CN1763517A - 多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法，该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，形成于一玻璃基板上，该感测装置包括有：一离子感测部以及一信号处理显示器。该离子感测部，形成于该玻璃基板之上，该离子感测部还包括有多个离子传感器。该信号处理显示器，其形成于该玻璃基板之上，并与该离子感测部作电性连接。该信号处理显示器还具有一信号处理电路、一驱动电路以及一显示区。其中，该离子感测部以及该信号处理显示器，可使用低温多晶硅薄膜晶体管制作过程整合形成于该玻璃基板上，以形成一体成型、轻薄化、微小化以及低成本的产品，并且达到可携带与可抛弃的效果。

Description

多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法

技术领域

本发明涉及一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法，特别涉及一种利用低温多晶硅薄膜晶体管制作过程将离子感测晶体管、电路组件以及显示面板整合于一玻璃基板上的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法。

背景技术

1970年P.Bergveld首先提出离子感测晶体管(IS-FET；Ion SensitiveFET)，请参阅图1所示，该离子感测晶体管将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极(Gate)去除使二氧化硅(SiO₂)直接与溶液接触，以感测出溶液中的离子，并可计算其浓度，而达到检测的目的。

当此种感测方法结合微电子技术后，离子传感器便可微小化，并可大量生产。因此，采用离子感测晶体管取代传统较大电极可降低传感器的成本。所以投入的研究以及申请的专利相当多，以下就列举简述相关的专利案件：

(a)U.S.Pat.No.6,236,075：公开了一种利用热蒸镀(thermalevaporation)或者是射频式反应性溅射(RF reactive sputtering)的方法来形成一光屏蔽层(light shielding layer)以降低环境光源对测量的影响，以减少测量误差。

(b)U.S.Pat.No.5,319,226：公开了一种以射频式反应性溅射的方法于栅极氧化层上产生一种厚度在40至50纳米的高感度的五氧化二钽(Ta₂O₅)感测薄膜，通过该专利所公开的方式，该感测薄膜不但具有高感应度而且批量生产的良好率以及稳定性也有显著改善。

(c)U.S.Pat.No.6,617,190：公开了一种以射频式反应性溅射的方式形成对酸性水溶液(acidic aqueous solution)具有高感度的非晶形三氧化钨(a-WO₃)感测薄膜。

(d)U.S.Pat.No.6,573,741：公开一种以氢化非晶硅(hydrogenatedamorphous silicon)感测薄膜来检测离子感测晶体管的温度变化参数，以减少测量误差。

(e)U.S.Pat.No.4,180,771：公开了一种离子感测组件，该离子感测组件的探测区并不在栅极氧化层上，以避免在探测区中的待测液体污染栅极绝缘层(gate insulator)以及源/漏漏极(Source/Drain)。

(f)U.S.Pat.No.4,180,771：公开了一种以高分子材料形成的离子感测高分子膜(polymeric membrane)，该感测高分子膜为一具有离子交换区以及高于摄氏80度的玻璃态转化温度(Glass Transition temperature)的非水溶性共聚物(copolymer)。

然而，以往的离子感测晶体管都制作在硅(Si)基板上，所以最后的产品必须由包含离子感测晶体管的芯片与许多其它配件，例如：印刷电路板(PCB)、液晶显示面板(LCD)等组装而成。

所以综合上述，现有技术的发明具有下列几项缺点：

1.由于感测离子晶体管形成之后，还是需要与许多其它配件，例如：印刷电路板以及液晶显示面板才能形成可以使用的测量装置，如此不但降低批量生产的速度，而且成本也会大幅增加。

2.由于测量装置，是通过很多模块的配合而成，因此有体积大、厚度厚的缺点。

3.现有技术所公开的技术都是以硅为基板，在其上形成该离子感测组件，虽然适合批量生产，但是硅材料还是具有材料成本昂贵的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法，其结合了低温多晶硅制作过程技术、面板驱动技术以及离子感测技术来达到整合的目的。

本发明的次要目的是提供一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法，通过本发明可将离子感测装置一体成形，达到轻薄化、微小化以及降低成本的目的。

本发明的另一目的是提供一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置与制作方法，利用低温多晶硅制作过程技术，可将组件形成于玻璃基板上，达到降低成本的目的。

