（微电子学与固体电子学专业论文）phisfet生物传感器集成化设计的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 鉴于目前各类传感器的研制趋向丁微型化、集成化和智能化的发展方向，将 离子敏传感器的敏感单元与信号读取电路集成于同一芯片也就成为了业乔对此类 传感器的研究热点。离子敏场效应晶体管( i s f e t ) 与金属氧化物一半导体场效应晶 体管( m o s f e t ) 结构极其相似，而c m o s 工艺得到飞速发展，已经成为微电子i 、】k 制造m o s f e t 的主流工艺；因此，利用c m o s 技术便可实现i s f e t 与信号处 理r 乜路的集成。 本文首先在表面基模型的基础 二，阐述了两种清晰的物理模型( 表面基吸刚模 ，。g 和表面基复合中心模型) 。利用两种模型，分别研究了h + 离子在p h i s f e t 传感 器的电解液一绝缘体界面的缔合一离解过程，并推导出e i 界面的电荷与界面势的 火系式。 从m o s f e t 器件性能出发，本文详细地讨论了i s f e t 器件的敏感机理：并目， 根掘电化学的表面基模型理论，借助s p i c e 内部的m o s f e t 器件模型提出了一种 适于i s f e t 器件的简洁通用的行为描述。通过仿真，此宏模型的行为与实验结果 琏水相符。 然向，前述i s f e t 栅极结构的独特性导致其制作过程。j 标准c m o sr 艺的彳i 匹配；c m o s 技术中，m o s f e t 的栅极采用多品硅，依赖多品硅的自对准以确定 晶体管的漏源区域；为克服这一限制，设训了“三明治”栅结构的p h - i s f e t 器件， 理论分析的结果与试验数掘一致，表现出较高的测量灵敏性和稳定性。 为了利用c m o s 工艺将敏感元件与信号读取电路制作在同一芯片上，先前的 溃取电路形式都未考虑“衬底体效应”对测量精度的影响：本文没计提出了种 挂于标准c m o s 技术实现i s f e t 与信号处理电路集成化的设计方法：模拟仿真的 结果表明，所采用的“i s f e t m o s f e t 互补对”结构的信号读取电路形式能够抑 制“温漂”和克服“硅衬底体效应”对器件测量灵敏度的影响，证明是一种更适 j 日ri s f e t 集成设计的信号读取方式。借助版图编辑t 具所绘制的电路及敏感单 儿版图，满足相应的工艺规则并且与原理图保持一致，后仿真结果表现出优异的 一阼能。 关键词：离子敏场效应晶体管：s p i c e 模型；c m o s 实现；体效应 ! 旦：坚! 三：竺丝竺璧童塞些丝丝! ! 墼墼壅 a b s t r a c t o nt h eb a s eo fa l lk i n d so fs e n s o r sd e v e l o p m e n tt o w a r dm i n i a t u r i a t i o n ，i n t e g r a t i o n ， a n di n t e l l l i g e n t i z a t i o n i th a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u si nt h i sf i e l dt oi n t e g r a t ei o n s e n s i t i v eu n i t sw i t hs i g n a lr e a d - o u tc i r c u i t s b e c a u s ei o n - s e n s i t i v e f i e l d t r a n s i s t o r s ( i s f e t s ) a r es i m i l a rw i t hm e t a l q x i d e s e m i c o n d u c t o r - f i e l d t r a n s i s t o r sf m o s f e t s ) i n a r c h i t e c t u r ea n dc m o st e c h n o l o g yh a sg o r e nr a p i dd e v e l o p m e n ta n db e c o m et h em a i n t e c h n o l o g yi ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y , i tc a nb er e a l i z e dt oi n t e g r a t ei s f e tw i t hi t s s i g n a lp r o c e s sc i r c l i l tu s i n gt h ec m o st e c h n o l o g y b a s eo nt h es i t e b i n d i n gm o d e l ，t w ok i n