利用CMOS技术实现pH-ISFET

摘要：在对离子敏场效应晶体管（ISFET）基本结构及电学特性分析的基础上，提出了一种基于CMOS技术实现ISFET与信号处理电路集成化的设计方法。模拟仿真的结果表明，所采用的ISFET/MOSFET“互补对”结构的信号读取电路形式能够抑制“温漂”和克服“硅衬底体效应”对器件测量灵敏度的影响，是一种适用于ISFET集成设计的信号读取方式。
关键词：离子敏场效应晶体管；CMOS工艺；自对准；体效应
中图分类号：TP212.6 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)12-0056-04

A Integrated pH-ISFET Sensor With CMOS Technology
YANG Zhen1,2,YAN Yong-hong1,QI Liang-jie1
(1.Dept. of Applied Physics,Hunan Univ.,Changsha 410082,China; 
2.Suzhou-CAS IC Design Center,Suzhou 215021,China)

Abstract ：Based on the ISFET structure and electronic characteristics, a method integrating the ISFET and signal process circuit realized in an standard CMOS technology are presented. The simulation result shows that complementary ISFET/MOSFET pair can eliminate temperature drift and Si substrate bulk effect, which proves it is a suitable readout circuit for ISFET integration.
Key words：ISFET；CMOS technology；self-aligned；bulk effect



　　1 引言

　　离子敏场效应晶体管作为测量溶液离子组分及浓度的敏感元件，相对当前应用于医疗诊断检测的离子电极选择技术（ISE）具有体积小、全固态、低功耗和便于集成的优点[1]。鉴于目前各类传感器的研制趋向于微型化﹑集成化和智能化的发展方向，将ISFET传感器的敏感单元与信号读取电路集成于同一芯片也就成为了业界对此类传感器的研究热点。ISFET器件与MOSFET结构极其相似，而CMOS工艺已经成为微电子工业的主流制造工艺；因此,利用CMOS技术，便可实现ISFET与信号处理电路及其他敏感单元的阵列集成。

　　2 ISFET器件结构及电学特性

　　ISFET是离子敏感、选择电极制造技术与固态微电子学相结合的产物。最初，此类半导体器件由MOSFET改良而成（金属栅或多晶硅被离子敏感膜代替）[2], 比较两者结构如图1所示。

　　使用时，离子敏感膜和电解质溶液共同形成器件的栅极，溶液与敏感膜之间产生的电化学势ψ，将使FET的阈值电压VTh发生调制效应，使沟道电导发生变化[3]。选取不同的敏感膜可以检测不同离子的浓度（如K+，Na+，Ca2+，Cl-，H+，Br-等）。目前研究最为成熟的是对H+敏感膜的研究，通常选取的材料有SiO2，Si3N4，Al2O3或Ta2O5等[4]，都能对溶液pH值的变化产生比较灵敏的响应。
以Si3N4为敏感材料的n沟道ISFET的VTh受pH影响的表达式为[5]（暂时忽略衬底体效应的影响）

（1）
而n沟道MOSFET的阈值电压为
VTh(n)=φES--2φf （2）

　　上述两式中，φES为与电极相连的电介质与半导体之间的功函数；Qss是绝缘体与半导体界面的单位面积的表面态电荷密度；Qsc是半导体沟道耗尽区域单位面积的电荷；φf是体硅的费米势；S是pH敏感层的灵敏系数。此外，pHpzc是ISFET绝缘层零电荷的pH值。尽管ISFET与MOSFET阈值电压不尽相同，但是相似的物理结构决定了两者具有相同的电学特性方程[5]。

当工作于饱和区时 
Ids= (Vgs-VTh)2 (3) 
当工作于线性区时
Ids=β[(Vgs-VTh)Vds-Vds2/2] (4)

　　3 ISFET器件的CMOS工艺实现

　　采用多晶硅栅的“自对准效应”定义FET结构的源漏区是标准CMOS工艺的主要特征。通过对ISFET器件与MOSFET器件的结构比较，可发现前者的栅极只是在氧化层（SiO2）上淀积一层敏感膜(而没有多晶硅)，这就限制了CMOS工艺的使用。多年前，研究人员就已经提出了以CMOS工艺实现ISFET器件的方法[6]，但是都必须对标准的CMOS工艺流程作进一步的改进，除需要增加“掩膜版”外还必须改变工艺环境，这就大大增加了制作成本。最近,J.bausells提出了一种借助未改进CMOS工艺实现ISFET器件的方法，仍旧使用多晶硅的自对准效应定义源漏区，但保留“多晶硅”并使其与金属层相连作为悬浮电极，而顶部的敏感材料借助这种“悬浮栅”结构与“栅氧”相连，横截面如图2 。 

　　由于氮化硅（Si3N4）或硅氧氮化合物（SiOxNy）具有很低的过孔密度，因此，在CMOS工艺中，被采纳用作钝化保护层。在本设计方案中把Si3N4作为H+敏感层淀积于器件表面的敏感窗口区域。采用上述“悬浮栅”结构，Bausells制作了五种不同几何形状的ISFET器件[1]，并对阈值电压做了测试比较，发现漏源区呈“叉指状”的器件能够在较小的区域范围内获得到较大的跨导。因此，“叉指”形状的器件成为本设计所采用的结构形式，如图3。

　　因为n沟道器件比p沟道器件具有更高的电荷迁移率，因此本设计是在p型硅衬底材料（100晶向，电阻率为8～12Ω