电化学传感器的制作方法

专利名称：电化学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有离子敏感场效应晶体管(ISFET)的电 化学传感器。
背景技术：
同玻璃电极相比，具有ISFET作为感应元件的电化学传感器 具有较高的机械强度，几乎不会破裂。由于这些特性，这种类型 的传感器有利于例如食品工业和制药工业的应用。使用这样的传 感器的特殊原因是，基于法规的要求，由于玻璃破裂的风险，因 此在一些工业领域使用玻璃电极是不合法的或者至少是存在隐患 的。
根据它们的结构，具有离子敏感场效应晶体管的电化学传感 器可以用于检测各种不同的物质以及特别适合用于pH确定。
通常，ISFET包括FET基结构(FET，场效应晶体管)和在 该基结构上成层沉积的不同材料。FET基结构包括基材，例如， 单晶硅，在其中形成源极区、漏极、以及它们之间设置的导电槽。
德国专利公开文献DE 3116884A1公开了一种使用ISFET测 量液体离子活性的方法和电路结构。该ISFET具有实现离子敏感 层功能的并且覆盖导电槽的绝缘层，从而朝向介质的离子敏感栅 极区形成在该导电槽之上。
欧洲专利公开文献EP 1396718A1公开了一种传感器，该传
感器具有传感器壳体，该壳体以除了至少一个栅极区的方式将传
感器与介质紧密隔离，并且同时允许ISFET的无压力结构。
离子敏感场效应晶体管的生产是代价昂贵的过程，并且需要 具体地讲氧化的和金属材料的不同材料的逐层沉积。在下一层施 加之前各层至少部分地被处理和/或结构化，例如通过湿式化学蚀 刻或光刻工艺。ISFET的不同层的这种功能相关结构化要求使用 专门的和复杂的掩模。具有离子敏感场效应晶体管的传感器领域 的进一步改进主要是基于ISFET所使用的层材料的改变。
例如，专利公开文献WO 2004/079355A1公开了一种用于pH 传感器的ISFET，该ISFET具有层厚连续变化的由金属氧化物和 氮化物的混合物形成的离子选择层。
美国专利公开文献US 5814280A公开了一种具有ISFET的 pH传感器，其中该离子敏感层是氧化铝层，在去除掺杂层后，该 氧化铝层沉积在包括源极区和漏极区的FET基结构的区域上。
具有场效应晶体管的其它类型的传感器是所谓的生物传感 器。这些传感器在栅极区内具有层，在大多数情况中为生物膜或 生物薄膜，其对溶液中的特定生物和/或生物化学物质是敏感的。 德国专利公开文献DE 4115398A1公开了一种制造在栅极区中包 括附加的生物或生物化学薄膜的生物传感器的方法。这里所用的 敏感薄膜主要是极薄的，并且专门为Langmiiir-Blodgett膜，为了 防止膜被撕破，所述膜设置在氮化硅层上，所述氮化硅层在栅极 区内是平坦的。源极区和漏极区这里通过离子注入技术形成在基 材中。
ISFET大体上包括在FET基结构上沉积的多个材料层。大多 数情况下，材料层包括场氧化层以及具有离子敏感和/或绝缘性质
的层。场氧化层直接沉积在FET基结构上，并且作为下一步骤，
离子敏感层至少沉积在栅极区上。
尽管具有ISFET的现有技术公知的传感器大体上是机械稳定 的，但是它们易受到侵蚀性介质尤其是强碱的侵蚀，由此传感器 甚至可被毁坏。这种行为特点对于传统ISFET传感器的使用造成 了问题以及限制，特别是因为强碱是一种用于清洁技术设备的常 用的措施。例如它们是用于CIP (现场清洁)工艺中。特别地， CIP或SIP (现场灭菌)工艺可在几个周期内破坏传统的ISFET。
为了延迟或甚至避免传感器的损坏，例如，使用技术精巧的 互换装配件，所述装配件允许传感器从生产设备取下或收回到单 独的室中，以便在清洁处理的过程中，防止受到清洁溶液影响。 与处理设备中的直接清洁相比，这种类型的装置技术上是复杂的、 相对昂贵的，并且它们比简单的装配件占据了更多的空间。此外， 互换装配件需要被控制，并且室以及传感器必须以不同的方法独 立地被清洁。

发明内容
