[发明专利]一种生化微传感集成芯片、制作及模具制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于标准CMOS技术的电位型微传感集成芯片的设计与后续工艺技术，特别涉及到传感器新颖的延长栅结构设计以及微传感芯片后续加工技术。

背景技术

离子敏场效应管(Ion Sensitive Field Effect Transistor，ISFET)的研究起源于上世纪70年代。由于其体积小、输入阻抗高且输出阻抗低、响应快、全固态等优势在生物医学，环境监测，工业生产等各个领域得到广泛应用。传统的ISFET结构是将MOSFET(Metallic OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的金属栅极去除，仅保留二氧化硅(SiO₂)层，通过在其上淀积离子敏感薄膜而制成的。测试时，敏感薄膜要与待测液直接接触，整个器件除敏感膜区域外均须用绝缘性能良好的密封胶包封。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活度(浓度)有关，电解液中离子浓度的改变将引起ISFET器件阈值电压相应的改变。这样就可以通过检测ISFET的沟道电流的变化来检测所测离子的浓度。

以pH-ISFET器件为基础，至今已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。虽然对FET型生物传感器集成化的研究由来已久，但目前在国内外尚未见到完全采用标准CMOS(硅栅)工艺设计并制备出可实用的传感器。其主要困难在于：

(1)工艺上无法与标准硅栅CMOS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CMOS技术水平的快速发展，线宽日益减小，集成度越来越高，铝(Al)栅工艺己无法满足要求，多晶硅栅技术已经成为主流。利用多晶硅栅的“自对准”效应定义源极和漏极区域是现在标准CMOS技术的主要特征。近年来，国内外对传感器与标准CMOS的兼容性设计与制备进行了大量的探索。为了实现ISFET与集成电路的单芯片集成，目前最为常用的方法有两种：(1)通过腐蚀技术去除MOSFET栅极的Al金属层及多晶硅层，然后在SiO₂层之上淀积敏感薄膜。该方案工艺复杂，一致性和可靠性很难保证。(2)由于芯片表面以CMOS工艺中的氮化硅(SiNxOy)钝化层为敏感膜，对溶液中氢离子活度具有一定响应。该方案不需要芯片再进行后续加工，方便可靠。但同时存在灵敏度不高、线性度不好等问题。此外，由于标准CMOS工艺中几乎均以Al为互连线，故采用标准CMOS工艺流片获得的芯片不能再经受高温过程。

Ta₂O₅由于具有较高的介电常数(k～26)，低的漏电流密度，低的内应力以及高的击穿电压、易与目前的硅工艺相兼容等优点，是目前所知的最为优良的pH敏感材料。具有良好的化学稳定性、不溶性、很宽的Nemst响应以及良好的生物兼容性。目前对于该薄膜的制备技术有：钽氧化法、溶胶-凝胶法、化学气相淀积技术、磁控溅射技术等。由于在通常淀积条件下很难获得理想的组分和结构，往往呈现出富钽状态，为了获得性能优良的Ta₂O₅薄膜，大都需要在O₂氛围中进行高温(高于650℃)退火后处理。这就限制了它在集成芯片上的应用。