專利名稱：一種陣列式光尋址電位傳感器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于傳感器設計技術領域，具體涉及一種陣列式光尋址電位傳感器及其制作方法。
背景技術：
光尋址電位傳感器(LAPQ是一種以電容型傳感器為基礎，結合半導體光電特性的傳感器件。由于其具有制備工藝簡單、封裝要求低、電位穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應時間短、測量過程中光源可移動等特點，引起了廣泛的研究和應用。光尋址電位傳感器的敏感單元具有電解質溶液-敏感膜-半導體結構。當把光尋址電位傳感器的半導體表面偏置在耗盡狀態(tài)時，用強度可調制的光源照射硅片，光子會激發(fā)硅材料電子從價帶躍遷到導帶，從而產生的非平衡電子-空穴對在耗盡電場作用下被分離，在交流通路中就表現(xiàn)為交變的光電流。敏感膜接觸待測溶液所產生的固-液界面勢將會對偏置電壓起調制作用，使光電壓或光電流發(fā)生變化，根據(jù)光電信號的大小，可測得待測溶液中離子濃度等相關信息?？梢赃M行多種參量的同時檢測是陣列式光尋址電位傳感器的一個主要優(yōu)點。在陣列式光尋址電位傳感器中，一般采用與傳感器陣列相對應的LED陣列作為激勵光源，由于 LED的發(fā)散角較大，所以不管陣列式光尋址電位傳感器采用的是正面照射還是背面照射，都會有部分光線照射在各敏感單元之間的區(qū)域上，光線照射在該區(qū)域所產生的信號將作為一種噪聲被引入，并且由于現(xiàn)有的陣列式光尋址電位傳感器中，陣列單元大面積分布在同一個硅襯底上，不同敏感單元同時測試時噪聲會通過硅襯底耦合。而對相鄰陣列單元進行隔離是減除該噪聲的有效辦法。現(xiàn)有的陣列式光尋址電位傳感器中，相鄰陣列單元的隔離基本采用傳統(tǒng)的聚酰亞胺、光刻膠等介質層或生長厚氧化層來實現(xiàn)隔離。這些方法都存在固有缺陷聚酰亞胺和光刻膠在光刻過程中會污染敏感單元，而光刻膠還存在無法在溶液中長期浸泡的局限，厚氧化層雖然沒有相應的污染，但對噪聲的抑制效果并不理想。同時，目前陣列式光尋址電位傳感器上的參考電極基本采用傳統(tǒng)的體積較大的Ag/AgCl電極或甘汞電極，不利于陣列式光尋址電位傳感器的微型化和集成化。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種陣列式光尋址電位傳感器及其制作方法，通過采用 SOI (Silicon-On-Insulator,絕緣襯底上的硅)襯底結合隔離槽技術，克服了現(xiàn)有技術在隔離方面所存在的不足和缺陷，保證了傳感器可實現(xiàn)多種生化參量的同時檢測，具備微型化和集成化的特點?！N陣列式光尋址電位傳感器，包括SOI襯底和在SOI襯底上形成的若干個隔離島；所述的SOI襯底上設有二氧化硅層；所述的隔離島由SOI襯底的埋氧層和設置于SOI襯底的頂層硅中且連接二氧化硅層和埋氧層的環(huán)形隔離槽構成；所述的隔離島內的頂層硅的頂部設有擴散環(huán)，所述的擴散環(huán)與環(huán)形隔離槽相連；所述的隔離島內的二氧化硅層上設有與所述的擴散環(huán)對應的U型環(huán)狀的襯底電極和包含在襯底電極所圍成區(qū)域內的方環(huán)狀的片上參考電極； 所述的隔離島內的二氧化硅層中設有若干接觸孔，所述的接觸孔連接所述的襯底電極與所述的擴散環(huán)；所述的片上參考電極所圍成區(qū)域內集成有光尋址電位傳感單元，所述的光尋址電位傳感單元自底向上依次由頂層硅、二氧化硅層和敏感膜層構成。所述的光尋址電位傳感單元的二氧化硅層的厚度低于周圍二氧化硅層的厚度。所述的SOI襯底為P型SOI襯底或N型SOI襯底。所述的環(huán)形隔離槽的截面為U型結構。所述的擴散環(huán)為P+擴散環(huán)或N+擴散環(huán)。優(yōu)選的技術方案中，相鄰兩個隔離島的環(huán)形隔離槽的相鄰邊可合并。一種陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，包括如下步驟(1)制作隔離島選用電阻率為2 20 Ω ·αιι，硅層厚度為0. 