離子感應場效應電晶體及製造方法
2023-09-13 18:23:15 3
專利名稱：離子感應場效應電晶體及製造方法
技術領域：
本發明涉及一種離子感應場效應電晶體(ion sensitive field effect transistor，ISFET)及製造方法，且特別涉及一種具有非單晶矽基襯底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的離子感應場效應電晶體及製造方法。
背景技術：
離子感應場效應電晶體是結合電化學與微電子學的原理的化學傳感器，用以與待測溶液接觸並測量其所含的特定離子的濃度。離子感應場效應電晶體由金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal oxide semiconductor fieldeffct transistor，MOSFET)所改良而成，其與金屬氧化物半導體場效應電晶體不同之處在於，金屬氧化物半導體場效應電晶體的柵極為金屬柵極，但離子感應場效應電晶體具有一用以與待測溶液接觸的離子感應柵極，其運作原理將於後文中提到。另外，由於離子感應場效應電晶體具有高輸入阻抗、低輸出阻抗及響應速度快等優點，再加上其工藝技術與金屬氧化物半導體場效應電晶體的工藝技術兼容的特性，使得離子感應場效應電晶體蘊藏著無比開發的潛力。
請參照圖1，其顯示的是傳統的離子感應場效應電晶體的剖面圖。在圖1中，離子感應場效應電晶體100包括單晶矽襯底(monocrystalline siliconsubstrate)102、源極(source)104、漏極(drain)106、二氧化矽層(silicondioxide layer)108、第一金屬電極(metal electrode)110a、第二金屬電極110b、鈍化層(passivation layer)112及離子感應柵極113。單晶矽襯底102為輕度摻雜P型(P-)，而單晶矽襯底102具有襯底正面102a。離子感應場效應電晶體100的製造方法如下。在定義襯底正面102a的預定摻雜區後，即可藉由從襯底正面102a摻雜N型摻雜劑於單晶矽襯底102中的步驟，使得相互隔開的重度摻雜N型(N+)的源極104及漏極106形成於單晶矽襯底102中。其中，源極104及漏極106的厚度小於單晶矽襯底102的厚度，而源極104及漏極106之間的部分單晶矽襯底102即形成一預定溝道區107，且預定溝道區107較靠近襯底正面102a。此外，二氧化矽層108形成於襯底正面102a上，並具有第一接觸孔(contact hole)109a及第二接觸孔109b。此時，第一接觸孔109a及第二接觸孔109b分別暴露部分源極104及漏極106的表面。
第一金屬電極110a及第二金屬電極110b藉由第一接觸孔109a及第二接觸孔109b與源極104及漏極106電連接，且第一金屬電極110a及第二金屬電極110b覆蓋部分二氧化矽層108。另外，鈍化層112形成於二氧化矽層108之上，並覆蓋第一金屬電極110a及第二金屬電極110b。鈍化層112具有一開口114，用以暴露預定溝道區107上方的二氧化矽層108。離子感應柵極113配置於開口114中的二氧化矽層108上，用以感測容納於開口114中的待測溶液的離子溶度。
舉例而言，當具有陽離子濃度的待測溶液202填滿於離子感應場效應電晶體100的開口114中時，如圖2所示，離子感應柵極113將感測到待測溶液202中的陽離子，使得離子感應柵極113產生界面電位變化。此時，在施加漏極-源極電壓差Vds於漏極106及源極104之間的條件下，第一金屬電極109a及第二金屬電極109b之間將會有電流Ids通過。所以，當待測溶液202的陽離子濃度越高，離子感應柵極113所產生的界面電位變化越大。相對地，流經源極104及漏極106的電流Ids也越大，藉此以得知待測溶液202中的陽離子的濃度。
需要注意的是，由於源極104及漏極106和單晶矽襯底102之間為pn結(pn juction)，將會產生漏電流現象，使得經由第一金屬電極110a及第二金屬電極110b所測量到的電流並非為實際的電流。因此，產生測量上的誤差，且無法確知待測溶液202中的陽離子濃度。另外，單晶矽襯底102的價格相當昂貴，將會增加材料成本許多。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的就是在於提供一種離子感應場效應電晶體及製造方法，其採用非單晶矽基襯底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的設計，可以解決傳統上因源極及漏極和單晶矽襯底之間的pn結而產生的漏電流現象。且非單晶矽基襯底的價格比單晶矽襯底的價格便宜，減少材料成本許多。
