CN1120985C - 离子敏感场效应晶体管传感器的静电放电保护设备及方法 - Google Patents
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Abstract
描述了给用于选择测量液体中的离子的基于感离子场效应管(ISFET)的装置提供静电放电(ESD)保护的方法、设备和芯片制造技术。由传统保护元件组成的ESD保护电路和与被测液体接触且在ISFET和液体之间无直流漏电流通路的接口被集成在形成ISFET的同一块硅片上。根据本发明的一个优选实施例，一个电容结构被用作保护电路和液体样品之间的接口。
Description
一、发明领域
概括地说，本发明涉及用于(a)测量液体中的离子；(b)保护该设备使不受静电放电效应作用；及(c)制造该设备，包括在硅片上的静电放电保护电路的方法和设备。
更具体地说，本发明涉及给基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的用于选择性地测量液体中离子的装置提供静电放电(ESD)保护的方法、设备和芯片制造技术。
根据本发明的一个方向，由传统保护元件制作的ESD保持电路被集成在其上形成有ISFET的同一硅片上，并且有一个新的接口。根据本发明，该新的接口与被测液体接触，是一种对ISFET和液体间的直流漏电流不打开通路的结构。
根据本发明的一个优选实施例，使用了电容结构作为保护电路和液体取样之间的接口。
本发明的另一个方面是涉及本质上用于利用如上所指的接口装置(如电容结构)提供对ISFET传感器的ESD保护的方法，以及在一个硅片上制造该新接口的过程。
二、相关技术的描述
利用一个ISFET测量液体中的离子的方法和设备对于本领域的熟练技术人员来说是众所周知的。例如，在此结合引入作为参考以说明该技术的状况，Johnson在美国专利号4,020,830以及Connery等人在美国专利号4,851,104中建议利用该设备。该装置典型地包括一个测量电路和其中一个浸入液体中用于选择性测量离子活动的ISFET。
上述的装置有很多应用，包括用于医学和生化领域，在该领域众所周知，用不同的ISFET测量不同的离子活动，比如pH，pK和pNa。
虽然，半导体FET型结构被已知是对ESD敏感的，直到最近，很多人仍相信ISFET结构对ESD作用是很不敏感的，因为(1)ISFET不包含一个镀金属的门电极(它通常直接涉及静电损坏)，而且(2)长时间的经验说明该装置可被许多人操纵而无任何静电损坏的痕迹。然而对ISFET电极的测试说明了在一次ESD事件后仪器可能发生很大的漂移。
本领域技术人员将认识到虽然曾努力试图阐明在基于ISFET的传感器中防止ESD破坏的问题，已有的解决此问题的方法包括固有的局限性，尤其是当在一块硅片上制造传感器时。
在阐述这些局限之前，将首先举例阐明用于保护基于ISFET的传感器不受ESD事件的损害的现有技术设备的状况以与由本发明设想的这种ESD保护方法和设备相比较。
在此将证明通过使用保护电路(在一个基于ISFET的探头组件内)可以防止ESD损害(根据本发明的指导)，该保护电路在试验例中ESD事件期间允许电荷的聚集同时把电荷传输到ISFET的源极、漏极和衬底上。
该提供ESD保护的方法通过在ESD事件期间在绝缘体的任一侧上迅速平衡电荷而使跨过晶体管绝缘体结构所建立的电场最小化。
实现上述功能的ESD损害保护电路可以使用诸如连接于待测液体和晶体管源极、漏极及衬底之间的快速双向齐纳二极管。下面将参照附图详述该电路。
与待测液体的电接触可以用对电极来达到，诸如先前引入作为参考的上述美国专利号4,851,104中描述的对电极。
用于选择性测量液体中的离子和保护不受ESD事件损害的现有设备状况的另一个例子是Ligtenberg等人在美国专利号4,589,970中提出的。就其对用于一基于ISFET的传感器的ESD保护电路的描述，在此引入作为参考。
在引用的4,589,970专利中讲述的保护电路包括至少一个电极，该电极经低阻抗接触面与取样液体相联，并通过具有高压低阻抗而低压高阻抗的保护器件与ISFET耦合。