因此有利的是，将电化学传感器以及特别离子敏感场效应晶 体管设计成，传感器可以在处理条件下清洁。
这造成了以下任务，开发一种具有ISFET的电化学传感器， 其对于侵蚀性介质尤其是碱具有更好抵抗性。
令人吃惊地，已经发现通过改变形态、特别是沉积在FET基 结构上的材料层的组成和结构，可以使得具有ISFET的电化学传 感器更加显著抵抗碱。
根据本发明的电化学传感器包括带有FET基结构的ISFET，其中包括源极区、漏极区以及设置在源极区与漏极区之间的导电
槽。在FET基结构上直接形成第一层，完全覆盖所述FET基结 构，并且在第一层的顶部上形成离子敏感层。ESD (静电放电) 保护层在ISFET与测量介质之间形成边界表面，在导电槽上方的 ESD保护层中的窗形成栅极区，从而栅极区可以直接接触测量介 质。
在FET基结构上形成的层被设置成，FET基结构与第一层之 间的第一边界表面、第一层与离子敏感层之间的第二边界表面以 及离子敏感层的顶侧表面至少在平坦表面区域中是大致平坦的。 表面是平坦的意味着边界表面和顶侧表面没有台阶和边缘，并至 少在平坦表面区域内具有非常低的表面粗糙度。平坦表面区域延 伸超过内侧表面区域，通过源极区(25)、漏极区(26)和导电槽 (13)在平坦表面区域上的凸出而限定所述内侧表面区域。
每个边界表面以及离子敏感层的顶侧表面本身具有平坦表面 区域。然而，由于形成边界表面和顶侧表面的各层以及它们各自 的平坦表面区域以一个在另一个之上的方式布置，所以术语"平 坦表面区域"此后将采用单数形式(singular form)。
令人惊讶地，已经发现，对于与栅极区相比较大平坦表面区 域的、具有ISFET的电化学传感器具有较高的化学抵抗性，尤其 是抵抗高浓度碱，这是因为不同的层在平坦表面区域中是平坦的， 在与介质接触的区域中，第一层或离子敏感层都没有边缘或台阶。 现有技术的ISFET大体上具有边缘禾Q/或台阶，它们在多数情况中 并不完全由随后施加的层覆盖，从而例如，可以形成发丝状裂缝 和/或间隙，这可成为介质的侵蚀点。由于平坦，这些侵蚀性介质 的侵蚀区域被显著减少，并且传感器的抵抗性被显著提高。
根据本发明的传感器特点还在于，至少在平坦表面区域内，
各层、主要是第一层、离子敏感层和ESD层彼此相互并相对于 FET基结构在平行的平面内延伸。
平行平面的结构对于改善平坦表面区域以及这些层的顶侧表 面并获得ISFET的较高的化学抵抗性具有有利的效果。
在优选的实施例中，ISFET还具有设置在离子敏感层与ESD 保护层之间的缓冲层。该缓冲层的目的是为了增加E S D保护层与 FET基结构之间的距离，由此测量信号的质量得到改善。该缓冲 层形成在离子敏感层上，但留出栅极区，因此缓冲层在栅极区周 围形成台阶，高度等于栅极区的层厚。使ISFET与测量介质隔离 的ESD保护层完全覆盖该缓冲层，因此栅极区位于由缓冲层和 ESD保护层邻接的凹部中。该缓冲层优选包括二氧化硅，但是它 也可以使用其它绝缘物质，例如氧化镁，氧化钛，氮化铝，氮化 硅和/或聚合物混合物。
该电化学传感器优选具有带有壳体盖的传感器壳体。壳体盖 稳固地连接至传感器壳体，并且相对于ISFET设置成，除了与介 质接触的表面区域以外，ISFET被壳体盖封闭并与介质密封隔离。
大致无法渗入至介质的、电化学传感器的密封的封闭体保护 传感器主要免受例如测量或清洁介质的进入并因而免受破坏的危 险。为了表面区域与介质接触、还包括栅极区的、壳体盖中的窗 对于实现测量的能力而言是必须的，这是因为其允许测量介质与 栅极区和离子敏感层相互作用。
在优选实施例中，通过栅极区、源极区和漏极区在平坦表面 区域上的凸起所限定的内侧表面区域构成了暴露至介质的表面区 域的一部分。与介质接触的该区域由壳体盖中的切口窗限定，体 现了平坦表面区域的一部分，从而平坦表面区域至少局部设置在
壳体盖内。