根據本發明的目的，提出一種離子感應場效應電晶體，包括非單晶矽基襯底、多晶矽層、源極、漏極、絕緣層、第一電極、第二電極、鈍化層及離子感應柵極。多晶矽層形成於非單晶矽基襯底上，源極及漏極形成於多晶矽層中，且源極及漏極之間的多晶矽層為一預定溝道區。絕緣層形成於多晶矽層上，並具有第一接觸孔及第二接觸孔。第一電極及第二電極分別藉由第一接觸孔及第二接觸孔與源極及漏極電連接，鈍化層形成於絕緣層之上，並覆蓋第一電極及第二電極。鈍化層具有一開口，用以暴露預定溝道區上方的部分絕緣層，離子感應柵極配置於開口中的絕緣層上。
根據本發明的再一目的，提出一種離子感應場效應電晶體的製造方法。首先，提供一非單晶矽基襯底。接著，形成一多晶矽層於非單晶矽基襯底上。然後，形成一源極及一漏極於多晶矽層中，源極及漏極之間的多晶矽層為一預定溝道區。接著，形成一具有第一接觸孔及第二接觸孔的絕緣層於多晶矽層上，第一接觸孔及第二接觸孔分別暴露部分源極及漏極。然後，形成第一電極及第二電極，第一電極及第二電極分別藉由第一接觸孔及第二接觸孔與源極及漏極電連接。接著，形成一具有一開口的鈍化層於絕緣層之上，以覆蓋第一電極及第二電極，開口暴露預定溝道區上方的部分絕緣層的表面。然後，形成一離子感應柵極於開口中的絕緣層上。
其中，非單晶矽基襯底為玻璃襯底、塑料襯底或絕緣襯底，絕緣層為二氧化矽層。此外，第一電極及第二電極為兩金屬電極，且鈍化層為環氧樹脂或其它封膠物質。
為讓本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一優選實施例，並配合附圖，作詳細說明如下，圖中圖1顯示的是傳統的離子感應場效應電晶體的剖面圖；圖2顯示的是圖1的離子感應場效應電晶體測量待測溶液的陽離子濃度時的狀態的剖面圖；圖3顯示的是依照本發明的優選實施例的離子感應場效應電晶體的剖面圖；以及圖4A～4D顯示的是依照本發明的優選實施例的離子感應場效應電晶體的製造方法的流程剖面圖。
附圖中的附圖標記說明如下100、300離子感應場效應電晶體 102單晶矽襯底102a襯底正面 104、304源極106、306漏極 107、307預定溝道區108二氧化矽層 109a、309a第一接觸孔109b、309b第二接觸孔 110a第一金屬電極110b第二金屬電極 112、312鈍化層113、313離子感應柵極 114、314開口202待測溶液 302非單晶矽基襯底303多晶矽層 308絕緣層310a第一電極 310b第二電極404a第一預定摻雜區406a第二預定摻雜區具體實施方式
本發明特別設計一離子感應場效應電晶體(ion sensitive field effcttransistor，ISFET)及製造方法，其採用非單晶矽基襯底(non-single-crystal-silicon-base substrate)的設計，可以解決傳統上因源極及漏極和單晶矽襯底之間的pn結而產生的漏電流現象。且非單晶矽基襯底的價格比單晶矽襯底的價格便宜，可以減少材料成本。
請參照圖3，其顯示的是依照本發明的優選實施例的離子感應場效應電晶體的剖面圖。在圖3中，離子感應場效應電晶體300包括非單晶矽基襯底302、多晶矽層303、源極304、漏極306、絕緣層308、第一電極310a、第二電極310b、鈍化層312及離子感應柵極313。多晶矽層303形成於非單晶矽基襯底302上，源極304及漏極306形成於多晶矽層303中，且源極304及漏極306之間的多晶矽層303作為一預定溝道區307。絕緣層308形成於多晶矽層303上，並具有第一接觸孔309a及第二接觸孔309b。
第一電極310a及第二電極310b分別藉由第一接觸孔309a及第二接觸孔309b與源極304及漏極306電連接，且第一電極310a及第二電極310b覆蓋部分絕緣層308。鈍化層312形成於絕緣層308之上，並覆蓋第一電極310a及第二電極310b。鈍化層312具有一開口314，開口314用以暴露預定溝道區307上方的部分絕緣層308。離子感應柵極313配置於開口314中的絕緣層308上，用以感測容納於開口314中的待測溶液的離子溶度。
請參照圖4A～4D，其顯示的是依照本發明的優選實施例的離子感應場效應電晶體的製造方法的流程剖面圖。首先，在圖4A中，提供一非單晶矽基襯底302，並形成一多晶矽層303於非單晶矽基襯底302上。接著，定義多晶矽層303的正面，以形成第一預定摻雜區404a及第二預定摻雜區406a。並對第一預定摻雜區404a及第二預定摻雜區406a進行摻雜，以對應地形成源極304及漏極306於多晶矽層303中，且源極304及漏極306之間的多晶矽層303為一預定溝道區307，如圖4B所示。在圖4B中，更形成一具有第一接觸孔309a及第二接觸孔309b的絕緣層308於多晶矽層303上，第一接觸孔309a及第二接觸孔309b分別暴露部分源極304及漏極306。