本发明提供一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其形成于一玻璃基板上，该感测装置其包括有：一离子感测部以及一信号处理显示器。该离子感测部，形成于该玻璃基板之上，该离子感测部还包括有多个离子传感器。该信号处理显示器，形成于该玻璃基板之上，并与该离子感测部电连接。该信号处理显示器其具有一信号处理电路、一驱动电路以及一显示区。其中，该离子感测部以及该信号处理显示器，可使用低温多晶硅薄膜晶体管制作过程整合形成于该玻璃基板上，以形成一体成型、轻薄化、微小化以及低成本的产品，并且达到可携带与可抛弃的效果。

为了达到上述目的，本发明提供一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置的制作方法，包括有下列步骤：(a)先于一该玻璃基板形成一缓冲层，接着在该缓冲层上形成一非晶硅层，(b)利用激光退火将该非晶硅层转换为一多晶硅层，(c)在该多晶硅层上形成一对源/漏极区，(d)于该多晶硅层上形成一栅极氧化膜，并在该栅极氧化膜对应该对源/漏极区上形成一接触孔，(e)在该栅极氧化膜上形成一金属层，使该金属层填满该接触孔，以形成一晶体管结构，(f)在该晶体管结构上形成一保护层，并在该保护层形成一探测区，(g)最后在该保护层上形成一感测薄膜，并且覆盖该探测区。

附图说明

图1为现有技术的离子感测组件结构示意图。

图2A为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置第一优选实施例剖面示意图。

图2B为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置第二优选实施例剖面示意图。

图3为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作方法流程图。

图4A至4I为本发明第一优选实施例的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作流程示意图。

图5为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置组合示意图。

其中，附图标记

1-现有技术离子感测组件

2-多晶硅薄膜晶体管离子感测装置

21-玻璃基板

22-缓冲氧化层

23-主动层

231-源/漏极区

232-信道区

24-栅极氧化层

241-接触孔

25-金属层

26-保护层

    261-探测区

27-感测薄膜

3-多晶硅薄膜晶体管离子感测装置

31-玻璃基板

32-缓冲氧化层

33-主动层

331-源/漏极区

332-信道区

34-栅极氧化层

341-接触孔

35-金属层

36-保护层

    361-探测区

37-感测薄膜

4-离子感测装置

41-玻璃基板

42-离子感测部

    421-离子传感器

43-信号处理显示器

    431-信号处理电路

    432-驱动电路

    433-显示区

5-离子感测装置制作方法流程

51~57-步骤

6-流程

61-玻璃基板

62-缓冲氧化物

63-多晶硅层

    63a-源极

    63b-信道区

    63c-漏极

64-栅极氧化膜

65-接触孔

66-金属层

67-保护层

    67a-探测区

68-感测薄膜

具体实施方式

请参阅图2A所示，该图为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置第一优选实施例剖面示意图。该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置2具有一玻璃基板21、一缓冲氧化层22、一主动层23、一栅极氧化层24、一金属层25、一保护层26以及一感测薄膜27。该缓冲氧化层22，形成于该玻璃基板21之上，该主动层23，形成于该缓冲氧化层22之上，且具有一对源/漏极区231，该对源/漏极区231之间存在一信道区232。该栅极氧化层24，形成于该主动层23之上，且对应该源/漏极区231的位置处设有一接触孔241。该金属层25，位于栅极氧化层24之上，且填满该接触孔241，以作为该对源/漏极区231的电极。该保护层26，形成于金属层25之上，该保护层26具有一探测区261，该探测区261形成于对应信道区232的栅极氧化层25上。该感测薄膜27，形成于保护层26之上，且覆盖该探测区261。本实施例中的信道区232上方并不含有该金属层25。

请参阅图2B所示，该图为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置第二优选实施例剖面示意图。该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置3具有一玻璃基板31、一缓冲氧化层32、一主动层33、一栅极氧化层34、一金属层35、一保护层36以及一感测薄膜37。缓冲氧化层32，形成于玻璃基板31之上，主动层33，其形成于该缓冲氧化层32之上，且具有一对源/漏极区331，该对源/漏极区331之间存在一信道区332。栅极氧化层34，形成于主动层33之上。金属层35在栅极氧化层34之上。保护层36形成于金属层35之上，保护层36还具有一探测区361，该探测区361形成于对应该信道区332的栅极氧化层35上。感测薄膜37形成于保护层36之上，且覆盖探测区361。其中，金属层35与该信道区332上方的栅极以及探测区361相连接。

