用于电荷检测的集成传感器装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种集成传感器装置。具体地，本发明涉及一种将场效应晶体管与双 极结型晶体管结合的半导体装置的混合形式，所述场效应晶体管通过多个接触/通孔和金 属层连接到感测电极。
【背景技术】
[0002] 近年来，日益增长的兴趣已经出现在可以用于液体中电荷检测的高敏感半导体 装置（例如，用于氢离子的离子敏感场效应晶体管（ISFET)类型，如应用于测定pH浓度、 检测生物分子、研究DNA复制和基因组序列等）或用于气体混合物中的离子或可极化分 子的检测的高敏感半导体装置的领域。以前已经提出并且展示过这样的半导体装置的混 合形式（S-R.Chang等Sensors9, 2009,ρρ· 8336-8348 以及H.Yuan等，Biosensorsand Bioelectronics28, 2011，ρρ· 434-437)，参考文献1-2。这些混合体在单个集成电路中将 ISFET电荷敏感装置并联地与横向双极结型晶体管（LBJT)结合。这样的混合装置有利地将 ISFET的高敏感性和由LBJT提供的额外放大相结合。
[0003] 本文所使用的术语"ISFET"包括这样的装置的各种等效形式（P.Bergveld， SensorsandActuatorsB88, 2003,ρρ· 1-20)，另参见参考文献3-6。例如，导电栅电极可 以是金属或其它合适的导电材料（如高掺杂的多晶硅）。类似地，栅绝缘材料可以是氧化物 (如二氧化硅），但也可以包括氧氮化物或甚至包括高k介质。
[0004] 如下布置是已知的：通过由合适的钝化材料（例如，氧化硅、氮化硅或氧化物/氮 化物的夹层）包封的接触/金属线和通孔/金属线的连续布置，栅电极与待分析的气体或 液体接触。在电极内最接近液体或气体的金属膜可以被所述钝化物包围或可以不被所述钝 化物包围。金属本身可以是在半导体器件的制造中所使用的标准金属，例如，铝、钯、铂或 金。所述电极选择性地为金属/金属氧化物（Al203、Ta205、Hf02)的某种形式。
[0005] 美国专利第8283736号中所公开的离子感测装置由与集成于同一半导体芯片上 的横向双极型装置连接的ISFET构成。如所公开的，p-型沟道ISFET位于η-阱中，横向pnp 型双极晶体管与之并联连接，其中发射极/源极和漏极/集电极分别为公用的，而基极连接 是分开的。当由于在浸没于电解液中的参考电极上施加偏压，导致适当数量的离子在栅电 极上积聚（或耗尽）时，在ISFET中的沟道导通状态将会改变。而这会反而影响横向双极 型装置的导通。
[0006] 该特定结构的缺点是两个器件的并联布置，该布置需要额外的端子。为此导致栅 控横向双极晶体管的固有的低增益。在低于双极型装置的开启电压的偏压下，亚阈值特性 类似于金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)装置（即本文中的ISFET)的亚阈值特 性。在该混合配置中所获得的跨导增强主要在高于M0SFET的阈值电压的情况下发生。因 此，该结构的放大将非常低。
[0007] 在该引用专利中指出的寄生纵向pnp-型晶体管对于所有基于η-阱的CMOS工艺 是相同的。它是通过ISFET的源极/发射极、外部连接的η-阱基极并以p-型衬底为集电 极而形成的。它不是感测装置的一部分，这是因为ISFET的导电性变化不影响所述寄生成 分。对寄生纵向pnp-型晶体管的活跃使用可能最终导致可靠性问题，例如，闩锁。另外的 问题是在所需的配置中各个器件的外部连接需要额外的端子。这种额外的布线很可能引入 不想要的信号噪声。
