CN107505376B - 一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件及其制造方法。制造该器件首先在绝缘层上半导体衬底的半导体层表面沉积前栅氧化层和栅层，通过刻蚀前栅氧化层和栅层形成栅极结构；其次在栅极结构两侧的绝缘层上半导体衬底的半导体层中摻杂形成源漏结构，栅极结构和源漏结构共同构成场效应晶体管结构；进一步地，在绝缘层上硅衬底的背面进行光刻，并刻蚀支撑衬底和埋氧化层，直至半导体层的下表面，并且在刻蚀后的半导体层的下表面沉积背栅氧化层，完成pH值传感器件的制备。本发明利用待测溶液与场效应晶体管背栅的接触，在背栅表面形成双电层结构，通过不同pH值溶液中背栅表面双电层的Zeta电势的变化，改变场效应晶体管的阈值电压，进一步导致传感器件在固定偏置电压下的电阻变化，实现溶液pH值的测试。

Description

一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件及其制造方法
技术领域
本发明属于传感器领域，涉及一种高性能pH值传感器件的结构及其制造方法。
背景技术
pH值是评价水体化学状态的重要指标，在反映水体中的污染物浓度、微生物活动和人体各项体征指标等方面都具有很高的参考价值。因此，pH值检测在化工、水产、水质监测、环境治理以及医疗卫生等多个领域均发挥重要作用。在pH值检测设备中，最关键的部分是pH值传感器，对于pH值传感器一般有以下要求：1，检测精度高，对pH值变化敏感，能够精确获得待测溶液的pH值；2，检测速度快，能够对水体的pH值进行实时检测，例如在生活用水等pH值不稳定的情况，对pH传感器件的检测速度有较高要求；3，传感器件的体积小，能够适应多种测试环境。
目前的pH值传感器一般利用双电极原理，通过对比玻璃电极和参比电极间的电势差实现pH值的测试。但是这一传感器具有以下缺点：1，体积大，尺寸一般在毫米量级，难以对小体量待测溶液的pH值进行测试；2，检测速度慢，难以对变化的pH值进行实时监控；3，灵敏度不高，该传感器以电压为输出信号，pH值每变化1，传感器输出电压变化几十至一百毫伏。因此，需要研发新型pH传感器件，克服当前传统的双电极型pH值传感器的缺点。
采用场效应晶体管(MOSFET)结构作为pH值传感器，通过MOSFET器件在不同pH值溶液中的阈值电压变化探测pH值，是突破传统的双电极型pH值传感器性能瓶颈的可行方案之一，具有一系列优点。首先，MOSFET结构的pH值传感器对pH变化产生的电势差信号具有放大作用，pH值每变化1，传感器件的电阻变化1～2个数量级，因此具有很高的灵敏度。其次，由于MOSFET结构的阈值电压随电势差实时变化，因此响应速度很快，能够实现对pH值的实时检测。此外，基于MOSFET结构的pH值传感器能够通过晶圆工艺制造，很容易与外围的电学器件集成，形成片上系统，有利于传感系统的小型化。综上所述，MOSFET结构的pH值传感器具有很好的应用前景。目前，基于MOSFET器件结构的pH值传感器通过悬浮栅极结构，使待测溶液填充值悬浮栅极和栅氧化层之间，从而改变器件的阈值电压。但是这一传感器结构中，悬浮栅极和栅氧化层间的距离必须极小(纳米量级)，否则悬浮栅极将失去对器件的电学调控能力。这造成了器件工艺上极大的难度。另一方面，由于待测溶液一般具有导电性，因此当待测溶液填充至悬浮栅极和栅氧化层之间时，很容易造成器件的短路。因此，开发一种电学系统与待测溶液分离的MOSFET结构pH值传感器非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有pH值传感器的不足，提供一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件及其制造方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，包括绝缘层上半导体衬底，绝缘层上半导体衬底的半导体层上表面设置前栅氧化层和栅层，构成栅极结构；绝缘层上半导体衬底的半导体层中摻杂形成源漏结构；绝缘层上半导体衬底的背面开有凹槽直到半导体层的下表面，凹槽的槽底设有背栅氧化层。
进一步地，所述绝缘层上半导体衬底的半导体层的材料包含但不限于硅、锗、InGaAs、MoS2。
进一步地，所述前栅氧化层的材料包含但不限于氧化硅、氧化铝、氧化铪。
进一步地，所述背栅氧化层的材料包含但不限于氧化硅、氧化铝、氧化铪。
进一步地，所述背栅氧化层的厚度为1纳米至10纳米。
进一步地，所述栅层的材料选自金属、半导体。
进一步地，所述凹槽的范围大于栅极结构的范围。
进一步地，该pH值传感器件利用栅极结构和源漏结构构成的场效应晶体管器件阈值电压的变化对pH值进行探测。
