[發(fā)明專利]用于電荷檢測的集成傳感器裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480035143.4
• 申請日: 2014-06-17
• 公開（公告）號: CN105408741B
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設計）人: K-H·?？寺〉?/a>;S·張;U·史密斯;H·E·諾爾斯特倫
• 申請（專利權）人: ?？寺〉聞?chuàng)新公司
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414;H01L29/732;H01L29/739
• 代理公司: 北京戈程知識產(chǎn)權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;王錦陽

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于半導體的集成傳感器裝置，其包括：與縱向雙極結(jié)型晶體管(BJT)的基極串聯(lián)連接的橫向絕緣柵極場效應晶體管(MOSFET)，其中所述MOSFET的漏極漂移區(qū)是在半導體襯底內(nèi)的BJT的基區(qū)的一部分，因此與BJT的基極電接觸，且MOSFET的漏極漂移區(qū)與BJT發(fā)射極的距離超過在發(fā)射極與作為集電極的任何埋層之間的縱向距離，并且所述裝置的擊穿電壓由縱向BJT的BVCEO確定。

技術領域

本發(fā)明涉及一種集成傳感器裝置。具體地，本發(fā)明涉及一種將場效應晶體管與雙極結(jié)型晶體管結(jié)合的半導體裝置的混合形式，所述場效應晶體管通過多個接觸/通孔和金屬層連接到感測電極。

背景技術

近年來，日益增長的興趣已經(jīng)出現(xiàn)在可以用于液體中電荷檢測的高敏感半導體裝置(例如，用于氫離子的離子敏感場效應晶體管(ISFET)類型，如應用于測定pH濃度、檢測生物分子、研究DNA復制和基因組序列等)或用于氣體混合物中的離子或可極化分子的檢測的高敏感半導體裝置的領域。以前已經(jīng)提出并且展示過這樣的半導體裝置的混合形式(S-R.Chang等Sensors 9,2009,pp.8336-8348以及H.Yuan等，Biosensors andBioelectronics 28,2011,pp.434-437)，參考文獻1-2。這些混合體在單個集成電路中將ISFET電荷敏感裝置并聯(lián)地與橫向雙極結(jié)型晶體管(LBJT)結(jié)合。這樣的混合裝置有利地將ISFET的高敏感性和由LBJT提供的額外放大相結(jié)合。

本文所使用的術語“ISFET”包括這樣的裝置的各種等效形式(P.Bergveld，Sensors and Actuators B 88,2003,pp.1-20)，另參見參考文獻3-6。例如，導電柵電極可以是金屬或其它合適的導電材料(如高摻雜的多晶硅)。類似地，柵絕緣材料可以是氧化物(如二氧化硅)，但也可以包括氧氮化物或甚至包括高k介質(zhì)。

如下布置是已知的：通過由合適的鈍化材料(例如，氧化硅、氮化硅或氧化物/氮化物的夾層)包封的接觸/金屬線和通孔/金屬線的連續(xù)布置，柵電極與待分析的氣體或液體接觸。在電極內(nèi)最接近液體或氣體的金屬膜可以被所述鈍化物包圍或可以不被所述鈍化物包圍。金屬本身可以是在半導體器件的制造中所使用的標準金屬，例如，鋁、鈀、鉑或金。所述電極選擇性地為金屬/金屬氧化物(Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO₂)的某種形式。

美國專利第8283736號中所公開的離子感測裝置由與集成于同一半導體芯片上的橫向雙極型裝置連接的ISFET構(gòu)成。如所公開的，p-型溝道ISFET位于n-阱中，橫向pnp型雙極晶體管與之并聯(lián)連接，其中發(fā)射極/源極和漏極/集電極分別為公用的，而基極連接是分開的。當由于在浸沒于電解液中的參考電極上施加偏壓，導致適當數(shù)量的離子在柵電極上積聚(或耗盡)時，在ISFET中的溝道導通狀態(tài)將會改變。而這會反而影響橫向雙極型裝置的導通。

該特定結(jié)構(gòu)的缺點是兩個器件的并聯(lián)布置，該布置需要額外的端子。為此導致柵控橫向雙極晶體管的固有的低增益。在低于雙極型裝置的開啟電壓的偏壓下，亞閾值特性類似于金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)裝置(即本文中的ISFET)的亞閾值特性。在該混合配置中所獲得的跨導增強主要在高于MOSFET的閾值電壓的情況下發(fā)生。因此，該結(jié)構(gòu)的放大將非常低。

在該引用專利中指出的寄生縱向pnp-型晶體管對于所有基于n-阱的CMOS工藝是相同的。它是通過ISFET的源極/發(fā)射極、外部連接的n-阱基極并以p-型襯底為集電極而形成的。它不是感測裝置的一部分，這是因為ISFET的導電性變化不影響所述寄生成分。對寄生縱向pnp-型晶體管的活躍使用可能最終導致可靠性問題，例如，閂鎖。另外的問題是在所需的配置中各個器件的外部連接需要額外的端子。這種額外的布線很可能引入不想要的信號噪聲。