CN108767012A - 一种半导体离子敏场效应晶体管isfet的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子敏场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：第一步：设计离子敏场效应晶体管的结构；第二步：生长栅二氧化硅膜；第三步：制备ISFET敏感膜，敏感膜为Si3N4膜，采用化学气相沉积法CVD进行制备；第四步：对敏感膜进行刻蚀；第五步：制备金属电极及引线连接；第六步：对ISFET进行封装；并通过高温蒸气对其进行消毒。本发明所制备的ISFET的响应快，灵敏度高，稳定性好，体积小，成本低，重量轻，适于批量生产及制造，在产业上广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工业界集成电路的后工艺操作，特别涉及一种半导体离子敏场效应晶体管ISFET的制备方法。
背景技术
近20年来，基于半导体离子敏场效应晶体管(ISFET)的生化传感器研究越来越引起人们的关注，目前利用ISFET能够实现对pH、金属离子、血糖、基因和蛋白质等的检测。ISFET，利用表面处理技术使其敏感膜能够吸附特定的离子或分子，这些带电的离子或分子会改变ISFET的沟道电导率，通过外电路监测ISFET沟道电导率的变化便可以间接获知试液中离子或分子的浓度。ISFET具有体积小、响应快、输出阻抗低、易于集成、应用方便等特点，在仪器仪表、生产自动化、军工航天等许多领域有着广泛的应用。将ISFET以及生物敏感膜、酶技术相结合，可制成“生物芯片”。
现有的ISFET存在稳定性差、容易受环境影响，盐类杂质或气体进入电解液都可能使其稳定性降低。ISFET的制备工艺复杂，噪声相对较大，线性度差，但芯片绝缘层厚度不利于界面电势对沟道进行有效调制，很难保证可靠性和一致性。此外，由于ISFET的工作环境在导电溶液中，而这也会影响到ISFET稳定性和使用寿命。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种单功能离子敏场效应晶体管ISFET及其制备方法，本发明所制备的ISFET的响应快，灵敏度高，稳定性好，体积小，成本低，重量轻，适于批量生产及制造，在产业上广泛应用。
本发明提供了一种离子敏场效应晶体管的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
第一步：设计离子敏场效应晶体管的结构；
第二步：生长栅二氧化硅膜；将上述设计好的ISFET依次进行抛光清洗，氧化光刻，使分别扩散P+区和漏源n+区，去除源、漏之间敏感区上的SiO2，随后生长栅二氧化硅膜；
第三步：制备ISFET敏感膜，敏感膜为Si3N4膜，采用化学气相沉积法CVD进行制备，反应气体为SiH4与N2H2+NH3的混合气体；
第四步：对敏感膜进行刻蚀；采用等离子体刻蚀对已生长的敏感膜进行刻蚀，向射频发生器中通入C7F14，并将生成的SiF4抽出；
第五步：制备金属电极及引线连接；将形成的电极接触孔进行真空蒸发铝、光刻、划片及连接引线；
第六步：对ISFET进行封装；采用水凝胶对ISFET的栅区进行覆盖，将上述制备的ISFET置于尼龙管内，采用硅酮树脂对ISFET进行固定，并通过高温蒸气对其进行消毒。
进一步地，生长栅二氧化硅膜时，采用Ar及N2的混合气体，通入到三氯乙烯中进行鼓泡；混合体的流量为80～100ml/min，氧气流量为1200～1400ml/min，三氯乙烯反应温度为0～5℃。
进一步地，在化学气相沉积法制备时，气化后的N2H2+NH3的混合气体中NH3的体积分数为70～80％，N2H2的体积分数为20～30％；反应时的负载气体为N2。
进一步地，在化学气相沉积法制备时，可补充通入CO2气体，可形成SiOxNy层，所述SiOxNy层在Si3N4层及SiO2层之间形成过渡层。
进一步地，化学气相沉积法反应条件为：炉温为850～900℃，N2流量为12～15l/min，SiH4流量为120～150ml/min，N2H2流量为200～300ml/min，NH3流量为800～900ml/min。
进一步地，在上述第四步中，射频发生器频率为12～13MHz，工作电压为1500～1800V，输出功率为300～400W，真空度为0.1～0.3torr。
进一步地，在上述第四步反应过程中，可通入氧化，氧气与C7F14与反应，同时也与反应所产生的碳进行反应。
