电化学传感器制造技术

一种电化学传感器，具有包含ＦＥＴ基结构的ＩＳＦＥＴ，包括源极区（２５）、漏极区（２６）以及设置在所述源极区（２５）与所述漏极区（２６）之间的导电槽（１３），并且还包括在所述ＦＥＴ基结构上直接形成并完全覆盖所述ＦＥＴ基结构的第一层（２１）、在所述第一层（２１）的顶部上形成的离子敏感层（１１７，２１７）、以及ＥＳＤ保护层（１１８，２１８），其中所述ＥＳＤ保护层将所述ＩＳＦＥＴ与测量介质隔离，但是留出栅极区（１１９，２１９，３１９）未覆盖，其特征在于，所述ＦＥＴ基结构与所述第一层（２１）之间的第一边界表面、所述第一层（２１）与所述离子敏感层（１１７，２１７）之间的第二边界表面以及所述离子敏感层（１１７，２１７）的顶侧表面在平坦表面区域内是大致平坦的，其中所述平坦表面区域（３４）延伸超过内侧表面区域（２８），由所述源极区（２５）、漏极区（２６）和所述导电槽（１３）在所述平坦表面区域上的投影限定所述内侧表面区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有离子敏感场效应晶体管(ISFET)的电 化学传感器。
技术介绍
同玻璃电极相比，具有ISFET作为感应元件的电化学传感器 具有较高的机械强度，几乎不会破裂。由于这些特性，这种类型 的传感器有利于例如食品工业和制药工业的应用。使用这样的传 感器的特殊原因是，基于法规的要求，由于玻璃破裂的风险，因 此在一些工业领域使用玻璃电极是不合法的或者至少是存在隐患 的。根据它们的结构，具有离子敏感场效应晶体管的电化学传感 器可以用于检测各种不同的物质以及特别适合用于pH确定。通常，ISFET包括FET基结构(FET，场效应晶体管)和在 该基结构上成层沉积的不同材料。FET基结构包括基材，例如， 单晶硅，在其中形成源极区、漏极、以及它们之间设置的导电槽。德国专利公开文献DE 3116884A1公开了一种使用ISFET测 量液体离子活性的方法和电路结构。该ISFET具有实现离子敏感 层功能的并且覆盖导电槽的绝缘层，从而朝向介质的离子敏感栅 极区形成在该导电槽之上。欧洲专利公开文献EP 1396718A1公开了一种传感器，该传感器具有传感器壳体，该壳体以除了至少一个栅极区的方式将传感器与介质紧密隔离，并且同时允许ISFET的无压力结构。离子敏感场效应晶体管的生产是代价昂贵的过程，并且需要 具体地讲氧化的和金属材料的不同材料的逐层沉积。在下一层施 加之前各层至少部分地被处理和/或结构化，例如通过湿式化学蚀 刻或光刻工艺。ISFET的不同层的这种功能相关结构化要求使用 专门的和复杂的掩模。具有离子敏感场效应晶体管的传感器领域 的进一步改进主要是基于ISFET所使用的层材料的改变。例如，专利公开文献WO 2004/079355A1公开了一种用于pH 传感器的ISFET，该ISFET具有层厚连续变化的由金属氧化物和 氮化物的混合物形成的离子选择层。美国专利公开文献US 5814280A公开了一种具有ISFET的 pH传感器，其中该离子敏感层是氧化铝层，在去除掺杂层后，该 氧化铝层沉积在包括源极区和漏极区的FET基结构的区域上。具有场效应晶体管的其它类型的传感器是所谓的生物传感 器。这些传感器在栅极区内具有层，在大多数情况中为生物膜或 生物薄膜，其对溶液中的特定生物和/或生物化学物质是敏感的。 德国专利公开文献DE 4115398A1公开了一种制造在栅极区中包 括附加的生物或生物化学薄膜的生物传感器的方法。这里所用的 敏感薄膜主要是极薄的，并且专门为Langmiiir-Blodgett膜，为了 防止膜被撕破，所述膜设置在氮化硅层上，所述氮化硅层在栅极 区内是平坦的。源极区和漏极区这里通过离子注入技术形成在基 材中。ISFET大体上包括在FET基结构上沉积的多个材料层。大多 数情况下，材料层包括场氧化层以及具有离子敏感和/或绝缘性质的层。场氧化层直接沉积在FET基结构上，并且作为下一步骤，离子敏感层至少沉积在栅极区上。尽管具有ISFET的现有技术公知的传感器大体上是机械稳定 的，但是它们易受到侵蚀性介质尤其是强碱的侵蚀，由此传感器 甚至可被毁坏。这种行为特点对于传统ISFET传感器的使用造成 了问题以及限制，特别是因为强碱是一种用于清洁技术设备的常 用的措施。例如它们是用于CIP (现场清洁)工艺中。特别地， CIP或SIP (现场灭菌)工艺可在几个周期内破坏传统的ISFET。为了延迟或甚至避免传感器的损坏，例如，使用技术精巧的 互换装配件，所述装配件允许传感器从生产设备取下或收回到单 独的室中，以便在清洁处理的过程中，防止受到清洁溶液影响。 与处理设备中的直接清洁相比，这种类型的装置技术上是复杂的、 相对昂贵的，并且它们比简单的装配件占据了更多的空间。此外， 互换装配件需要被控制，并且室以及传感器必须以不同的方法独 立地被清洁。
