基于标准COMS工艺的ISFET器件敏感膜制作方法与流程

本发明涉及半导体工业界集成电路的后工艺操作，尤其涉及基于标准cmos工艺isfet器件敏感膜制作方法以及isfet器件。

背景技术：

isfet器件最初由荷兰科学家pietbergveld于1970年提出并制作成功。随后在1981年，日本的matsuo在原始结构基础上尝试了多种材料敏感膜的敏感性能。限于当时的半导体工艺水平，所制作的isfet器件均由研究者在自己的实验室，利用所拥有的的半导体设备手工制作完成。后来随着半导体技术在工业模式上的革新，目前的与电路结合的集成电路类半导体工艺普遍由相关专门的代工厂完成，具体代工厂有比如台积电(tsmc)，格罗方德(globalfoundries)，中芯国际(smic)等。鉴于这种模式，lucbousse等提出利用标准工艺制作isfet的方法，并且最终制作成功。经过多年的发展，2004年，markmilgrew首次利用标准制作出2×2isfet阵列，其中加入了各种应用电路，如读出电路，行列选择电路等。在markmilgrew的工作中，其在敏感膜制作的问题上，采取了借用标准工艺中钝化层的方式。标准工艺中的钝化层材料各不相同，但是其最顶层材料普遍为硅氮氧化合物(sixnyo)，而刚好硅氮氧化合物材料结构与氮化硅相差不远，有对氢离子的敏感能力。这种借用的方式，可以节省敏感膜制作的工序。但是，因为代工厂制作钝化层的目的在于保护芯片本身的电路免受外部环境的侵蚀，而非用于此类电化学应用，因此可以说钝化层并不是一种好的敏感材料，同时因为钝化层下可能加入其它材料，如硅酸盐玻璃，又因为钝化层厚度的各色各异，钝化层直接作为敏感材料在许多情况下是不可取的。但是到目前为止，绝大多数isfet器件研究者在制作isfet器件时，依然采取了使用钝化层的方法，因为简单的在钝化层之上的敏感膜沉积可能并不能有改善芯片敏感性能的效果。

isfet在标准工艺制作的环境下，因为钝化层材料，结构，厚度的原因，使得不能得到优良的敏感性能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于标准cmos工艺isfet器件敏感膜制作方法，以期解决上述现有技术的至少部分问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种基于标准coms工艺的isfet器件敏感膜制作方法，包括制备敏感膜，其中，

所述制备敏感膜包括：

准备含有外部钝化层和钝化层下方的tin层结构的isfet器件；

从isfet器件外部向下刻蚀部分钝化层、刻蚀全部钝化层、刻蚀至部分tin层或刻蚀全部tin层；和/或沉积敏感膜。

进一步的，当从isfet器件外部向下刻蚀至部分tin层时或刻蚀全部tin层，沉积防渗透层材料后再沉积敏感膜。

进一步的，当从isfet器件外部向下刻蚀全部钝化层时，利用下方的tin作为敏感膜或者在tin层上沉积敏感膜。

进一步的，所述钝化层包括二氧化硅层和氮化硅层，其中氮化硅层置于最顶层。

进一步的，所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀部分钝化层时刻蚀掉钝化层的厚度为85％-95％。

进一步的，在制作敏感膜时包括：采用剥离光刻胶的形成方式或者光刻刻蚀的方式，形成敏感层图样。

进一步的，所述在进一步刻蚀tin层时，刻蚀的方式为降低刻蚀功率干法刻蚀(icp)、湿法腐蚀或rie。

进一步的，所述敏感膜为si3n4，al2o3，ta2o5或nio。

进一步的，所述防渗透层为tin或sio2，防渗透层厚度为10-1000nm。

进一步的，如果沉积敏感膜前一步工艺为刻蚀，则利用剥离方式形成敏感层图样。

进一步的，如果沉积敏感膜前一步工艺为沉积防渗透层材料，则利用光刻刻蚀工艺形成敏感层图样。

根据本发明的另一方面，提供一种isfet器件，包括，

tin层以及上方的外部钝化层；

从isfet器件外部向下刻蚀部分钝化层、刻蚀全部钝化层、刻蚀至部分tin层或刻蚀全部tin层形成的沟道结构；

和/或沟道结构上形成的敏感膜。

根据本发明的再一方面，提供一种敏感膜，采用以上任一所述方法制备。

(三)有益效果

本发明制成了高质量的敏感膜，同时敏感膜与器件顶层金属距离合适，提升了器件的敏感能力。

附图说明

图1为本发明实施例标准工艺下钝化层结构图。

图2为本发明实施例标准工艺下isfet器件结构图。

图3为本发明实施例钝化层刻蚀掉大部分钝化层后结构图。

图4为本发明实施例钝化层刻蚀到tin层结构图。

图5为本发明实施例刻蚀掉大部分钝化层后沉积敏感膜结构图。

图6为本发明实施例刻蚀到tin层后沉积敏感膜结构图。

图7为本发明实施例不刻蚀tin材料器件敏感膜制作过程流程图。

图8为本发明实施例刻蚀tin材料器件敏感膜制作后结构图。

具体实施方式

为使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施方式，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明的基本构思，提供了一种isfet器件敏感膜制作方法。

一般的代工厂cmos工艺，其钝化层结构普遍由二氧化硅，氮化硅成分组成。其中氮化硅因为其高度的致密性和绝缘性，被置于最顶层。在某些工厂的工艺中，可能也会用到如硅酸盐玻璃这类材料。在本发明的具体描述中，都以常见的顶层氮化硅，底层二氧化硅结构作为范例。在钝化层之下，是顶层金属。而金属层(所有金属层)又普遍为三层夹心结构，通常为上下两tin材料的薄层夹着一层厚厚的al/cu合金。从钝化层表层到顶层金属的结构见图1.

