專利名稱：基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)pH值傳感器，適用于未來微型化、集成化和智能化的新型生物傳感系統(tǒng)和醫(yī)學等領域。
背景技術：
pH值傳感器在生物化學、醫(yī)學等領域具有重要的應用價值。自1909年pH值概念提出至今，PH值傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了玻璃電極pH值傳感器、固態(tài)敏感電極pH值傳感器、光尋址電位pH值傳感器、場效應晶體管pH值傳感器等階段。隨著微細加工技術的發(fā)展，研究人員將離子敏感、選擇電極制作技術與固態(tài)微電子學相結合，研制出了新型的半導體氫離子敏感器件。該新型的PH值傳感單元兼有電化學和晶體管的雙重特性，與傳統(tǒng)的PH值傳感器相比，它具有以下優(yōu)勢(1)靈敏度高、響應快、 輸入阻抗高、輸出阻抗低、兼有阻抗變換和信號放大的功能，可避免外界感應與次級電路的干擾作用；(2)體積小，重量輕，特別適用于生物體內(nèi)的動態(tài)監(jiān)測；(3)不僅可以實現(xiàn)單個器件的小型化，而且可以采用集成電路工藝和微加工技術，實現(xiàn)多種離子和多功能器件的集成化，具有微型化、集成化和智能化的發(fā)展?jié)摿?。另外可與計算機連接，實現(xiàn)在線控制和實時監(jiān)測。該結構pH值傳感器雖然通過與微電子工藝結合實現(xiàn)了結構的固態(tài)化，為pH值傳感器的微型化和集成化提供了技術上的可能，但是該傳感結構采用的是“裸柵”結構，通過在柵氧化層上淀積氫離子敏感薄膜，與標準CMOS工藝的柵“自對準”工藝不能兼容。無法將PH值傳感單元與信號處理電路集成在同一芯片上。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有固態(tài)pH值傳感器的無法與標準CMOS工藝兼容、不利于集成化的不足，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)與標準CMOS工藝兼容、便于集成化的基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)PH值傳感器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器，包括場效應管漏區(qū)和場效應管源區(qū)構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1層、通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。作為優(yōu)選的一種方案所述多層浮柵全固態(tài)PH值傳感器還包括信號處理電路，用以恒定PMOS場效應管的源漏電流和源漏電壓，當所述PMOS場效應管工作在線性區(qū)時，PMOS 場效應管的源端電壓隨閾值電壓反向線性輸出，從而輸出電壓與溶液PH值成線性關系。進一步，所述信號處理電路包括基準電壓源、Cascode結構電流鏡、軌對軌跟隨器和電阻R，所述基準電壓源輸出穩(wěn)定電壓給電流鏡提供電壓偏置，產(chǎn)生電流恒定的電流源。 所述電流源串聯(lián)于電源電壓和PMOS場效應管源極之間，為PMOS場效應管提供恒定的源漏電流，所述兩個軌對軌跟隨器分別串聯(lián)于PMOS場效應管源極與電阻R —端和PMOS場效應管漏極和電阻R的另一端，形成反饋電路，所述電阻R與另一串聯(lián)與地的電流源產(chǎn)生恒定 PMOS場效應管的源漏電壓。本發(fā)明的技術構思為基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)PH值傳感器是將PH 值傳感技術與標準CMOS工藝相結合。改進的pH值傳感單元采用多層浮柵的結構，與標準 CMOS工藝完全兼容。pH值傳感單元與片上信號處理電路單片集成，可實現(xiàn)對測試信號的在線監(jiān)測和處理。實現(xiàn)了 PH值傳感器的固態(tài)化、微型化、集成化和智能化。并為后續(xù)多功能集成傳感芯片、生物芯片和片上實驗室的研究提供了平臺。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、可以與標準CMOS工藝兼容，即與現(xiàn)今的主流微電子工藝兼容，對以后設計多功能的生物芯片，片上處理系統(tǒng)提供了基礎；2、通過在片上集成了恒流恒壓模塊，可以將溶液氫離子濃度轉換成電壓信號輸出，實現(xiàn)了片上信號的預處理功能，該信號轉換方便了后面進一步的信號處理。


