TWI422818B - 氫離子感測場效電晶體及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係為一種氫離子感測場效電晶體及其製造方法,更特別為一種應用在生物感測器以測量pH值並與電晶體製程相容之氫離子感測場效電晶體及其製造方法。
所謂生物感測器(Biosensor)是指利用生物感測元件(如酵素、抗體…等)將生物材料中的各式測量標的(如葡萄糖、血糖濃度、鉀離子濃度、膽固醇…等)的資訊利用物理原理轉換成電子訊號或光學訊號,以使得後續分析處理更易於判讀之一種可測定微量成份的分析裝置。
然而,在實際測量時,倘若其中之pH值有所差異,則往往會影響生物材料中之各式化學物質的離子化程度,同時也會改變生物材料或測量標的之活性。因此,為了讓感測其他生物資訊之測量結果得以準確,因此需要一種可測量pH值之生物感測器。
第1圖為習知技術之離子感測場效電晶體的剖面示意圖。
現今常用於測量pH值之生物感測器為離子感測場效電晶體(Ion-Sensitive Field Effect Transistor,ISFET),其係由Piet Bergveld於1970年提出之電化學感測元件,其具備微型化與適合自動化量測之優點。
請參見第1圖,離子感測場效電晶體與積體電路製程技術使用之互補式金氧半導體(Complementary Metal Oxide Silicon,CMOS)的結構類似,離子感測場效電晶體具有半導體基材10、汲極區11、源極區12、絕緣層13、離子感測膜14、金屬層15、環氧樹脂16、外加之參考電極17以及緩衝溶液(Buffer Solution)20。
離子感測場效電晶體與互補式金氧半導體間之差異是可將互補式金氧半導體之金屬閘極以離子感測膜14、緩衝溶液20以及外加的參考電極17取代。將此離子感測場效電晶體浸泡於緩衝溶液20中,當離子感測場效電晶體與不同pH值的緩衝溶液20接觸時,會於金屬閘極(即離子感測膜14)與緩衝溶液20接觸之界面上產生不同的電位變化,使通道之電流發生改變,藉此特性而由參考電極17量測之電訊號經後續轉換處理後,可評估出緩衝溶液20之pH值或其他離子之濃度。
至今30年來國際上已有許多離子感測場效電晶體之相關研究,如參考電極之研究與微小化、酵素固定之場效型離子感測元件、差動式前端檢測電路結構之探討,亦找尋更合適且穩定性更佳之離子感測薄膜,如Si3
N4
、Al2
O3
、Ta2
O5
、SnO2
、a-WO3
、a-Si:H、AlN、PbTiO3
等材料。然而,這些研究仍不脫前述先前技術之基本架構。
本發明係為一種氫離子感測場效電晶體及其製造方法以應用在生物感測器上,利用互補式金氧半導體製程中常見的鋁銅(AlCu)合金導線,藉由需要溫度控制與溼度控制,在無須任何額外之薄膜沉積製程下即可生成出相當緻密且很薄之氧化鋁層,利用此氧化鋁層作為離子感測層以量測pH值,進而達到氫離子量測的目的。
本發明係為一種氫離子感測場效電晶體及其製造方法,其係藉由與互補式金氧半導體製程之整合,並降低製造成本,並進而達到單一晶片的需求。
為達上述功效,本發明係提供一種氫離子感測場效電晶體,其包括:一半導體基材,其上定義有一閘極範圍,並且具有一源極區及一汲極區;一絕緣層,形成於半導體基材上之閘極範圍內;一電晶體閘極,設置於閘極範圍內並且具有一第一閘極導電層,第一閘極導電層為一鋁金屬層並且定義有一感測窗區域於其上;以及一感測薄膜層,形成於感測窗區域內,其中感測薄膜層係為由第一閘極導電層氧化而成之一層氧化鋁層。
為達上述功效,本發明又提供一種氫離子感測場效電晶體之製造方法,其包括下列步驟:提供一半導體基材,半導體基材上形成有一源極區、一汲極區及一絕緣層,絕緣層係位於半導體基材上之一閘極範圍內;進行一閘極製程,其係沉積一鋁金屬層於閘極範圍內以形成一第一閘極導電層;定義一感測窗區域於第一閘極導電層上;以及形成一感測薄膜層,其係曝露第一閘極導電層之感測窗區域於含氧之氣體中,以形成一層氧化鋁層作為感測薄膜層。
藉由本發明的實施,至少可達到下列進步功效:
一、利用一般互補式金氧半導體製程即可製造出可量測pH值之氫離子感測場效電晶體。
