TWI400443B - 離子敏感場效電晶體及其製造方法 - Google Patents

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Description

離子敏感場效電晶體及其製造方法
本發明係有關於ISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor離子敏感場效電晶體)，特別是關於具有一敏感接觸窗口之離子敏感場效電晶體，用以檢測離子濃度或檢測經電氣極化或帶電之蛋白質、分子等標的物之濃度。
離子敏感場效電晶體之功能係以其感應閘表面之離子吸附作用為基礎--感應閘表面之離子吸附作用會誘發一亥姆霍茲(Helmholtz)電壓而調變離子敏感場效電晶體之源-汲電流，而離子敏感場效電晶體之性能主要取決於源-汲電流/電壓之靈敏度或在一固定源-汲電流下之閘極靈敏度，其中該閘極靈敏度係指在閘極地區其離子濃度變化所能誘發之亥姆霍茲電壓(其具有一理論奈恩斯特常數，在25℃下為59.16毫伏每10倍濃度變化)，而該電流/電壓靈敏度係指在輸入閘極電壓變化下，一離子敏感場效電晶體所能轉換出之源-汲電流。在離子敏感場效電晶體於生物醫學和化學感測器的應用中，閘極靈敏度和電流/電壓靈敏度之優化至關重要，其中該電流/電壓靈敏度及閘極靈敏度可受場效電晶體之材料或元件結構影響而有不同之數值。
以下為與ISFET相關的美國專利：
(1)U.S. Pat. No. 4,735,702揭露於一ISFET之氧化層上塗佈一聚合物，其中該聚合物和該氧化層之介面具有化學鍵而可形成一敏感的薄膜。
(2)U.S. Pat. No. 5,061,976揭露一方法，其係於ISFET之閘極氧化層上塗佈一碳薄膜，然後再塗佈一2,6-二甲酚電解聚合薄膜。
(3)U.S. Pat. No. 5,314,833揭露一方法，其步驟包括在一GaAs基板上沉積一矽薄膜及在該矽薄膜上摻雜砷/磷離子以製備低阻抗之閘極。
(4)U.S. Pat. No. 5,319,226揭露一Ta2 O5 感應薄膜，其係藉由一射頻濺射方法沉積於一ISFET之上，其中該ISFET包括一Ta2 O5 /Si3 N4 /SiO2 結構。
(5)U.S. Pat. No. 5,387,328揭露一方法，其係藉由將酶固定在一感應薄膜上及使用白金(鉑)作為參考電極以測量血糖濃度。該感測器具有一鉑電極，其可感測所有與酶反應會產生H2 O2 之生物物質。
(6)U.S. Pat. No. 6,531,858 B2揭露一用以量測一a-Si:H ISFET其遲滯值和漂移值的方法。
(7)U.S. Pat. No. 6,573,741 B2揭露一方法及裝置，其係用以測量一ISFET之溫度參數，其中該ISFET使用氫化非晶矽作為感應薄膜。
(8)U.S. Pat. No. 6,617,190 B2揭露一種ISFET，其具有由射頻濺射之a-WO3 之一H+ -感應膜。
(9)U.S. Pat. No. 7,387,923B2揭露一種ISFET，其使用一PbTiO3 層作為一感應膜以檢測H+ 離子，而該PbTiO3 感應膜之製造係藉由一溶膠-凝膠法。
近來，III族之氮化物，例如AlGaN、GaN及InN，被發現具有高靈敏度和可對抗化學損害之穩定表面特性。這些III族氮化物感測器連同其電子讀出方式極可能成為下一代之感測器。
在III族之氮化物中，InN具有不尋常的強大表面電子積累特性，而有實現高電流/電壓靈敏度ISFET之潛能。以InN為基之ISFET其載子係經由表面通道、本體通道及介面通道運輸。該表面通道中之載子係來自累積的表面電子，且已由各種實驗技術，如電容-電壓(C-V )測量或高解析電子-能量-損失譜(HREELS)等證實其機制。該電子累積特性係導因於其導帶深處之費米穩定能階(E FS )位於Γ-點特別低的導帶底(conduction band minimum)上方。該介面通道之載子，因介面極化電荷之能帶彎曲作用而被誘發，係由該InN磊晶層與其底下緩衝層間之極性及晶格不匹配決定其片載子密度。由於自發極化之差異，面載子密度在極性InN/AlN介面約比在較低極性InN/GaN介面高一個數量級以上。本體通道之載子在原生、非極性InN磊晶層中為n型，而在摻雜鎂之InN磊晶層中可能為p型。在該三個載子通道中，該表面通道因最接近離子吸附層而對通道電流具有強烈影響。
據此，本發明乃揭露一種新穎的ISFET，其具有摻雜鎂之InN(InN:Mg)磊晶層。
本發明之一目的在於提供一具有高電流/電壓靈敏度之ISFET。
本發明之另一目的在於提供一具有可抗化學侵蝕之強健表面之高靈敏度ISFET。
本發明之又一目的在於提供一具有簡潔結構之ISFET，其電流路徑係以一InN:Mg磊晶層實現。
為了達成上述目的，本發明提供一種離子敏感場效電晶體，其具有：一氮化鎵/藍寶石層，用以充當一基板；一a-平面、摻雜鎂之氮化銦(a-InN:Mg)磊晶層，沉積於該氮化鎵/藍寶石層之上以提供一電流路徑；一第一金屬接點，沉積於該a-InN:Mg磊晶層之上以提供一汲極接點；一第二金屬接點，沉積於該a-InN:Mg磊晶層之上以提供一源極接點；以及一圖案化絕緣層，覆蓋於該第一金屬接點、該第二金屬接點及該a-InN:Mg磊晶層之上，其中該圖案化絕緣層具有一接觸窗口以界定該a-InN:Mg磊晶層之曝露區域。