在实施例的其它实例中，ISFET在平坦表面区域外侧具有增 加的厚度，从而可以形成二极管以便接触ISFET。 二极管允许出 现在ESD保护层中的电势漏出。由于厚度增加所造成的、朝向介 质的ISFET的表面中的台阶或边缘构成了围绕平坦表面区域的边 界。ISFET设置在传感器壳体内，从而在ISFET已经被安装之后， 台阶优选位于传感器壳体内或至少位于传感器壳体下和/或密封 件内并且不暴露以与测量介质接触。
在FET基结构上直接形成的第一层可包括一个或多个分层，
具体地讲，介电和/或绝缘分层。介电分层用于防止在随后高温沉 积处理的过程中掺杂在基材中的FET的进一步扩散。
例如通过适合的沉积工艺或通过氧化形成一个或多个分层。 对于层材料，可使用不同的金属氧化物，金属氮化物，半导体氧 化物和半导体氮化物，例如二氧化硅，因为该材料可用于介电分 层以及场氧化分层。
第一层优选形成为可工作作为绝缘体还有介电分层的均匀材 料层，例如二氧化硅。
优选实施例中的电化学传感器包括带有优选包含氧化铝的 pH-敏感层的ISFET。其它合适的离子敏感材料例如包括诸如五氧 化二钽、氧化锡、氧化锆、二氧化硅和氧化铪的金属氧化物；碳 氮化合物；金属氮化物；硅氮化物；金属硅酸盐；无定形碳和类 金刚石碳以及这些材料的混合物。
ESD保护层大体上是金属层，用于将静电影响引导离开 ISFET并特别地离开栅极。为此所使用的材料具体地讲是化学以 及机械稳定的金属，例如银、铂、钛、金、和它们的混合物。优
选的是钛-铂合金，在这种情况中，首先沉积纯钛层，从而获得较 好的粘性，然后由钛-铂合金覆盖。
用于电化学传感器的ISFET的制造工艺包括多个步骤。首先， 通过氧化的方式在基材的表面上制成场氧化层。在该层的顶部上， 形成并结构化掺杂层。这种掺杂优选是通过回火完成的。在掺杂 之后，通过完全去除掺杂层和场氧化层，在基材上形成平坦表面 区域。接着，在平坦表面区域中是平坦的第一层是由一个或多个 分层形成。在该第一层上沉积在平坦表面区域中同样平坦的离子 敏感层。
在这种情况中，掺杂层大体是由至少一个结构化的n-掺杂层 和至少一个结构化p-掺杂层15形成。
在本发明的实施例中，该离子敏感层覆盖有ESD保护层，所 述ESD保护层将ISFET与测量介质隔离，提供了对于静电影响 的屏障但是留出栅极区暴露。
在另一实施例中，首先在离子敏感层上沉积缓冲层，然后留 出栅极区开放，并且在第二步骤中，缓冲层完全覆盖有ESD保护 层。
不同的层可以通过以下不同的沉积技术被施加，例如CVD (化学气相淀积)、PECVD (等离子增强化学气相淀积)、热学气 相淀积、溅射、反应溅射，反应气相淀积、激光烧蚀和外延晶体 生长。


在附图中示出了具有ISFET的电化学传感器的不同实施例， 所述附图出于更好理解本发明的原因被部分放大并非等比例绘
出，其中
图1以剖视图的方式示出了现有技术的电化学传感器；
图2示出了传感器壳体内的传统ISFET的剖视图3a至d示出了制造工艺的不同阶段中的传统ISFET的示 意性剖视图3e示出了具有平坦表面区域的ISFET以及其相对于壳体 盖的结构的剖视图4示出了具有平坦表面区域和附加的缓冲层的ISFET以及 其相对于壳体盖的结构的剖视图；并且
图5示出了根据本发明ISFET的非常示意性的俯视图。
具体实施例方式
为了更好地理解传感器中的ISFET的结构，图1以剖视图的 方式示出了现有技术的传感器的浸入介质部分。该传感器包括基 本上圆柱形的传感器壳体1，所述传感器壳体例如是由聚合物或 诸如聚醚醚酮(PEEK)的其它适合材料或金属制成，其中所述传 感器壳体浸入测量介质2中。传感器装有盘形离子敏感场效应晶 体管3，在该实施例中，所述离子敏感场效应晶体管在远离测量 介质2的后侧上具有源极端4和漏极端5,并且在朝向测量介质2 的前侧上具有包括栅极区并与测量介质2接触的介质暴露表面区 域6。
该ISFET3在两个密封件8、 9之间坐落在壳体盖7中，从而 介质暴露表面6与介质2接触，并且该ISFET3同时以无压力的 方式设置在壳体盖7中。该壳体盖7优选由与传感器壳体1相同 的材料制成，并且通过适合的技术固接至传感器壳体，例如超声