二、無須任何額外之薄膜沉積製程即可生成出相當緻密且很薄之氧化鋁層,利用此氧化鋁層作為離子感測層以達到氫離子量測的目的,且不需要增加任何額外的製程成本。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施,且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式,任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點,因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第2A圖和第2B圖分別為本發明不同實施態樣之氫離子感測場效電晶體之剖面示意圖。第3圖為本發明之一種氫離子感測場效電晶體之製造方法的流程實施例示意圖。第4圖為應用本發明之一種氫離子感測場效電晶體以用於測量溶液之pH值的測量結果。
請參見第2A圖,其係為本發明第一實施例之氫離子感測場效電晶體,其基本架構與互補式金氧半導體之結構類似。氫離子感測場效電晶體,其包括:一半導體基材30;一絕緣層33;一電晶體閘極34;以及一感測薄膜層37。
半導體基材30上定義有一閘極範圍40,又半導體基材30中具有一汲極區31及一源極區32,而閘極範圍40中則具有一絕緣層33和一第一閘極導電層34a,其中第一閘極導電層34a可作為一電晶體閘極34。又形成一保護層(passivation layer)36並經過後製程以非等向性蝕刻出一第一開口361並蝕刻至第一閘極導電層34a,以使得可在第一閘極導電層34a上定義出有一感測窗區域,並使得第一閘極導電層34a可藉由感測窗區域裸露在外。
此外,由於第一閘極導電層34a可為一鋁金屬層,因此,在適度的溫度控制與溼度控制下,曝露在感測窗區域中之鋁金屬層(即為位在第一開口361中的第一閘極導電層34a)會自然氧化為相當緻密且很薄之氧化鋁層,且因其厚度不會隨著時間有大幅的變化,因而可以作為對氫離子有選擇性之感測薄膜層37。
此外,在一實施例中,參考電極可以如先前技術所述以外加形式而懸浮在緩衝溶液中(如第1圖所示)。但亦可以同時製作在氫離子感測場效電晶體中。即如第2A圖的右側所示,可形成有一導線35,而保護層36更具有一第二開口362以使一參考電極層38設置於導線35上並露出於保護層36。
請參考第2B圖,其係為本發明第二實施例之氫離子感測場效電晶體。在前述之第一實施例中,閘極範圍40中之第一閘極導電層34a係直接與絕緣層33接觸。然而在本實施例中,閘極範圍40除了絕緣層33和第一閘極導電層34a外還可以有更多層的金屬或閘極層以作為電晶體閘極34。如第2B圖所示,其可以進一步包括一第二閘極導電層34b,其中第二閘極導電層34b係與絕緣層33直接接觸,而第一閘極導電層34a則在第一開口361中定義形成感測窗區域,並進而自然氧化形成感測薄膜層37。而同樣的,如第2B圖的右側所示,導線35可形成於與第一閘極層34a同一水平處,因此導線35可與第一閘極導電層34a於同一製程中所形成。
另外需注意的是,如第2A圖所示,感測薄膜層37並不限定僅能形成於絕緣層33的上方,也就是說可以改變第一開口361所設置的位置,以定義出不同位置的感測窗區域,進而使不同區域的第一閘極導電層34a可自然氧化形成感測薄膜層37。又如第2B圖所示,在閘極範圍40中作為電晶體閘極34的金屬或閘極層可以有不同的尺寸大小,並且也可參差排列。
請參考第3圖,其係為氫離子感測場效電晶體之製造方法的流程實施例示意圖,且為方便說明,同時可參酌第2A圖和第2B圖的結構並使用其元件符號。首先,提供半導體基材30(S10),而在半導體基材30上已形成有汲極區31、源極區32及絕緣層33,絕緣層33係位於半導體基材30上之閘極範圍40內。
接著,進行閘極製程(S20)以沉積一鋁金屬層於閘極範圍40內以形成第一閘極導電層34a以接觸絕緣層33(如第2A圖所示)。
此外,在一實施例中,進行閘極製程(S20)時亦可形成第二閘極導電層34b於閘極範圍40內以直接接觸絕緣層33(如第2B圖所示)。在進行閘極製程(S20)後可形成保護層36(S30),其中保護層36形成有第一開口361以裸露部份之第一閘極導電層34a。而第一閘極導電層34a上亦定義有感測窗區域(S40)。最後,曝露第一閘極導電層34a之感測窗區域於含氧之氣體中,以形成一層氧化鋁層作為感測薄膜層37(S50)。
此外,在進行閘極製程(S20)期間,亦可同時形成導線35,而在形成保護層36(S30)時亦會形成第二開口362,以使保護層36裸露導線35,且形成參考電極層38於導線35上之第二開口362處,而使參考電極層38露出於保護層36。
