TWI414787B - 感測場效電晶體裝置 - Google Patents

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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing

Description

感測場效電晶體裝置
本發明為一種感測場效電晶體裝置，特別是一種離子感測場效電晶體/參考場效電晶體/準參考電極裝置。
離子感測場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor，ISFET)裝置最早曾於1970年時，由P. Bergveld首先提出其初步構想，陸續進行改良與研發。而離子感測場效電晶體發展至今，在眾多pH型的離子感測場效電晶體(pH-ISFET)感測薄膜的材料中，已研發出具備高感測度且不會受到非理想效應干擾之技術優勢。除此之外，又因為離子感測場效電晶體與金氧半場效電晶體之結構類似，因此可以藉由半導體CMOS元件製程以製造出離子感測場效電晶體，並加以微型化。而離子感測場效電晶體元件本身具有很高的生物相容性，所以被廣泛的應用於人體檢測與生物晶片等領域。
然而，在微型化離子感測場效電晶體的過程中，具有一個極大的待解決問題，即是在參考電極的部分，也就是目前所有的離子感測場效電晶體感測系統，都仍須搭配傳統玻璃參考電極(如Ag/AgCl或甘汞電極)才得以能提供一穩定參考電位。然而，此類型之參考電極在固態化與微型化的過程中，面臨因內部離子交換溶液的體積微型化的減少，以及不能更換該內部離子交換溶液而降低了電極穩定性與使用壽命。故而難以微型化參考電極的問題，嚴重地限制了離子感測場效電晶體在生醫領域以及人體內檢測診斷的應用與發展。
Matsuo於1978年首次提出參考場效電晶體(Reference Field Effect Transistor,REFET)裝置，目前針對此元件之研究主要可區分為三類：
一、在原本無機薄膜上增加一離子隔絕層，藉以減少感測薄膜表面與離子鍵結的數量。
二、以聚合物形成隔絕離子(Ion-blocking)的薄膜，但受限於薄膜厚度問題，厚度必須增加，以改善薄膜孔隙產生的缺陷，但厚度增加，卻會造成元件轉導(Transconductance)的衰減，而使得系統操作的不匹配。另外此類型的薄膜也仍有穩定性、感測度無法降低等問題存在。
三、以聚合物形成離子交換(Ion-unblocking)薄膜解決了上述轉導衰減的問題，也是目前發展最成熟穩定的低感測度薄膜。儘管如此，其薄膜仍有使用壽命短的限制。
有機參考場效電晶體固然發展成熟，目前已可將感測度降低到大約1mV/pH至2mV/pH。但此有機薄膜與其半導體元件仍存在著製程複雜與結構不完全相容之問題。因此，開發無機薄膜的參考場效電晶體，除了可簡化製程，且能與半導體CMOS製程完全相容，並且可避免有機薄膜所造成的電性衰減，可為參考場效電晶體與離子感測場效電晶體領域上的創新發展。
參考場效電晶體之結構與離子感測場效電晶體極為相似，而主要差異處在於離子感測場效電晶體對於目標離子(如氫離子、鈉鉀離子等)有很高的敏感度(Sensitivity)，而參考場效電晶體則對目標離子較為不敏感，或者僅具有較低的敏感度。而離子感測場效電晶體/參考場效電晶體還需搭配可提供電位的準參考電極(quasi Reference Electrode,qRE)，主要功用在於提供感測系統偏壓以形成迴路。且再經由差動放大電路將兩者與準參考電極的輸出電壓進行差分，而最後所得到的輸出訊號即為離子感測場效電晶體/參考場效電晶體系統對離子濃度的輸出，也因為經由差動放大電路，而將準參考電極之不穩定固液介面電位之影響也互相抵銷。故就以上所述，低離子感測度之參考場效電晶體可以形成如離子感測場效電晶體/參考場效電晶體/準參考電極(ISFET/REFET/qRE)結合的形式。
在傳統的離子感測場效電晶體裝置中，因其參考電極難以微小化而整合於積體電路(IC)中，故而提出了離子感測場效電晶體/參考場效電晶體系統。但又因當降低離子感測度時，需仰賴一層額外添加的有機薄膜，故而增加了製程的複雜度，且亦減少了其使用壽命。
由前述理由可知感測場效電晶體之發展日益受到重視。爲因應未來需求，尚需發展相關感測場效電晶體裝置技術，藉以降低製作與操作之人力與時間等成本，且能有效達成節能與減碳之目的。
本發明使用半導體製程技術以形成感測場效電晶體，亦即一種無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體裝置。
本發明為一種使用半導體基底，於其基底中形成井(Well)的方式，形成無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體。
本發明之無機離子感測場效電晶體包括了正型矽晶片之半導體基底，負型井形成於正型矽晶片內；由源極、汲極及負型離子所形成的電極形成於負型井內；而金屬導線連接於電極表面上，且二氧化矽形成於正型矽晶片表面上，電極之上與金屬導線之間；單層氮化矽形成於負型井表面上，因氮化矽並不會對氫離子感測度有影響，可用於無機離子感測場效電晶體；形成光阻層於二氧化矽表面上與金屬導線表面上而形成無機離子感測場效電晶體。
本發明之參考場效電晶體裝置包括了正型矽晶片之半導體基底，正型井形成於正型矽晶片內；由源極，汲極及正型離子所形成的電極形成於正型井內；而金屬導線連接於電極表面上，二氧化矽形成於正型矽晶片表面上，第二電極表面上與金屬導線之間；單層氮化矽形成於正型井表面上，而單層氮化矽沈積於正型井表面上，可有效地降低氫離子感測度，使表面對氫離子不敏感；形成光阻層於二氧化矽表面上與金屬導線表面上而形成無機參考場效電晶體。
本發明於無機離子感測場效電晶體與參考場效電晶體之中間，形成二氧化矽於正型矽晶片表面上；於二氧化矽兩側形成金屬導線；而鉑金形成於二氧化矽表面上；形成光阻層於二氧化矽表面上與金屬導線表面上，且圍繞鉑金之兩側，藉而形成本發明之無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體裝置。
本發明係將離子感測場效電晶體與參考場效電晶體整合在同一個晶圓上，故而有別於習知技術中所分離形成的獨立兩個元件，故而於使用上較為便利。