5 20μπι的SOI襯底；在SOI襯底正面旋涂光刻膠后，采用半導體干法刻蝕技術在SOI襯底上刻蝕出環(huán)形隔離槽；氧化生長并沉積二氧化硅進行隔離槽內回填，并在槽外其他區(qū)域形成二氧化硅層；(2)制作擴散環(huán)在隔離島內光刻出一圈環(huán)形擴散區(qū)的窗口 ；然后離子注入或擴散P型/N型雜質形成P+或N+擴散環(huán)；(3)制作光尋址電位傳感單元采用干法或濕法刻蝕去除光尋址電位傳感區(qū)域的二氧化硅層；用干氧氧化法在傳感區(qū)域上重新生長一厚度為300 1000埃的二氧化硅層， 再用LPCVD法在傳感區(qū)域的二氧化硅層上生長氮化硅層作為敏感膜；(4)制作片上參考電極遮擋保護器件區(qū)域，僅暴露參考電極區(qū)域；在參考電極區(qū)上濺射銀電極，然后把整個SOI襯底浸入三氯化鐵溶液，從而獲得Ag/AgCl的片上參考電極；(5)制作襯底電極在隔離島內光刻出擴散環(huán)的接觸孔，在襯底電極區(qū)域上蒸發(fā)或濺射Al或Au金屬電極材料，并反向光刻后作為襯底電極引出。本發(fā)明的有益技術效果為(1)本發(fā)明通過采用SOI襯底結合隔離槽技術，使相鄰傳感單元之間形成了徹底的物理隔離，不僅可以有效阻斷光生載流子在相鄰傳感單元間的橫向擴散，而且從結構上將同一傳感器芯片上的不同傳感單元的襯底相互隔離開，有效降低了相鄰傳感單元同時檢測時的信號干擾和來自于襯底耦合所致的噪聲串擾，同時也提高了光尋址電位傳感單元間的隔離度；(2)本發(fā)明通過在SOI頂層硅中設置擴散環(huán)，把襯底電極從傳感器芯片表面引出， 減小了 SOI頂層硅的接觸電阻，提高了襯底電流的收集效率；同時也為傳感器芯片提供了干擾噪聲阻斷區(qū)，使光激勵產生的光生載流子在重摻雜區(qū)快速復合掉，而不會橫向擴散到相鄰單元造成信號干擾；(3)本發(fā)明采用方環(huán)狀的片上參考電極，將參考電極與傳感器在同一芯片上單片集成，有效減小了傳感器件的體積，更有利于傳感器件的微型化、集成化；在測試過程中，可將陣列中一個傳感單元作為參考單元(對待測物質不敏感)，其他傳感單元作為測試單元， 測試信號經處理后，參考單元的信號體現(xiàn)了溶液、溫度等環(huán)境噪聲的影響，將作為共模噪聲予以去除，從而可以有效提高測試精度。


圖1為本發(fā)明2X2陣列式光尋址電位傳感器的結構示意圖。圖2為圖1沿AA’方向的2X2陣列式光尋址電位傳感器的結構剖視圖。圖3為本發(fā)明2X2陣列式光尋址電位傳感器制作方法的步驟流程圖。圖4為本發(fā)明2X2陣列式光尋址電位傳感器制作的工藝流程圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。如圖1和圖2所示，一種2X2陣列式光尋址電位傳感器，包括SOI襯底1和在SOI 襯底1上形成的四個隔離島；SOI襯底1上設有二氧化硅層8 ；隔離島由SOI襯底1的埋氧層1. 1和設置于SOI 襯底1的頂層硅1. 2中且連接二氧化硅層8和埋氧層1. 1的環(huán)形隔離槽2構成；相鄰兩個隔離島的環(huán)形隔離槽2的相鄰邊合并；隔離島內的頂層硅1. 2的頂部設有P+擴散環(huán)7，P+擴散環(huán)7與環(huán)形隔離槽2相連；隔離島內的二氧化硅層8上設有與P+擴散環(huán)7對應的U型環(huán)狀的襯底電極4和包含在襯底電極4所圍成區(qū)域內的方環(huán)狀的片上參考電極5 ；隔離島內的二氧化硅層8中設有若干接觸孔6，接觸孔6連接襯底電極4與P+擴散環(huán)7;片上參考電極5所圍成區(qū)域內集成有光尋址電位傳感單元3，光尋址電位傳感單元3自底向上依次由頂層硅1. 2、二氧化硅層3. 2和敏感膜層3. 1構成，光尋址電位傳感單元的二氧化硅層3. 2的厚度低于周圍二氧化硅層8的厚度。如圖3所示，一種2X2陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，包括如下步驟(1)制作隔離島。