（物理电子学专业论文）phisfet生物微传感集成芯片的研究.pdf

摘要 摘要 本文以p h - i s f e t 为基础，研究了电位型生物传感集成芯片系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) 的相关理论及关键技术。 创新地引入了悬浮栅结构i s f e t ，利用t a 2 0 5 的敏感性和聚四氟乙烯( p t f e ) 的钝化特性设计出i s f e t r e f e t 传感器与p t 准参比电极( q r e ) 构成差分测试 结构。 依据电解液绝缘体半导体( e i s ) 表面基模型理论，分析研究了t a 2 0 5 薄膜表 面的电化学过程，建立了t a 2 0 5 i s f e t 传感器s p i c e 等效电路模型，成功地把 i s f e t 作为集成电路的一个器件，对集成芯片进行整体仿真分析，为芯片设计和 加工提供了理论依据。 由新加坡c h a r t e r e d 半导体集成电路公司标准c m o s 工艺流片，获得高质量 集成芯片。设计出微小芯片专用工艺模具，由m e m s 技术进行集成芯片后续加 工。 系统研究了t a 2 0 s 敏感薄膜淀积中衬底温度、溅射气压等条件对p h 敏感性 能的影响。探索出在衬底温度3 0 0 条件下获得优质敏感薄膜的制膜条件。该薄 膜具有较高的灵敏度( 5 4 5 m v p h ) 、较快的响应速度( 0 2 s ) 、良好的稳定性 ( 0 0 3 m 、仲) 和重复性，并可用于集成芯片制备。 本研究解决了f e t 型生物传感器与集成电路的兼容性问题，初步实现了传 感器与集成电路的单芯片集成，获得较高的灵敏度和良好的稳定性，验证了基于 标准c m o s 工艺的微传感集成芯片的可行性，为进一步构建数字型生物传感芯 片系统奠定了基础。 关键词：i s f e t ，t a 2 0 5 ，r e f e t ，宏观模型，集成芯片 r e s e a r c ho fi n t e r g r a t e db i o s e n s o rc h i pb a s e do nf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r s s u nh o n g g u a n g ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db yp r o l x i as h a n h o n ga n dh a nj t n g h o n g a b s t r a c t i n t e g r a t e dp o t e n t i o m e t r i cb i o s e n s o rc h i pw i t hp h - i s f e ts e n s o ri sd e v e l o p e d ， a n ds o m er e l a t e dt h e o r i e sa n dk e y t e c h n o l o g i e sw i t hb i o - s y s t e mo nc h i p ( s o c ) a r e s t u d i e d an o v e lf l o a t i n g - g a t ei s f e ts t r u c t u r ei s d e v e l o p e dt o g e t h e rw i t hr e a d o u t i n t e r f a c e at a 2 0 s g a t ei s f e t p t f e - g a t er e f e t p a i ri sr e a l i z e dt o g e t h e rw i t hap t m e t a le l e c t r o d e ( q u a s ir e f e r e n c ee l e c t r o d e ，q r e ) o nas i n g l ec h i p p h y s i c a l c h e m i c a lb e h a v i o ro fe l e c t r o l y t e i n s u l a t o r s e m i c o n d u c t o rs y s t e m ( e i s ) i sa n a l y z e db a s eo nt h es i t e - b i n d i n gm o d e l ，a n das p i c ec o m p a t i b l em a c r o m o d e lo f t h et a 2 0 s - g a t ei s f e ti sd e v e l o p e d t h em o d e li sf r i e n d l yu s e da n da l l o w sm o r e a c c u r a t es i m u l a t i o no ft h ed e v i c eo p e r a t i n gw i t ht h eo n - c h i pr e a d o u ti n t e r f a c e t h ec h i pi