具有集成控制装置的ISFET传感器制造方法及图纸

本发明专利技术的目的在于提供一种传感器，用于测量溶液中的物质浓度，所述物质是离子形式的或适用于产生离子化合物，所述传感器包括至少两个组件，即i)ISFET晶体管，具有漏极、源极、对所述物质敏感的绝缘膜，且被连接到参考电极上，和ii)MOSFET晶体管，具有漏极、源极、金属电极覆盖的绝缘层形成的栅极，在所述传感器中，所述两个组件被并联安置，所述源极和漏极被它们共用。本发明专利技术还涉及制造这测量溶液中离子物质的传感器的方法，所述方法包括在所述制造期间的至少一次干燥验证测试。所涉及的离子物质可为存在在溶液中的化合物，或者为具生物来源化合物的生化反应产物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及利用带有敏感层的场效应晶体管的传感器来测量液体介质中化学物质的装置领域。本专利技术的目的在于提供一种用于测量溶液离子物质的传感器，包括至少一个ISFET晶体管和并联连接的MOSFET晶体管、它们共用的源极和漏极，该结构能够验证干燥环境中传感器的运行良好。本专利技术的目的还在于提供在这种溶液中测量离子物质的传感器的制造方法，所述方法包括在所述制造期间进行至少一次干燥验证测试。所涉及的离子物质可为存在在溶液中的化合物，或者为具生物来源的化合物的生化反应产物，在该情况下所述ISFET为BioFET。已知在大规模生产整合有电组件的传感器系列的情况下，相关传感器性能可靠性和再生性的问题是关键性的。产品的成本问题同样是敏感的。更具体地，印刷电路上的组件组装可占传感器总价值的55％到85％。实施多种技术以控制传感器的良好状态。然而，这些技术全部基于电测试且不适用于ISFET型化学和生物化学传感器的控制，这被用于以液体介质进行操作。ISFET(即Ion Sensitive Field Effect Transistor，离子敏感场效应晶体管)传感器主要由离子敏感场效应晶体管构成。它是从常规晶体管衍生的，称为MOSFET(Métal Oxyde Silicium Field Effect Transistor，金属氧化物单晶硅场效应晶体管)。在MOSFET中，通过由绝缘层通道分隔的金属电极来实施栅极，通过由参考电极和对要分析电解质中离子物质的呈现敏感膜组成的系统来保证电栅功能，其由绝缘层通道分隔。例如通过溶质接触产生的化学反应，在覆盖ISFET的敏感层的位置处生成变化的电势，和所生成的信号被传送且可被测量、存储、或根据预定用途以另外的方式进行处理。可另外对膜进行功能化，以成为对给定的化学或生物化学物质是敏感的。在该情况下，通过电栅来检测敏感层，敏感层包含的化合物与导致pH值变化的所述化学或生物化学物质反应。将ENFET(Transistor à Effet de Champ Enzymatique，场效应晶体管酶)称为ISFET，ISFET的敏感膜被设置有通过聚合物固定化的酶的层，和更通常地，为BioFET，ISFET的敏感层与生物来源的化合物相反应。术语CHEMFET(化学场效应晶体管)还被用于以通常的方式指示适用于检测所有类型化合物(离子、分子、气体......)的场效应化学传感器。本专利技术涉及功能化或未功能化的所有ISFET型组件。推而广之，将ISFET传感器称为包括至少一个ISFET组件的整合电路(或电芯片)，至少一个ISFET组件被连接到金属配线上，以保证在ISFET位置处发生极化和电流传导。一个或多个ISFET可被联结到相同支承板上，称为PCB(即Printed Circuit Board，印刷电路板)，任选地伴有保证其它功能性的另外组件。各个组件被固定在PCB上，实施连接，然后封装该集成件，除了与溶质接触的栅极。带有连接的被固定和封装到PCB上的芯片接下来被连接在更复杂的测量仪器或装置中。利用已知的微电子的集体制造技术，通过在硅片上实施ISFET组件来开始批量生产。在各个电路板上得到大量组件(在6、8或12英寸直径的电路板上通常有几个到几千个ISFET)。对应于“硅份”处理过程的该制造其本身具有多个步骤。