d so fc l e a rp h y s i c a lm o d e l s ( s u r f a c es i t e a d s o r p t i o nm o d e la n ds u r f a c es i t er e c o m b i n a t i o nc e n t e rm o d e l ) h a v eb e e np r e s e n t e d f i r s t l y u s i n gb o t hm o d e l s 1 ea n m o rh a si n v e s t i g a t e dt h em i c r o s c o p i cp r o c e s so fh + d i s s o c i a t i o n - a s s o c i a t i o no nt h ee l e c t r o l y i n s u l a t o ri n t e r f a c eo ft h i sp h i s f e ts e n s o r r e s p e c t i v e l y , a n dh a sa l s od e v e l o p e dt h e i ra n a l y t i c a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h ec h a r g ea n d p o t e n t i a lo f t h ee ii n t e r f a c e f r o mt h ep r o p e r t yo fm o s f e l t h i sp a p e rp r e s e n t st h em e c h a n i s mo fp h i s f e ti n d e t a i la n da c c o r d i n gt ot h es i t eb i n dt h e o r i e so fe l e c t r o c h e m i s t r y , t h ea u t h o rd e v e l o p e da m o r eg e n e r a la n du s e r f r i e n d l ys p i c em o d e lf o rt h ei s f e td e v i c ew i t ht h eu s eo f m o s f e td e v i c em o d e li ns p i c e ；w i t hs i m u l a t i o n t h eb e h a v i o u ro ft h i sm a c r o m o d e l h a sb e e na g r e e dw i t ht h o s er e s u l t so b t a i n e db ye x p e r i m e n tm e a s u r e m e n t h o w e v e r , t e c h n o l o g i c a ls t e p su s u a l l ye m p l o y e df o rm a k i n gi s f e t ss p e c i a lg a t ea r e n o tc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dc m o sp r o c e s s 。w h i c hu s e sp o l y s i l i e o ng a t et od e f i n e s e l f - a l i g n e ds o u r c ea n dd r a i nt r a n s i s t o rr e g i o n s t oo v e r c o m et h er e s t r a i n t ，p h i s f e to f “s a n d w i c h ”c o n f i g n r a t i o nh a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e ra n dt h er e s u l t so ft h e o r y a n a l y s i sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h o s ee x p e r i m e n td a t a s ，w h i c hs h o w sh i g ha c c u r a c ya n d s t a b i l i t y t oi m p l e m e n ti s f e ts e n s o rm o n o l i t h i c a l l yo nt h es a m ec h i pt o g e t h e rw i t ht h e i n t e r f a c ee l e c t r o