sm a n u f a c t u r e dw i t hs t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y ( c h a r t e r e d s e m i c o n d u c t o r , s i n g a p o r e ) an o v e lm o l di sd e v e l o p e df o rp o s tp r o c e s s ，a n dt h e s e n s o rc h i pi sf a b r i c a t e dw i t hm e m st e c h n o l o g y t h ei n f l u e n c eo f d e p o s i t i o nc o n d i t i o n s ，s u c h a ss u b s t r a t e t e m p e r a t u r e ， d e p o s i t i o np r e s s u r e ，o nt a 2 0 5s e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h e s e n s i n gf i l mi sa c h i e v e da tl o ws u b s t r a t et e m p e r a t u r e ( 3 0 0 。c ) w i t hh i g hs e n s i t i v i t y ( 5 4 5 m v p h ) ，r a p i dr e s p o n s e ( o 2 s ) ，e x c e l l e n ts t a b i l i t y ( 0 0 3 m y h ) a n d r e p r o d u c i b i l i t y , w h i c hi sc o m p a t i b l ew i t ht h ei n t e g r a t e ds e n s o rc h i p am o n o l i t h i cc h i pi sa c h i e v e dw i t hh i g hs e n s i t i v i t ya n de x c e l l e n ts t a b i l i t y , w h i c hp r o v e st h ec o m p a t i b i l i t yo fm o n o l i t h i cs e n s o rc h i p t h er e s e a r c hp a v e st h e w a y f o ra d v a n c e dd i g i t a li n t e l l i g e n ta n dm i n i a t u r i z e ds e n s o rs y s t e m s k e yw o r d s ：i s f e t , t a 2 0 5 ，r e f e t , m a c r o m o d e l ，s o c 研究成果声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导 下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致 训的地方外，学位i ：仑文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位 或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的 任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名：列、亏l 扎日期：2 一f 孕) 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论 文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论 文的原件与复印件：电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复 制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子 所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公 布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：舌j 纽表一j 日期：a u 。千， 导师签名：摹善f ， 日期：如。牛3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 生物传感集成芯片研究背景及意义 随着微电子学及生物技术的迅速发展，生物传感技术已经成为一个独立的 新兴高科技领域。基于m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 技术的生物 传感器，具有微型化、集成化、智能化的优势，它的配套仪表具有集成化、数字 化、使用方便等优点。生物传感器的高效、快速检测的特点将为生物医学、环境 检测、食品、医药工业等领域带来新的技术革命。