圖1是基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元剖面圖。圖2是基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元等效SPICE模型。圖3是理想情況下界面電勢與溶液pH值關系仿真曲線。圖4是恒流恒壓片上信號處理電路原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖1 圖4，一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器，包括場效應管漏區(qū)和場效應管源區(qū)構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1 層、通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。所述多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器還包括信號處理電路，用以恒定PMOS場效應管的源漏電流和源漏電壓，當所述PMOS場效應管工作在線性區(qū)時，PMOS場效應管的源端電壓隨閾值電壓反向線性輸出，從而輸出電壓與溶液PH值成線性關系。所述信號處理電路包括基準電壓源、Cascode結構電流鏡、軌對軌跟隨器和電阻 R，所述基準電壓源輸出穩(wěn)定電壓給電流鏡提供電壓偏置，產(chǎn)生電流恒定的電流源，所述電流源串聯(lián)于電源電壓和PMOS場效應管源極之間，為PMOS場效應管提供恒定的源漏電流。所述兩個軌對軌跟隨器分別串聯(lián)于PMOS場效應管源極與電阻R —端和PMOS場效應管漏極和電阻R的另一端，形成反饋電路，所述電阻R與另一串聯(lián)與地的電流源產(chǎn)生恒定PMOS場效應管的源漏電壓。圖1為本實施例基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元剖面圖。場效應管漏區(qū)1和場效應管源區(qū)2構成PMOS場效應管。PMOS管源端可與N阱偏置相連消除襯偏效應對閾值電壓的影響，另外PMOS管在溶液偏置OV時就可導通，能減少溶液噪聲對輸出電壓的影響。溶液PH值發(fā)生變化時會調(diào)制場效應管柵氧化層3下面的溝道電荷，進而影響閾值電壓。本實施例芯片設計選用的是兩層金屬工藝，多晶硅柵與第一層金屬和第二層金屬通過接觸孔和通孔相連形成多層懸浮柵極結構4。LPCVD形成的二氧化硅和氮化硅復合敏感層5可對被測溶液6中氫離子敏感，產(chǎn)生界面電勢。進行溶液實測時需要在溶液中加入?yún)⒖茧姌O7。圖2為本實施例基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元等效SPICE模型。 該模型考慮了溶液和多層浮柵電極對傳統(tǒng)MOS管模型的影響，并對傳統(tǒng)模型進行了修正。 參考電極液接電勢8是考慮了固體參考電極與溶液接觸時的液接電勢。溶液電阻9是由溶液導電性引起的溶液等效電阻壓降。固液界面電勢10是敏感層對氫離子敏感后產(chǎn)生的固液界面電勢。在工藝過程中由于懸浮的多晶硅和金屬層上會由自由電子，需要考慮考慮多層浮柵電極的等效壓降11。另外該浮柵電極與常規(guī)MOS管柵之間有一定的金屬走線距離， 需要考慮等效金屬走線電阻12和等效金屬走線電容13。該新的MOS管宏模型，能夠用于 SPICE仿真，為后面的片上信號處理電路設計和仿真提供基礎。根據(jù)圖3界面電勢與溶液pH值關系仿真曲線可知，溶液pH值的變化和界面電勢的變化理想情況下是線性的。圖4中恒定PMOS管源漏電壓和源漏電流的控制電路將閾值電壓隨溶液PH值變化轉化成線性的源端電壓信號輸出。圖4中I1和I2為恒定的電流源， 該電流源由片上的Cascode結構電流鏡提供穩(wěn)定輸出。A1和A2為單增益的運算放大器，根據(jù)運算放大器的虛短和虛斷原理，I1提供的電流為PMOS管的源漏工作電流，電阻R和I2的乘積為PMOS管的源漏工作電壓。通過該偏置電路實現(xiàn)PMOS管的恒流恒壓控制。芯片采用上華0.6μπι CMOS兩層多晶硅兩層金屬工藝實現(xiàn)，芯片的面積為 2mmX 2mm。實例基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感單元MOS管在本發(fā)明中使用多晶硅的“自對準”工藝定義源漏區(qū)，保留了多晶硅柵。多晶硅柵通過接觸孔與金屬1相連，金屬1通過通孔與金屬2相連，形成懸浮的多層浮柵結構。懸浮電極上淀積的鈍化層作為氫離子敏感膜。如圖1所示。另外本發(fā)明中借助于壓焊區(qū)的pad工藝在敏感區(qū)域周圍形成一定的隔離窗口，用于微區(qū)域的PH值傳感，本發(fā)明采用叉指狀的多晶硅柵結構以增加MOS管的跨導。圖2中建立的新結構傳感單元的宏模型適用于SPICE仿真中，可直接嵌套使用。傳感器的信號處理電路組成如圖4所示。信號處理電路包括基準電壓源、Cascode 結構電流鏡、軌對軌(0-5V)跟隨器和電阻等。