所引用的4,589,970号专利说明单向齐纳二极管、电容器、机械开关和高阈值电压MOSFET可以代替或与双向齐纳二极管并用以保护不受EST事件损害。
所引用的4,589,970号专利提出使用安装于探头单元的分立元件和/或在ISFET的硅衬底上的集成电路来形成保护电路。
至于上述指出的局限性，在ISFET的硅衬底上集成4,589,970号专利所述的保护电路(及任何类似的电路)的障碍在于很难制造提供与液体接触的可靠低阻抗的金属电极。
所引用的4,589,970号专利建议利用铝膜或多晶硅膜来形成接触面，然而，在很多通过ISFET测量的液体中，两种膜都易受化学腐蚀。
另一种办法是沉积一层由诸如金或铂的贵重金属组成的膜作接触面。遗憾的是，金或铂膜通常需要一层使用诸如钛或铬材料的中介层才能很好地附着于衬底上；因而，附加另一层薄膜可能有损于电极的化学阻抗，尤其是当贵金属膜上出现了细孔时。
当在待测液体(取样)和保护电路之间使用低阻抗金属接触面时存在的另一种顾虑是对于经过在取样液和ISFET源极、漏极及衬底之间保护电路的直流漏电流，该保护电路是一不打开的通路。
因此，希望获得方法和设备，对用于选择性地测量液体中的离子的基于ISFET的设备提供ESD保护，该方法和设备使用(a)在形成ISFET的同一块硅片上集成的传统保护元件组成的一种ESD保护电路；及(b)与被测液体接触的一个接口装置，该装置对于ISFET和液体之间的直流漏电流不是开路。
而且，希望提供制造技术，该技术使上述保护电路被集成在ISFET的硅衬底上，避免制作作为与液体接触的可靠低阻抗接触面的金属电极的困难。
而且，希望提供设备，该设备利用在很多通过ISFET测量的液体中抗化学腐蚀的接触膜，而不用借助于使用贵金属和中介层来使该膜很好地附着于衬底上。
本发明概述
因而，本发明的目的是提供方法和设备，用于测量液体中的离子，且固有地保护设备不受静电放电的影响。
更具体地，本发明的一个目的是给用于选择性测量液体中的离子的基于ISFET的装置提供静电放电保护。
本发明的另外一个目的是提供给用于选择性测量液体中的离子的基于ISFET的装置提供ESD保护的方法和设备，该方法和设备使用(a)一种由集成在形成ISFET的同一块硅片上的传统保护元件组成的ESD保护电路；(b)与被测量液体接触的并且对ISFET和液体之间的直流漏电流不打开通路的一个接口装置。
根据本发明的一个方面，提供一种用于选择性测量液体中离子的设备，包括：(a)一个测量电路，包括一个在硅衬底上形成的离子敏感场效应晶体管形式(ISFET)形式的化学离子敏感传感器；(b)一个集成在所述衬底上的静电放电(ESD)保护电路；及(c)集成于所述衬底上的电容器结构，用于提供一个所述保护电路和所述液体之间的电容器结构，其中所述电容器结构提供与所述液体的接触而在ISFET和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
根据本发明的一个实施例，其中所述电容器结构包括：(a)一个与所述保护电路电接触的电极；及(b)一个与所述电极和被测液体接触的电容器电介质。
根据本发明的一个实施例，其中所述电极是一层金属膜。
根据本发明的一个实施例，其中所述电容器电介质是所述金属膜的氧化物。
根据本发明的一个实施例，其中所述保护电路包括：(a)一个在所述电容器结构和所述ISFET源极之间的第一双向齐纳二极管；(b)一个在所述电容器结构和所述ISFET漏极之间的第二双向齐纳二极管；(c)一个在所述电容器结构和所述衬底之间的单向齐纳二极管。
根据本发明的一个方面，提供一种用于给用于测量液体中离子活动的基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的测量装置提供静电放电(ESD)保护的装置，包括：(a)一个在一块硅衬底上制造的ESD保护电路，包括：(a1)一个与所述ISFET的源极耦合的第一双向齐纳二极管；(a2)一个与所述ISFET的漏极耦合的第二双向齐纳二极管；及(a3)一个与所述衬底耦合的单向齐纳二极管；及(b)电容器结构，与所述ESD保护电路一起集成在所述衬底上，用于提供一个所述保护电路和所述液体之间的电容器结构而在ISFET和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