集成电路能够可靠地接收和处 理来自传感器的信号，并根据信号处理结果控制驱动器，形成一个完整的自动化 控制体系，这就是集成化芯片系统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 。“半导体集成化芯 片系统”反映了微电子领域在本世纪一个重要发展方向，即由集成电路0 c ) $ j 集 成系统0 s ) 方向的发展。该类系统具有高性能、低功耗、体积小等特点。微传感 s o c 是一个比较复杂的集成系统，尤其是生物微传感系统，在生命科学研究、 生物医学工程、医疗保健、食品加工、环境检测等领域具有广阔的应用前景，受 到普遍关注。 本文的研究内容是国家自然科学基金重点项目“生物微传感集成芯片系统基 础研究”的一个部分。该项目是针对生物微传感器领域前沿问题进行芯片系统集 成化的基础研究，建立与微电子技术相结合的生物微传感系统技术平台。本文主 要研究电位型生物传感器集成芯片，侧重以电位型场效应生物传感器为研究对 象，探索与s o c 结合的相关基础科学问题和共性关键技术。通过典型的场效应 型电化学生物传感集成化芯片系统的研制，深入研究芯片的基础传感器( i s f e t ) 将被分析物的浓度信息转换成电位信号的传感机制、敏感膜与载体界面相互作用 的动力学问题、敏感膜的微尺度效应等基础科学问题，探索和解决微传感集成芯 片的设计、加工、封装、测试以及m e m s 与i c 在设计、加工、封装层面上的兼 容性等共性关键技术，研制出电位型场效应生物传感器集成化芯片系统初样。 1 2 生物微传感集成芯片系统研究 生物传感器是用来检测生物试样化学成分的器件。如图1 1 所示，生物微 p h i s f e t 生物微传感集成芯片的研究 传感器在结构上一般由两部分组成：其一是分子识别元件，即具有分子识别能 力的生物活性物质( 如酶、微生物、抗原或抗体、核酸) 或离子敏感薄膜；其 二是信号转换器，主要是电化学或光化学检测元件。其中可采用微电子技术制 被测一 物质目 分子识别元 换能器： 件：酶、抗 物理化学变化 电化学器件 体、蛋白质、熟敏器件 微生物、产生热、光、 光敏器件 d n a 等声等声敏器件 测量 和 控制 电路 图1 1 生物传感器的基本原理 备的有电流或电位测量微电极、热敏二极管或电阻、场效应晶体管和光电器件 等。当待测物质与分子识别元件特异性结合产生复合物质时，会导致信号( 电 流、电位、光、热) 的变化。通过信号转换器将这些变化转换成电信号，从而 达到分析检测的目的。最初的生物传感器是由固定化酶膜和电化学器件构成酶 电极，人们常把早期研制的酶电极称作第一代生物传感器；其后开发的免疫、 微生物、细胞器、动植物组织、酶免疫生物传感器称作第二代；到上世纪七十 年代末，生物传感器的重要性引起人们的注意，认识到它的应用价值，进一步 按电子学的研究方法进行生物电子学的尝试，开拓了生物传感器的第三代。目 前生物传感器正进入与集成电路制作在同一芯片上的研究阶段，构成生物传感 器的第四代。生物传感器与集成电路在同一芯片上，电路一方面可以为传感器 提供稳定的工作点并能输出传感器检测信号；另一方面还可以对传感器输出信 号进行原位处理，引线大大减少。在测试过程中，外部环境干扰比较小，因此 具有较高的信噪比。集成芯片摒弃了体积庞大的检测设各，体积大大缩小。芯 片微型化具有很大的使用价值，尤其是在医疗体内检测等特殊场合非常重要。 生物传感器的研究与应用已有近半个世纪的历史，种类繁多，技术手段日 新月异。根据生物反应产生信息的物理或化学性质来分，生物传感器的信号转 换器有电化学换能器、热敏电阻、光电转换装置、压电器件( q c m s a w ) 等。 据此可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光 型生物传感器、测声型生物传感器等。电化学生物传感器与微电子技术相结合 不断地开发出新型电化学生物微传感器。作为电化学生物换能器的电化学器件， 其自身就是对化学物质敏感并将其定量地转变成电信号的基础电化学传感器。 2 第一章绪论 根据它的转换方式和输出的电信号不同，电化学传感器又可分为电流型传感器 ( 例如氧、过氧化氢微电极) 、电位型电化学传感器( 例如离子选择电极i s e ， 离子敏场效应晶体管i s f e t ) 、电容型( 电解液绝缘膜敏感膜，即e i s 结构) 电化学传感器、电导型电化学传感器等。电位型电化学传感器中，尤其由于 i s f e t 具有较高的灵敏度、信号易于采集、容易微型化、能在浑浊的溶液等恶 劣环境中工作等优势，而越来越受到人们的青睐。f e t 型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敏场效应晶体管，它能够在同一微小的芯 片上和其它敏感元件集成在一起，并可以置入生物体内进行实时检测。i s f e t 具有较宽的n e m s t 响应，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，使它在生物医学领域中不 仅应用日益广泛，而且具有更强的生命力。 三十多年来，虽然人们对f e t 型生物传感器给予了大量的研究，但一直没 有能很好地走向市场。