本發明係以無機薄膜進行低氫離子的感測，採用具有高形變應力之薄膜，藉由調變薄膜厚度或改變基板型態及摻雜濃度，調整感測薄膜對於氫離子感應的靈敏度。
本發明可以解決參考電極在微型化過程中所遭遇的穩定度與使用壽命等問題，也可藉由差動放大電路而降低元件之非理想效應。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明選擇以半導體製程技術，使用負型(N-type)或是正型(P-type)之半導體基底，或是以井(Well)的方式，形成無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體。
如第1圖所示為本發明較佳實施例之無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體裝置，係分別由左側之無機離子感測場效電晶體(ISFET)與右側之參考場效電晶體(REFET)所組合而成。
仍如第1圖所示，左側之無機離子感測場效電晶體包括了正型矽(P-type Silicon)晶片101之半導體基底，負型井(N-well)102形成於正型矽晶片101內；由第1源極(Source)103A，第1汲極103B及負型離子(N+ )103C所形成的第1電極103形成於負型井102內；而第1金屬導線106A連接於第一電極103表面上，第1二氧化矽(SiO2 )107A形成於正型矽晶片101表面上，第1電極103之表面上與金屬導線106A之間；第1單層氮化矽(Si3 N4 )108A，即第1氫離子感測薄膜形成於負型井102表面上，因第1氮化矽108A並不會對氫離子感測度有影響，可用於無機離子感測場效電晶體；形成第1光阻層109A於第1二氧化矽107A表面上與第1金屬導線106A表面上而形成無機離子感測場效電晶體。
續如第1圖所示，右側之參考場效電晶體裝置包括了正型矽晶片101之半導體基底，正型井(P-well)104形成於正型矽晶片101內；由第2源極105A，第2汲極105B及正型離子(P+ )105C所形成的第二電極105形成於正型井104內；而第2金屬導線106連接於第2電極105表面上，第2二氧化矽107B形成於正型矽晶片101表面上，第二電極105表面上與第2金屬導線106B之間；第2單層氮化矽108B形成於正型井104表面上，而第2單層氮化矽108B，即第2氫離子感測薄膜沈積於正型井表面上，可有效地降低氫離子感測度，使表面對氫離子不敏感；形成第2光阻層109B於第2二氧化矽107B表面上與第2金屬導線106B表面上而形成無機參考場效電晶體。其中除使用氮化矽(Si3 N4 )作為氫離子感測薄膜，亦可使用氧化鉭(Ta2 O5 )及氧化鋁(Al2 O3 )應用於氫離子感測薄膜。
如第1圖所示，左側之無機離子感測場效電晶體與右側之參考場效電晶體之中間，形成第3二氧化矽107C於正型矽晶片101表面上；於第3二氧化矽107C兩側形成第3金屬導線106C；而準參考電極鉑(Pt)110形成於第3二氧化矽107C表面上；形成第3光阻層109B於第3二氧化矽107C表面上與第3金屬導線106C表面上，且圍繞鉑110之兩側，其中之準參考電極通常由金、鉑等材料製備而成，藉而形成本發明之無機離子感測場效電晶體/參考場效電晶體裝置。
第2圖為本發明之氫離子感測特性與差動放大之輸出電壓，以正型電容感測器(P-type Electrolyte Insulator Semiconductor,p-EIS)以及負型電容感測器(N-type Electrolyte Insulator Semiconductor,n-EIS)量測兩者之感測特性與兩者差分之結果。可得到正型電容感測器對氫離子的感測度較低，只有27.2mV/pH。而負型電容感測器則有較高的斜率，感測度為52.4mV/pH。並可相減而得到一差動之輸出電壓(Differential response)，其感測度為25.14mV/pH。此感測度(Sensitivity)即為應用於ISFET/REFET/qRE之輸出電壓與感測度。
此外，由第3圖所示為時飄效應之結果，因長時間穩定度也一直是感測元件所需具備的要求。前述使用近似結構與相同製程之電容感測器結構在時飄效應上，經過相減後，可以有效降低至1mV/h，故可有效改善其非理想效應，而使元件之準確度大幅提昇。
本發明係將離子感測場效電晶體與參考場效電晶體整合在同一個晶圓上，故而有別於習知技術中所分離形成的獨立兩個元件，提昇使用便利性。而本發明係以無機薄膜進行低氫離子的感測，採用具有高形變應力之薄膜，藉由調變薄膜厚度或改變基板型態及摻雜濃度，調整感測薄膜對於氫離子感應的靈敏度。本發明更可以解決參考電極在微型化過程中，所需考量的穩定度與使用壽命等問題，亦可藉由差動放大電路而降低元件之非理想效應。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
101‧‧‧正型矽晶片半導體基底
102‧‧‧負型井
103‧‧‧第1電極
103A‧‧‧第1源極
103B‧‧‧第1汲極
103C‧‧‧負型離子
104‧‧‧正型井
105‧‧‧第2電極
105A‧‧‧第2源極
105B‧‧‧第2汲極
105C‧‧‧正型離子
106A‧‧‧第1金屬導線
106B‧‧‧第2金屬導線
106C‧‧‧第3金屬導線
107A‧‧‧第1二氧化矽
107B‧‧‧第2二氧化矽
107C‧‧‧第3二氧化矽
108A‧‧‧第1單層氮化矽
108B‧‧‧第2單層氮化矽
109A‧‧‧第1光阻層
109B‧‧‧第2光阻層
109C‧‧‧第3光阻層
110‧‧‧鉑
第1圖所示為本發明之較佳實施例圖。
第2圖所示為本發明之氫離子感測特性與差動放大之輸出電壓。
第3圖所示為本發明之時飄效應結果。
101‧‧‧正型矽晶片半導體基底
102‧‧‧負型井
103‧‧‧第1電極
103A‧‧‧第1源極
103B‧‧‧第1汲極
103C‧‧‧負型離子
104‧‧‧正型井
105‧‧‧第2電極
105A‧‧‧第2源極
105B‧‧‧第2汲極
105C‧‧‧正型離子
106A‧‧‧第1金屬導線
106B‧‧‧第2金屬導線
106C‧‧‧第3金屬導線
107A‧‧‧第1二氧化矽
107B‧‧‧第2二氧化矽
107C‧‧‧第3二氧化矽
108A‧‧‧第1單層氮化矽
108B‧‧‧第2單層氮化矽
109A‧‧‧第1光阻層
109B‧‧‧第2光阻層
109C．．．第3光阻層
110．．．鉑