根据本发明的一个实施例，其中所述电容器结构串联于每个所述第一双向齐纳二极管、所述第二双向齐纳二极管和所述单向齐纳二极管。
根据本发明的一个方面，提供一种用于给用于测量待测液体取样中离子活动的基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的传感器芯片提供静电放电(ESD)保护的装置，包括：(a)装置，用把由ESD事件导致的在所述液体测试取样中聚集起的电荷传送至所述ISFET的源极、漏极和衬底；及(b)电容器结构，与所述用于传输电荷的装置一起集成在所述芯片上，用于提供一个在所述保护电路和所述液体之间的在ISFET和所述液体间不打开直流漏电流通路的电容器结构。
根据本发明的一个方面，提供一种用于给基于离子敏感场效应晶体管(ISFET)的离子选择电极提供静电放电(ESD)保护的方法，包括如下步骤：(a)在一块硅片上形成一个ISFET电路；(b)在所述形成所述ISFET的芯片上集成一个保护电路；及(c)在所述芯片上集成一个在所述保护电路和所述液体之间间的电容器结构，其中所述电容器结构提供与所述液体的接触而在ISFET和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
本发明的这些和其它的目的实施例及特点以和获得其的方法对于本领域的熟练技术人员将会显而易见，结合附图通过阅读下面的详述将会对该发明本身有最透彻地理解。
附图的简单描述
图1描述了一个解释性的保护电路，其中一个基于ISFET的探头组件允许在一次ESD事件期间在液体测试取样中聚集起电荷，同时把电荷传输至ISFET的源极、漏极和衬底上。
图2描述了一个基于ISFET的传感器的保护电路，该传感器包括具有由本发明的优选实施例设计的一类电容器结构形式的接口装置。
图3描述了由本发明的一个方面设计的一类制造于硅片上的一个示例性接口电容器的结构。
图4描述了一个怎样在硅衬底上实现将本发明设计的ISFET、保护电路和接口装置结合在一起。
详细描述
如上所述，已经知道了通过用保护电路(在一个基于ISFET的探头组件内)可以防止ESD损害，该保护电路允许在ESD事件期间在测试取样中聚集起电荷，同时把电荷传输至ISFET的源极、漏极和衬底。该方法通过在ESD事件期间迅速平衡绝缘体两边的电荷来使在晶体管绝缘体结构两边间建立起的电场最小化。
图1所解释的是一个示例性的保护电路(在一个基于ISFET的探头组件内)，该电路允许在ESD事件期间在测试取样中聚集起电荷，同时把电荷传输至ISFET的源极、漏极和衬底。
如图1所示，该示例性保护电路(类似于引用的4,589,970号专利中所描述的电路)用了与待测液体199以及ISFET150的源极151、漏极152和衬底153导体相连的快速齐纳双向二极管101-103。与待测液体199的电接触可通过使用对电极(185)来实现，如上所述，该对电极可相据以前引用供参考的美国4,851,104号专利的指导实现。
图1描述的示例性保护电路的操作可概括如下。在ESD事件发生时，有希望在测试样品199中聚集起电荷，直到达到了齐纳二极管的击穿电压。
假设一个双向齐纳管的电压值远远低于装置被损坏所需的电压值，一旦超过了该电压，在两个方向上的任何一个，电荷将在对电极185和ISFET的源极、漏极与衬底之间被传导。因为绝缘体两边的电压差被限制于齐纳管的击穿电压，就保护了绝缘体和ISFET传感器本身。
本领域的熟练技术人员将认识到重要的是经过齐纳二极管101-103的在液体接触点和源极、漏极及衬底导体之间的互联距离。因为ESD事件的持续时间是30毫微秒级，每毫微秒大约是以光速走30.48厘米的时间，对电极185和硅终点之间通路的距离必须被限于6.096厘米的量极。若超过了此大约的距离，则在对电极和硅电极之间传输电荷以把绝缘体的电场电压限制在200伏的时间就不够了。
该距离的要求排除了在电极外部安装齐纳管的可能性，并且有力证明了需要非常靠近硅片或在其上的功能集成。