波焊接、激光焊接、或其它种类的振动焊接。密封件8、 9优选构 造为圆0形环。密封件9密封ISFET 3防止与测量介质2接触， 同时至少留出介质暴露表面区域6开放。第二密封件8位于ISFET 3与传感器壳体1之间，再一次密封源极端4和漏极端5防止与 可能进入的测量介质2接触，并还用于以无应力的方式将ISFET3 保持在传感器中。
源极端4和漏极端5设置在ISFET 3的朝向传感器壳体1的 侧部的中央区域中，并相应地连接至引线10、 11。引线10和11 穿过传感器壳体1中的开口到达在此未示出的测量装置。
图2示出了在纵向剖视图中所示的传感器壳体中的现有技术 离子敏感场效应晶体管3的结构。为了清楚，ISFET 3相对于朝 向测量介质的壳体盖7的对应部分被过分放大地示出。图中未按 与实际大小成比例画出，并且壳体盖7的位置仅仅是由不连续的 轮廓线示出。对于介质不可渗透的封闭体，壳体盖7的密封件9 将与ISFET接触，从而防止介质渗透。
ISFET 3成层建立在FET基结构上。n掺杂的源极区25、 n 掺杂的漏极区26和p掺杂区27形成在基材中，从而导电槽13 在源极区25与漏极区26之间延伸。现有技术的FET基结构通常 包括掺杂的单晶硅作为基材12，其中掺杂物可以是叩n型的以及 pnp型的。对于支持ISFET的电路的细节，读者可以参考最新的 文献资源比如P.Bergveld， Thirty Years of ISFETOLOGY， Sensors and Actuators B, 88, 1-20 (2003)和其中引用的出版物。
FET基结构通过以下方式制成，在基材12的整个表面上形 成场氧化层14，所述场氧化层包含二氧化硅，其层厚度是在大约 40与大约150 nm之间。例如通过氧化或合适的沉积技术制成场 氧化层14。下一步，形成结构化的掺杂层。该掺杂层至少包括一
个P掺杂层15和一个n掺杂层16，它们例如包含与磷或硼掺杂 的二氧化硅。该p掺杂层15是在第一步骤中，在朝向介质的基材 12的整个表面上被形成。在进一步的操作中，该层被结构化并且 在该过程中再次被局部去除。接下来，在结构化的p掺杂层15 的顶部上沉积并且同样结构化n掺杂层16。通过层15、 16的结 构化，在基材的表面上形成n掺杂区和p掺杂区以及凹部。在图 中，凹部形成在导电槽13上方并且表示出栅极区19的位置。每 个掺杂层15、 16的层厚大体上是在150与300 nm之间。在接下 来的步骤中，基材12被掺杂，从而形成源极区25、漏极区26和 p掺杂区27。通过加热基材12以及其上形成的层15、 16完成掺 杂。此后，在已经以这种方式制成的FET基结构上沉积附加的层。
在FET基结构上沉积均匀厚度的离子敏感层17。该离子敏 感层优选由氧化铝组成，并且厚度在50与100nm之间。该离子 敏感层17覆盖栅极区19以及限定栅极区的边缘。沉积在导电槽 13的顶部上的层的总厚度影响在ISFET的操作过程中形成的电 场。
为了保护ISFET3免受静电放电破坏，该离子敏感层17除了 栅极区19之外覆盖有金属ESD (静电放电)保护层18。该ESD 保护层18被构造成限定了栅极区19。
为了保护ISFET，氧化层和/或聚合物层附加地被沉积在该 ESD保护层18上。
为了密封和封装ISFET 3，该ISFET安置在传感器壳体中(参 见图1)，其中仅仅是壳体盖7被示出。该壳体盖7具有至少一个 密封件9，其封闭ISFET3，而产生难以渗透至介质的屏障，并且 还使得栅极区19可以与测量介质接触。该密封件9例如是0形 环，其限定暴露成与介质接触的区域。
在实践中发现，具有离子敏感场效应晶体管的现有技术的传 感器受到侵蚀性化学介质侵蚀，特别是较高浓度的碱。令人吃惊
地，通过以下方式可以影响ISFET对于这种状态的抵抗，调整离 子敏感场效应晶体管，并具体地组合调整形态、层序和层的结构。 图3至5示出了一种改进的传感器以及其制作的一些中间步骤， 其中与各图之间相同的特征由相同的附图标记表示。