技术实现思路
因此有利的是，将电化学传感器以及特别离子敏感场效应晶 体管设计成，传感器可以在处理条件下清洁。这造成了以下任务，开发一种具有ISFET的电化学传感器， 其对于侵蚀性介质尤其是碱具有更好抵抗性。令人吃惊地，已经发现通过改变形态、特别是沉积在FET基 结构上的材料层的组成和结构，可以使得具有ISFET的电化学传 感器更加显著抵抗碱。根据本专利技术的电化学传感器包括带有FET基结构的ISFET，其中包括源极区、漏极区以及设置在源极区与漏极区之间的导电槽。在FET基结构上直接形成第一层，完全覆盖所述FET基结 构，并且在第一层的顶部上形成离子敏感层。ESD (静电放电) 保护层在ISFET与测量介质之间形成边界表面，在导电槽上方的 ESD保护层中的窗形成栅极区，从而栅极区可以直接接触测量介 质。在FET基结构上形成的层被设置成，FET基结构与第一层之 间的第一边界表面、第一层与离子敏感层之间的第二边界表面以 及离子敏感层的顶侧表面至少在平坦表面区域中是大致平坦的。 表面是平坦的意味着边界表面和顶侧表面没有台阶和边缘，并至 少在平坦表面区域内具有非常低的表面粗糙度。平坦表面区域延 伸超过内侧表面区域，通过源极区(25)、漏极区(26)和导电槽 (13)在平坦表面区域上的凸出而限定所述内侧表面区域。每个边界表面以及离子敏感层的顶侧表面本身具有平坦表面 区域。然而，由于形成边界表面和顶侧表面的各层以及它们各自 的平坦表面区域以一个在另一个之上的方式布置，所以术语"平 坦表面区域"此后将采用单数形式(singular form)。令人惊讶地，已经发现，对于与栅极区相比较大平坦表面区 域的、具有ISFET的电化学传感器具有较高的化学抵抗性，尤其 是抵抗高浓度碱，这是因为不同的层在平坦表面区域中是平坦的， 在与介质接触的区域中，第一层或离子敏感层都没有边缘或台阶。 现有技术的ISFET大体上具有边缘禾Q/或台阶，它们在多数情况中 并不完全由随后施加的层覆盖，从而例如，可以形成发丝状裂缝 和/或间隙，这可成为介质的侵蚀点。由于平坦，这些侵蚀性介质 的侵蚀区域被显著减少，并且传感器的抵抗性被显著提高。根据本专利技术的传感器特点还在于，至少在平坦表面区域内，各层、主要是第一层、离子敏感层和ESD层彼此相互并相对于 FET基结构在平行的平面内延伸。平行平面的结构对于改善平坦表面区域以及这些层的顶侧表 面并获得ISFET的较高的化学抵抗性具有有利的效果。在优选的实施例中，ISFET还具有设置在离子敏感层与ESD 保护层之间的缓冲层。该缓冲层的目的是为了增加E S D保护层与 FET基结构之间的距离，由此测量信号的质量得到改善。该缓冲 层形成在离子敏感层上，但留出栅极区，因此缓冲层在栅极区周 围形成台阶，高度等于栅极区的层厚。使ISFET与测量介质隔离 的ESD保护层完全覆盖该缓冲层，因此栅极区位于由缓冲层和 ESD保护层邻接的凹部中。该缓冲层优选包括二氧化硅，但是它 也可以使用其它绝缘物质，例如氧化镁，氧化钛，氮化铝，氮化 硅和/或聚合物混合物。该电化学传感器优选具有带有壳体盖的传感器壳体。壳体盖 稳固地连接至传感器壳体，并且相对于ISFET设置成，除了与介 质接触的表面区域以外，ISFET被壳体盖封闭并与介质密封隔离。大致无法渗入至介质的、电化学传感器的密封的封闭体保护 传感器主要免受例如测量或清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学传感器，具有包含ＦＥＴ基结构的ＩＳＦＥＴ，包括源极区（２５）、漏极区（２６）以及设置在所述源极区（２５）与所述漏极区（２６）之间的导电槽（１３），并且还包括在所述ＦＥＴ基结构上直接形成并完全覆盖所述ＦＥＴ基结构的第一层（２１）、在所述第一层（２１）的顶部上形成的离子敏感层（１１７，２１７）、以及ＥＳＤ保护层（１１８，２１８），其中所述ＥＳＤ保护层将所述ＩＳＦＥＴ与测量介质隔离，但是留出栅极区（１１９，２１９，３１９）未覆盖，其特征在于，所述ＦＥＴ基结构与所述第一层（２１）之间的第一边界表面、所述第一层（２１）与所述离子敏感层（１１７，２１７）之间的第二边界表面以及所述离子敏感层（１１７，２１７）的顶侧表面在平坦表面区域内是大致平坦的，其中所述平坦表面区域（３４）延伸超过内侧表面区域（２８），由所述源极区（２５）、漏极区（２６）和所述导电槽（１３）在所述平坦表面区域上的投影限定所述内侧表面区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M贝尔纳斯科尼，C德穆特，H范哈伦，J范德图因，
申请(专利权)人：梅特勒托利多公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]