CN111307913A - 一种无参比电极半导体离子传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体离子传感器技术领域，具体为一种无参比电极半导体离子传感器及其制备方法。本发明传感器是对现有无参比电极半导体离子传感器的改进，具体是对覆盖在一对叉指电极上的敏感膜进行改进：其中一个叉指电极上的敏感膜为高敏感度敏感膜，另一个叉指电极上的敏感膜为低敏感度敏感膜，形成一对对待测物的离子活度灵敏度不同的敏感膜；这样一对敏感膜对待测离子形成不同的响应，实现对待测离子的精准检测；低敏感度敏感膜通过对高敏感度敏感膜注入对待测物离子活度灵敏度较低的材料而得到。本发明方法简单易得，可应用价值。

Description

一种无参比电极半导体离子传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体离子传感器技术领域，具体涉及一种半导体离子传感器及其制备方法。
背景技术
这里的无参比电极半导体离子传感器，其结构详见专利“用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法”（申请号：201510657858.X；授权公告号：CN 105301079 B）。在该传感器中，与完整的MOSFET相连的衬底表面沉积有一对叉指电极，在该叉指电极上覆盖有一层对待测物离子敏感度较高的簿膜，称为高敏感度敏感膜，其材料为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5等材料。目前，无参比电极离子传感器中敏感膜的制备工艺主要为通过ALD工艺在衬底上制备高敏感度敏感膜，再在高敏感度敏感膜上沉积Au、高纯度石墨烯等低敏感度敏感膜，用以形成一对差分敏感膜来维持电势差。由于低敏感度敏感膜材料难得，成本较高，且制备工艺较为复杂，大大地限制了其大规模应用。并且，ALD工艺制备的低敏感度敏感膜与底部高敏感度敏感膜之间的接触不够紧密，在后续的测试过程中极易脱落，会导致器件与溶液之间不能做好钝化隔离导致溶液渗碳、器件失效等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测离子精准度高的无参比电极半导体离子传感器及其制备方法。
本发明提供的半导体离子传感器，是对上述专利中的无参比电极半导体离子传感器改进，具体来说，是对覆盖在一对叉指电极上的敏感膜进行改进，即其中一个叉指电极上的敏感膜为高敏感度敏感膜，另一个叉指电极上的敏感膜，对待测物离子活度灵敏度较小，称为低敏感度敏感膜，从而形成一对对待测物的离子活度灵敏度不同的敏感膜（即一个高敏感度敏感膜，一个低敏感度敏感膜）。这样一对敏感膜可以对待测离子形成不同的响应，与MOSFET一起构成的传感器，可以实现对待测离子的精准检测。
本发明中，所述的两个敏感膜，对待测物的离子活度的灵敏度相差较大，要求至少相差10mV/dec。
本发明中，所述的高敏感度敏感膜的材料为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5等材料。
本发明中，所述低敏感度敏感膜，可以通过对所述对高敏感度敏感膜实施离子注入进行改性而得到，其离子注入的材料可为金离子或碳离子等对待测物离子活度灵敏度较低的材料。
本发明直接在高敏感度敏感膜上形成低敏感度敏感膜，方法简单，且低敏感度敏感膜与高敏感度敏感膜接触更紧密，与集成电路工艺兼容来实现无参比电极，具有较广泛的应用价值。
附图说明
图1为可集成无参比电极半导体离子传感器结构。
图2为 一种可与MOSFET集成的差分敏感膜制备工艺流程图示。
图3为另一种可与MOSFET集成的差分敏感膜制备工艺流程图示。
图4为一种分离式无参比电极半导体离子传感器结构俯视图。
图5为一种分离式无参比电极半导体离子传感器结构示意图。
图中标号：1为栅极绝缘层，2为栅电极，3为衬底，4为第一离子敏感膜（A），5为第二离子敏感膜，6为金属电极，7为外延栅，8为第一离子敏感膜（B）。
具体实施方式
所述的一对对待测物离子活度灵敏度不同的差分敏感膜，对敏感膜表面进行离子注入之前，覆盖于叉指电极上的一对高敏感度敏感膜可以是不同材料制备的，高敏感度敏感膜可以为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5等对待测溶液的离子活度灵敏度较高的材料。
两个叉指电极上的高敏感度敏感膜的材料可以相同，也可以不同。
两个叉指电极上的高敏感度敏感膜的材料相同时，所述无参比电极半导体离子传感器的制备方法，具体步骤为：
（1）在完整的MOSFET外延绝缘衬底上形成一对叉指电极；
（2）在一对叉指电极的衬底上淀积一层高敏感度敏感膜，高敏感度敏感膜材料为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5的一种；
（3）在一对高敏感度敏感膜中的任意一个上，离子注入1x1015ion/cm2~1x1018ion/cm2的碳离子，使其发生表面改性，在表面形成一层低敏感度的敏感膜。
离子注入的材料也可以为金离子等其他对待测物离子活度灵敏度较低的材料。
两个叉指电极上的高敏感度敏感膜的材料不同时，所述无参比电极半导体离子传感器的制备方法，具体步骤为：
（1）在完整的MOSFET外延绝缘衬底上形成一对叉指电极；
（2）在两个叉指电极上分别淀积一层不同材料的高敏感度敏感膜，高敏感度敏感膜为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5的一种；
（3）在一对高敏感度敏感膜中的任意一个上，离子注入1x1015ion/cm2~1x1018ion/cm2的碳离子，使其发生表面改性，在表面形成一层低敏感度的敏感膜。
离子注入的材料也可以为金离子等其他对待测物离子活度灵敏度较低的材料。
本发明中，采用的离子注入改性高敏感度敏感膜制备低敏感度敏感膜的方法，可以通过常规的集成电路工艺来制备所述的无参比电极半导体离子传感器，包括在一个完整的MOSFET外延绝缘衬底上，形成一对被不同敏感膜材料覆盖包裹的叉指电极，叉指电极的一端与MOSFET的外延栅通过铜或铝等金属互联。制备得到的高敏感度敏感膜与低敏感度敏感膜之间接触足够紧密，在后续的测试过程中不会轻易脱落，器件与溶液之间拥有良好的钝化隔离。形成一种将MOSFET与差分敏感膜集成在一起的新型无参比电极半导体离子传感器。