作为一种生化检测工具，具有优良的性能参数、低廉的 成本无疑是产品市场化最为重要的因素。f e t 型生物传感器是基于器件对绝缘 层与电解质溶液间界面电位变化敏感的现象发展起来的，它是电化学和微电子 学相结合的产物。该传感器既具有离子选择电极( i s e ) 相应离子敏感特性，又 具有场效应晶体管的特性。因此，从结构和检测原理上来讲，f e t 型生物传感 器都具有与c m o s2 1 2 艺相兼容的先天优势。目前，c m o s 技术由于低功耗、低 成本、高集成度等巨大优势己成为集成电路生产技术的主流工艺，发展c m o s 微传感系统具有广阔的前景。微传感器集成芯片采用标准c m o s 工艺流片，芯 片引线大量减少，能够通过芯片电路对信号进行原位处理，保证了高一致性、 高可靠性、高精度和高稳定性。因此对它的研究无疑具有重要的理论和实用价 值。在芯片上固定不同的敏感薄膜，还可以实现多参数同时检测。同时，通过 芯片电路对信号进行原位处理，来提高敏感薄膜的选择性，其功能也得到了大 大扩展。传感器与集成电路的单芯片集成成本低、一致性好、能够加快其产品 化步伐。 1 2 1 电位型生物传感器 电位型生物传感器由电位型电化学换能器与具有分子识别功能的生物敏感 p h 一1 s f e t 生物微传感集成芯片的研究 膜两部分构成。其中，电位型电化学换能器是这类传感器的基础，它通过溶液 敏感膜界面上可逆地发生电化学反应把被测化学物质量转变为电位信号。p h 玻 璃电极和其它离子选择性电极就属于此类传感器。其中离子选择性电极实际上 是一种膜电极，它的功能实现基于敏感膜与溶液间界面上的离子交换。电位型 传感器是电化学电池的一个部件，其工作原理是基于电解液，敏感膜界面上电荷 和离子交换的动态平衡。在平衡条件下，界面电位与被测物质的离子活度之间 具有线性关系( 即能斯特关系) 。电位型传感器的敏感膜上没有电流通过，它是 基于工作电极和参比电极之间的电位变化与电解液中某种化学物质的活度成正 比关系的现象发展而来的。在通常情况下，离子的活度和浓度大体相等，所以 生活中并不细分。在平衡条件下，这种变化遵循能斯特( n e m s t ) 方程： n 毛一警，g 器 n ， 口：a ： 式中e 是平衡电极电位；e o 是标准电位；尺是气体常数( = 8 3 1 4 j k 1 m o l 4 ) ； r 为热力学温度；n 为电极反应中，参加反应的电子数目；f 是法拉第常数 ( = 9 6 4 9 x 1 0 4 c m 0 1 )a 为平衡时离子活度：a ，b ，c ，d 分别为反应物和生成 物前面的系数；a ，b ，c ，d 分别为反应物和生成物。它反映t n 量电池电动 势与电解液浓度的定量关系。从能斯特方程可以看出电位型生物传感器电位的 大小只和待测对象的活度成线性关系，信号不受敏感电极面积影响，所以其制 备较为简易。 离子选择电极( i o ns e l e c t i v ee l e c t r o d e ，i s e ) 是一种用特殊敏感薄膜制作 的，对溶液中特定的离子具有选择性响应的电极。它的一个典型的例子就是p h 玻璃电极，它对h + 能够选择性地产生响应。这类电极的电极电势与特定离子的 活度的对数成线性关系，故可用来检测溶液中离子的活度。它具有操作简单、 测定快速、灵敏度高、重复性好等优势。传统的i s e 由敏感薄膜、内封溶液和 参比电极( 例如a g a g c i ) 构成。从结构上看，敏感薄膜的两面都与液体溶液 相接触，从而形成了一个鲜明的对称性热动平衡结构。但传感器制备工艺复杂， 体积大且无法集成，因此在日常生活中应用比较少。除了离子选择电极，通过 固定其它各种生物敏感薄膜还可以制备成各种生物传感器，这也是现在生物传 感器发展的方向之一。 4 第一章绪论 另一种电位型生物传感器是离子敏场效应管( i s h 玎) ，它是基于i c 技术发 展起来的一种特殊传感器。i s f e t 结合了离子选择电极对离子活度的选择性敏 感特性和m o s f e t 输入阻抗高、输出阻抗低的特点。这种传感器具有较高的信 噪比，响应快且易于微型化。这类传感器的微传感芯片很容易做成微型探针等 各种形式，应用非常广泛。这类传感器是本文研究的重点，下面我们将对其详 细探讨。 1 2 2p h i s f e t s 简介 离子敏场效应晶体管( i o n s e n s i t i v ef i e l de f f e c t t r a n s i s t o r s ， i s h 汀s ) 自2 0 世纪7 0 年代问世以来 o l ，至今已发展成为一种具有强大生 命力的化学传感器。p b e r g e l d 的这 一重大发现不仅是对电子学的发展， 而且对化学、生物医学等方面都无疑 图1 2i s f e t 结构示意图 是一个杰出的贡献。i s f e t 兼有离子选择电极和金属氧化物半导体场效应晶体 管( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r , m o s f e ) 的双重特性。它具 有体积小、灵敏度高、响应快、无标记、检测方便、易集成化和批量生产等优 点，所以一出现就引起人们的关注。i s f e t 是在金属或多晶硅栅m o s f e t 基础 上发展而成的，所以二者结构上极为类似( 如图1 2 所示) 。