TWI600901B - 離子感測場效電晶體 - Google Patents
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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-
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Description
本發明是有關於一種場效電晶體，且特別是有關於一種離子感測場效電晶體(Ion-Sensitive Field Effect Transistor，ISFET)。
離子感測場效電晶體是Bergveld Piet於西元1970年提出。離子感測場效電晶體主要是用以量測溶液中的離子濃度（如氫離子濃度）。在以離子感測場效電晶體對溶液的離子濃度進行量測的過程中，流經離子感測場效電晶體的電流會隨著溶液中的離子濃度而改變。離子感測場效電晶體的元件設計概念主要源自於互補金氧半導體場效電晶體(MOSFET)，Bergveld Piet發現將互補金氧半導體場效電晶體中的金屬閘極移除並將其浸入溶液中，場效電晶體的通道電流會隨著溶液中的氫離子濃度不同而有所變化，因此離子感測場效電晶體可用以量測溶液中的離子濃度。
針對溶液中的不同離子，離子感測場效電晶體可採用不同材質的感測薄膜方可進行該離子濃度的量測，由於溶液中的離子與感測薄膜的鍵結有其極限（感測極限）存在，因此如何突破離子感測場效電晶體的感測極限實為目前業界亟欲解決的議題之一。
本發明提供一種離子感測場效電晶體，其具備高感測極限。
本發明的一種離子感測場效電晶體，其包括一載子阻陷疊層、一閘極、一通道層、一源極、一汲極以及一感測薄膜。閘極與通道層配置於載子阻陷疊層的二相對側，源極以及汲極與通道層電性連接。感測薄膜配置於通道層上，且通道層位於載子阻陷疊層與感測薄膜之間。
在本發明的一實施例中，上述的載子阻陷疊層包括一第一介電層、一第二介電層以及一載子阻陷層，其中載子阻陷層配置於第一介電層與第二介電層之間。
在本發明的一實施例中，上述的閘極適於配置於一基板上，載子阻陷疊層覆蓋閘極，通道層覆蓋載子阻陷疊層，且源極與汲極覆蓋部分的通道層。
在本發明的一實施例中，上述的通道層的材質例如為非晶矽。
在本發明的一實施例中，上述的離子感測場效電晶體可進一步包括一源極歐姆接觸層以及一汲極歐姆接觸層，源極歐姆接觸層配置於源極與通道層之間，且汲極歐姆接觸層配置於汲極與通道層之間。
在本發明的一實施例中，上述的離子感測場效電晶體可進一步包括一與源極電性連接的源極接觸導體以及一與汲極電性連接之汲極接觸導體。
在本發明的一實施例中，上述的離子感測場效電晶體，可進一步包括一保護層，此保護層覆蓋源極、汲極以及通道層的一部分區域，且保護層具有一感測槽以將通道層的一部分區域暴露，而感測薄膜配置於感測槽所暴露出的通道層上。
在本發明的一實施例中，上述的感測槽為條狀感測槽，且條狀感測槽的延伸方向平行於閘極的延伸方向。
在本發明的一實施例中，上述的感測槽的深度大於1毫米，而感測槽的寬度大於5毫米。
在本發明的一實施例中，上述的保護層的厚度大於1毫米。
在本發明的一實施例中，上述的保護層包括一光阻層。
在本發明的一實施例中，上述的保護層包括一光阻層以及一元件封裝層，其中光阻層覆蓋源極、汲極以及通道層的部分區域，而元件封裝層覆蓋光阻層。
在本發明的一實施例中，上述的感測薄膜進一步覆蓋源極以及汲極。舉例而言，上述的感測薄膜包括一感測部分以及一感測部分，其中感測部分覆蓋通道層的一部分區域，而保護部分覆蓋源極以及汲極，且保護部分的厚度大於感測部分的厚度以於感測部分上方定義出一感測槽。
基於上述，本發明的離子感測場效電晶體具有載子阻陷疊層，且載子阻陷疊層可藉由閘極的控制而使載子被阻陷於載子阻陷疊層中，被阻陷於載子阻陷疊層中的載子可以有效地提升離子感測場效電晶體的感測極限。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
第一實施例
圖1A是依照本發明第一實施例的離子感測場效電晶體的剖面示意圖，而圖1B是依照本發明第一實施例的離子感測場效電晶體的上視示意圖。請同時參照圖1A與圖1B，本實施例之離子感測場效電晶體100包括一載子阻陷疊層110、一閘極120、一通道層130、一源極140S、一汲極140D以及一感測薄膜150。閘極120與通道層130配置於載子阻陷疊層110的二相對側，源極140S以及汲極140D與通道層130電性連接。感測薄膜150配置於通道層130上，且通道層130位於載子阻陷疊層110與感測薄膜150之間。舉例而言，本實施例的離子感測場效電晶體100是製作於一基板SUB上，閘極120配置於基板SUB上，載子阻陷疊層110配置於基板SUB上以覆蓋住閘極120，通道層130配置於載子阻陷疊層110的部分區域上並且位於閘極120的上方，源極140S與汲極140D彼此相互分離地配置於通道層130與載子阻陷疊層110上，而感測薄膜150則配置於源極140S與汲極140D之間的通道層130上。如圖1A所示，本實施例的離子感測場效電晶體100為底電極型態的離子感測場效電晶體。
