOS多晶硅层上形成的硅化物层形成电极；外设金属丝电极为参比电极、Ag/AgCl或Pt等。
进一步地，本发明的传感器属于离子敏感场效应晶体管或纳米线场效应晶体管。
优选为，所述介电材料上设有探针，所述探针为具有选择性的生物分子比如DNA、抗体、酶、核酸适体(aptamer)、肽酶(peptide)或受体分子。
优选为，所述传感器采用CMOS标准工艺实现。
优选为，所述电极是芯片上采用CMOS工艺中的硅化物或金属层结构。
电极设计为在芯片上的多晶硅/硅化物层或者金属层直接通过CMOS工艺实现片上集成的电极结构，无需外接电极材料，可实现芯片系统的微型化。同时也可以是各种外接金属丝电级。
本发明具有以下有益效果：与现有技术相比，本发明在CMOS标准工艺下实现结型和非结型生物化学传感器。本发明的生物化学传感器具有很高的灵敏度。采用CMOS工艺大幅提高传感器重复性，降低了器件误差，降低生产成本。本发明的微型传感器很适合环境物联网，农业物联网，及生物检测等广泛应用。
附图说明
图1为现有的标准CMOS工艺下的晶体管结构图；
图2为本发明实施例的标准CMOS工艺下的结型纳米尺度生物化学传感器结构图。
图3为本发明实施例的标准CMOS工艺下的非结型纳米尺度生物化学传感器结构图。
图4为本发明实施例的标准CMOS工艺下的纳米尺度生物化学传感器芯片上制备的金属电极结构图。
图5为本发明实施例的标准CMOS工艺下的纳米尺度生物化学传感器芯片上制备的硅化物电极结构图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1：如附图2所示，一种在CMOS标准工艺下的结型纳米尺度生物化学传感器，利用CMOS标准工艺的版图设计法则实现结型纳米尺度离子敏感场效应晶体管传感器。包括底座、晶体管、金属层、接触层、电极；晶体管设置在底座上，包括多晶硅层上形成的多晶硅沟道，多晶硅沟道为低掺杂多晶硅沟道P型掺杂。源极和漏极分列在多晶硅沟道两端，为高掺杂，掺杂类型是与沟道掺杂相反的N+掺杂，形成PN结。在多晶硅沟道的区域去除了硅化物的顶层；源极和漏极处通过接触层(Contact层)及金属层形成欧姆连接，金属层的第一层为第一金属层M1层。
多晶硅沟道为一根或多根纳米线结构的纳米尺度沟道，宽度范围是10纳米到600纳米。，沟道区域呈直线型或非直线型，作为优选，呈蜿蜒线形或螺旋线形。两端的源极和漏极不暴漏，沟道区域暴露出来连接电解质溶液，通过与溶液接触的电极为多晶硅沟道提供栅极电压。
多晶硅沟道上设有介电材料；介电材料上设有生物化学探针，所述探针为具有选择性的生物分子比如DNA、抗体、酶、核酸适体(aptamer)、肽酶(peptide)或受体分子。介电材料可以为二氧化硅，氧化铝，二氧化铪，二氧化钛，氧化钽的一种或多种，也可以为其他类似的无机或有机介电材料(比如sams自组装单分子膜)。
多晶硅沟道两端的源极、漏极上部设有硅化物层，金属层通过接触层与硅化物层相连。
电极可以是芯片上由CMOS标准工艺制备的金属或硅化物电极，也可以是外设金属丝电极，包括参比电极、Ag/AgCl、Pt等。
传感器属于结型晶体管，是离子敏感场效应晶体管或纳米线场效应晶体管。
实施例2：如附图3所示，一种在CMOS标准工艺下的非结型纳米尺度生物化学传感器。与实例1唯一的不同在于源极和漏极的掺杂类型与沟道掺杂相同，不形成PN结，沟道掺杂为P，源极和漏极的掺杂为P+。即利用CMOS标准工艺的版图设计法则实现非结型纳米尺度离子敏感场效应晶体管传感器。
实施例3：如附图4所示，与实例1和2不同的电极设计为在芯片上的采用CMOS标准工艺中的金属层直接通过CMOS工艺实现片上集成的电极结构，无需外接电极材料，可实现芯片系统的微型化。在实际应用中通过连接电极可对传感器施加栅极电压。
实施例4：如附图5所示，与实例3的不同在于电极采用多晶硅/硅化物层直接通过CMOS工艺实现片上集成的电极结构，无需外接电极材料，可实现芯片系统的微型化。在实际应用中通过连接电极可对传感器施加栅极电压。图中电极采用多晶硅层上形成的硅化物层形成电极，多晶硅层设置在底座的。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。
以上实例所述的纳米尺度生物化学传感器的过程中，改变了传统的晶体管结构，但能够与CMOS标准工艺完全兼容，使得生产可以采用工业代工，提供了一种方法来实现高性能的纳米尺度生物传感器，且降低了生产成本，提高了传感器的重复性，减小器件误差，提高检测灵敏度。很适合环境物联网，农业物联网，及生物检测等广泛应用。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (9)

1.一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器，其特征在于，包括底座、离子敏感场效应晶体管、金属层、接触层、电极；
所述离子敏感场效应晶体管设置在所述底座上；
所述晶体管包括在CMOS多晶硅层形成的多晶硅沟道；
所述多晶硅沟道两端分别连接源极和漏极；
所述源极和漏极通过接触层与金属层连接；
所述多晶硅沟道区域暴露出来接触电解质溶液；
所述电极接触电解质溶液，为所述多晶硅沟道提供栅极电压。
2.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于：所述底座包括上层和下层，上层为二氧化硅，下层为硅晶圆，所述晶体管设置在所述底座的上层。
3.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于：所述多晶硅沟道上设有介电材料；所述介电材料为二氧化硅，氧化铝，二氧化铪，二氧化钛，氧化钽的一种或多种，或有机材料，如自组装单分子膜。
4.根据权利要求3所述的生物化学传感器，其特征在于：所述介电材料上设有探针，所述探针为具有选择性的生物分子DNA、抗体、酶、核酸适体、肽酶或受体分子。
5.根据权利要求1至4之一所述的生物化学传感器，其特征在于：所述多晶硅沟道为一根或多根纳米线结构，呈直线型、蜿蜒线形或螺旋线形。
6.根据权利要求5所述的生物化学传感器，其特征在于：所述多晶硅沟道为纳米尺度沟道，宽度范围是10纳米到600纳米。
7.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于：所述源极、所述漏极上部设有硅化物层；所述金属层通过所述接触层与所述硅化物层相连。
8.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于：所述电极是芯片上由CMOS标准工艺制备的金属电极、硅化物电极或外设金属丝电极；
所述金属电极为采用CMOS工艺金属层形成的片上电极结构；
所述硅化物电极采用CMOS多晶硅层上形成的硅化物层形成电极；
所述外设金属丝电极为参比电极、Ag/AgCl或Pt。
9.根据权利要求1所述的生物化学传感器，其特征在于：它是p型或n型非结型晶体管。
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