接下来通过切割电路板来分隔ISFET，分别转印到被连接和被封装的印刷电路上。尽管所有涉及护理和现代技术的先进性，可在每个步骤中产生制造缺陷，这个过程最终可产生极大浪费。即使工业处理的改善还有助于减小有缺陷芯片的合格率，技术和经济上的限制不允许具有100％良好功能性芯片的可能性。在本文中，芯片制造商主要关注的是设置所得到ISFET芯片的控制部件。这种部件应该是简单、快速和完全可靠的。应该不仅能够识别有缺陷的芯片，还可将它们分捡出来，以仅将运行良好的芯片运送给客户(通常为包含这种传感器的仪器制造商)。另外应可批量和低成本地实施。基于电气测试的不同控制方法一直沿用至今。第一种方式包含通过在电路板上插入ISFET组件中的一些MOSFET组件来整体控制硅电路板。仅测试这些被合理安置在电路板上的测试组件，这给出了根据来自给定电路板的ISFET的可实现功能芯片的产量设计。然而，该方法不能够识别出电路板上有缺陷的组件，以可以在组装前排除。没有提供相关接续步骤的信息，甚至没有在组装后对有良好组件的产量指示和因此没有对每件(芯片单元)的价格指示。最后，质量差的批量几乎不能归因于制造者或包装者，这是进行追纠的潜在源头。另一方式的处理方法包含位于ISFET附近的同一芯片上的测试MOSFET组件。例如通过传统的点测试来测试良好状态MOSFET是可能的，这考虑到整体区域，但是没有考虑ISFET组件本身。该方法能够检测影响邻近组件的缺点(如金属、氧化物、氮化物沉积的较差均匀性，钝化的缺陷，或镶嵌和实施问是等。然而，其不能够排除仅影响ISFET组件(由于静电放电、源极和漏极之间的短路或开路的复线、击穿........)的一些缺点。因此其主要验证了硅电路板制造方法的良好发展并估算出来自“硅份”的功能性组件的产量。再次，这难以设定每件的最终价格。存在另外的控制方法，其能够进行ISFET的100％电测试，但是由于实施繁琐，这只在实验室中进行。将阐述滴汞方法，通过该方法在将极化汞滴沉积在栅极上之后来确认ISFET的功能性。所述滴将覆盖在栅极的整个表面上，而不在芯片上产生另外的短路。注意到汞是有毒元素，不推荐使用它。而且，很少公开物报道这种技术。还将阐述由Arashak Poghossian等(传感器2006，6，397-404)描述的方法，其包括在ISFET栅极上沉积已知组合物的电解液微滴并测试组件。为此关联流控单元，其能够将参考电极和溶液带到在传统的先进测试站的ISFET敏感面上。单元在电路板上移动并能够极化组件以进行表征。通过参数分析仪实施测量。该测试需要专用的单元以限定测量头的数量。本方法能够验证电路板制造方法的平稳进行和估测功能性ISFET组件的产量。本方法还可估测各个传感器的pH敏感度。然而，由电解质在电路板上留下的痕迹应该在测试结束后清洗掉，以避免错误测量。所有这些原因使得本方法可以实现大批量生产。而且，在组装阶段不可执行控制。最后，为了保证集成给定的ISFET传感器，仅存在一个部件：在电解质溶液中沉浸的组装后的测试仪。所采用的该方法仅用于很特别的应用，支持较高成本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量溶液中的物质浓度的传感器，所述物质是离子形式的或适用于产生离子化合物，所述传感器包括至少两个组件，即i)ISFET晶体管(100)，具有漏极、源极、对所述物质敏感的绝缘膜(3)，且被连接到参考电极(4)上，和ii)MOSFET晶体管(200)，具有漏极、源极、金属电极(6)覆盖的绝缘层(5)形成的栅极(13)，其特征在于，所述两个组件被并联安置，所述源极(1)和漏极(2)被它们共用。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.25 FR 12548591.一种用于测量溶液中的物质浓度的传感器，所述物质是离子形式的或适
用于产生离子化合物，所述传感器包括至少两个组件，即i)ISFET晶体管(100)，
具有漏极、源极、对所述物质敏感的绝缘膜(3)，且被连接到参考电极(4)上，