区别仅在于m o s f e t 的金属栅极被离子敏感薄膜和被测溶液替代，而这都是建立在半导体表面场效 应基础上的器件。m o s 结构的沟道电阻、电流等电学参数都受到敏感栅极电位 的影响，而栅极电位又和敏感膜溶液界面上的界面电势密切相关，电势的大小 取决于溶液中特定离子的活度。近年来，i s f e t 相关研究发展非常迅速，已经 应用到生物医疗、食品以及环境检测等领域。生物医学工程与半导体技术相结 合，使我们进入了生物电子学传感器时代。 i s f e t 在测试时敏感薄膜要与待测液接触，除了敏感膜区域以外整个器件 均须用绝缘性能良好的密封材料包封。栅极敏感薄膜直接与电解液相接触，电 解液绝缘层界面的电势与电解液中的离子浓度( 或活度) 有关，电解液中离子 p h i s f e t 生物微传感集成芯片的研究 浓度的改变将引起i s f e t 器件阈值电压相应的改变。而其阈值电压的改变恰恰 与离子的浓度成正比，这样就可以通过检测沟道电流的变化来检测所测离子的 浓度。 p h i s f e t 是f e t 型生物传感器研究和发展的基础，国内外对此投入了大 量的人力物力。固定不同的敏感薄膜就可以很容易制成不同功能的生物传感器： 利用酶和底物问催化反应产物( i - p 浓度变化等) 可以制成酶f e t ；抗原抗体的 亲和反应导致表面极化效应或偶极子的改变会引起电位变化；细胞中复杂的生 物化学反应也会造成电位的变化。对p h i s f e t ( 其它f e t 型生物传感器也同 样) 来说，与待测溶液相接触的敏感薄膜是离子敏感器件将化学量( 离子活度) 转换为电学量的关键。氢离子敏感膜与溶液相接触时，由于薄膜表面的电化学 反应在界面处将建立起双电荷层，从而形成界面势差。界面电势数值的大小与 膜材料的性质及溶液中氢离子活度有关。由电化学理论可知，具有能斯特响应 的敏感薄膜界面势与溶液中离子活度有如下关系： ；+ 罟l n ( 1 ) 4 + 万m 口日+ ( 1 ) 或者一钆+ 警l g ( 2 ) 式中成为能斯特电位，其数值取决于敏感薄膜材料，离子吸附和离解， 离子交换等因素： r 为气体常数；f 为法拉第常数：z ；为参加反应的离子电荷数；口。+ 为溶 液中l + 活度。根据定义有： l l g 口 ( 3 ) 由此可得： ；一2 3 磊0 3 r - tp h 一 ( 4 ) 5 一三f i s f e t 没有金属栅极，其金属栅极被敏感膜和参比电极所代替。栅极上所 加的电压是由参比电极通过被测溶液加上去的。参比电极在溶液组分改变时， 其电极电势( 不包括液接电势) 保持恒定，具有良好的可逆性、重现性和稳定 第一章绪论 性。甘汞电极( s c e ) 是使用最为广泛的参比电极之。 金属与半导体接触的电势差钆可以看成舭2 t - - 项之和： ( 1 ) 参比电极上金属引线与半导体接触电势差乱； ( 2 ) 参比电极电位e 。； ( 3 ) 溶液与敏感膜之间的界面势； ( 4 ) 电解液敏感膜表面极化势z “。 则i s f e t 的阈值电压+ 为 吃+ 一钇。+ z ”，+ + 饥+ 2 一垒c o x ( 5 ) 在m o s f e t 中人们通常把p k = p 击一咋时的电压称为饱和电压，并以此来 作为区分管子处于饱和还是线性状态的界限。当小于( 饱和) ，m o s f e t 工作于线性区：当0 c p 击一s p k 时，忽略沟道长度调制效应，源漏电流不再 随着p 0 的改变而变化，此时m o s f e t 处于饱和区。 在电学原理上，i s f e t 和m o s f e t 几乎是完全相同的。为了以示区别， i s f e t 器件的阈值电压用4 来表示。根据定义，栅源电压p 岳大于或等于阈值 e g 3 i , + 时，则i s f e t 的沟道发生强反型，形成导电通道( 对于增强型i s f e t ) ， 器件处于工作状态，此时加上漏源电压，沟道中就会有电流形成。 当i s f e t 工作在线性区时， k = 以q w 一+ ) 一三y 2 。】 ( 6 ) 当i s f e t 工作在饱和区时，则有， ，。= i 1 心i w 一+ ) 2 ( 7 ) 从公式( 5 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 可以看出，p h - i s f e t 器件沟道电流，。的大小与电 解液p h 值有直接关系。也就是说，i s f e t 是通过栅极敏感表面与溶液问产生 的界面势影响半导体的表面，进而使强反型层中的载流子电荷密度发生变化， 调制流过离子敏器件的沟道电流。敏感膜与溶液间的界面势大小与溶液中离子 p h i s f e t 生物微传感集成芯片的研究 活度有关，在不同氢离子活度的溶液中会形成不同的界面势，由此可以通过 i s f e t 沟道电流的不同来检测溶液中的离子活度。这就是离子敏场效应晶体管 的基本工作原理。 1 2 3i s f e t s 与标准c m o s 工艺兼容性研究 近年来，f e t 型生物传感器功能上( 取决于敏感薄膜) 获得了广泛而深入 的发展。从最初的p h i s f e t ，到现在检测的对象日益增多，已发展成为真正的 实用型生物传感器件。