图2是在图1的基础上，isfet器件结构图。isfet器件的结构与mosfet几乎无异，区别仅在于isfet器件的栅极信号需要化学敏感产生，因此需要保持isfet器件的栅极悬浮。因为其信号依靠电容的原理进行感应，因此为了避免其他层金属对信号的影响，我们尽量使得除开顶层金属之外的金属层面积很小。如同mosfet，isfet栅极得到信号后，可以将信号转化为电流，这种从电压转化为电流的能力称为跨导。在isfet(钝化层)表面因为离子的交换与结合，导致表面电荷的增减。同时这种电荷的效应再感应到顶层金属，转化为isfet器件的源漏电流，体现出表面电荷的变化。isfet一般用于ph检测，其表面电荷引起的顶层金属电势的变化可表示为如下公式：

其中k为玻尔兹曼常数，t为温度，q为电子电荷，α为一个与敏感能力相关的系数。通常情况下，α越接近1，敏感性能越好。由此课件，单位变化ph的时候，电势信号变化最大为59.2mv，其中假设温度为298k。

在具体制作敏感膜的过程中，有多种选择方向。首先，金属的防扩散防渗透层tin材料本身可以作为一种敏感材料而用于溶液氢离子浓度的敏感。因此一种制作方式为直接将钝化层材料刻蚀干净，使得器件暴露tin材料。其次，如果计划沉积其他敏感层材料，比如si3n4，al2o3，ta2o5等。则可以不用暴露tin材料，省去进一步的刻蚀工艺，直接将所需求的敏感膜沉积或溅射在刻蚀后的器件表面。在此之外，将钝化层材料刻蚀干净暴露tin材料后，再制作敏感层。

图3是钝化层被刻蚀大部分后结构图。假设钝化层有sio2材料和si3n4材料组成，在一般的刻蚀条件下可以一次刻蚀到剩余厚度大约为总厚度的10％的程度。具体地，如果钝化层厚度总共1.8μm，则刻蚀到大约剩余100-200nm厚度的程度。

图4是钝化层被刻蚀，但保留了tin材料的结构图。tin材料在标准工艺中的作用是用于防止金属层材料(al/cu合金或其他)向外扩散。为了沉积敏感膜，在工艺中同样需要tin材料的这种性能。标准工艺中的tin材料厚度很薄，因此利用普通的刻蚀方法，很可能因为选择比不够，导致最终tin材料被完全刻蚀掉。因此在刻蚀的时候，应该特别采取措施，防止tin被刻蚀。具体的实施方案中，一种方法是利用干法刻蚀，比如icp刻蚀。icp刻蚀sio2和si3n4可以互换刻蚀条件，在使用干法刻蚀可以先按照正常速度直接向下刻蚀大部分钝化层材料，然后降低机器功率，使得刻蚀速率变慢，同时减弱对tin的刻蚀能力，得以保存tin材料；另一种方法是利用湿法腐蚀。湿法腐蚀往往具有极高的选择比，在时间控制适当的情况下，对tin几乎没有损伤。

图5和图6是沉积敏感膜后图样。在isfet领域，常用敏感膜有si3n4，al2o3，ta2o5等。还有许多种材料如sno2，wo2，nio等也在被研究。为了不影响原本芯片中金属层的质量，可以使用pecvd方法沉积si3n4材料作为敏感膜，或者使用低温溅射方法形成al2o3，ta2o5材料的敏感膜。材料厚度可以在几十纳米到几百纳米之间。图5是在没有暴露tin的条件下即沉积敏感膜，而图6是在暴露tin材料之后沉积敏感膜。

在制作敏感膜的过程中，为了形成所需图样，应该尽量使用剥离工艺。因为在标准cmos芯片中，必然会有已经刻蚀过的pad区域，如果使用光刻刻蚀方法形成图样，可能会对该区域有一定损伤，或者因为电荷的影响，导致芯片击穿。或者，如果pad区域在被敏感材料覆盖后，如果刻蚀不完整会导致bonding时接触不良。同时，因为上一步的刻蚀工艺必然有光刻刻蚀工艺，因此在特意选择胶型(比如负胶)的情况下，可以直接进行剥离工艺，也节省了工艺步骤。

图7是制作过程的流程图。图中所展示，针对一个新得到的cmos芯片，我们假设其钝化层结构为sio2+si3n4的结构，应该先利用正常的干法刻蚀工艺(一般为icp刻蚀工艺)刻蚀大部分钝化层材料，具体的，大约占钝化层厚度的90％左右。如同前文所陈述，在此处有两种方案，1)如果计划直接使用tin材料作为敏感膜，则降低刻蚀功率，或者湿法腐蚀进一步将钝化层刻蚀干净，以得到纯净的tin材料表面，同时避免过多损失tin材料。2)如果计划采用非tin材料表面，则可以省去进一步的刻蚀，而直接沉积需要的敏感膜材料，比如si3n4，al2o3，ta2o5等等。在此之外，如果在某些实验条件下的需要，也可以在暴露tin材料之后沉积敏感膜。

在上面所有的制作方式之外，还有另外一种制作敏感膜的方法，是在刻蚀钝化层的时候，直接过刻蚀暴露al/cu(在某些工艺下为纯al材料，或者为纯cu材料)合金。因为器件工作在液体环境下，如果敏感层不够致密，则会导致渗透效果。渗透效果又可能导致短路，或者测试不准确。因此需要先沉积一层防渗透层。此处考虑到标准工艺中本身tin材料(或者其他防渗透层材料，如tiw)的具体功能(防止硅衬底和金属之间扩散)，应该尽量继续使用tin材料(或者其他防渗透层材料,如tiw)。图8展示了用此种方法制作出来的器件结构模型。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。