如上所述，Ligtenberg等人的第4,589,970号美国专利(上文已引，此供参考)描述了使用类似于图1所示的电路。引述的该4,589,970号专利也阐述了能够使用单向齐纳二级管、电容器、机械开关和高阈值电压MOSFETS代替双向传感器或与其并用。
而且，如上所述，引用的4,589,970号专利也曾提出使用安装于探测头组件中的分立元件以形成保护电路和/或在ISFET的硅衬底上集成该电路。
如在本发明背景中指出的，关于把引用的4,589,970号专利所描述的保护电路(及任何类似的电路)集成在ISFET的硅衬底上的关键问题在制造提供与液体可靠低阻接触的金属电极是困难的。
引用的4,589,970号专利建议使用铝或多晶硅薄膜以形成接触面；然而，如上所指出的，两种薄膜在被ISFET测量的很多液体中易受化学腐蚀。
镀膜的另一种办法包括用作接触面的贵金属和对使用诸如钛或铬材料的中介层以使贵金属良好地粘着于衬底上的相关要求等(如上所述，还有与使用贵金属接触面相关的其它问题)，限制了使用贵金属作替换物。
替代地，根据本发明的一个方面，用一个接口装置(最好为电容器结构)来提供待测液体和由传统电路元件制成的保护电路之间的接口。
参考图2，如上所述，它描述了一个包括由本发明设想的接口装置的保护电路，该保护电路由大多数与图1描述的相同电路元件联接构成。这些电路元件包括在接口装置203(作为优选接口电容器示出，以下称作接口电容器203)源极204和漏极205之间分别示出的双向齐纳二级管201和202，另外还有示于接口电容器203和衬底207之间的单向齐纳二极管206。
在ESD事件期间，参考图1如上所述，在被测试的液体中(示于图2的299)聚集起电荷。接口电容器203把ESD脉冲耦合至齐纳管201，202，和206。当齐纳管两端的电压超过了其击穿电压时，脉冲依次被耦合至ISFET250的源极、漏极和衬底。在ISFET250的栅区两端的电场被最小化了。
使用一个电容器以提供液体和保护电路之间的接口的主要优点在于无金属电极与液体接触。
消除了选择合适的接触金属或接触合金的问题。使用电容器的另一个优点在于使有可能经保护电路存在于液体和ISFET的源极、漏极或衬底之间的直流漏电流通路被大大缩短了。
现在参见图3，其显示了一个示例性的接口电容器(电容器300)的结构，根据本发明的一个方面，该接口电容器和图2所示的其它ESD保护元件一起被集成在硅衬底340上。
根据本发明的优选实施例，电容器300的下部电极(即电板301)由一层溅射沉积的金属膜构成。图3中，所示的金属膜通过电场氧化层(层面302)和用作化学阻挡层的其它沉积膜(层面303)中开通的通路与芯片上的其它电路元件相连。通过金属膜的化学氧化或阳极氧化，可以形成用作电容器电介质的氧化膜层(304)。根据本发明的优选实施例，待测液体399与电容器电介质相接触。
现在参考图4来说明由本发明设计的ISFET的结构和保护电路是怎样在硅衬底400上被实现的。
图4描述了两个硼扩散P+区401和402，分别用作所示ISPET的源极和漏极。401和402区也用作图2所示的保护用齐纳二极管的阳极。图4中的另外两个硼扩散P+区(403和404区)用作图2中所示的双向和单向齐纳管的阳极。
齐纳管的阴极或本底由磷扩散N区405和406提供。选择N区的掺杂表面的密度和连接深度可确定齐纳管的击穿电压。ISFET的源极、漏极和衬底的接线端在衬底的后部给出。
本领域的熟练技术人员现在容易理解(参考图2-4)，根据本发明特定的一方面，用于选择性测量液体中的离子的设备包括：(a)一个测量电路，包括一个形成于硅衬底上的离子敏感场效应晶体管(ISFET)形式的化学离子敏感传感器；(b)一个集成于衬底上(也如图4中的示例所示)的静电放电(ESD)保护电路(参考图2描述的类型)；及(c)在衬底上集成的接口装置，用于提供一个保护电路和液体之间的接口，其特征在于该接口装置提供与液体的接触而在ISFET和液体之间无直流漏电流通路。