图3a示出了 ISFET的FET基结构，大致类似于如图2所示 的ISFET的FET基结构。在基材12中形成源极区25、漏极区26， p掺杂区27和导电槽13。在基材12上制造场氧化层14，掺杂层 15和16覆盖在所述场氧化层上，而栅极区119被留出没有覆盖。
为了制造根据本发明的传感器，沉积在FET基结构上的层 14、 15、 16在下一步骤中被完全去除，从而产生具有极低表面粗 糙度的平坦表面区域30 (参见附图3b)，基本上仅包含掺杂的基 材12。通过化学蚀刻完成掺杂层15、 16和场氧化层14的去除。
在该平坦表面30上制造第一层，在这种情况中，所述第一层 包括介电分层(dielectrical partial layer) 31和绝缘分层(insulating partiallayer) 32 (见图3c)。所述分层31、 32例如借助于合适的 沉积工艺被施加，例如CVD (化学气相沉积)、PECVD (等离子 增强化学气相沉积)、热学气相沉积(thermal vapor deposition)、 溅射、反应溅射、激光烧蚀和外延晶体生长。这两个分层31、 32 优选包括二氧化硅。包括两个分层31、32的第一层具有大约50 nm 与大约100nm之间的均匀的层厚。
在如图3d所示的下一步骤中，第一层31、 32被离子敏感层 117覆盖，所述离子敏感层优选包括氧化铝，层厚为大约50至100 nm0
分层31、 32以及离子敏感层117特点首先在于，它们彼此相 互并相对于基材12平面平行，并且其次在于，它们具有平坦边界 表面或顶侧表面。随着这些层被沉积在平坦表面30上，基本上由 沉积技术确定各个层的表面粗糙度，并且是在低于10 nm、优选 甚至低于3nm的范围内。
作为静电屏蔽，离子敏感层117除了栅极区119之外被ESD 保护层118覆盖(参见图3e)。 ESD保护层118优选是厚度在大 约30与300 nm之间的钛-钼-钛层，其包括钛层和钛铂合金层。 在这种情况中，钛的功能是作为在离子敏感层117与钛铂合金之 间的一种粘合介质。
为了实现测量功能，ISFET安装在如图l所示的传感器壳体 中。为了更清楚地示出结构，图3e示出了壳体盖7相对于改进的 ISFET的位置。绘画的比例并不成比例。
在ISFET上、更具体地讲在ESD层118上设置壳体盖7的密 封件9，从而没有介质渗入壳体盖7中。例如，密封件9是0形 环，其内径限定了介质暴露表面区域106,该区域包括栅极区119 以及内侧表面区域。在这种情况中，内侧表面区域包括源极区25、 漏极区26和导电槽13 (参见附图5)。
在将如图3e所示的改进的传感器与图2的现有技术的传感器 对比时，发现第一层的分层31、 32和离子敏感层117是平坦的， 并且在与介质接触的区域106中没有边缘或台阶，从而与ISFET 接触的介质很难造成任何可能的侵蚀。
图4a和4b示出了传感器的其它优选实施例。图4a和4b具 有非常相似成分的两个传感器的剖切局部图，每个示出了一半， 并且以下说明基本上针对它们两者。
正如图3a至3e已经所示，ISFET包括FET基结构，带有如 图4a和4b所示的源极区33或漏极区33。然而，掺杂层15、 16 和场氧化层没有被完全去除，而是产生了平坦表面区域。残留的 惨杂层15、 16限定平坦表面区域，并且使ISFET在横向区域具 有增加的厚度。在横向区域中提供最小的层厚是重要的，主要用 于在ISFET的外侧边界处形成二极管。二极管布置在平坦表面区 域的外侧。
在平坦表面区域已经被制成后，在FET基结构上制造包含包 含二氧化硅的均匀的第一层21，并且包含氧化铝的离子敏感层 217被施加。
在平坦表面区域中，离子敏感层217是平坦的，并且平面平 行于基材和第一层，离子敏感层217同时覆盖残留的掺杂层15、 16，形成台阶20。
