[发明专利]基于化学极化场效应的分子识别传感器的设计与制作

说明书

一、技术领域

本发明属于半导体器件结构、版图设计及集成电路工艺创新与极性化合物分子和生物分子识别相结合的研究领域，具体应用到各种化合物分子和生物分子的检测和识别。进一步涉及一种基于化学极化场效应的分子识别传感器的设计与制作工艺。

二、背景技术

分子识别与检测技术是目前科学研究的前沿技术领域，利用场效应原理实现分子识别和检测是目前科学研究的热点领域，有望在环境保护、污染控制、预警技术、化学分析、生物医学领域获得广泛的应用。利用传感器技术对化合物和生物分子进行检测已有数十年的历史。但利用电场效应原理检测和分析化合物分子的历史很短，目前尚处于原理性研究阶段，尚无器件批量生产和投入商业应用的报道。我国目前进行分子识别与检测手段还比较落后，概括起来主要有生物检测法，化学检测法其中包括气相色谱、薄层色谱、高效液相色谱、液相色谱/质谱、毛细管电泳等，细胞毒性检测法，酶活性抑制检测法，免疫检测法等。而且多使用价格昂贵、体积庞大的高效液相色谱-质谱或气相色谱-质谱检测，样品制备过程复杂、耗时长，需要专业技术人员操作，检测费用很高，限制了常规监测次数。尽管国内部分高校、研究所或医疗机构也开展了相关传感器技术的研究工作，但基于化学极化场效应原理与分子自组装技术相结合制作场效应传感器件，用于有机分子或生物分子快速检测的研究尚未报道。

硅基化学极化场效应器件的工作原理是基于硅表面在化学极性分子的诱导极化作用下，使硅基底也发生极化作用，通过这种极化作用使电信号的输出也产生变化，这是一种通过分子极化诱导硅材料极化并控制固体硅材料表面导电特性的有源器件。由于不同极性分子极性各异，其诱导极化能力也各不相同，对应的电信号输出也不同。因此，利用这一特性即可对不同分子进行识别。这种场效应器件具有检测灵敏、响应快速，体积小、重量轻、简单易用、适用现场分析等特点。

三、发明内容

根据上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的是依托VLSI集成电路的先进制造技术，开发一种先进的基于化学极化场效应的传感器件，包括器件结构设计、版图和工艺设计，用6张掩膜版完成传感器芯片制造。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：化学极化场效应分子识别传感器的设计及制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：

(1)用p型(100)晶向单晶硅作衬底材料。

(2)用CMOS集成电路工艺制作传感器芯片。

(3)设计6张掩膜版完成传感器芯片的工艺制作。

(4)用耐弱酸弱碱腐蚀，物理化学性质稳定的膜材料钝化和保护传感器芯片，并通过光刻露出敏感栅区。

(5)按传感器使用环境的特殊要求，设计外壳并进行器件封装，用环氧等材料包封并保护键合引线，防止电短路。

其中，传感器芯片制作工艺用六次光刻完成；按以下步骤进行：

(1)选p型(100)晶向单晶硅作衬底材料。

(2)在p型硅的正面通过化学气相淀积CVD或热氧化生长二氧化硅层SiO₂。

(3)光刻第一张掩膜，制作p⁺型硅。

(4)光刻第二张掩膜，制作n⁺型硅。

(5)光刻第三张掩膜，产生并限定本发明的电场效应分子识别化学传感器(ChemFET)的栅敏感区。

(6)离子注入调节电场效应器件表面沟道的导电率，形成表面导电沟道。

(7)在栅敏感区制作栅敏感膜介质层，包括二氧化硅层SiO₂和氮化硅层Si₃N₄。

(8)光刻第四张掩膜，制作欧姆孔。

(9)光刻第五张掩膜，制作金属引线。

(10)光刻第六张掩膜，制作钝化保护膜。

(11)器件封装并键合外引线，方便器件使用时进行电连接。

(12)对键合引线进行包封和保护，以防止器件进行分子识别和检测时，键合引线产生电短路。

(13)把器件连接至微电流检测仪，获取正确的检测输出，作为对照。

(14)利用分子自组装技术或LB膜技术在器件栅敏感区的栅介质膜上组装化合物或生物分子，通过微电流检测仪检测输出信号，每种不同的化合物或生物分子都有特定的信号输出，可以达到分子识别的目的。

(15)利用分子自组装技术或LB膜技术在器件栅敏感区的栅介质膜上组装化合物或生物分子，将这种化合物或生物分子层作为敏感分子层，当特定分子覆盖在敏感分子层上时，同样有特定信号输出，从而达到分子识别的目的。