n i c s t h ep r e v i o u sc i r c u i t sa l ln e g l e c tt h ei n f i u e n c eo f “s i l i c o ns u b s t r a t e b o d ye f f e c t ”o nm e a s u r e m e n t ；t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o di n t e g r a t i n gt h ei s f e ta n d s i g n a lp r o c e s sc i r c u i tr e a l i z e di na ns t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y ；t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t “c o m p l e m e n t a r yi s f e t m o s f e tp a i r c a ne l i m i n a t e t e m p e r a t u r ed r i f t ”a n d “b o d ye f f e c t ”w h i c hp r o v e st h a tt h i si sam o r es u i t a b l er e a d o u tc i r c u i tf o ri s f e t i n t e g r a t i o n w i t ht h el a y o u te d i t o r , t h ed r a w i n g so ft h ec i r c u i ta n ds e n s o ru n i ta b i d et h e a l lt e c h n o l o g yr o l e sa n dk e e pc o n s i s t e n tw i t ht h es c h e m a t i c sa n dt h er e s u l t so fp o s t s i m u l a t i o ns h o we x c e l l e n tp e r f o m a a n c e k e yw o r d s ：i s f e t s p i c em o d e lc m o s i m p l e m e n t a t i o nb o d ye f f e c t i i 硕士学位论文 插图索弓 图1 1m o s f e t 结构示意图( a ) 和i s f e t 结构示意图( b ) 3 图2 ，1e i s 界面电势和电荷分布图9 图2 2 不同值的e i 界面势与p h 值的关系1 5 图2 3 不同n s 值的q m o - p h 关系曲线1 6 图3 1i s f e t 等效电路2 2 图3 2 不同p h 僮的情况下，i s f e t 的转移特性曲线2 5 图3 3 界面势与p n 的变化关系2 5 图3 , 4当p h = 7 时，温度对i s f e t 的输出特性的影响“2 6 图4 1“三明治”栅结构的i s f e t 结构2 8 图4 2 叉指互连栅i s f e t 的布局图“3 0 图4 , 3 采用c m o s 实现的四种i s f e t 结构3 1 图4 4 测量实验系统3l 图4 , 5a 器件的i d s v g s 的转移特性曲线3 2 图4 6 c 器件的i d s v g s 的转移特性曲线3 2 图4 7b 器件的i d s v g s 的转移特性3 3 图4 8d 器件的i d s v g s 的转移特性曲线3 3 图5 1i s f e t 差分对管电路“3 4 图5 , 2i s f e t 与r e f e t 室温时源极电压与p h 的关系模拟曲线3 5 图5 3i s f e t 漏源跟随电路一3 6 图5 4 输出电压v o u t 与漏源电压v d s 陷线图3 6 图5 5 硅衬底体效应一3 7 图5 6 “i s f e l m o s f e r 互补对结构电路3 8 图5 + 7 “i s f e t ，m o s f e t 互补对栅极反馈形式3 8 图5 8 栅极反馈小信号模型形式- 3 9 图5 9 “i s f e t ，m o s f e r 互补对源极反馈形式4 l 图5 1 0 运算放大器输入偏置电路4 3 图5 a1 运算放大器增益级4 5 图5 1 2 运算放大器输出级4 6 图5 1 3 运放直流传输特性4 8 图5 1 4 共模输入电压0 1 v 时的幅频及相频特性4 9 图5 1 5 计算转换速率的方波脉冲5 0 1 1 1 p h - i s f e t 生物传感器集成化设计的研究 图5 1 6 共模电压增益的幅频特性5 0 图5 1 7 温度扫描时幅频相频特性曲线5 1 图6 1n - i s f e t 