在上述两实施例中，该对源/漏极区可选择N型掺杂或者是P型掺杂。所述感测薄膜可针对不同的检测对象，而以不同的材料来形成。以氢离子为例，可使用的感测薄膜包括二氧化硅(SiO₂)、氮硅化合物(SiN_x)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化钛(TiO₂)、钽氧化合物(TaO_x)等；若以葡萄糖(glucose)为例子，则可使用酶薄膜(enzyme membrane)。

所述两实施例的工作方式，将用检测葡萄糖浓度来作说明，当该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置浸入到待测液中的时候，酶薄膜会和待测液中的特定生化物质产生反应。因此在待测液中靠近该酶薄膜的离子浓度(ionconcentration)也会和待测液中的特定生化物质的量成比例关系。如此就会改变该酶薄膜的电化学势能(electrochemical potential)变化差以及该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置的导电特性。因此就可以通过测量漏区所产生的电流来得到待测液中离子集中的变化，进而得知葡萄糖的浓度。

请继续参阅图3所示，该图为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作方法流程图。该感测装置形成于一玻璃基板上，该方法包括下列步骤：

步骤51在该玻璃基板形成一缓冲层；

步骤52在该缓冲层上形成一非晶硅层，再利用激光退火将该非晶硅层转换为一多晶硅层；

步骤53在该多晶硅层上形成一对源/漏极区；

步骤54于该多晶硅层上形成一栅极氧化膜，并在该栅极氧化膜对应该对源/漏极区上形成一接触孔；

步骤55在该栅极氧化膜上形成一金属层，使该金属层填满接触孔，以形成一晶体管结构；

步骤56于该晶体管结构上形成一保护层，并于保护层形成一探测区；以及

步骤57在该保护层上形成一感测薄膜，并且覆盖该探测区。

为了更详细了解整个制作的流程，请继续参阅图4A至4I所示，该图为本发明第一优选实施例的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作流程示意图。该流程首先提供一玻璃基板61(如图4A所示)，然后在该玻璃基板61上沉积一层氧化物62(Buffer oxide)，以隔离玻璃中的可动离子(如图四B所示)。然后再利用CVD沉积非晶硅，并利用激光转变成多晶硅63(如图四C所示)。之后，利用光刻蚀刻以定义出组件所在的区域，紧接着，再利用光阻与离子布值的方法来定义出组件的源极(Source)63a与漏极(Drain)63c，所掺杂的离子可以是N-type或P-type(如图4D所示)。在主动层的制程结束之后，全面沉积上栅极氧化膜64(Gate oxide)，并在源极63a与漏极63c打开接触孔65(Contact hole)(如图4E所示)。之后，用金属层66填满接触孔65，并完成拉线(如图4F所示)。但是在组件信道63b的上方有两种制作方法，第一种是不留下任何金属，其结构如图2A所示；第二种是留下金属，其结构如图2B所示。待此金属制作过程结束之后，必须沉积一层较厚的保护层67(如图4G所示)，并在组件信道上方蚀刻出探测区67a(如图4H所示)。之后，沉积上一层感测薄膜68，以作为待测离子的吸附膜(如图4I所示)。

虽然按照本发明的制作方法可以在玻璃基板上形成离子感测晶体管，但是在传统的做法中，最终的产品必须由包含离子感测晶体管的芯片与许多其它配件(例如：印刷电路板以及显示面板等)组装才能形成完整的感测仪器。因此，在本发明中，提出一种新类型的系统化基板产品装置，其中结合了现行的低温多晶硅数组技术，使得面板中的像素组件与外围驱动电路，以及离子感测组件，都可使用低温多晶硅薄膜晶体管制作出。

