用于電荷檢測的集成傳感器裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種集成傳感器裝置。具體地，本發(fā)明涉及一種將場效應晶體管與雙 極結(jié)型晶體管結(jié)合的半導體裝置的混合形式，所述場效應晶體管通過多個接觸/通孔和金 屬層連接到感測電極。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，日益增長的興趣已經(jīng)出現(xiàn)在可以用于液體中電荷檢測的高敏感半導體 裝置（例如，用于氫離子的離子敏感場效應晶體管（ISFET)類型，如應用于測定pH濃度、 檢測生物分子、研究DNA復制和基因組序列等）或用于氣體混合物中的離子或可極化分 子的檢測的高敏感半導體裝置的領域。以前已經(jīng)提出并且展示過這樣的半導體裝置的混 合形式（S-R.Chang等Sensors9, 2009,ρρ· 8336-8348 以及H.Yuan等，Biosensorsand Bioelectronics28, 2011，ρρ· 434-437)，參考文獻1-2。這些混合體在單個集成電路中將 ISFET電荷敏感裝置并聯(lián)地與橫向雙極結(jié)型晶體管（LBJT)結(jié)合。這樣的混合裝置有利地將 ISFET的高敏感性和由LBJT提供的額外放大相結(jié)合。
[0003] 本文所使用的術(shù)語"ISFET"包括這樣的裝置的各種等效形式（P.Bergveld， SensorsandActuatorsB88, 2003,ρρ· 1-20)，另參見參考文獻3-6。例如，導電柵電極可 以是金屬或其它合適的導電材料（如高摻雜的多晶硅）。類似地，柵絕緣材料可以是氧化物 (如二氧化硅），但也可以包括氧氮化物或甚至包括高k介質(zhì)。
[0004] 如下布置是已知的：通過由合適的鈍化材料（例如，氧化硅、氮化硅或氧化物/氮 化物的夾層）包封的接觸/金屬線和通孔/金屬線的連續(xù)布置，柵電極與待分析的氣體或 液體接觸。在電極內(nèi)最接近液體或氣體的金屬膜可以被所述鈍化物包圍或可以不被所述鈍 化物包圍。金屬本身可以是在半導體器件的制造中所使用的標準金屬，例如，鋁、鈀、鉑或 金。所述電極選擇性地為金屬/金屬氧化物（Al203、Ta205、Hf02)的某種形式。
[0005] 美國專利第8283736號中所公開的離子感測裝置由與集成于同一半導體芯片上 的橫向雙極型裝置連接的ISFET構(gòu)成。如所公開的，p-型溝道ISFET位于η-阱中，橫向pnp 型雙極晶體管與之并聯(lián)連接，其中發(fā)射極/源極和漏極/集電極分別為公用的，而基極連接 是分開的。當由于在浸沒于電解液中的參考電極上施加偏壓，導致適當數(shù)量的離子在柵電 極上積聚（或耗盡）時，在ISFET中的溝道導通狀態(tài)將會改變。而這會反而影響橫向雙極 型裝置的導通。
[0006] 該特定結(jié)構(gòu)的缺點是兩個器件的并聯(lián)布置，該布置需要額外的端子。為此導致柵 控橫向雙極晶體管的固有的低增益。在低于雙極型裝置的開啟電壓的偏壓下，亞閾值特性 類似于金屬氧化物半導體場效應晶體管（M0SFET)裝置（即本文中的ISFET)的亞閾值特 性。在該混合配置中所獲得的跨導增強主要在高于M0SFET的閾值電壓的情況下發(fā)生。因 此，該結(jié)構(gòu)的放大將非常低。
[0007] 在該引用專利中指出的寄生縱向pnp-型晶體管對于所有基于η-阱的CMOS工藝 是相同的。它是通過ISFET的源極/發(fā)射極、外部連接的η-阱基極并以p-型襯底為集電 極而形成的。它不是感測裝置的一部分，這是因為ISFET的導電性變化不影響所述寄生成 分。對寄生縱向pnp-型晶體管的活躍使用可能最終導致可靠性問題，例如，閂鎖。另外的 問題是在所需的配置中各個器件的外部連接需要額外的端子。這種額外的布線很可能引入 不想要的信號噪聲。
[0008] 美國專利第5126806號描述了特別適用于高功率開關(guān)應用的橫向絕緣柵雙極型 晶體管（IGBT)。所公開的是將源極和漏極分別與橫向雙極型晶體管的基極和發(fā)射極連接 的增強型M0SFET裝置。當將適當?shù)臇艠O輸入電壓（在此為正電荷的形式）施加到M0SFET 時，溝道導通，從而使雙極型晶體管偏置為導通。在柵電極上施加的電荷可以用于通過雙極 型裝置來控制大電流，這在功率應用中是尤其引人注目。但是，在高電壓下進行安全開關(guān)操 作需要雙極型晶體管中有非常寬的基極和低增益。所述裝置的各種形式已經(jīng)集成于如以下 文獻中所描述的現(xiàn)代CMOS工藝中：Bakeroot等，IEEEEDL-28，pp. 416-418, 2007,參考文 獻7。