為使　貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。
請參照圖1，其繪示依本發明一較佳實施例實現之離子敏感場效電晶體之剖面圖。如圖1所示，該離子敏感場效電晶體具有一氮化鎵/藍寶石層101、一a -InN:Mg磊晶層102、金屬接點103a、103b及絕緣層104a、104b。
該氮化鎵/藍寶石層101，具有可抗化學侵蝕之穩定表面，係用作該離子敏感場效電晶體之基板。
該a -InN:Mg磊晶層102係一摻雜鎂之a-平面纖鋅礦InN層，用以在該金屬接點103a和103b之間提供一電流路徑。該a -InN:Mg磊晶層102具有一表面通道、一本體通道及一介面通道。該表面通道係一靠近該a -InN:Mg磊晶層102表面、由表面電子反轉形成之只有幾毫微米之超薄n型通道，其對閘極偏壓的變化很敏感，所以該離子敏感場效電晶體之電流路徑主要乃由該表面通道貢獻。該本體通道，屬p型，係用以在與該表面通道介接處形成一空乏區以隔離該表面通道。該介面通道，其載子為電子，係形成於該a -InN:Mg磊晶層102與該氮化鎵/藍寶石層101之間，而該n型介面通道與該p型本體通道間所形成之空乏區可進一步為該離子敏感場效電晶體提供隔離作用。該a -InN:Mg磊晶層102之厚度較佳為但不限於1.2μm以提供一隔離完善之表面通道。
該金屬接點103a較佳為Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)之結構，以提供該離子敏感場效電晶體之汲極接點。該金屬接點103b較佳為Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)之結構，以提供該離子敏感場效電晶體之源極接點。
該絕緣層104a和104b較佳為但不限於2μm厚之聚亞醯胺層。一位於該絕緣層104a和104b間之接觸窗口105定義了該a -InN:Mg磊晶層102之曝露區域。電解液中之離子可透過該接觸窗口105影響該離子敏感場效電晶體其表面通道之電導值。
請參照圖2，其繪示依本發明一較佳實施例之離子敏感場效電晶體製造方法流程圖。如圖2所示，該製造方法包括：在氮化鎵/藍寶石上沉積一a -InN:Mg磊晶層(步驟a)；在該a -InN:Mg磊晶層上沉積二金屬接點以形成一開閘極場效電晶體(步驟b)；以及在該ISFET周圍形成一圖樣化之聚亞醯胺層，以防止短路(步驟c)。
在步驟a，該a -InN:Mg磊晶層，一摻雜鎂之a-平面纖鋅礦InN，係藉由一電漿輔助式分子束磊晶(PAMBE)系統成長於一GaN緩衝層之上，而該GaN緩衝層則位於一r-平面(1102)藍寶石基板之上。由圖3a可以看出，一a -InN:Mg磊晶層102沉積於一氮化鎵/藍寶石層101之上。該a -InN:Mg磊晶層102之厚度較佳為但不限於1.2μm以提供一隔離良好之表面通道。
在步驟b，第一，如圖3b所示，一圖案化光阻層301，其較佳之組成為AZ4620，係形成於該a -InN:Mg磊晶層102之上；第二，如圖3c所示，一金屬層103，其組成較佳為但不限於Au/Al/Ti(50nm/200nm/50nm)，係沉積於該圖案化光阻層301之上；以及第三，如圖3d所示，一金屬接點103a和一金屬接點103b係藉由一剝離製程(lift-off process)形成於該a -InN:Mg磊晶層102之上。
在步驟c，第一，如圖3e所示，一圖案化光阻層301，其較佳之組成為AZ4620，係形成於該金屬接點103a、103b及該a -InN:Mg磊晶層102之上；第二，如圖3f所示，該a -InN:Mg磊晶層102之異相性蝕刻係由感應偶合電漿(ICP)302執行；第三，如圖3g所示，該圖案化光阻層301被去除；以及第四，如圖3h所示，一圖案化聚亞醯胺層103a和一圖案化聚亞醯胺層103b被形成以界定一接觸窗口105。
接著晶圓被切割，各ISFET被搭接於對應之載板上，且經一絕緣材料封裝，其中該載板為例如但不限於PVC板，其所用導線為例如但不限於鋁導線，而該絕緣材料為例如但不限於聚二甲基矽氧烷(polyimethylsiloxane)。
請參照圖4，其繪示依本發明一較佳實施例實現之1.2μma-InN:Mg ISFET之量測系統。如圖4所示，該量測系統包括一參考電極401、一函數產生器402、一直流電源供應器403及一數位萬用電表404。
該參考電極401，由該函數產生器402提供，其較佳為Hg/HgCl，係沉浸在一電解液405中以提供一閘極偏壓。
該函數產生器402係用以提供該參考電極401之可調直流電壓。
該直流電源供應器403，其具有與該金屬接點103a(汲極)耦接之陽極及與該金屬接點103b(源極)耦接之陰極，係用以提供該ISFET之通道電流。
該數位萬用電表404，置於該金屬接點103b與該陽極之間，係用以量測該ISFET之通道電流。