为了更明确地说明上述概念，请继续参阅图5所示，该图为本发明多晶硅薄膜晶体管离子感测装置组合示意图。该多晶硅薄膜晶体管离子感测装置4形成于一玻璃基板41上，该感测装置4包括：一离子感测部42以及一信号处理显示器43。该离子感测部42形成于玻璃基板41之上，该离子感测部42还包括有多个离子传感器421，信号处理显示器43形成于玻璃基板41之上，并与该离子感测部42电连接。该离子传感器421可为本发明第一优选实施例(如图二A所示)以及第二优选实施例(如图二B所示)中所述的装置。

该信号处理显示器43还具有：一信号处理电路431、一驱动电路432以及一显示区433。信号处理电路431形成于玻璃基板41之上，并与离子感测部42作电性连接，驱动电路432形成于该玻璃基板41之上，并与信号处理电路431电连接，显示区433形成于该玻璃基板41之上，并与该驱动电路432电连接。

图5中所有的组件都处在同一片玻璃基板41上，即可使产品一体成型，因此会更有利于微小化和成本降低，并且达到可携带与可抛弃的效果。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，形成于一玻璃基板上，其特征在于，包括：

一离子感测部，形成于该玻璃基板上，所述离子感测部还包括有多个离子传感器；以及

一信号处理显示器，其形成于所述玻璃基板上，并与所述离子感测部电连接。

2.根据权利要求1所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述信号处理显示器包括：

一信号处理电路，形成于所述玻璃基板上，并与所述离子感测部电连接；

一驱动电路，形成于所述玻璃基板上，并与所述信号处理电路电连接；

以及

一显示区，形成于该玻璃基板上，并与所述驱动电路电连接。

3.根据权利要求1所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述离子感测部包括：

一缓冲层，形成于所述玻璃基板上；

一主动层，形成于所述缓冲层上，所述主动层具有一对源/漏极区，其中存在一信道区；

一栅极氧化层，形成于所述主动层上，其中对应所述源/漏极区的位置分别设有一接触孔；

一金属层，形成于所述栅极氧化层上，并填满所述接触孔，以形成一对源/漏极电极；

一保护层，形成于所述金属层上，所述保护层中还包括一探测区；以及

一感测薄膜，位于所述保护层之上，并且覆盖所述探测区。

4.根据权利要求3所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述缓冲层为一氧化层。

5.根据权利要求3所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述保护层为一低介电值材料形成。

6.根据权利要求3所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述信道区上可选择保留所述金属层也可去除所述金属层。

7.一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，形成于一玻璃基板上，且包括有：

一缓冲层，形成于所述玻璃基板上；

一主动层，形成于所述缓冲层上，所述主动层具有一对源/漏极区，其中存在一信道区；

一栅极氧化层，形成于所述主动层上，其中对应所述源/漏极区的位置分别设有一接触孔；

一金属层，形成于所述栅极氧化层上，并填满该接触孔，以形成一对源/漏极电极；

一保护层，形成于所述栅极氧化层之上，所述保护层中具有一探测区；以及

一感测薄膜，位于所述保护层之上，并且覆盖所述探测区。

8.根据权利要求9所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述缓冲层为一氧化层。

9.根据权利要求9所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述保护层为一低介电值材料形成。

10.根据权利要求9所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置，其特征在于，所述信道区上可选择保留所述金属层或，也可去除所述金属层。

11.一种多晶硅薄膜晶体管离子感测装置的制作方法，所述感测装置形成于一玻璃基板上，该方法包括下列步骤：

(a)在所述玻璃基板形成一缓冲层；

(b)在所述缓冲层上形成一非晶硅层，再利用激光退火将所述非晶硅层转换为一多晶硅层；

(c)在所述多晶硅层上形成一对源/漏极区；

(d)在所述多晶硅层上形成一栅极氧化膜，并在所述栅极氧化膜对应所述源/漏极区上形成一接触孔；

(e)在所述栅极氧化膜上形成一金属层，使所述金属层填满所述接触孔，以形成一晶体管结构；

(f)于所述晶体管结构上形成一保护层，并于所述保护层形成一探测区；以及

(g)在所述保护层上形成一感测薄膜，并且覆盖所述探测区。

12.根据权利要求15所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作方法，其特征在于，所述缓冲层为一氧化层。

13.根据权利要求15所述的多晶硅薄膜晶体管离子感测装置制作方法，其特征在于，其中所述源/漏极区间形成一信道区，所述信道区上可保留所述金属层或也可去除该金属层。

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