在本實施例中，載子阻陷疊層110包括一第一介電層112、一第二介電層116以及一載子阻陷層114，其中載子阻陷層114配置於第一介電層112與第二介電層116之間。在載子阻陷疊層110中，第一介電層112扮演了穿遂介電層(tunneling dielectric layer)的角色，而第二介電層116扮演了阻斷介電層(blocking dielectric layer)的角色。當一高電壓施加於閘極120時，電荷可透過FN穿遂效應而穿遂過第一介電層112而被阻陷於載子阻陷層114中，且被阻陷於載子阻陷層114中的電荷會被第二介電層116所阻斷而不會進一步穿遂過第二介電層116。舉例而言，第一介電層112與第二介電層116的材質例如為氧化矽，而載子阻陷層114的材質例如為氮化矽。
在本實施例中，透過適當施加電壓於閘極120上可以控制載子阻陷層114中載子被阻陷的狀況。換言之，透過適當施加電壓於閘極120上，可對載子阻陷疊層110進行編程(programming)、抹除(erasing)等動作。
在本實施例中，通道層130的材質例如為非晶矽或其他半導體材料，而感測薄膜150的材質例如為二氧化矽(SiO2
)、氮化矽(Si3
N4
)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鉿(HfO2
)、三氧化二鋁(Al2
O3
)等。
為了降低源極140S與通道層130之間以及汲極140D與通道層130之間的接觸阻抗，本實施例可於源極140S與通道層130之間形成一源極歐姆接觸層160S以及於汲極140D與通道層130之間形成一汲極歐姆接觸層160D。舉例而言，源極歐姆接觸層160S與汲極歐姆接觸層160D可為N型摻雜的非晶矽層(N+ doped amorphous silicon layer)。此外，本實施例中的離子感測場效電晶體100可進一步包括一與源極140S電性連接的源極接觸導體170S以及一與汲極140D電性連接之汲極接觸導體170D。一般而言，前述的源極接觸導體170S與汲極接觸導體170D可採用金屬材質，以期增進離子感測場效電晶體100的元件表現。
為了增進離子感測場效電晶體100的元件信賴性，本實施例的離子感測場效電晶體100可進一步包括一保護層180，此保護層例如為氧化矽層、氮化矽層、光阻層等。舉例而言，為了增進離子感測場效電晶體100的元件信賴性，前述的保護層180可包括一光阻層180a以及一元件封裝層180b，其中光阻層180a覆蓋源極140S、汲極140D以及通道層130的部分區域，而元件封裝層180b覆蓋光阻層180a。本實施例雖以包括光阻層180a以及元件封裝層180b的保護層180為例進行說明，然本發明並不限定保護層180的具體材料，此領域具有通常知識者當可依據實際設計需求而更動保護層180的材質。
如圖1A所示，為了便於容納待測溶液以對待測溶液中的離子濃度進行量測，本實施例的保護層180具有一感測槽T以將通道層130的一部分區域暴露，而感測薄膜150配置於感測槽T所暴露出的通道層130上。換言之，保護層180中的感測槽T能夠用以容納適量的待測溶液。舉例而言，前述的感測槽T可為條狀感測槽，且條狀感測槽的延伸方向例如是平行於閘極120的延伸方向。在一可行的實施例中，保護層180的厚度例如是大於1毫米，感測槽T的深度例如是大於1毫米，而感測槽T的寬度例如是大於5毫米。
在本實施例的離子感測場效電晶體100中，由於載子阻陷疊層110中的載子阻陷層114會阻陷電荷，因此載子阻陷疊層110中的載子阻陷層114有助於提升感測薄膜150對於待測溶液中離子的感測極限以及靈敏度。
舉例說明，在本發明之一實施例中，以離子感測場效電晶體100進行離子濃度的量測方式如下：首先，在載子阻陷疊層110中尚未阻陷有電子於其中的情況下，量測初始之離子感測場效電晶體100的電流-電壓曲線(Id
-Vg
curve)以得出一第一臨限電壓Vth