进一步地，ISFET原始基片为P型硅单晶，电阻率为15～18Ω/cm，沟道长度为16～24μm，沟道宽度为600～800μm，在漏、源区外部增设有P+保护环，沟道的宽长比范围为60～70。
本发明与现有技术相比可实现以下有益效果：
本发明所制备的ISFET的响应快，输入阻抗高，输出阻抗低，兼有阻抗变换和信号放大的功能，可避免外界感应与次级电路的干扰作用。优化了设计和制备过程，可保证器件工作时源和漏电极不能被电介质溶液所短路。
ISFET灵敏度高，稳定性好，可减小环境影响可以迅速而准确地检测出人或动物体液与身器官病态有关的无机离子的微量变化，提供了可靠的数据检测依据。
采用本发明的制备方法生产的ISFET，体积小，成本低，重量轻，为全固态结构，适用于生物体内的动态监测，易于与外电路匹配，适于批量生产及制造，在产业上广泛应用。
附图说明
图1为ISFET的梳状结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明中的离子敏场效应晶体管的制备方法主要包括如下步骤：
第一步，对场效应晶体管进行设计：本发明中ISFET为N沟道耗尽结构，原始基片为(100)晶面的P型硅单晶，电阻率为15～18Ω/cm，沟道长度L为16～24μm，沟道宽度W为600～800μm。如图1所示的ISFET的结构图所示，本发明中的漏区2、源区4为长条形，可实现ISFET的小型化及便捷性。在漏、源区外部增设有P+保护环1，沟道3设置为梳状结构，沟道的宽长比范围为60～70。本发明中的沟道宽长可提高ISFET的最高工作频率fm及跨导gm。
第二步：生长栅二氧化硅膜。将上述设计好的ISFET抛光清洗后，进行氧化光刻，使得P+区和漏源n+区分别扩散，然后去除源、漏之间敏感区上的SiO2。为了取得良好质量的SiO2膜，采用三氯乙烯TCE进行氧化。由于三氯乙烯在常温下为无色的液体，并且易挥发，本实施例中采用Ar及N2的混合气体，通入到三氯乙烯中进行鼓泡。混合体的流量为80～100ml/min。在盛放三氯乙烯的容器外部套设有温度调节杯，温度调节杯装有冰水，使得三氯乙烯的温度保持在0～5℃之间。三氯乙烯的流量可通过调节混合气体的流量而控制。同时，氧气以1200～1400ml/min的流量供给至氧化炉中。
采用三氯乙烯可增强氧气在ISFET表面的扩散作用，加剧SiO2-Si界面处的反应，可提高氧化速率，降低氧化层电花及SiO2-Si的界面态密度。同时，通过调节三氯乙烯的浓度，可适量减少或氧化过程中诱生堆垛层错，降低氧化层的缺陷密度，提高氧化层的击穿电压，减少氧化层的可动电荷，提高氧化层的钝化能力。并且，该三氯乙烯的氧化装置使用安全、操作方便、流量容易控制，可在工业上得到广泛的应用。
第三步：制备ISFET敏感膜。本实施例中的采用敏感膜为Si3N4，并采用化学气相沉积法CVD进行制备。本发明使用SiH4与N2H2+NH3的混合气体进行反应而制得。其中，气化后的N2H2+NH3的混合气体中NH3的体积分数为70～80％，N2H2的体积分数为20～30％。反应时的负载气氛为N2及CO2，N2可促进反映的正向进行，并在衬底上沉积氮化硅Si3N4。在CVD反应中引入CO2，可形成SiOxNy层，其在Si3N4层及SiO2层之间形成过渡层，使得敏感膜与ISFET基板连续过渡，提高了ISFET整体的性能。反应时，炉温为850～900℃，N2流量为12～15l/min，SiH4流量为120～150ml/min，N2H2流量为200～300ml/min，NH3流量为800～900ml/min。
与常规使用SiH4与N2H2的方法相比，使用SiH4与N2H2的工艺复杂，并且大量高纯的N2H2较难获得；而单纯采用SiH4与NH3，Si3N4层厚度和质量难以控制，并且所需反应温度较高。
本实施例所制备的敏感膜可保护沟道不受溶液浸湿，同时对溶液中待测的离子有很高的敏感度，化学性能稳定。
第四步，对敏感膜进行刻蚀。采用等离子体刻蚀对已生长的敏感膜进行刻蚀，形成引线接触孔。反应时，向射频发生器中通入C7F14，射频发生器频率f为12～13MHz，使得反应室内形成等离子体，控制工作电压为1500～1800V，输出功率为300～400W，反应室内的真空度为0.1～0.3torr。Si3N4及SiO2与C7F14分解的F*进行反应，生成气体SiF4。SiF4为一种易挥发的物质，可通过机械泵被不断的抽走。在反应过程中，可通入少量的氧化，氧气可提高刻蚀速率，通过与C7F14与反应，生成可分解Si3N4及SiO2的F*；同时与反应所产生的碳进行反应，防止生成的碳粘附于管壁而使其变黄。