如前所述，由于i s f e t 是由m o s f e t 衍变而来的，自 f e t 型生物传感器出现，人们就意识到该类传感器与集成电路相兼容的先天优 势。随着微电子学( 尤其是c m o s 技术) 突飞猛进的发展，集成度越来越高， 构建功能强大的片上系统( s o c ) 已成为当今研究的热点。同时，微传感s o c 的研究也面临着理论和产业化的挑战和机遇。i s f e t 是利用生物功能性薄膜与 i s f e t 绝缘栅相结合组成的一种电位型敏感器件，它通过生物功能性薄膜与电 解质溶液间界面电位变化调制栅极沟道电导进行信号转换。通常生物传感器在 用于分析检测时还需要配套的分析仪表，而由于传感器和仪表又大都由分立元 件构成，所以功能单一，使用极其不便。现在市场上己出现小型手持式p h 计， 但真正用于其它生物参量检测的还很少。在实际应用的许多场合，人们更希望 生物传感器能够同时检测多种生物量。集成化、多参数、智能化已经成为生物 传感器发展的必然趋势。此外，通过多参数检测并嵌入信号处理单元还能够提 高生物传感器的选择性。在微电子学领域，c m o s 技术作为集成电路的主流工 艺，具有集成度高、功耗低、加工步骤简单、成本低等诸多优势。微电子技术 及微加工技术的发展为研制多参数的传感器奠定了坚实的技术基础。i s f e t 的 制备可以考虑通过标准c m o s 工艺予以实现，传感器信号读取和处理电路依据 同一c m o s 工艺标准来设计，也就是将传感单元i s f e t 与信号处理电路单片集 成于同一芯片。这种集成有利于实现大批量低成本生产，同时整个芯片系统的 尺寸减小使系统可靠性也更容易保证。因此采用标准c m o s 工艺实现单芯片 i s f e t 传感系统具有广阔的前景和很大的发展潜力。采用比较成熟的标准 c m o s 工艺实现微传感集成芯片，不但可以舍弃体积庞大的检测附属装置，而 且一致性好，性能可靠，易于微型化、多功能化，可用于医疗上体内检测等许 第一章绪论 多特殊场合。总之，传感器与集成电路的单芯片集成有利于获得较高的信噪比、 较低的功耗和良好的一致性。单芯片集成是多功能、智能型传感s o c 发展的一 个必经阶段。 1 3 研究现状和发展趋势 近年来，国内外对电位型生物传感器的研究大部分都集中在如何提高传感 器性能以及改变检测对象方面，因此分立器件的研究获得了很大进展。采用二 次集成( 即传感器和电路分离) 的便携式小型p h 计早已推向市场。便携式、 多功能、智能型f e t 生物传感装置一直是人们梦寐以求的。为了实现这些目标， 二次集成在某些重要场合已无法满足需求。例如，微量检测、医疗体内检测等 等。f e t 生物传感器与集成电路单芯片集成，实现生物传感设备的微型化，智 能化具有重要的实用价值。集成化芯片不但有利于实现多参数检测，而且具有 一致性好、抗噪声能力强、稳定性佳等优势。体积的大大缩小在生物医疗、工 业生产、环境检测等各个领域的应用都更加便利。低廉的成本，有利于生物传 感器走进家庭。由于p h i s f e t 是f e t 型生物传感器发展的基础，目前对于集 成芯片的研制大都集中在p h - i s f e t 与集成电路的集成方面。 卜盯心千乡乒i lb i o f e t $ l i h - b 。a 帅- - db m e l l b e e t l e c h i p ! b i o f b - - i su s i n g ： b i o f e t ：i o nc h a n n e ir e c e p l o i ：b l n d h l qd i o l e l n s e l c 图1 3 b i o f e t 生物传感器发展1 6 1 同时，我国离子敏感场效应晶体管的研究也取得了长足的发展。不仅从理 论上对其进行探讨研究，而且在工艺上制备出了不同敏感栅的p h f e t 。近年来， 人们陆续对无机绝缘薄膜s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、t a 2 0 5 等进行了广泛的研究，它们对氢 离子都具有较高的敏感性能和选择性。以p h i s f e t 器件为基础，人们转而发 展研制成一系列响应无机离子、有机离子、药物及酶、免疫的离子敏感场效应 晶体管( 如图1 3 ) 。同时在分析方法上，还开展了双管差分、流动注射分析、 库仑滴定等方面的工作，发表了多篇很有价值的文章。 9 p h - i s f e t 生物微传感集成芯片的研究 目前国内外对f e t 型生物传感器的研究主要在于： 1 ) 以s i 3 n d s i 0 2 【9 1 ”、a 1 2 0 a s i 0 2 【1 2 ，1 3 】及t a 2 0 j s i 0 2 【1 牝o 】等结构作为离子感 测薄膜的研究； 2 ) 参比电极微型化的研究【2 4 2 5 】； 3 1 吸附键接模型( s i t e - b i n d i n gm o d e l ) 2 1 l ； 4 1 迟滞、温漂、时漂，噪声等不理想因素的探讨【2 2 之6 】； 5 ) c m o s 集成i s f e t 系统芯片的研究 2 7 - 3 1 】； 6 1 离子敏场效应管器件的模拟仿真【3 2 3 7 1 ； 作者所在的传感技术国家重点实验室长期开展生化微传感器研究，课题组 在离子敏场效应晶体管的研究方面已经具有良好的基础。