1；接著，施加一個正偏壓於離子感測場效電晶體100的閘極120，使得電子被阻陷於載子阻陷疊層110中，此時的汲極140D與源極140S接地，在將電子順利被阻陷於載子阻陷疊層110中之後，將施加於閘極120正偏壓移除，並將汲極140D與源極140S的接地移除，其中施加正偏壓於閘極120的時間可依據不同的載子阻陷疊層110之厚度而有所不同。之後，在離子感測場效電晶體100的感測槽T內加入適量的校正溶液，此校正溶液的離子濃度pH校正溶液
為已知。接著，量測出離子感測場效電晶體100的電流-電壓圖表(Id
-Vg
curve)以得出一第二臨限電壓Vth
2。之後，將所量測到的第一臨限電壓與第二臨限電壓相減後除以校正溶液的離子濃度pH校正溶液
（即Vth
1 -Vth
2 / 校正溶液pH校正溶液
）以得出感測場效電晶體100的靈敏度A(mv/pH校正溶液
)。接著，將感測場效電晶體100從校正溶液取出並進行清洗，然後在感測槽T內倒入待測溶液。最後，量測出此時離子感測場效電晶體100的電流-電壓圖表(Id
-Vg
curve)以得出一第三臨限電壓Vth
3，並將第三臨限電壓Vth
3的值代入下列算式中，以計算出待測溶液的離子濃度pH待測溶 液
。
Vth
3-Vth
1/ pH待測溶液
=靈敏度A(mv/pH校正溶液
)。
第二實施例
圖2是依照本發明第二實施例的離子感測場效電晶體的剖面示意圖，而圖2B是依照本發明第二實施例的離子感測場效電晶體的上視示意圖。請參照圖2A與圖2B，本實施例的離子感測場效電晶體100’與第一實施例中的離子感測場效電晶體100類似，惟二者主要差異在於：本實施例之離子感測場效電晶體100’不具有第一實施例中的保護層180，且本實施例之離子感測場效電晶體100’採用具有保護層作用的感測薄膜150’，此感測薄膜150’除了覆蓋於通道層130之外，其還進一步覆蓋源極140S以及汲極140D。
舉例而言，上述的感測薄膜150’包括一感測部分150a以及一保護部分150b，其中感測部分150a覆蓋通道層130的一部分區域，而保護部分150b則覆蓋源極140S以及汲極140D，且保護部分150b的厚度大於感測部分150a的厚度，以於感測部分150a上方定義出一感測槽T。換言之，本實施例的感測薄膜150’可以被視為一種具有感測粒子濃度能力的保護層，其材質例如為二氧化矽(SiO2
)、氮化矽(Si3
N4
)、五氧化二鉭(Ta2O5)、二氧化鉿(HfO2
)、三氧化二鋁(Al2
O3
)等。本實施例的離子感測場效電晶體100’可以將保護層與感測薄膜150’的製程整合，省去了額外保護層的製作對於離子感測場效電晶體100’的製程簡化有很大助益，且此感測薄膜150是具有感測粒子濃度能力的保護層。
本實施例中，由感測薄膜150’所定義出的感測槽T可為條狀感測槽，且條狀感測槽的延伸方向例如是平行於閘極120的延伸方向。在一可行的實施例中，感測薄膜150’之感測部分150a的厚度例如是大於0.1微米，感測薄膜150’中的感測槽T的深度例如是大於1毫米，而感測槽T的寬度例如是大於5毫米。
基於上述，由於本發明之前述實施例中的離子感測場效電晶體具有載子阻陷疊層，因此本發明的離子感測場效電晶體具有高感測極限。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、100’‧‧‧離子感測場效電晶體
110‧‧‧載子阻陷疊層
112‧‧‧第一介電層
116‧‧‧第二介電層
114‧‧‧載子阻陷層
120‧‧‧閘極
130‧‧‧通道層
140S‧‧‧源極
140D‧‧‧汲極
150、150’‧‧‧感測薄膜
150a‧‧‧感測部分
150b‧‧‧保護部分
160S‧‧‧源極歐姆接觸層
160D‧‧‧汲極歐姆接觸層
170S‧‧‧源極接觸導體
170D‧‧‧汲極接觸導體
150’‧‧‧保護層
150a‧‧‧光阻層
150b‧‧‧元件封裝層
SUB‧‧‧基板
T‧‧‧感測槽
110‧‧‧載子阻陷疊層
112‧‧‧第一介電層
116‧‧‧第二介電層
114‧‧‧載子阻陷層
120‧‧‧閘極
130‧‧‧通道層
140S‧‧‧源極
140D‧‧‧汲極
150、150’‧‧‧感測薄膜
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160S‧‧‧源極歐姆接觸層
160D‧‧‧汲極歐姆接觸層
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170D‧‧‧汲極接觸導體
150’‧‧‧保護層
150a‧‧‧光阻層
150b‧‧‧元件封裝層
SUB‧‧‧基板
T‧‧‧感測槽
圖1A是依照本發明第一實施例的離子感測場效電晶體的剖面示意圖。 圖1B是依照本發明第一實施例的離子感測場效電晶體的上視示意圖。 圖2A是依照本發明第二實施例的離子感測場效電晶體的剖面示意圖。 圖2B是依照本發明第二實施例的離子感測場效電晶體的上視示意圖。