請參照圖5，其繪示依本發明一較佳實施例實現之1.2μma-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於一pH值為7之緩衝溶液中之電流響應。如圖5所示，該歸一化(normalized)之汲-源電流(I DS )，以閘極偏壓在0V所得之電流為歸一化之基準，係在汲-源電壓(V DS )固定為0.25V，而閘極偏壓在pH值為7之緩衝溶液中之條件下，變換閘極偏壓(V GS )而測得者。閘極偏壓在0.3V及-0.3V之電流反應分別為1.52及0.7(歸一化之數值)。該a-InN:Mg ISFET具有高電流/電壓靈敏度，其原因在於非極性InN/GaN異質介面之介面通道會有較少的載子存在於其中。離InN表面幾毫微米、位於最上方之表面通道，其在足夠之閘極偏壓下很容易被耗乏。然而，該通道電流並無法被完全抑制，因為在該介面之載子仍可能會經由側壁或本體中之差排環(dislocation loops)而電氣連接到表面。
請參照圖6，其繪示依本發明一較佳實施例實現之a-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於pH值由10至2之緩衝溶液中之I-V 響應。在該量測中，汲-源電壓(V DS )保持在0.1V。電流隨V GS 的下降而減少，即V GS 係用以耗乏表面反轉載子，從而抑制通道電流。測量結果顯示該a -InN:Mg ISFET在0.2V與0V間具有約45%的電流變化，即高電流/電壓靈敏度特性(即對閘極偏壓敏感)。在曝露於各pH緩衝溶液中，pH值由10至2之情況下，電流係呈現單調遞增。相對於每10倍的pH值變化，其平均之電流變化，在與閘極偏壓於水中所得之電流值相關計算後，得到之值為2.7μA，而其對應電壓變化為56.5mV(亦即，56.5mV/p H之靈敏度)。
請參照圖7，其繪示依本發明一較佳實施例實現之a-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於pH值由5變至2之緩衝溶液中之動態響應。該InN:Mg ISFET在曝露於不同pH緩衝溶液中時其電流會有動態變化。動態變化之響應時間係指當該a-InN:Mg ISFET曝露至一不同的pH值緩衝液中時，電流增量(或減量)從穩態值之10%至90%所花費的時間。該a-InN:Mg ISFET的響應時間量測值少於10秒。
總之，本案該電流(I DS )-電壓(V GS )特性說明了該非極性a-InN:Mg ISFET具有高電流/電壓靈敏度；該摻雜效應和非極性InN/GaN異質介面有效降低了本體通道和介面通道對電流變化的影響力，從而增加了電流/電壓靈敏度；以及作為一pH感測器，該a-InN:Mg ISFET顯示的靈敏度為56.5mV/pH值及其反應時間小於10秒。這些結果使該a-InN:Mg ISFET成為可應用於各種化學和生物醫學感測之非常有潛力的感測器。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇，例如，本案之基板可為矽或r-藍寶石或c-藍寶石等；晶體之排列方式可為c-或a-或m-等；而厚度則可加以調整。
綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請　貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。
101．．．氮化鎵/藍寶石層
102．．．a -InN:Mg磊晶層
103．．．金屬層
103a、103b．．．金屬接點
104a、104b．．．絕緣層
105．．．接觸窗口
301．．．光阻層
302．．．感應偶合電漿(ICP)
401．．．參考電極
402．．．函數產生器
403．．．直流電源供應器
404．．．數位萬用電表
405．．．電解液
圖1為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例實現之離子敏感場效電晶體之剖面圖。
圖2為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例之離子敏感場效電晶體製造方法流程圖。
圖3a為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，以電漿輔助式分子束磊晶(PAMBE)製程在氮化鎵/藍寶石上沉積一a-InN:Mg磊晶層後之結構剖面圖。
圖3b為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，圖案化一光阻層以供金屬蒸鍍之結構剖面圖。
圖3c為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，沉積一金屬層後之結構剖面圖。
圖3d為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例去除該光阻層後之結構剖面圖。
