一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体芯片领域，公开了一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法。通过本发明专利技术创造，一方面在ISFET传感器中，通过为ISFET场效应晶体管配置一个镜像对称的REFET场效应晶体管，并将两晶体管的参考电极设置在对称中心线上实现共用，可以利用REFET场效应晶体管的敏感响应结果作为参照，排除环境温度、电场噪声和其它非样品溶液因素所带来的影响，提升ISFET传感器的稳定性，另一方面通过为各个ISFET传感器提供一个单独的液体样品容纳孔，可以利用高程孔壁有效阻碍相邻样品溶液的流动性，减少出现交叉污染和电噪声串扰等情况，进而可以有效减小各个ISFET传感器的测量误差，确保对生物或化学物的测量准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法
本专利技术属于半导体芯片领域，具体涉及一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法。
技术介绍
在现有的临床医学、新药开发、环境监测和有毒物质探测等领域，一般都需要对生物或化学物进行快速且准确地测量，使得生物传感器的核心元件——离子敏场效应晶体管(英文缩写为ISFET，其与MOS场效应晶体管的构造相同，只不过它是用一层化学敏感膜、样品溶液和一个参考电极G取代了MOS场效应晶体管的金属栅极G)在生物或化学分析中得到了广泛应用和快速发展。与传统离子选择电极(英文缩写为ISE)相比，ISFET具有如下优点：(1)具有高输入阻抗、低输出阻抗、宽频带范围(0～1MHz)和能起到阻抗变换及信号放大的作用；(2)全固态的ISFET具有微形化和机械强度高等优点，可适用于在人体体内进行动态监测；(3)ISFET中采用的化学敏感材料具有广泛性，可不局限于导电材料，还可以包括绝缘材料；(4)ISFET可采用标准CMOS与微加工技术相结合的制作工艺，具有制造成本低和使用方便等优点，易于与多种传感器集成；(5)由于ISFET的敏感区面积小和敏感层薄，响应时间只有几秒，可以配合计算机进行在线监控和实时监测。现有基于ISFET的阵列式传感器虽然可以对多个目标样品溶液进行同步测量，但是由于ISFET本身所存在的弱稳定性缺点(即ISFET的工作极易受到环境影响，周围环境的盐类物质或气体一旦进入样品溶液，就会影响其稳定性)，以及在大规模的ISFET传感器阵列中，与相邻传感器接触的样品溶液易出现交叉污染和电噪声串扰等情况，使得最终各个ISFET传感器的测量结果具有误差较大的问题，影响对生物或化学物的测量准确性。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术目的在于提供一种新型的且用于生化分析的阵列式传感器集成芯片及其制备方法。本专利技术所采用的技术方案为：一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片，包括衬底层和在所述衬底层上形成的若干个ISFET传感器，其中，所述ISFET传感器以不小于100个传感器/平方毫米的密度布置在不小于100个传感器的平面阵列中；所述ISFET传感器包含一对呈左右镜像对称布置的ISFET场效应晶体管和REFET场效应晶体管，其中，在所述ISFET场效应晶体管的栅极隔离层上方形成有化学敏感膜层，在所述REFET场效应晶体管的栅极隔离层上方形成有非活性膜层；在所述ISFET传感器的中心区域上方形成有用于露出所述化学敏感膜层和所述非活性膜层的且由第一封装材料层围成的液体样品容纳孔，在所述化学敏感膜层与所述非活性膜层之间形成有第二封装材料层，在所述第二封装材料层的中心区域嵌有共用参比电极层，其中，所述第一封装材料层用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管和所述REFET场效应晶体管的源极S，所述第一封装材料层用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管和所述REFET场效应晶体管的漏极D，所述第一封装材料层的厚度介于所述第二封装材料层厚度的5～10倍之间，所述共用参比电极层用于分别作为所述ISFET场效应晶体管和所述REFET场效应晶体管的参考电极G；至少有两个所述ISFET传感器的化学敏感膜层采用了不同的化学敏感材质。优化的，所有ISFET传感器的共用参比电极层相互电连接。优化的，所述衬底层为硅基P型掺杂层，所述ISFET场效应晶体管的栅极隔离层为二氧化硅层或多晶硅层，所述REFET场效应晶体管的栅极隔离层为二氧化硅层或多晶硅层。优化的，所述化学敏感膜层为Al2O3层、Si3N4层或Ta2O5层。优化的，所述非活性膜层为聚苯烯膜层。优化的，所述第一封装材料层和所述第二封装材料层均为陶瓷材料层。优化的，所述共用参比电极层为Au层。本专利技术所采用的技术方案还有：一种如前所述用于生化分析的阵列式传感器集成芯片的制备方法，包括如下步骤：S101.通过现有CMOS工艺在衬底层上表面生成具有MOS场效应管结构的且呈左右镜像对称布置的ISFET场效应晶体管原型和REFET场效应晶体管原型；S102.进行掩模刻蚀工艺，对ISFET场效应晶体管原型的栅极隔离层和REFET场效应晶体管原型的栅极隔离层分别进行刻蚀；S103.进行化学沉积工艺，在ISFET场效应晶体管原型的栅极隔离层上表面生成化学敏感膜层，在REFET场效应晶体管原型的栅极隔离层上表面生成非活性膜层；S104.进行化学沉积工艺，在整个芯片的上表面生成第二封装材料层；S105.进行掩模刻蚀工艺，对位于化学敏感膜层和非活性膜层上方的第二封装材料层进行刻蚀，使化学敏感膜层和非活性膜层分别露出，同时对位于化学敏感膜层与非活性膜层之间中心区域的第二封装材料层进行刻蚀，得到用于填充共用参比电极层的凹槽；S106.进行金属沉积工艺，在凹槽中填充共用参比电极层，得到成型的ISFET传感器；S107.对ISFET传感器的四周边缘进行封装，形成第一封装材料层，得到针对单个ISFET传感器具有独立液体样品容纳孔结构的阵列式传感器集成芯片。