接著，形成第一電極310a及第二電極310b，第一電極310a及第二電極310b分別藉由第一接觸孔309a及第二接觸孔309b與源極304及漏極306電連接，且第一電極310a及第二電極310b覆蓋部分絕緣層308，如圖4C所示。然後，形成一具有開口314的鈍化層312於絕緣層308之上，鈍化層312覆蓋第一電極310a及第二電極310b，開口314暴露預定溝道區307上方的部分絕緣層308的表面。接著，形成一離子感應柵極313於開口314中的絕緣層308上，如圖4D所示，以得到本發明的離子感應場效應電晶體300。
但是本領域技術人員也可以明了本發明的技術並不局限在此，例如，非單晶矽基襯底302為玻璃襯底、塑料襯底或絕緣性襯底，絕緣層308為二氧化矽層或其它絕緣物質。其中，第一電極310a及第二電極310b為兩金屬電極，且鈍化層312為環氧樹脂或其它封膠物質。另外，源極304及漏極306可以是重度摻雜N型(N+)，而多晶矽層303可以是輕度摻雜P型(P-)。
本發明上述實施例所公開的離子感應場效應電晶體及製造方法，其採用非單晶矽基襯底的設計，可以解決傳統上因源極及漏極和單晶矽襯底之間的pn結而產生的漏電流現象。且非單晶矽基襯底的價格比單晶矽襯底的價格便宜，減少材料成本許多。
綜上所述，雖然本發明已以一優選實施例公開如上，但是其並非用以限定本發明，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以所附權利要求所確定的為準。
權利要求
1.一種離子感應場效應電晶體，包括一非單晶矽基襯底；一多晶矽層，形成於該非單晶矽基襯底上；一源極及一漏極，形成於該多晶矽層中，且該源極及該漏極之間的該多晶矽層為一預定溝道區；一絕緣層，形成於該多晶矽層上，並具有一第一接觸孔及一第二接觸孔；一第一電極及一第二電極，並分別藉由該第一接觸孔及該第二接觸孔與該源極及該漏極電連接；一鈍化層，形成於該絕緣層之上，並覆蓋該第一電極及該第二電極，該鈍化層具有一開口，該開口用以暴露該預定溝道區上方的部分的該絕緣層的表面；以及一離子感應柵極，配置於該開口中的該絕緣層上。
2.如權利要求1所述的電晶體，其中該鈍化層為環氧樹脂。
3.如權利要求1所述的電晶體，其中該非單晶矽基襯底為玻璃襯底。
4.如權利要求1所述的電晶體，其中該非單晶矽基襯底為塑料襯底。
5.如權利要求1所述的電晶體，其中該非單晶矽基襯底為絕緣性襯底。
6.如權利要求1所述的電晶體，其中該絕緣層為二氧化矽層。
7.如權利要求1所述的電晶體，其中該第一電極及該第二電極為兩金屬電極。
8.一種離子感應場效應電晶體的製造方法，包括提供一非單晶矽基襯底；形成一多晶矽層於該非單晶矽基襯底上；形成一源極及一漏極於該多晶矽層中，該源極及該漏極之間的該多晶矽層為一預定溝道區；形成一具有一第一接觸孔及一第二接觸孔的絕緣層於該多晶矽層上，該第一接觸孔及該第二接觸孔分別暴露部分該源極及該漏極；形成一第一電極及一第二電極，該第一電極及該第二電極分別藉由該第一接觸孔及該第二接觸孔與該源極及該漏極電連接；形成一具有一開口的鈍化層於該絕緣層之上，該鈍化層覆蓋該第一電極及該第二電極，該開口暴露該預定溝道區上方的部分該絕緣層；以及形成一離子感應柵極於該開口中的該絕緣層上。
9.如權利要求8所述的方法，其中該形成一源極及一漏極於該多晶矽層中的步驟中又包括定義該多晶矽層的正面，以形成兩預定摻雜區；對該兩預定摻雜區進行摻雜，以對應地形成該源極及該漏極。
10.如權利要求8所述的方法，其中該非單晶矽基襯底為玻璃襯底。
11.如權利要求8所述的方法，其中該非單晶矽基襯底為塑料襯底。
12.如權利要求8所述的方法，其中該非單晶矽基襯底為絕緣性襯底。
13.如權利要求8所述的方法，其中該絕緣層為二氧化矽層。
14.如權利要求8所述的方法，其中該第一電極及該第二電極為兩金屬電極。
15.如權利要求8所述的方法，其中該鈍化層為環氧樹脂。
全文摘要
本發明公開了一種離子感應場效應電晶體及製造方法，其中多晶矽層形成於非單晶矽基襯底上。源極及漏極形成於多晶矽層中，源極及漏極之間的多晶矽層為預定溝道區。絕緣層形成於多晶矽層上，並具有第一接觸孔及第二接觸孔。第一電極及第二電極分別藉由第一接觸孔及第二接觸孔與源極及漏極電連接，鈍化層形成於絕緣層之上，並覆蓋第一電極及第二電極。鈍化層具有一開口，用以暴露預定溝道區上方的部分絕緣層，離子感應柵極配置於開口中的絕緣層上。
文檔編號H01L21/335GK1553514SQ03140960
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月2日 優先權日2003年6月2日
發明者楊健生 申請人:友達光電股份有限公司