在施加ESD保护层218之前，缓冲层23覆盖离子敏感层217， 但是栅极区219留出未覆盖。缓冲层23厚度是在500与900 nm 之间，并且优选由二氧化硅组成。缓冲层23用于最小化对于测量 结构的负面影响，这可通过ESD保护层218与FET基结构之间 的不足的距离造成。
作为朝向着介质的封闭体，ISFET除了栅极区219之外再次 由金属ESD保护层218覆盖，其优选成分已经说明。ESD保护层 具有大约40至60nm的层厚。
图4a和4b示出了具有ESD保护层218的两种类型的ISFET， 以及ISFET相对于壳体盖7的结构。ISFET在图中被放大示出， 而壳体盖7的位置仅仅是由不连续的轮廓线示出。在操作状态中， 壳体盖7的密封件9与ISFET接触，由此防止介质渗入该壳体盖
7中。
图4a中，ESD保护层218完全覆盖缓冲层23。该栅极区219 由缓冲层23和ESD保护层218邻接。为了体现进入与ISFET接 触的介质的尽可能少的侵蚀点，ISFET由壳体盖7封闭，从而台 阶20位于密封件9之后并因而在壳体盖7的内部中。
图4b示出了 ISFET的其它有利的结构。在这种情况中，利 用稍微改型的掩模沉积ESD保护层218，从而ESD层218不仅完 全覆盖缓冲层23，还附加地覆盖形成栅极区219的边界的缓冲层 23的边缘。在该实施例中，仅仅ESD保护层218和形成在栅极 区219中的离子敏感层217的一部分暴露成与介质接触。该金属 ESD保护层218因而体现了针对缓冲层23不受侵蚀性介质影响 的附加的保护。
图4b进一步示出了将ISFET安装在传感器壳体中的可选的 可能性。如图所示的壳体盖7的密封件9设置在台阶20的正上方， 从而在操作状态中，台阶20位于密封件9之下。由于同密封件9 相比台阶20的尺寸小，所以在这种情况中，ISFET同样基本上与 介质密封地隔离。仅仅平坦表面区域的一小部分位于壳体盖7之 下或之内。
为了进一步说明ISFET的不同表面区域的结构，图5示出了 ISFET的示意性俯视图。在这种情况中，不同的表面区域示出具 有椭圆形，但是它们实质上可以具有任何期望的形状。对于制造 工艺而言优选是圆形或椭圆形结构。不同的表面区域彼此相互嵌 套其中。在栅极区319周围设置内侧表面区域28，其包括源极区 和漏极区，并且以这些区域在平坦表面区域上的投影来定义。内 侧表面区域28再次体现了与介质接触的并由壳体盖尤其是密封 件的位置所限定的表面区域306的一部分(参见图3d， 4a和4b)。
其中第一层和离子敏感层是大致平坦的平坦表面区域34延伸经 过表面区域306，其中所述表面区域与介质接触，并布置在电化 学传感器内，至少局部在壳体盖内侧。
接下来的是根据本发明的ISFET的制造工艺的说明。FET基 本结构以类似于由现有技术所知的ISFET的方式被制造。在第一 步骤中，在基材表面上，具体地讲在并未掺杂或n掺杂的单晶硅 的表面上形成场氧化层。接下来，形成和结构化掺杂层。通过沉 积至少两个不同掺杂的二氧化硅层形成掺杂层，它们每个层通过 目标化学蚀刻或光刻工艺被结构化。
掺杂层由至少两个也被结构化的层形成。p掺杂层被施加， 例如通过光刻和/或化学蚀刻技术被结构化，从而岛状(insular) P掺杂区保留在基材表面上。
接下来，通过使用相同的技术和工艺步骤形成n掺杂层，从 而掺杂层现在包括n-掺杂区和p-掺杂区。如现有技术所熟知的， 掺杂有磷或硼的二氧化硅常常被用作掺杂层的材料。
为了掺杂操作，基材与在其一个表面上形成的掺杂层一起被 回火(temper),因而掺杂层的掺杂原子被使得至少部分扩散到基 材中。掺杂层被结构化成，通过在加热过程中出现的掺杂原子扩 散到基材中，形成至少一个限定的源极区和限定的漏极区。
在根据本发明的ISFET中，例如通过化学蚀刻再次去除掺杂 层，从而在FET基结构上形成平坦表面区域。各层被完全去除， 或至少在平坦表面区域内被去除。