版图”5 3 图6 2 运算放大器版图“5 5 图6 3 运算放大器直流传输特性分析一5 6 图6 4 运算放大器辐频和相频特性“5 6 图6 5 电路p h 灵敏度分析5 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：席匆捉 日期：力口缉乡月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 杨扳 锨矗红 日期：彬年f 月2 日 日期：酊年f - - 月2 日 硕士学位论文 第1 章绪论 = 十世纪台十年代以来，生觎型莲醴斑孀拨展，作揪0 彗渤障内化学成分的番件生物 传悠黼出j 乳六十午代中期趋酗留拥酶的催化作用和它的艟比等叫生开发了酶e 斟营器， 并达到实用阶段。七十串代叉研制出微型渤崩懿瓢免疫榭疃船等。八十年代以来，生物传感 器的既念襁l 埝认，作为传感器盼个分吱它6 化学俺懿舡嘲自立出来，并且得到了深 的发 展。在半导饼国蜮，在上世纪五十年代，美国科学家发明了m o s f e t ( m e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e tt r a n s i s t o r ) ，随着科技水平的不断进步，m o s f e t 被大量 应用于超大规模集成电路f v l s i ) 设计中，这极大的改变了人类的生产生活方式；随 着m o s f e t 的演变，以m o s f e t 技术而延伸发展出的感测器件也逐渐被人们发明 和改进，例如光感测器件，气体感测器件，湿度感测器件等；而离子场效应晶体 管( i o n - s e n s i t i v ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，i s f e t ) 作为检测生物化学信号的敏感器件也 是在这种环境下首先被荷兰科学家e b e r g v e l d 提出【l 】的。生物群燕曰鹦半导体技术 枉自吉厶，值蚶 i 扒了生物龟孑掣锫耀张g 列代。 生物传感器是指能感应( 或响应) 生物、化学量，并按一定规律将其转换成 可用信号( 包括电信号、光信号等) 输出的器件或装置。它一般由两部分组成， 其一是生化分子识别元件( 感受器) ，由具有对生化分子识别能力的敏感材料( 如 由电活性物质、半导体材料等构成的化学敏感膜和由酶、微生物、d n a 等形成 的生物敏感膜) 组成；其二是信号转换器( 换能器) ，主要是由电化学或光学检测 元件( 如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等) 。而i s f e t 生 物传感器的换能元件就是能对生物体液离子响应的离子场效应晶体管，它能够在 同一块微小的芯片上与其它灵敏元件集成在一起，并可以植入生物体内进行实时 检测；i s f e t 具有宽广的离子测量范围，因此在环境保护、化工、矿山、地质、土 壤、水文、军事以及家庭生活中都有应用，尤其是其微型化的特点，使之在生物医 学领域中不仅应用范围日益广泛，而且具有更强的生命力。 ( 1 ) 在医学和生理学方面：临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的体 液( 包括血液，脑髓液，汗液和尿液等) 和活性组织。体液中某些无机离子f 如口、k + 、 n a + 、c a 2 + 、f 、r 等离子) 的微量变化都可以快速而准确地检测出来，为正确诊断病 情和及时治疗提供可靠的依据。在临床医学和生理研究中，往往需要测量人或动物 体液中的糖类、脂、醇、各种氨基酸、维生素、肌酸肝等分子以及0 2 、c 0 2 或n h 3 等气体，因此在 r - i s f e t 的基础上，可制成检测体液中的各种分子的酶f e t , 免疫 f e t 和微生物f e t 等生物传感器，以及检测体液中0 2 、c 0 2 或h 2 等气敏f e t 传感 器。 ( 2 ) 在环境保护方面：水体、大气和土壤中的有机毒物、无机毒物、农药及生 p h - i s f e t 生物传感器集成化设计的研究 活废水等对水体、大气和土壤的污染能使动植物和人类中毒；i s f e t 在大气污染的 般测中具有重要的使用价值，例如，通过检测雨水中各种离子的浓度，可以监测大 气污染的情况并查明污染原因；另外，用i s f e t 对鱼类以及其它水生动物血液中 有关离子的检测，可以确定水域污染的情况及其对生物的影响；用i s f e t 还可以对 植物不同生长期内离子的检测，研究植物在不同生长期对营养成分的需求，以及土 壤污染对植物生长的影响等。 ( 3 ) 在军事和司法中应用：使用军用生物传感器的主要目的是：( a ) 鉴别敌方使 用的化学武器、生物武器或基因武器的类别，检测有毒物质的散布范围和浓度；( b ) 对战地环境中的大气、水源和食品进行毒性检测；( c ) 伤病员病因诊断。