Claims (6)

  1. 一種感測場效電晶體裝置，至少包含：一正型矽晶片半導體基底，一負型井形成於該正型矽晶片內；一第1電極形成於該負型井內，係由一第1源極，一第1汲極及一負型離子所形成；一第1金屬導線連接於該第一電極表面上；一第1二氧化矽形成於正型矽晶片表面上，該第1電極之表面上與該第1金屬導線之間；一第1氫離子感測薄膜形成於該負型井表面上；以及一第1光阻層形成於該第1二氧化矽表面上與該第1金屬導線表面上以形成一無機離子感測場效電晶體；該正型矽晶片半導體基底，一正型井形成於該正型矽晶片內；一第二電極形成於該正型井內，該第二電極係由一第2源極，一第2汲極及一正型離子所形成；一第2金屬導線連接於該第二電極表面上；一第2二氧化矽形成於該正型矽晶片半導體基底表面上，該第二電極表面上與該第2金屬導線之間；一第2氫離子感測薄膜形成於該正型井表面上，該第2單層氮化矽沈積於該正型井表面上；以及一第2光阻層形成於該第2二氧化矽表面上與該第2金屬導線表面上以形成無機參考場效電晶體；一第3二氧化矽形成於該正型矽晶片表面上； 一第3金屬導線形於該第3二氧化矽之兩側；一準參考電極形成於該第3二氧化矽表面上；以及一第3光阻層形成於該第3二氧化矽表面上與該第3金屬導線表面上，且圍繞該鉑金屬之兩側，藉以形成該感測場效電晶體裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項之感測場效電晶體裝置，其中該氫離子感測薄膜至少包含氮化矽。
  3. 如申請專利範圍第1項之感測場效電晶體裝置，其中該氫離子感測薄膜至少包含氧化鉭。
  4. 如申請專利範圍第1項之感測場效電晶體裝置，其中該氫離子感測薄膜至少包含氧化鋁。
  5. 如申請專利範圍第1項之感測場效電晶體裝置，其中該準參考電極至少包含鉑。
  6. 如申請專利範圍第1項之感測場效電晶體裝置，其中該準參考電極至少包含金。
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