因此,在實際操作上,當偏壓設定於參考電極層38後,其因為氫離子吸附於感測薄膜層37之表面上,造成電晶體閘極34上的電壓產生變化,因此會得到不同電流,利用此方法來感測溶液的pH值。已知pH值的溶液的參考測量結果係如第4圖所示,當溶液的pH值介於6.5~8時,在固定Vg(閘極電壓)和Vd(汲極電壓)的條件下,依照不同的量測時間,不同的pH值可以得到不同的電流值。於是依照此已知的pH值測量結果去量測未知溶液,由量測出的電流值比對此pH測量結果,進而可獲知未知溶液的pH值,而達到氫離子量測之目的。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點,其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施,而非限定本發明之專利範圍,故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改,仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10、30...半導體基材
11、31...汲極區
12、32...源極區
13、33...絕緣層
14...離子感測膜
15...金屬層
16...環氧樹脂
17...參考電極
20...緩衝溶液
34...電晶體閘極
34a...第一閘極導電層
34b...第二閘極導電層
35...導線
36...保護層
361...第一開口
362...第二開口
37...感測薄膜層
38...參考電極層
40...閘極範圍
S10...提供半導體基材之步驟
S20...進行閘極製程之步驟
S30...形成保護層之步驟
S40...定義感測窗區域之步驟
S50...形成感測薄膜層之步驟
第1圖為習知技術之離子感測場效電晶體之剖面示意圖。
第2A圖和第2B圖分別為本發明不同實施態樣之氫離子感測場效電晶體之剖面示意圖。
第3圖為本發明之一種氫離子感測場效電晶體之製造方法的流程實施例示意圖。
第4圖為應用本發明之一種氫離子感測場效電晶體以用於測量溶液之PH值的測量結果。
S10...提供半導體基材之步驟
S20...進行閘極製程之步驟
S30...形成保護層之步驟
S40...定義感測窗區域之步驟
S50...形成感測薄膜層之步驟
Claims (10)
- 一種氫離子感測場效電晶體,其包括:一半導體基材,其上定義有一閘極範圍,並且具有一源極區及一汲極區;一絕緣層,形成於該半導體基材上之該閘極範圍內;一電晶體閘極,設置於該閘極範圍內並且具有一第一閘極導電層,該第一閘極導電層為一鋁金屬層並且定義有一感測窗區域於其上;以及一感測薄膜層,形成於該感測窗區域內,其中該感測薄膜層係為由該第一閘極導電層氧化而成之一層氧化鋁層。
- 如申請專利範圍第1項所述之氫離子感測場效電晶體,其中該第一閘極導電層係接觸該絕緣層。
- 如申請專利範圍第1項所述之氫離子感測場效電晶體,其中該電晶體閘極進一步包括一第二閘極導電層,該第二閘極導電層係接觸該絕緣層。
- 如申請專利範圍第1項所述之氫離子感測場效電晶體,進一步包括一保護層,其於該感測窗區域具有一第一開口,以裸露該第一閘極導電層。
- 如申請專利範圍第4項所述之氫離子感測場效電晶體,進一步包括一導線及一參考電極層,其中該導線係與該電晶體閘極於同一製程中所形成,該參考電極層係設置於該導線上並且露出於該保護層。
- 一種氫離子感測場效電晶體之製造方法,其包括下列步驟:提供一半導體基材,該半導體基材上形成有一源極區、一汲極區及一絕緣層,該絕緣層係位於該半導體基材上之一閘極範圍內;進行一閘極製程,其係沉積一鋁金屬層於該閘極範圍內以形成一第一閘極導電層;定義一感測窗區域於該第一閘極導電層上;以及形成一感測薄膜層,其係曝露該第一閘極導電層之該感測窗區域於含氧之氣體中,以形成一層氧化鋁層作為該感測薄膜層。
- 如申請專利範圍第6項所述之氫離子感測場效電晶體之製造方法,其中該第一閘極導電層係接觸該絕緣層。
- 如申請專利範圍第6項所述之氫離子感測場效電晶體之製造方法,其中進行該閘極製程進一步包括形成一第二閘極導電層於該閘極範圍內,該第二閘極導電層係接觸該絕緣層。
- 如申請專利範圍第6項所述之氫離子感測場效電晶體之製造方法,其中該閘極製程完成後進一步包括形成一保護層,其中該保護層係於該感測窗區域形成一第一開口,以裸露該第一閘極導電層。
- 如申請專利範圍第9項所述之氫離子感測場效電晶體之製造方法,進一步包括:形成一導線,其係於該閘極製程中所形成;形成一第二開口,以使該保護層裸露該導線;以及形成一參考電極層於該導線上之該第二開口處,該參考電極層係露出於該保護層。
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