[0008] 美国专利第5126806号描述了特别适用于高功率开关应用的横向绝缘栅双极型 晶体管（IGBT)。所公开的是将源极和漏极分别与横向双极型晶体管的基极和发射极连接 的增强型M0SFET装置。当将适当的栅极输入电压（在此为正电荷的形式）施加到M0SFET 时，沟道导通，从而使双极型晶体管偏置为导通。在栅电极上施加的电荷可以用于通过双极 型装置来控制大电流，这在功率应用中是尤其引人注目。但是，在高电压下进行安全开关操 作需要双极型晶体管中有非常宽的基极和低增益。所述装置的各种形式已经集成于如以下 文献中所描述的现代CMOS工艺中：Bakeroot等，IEEEEDL-28，pp. 416-418, 2007,参考文 献7。与本文相关的还有如下报告：E.KhoChingTee，题目为"Areviewoftechniques usedinLateralInsulatedGateBipolarTransistor(LIGBT)(在横向绝缘概双极 型晶体管（LIGBT)中所使用的技术综述）"JournalofElectricalandElectronics Engineering,vol. 3,pp. 35-52, 2012,参考文献8。虽然该类型装置对于各种形式的功率开 关（由于其对高电压容量和低内部增益的要求）而言是潜在非常有用的，但是对于并入旨 在用于液体或气体混合物中的电荷检测（尤其是氢离子的电荷检测）的电路中的装置是不 利的。
[0009] 参考图1A和1B描述现有技术的ISFET-栅控LBJT。首先参考图1A，其描述了现 有技术装置1〇(其表示了在以上所引用的美国专利第8283736号中所公开的装置）的侧 视图。如图中所示，栅控的LBJT10是通过分别地在p-型衬底11中形成η-阱12、在所述 η-阱12中形成ρ+-掺杂区以及在ρ+-掺杂区中围绕发射极13形成横向集电极环15而构 成的。
[0010] 栅控LBJT10在ρ+-掺杂区之间，在栅极介电层17的顶部上具有受到包覆的栅电 极18。另外，在η-阱12中的η+-掺杂区中形成基极接触14。类似地，在η-阱之外设置 Ρ+-掺杂区16作为衬底接触。
[0011] 栅电极18和在相邻侧的ρ+-掺杂区（起到源极/漏极接触的作用）构成ρ型 M0SFET装置。
[0012] 在栅控LBJT上方，浮置栅电极18通过多个接触/通孔和金属层21电连接至氢离 子感测电极19。感测电极19的表面与含离子溶液22 (参考栅极20附接至该溶液）接触。
[0013] 在如图1A所示的现有技术中，M0SFET漏极区和双极晶体管集电极区固有地连接， 这是因为它们是由同一的P+-导电类型半导体区形成。
[0014]M0SFET源极区和双极发射极区也同样连接，这是因为它们由同一p+-型半导体区 13形成。在图1A所示的具体结构中，在η-阱12中制造n+-区14,以用于到双极型横向和 纵向pnp晶体管的基极区以及到ρ-型M0SFET体（ISFET)的共同的外部偏压连接。
[0015] 现在参考图1B，其是图1A中的装置的等效电路，可以看出：除了外部参考栅电极 (参考20)外，有四个端子：B14、C15、E13、S16。可以看出：p-型M0SFET将其源极13和漏 极15端子并联地连接至横向双极型装置5的发射极（E)和集电极（C)。类似地观察到：横 向pnp晶体管和纵向（寄生）pnp晶体管6共用发射极（E)和基极（B)端子。
[0016] 将合适的偏压施加在M0SFET的源极/漏极端子上以及参考电极上将会在MOSFET 装置中产生横向电流。
[0017] 发射极-基极结的正向偏压将增加横向电流（其由图1A中的横向集电极环（15) 提取），并且还将增加在整个图1的衬底（11)中分布的纵向衬底电流。
[0018] 参考电势的任何变化将会影响MOSFET电流以及通过所述双极型装置的电流。
[0019] 对于所描述的现有技术装置，电解液部分的电势或电荷的任何变化主要由MOSFET 晶体管和横向pnp-双极型晶体管的并联布置5感测。
[0020] 在p-型MOSFET和横向pnp-晶体管之间分别共用有源层的事实导致非优化的低 电流增益pnp-晶体管。
[0021] 另外，来自纵向寄生pnp晶体管6的衬底电流就器件绝缘而言是不利的，并且不会 提供关于在电解液部分中的变化的信息。
[0022] 图2A显示了如在上述美国专利第5126806号中所描述的LIGBT形式的现有技 术的一个示例。集成装置30构建于低掺杂η-型层35,该低掺杂η-型层含有p型掺杂区 50 (其比η-型层具有更高的杂质浓度）和ρ+区70 (其杂质浓度超过ρ-型掺杂区50的杂 质浓度）。在Ρ-掺杂区50中，设置有比ρ-型区50具有更高杂质浓度的η+-区60。ρ-掺 杂区50和η+-区60通过发射电极55而电短路。集电极65形成到ρ+-区70的欧姆接触。 绝缘膜用作栅极电介质40且将栅电极45与衬底分开。
[0023] 当将正电势施加于栅电极45