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术创造提供了一种可大规模化集成ISFET传感器的新型生化测量芯片及其制备方法，一方面在ISFET传感器中，通过为ISFET场效应晶体管配置一个镜像对称的REFET场效应晶体管，并将两晶体管的参考电极设置在对称中心线上实现共用，可以利用REFET场效应晶体管的敏感响应结果作为参照，排除环境温度、电场噪声和其它非样品溶液因素所带来的影响，提升ISFET传感器的稳定性，另一方面通过为各个ISFET传感器提供一个单独的液体样品容纳孔，可以利用高程孔壁有效阻碍相邻样品溶液的流动性，减少出现交叉污染和电噪声串扰等情况，进而可以有效减小各个ISFET传感器的测量误差，确保对生物或化学物的测量准确性；(2)所述阵列式传感器集成芯片可采用现有的CMOS工艺实现ISFET场效应晶体管和REFET场效应晶体管在衬底层上的生成，并应用微加工封装工艺实现最终集成芯片的外部封装，具有易于加工制造和生产成本低等优点，便于实际推广和应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提供的在阵列式传感器集成芯片中单个ISFET传感器的剖视结构示意图。图2是本专利技术提供的在阵列式传感器集成芯片中多个ISFET传感器的剖视结构示意图。图3是本专利技术提供的阵列式传感器集成芯片的局部版图示意图。图4是本专利技术提供的阵列式传感器集成芯片中单个ISFET传感器的制备过程示意图。上述附图中:1-衬底层；2-ISFET传感器；3-ISFET场效应晶体管；301-ISFET场效应晶体管的栅极隔离层；302-化学敏感膜层；4-REFET场效应晶体管；401-REFET场效应晶体管的栅极隔离层；402-非活性膜层；501-第一封装材料层；502-第二封装材料层；6-液体样品容纳孔；7-共用参比电极层。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片，其特征在于：包括衬底层(1)和在所述衬底层(1)上形成的若干个ISFET传感器(2)，其中，所述ISFET传感器(2)以不小于100个传感器/平方毫米的密度布置在不小于100个传感器的平面阵列中；所述ISFET传感器(2)包含一对呈左右镜像对称布置的ISFET场效应晶体管(3)和REFET场效应晶体管(4)，其中，在所述ISFET场效应晶体管(3)的栅极隔离层(301)上方形成有化学敏感膜层(302)，在所述REFET场效应晶体管(4)的栅极隔离层(401)上方形成有非活性膜层(402)；在所述ISFET传感器(2)的中心区域上方形成有用于露出所述化学敏感膜层(302)和所述非活性膜层(402)的且由第一封装材料层(501)围成的液体样品容纳孔(6)，在所述化学敏感膜层(302)与所述非活性膜层(402)之间形成有第二封装材料层(502)，在所述第二封装材料层(502)的中心区域嵌有共用参比电极层(7)，其中，所述第一封装材料层(501)用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的源极S，所述第一封装材料层(501)用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的漏极D，所述第一封装材料层(501)的厚度介于所述第二封装材料层(502)厚度的5～10倍之间，所述共用参比电极层(7)用于分别作为所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的参考电极G；至少有两个所述ISFET传感器(2)的化学敏感膜层(302)采用了不同的化学敏感材质。...

【技术特征摘要】
1.一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片，其特征在于：包括衬底层(1)和在所述衬底层(1)上形成的若干个ISFET传感器(2)，其中，所述ISFET传感器(2)以不小于100个传感器/平方毫米的密度布置在不小于100个传感器的平面阵列中；所述ISFET传感器(2)包含一对呈左右镜像对称布置的ISFET场效应晶体管(3)和REFET场效应晶体管(4)，其中，在所述ISFET场效应晶体管(3)的栅极隔离层(301)上方形成有化学敏感膜层(302)，在所述REFET场效应晶体管(4)的栅极隔离层(401)上方形成有非活性膜层(402)；在所述ISFET传感器(2)的中心区域上方形成有用于露出所述化学敏感膜层(302)和所述非活性膜层(402)的且由第一封装材料层(501)围成的液体样品容纳孔(6)，在所述化学敏感膜层(302)与所述非活性膜层(402)之间形成有第二封装材料层(502)，在所述第二封装材料层(502)的中心区域嵌有共用参比电极层(7)，其中，所述第一封装材料层(501)用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的源极S，所述第一封装材料层(501)用于分别覆盖所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的漏极D，所述第一封装材料层(501)的厚度介于所述第二封装材料层(502)厚度的5～10倍之间，所述共用参比电极层(7)用于分别作为所述ISFET场效应晶体管(3)和所述REFET场效应晶体管(4)的参考电极G；至少有两个所述ISFET传感器(2)的化学敏感膜层(302)采用了不同的化学敏感材质。2.如权利要求1所述的一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片，其特征在于：所有ISFET传感器(2)的共用参比电极层(7)相互电连接。3.如权利要求1所述的一种用于生化分析的阵列式传感器集成芯片，其特征在于：所述衬底层(1)为硅基P型掺杂层，所述ISFET场效应晶体管(3)的栅极隔离层(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王存，熊政委，
申请(专利权)人：重庆第二师范学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50