检测的对 象包括：化学武器( 如窒息性、神经性、血液和起泡性毒剂) ；毒素类武器( 如相思 予毒素、黄曲霉素、肉毒素、破伤风毒素等1 以及细菌及真菌类武器等等。在司法 工作中，能用于案件侦破、法医学等。 ( 4 ) 在农业土壤中的应用；它可用于土壤中的某些营养物质的测定，同时也可 测定某些肥料分解转化产物。为了判断土壤肥力，对于氮素的供应状况通常利用 植株中的氨基酸来判断。但比色法不仅受植株颜色的干扰，而且不能区分不同的 氨基酸。而i s f e t 则不受这些限制，某些微量元素的增产机理实际上和酶的活性 有关。微量元素并不直接参与种子内部淀粉、糖类或蛋白质的生成，而是经过酶 的活性中心促进合成过程，利用i s f e t 传感器可研究微量元素的作用。土壤中发 生的化学过程实际上是一个复杂的无机有机生物化学过程，土壤中无机组分和动 植物残体分解产物形成的无机- 有机复合物，是土壤胶体化学研究的主要内容。酶 在复合物的形成过程中有重要的作用。可以预计，i s f e t 可以应用于土壤中氮素和 磷素转化各阶段产物及转化过程的动态研究。同样，在土壤中发生的电化学过程 也不单纯是无机物之间的传质过程，而是伴随着有酶参与的反应，因此，i s f e t 传感器也可应用于土壤的生物电化学研究。 ( 5 ) 在其它方面的应用：由于i s f e t 具有小型化，全凰态化的优点，因此对被检样 品影响很小在食品工业中，可以用它来测量发酵面粉的酸碱度，随时监视发酵情况 应用i s f e t 还可以检测药品纯度及洗涤剂的浓度随着i s f e t 性能的不断提高，其应 用领域将会越来越广。 1 1 i s f e t 传感器简介 1 1 1i s f e t 器件结构 i s f e t 的结构与去掉金属栅或多晶硅栅的m o s f e t 极为相似( 如图1 1 所示) ， 其绝缘栅直接与电解液接触，电解液一绝缘层界面的电势与电解液中的离子浓度 硕士学位论文 ( 活度) 有关：溶液中离子浓度的改变将引起i s f e t 器件阈值电压相应的改变。 多年来，对硅材料的研究结果表明s i 0 2 是硅表面最好的钝化材料；抗水化和 抗离子迁移的材料的选择常依赖于微电子工艺兼容性及膜附着性，无机绝缘体 s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、t a 2 0 5 等均可以满足这要求，且对时离子具有较高的灵敏性和 选择性，已被广泛采用f l - 5 l 。 圈1 1m o s f e t 结构示意图( a ) 和i s f e t 结构示意图( b ) 1 1 2p h - i s f e t 的敏感机理 离子敏感场效应晶体管自诞生以来，围绕i s f e t 器件的敏感机理展开了广泛 的研究。i s f e t 对p h 值0 r 离子浓度) 响应的物理根源涉及到i s f e t 结构的所有区 域，其中以电解液一绝缘体界面最为重要。在众多众多敏感机理模型中可分为两 大类，即表面基模型和扩散模型。扩散模型假设溶液为等电位体，绝缘层与电解 液形成离子扩散导电直至热动态平衡，使绝缘体表层的界面电荷及电位发生变化。 该模型有有l a u k s & z e m e l e s 首次用于i s f e t 器件。 表面基模型则认为，在绝缘体表面存在可离化的表面基团或表面基，氢离予 可直接与这些两性表面相互作用( 释放氢离子或与氢离子结合) ，该表面产生的电荷 由溶液中带相反电荷的离子所中和，形成的双电层的电势与溶液中氢离子的活度 有关。可离化表面基模型由l e v i n e & s m i t h t t 和y a t e se ta 1 【8 1 首次提出，后由 s i u & c o b b o l d 9 应用于i s f e t 器件，又经b o u s s ee ta | 【1 0 1 、f u n ge ta 1 【1 1 】的努力使表 面基模型的理论逐步完善。 1 1 3 器件特性 i s f e t 与离子选择电极( i o n _ s e l e c t i v e - e l e c t r o d e ) 比较，展示出其诱人的特性： ( 1 ) 输出阻抗低，一般i s e 的敏感膜有很高盼输出阻抗，如玻璃电极的输出阻抗 高达i g o ，需要配以高输入阻抗的p h 计才能进行测量；并且从i s e 的电极到毋i 计的输入端之间的连线要良好屏蔽，而i s f e t 具有m o s f e t 输入阻抗高，输出阻抗 。世罂罂：兰丝簦璧矍塞盛垡堡生墼塑塞 。 低的特点，同时还有对信号进行放大的作用。 ( 2 ) 全固态化结构，具有体积小，重量轻，机械强度高等特点，特别适合于生物体内 测量。 f 3 ) 由于利用了成熟的半导体薄膜工艺，因此敏感膜的厚度可以做得很薄，一般 只有1 0 0 0 埃左右，最薄可做到几十埃，因此i s f e t 的水化时间很短，对离子活度的响 应速度很快。响应时间小于1 秒，而一般i s e 的响应时间约数分钟。 