電壓基準源為電流鏡提供穩(wěn)定的電壓偏置， 構成一個精確的電流源，避免工藝和溫度對電路工作電流的影響。采用Cascode電流鏡結構，進一步抑制了溝道調(diào)制效應，增大電流鏡的輸出電阻，使電流受電壓波動影響小。通過電流鏡產(chǎn)生的電流Il為傳感單元PMOS管提供恒定的源漏電流，12通過電阻R形成壓降， 經(jīng)跟隨器反饋電路保持傳感單元PMOS管源漏電壓不變。若PMOS管電測的閾值電壓用Vt表示，在某一特定pH值溶液中的浮柵結構PMOS 管閾值電壓用VT，表示，CMOS pH值傳感器的靈敏度為S，則VT，= VT+S*pH。恒定PMOS管源漏電壓和源漏電流的控制電路將閾值電壓隨溶液PH值變化轉化成線性的源端電壓信號輸出。工作原理簡述如下CMOS pH值傳感器工作在線性區(qū)時，在電測和溶液測試中，電流電壓都滿足以下關系式Isd = PWgs - VT)VSD - 0.5^],若保持源漏電流Isd和源漏電壓Vsd恒定，則Ves-Vr 為常數(shù)，Ve為PMOS管柵極電壓。固定柵極電壓Ve，則源電壓輸出Vs隨Vt，反向線性輸出，與
5溶液的PH值成線性關系。本實施例的pH值傳感芯片，芯片采用上華0.6μπι CMOS兩層多晶硅兩層金屬工藝實現(xiàn)，芯片的面積為2mmX2mm。片上集成了 pH值傳感單元、基準電壓源、緩沖電路、恒流恒壓控制電路和增益可調(diào)輸出電路。本發(fā)明設計的芯片將壓焊區(qū)排列在芯片的中下方位置， PH值傳感區(qū)域排列在芯片的最上方。由于芯片上半部分沒有壓焊區(qū)排列，則相等于增加了芯片上可利用的面積，傳感區(qū)域與控制電路部分可以盡量遠離，同時提高了手工涂布絕緣膠的可靠性，提高了測試的可靠性。本實施例設計的基于標準CMOS工藝的多層浮柵pH值傳感芯片，是未來生物芯片設計的有益探索。該類傳感器可將生物化學傳感單元與微電子技術相結合，進一步與標準 CMOS工藝相結合，實現(xiàn)多功能傳感單元和信號處理電路的單片集成。本發(fā)明利用標準CMOS 工藝的鈍化層氮化硅作為氫離子敏感層，并對PH值傳感單元進行了創(chuàng)新設計，片上集成的信號處理電路可將氫離子濃度的變化轉化為電壓變化輸出，是真正意義上的微型化、集成化、智能化的傳感芯片設計。
權利要求
1.一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)PH值傳感器，包括場效應管漏區(qū)和場效應管源區(qū)構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，其特征在于所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1層、 通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。
2.如權利要求1所述的基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器，其特征在于所述多層浮柵全固態(tài)PH值傳感器還包括信號處理電路，用以恒定PMOS場效應管的源漏電流和源漏電壓，當所述PMOS場效應管工作在線性區(qū)時，PMOS場效應管的源端電壓隨閾值電壓反向線性輸出，從而輸出電壓與溶液PH值成線性關系。
3.如權利要求2所述的基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器，其特征在于所述信號處理電路包括基準電壓源、Cascode結構電流鏡、軌對軌跟隨器和電阻R，所述基準電壓源輸出穩(wěn)定電壓給電流鏡提供電壓偏置，產(chǎn)生電流恒定的電流源，所述電流源串聯(lián)于電源電壓和PMOS場效應管源極之間，為PMOS場效應管提供恒定的源漏電流，所述兩個軌對軌跟隨器分別串聯(lián)于PMOS場效應管源極與電阻R —端和PMOS場效應管漏極和電阻R 的另一端，形成反饋電路，所述電阻R與另一串聯(lián)與地的電流源產(chǎn)生恒定PMOS產(chǎn)效應管的源漏電壓。
全文摘要
一種基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器，包括場效應管漏區(qū)和場效應管源區(qū)構成的PMOS場效應管，所述PMOS場效應管與氧化層連接，所述氧化層上覆蓋多層懸浮柵極結構，所述多層懸浮柵極結構自上而上依次包括連接層、金屬1層、通孔層和金屬2層，所述多層懸浮柵極結構上覆蓋二氧化硅和氮化硅復合的氫離子敏感層。本發(fā)明提供一種實現(xiàn)與標準CMOS工藝兼容、便于集成化的基于標準CMOS工藝的多層浮柵全固態(tài)pH值傳感器。
文檔編號G01N27/414GK102175740SQ20111000306
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者常麗萍, 彭銀生, 施朝霞, 曹全君 申請人:浙江工業(yè)大學