由于实验室在i s f e t 生化检测方面的优势和国家在d n a 和蛋白质的检测方面的需求，实验室承担 了多项相关的国家级科研任务。经过十多年的研究，已陆续在p h 值、青霉素、 尿素、f 离子等检测技术上基本成熟。因此在分立f e t 型生物传感芯片研制方 面具有雄厚的基础，在研究f e t 型生物传感器单芯片集成方面具有良好的优势。 杨海钢研究员指导下的集成电路设计小组为芯片电路检测设计提供了强大 的技术支持，使本课题研究在国内相关研究领域拥有强有力的技术优势。 虽然对f e t 型生物传感器集成化的研究由来已久，但目前能够实现与标准 c m o s 工艺相结合的完全兼容性设计在国内外还比较少。由于p h i s f e t 是其 它生物传感器研究的基础，国内外对于f e t 型生物传感集成芯片的研究主要集 中于探索p h i s f e t 与集成电路的单芯片集成的兼容性方案。f e t 型生物传感 集成芯片的研究主要困难在于：( 1 ) 工艺上无法与标准硅栅c m o s 工艺兼容， 后续工艺不能有高温过程：( 2 ) 参比电极集成化比较困难。 随着c m o s 技术水平的快速发展，线宽日益减小，集成度越来越高，越 栅工艺已无法满足要求，多晶硅栅极工艺已经成为主流。利用多晶硅栅的“自对 准”效应定义源极漏极区域是现在标准c m o s 技术的主要特征( 对于标准的 c m o s 技术介绍详见第四章1 。采用多晶硅栅“自对准效应”来定义源极、漏极 区域可以获得更高的工艺精度，大幅度改善晶体管性能，然而却成为f e t 型生 物传感器与i c 技术结合的障碍。近年来，国内外对传感器与标准c m o s 的兼 容性设计问题上进行了大量的探索。目前，最为常用的方法是栅腐蚀的方法【2 5 】 第一章绪论 ( 典型结构如图1 4 所示) ，即把m o s f e t 栅极多晶硅和金属层腐蚀掉，然后 淀积敏感薄膜。这种方案是牺牲了标准c m o s 的技术优势，且工艺复杂，很难 保证可靠性和一致性，也利于产业化。因此，并不是理想的选择。还有人提出 非常简便的方案，即以集成芯片钝化绝缘层( s i o x n y ) 作为p h 敏感层1 7 8 j 。这 种方案几乎没有后续工艺，简单可靠，但芯片表面钝化绝缘层厚度超过1 2 , u m ， 不利于界面电势对m o s f e t 沟道进行有效调制，噪声相对较大。而且该材料灵 p a s s i v a f t o n l a y e r ( s i o x l q y ) v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v 、 a n a l y t o 怎喘攀。 l 里jl 到l p - t y p es i l i c o n 图1 4 栅腐蚀法f e t 型生物传感器【4 】 图1 5 s i o x n y f e t 切面图m 1 敏度不高，线性度也不够理想，所以很难获得理想的结果( 原理结构图1 5 所 示) 。为了避免这些问题，研究人员对上述流程做了彻底改变【1 l 】，提出保留多晶 硅作为悬浮栅，同时不降低其敏感性能的方案。基于此，l b o u s s e 等人1 1 2 l 以耐 高温的w s i 为互连线，采用2 a m 、n 阱c m o s 工艺实现了s i 3 n 4 p o l y s i 0 2 “三 明治”栅结构i s f e t 与集成电路的单芯片集成。s i 3 n 4 敏感薄膜是在7 8 5 环境 中采用l p c v d 技术淀积而成，获得了良好的效果。 传统的i s f e t 结构中敏感薄膜都是直接在栅极s i 0 2 层上形成的，传感器检 测过程中敏感栅极直接与溶液相接触。因此从结构与工艺上来看，i s f e t 器件 很难借助标准c m o s 工艺直接予以实现。由于多晶硅层的存在，s i 0 2 层上就无 法再直接制备敏感薄膜。而且现在标准工艺中，绝大多数都是以越为互连线材 料，是不能耐高温的金属，在4 0 0 就开始与s i 发生互熔形成合金，互连线 会形成“尖楔”，严重影响互连线质量和性能，甚至造成断路。如果在集成电路 流片后再对芯片进行后续工艺加工，就不能再经过高温过程，这就限制了很多 种类敏感薄膜的制备。如果要在m o s 工艺过程中形成i s f e t 结构，虽然从工 艺上行得通，但大大增加了工艺复杂性，而且增加了光刻板，导致成本增加。 p h - i s f e t 生物微传感集成芯片的研究 更重要的是，现在标准的c m o s 工艺制造商不会接受改变标准c m o s 工艺流 程的做法，因此这种方案是不可行的。为实现i s f e t 器件与c m o s 集成电路的 单芯片集成只能在后续工艺中完成传感器的制各。 为了充分利用标准c m o s 工艺的技术优势，在标准m o s f e t 基础上制备 i s f e t 敏感器件，并保证集成芯片电路性能不受工艺影响，m o s f e t 的栅极必 须保留多晶硅层，且后续工艺流程中不能存在高温( 高于3 0 06 c ) 工艺。为克 服这些问题，首先要改进传统的传感器结构，实现f e t 型生物传感器与集成电 路的兼容性结构设计，并设计出合理的后续工艺流程进行传感器制备，这是本 文研究的重点。 