接下来，具体地在平坦表面区域内与基材平面平行的、没有 边缘和台阶的、并大致平坦的第一层的沉积形式为一个或多个分 层。
在第一层的顶部上直接形成包含氧化铝的离子敏感层。沉积
在FET基结构上的第一层和离子敏感层的顶侧表面和边界表面
的粗糙度值非常低，并且主要通过所使用的沉积工艺被确定。这 两个层通常不被结构化或进一步处理。取决于沉积工艺，表面区
域的粗糙度小于10nm，并优选甚至小于3nm。
ESD保护层直接或在缓冲层之后沉积在离子敏感层上。这些 层被施加成，形成在导电槽之上的栅极区被留出没有覆盖，从而 其可与介质直接相互作用。
前述实例中所述的离子敏感场效应晶体管例如包括在硅基上 的FET基结构。然而，原则上，它还可使用现有技术其它的FET 基结构。
各层可以通过不同的技术被沉积，而CVD优选用于氧化层 并且溅射优选用于金属层。在各个沉积工艺中各个层已经被结构 化，例如通过使用合适的掩模，通过湿式化学蚀刻和/或通过光刻 方法。在此所用的术语"结构化"涵盖了以预定图案沉积以及在 各个层中形成凹部和窗。
如图1所示的具有ISFET的传感器的现有技术的结构在后侧 上具有接触端子，这意味着，端子是在远离介质的ISFET的侧部 上。当然也可行的是，在此所提出的离子敏感场效应晶体管的前 侧上具有接触端子，或者端子设置在ISFET的其它已知的部位。
图1示出的具有ISFET的传感器的现有技术的实施例仅仅用 作为实例。可以认为明显的是，在此所提出的离子敏感场效应晶 体管还可以安装在其它传感器壳体和传感器中，并且它们可以以 其它的方式被密封以防测量介质影响。
附图标记列表
1
2
3
4
6， 106， 306
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17， 117， 217 18， 118， 218 19， 119， 219， 319
20
传感器壳体
测量介质
ISFET
源极区 漏极区
与介质接触的表面区域
壳体盖
密封件
密封件
引线
引线
基材
导电槽
场氧化层
掺杂层(p-二氧化硅)
掺杂层(n-二氧化硅)
离子敏感层
ESD保护层
栅极区
台阶
21 第一层
23 缓冲层
25 源极区
26 漏极区
27 掺杂区(p-二氧化硅)
28 内侧表面区域
30 平坦表面区域
31 介电分层
32 绝缘分层
33 源极或漏极区
34 平坦表面区域
权利要求
1、一种电化学传感器，具有包含FET基结构的ISFET，包括源极区(25)、漏极区(26)以及设置在所述源极区(25)与所述漏极区(26)之间的导电槽(13)，并且还包括在所述FET基结构上直接形成并完全覆盖所述FET基结构的第一层(21)、在所述第一层(21)的顶部上形成的离子敏感层(117，217)、以及ESD保护层(118，218)，其中所述ESD保护层将所述ISFET与测量介质隔离，但是留出栅极区(119，219，319)未覆盖，其特征在于，所述FET基结构与所述第一层(21)之间的第一边界表面、所述第一层(21)与所述离子敏感层(117，217)之间的第二边界表面以及所述离子敏感层(117，217)的顶侧表面在平坦表面区域内是大致平坦的，其中所述平坦表面区域(34)延伸超过内侧表面区域(28)，由所述源极区(25)、漏极区(26)和所述导电槽(13)在所述平坦表面区域上的投影限定所述内侧表面区域。
2、 根据权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述 第一层(21)、所述离子敏感层(117， 217)和所述ESD保护层(118， 218)设置成至少在所述平坦表面区域(34)内彼此相互 并相对于所述FET基结构平面平行。
3、 根据权利要求1或2所述的电化学传感器，其特征在于， 所述ISFET包括设置在所述离子敏感层(217)与所述ESD保护 层(218)之间的缓冲层(23)