根据优选实施例，参考图3-4也能看出，本发明设计的一个制造过程，用于制造(a)一个用作被测液体及保护电路之间(诸如图3所示的液体399)接口的电容器；及(b)一个包含于一块离子敏感场效应晶体管(ISFET)芯片上(诸如图4所示的芯片)的保护电路，其中ISFET芯片被用于测量液体中的离子，且其中该芯片包括一个硅衬底(例如图3中所示的衬底340)，一个场氧化层(图3中的302)和至少一个化学阻挡层(图3中的303)，以及一个用于把该电容器连到保护电路的扩散的P+区(图3中的304)，该过程包括如下步骤：(a)在场氧化层和至少一个化学阻挡层中开一个通道；(b)在芯片上溅射沉积一层金属膜以产生一个电容器的下部电极；(c)通过该通道把该膜连至扩散的P+区；及(d)形成作为电容器电介质的金属膜的氧化物。所有上述步骤以前都已参照图3进行了描述。
上述详细描述的是达到所有上述目的的方法、设备和芯片制造技术。如前面的说明的，本领域的熟练技术人员将认识到以上提出的说明仅是为了解释和描述。并非是彻底地或限制本发明于已公开的精确的形式，显然可能根据上述指导进行修改和变化)。
在此提供的上述实施例和例证是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用从而使其它本领域的技术人员能够最好地在各种实施例中使用本发明，以及使各种修改适合于所设计的具体用途。
因此，根据上述可以理解以下所附权利要求旨在涵盖所有这样的修改和落入本发明精神范围之内的改变。
Claims (9)
1、用于选择性测量液体中离子的设备，包括：
(a)一个测量电路，包括一个在硅衬底上形成的感离子场效应管(ISFET)形式的化学离子敏感传感器；
(b)一个集成在所述衬底上的静电放电(ESD)保护电路；及
(c)集成于所述衬底上的电容器结构，用于提供一个所述保护电路和所述液体之间的电容器结构，其特征在于所述电容器结构提供与所述液体的接触而在感离子场效应管和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述电容器结构包括：
(a)一个与所述保护电路电接触的电极；及
(b)一个与所述电极和被测液体接触的电容器电介质。
3、如权利要求2所述的设备，其中所述电极是一层金属膜。
4、如权利要求2所述设备，其中所述电容器电介质是所述金属膜的氧化物。
5、如权利要求1所述的设备，其中所述保护电路包括：
(a)一个在所述电容器结构和所述感离子场效应管源极之间的第一双向齐纳二极管；
(b)一个在所述电容器结构和所述感离子场效应管漏极之间的第二双向齐纳二极管；
(c)一个在所述电容器结构和所述衬底之间的单向齐纳二极管。
6、用于给用于测量液体中离子活动的基于感离子场效应管的测量装置提供静电放电保护的装置，包括：
(a)一个在一块硅衬底上制造的静电放电保护电路，包括：
(a1)一个与所述感离子场效应管的源极耦合的第一双向齐纳二极管；
(a2)一个与所述感离子场效应管的漏极耦合的第二双向齐纳二极管；及
(a3)一个与所述衬底耦合的单向齐纳二极管；及
(b)电容器结构，与所述静电放电保护电路一起集成在所述衬底上，用于提供一个所述保护电路和所述液体之间的电容器结构而在感离子场效应管和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
7、如权利要求6所述的设备，其中所述电容器结构串联于每个所述第一双向齐纳二极管、所述第二双向齐纳二极管和所述单向齐纳二极管。
8、用于给用于测量待测液体取样中离子活动的基于感离子场效应管的传感器芯片提供静电放电保护的装置，包括：
(a)装置，用把由静电放电事件导致的在所述液体测试取样中聚集起的电荷传送至所述的感离子场效应管源极、漏极和衬底；及
(b)电容器结构，与所述用于传输电荷的装置一起集成在所述芯片上，用于提供一个在所述保护电路和所述液体之间的在感离子场效应管和所述液体间不打开直流漏电流通路的电容器结构。
9、一种用于给基于感离子场效应管的离子选择电极提供静电放电保护的方法，包括如下步骤：
(a)在一块硅片上形成一个感离子场效应管电路；
(b)在所述形成所述感离子场效应管的芯片上集成一个保护电路；及
(c)在所述芯片上集成一个在所述保护电路和所述液体之间的电容器结构，其中所述电容器结构提供与所述液体的接触而在感离子场效应管和所述液体之间不打开直流漏电流通路。
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