圖3e為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，圖樣化一光阻層以供非等向性蝕刻之結構剖面圖。
圖3f為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，以ICP在氮化銦上執行非等向性蝕刻後之結構剖面圖。
圖3g為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，去除該光阻層後之結構剖面圖。
圖3h為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例，圖樣化一聚亞醯胺層以界定一閘極窗口之結構剖面圖。
圖4為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例實現之1.2μm a-InN:Mg ISFET之量測系統。
圖5為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例實現之1.2μm a-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於一pH值為7之緩衝溶液中之電流響應。
圖6為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例實現之a-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於pH值由10至2之緩衝溶液中之I-V 響應。
圖7為一示意圖，其繪示依本發明一較佳實施例實現之a-InN:Mg ISFET其閘極偏壓於pH值由5變至2之緩衝溶液中之動態響應。
101．．．氮化鎵/藍寶石層
102．．．a -InN:Mg磊晶層
103a、103b．．．金屬接點
104a、104b．．．絕緣層
105．．．接觸窗口

Claims (15)

  1. 一種離子敏感場效電晶體，其具有：一基板；一摻雜鎂之氮化銦(InN:Mg)磊晶層，沉積於該基板之上以提供一電流路徑；一第一導電接點，沉積於該InN:Mg磊晶層之上以提供一汲極接點；一第二導電接點，沉積於該InN:Mg磊晶層之上以提供一源極接點；以及一圖案化絕緣層，用以覆蓋該第一導電接點、該第二導電接點及該InN:Mg磊晶層，其中該圖案化絕緣層具有一接觸窗口以界定該InN:Mg磊晶層之曝露區域。
  2. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該基板係一氮化鎵/藍寶石層。
  3. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該導電接點具有一金屬。
  4. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該InN:Mg磊晶層係一a-InN:Mg磊晶層。
  5. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該接觸窗口係用以接觸一電解液。
  6. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該第一導電接點係用以耦接一第一電壓及該第二導電接點係用以耦接一第二電壓以提供一通道電流。
  7. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該第一導電接點及該第二導電接點具有一Au/Al/Ti結構。
  8. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該圖案化絕緣層具有聚亞醯胺。
  9. 如申請專利範圍第1項之離子敏感場效電晶體，其中該離子敏感場效電晶體係用以感測一電解液之pH值。
  10. 一種離子敏感場效電晶體製造方法，其包含以下步驟：形成一基板；在該基板之上沉積一InN:Mg磊晶層；在該InN:Mg磊晶層之上沉積一第一導電接點及一第二導電接點以分別提供一汲極接點及一源極接點；以及形成一圖案化絕緣層以覆蓋該第一導電接點、該第二導電接點及該InN:Mg磊晶層，其中該圖案化絕緣層具有一接觸窗口以界定該InN:Mg磊晶層之曝露區域。
  11. 如申請專利範圍第10項之離子敏感場效電晶體製造方法，其中該InN:Mg磊晶層之沉積方式係藉由一電漿輔助式分子束磊晶系統實現。
  12. 如申請專利範圍第10項之離子敏感場效電晶體製造方法，其中該基板之形成係以形成一氮化鎵/藍寶石層實現。
  13. 如申請專利範圍第10項之離子敏感場效電晶體製造方法，其中該導電接點之沉積係金屬之沉積。
  14. 如申請專利範圍第10項之離子敏感場效電晶體製造方法，其中該InN:Mg磊晶層之沉積係一a-InN:Mg磊晶層之沉積。
  15. 如申請專利範圍第10項之離子敏感場效電晶體製造方法，其進一步包括以聚二甲基矽氧烷封裝該離子敏感場效電晶體之步驟。
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