100‧‧‧離子感測場效電晶體
110‧‧‧載子阻陷疊層
112‧‧‧第一介電層
116‧‧‧第二介電層
114‧‧‧載子阻陷層
120‧‧‧閘極
130‧‧‧通道層
140S‧‧‧源極
140D‧‧‧汲極
150‧‧‧感測薄膜
160S‧‧‧源極歐姆接觸層
160D‧‧‧汲極歐姆接觸層
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180a‧‧‧光阻層
180b‧‧‧元件封裝層
SUB‧‧‧基板
T‧‧‧感測槽
Claims (17)
- 一種離子感測場效電晶體，包括：一載子阻陷疊層；一閘極；一通道層，該閘極與該通道層配置於該載子阻陷疊層的二相對側；一源極與一汲極，與該通道層電性連接；以及一感測薄膜，配置於該通道層上，且該通道層位於該載子阻陷疊層與該感測薄膜之間，其中該載子阻陷疊層包括：一第一介電層；一第二介電層；以及一載子阻陷層，配置於該第一介電層與該第二介電層之間，其中該第一介電層與該第二介電層係由氧化矽所組成，而載子阻陷層係由氮化矽所組成。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，其中該閘極適於配置於一基板上，該載子阻陷疊層覆蓋該閘極，該通道層覆蓋該載子阻陷疊層，且該源極與該汲極覆蓋部分的通道層。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，其中該通道層的材質包括非晶矽。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，更包括：一源極歐姆接觸層，配置於該源極與該通道層之間；以及一汲極歐姆接觸層，配置於該汲極與該通道層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，更包括：一源極接觸導體，與該源極電性連接；以及一汲極接觸導體，與該汲極電性連接。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，更包括：一保護層，覆蓋該源極、該汲極以及該通道層的一部分區域，其中該保護層具有一感測槽以將該通道層的一部分區域暴露，且該感測薄膜配置於該感測槽所暴露出的該通道層上。
- 如申請專利範圍第6項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測槽為條狀感測槽，且該條狀感測槽的延伸方向平行於該閘極的延伸方向。
- 如申請專利範圍第6項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測槽的深度大於1毫米，而該感測槽的寬度大於5毫米。
- 如申請專利範圍第6項所述的離子感測場效電晶體，其中該保護層的厚度大於1毫米。
- 如申請專利範圍第6項所述的離子感測場效電晶體，其中該保護層包括一光阻層。
- 如申請專利範圍第6項所述的離子感測場效電晶體，其中該保護層包括一光阻層以及一元件封裝層，其中該光阻層覆蓋該源極、該汲極以及該通道層的部分區域，而該元件封裝層覆蓋該光阻層。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測薄膜進一步覆蓋該源極以及該汲極。
- 如申請專利範圍第12項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測薄膜包括：一感測部分，覆蓋該通道層的一部分區域；以及一保護部分，覆蓋該源極以及該汲極，其中該保護部分的厚度大於該感測部分的厚度以於該感測部分上方定義出一感測槽。
- 如申請專利範圍第13項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測槽為條狀感測槽，且該條狀感測槽的延伸方向平行於該閘極的延伸方向。
- 如申請專利範圍第13項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測槽的深度大於1毫米，而該感測槽的寬度大於5毫米。
- 如申請專利範圍第13項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測部分的厚度大於1毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，其中該感測薄膜係包括二氧化矽、氮化矽、五氧化二鉭、二氧化鉿或三氧化二鋁。
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