一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器的制造方法，包括如下步骤：
(1)在绝缘层上半导体衬底的半导体层表面沉积前栅氧化层和栅层，通过刻蚀前栅氧化层和栅层形成栅极结构；
(2)在栅极结构两侧的绝缘层上半导体衬底的半导体层中摻杂形成源漏结构，栅极结构和源漏结构共同构成场效应晶体管结构；
(3)在绝缘层上硅衬底的背面进行光刻，并刻蚀支撑衬底和埋氧化层，直至半导体层的下表面；
(4)在刻蚀后的半导体层的下表面沉积背栅氧化层，形成pH值传感器件。
进一步地，所述步骤(1)中在绝缘层上半导体衬底表面沉积前栅氧化层的方法为热氧化、原子层沉积或溅射。
进一步地，所述步骤(1)中沉积栅层的方法为原子层沉积、蒸镀或溅射。
进一步地，所述步骤(1)中刻蚀前栅氧化层和栅层的方法为反应等离子刻蚀。
进一步地，所述步骤(2)中掺杂形成源漏结构的方法为热扩散或离子注入；如绝缘层上半导体衬底为p型，则掺杂n型杂质，如绝缘层上半导体衬底为n型，则掺杂p型杂质；
进一步地，所述步骤(3)中刻蚀支撑衬底和埋氧化层的方法为反应等离子刻蚀或湿法刻蚀。
进一步地，所述步骤(4)中在半导体层的下表面沉积背栅氧化层的方法为原子层沉积或溅射。
本发明的有益效果是：本发明利用待测溶液与场效应晶体管背栅的接触，在背栅表面形成双电层结构，通过不同pH值溶液中背栅表面双电层的Zeta电势的变化，改变场效应晶体管的阈值电压，进一步导致传感器件在固定偏置电压下的电阻变化，实现溶液pH值的测试。本发明传感器具有响应速度快、灵敏度高、小型化等优势，在化工、水产、水质监测、环境治理及医疗卫生等多个领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1(a)为在绝缘层上半导体衬底上生长前栅氧化层示意图；
图1(b)为在前栅氧化层上生长栅层示意图；
图2(a)为刻蚀场效应晶体管的栅极图形示意图；
图2(b)为制备源极/漏极区域示意图；
图3(a)为刻蚀绝缘层上半导体衬底的支撑衬底示意图；
图3(b)为刻蚀绝缘层上半导体衬底的埋氧化层示意图；
图4(a)为在场效应晶体管沟道下表面沉积背栅氧化层示意图；
图4(b)为该传感器件检测溶液pH值时的状态示意图；
图5为该传感器件检测溶液pH值的工作原理示意图；
图6为该传感器件检测不同pH值的溶液时，电学输出特性举例；
图中，支撑衬底10、埋氧化层11、半导体层12、前栅氧化层13、栅层14、硅源漏20、背栅氧化层40、待测溶液41。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，包括绝缘层上半导体衬底，绝缘层上半导体衬底的半导体层12上表面设置前栅氧化层13和栅层14，构成栅极结构；绝缘层上半导体衬底的半导体层12中摻杂形成源漏结构；绝缘层上半导体衬底的背面开有凹槽直到半导体层12的下表面，凹槽的槽底设有背栅氧化层40。
进一步地，所述绝缘层上半导体衬底的半导体层12的材料包含但不限于硅、锗、InGaAs、MoS2。
进一步地，所述前栅氧化层13的材料包含但不限于氧化硅、氧化铝、氧化铪。
进一步地，所述背栅氧化层40的材料包含但不限于氧化硅、氧化铝、氧化铪。
进一步地，所述背栅氧化层40的厚度为1纳米至10纳米。
进一步地，所述栅层14的材料选自金属、半导体。
进一步地，所述凹槽的范围大于栅极结构的范围。
进一步地，该pH值传感器件利用栅极结构和源漏结构构成的场效应晶体管器件阈值电压的变化对pH值进行探测。
一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器的制造方法，包括如下步骤：
(1)在绝缘层上半导体衬底的半导体层12表面沉积前栅氧化层13和栅层14，通过刻蚀前栅氧化层13和栅层14形成栅极结构；
(2)在栅极结构两侧的绝缘层上半导体衬底的半导体层12中摻杂形成源漏结构，栅极结构和源漏结构共同构成场效应晶体管结构；
(3)在绝缘层上硅衬底的背面进行光刻，并刻蚀支撑衬底10和埋氧化层11，直至半导体层12的下表面；
(4)在刻蚀后的半导体层12的下表面沉积背栅氧化层40，形成pH值传感器件。
进一步地，所述步骤(1)中在绝缘层上半导体衬底表面沉积前栅氧化层13的方法为热氧化、原子层沉积或溅射。
进一步地，所述步骤(1)中沉积栅层14的方法为原子层沉积、蒸镀或溅射。
进一步地，所述步骤(1)中刻蚀前栅氧化层13和栅层14的方法为反应等离子刻蚀。
进一步地，所述步骤(2)中掺杂形成源漏结构的方法为热扩散或离子注入；如绝缘层上半导体衬底为p型，则掺杂n型杂质，如绝缘层上半导体衬底为n型，则掺杂p型杂质；
进一步地，所述步骤(3)中刻蚀支撑衬底10和埋氧化层11的方法为反应等离子刻蚀或湿法刻蚀。