4、 根据权利要求1至3任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述电化学传感器包括具有壳体盖(7)的传感器壳体(1)， 其中所述壳体盖(7)相对于所述ISFET设置成，除了与所述介 质接触的表面区域(106， 306)以外，所述ISFET被封闭并相对 于所述介质被隔离。
5、 根据权利要求1至4任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述平坦表面区域(34)包括所述内侧表面区域(28)以及 与所述介质接触的所述表面区域(106， 306)。
6、 根据权利要求1至5任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述ISFET在所述平坦表面区域(34)外侧具有增加的厚度， 用于所述ISFET的接触。
7、 根据权利要求1至6任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述第一层包括一个或多个分层(31， 32)。
8、 根据权利要求1至7任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述离子敏感层(117， 217)包括氧化铝。
9、 根据权利要求l至8任一所述的电化学传感器，其特征在 于，所述ESD保护层(118, 218)是金属层。
10、 一种用于根据权利要求l至9任一所述的电化学传感器 的ISFET的制造方法，至少包括以下步骤在基材(12)上制成场氧化层(14);在所述基材(12)的表面上形成并结构化掺杂层(15， 16); 通过回火所述基材(12)以及形成在其上的掺杂层(15， 16)， 以掺杂所述基材(12)，；去除所述掺杂层(15， 16)和所述场氧化层(16)以制造平坦表面区域(30);制造第一层(21)，所述第一层包括一个或多个分层(31，32);并且沉积离子敏感层(117， 217)。
11、 根据权利要求IO所述的方法，其特征在于，所述掺杂层 由至少一个结构化的n掺杂层(16)和至少一个结构化的p掺杂 层(15)形成。
12、 根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所 述离子敏感层(117)上沉积ESD保护层(118)，留出栅极区(119) 未覆盖。
13、 根据权利要求10至12任一所述的方法，其特征在于， 在所述离子敏感层(217)上沉积缓冲层(23)和ESD保护层(218)， 留出栅极区(219)未覆盖。
全文摘要
一种电化学传感器，具有包含FET基结构的ISFET，包括源极区(25)、漏极区(26)以及设置在所述源极区(25)与所述漏极区(26)之间的导电槽(13)，并且还包括在所述FET基结构上直接形成并完全覆盖所述FET基结构的第一层(21)、在所述第一层(21)的顶部上形成的离子敏感层(117，217)、以及ESD保护层(118，218)，其中所述ESD保护层将所述ISFET与测量介质隔离，但是留出栅极区(119，219，319)未覆盖，其特征在于，所述FET基结构与所述第一层(21)之间的第一边界表面、所述第一层(21)与所述离子敏感层(117，217)之间的第二边界表面以及所述离子敏感层(117，217)的顶侧表面在平坦表面区域内是大致平坦的，其中所述平坦表面区域(34)延伸超过内侧表面区域(28)，由所述源极区(25)、漏极区(26)和所述导电槽(13)在所述平坦表面区域上的投影限定所述内侧表面区域。
文档编号G01N27/414GK101189507SQ200680019193
公开日2008年5月28日 申请日期2006年5月23日 优先权日2005年5月30日
发明者C·德穆特, H·范哈伦, J·范德图因, M·贝尔纳斯科尼 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司