Claims (5)

1.一种无参比电极半导体离子传感器，其特征在于，是对现有无参比电极半导体离子传感器改进，具体是对覆盖在一对叉指电极上的敏感膜进行改进，即其中一个叉指电极上的敏感膜为高敏感度敏感膜，另一个叉指电极上的敏感膜为低敏感度敏感膜，从而形成一对对待测物的离子活度灵敏度不同的敏感膜；这样一对敏感膜对待测离子形成不同的响应，实现对待测离子的精准检测。
2.根据权利要求1所述的无参比电极半导体离子传感器，其特征在于，所述两个叉指电极上敏感膜，对待测物的离子活度的灵敏度至少相差10mV/dec。
3.根据权利要求2所述的无参比电极半导体离子传感器，其特征在于，所述高敏感度敏感膜的材料选自氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5；
所述低敏感度敏感膜通过对高敏感度敏感膜实施离子注入进行改性而得到，其离子注入的材料为金离子或碳离子等对待测物离子活度灵敏度较低的材料。
4.一种如权利要求1-3之一所述无参比电极半导体离子传感器的制备方法，其特征在于：
两个叉指电极上的高敏感度敏感膜的材料相同时，具体步骤包括：
（1）在完整的MOSFET外延绝缘衬底上形成一对叉指电极；
（2）在一对叉指电极的衬底上淀积一层高敏感度敏感膜，高敏感度敏感膜材料为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5的一种；
（3）对一对高敏感度敏感膜中的任意一个注入1x1015ion/cm2~1x1018ion/cm2的碳离子，使其发生表面改性，在表面形成一层低敏感度的敏感膜；
两个叉指电极上的高敏感度敏感膜的材料不同时，具体步骤包括：
（1）在完整的MOSFET外延绝缘衬底上形成一对叉指电极；
（2）在两个叉指电极上分别淀积一层不同材料的高敏感度敏感膜，高敏感度敏感膜为氧化铝Al2O3、氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、五氧化二钽Ta2O5的一种；
（3）对两个高敏感度敏感膜中的任意一个注入1x1015ion/cm2~1x1018ion/cm2的碳离子，使其发生表面改性，在表面形成一层低敏感度的敏感膜。
5.根据权利要求4所述无参比电极半导体离子传感器的制备方法，其特征在于，离子注入的材料为金离子或其他对待测物离子活度灵敏度较低的材料。
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