n ) 由于i s f e t 是利用集成电路工艺制造的，不仅使单个器件小型化，而且可以 实现把多种离子的t s f e t 集成在一起，或把离子敏感器件与参比电极集成在一起， 或把信号处理电鼹集成在一块芯片上，实现整个系统的集成化，j 、瓤化和全固态化。 ( s ) 由于i s f e t 龅离子敏蓥材料与场效应晶体管的源漏之间是互相绝缘的，依靠 敏感膜与绝缘体界面电位的变化来控制沟道中源漏电流变化，测量溶液中离子的活 度。因此，把离子敏感材料与电极分开，无需考虑离子敏感材料的导电性问题。这样 就可以在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感材料，从而 使之在发展多种离子传感器方面有着广阔的前景。 1 1 4 器件种类 种类繁多的i s f e t 传感器基本上可以按敏感层的敏感机制分为三类：( 1 ) 阻挡 型界面绝缘膜：( 2 ) 非阻挡型离子交换膜；( 3 ) 固定生物膜( 如酶膜、免疫膜等) 。所 有l s f e t 传感器的三表面钝化层和防水层都基本相同。不同的仅是表面的离子敏 感层。阻挡受赛面绝缘膜包括不水化的无机绝缘体，如s i 3 n 4 、a h 0 3 、t a 2 0 5 及疏 水性聚合物，如聚四氟乙烯和聚对亚苯基二甲基。由于电解液绝缘体界面完全阻 挡水化和离子传输但可极化) ，因此，电解液一绝缘体( e l e c t r o l y t e q n s u l a t o r ) 界面无 质量和电荷传输。e - i 界殛势由绝缘体表面吸附带电离子和电解液中反号平衡电荷 所决定，这种类型的e - i 界面满足表面模型。 非阻挡型离子交抉膜包括传统i s e 通常使用的材料固态膜、液态膜、掺金属 离予豹玻璃等。电解液离子交换膜界面电势由溶液中离子浓度和膜内离子浓度之 差决定，平衡时化学势相等。由于非阻挡型离子交换膜电解液界面有电荷传输穿 过表面进入膜内，因此描述界面势的理论完全不同于阻挡型电解液绝缘体界面 理论。 周定生物膜由聚合物基质作载体和某种生物材料( 如酶、抗原抗体、微生物、 细胞等) 组成，根据不同的生物膜材料制备的i s f e t 又可以分别称为酶f e t 、免疫 f e t 、微生物f 王t 等。溶液中被测物质与生物膜进行生物化学反应( 或直接反应或 作为反应的催化赉j ) 释放某种可以使i s f e t 敏感的产物( 如h + 离子等) ，从而能够实 现对生物信号的检测。 显而易见，在众多种类的i s f e t 中，器件的结构基本相同，只有敏感膜的差 2 生2 ：! 兰丝垡曼翌耋鏖丝篓i ! ：塑! l 塞 。：一一 低的特点同时还有对信号进行放大的作用。 ( 2 ) 全固态化结构，具有体积小，重量轻，机械强度高等特点，特别适合于生物体内 测量。 f 3 油于利用了成熟的半导体薄膜工艺，因此敏感膜的厚度可以做得很薄，一般 只有1 0 0 0 埃左右，最薄可做到几十埃，因此i s f e t 的永化时间很短，对离子活度的响 应速度很快，响应时间小于1 秒，而一般i s e 的响应时间约数分钟。 n ) 由于i s f e t 是利用集成电路工艺制造的，不仅使单个器件小型化，而且可以 实现把多种离子的i s f e t 集成在一起或把离子敏感器件与参比电极集成在一起， 或把信号处理电路集成在一块芯片上，实现整个系统的集成化，小型化和全固态化。 f 5 ) 由于i s l e t 的离子般黪材料与场效应品体管的源漏之问是互相绝缘的，依靠 敏感膜与绝缘体界面电位的变化来控制沟道中源漏电流变化，测量溶液中离子的活 度。因此。把离子敏感材料与电极分开，无需考虑离子敏感材料的导电性问题。这样 就可以在包括绝缘材料在内的广泛材料领域中找到更多更好的离子敏感材料，从而 使之在发展多种离子传感器方面有着广阔的前景。 1 1 4 器件种类 种类繁多的| s f e r 传感器基本上可以按敏感层的敏感机制分为三类：( 1 ) 阻挡 型界丽绝缘膜；( 2 ) 非阻挡型离子交换膜；( 3 ) 固定生物膜( 如酶膜、免疫膜等) 。所 有i s f e t 传赌器的三表面钝化层和防水层都基本相同，不同的仅是表面的离子敏 感层。阻挡型界面绝缘膜包括不水化的无机绝缘体，如s i 抖4 、a 1 2 0 3 、1 赴0 5 及疏 水性聚合物，如聚四氟乙烯和聚对亚苯基二甲基。由于电解液绝缘体界面完全阻 挡求化和离子传输( 但可极化) ，因此，电解液绝缘体( e l e c t r o l y t e i n s u l a t o r ) 界面无 质量和电荷传输。e - l 界恧势由绝缘体表面吸附带电离子和电解液中反号平衡电荷 所决定，这种类型的e i 界面满足表面模型。 非阻挡墅离子交拯膜包括传统i s e 通常使用的材料固态膜、液态膜、掺金属 离予的玻璃等。电解液一离子交换膜界面电势出溶液中离子浓度和膜内离子浓度之 麓决定，平衡时化学势相等。由于非阻挡型离子交换膜电解液界面有电荷传输穿 过表面进入膜内因此描述界面势的理论完全不同于阻挡型电解液绝缘体界面 理论。 