进一步地，所述步骤(4)中在半导体层12的下表面沉积背栅氧化层40的方法为原子层沉积或溅射。
实施例1：本实施例中，采用绝缘层上硅衬底，制备方法及pH值传感器件的工作原理、电学输出特性如下：
(1)如图1(a)所示，在绝缘层上硅衬底的硅层上沉积前栅氧化层13，沉积方法为热氧化、原子层沉积或溅射，厚度为1纳米至10纳米；
(2)如图1(b)所示，在前栅氧化层13上沉积栅层14，沉积方法为蒸镀或溅射，厚度为几十至几百纳米；
(3)如图2(a)所示，通过刻蚀工艺除去栅层14和前栅氧化层13直至绝缘层上硅衬底的硅层表面，形成场效应晶体管的栅极结构；
(4)如图2(b)所示，在绝缘层上硅衬底的硅层上制备硅源漏20；
(5)如图3(a)所示，从绝缘层上硅衬底的背面刻蚀支撑衬底10形成沟槽，直至埋氧化层11下表面，刻蚀方法为湿法刻蚀或反应等离子刻蚀，沟槽的范围大于栅极结构的范围；
(6)如图3(b)所示，刻蚀支撑衬底10上沟槽内部的埋氧化层11直至绝缘层上硅衬底的硅层下表面，刻蚀方法为湿法刻蚀或反应等离子刻蚀；
(7)如图4(a)所示，在支撑衬底10和埋氧化层11的沟槽内部、绝缘层上硅衬底的硅层的下表面沉积背栅氧化层40，沉积方法为原子层沉积或溅射，厚度为1纳米至10纳米，完成本发明pH值传感器件的制造；
(8)如图4(b)所示，当pH值传感器件工作时，使待测溶液41进入pH值传感器件背面的沟槽中，通过测试场效应晶体管在给定栅极偏置电压和漏极偏置电压下的电阻，计算出待测溶液的pH值；
(7)如图5所示，当待测溶液41进入pH值传感器件背面的沟槽中，待测溶液41在背栅氧化层40表面将形成双电层结构，对于不同pH值的溶液，该双电层结构的Zeta电势不同，导致场效应晶体管的阈值电压变化，因此场效应晶体管在给定栅极偏置电压和漏极偏置电压下的电阻将发生变化；
(8)如图6所示，当不同pH值(pH值分别为2，4，6)的溶液进入pH值传感器件背面的沟槽中，场效应晶体管的阈值电压发生偏移，从而可以通过场效应晶体管在给定栅极偏置电压和漏极偏置电压下的电阻的变化量计算出待测溶液的pH值。

Claims (8)

1.一种基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，包括绝缘层上半导体衬底，绝缘层上半导体衬底的半导体层上表面设置前栅氧化层和栅层，构成栅极结构；绝缘层上半导体衬底的半导体层中摻杂形成源漏结构；在绝缘层上半导体衬底的背面进行光刻，并刻蚀支撑衬底和埋氧化层，直至半导体层的下表面；绝缘层上半导体衬底的背面开有凹槽直到半导体层的下表面，所述凹槽的范围大于栅极结构的范围，凹槽的槽底设有背栅氧化层。
2.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，所述绝缘层上半导体衬底的半导体层的材料选自硅、锗、InGaAs、MoS2。
3.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，所述前栅氧化层的材料选自氧化硅、氧化铝、氧化铪。
4.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，所述背栅氧化层的材料选自氧化硅、氧化铝、氧化铪。
5.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，所述背栅氧化层的厚度为1纳米至10纳米。
6.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，所述栅层的材料选自金属、半导体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件，其特征在于，该pH值传感器件利用栅极结构和源漏结构构成的场效应晶体管器件阈值电压的变化对pH值进行探测。
8.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管结构的pH值传感器件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在绝缘层上半导体衬底的半导体层表面沉积前栅氧化层和栅层，通过刻蚀前栅氧化层和栅层形成栅极结构；
(2)在栅极结构两侧的绝缘层上半导体衬底的半导体层中摻杂形成源漏结构，栅极结构和源漏结构共同构成场效应晶体管结构；
(3)在绝缘层上硅衬底的背面进行光刻，并刻蚀支撑衬底和埋氧化层，直至半导体层的下表面；
(4)在刻蚀后的半导体层的下表面沉积背栅氧化层，形成pH值传感器件。
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