與本文相關(guān)的還有如下報告：E.KhoChingTee，題目為"Areviewoftechniques usedinLateralInsulatedGateBipolarTransistor(LIGBT)(在橫向絕緣概雙極 型晶體管（LIGBT)中所使用的技術(shù)綜述）"JournalofElectricalandElectronics Engineering,vol. 3,pp. 35-52, 2012,參考文獻8。雖然該類型裝置對于各種形式的功率開 關(guān)（由于其對高電壓容量和低內(nèi)部增益的要求）而言是潛在非常有用的，但是對于并入旨 在用于液體或氣體混合物中的電荷檢測（尤其是氫離子的電荷檢測）的電路中的裝置是不 利的。
[0009] 參考圖1A和1B描述現(xiàn)有技術(shù)的ISFET-柵控LBJT。首先參考圖1A，其描述了現(xiàn) 有技術(shù)裝置1〇(其表示了在以上所引用的美國專利第8283736號中所公開的裝置）的側(cè) 視圖。如圖中所示，柵控的LBJT10是通過分別地在p-型襯底11中形成η-阱12、在所述 η-阱12中形成ρ+-摻雜區(qū)以及在ρ+-摻雜區(qū)中圍繞發(fā)射極13形成橫向集電極環(huán)15而構(gòu) 成的。
[0010] 柵控LBJT10在ρ+-摻雜區(qū)之間，在柵極介電層17的頂部上具有受到包覆的柵電 極18。另外，在η-阱12中的η+-摻雜區(qū)中形成基極接觸14。類似地，在η-阱之外設置 Ρ+-摻雜區(qū)16作為襯底接觸。
[0011] 柵電極18和在相鄰側(cè)的ρ+-摻雜區(qū)（起到源極/漏極接觸的作用）構(gòu)成ρ型 M0SFET裝置。
[0012] 在柵控LBJT上方，浮置柵電極18通過多個接觸/通孔和金屬層21電連接至氫離 子感測電極19。感測電極19的表面與含離子溶液22 (參考柵極20附接至該溶液）接觸。
[0013] 在如圖1A所示的現(xiàn)有技術(shù)中，M0SFET漏極區(qū)和雙極晶體管集電極區(qū)固有地連接， 這是因為它們是由同一的P+-導電類型半導體區(qū)形成。
[0014]M0SFET源極區(qū)和雙極發(fā)射極區(qū)也同樣連接，這是因為它們由同一p+-型半導體區(qū) 13形成。在圖1A所示的具體結(jié)構(gòu)中，在η-阱12中制造n+-區(qū)14,以用于到雙極型橫向和 縱向pnp晶體管的基極區(qū)以及到ρ-型M0SFET體（ISFET)的共同的外部偏壓連接。
[0015] 現(xiàn)在參考圖1B，其是圖1A中的裝置的等效電路，可以看出：除了外部參考柵電極 (參考20)外，有四個端子：B14、C15、E13、S16。可以看出：p-型M0SFET將其源極13和漏 極15端子并聯(lián)地連接至橫向雙極型裝置5的發(fā)射極（E)和集電極（C)。類似地觀察到：橫 向pnp晶體管和縱向（寄生）pnp晶體管6共用發(fā)射極（E)和基極（B)端子。
[0016] 將合適的偏壓施加在M0SFET的源極/漏極端子上以及參考電極上將會在MOSFET 裝置中產(chǎn)生橫向電流。
[0017] 發(fā)射極-基極結(jié)的正向偏壓將增加橫向電流（其由圖1A中的橫向集電極環(huán)（15) 提取），并且還將增加在整個圖1的襯底（11)中分布的縱向襯底電流。
[0018] 參考電勢的任何變化將會影響MOSFET電流以及通過所述雙極型裝置的電流。
[0019] 對于所描述的現(xiàn)有技術(shù)裝置，電解液部分的電勢或電荷的任何變化主要由MOSFET 晶體管和橫向pnp-雙極型晶體管的并聯(lián)布置5感測。
[0020] 在p-型MOSFET和橫向pnp-晶體管之間分別共用有源層的事實導致非優(yōu)化的低 電流增益pnp-晶體管。
[0021] 另外，來自縱向寄生pnp晶體管6的襯底電流就器件絕緣而言是不利的，并且不會 提供關(guān)于在電解液部分中的變化的信息。
[0022] 圖2A顯示了如在上述美國專利第5126806號中所描述的LIGBT形式的現(xiàn)有技 術(shù)的一個示例。集成裝置30構(gòu)建于低摻雜η-型層35,該低摻雜η-型層含有p型摻雜區(qū) 50 (其比η-型層具有更高的雜質(zhì)濃度）和ρ+區(qū)70 (其雜質(zhì)濃度超過ρ-型摻雜區(qū)50的雜 質(zhì)濃度）。在Ρ-摻雜區(qū)50中，設置有比ρ-型區(qū)50具有更高雜質(zhì)濃度的η+-區(qū)60。ρ-摻 雜區(qū)50和η+-區(qū)60通過發(fā)射電極55而電短路。集電極65形成到ρ+-區(qū)70的歐姆接觸。 絕緣膜用作柵極電介質(zhì)40且將柵電極45與襯底分開。
[0023] 當將正電勢施加于柵電極45