和ii)MOSFET晶体管(200)，具有漏极、源极、金属电极(6)覆盖的绝缘层
(5)形成的栅极(13)，其特征在于，所述两个组件被并联安置，所述源极(1)
和漏极(2)被它们共用。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括至少一个
半导体衬底(7)，半导体衬底(7)呈现带有电荷载体的两个掺杂区，分别形成
通过沿轴线A延伸的间隔进行相分隔的源极区(1)和漏极区(2)，所述间隔在
所述两个区域之间在所述轴线A的至少两个段上构成传导通道(8)，
-所述通道由至少一层电绝缘材料(5)覆盖，电绝缘材料(5)本身由对
所述物质敏感的至少一层绝缘材料(3)覆盖，
-所述敏感层(3)在所述轴线A的第一段上是裸露的，以得到所述ISFET
组件(100)，和
-所述敏感层(3)由在所述轴线A的第二段上起栅极电极(6)功用的金
属覆盖，以构成所述MOSFET组件(200)。
3.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，所述源极区(1)
和漏极区(2)在轴线A的两侧纵向延伸，在距离d1间可以对它们在第一段位
置处进行电传导，并在距离d2间可以对它们在第二段位置处进行电传导。
4.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，在中间段位置处
包括第一和第二段，所述源极区(1)和漏极区(2)在轴线A的两侧纵向延伸，
在距离D上禁止对它们进行电传导，以得到设置导电通道的平面(300)，导电
通道分隔ISFET组件(100)和MOSFET组件(200)。
5.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括
分别被连接到共用源极区(1)和漏极区(2)的两个接触衬垫(9’、9)和被连
接到MOSFET(200)的栅极的接触衬垫(10)。
6.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，所述衬底由硅基
底制成，且属于掺杂N+带漏极和源极的P型或属于掺杂P+带漏极和源极的N

\t型。
7.根据前述权利要求2到6任一项所述的传感器，其特征在于，所述至少
一层敏感材料为对H+离子敏感的层，它通过选自氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、
五氧化二钽(Ta2O5)的材料来实施。
8.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，所述对H+离子敏
感的材料层被与给定的化学或生化物质反应的敏感材料层覆盖，其中所述反应
的反应产物引起pH变化。
9.根据前述权利要求2到6任一项所述的传感器，其特征在于，所述至少
一层敏感材料为对K+、Na+和Li+、Ca++、CI-、硝酸盐或铵离子敏感的层，它通
选自包含通过离子注入改性的离子载体化合物或硅铝酸盐的聚合物的材料来实
施。
10.根据前述权利要求任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器在
ISFET栅极位置处设置有陷阱电荷，以在干燥介质中进行验证电荷测试。
11.一种制造测量溶液中物质的传感器的方法，所述物质是离子形式的或适
用于产生离子化合物，所述传感器包括至少两个组件，即i)ISFET晶体管(100)，
具有漏极、源极、对所述物质敏感的绝缘膜(3)，且被连接到参考电极(4)上，
和ii)MOSFET晶体管(200)，具有漏极、源极、金属电极(6)覆盖的绝缘层
(5)形成的栅极，所述方法的特征在于，所述方法包括形成由并联安置的I...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·桑托，
申请(专利权)人：赫摩迪尔公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR