[發明專利]一種生化微傳感集成芯片、制作及模具制備方法

無效

• 申請號: 200610090241.5
• 申請日: 2006-07-07
• 公開（公告）號: CN101101272A
• 公開（公告）日: 2008-01-09
• 發明（設計）人: 夏善紅;楊海鋼;韓涇鴻;孫紅光;汪祖民;魏金寶;藺增金
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26;H01L21/00;H01L23/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及一種基于標準CMOS技術的電位型微傳感集成芯片的設計與后續工藝技術，特別涉及到傳感器新穎的延長柵結構設計以及微傳感芯片后續加工技術。

背景技術

離子敏場效應管(Ion?Sensitive?Field?Effect?Transistor，ISFET)的研究起源于上世紀70年代。由于其體積小、輸入阻抗高且輸出阻抗低、響應快、全固態等優勢在生物醫學，環境監測，工業生產等各個領域得到廣泛應用。傳統的ISFET結構是將MOSFET(Metallic?OxideSemiconductor?Field?Effect?Transistor，金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)的金屬柵極去除，僅保留二氧化硅(SiO₂)層，通過在其上淀積離子敏感薄膜而制成的。測試時，敏感薄膜要與待測液直接接觸，整個器件除敏感膜區域外均須用絕緣性能良好的密封膠包封。柵極敏感薄膜直接與電解液相接觸，電解液/絕緣層界面的電勢與電解液中的離子活度(濃度)有關，電解液中離子濃度的改變將引起ISFET器件閾值電壓相應的改變。這樣就可以通過檢測ISFET的溝道電流的變化來檢測所測離子的濃度。

以pH-ISFET器件為基礎，至今已發展研制成一系列響應無機離子、有機離子、藥物及酶、免疫的離子敏感場效應晶體管。雖然對FET型生物傳感器集成化的研究由來已久，但目前在國內外尚未見到完全采用標準CMOS(硅柵)工藝設計并制備出可實用的傳感器。其主要困難在于：

(1)工藝上無法與標準硅柵CMOS工藝兼容，后續工藝不能有高溫過程；

(2)參比電極集成化比較困難。

隨著CMOS技術水平的快速發展，線寬日益減小，集成度越來越高，鋁(Al)柵工藝己無法滿足要求，多晶硅柵技術已經成為主流。利用多晶硅柵的“自對準”效應定義源極和漏極區域是現在標準CMOS技術的主要特征。近年來，國內外對傳感器與標準CMOS的兼容性設計與制備進行了大量的探索。為了實現ISFET與集成電路的單芯片集成，目前最為常用的方法有兩種：(1)通過腐蝕技術去除MOSFET柵極的Al金屬層及多晶硅層，然后在SiO₂層之上淀積敏感薄膜。該方案工藝復雜，一致性和可靠性很難保證。(2)由于芯片表面以CMOS工藝中的氮化硅(SiNxOy)鈍化層為敏感膜，對溶液中氫離子活度具有一定響應。該方案不需要芯片再進行后續加工，方便可靠。但同時存在靈敏度不高、線性度不好等問題。此外，由于標準CMOS工藝中幾乎均以Al為互連線，故采用標準CMOS工藝流片獲得的芯片不能再經受高溫過程。

Ta₂O₅由于具有較高的介電常數(k～26)，低的漏電流密度，低的內應力以及高的擊穿電壓、易與目前的硅工藝相兼容等優點，是目前所知的最為優良的pH敏感材料。具有良好的化學穩定性、不溶性、很寬的Nemst響應以及良好的生物兼容性。目前對于該薄膜的制備技術有：鉭氧化法、溶膠-凝膠法、化學氣相淀積技術、磁控濺射技術等。由于在通常淀積條件下很難獲得理想的組分和結構，往往呈現出富鉭狀態，為了獲得性能優良的Ta₂O₅薄膜，大都需要在O₂氛圍中進行高溫(高于650℃)退火后處理。這就限制了它在集成芯片上的應用。