固定生物膜由聚合物基质作载体和某种生物材料r 如酶、抗原抗体、微生物、 细胞等) 组成，根据不同的生物膜材料制备的i s f e t 叉可以分别称为酶f e t 、免疫 f e t 、微生物f e t 等。溶液中被渊物质与生物膜进行生物化学反应( 或直接反应或 作为反应的催化剂) 释放某种可以使i s f e t 敏感的产物( 如 离子等) ，从而能够实 现对生物信号的检测。 显而易见，在众多种类的 s f e t 中，器件的结构基本相同，只有敏感膜的差 显而易见，在众多种类的 s f e t 中，器件的结构基本相同，只有敏感膜的差 硕士学位论文 别决定i s f e t 器件的敏感性；目前，p h - i s f e t 生物传感器是其他各类离子传感器 的基础。 1 2 研究现状 1 2 1 敏感材料的选择 对p h 。i s f e t 器件而富，敏感层的选择显得尤为重要；因为，它直接影响传感 器的测量精度。作为敏感层的绝缘材料必需具有如下特性： ( 1 ) 对氮离子具有选择性和灵敏性； ( 2 ) 对硅表面具有钝化作用； ( 3 ) 阻挡氢离子或其它特性的离子迁移至半导体内部。 找到一种能同时满足上述特性的材料是极其困难的；然丽，在科研工作者韵 不懈努力下，人们已经发现了s i 3 n 4 1 2 1 、砧2 0 3 1 1 孙、t a 2 0 5 【1 叼都能淀积s i 0 2 层，且都 表现出良好_ 差| q 敏感性能；上述材料可以由c v d ( 化学气相淀积) 或溅射方法得到。 上世纪八十年代，m a t o s 报道了分别以s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 和t a 2 0 5 作为栅极的p h - i s f 王、t 的特性。为了肘玩它们对离子的选择性和灵敏性f 尽管所得到的结果依赖于特定豹 淀积流程，但是基于代表性的考虑) ，现概括如表1 1 ： 表1 1 不i 霉材料的敏感特性比较 s i 0 2s i 3 n 4a 1 2 0 5t a 2 0 s 灵敏度2 5 - 4 8 m v 摩h4 6 5 6 l n 、棚+ 5 3 5 7 m v ，p h 5 6 - 5 7 i n v 伊h 瞬时响应差较好好好 稳定性差较好好好 在所有情况下，s i 0 2 性能表现最差，a 1 2 0 和t a 2 0 5 最好；而s i 3 n 4 是介于中 间的材料。因此，s i 3 n 4 可以被当作是制作i s f e t 的较好的敏感材料，并且，由于 它是集成电路工艺厂商( i c - f o u n d r y ) 燃悉的材料，因此，很容易用c m o s 工艺 实现。淀积s i 3 n 4 可以采用不同的方法，但是假若没有温度限制，l p v c d ( 低压化 学气相淀积) 是一种最好的援术。 1 2 2i s f e t 与a 姻黪王艺兼容性的研究 i s f e t 器件不能借助c m o s 工艺直接予以实现，主要是因为标准i s f e t 的栅 极区域只存在辱溶液直接接触的敏感膜，而标准c m o s 工艺中，m o s f e t 的栅极 需要借助多晶硅的自对准效应以定义漏源区；这就意味着要求有特殊的工艺步骤 或改进器件结构。起初，h - s w o n g 和t c w y e o w 各自介绍了一种基于通常c m o s 工艺，采取特定步骤实现i s f e t 的流程 1 5 , 1 6 ；在他们的方法中，都需要一组单独 2 已：里当望釜璧芝塞盛些兰盐墼堑耋 制作i s f e t 的掩膜版，在流程的最后再淀积一层s i 3 n 4 敏感材料。这就对c m o s 工艺做了较大的改动。进入九十年代中期，几位研究人员对前述流程做了进一步 的发展，逐渐剔除了单独制作i s f e t 的步骤【17 1 8 ”9 1 ，而用制作m o s f e t 的掩膜版 来制作1 s f e t ，明显的特点就是在制作的过程中充分利用到了自对准效应；不同之 处在于，文献 1 7 q u 提出保留多晶硅作为悬浮栅，而文献 1 8 贝r j 建议用刻蚀的方法 去除多晶硅。但是在两种方法中，前者对敏感膜8 i 3 n 4 的形成是借助l p c v d 的方 法，要求有较高的温度，因此不能使用金属层铝，他采用的是硅化钨；后者在工 艺流程的后阶段对多晶硅的刻蚀仍1 日增加了额外的掩膜版。这两种方法都必须对 标准c m o s 工艺进行改进：需用硅化钨作为金属互联层，而要求非常精细的“刻 蚀”掉多晶硅。由于掩膜版制作成本相当高( 对o 3 5 1 a m 工艺而言，一块版的花费约 为几万美元) ，因此，上述对工艺的改进都大大增加了制作的成本。 1 2 3 集成化设计豹研究 i s f e t 传感器集成化设计包含两个方面的内容：一是同类型或不同类型的多传 感器芯片集成：二是将传感器与信号处理电路的同芯片集成。集成化的发展与完 善可以带来传感器性能、可靠性和经济性能等韵提高，进而走向智能化。智能化 传感器1 2 0 的特点是集成了微处理单元和存储单元等，可以对信号进行分散处理， 便于实现多传感功能和实时控制。 