本方法的刻蚀精度高，可达到1～2μm，可满足小型化及集成化的要求。并且刻蚀速度快，均匀性好，线条清晰。
第五步，制备金属电极及引线连接。将上一步所形成的电极接触孔分别进行真空蒸发铝、光刻、划片及连接引线，并将设置有金属的位置使用环氧树脂覆盖。
第六步，对ISFET进行封装。由于本实施例所制备的ISFET主要用于生物及医疗检测领域，采用水凝胶对ISFET的栅区进行覆盖，水凝胶的厚度为3～5nm，将上述制备的ISFET置于尼龙管内，将ISFET的引线插入并穿过在尼龙管的管壁，采用硅酮树脂对ISFET进行固定；最后通过高温蒸气进行消毒后即可使用。
另外，也可将整个测试装置、参与电极和ISFET封装在一起，实现ISFET的复合封装。采用Ag/AgCl作为参比电极，采用RTV混合物进行覆盖，采用环氧树脂进行密封，并可对Si3N4进行醇化提高粘附性。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
第一步：设计离子敏场效应晶体管的结构；
第二步：生长栅二氧化硅膜；将上述设计好的ISFET依次进行抛光清洗，氧化光刻，使分别扩散P+区和漏源n+区，去除源、漏之间敏感区上的SiO2，随后生长栅二氧化硅膜；
第三步：制备ISFET敏感膜，敏感膜为Si3N4膜，采用化学气相沉积法CVD进行制备，反应气体为SiH4与N2H2+NH3的混合气体；
第四步：对敏感膜进行刻蚀；采用等离子体刻蚀对已生长的敏感膜进行刻蚀，向射频发生器中通入C7F14，并将生成的SiF4抽出；
第五步：制备金属电极及引线连接；将形成的电极接触孔进行真空蒸发铝、光刻、划片及连接引线；
第六步：对ISFET进行封装；采用水凝胶对ISFET的栅区进行覆盖，将上述制备的ISFET置于尼龙管内，采用硅酮树脂对ISFET进行固定，并通过高温蒸气对其进行消毒。
2.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，生长栅二氧化硅膜时，采用Ar及N2的混合气体，通入到三氯乙烯中进行鼓泡；混合体的流量为80～100ml/min，氧气流量为1200～1400ml/min，三氯乙烯反应温度为0～5℃。
3.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在化学气相沉积法制备时，气化后的N2H2+NH3的混合气体中NH3的体积分数为70～80％，N2H2的体积分数为20～30％；反应时的负载气体为N2。
4.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在化学气相沉积法制备时，可补充通入CO2气体，可形成SiOxNy层，所述SiOxNy层在Si3N4层及SiO2层之间形成过渡层。
5.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，化学气相沉积法反应条件为：炉温为850～900℃，N2流量为12～15l/min，SiH4流量为120～150ml/min，N2H2流量为200～300ml/min，NH3流量为800～900ml/min。
6.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在上述第四步中，射频发生器频率为12～13MHz，工作电压为1500～1800V，输出功率为300～400W，真空度为0.1～0.3torr。
7.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在上述第四步反应过程中，可通入氧化，氧气与C7F14与反应，同时也与反应所产生的碳进行反应。
8.根据权利要求1中所述的离子敏场效应晶体管的制备方法，其特征在于，ISFET原始基片为P型硅单晶，电阻率为15～18Ω/cm，沟道长度为16～24μm，沟道宽度为600～800μm，在漏、源区外部增设有P+保护环，沟道的宽长比范围为60～70。
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| JP2002181776A (ja) * | 2000-10-03 | 2002-06-26 | Matsushita Electric Works Ltd | 半導体イオンセンサおよびその製造方法 |
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