1 4 本文主要研究工作 鉴于i s f e t 传感器微型化、低成本的发展方向，本论文重点研究基于标准 c m o s 工艺来实现f e t 型生物传感器与信号读取电路的集成化技术，探索 i s f e t 传感器与i c 技术相结合的微电子学以及电化学等相关科学问题及共性关 键技术。 本文主要研究内容： ( i ) 针对生物微传感器领域的前沿问题，进行集成化芯片的基础研究。基 于标准c m o s 工艺进行i s f e t 传感器与集成电路的兼容性结构设计，解决传统 i s f e t 与标准c m o s 工艺的兼容性问题； ( 2 ) 探索i s f e t 生物传感器敏感机理。根据集成芯片中所设计的i s f e t 结构建立相应的s p i c e 模型，并嵌入芯片集成电路进行整体仿真，为芯片设计 和后续工艺加工提供理论依据： ( 3 ) 研究适用于微传感集成芯片1 a 2 0 5 敏感薄膜的制备技术：研究薄膜制 备条件对p h 敏感性能的影响，寻求与i c 兼容的制备技术； ( 4 ) 研究参比唧( r e f e t ) 的制备。以聚四氟乙烯( p t f e ) 为钝化薄膜， 结合p t 贵金属电极，与t a 2 0 5 i s f e t 构成差分对管； ( 5 ) 研究采用m e m s 工艺进行传感集成芯片后续工艺加工技术，研究微 芯片甩胶、光刻以及芯片表面处理等技术问题，实现传感器与集成电路单芯片 集成，建立与微电子相结合的生物传感系统技术平台。 第一章绪论 参考文献 【1 】p b e r g v e l d ，a s i b b a l d ：a n a l y t i c a l a n db i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n s o f i o n - s e l e c t i v ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ，c o m p r e h e n s i v ea n a l y t i c a lc h e m i s t r y ， a n a l y t i c ac h i m i c aa c t a ，1 5 ( 1 9 9 0 ) 2 3 1 - 3 2 5 【2 】p b e r g v e l d ，d e v e l o p m e n t o fa ni o n s e n s i t i v e s o l i ds t a t ed e v i c ef o r n e u r o p h y s i o l o g i c a lm e a s u r e m e n t s ，i e e et r a n s b i o m e d e n g ，b m e - 1 7 ( 1 9 7 0 ) 7 0 7 1 【3 】h s w o n g ，m h w h i t e ，ac m o s - i n t e g r a t e d “i s f e t - o p e r a t i o n a la m p l i f i e r ” c h e m i c a ls e n s o re m p l o y i n gd i f f e r e n t i a ls e n s i n g ，i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ， 3 6 ( 1 9 8 9 ) 4 7 9 - 4 8 7 【4 】c c a n e ，a g o t z ，a m e r l o se ta 1 m u l t i l a y e ri s f e tm e m b r a n e sf o rm i c r o s y s t e m s a p p l i c a t i o n s ，s e n s o r sa n da c t u a t o r sb ，3 6 ( 1 9 9 6 ) 1 3 6 1 4 0 【5 】t c w y e o w ，m r h a s k a r d ，d e m u l c a h ye ta 1 av e r yl a r g ei n t e g r a t e d p h - i s f e ts e n s o ra r r a yc h i pc 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 e s ，s e n s o r s a n da c t u a t o r sb ，4 4 ( 1 9 9 7 ) 4 3 4 - 4 4 0 6 】s e a nh o y t ，j i r ij a n a t a ，k a r lb o o k s h ，c h e m i c a ls e n s o r sf o rp o r t a b l e ，h a n d h e l d f i e l di n s t r u m e n t s ，i e e es e n s o r s j o u r n a l , 1 ( 2 0 0 1 ) 2 5 6 2 7 4 【7 】p a h a m m o n d ，d a l i ，d r s c u m m i n g ，as i