众所周知，c m o st 艺是半导体领域制作m o s f e t 器件及其电路的主流工艺， 当前已经非常成熟( 特征尺寸达到了6 5 纳米) ；i s f e t 传感器集成化设计的主要途 径就是借助c m o st 艺予以实现【2 l 】；i s f e t 能够与c m o s 工艺兼容除了能明显降 低生产成本外，还可以将敏感单元及信号处理电路在同样的工艺条件下集成在一 起构成“m 硬核”( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yh a r db l o c k ) ，适应片上系统( s y s t e m - o n - c h i p ) 发展的方向。 目前，应用于c m o s 集成化设计的i s f e t 信号处理电路主要有两种工作模式： 一种是保持漏极电流恒定，通过测量栅极电压获得器件对离子变化的响应，以“差 分对管”形式为代表：另一种模式是保持栅极电压恒定，由漏极电流反映离子活 性的变化，例如“漏源”跟随形式。基于此，研究人员提出了若干种适应i s f e t 集成化设计的c m o s 信号读取电路形式，它们一般都能较好的抑制温漂的影响。 然而，我们研究发现，这些电路形式虽然考虑了温度漂移的负面影响，然而却忽 珞了当利用c m o s 工艺实现集成时，衬底“体效应”对器件敏感性能的影响。 总之，从理论上讲。i s f e t 传感器及其集成化产品可以满足临床医学、生理学 研究对体液检测的需求，但目前国际上仍只有少量的i s f e t 商品化，大都处在研究 或中试研究阶段，在i | 缶床医学上的应用尚有一定距离，主要表现在： ( 1 ) i s f e t 和所有的半导体器件一样，温度的影响比较明显，使用中温漂、时 顼士学位论文 - _ _ _ i i i i ii ii i 、ii i i i i i i - 漂、滞后现象较为严重； f 2 1i s f e t 制造工艺技术尤待进一步的完善、离子敏感膜品种的研究开发，膜 的开发，膜的稳定性，灵敏度以及封装技术都有待提高； ( 3 ) 鉴予传感器集成化、多功能化、智能化的发展方向，i s f e t 从器件结构 及其信号处理电路应适应传感器的发展趋势。 随着生物医学工程和化学分析的研究，离予敏场效应型生物传感器愈来愈引 起人们的重视，如何使这类传感器真正走向实用( 提高稳定性和可靠性以及解决封 装问题等) 仍是世界各国传感技术研究的主要课题。此外，i s f e t 传感器的集成化、 多功能化也是近年来研究的热点。 1 3 本文的礴究目的及内容 鉴于i s f e t 传感器集成化、智能化的发展方向，探索通过以标准c m o s 工艺 实现i s f e t 器件与信号读取电路的集成化研究成为本课题的研究目标。 最近，b p a i 雌借助c m o s 工艺成功制作了i s f e t 器件田j ，并设计出与i s f e t 工艺匹配的信号电路读取形式，实验结果表现出良好的性能；然而经研究发现，他 提出的“差分对管结构”的电路读取形式虽然能能够抑制诸如“温度漂移”现象， 但却忽略了“硅衬底体效应”对测量精度的影响；此外，当前，通用的电子设计 自动化( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ，即e d a ) 工具尚无对i s f e t 器件模型的描述， 即没有内建的模型；我们在深入研究i s f e t 敏感机理的基础上，提出了一种适于 描述i s f e t 电学特性的行为模型，并考虑“硅衬底体效应”，设计出一种更加合理 的而且适于i s f e t 集成的信号读取电路方式。 本文首先对i s f e t 生物传感器的研究概况已经作了简单的综述；在随后的章 节中，将在分析p h - i s f e t 的化学敏感枫理的基础上，比较i s f e t 与m o s f e t 的 电学特性，并提出描述i s f e t 器件特性的屯学模型，并把模型仿真的结果与实验 数据进行对比；随后，将阐述i s f e t 器件的c m o s 工艺实现过程，设计出一种与 c m o s 工艺相匹配的“三明治”橱结构的器件结构；紧接着，提出一种适于 p h q s f e t 集成化设计的“i s f e t m o s f e t 互补对管”的电路读取形式，并进行了 模拟仿真；在文章的最后，设计出传感器敏感单元及其信号读取电路的版图并作 了物理验证及后仿真工作。 2 譬：量：兰塑簋璧登兰盛些篓盐箜墼耋 第2 章p h - i s f e t 的敏感机理 氢离子敏感场效应器件q h i s f e t ) 的敏感机理研究经历了二十多年的发展与 完善，在灵敏度和快速响应等方面表面基模型理论田，2 4 】得到了广泛认同。表面基 模型认为，在绝缘体表面存在可离化的表面基团或表面基，氢离子可直接与这些 两性表面相互作用( 释放氢离子或与氢离子结合) ，该表面产生的电荷由溶液中带相 反电荷的离予所中和，从而形成偶极层电势，产生