選用電阻率為8 10 Ω · cm，硅層厚度為ΙΟμπι的P型SOI襯底，清洗并烘干處理，如圖4(a)所示；在SOI襯底正面旋涂SU-8厚膜光刻膠，進行前烘處理，在光刻膠上放置掩膜版，用紫外光曝光，掩膜版圖形為2X2矩形陣列，每個矩形尺寸為3mmX3mm，矩形間距為2mm。曝光后用顯影液顯影，烘箱中堅膜處理。采用半導體干法刻蝕技術去除暴露出來的SOI襯底的頂層硅，刻蝕出環(huán)形隔離槽，構成含有4個獨立傳感區(qū)域的2X2陣列式光尋址電位傳感區(qū)，去膠、清洗并烘干SOI襯底，如圖4(b)所示；氧化生長并沉積二氧化硅進行隔離槽區(qū)回填，并在槽外其他區(qū)域形成二氧化硅層，如圖4(c)所示。(2)制作擴散環(huán)。
在SOI襯底正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置P+擴散區(qū)掩膜版，紫外光曝光后顯影、堅膜，用氟化氨和氫氟酸配成的二氧化硅緩沖溶液進行腐蝕，去除未被光刻膠保護的二氧化硅層，暴露出環(huán)形的SOI襯底的頂層硅，之后去膠并清洗烘干，得到由隔離槽圍成的隔離島內的一圈環(huán)形P+擴散區(qū)窗口 ；將SOI襯底放入擴散爐，通過預沉積和再分布兩個步驟進行P型雜質的摻雜形成 P+擴散環(huán)，雜質再分布的同時，會在SOI襯底表面生長一層二氧化硅層，如圖4(d)所示。(3)制作光尋址電位傳感單元。在SOI襯底的正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置光尋址電位傳感器的傳感區(qū)掩膜版，紫外光曝光后顯影、堅膜，用氟化氨和氫氟酸配成的二氧化硅緩沖溶液進行腐蝕，去除敏感區(qū)域暴露出來的二氧化硅層，之后去膠并清洗烘干，然后采用干氧氧化法熱生長一薄二氧化硅層(約300埃)，如圖4 (e)所示；在整個SOI襯底表面采用LPCVD法淀積一薄層氮化硅層作為氫離子敏感膜，之后在SOI襯底正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置光尋址電位傳感器敏感區(qū)掩膜版， 紫外光曝光后顯影、堅膜，用干法刻蝕去除非傳感區(qū)域的氮化硅層，之后去膠并清洗烘干， 如圖4(f)所示。(4)制作片上參考電極。在SOI襯底正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置參考電極掩膜版，紫外光曝光后顯影、堅膜，此時SOI襯底上僅暴露要制作參考電極及引線的區(qū)域，其他部分由光刻膠遮擋；濺射法沉積銀電極金屬，把SOI襯底浸入三氯化鐵溶液，化學反應獲得Ag/AgCl片上參考電極，之后去膠、清洗，如圖4(g)所示。(5)制作襯底電極。在SOI襯底正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置接觸孔掩膜版，紫外光曝光后顯影、堅膜，用氟化氨和氫氟酸配成的二氧化硅緩沖溶液進行腐蝕，去除接觸孔區(qū)域暴露出來的二氧化硅層，之后去膠并清洗烘干，如圖4(h)所示；在整個SOI襯底上濺射Al金屬電極材料，之后在SOI襯底正面旋涂光刻膠，前烘處理，在光刻膠上放置襯底電極掩膜版，紫外光曝光后顯影、堅膜，用熱磷酸溶液腐蝕掉其余部分的Al金屬，僅保留襯底電極及引線，之后去膠、清洗，如圖4(i)所示。傳感器制作完成后，把襯底電極和片上參考電極通過片上設計的壓焊點進行壓焊、封裝，加參考電位后以調制光進行激勵，四個陣列傳感單元即可同時進行溶液中氫離子濃度分布的測試。
權利要求
1.一種陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于包括SOI襯底和在SOI襯底上形成的若干個隔離島；所述的SOI襯底上設有二氧化硅層；所述的隔離島由SOI襯底的埋氧層和設置于SOI 襯底的頂層硅中且連接二氧化硅層和埋氧層的環(huán)形隔離槽構成；所述的隔離島內的頂層硅的頂部設有擴散環(huán)，所述的擴散環(huán)與環(huán)形隔離槽相連；所述的隔離島內的二氧化硅層上設有與所述的擴散環(huán)對應的U型環(huán)狀的襯底電極和包含在襯底電極所圍成區(qū)域內的方環(huán)狀的片上參考電極；所述的隔離島內的二氧化硅層中設有若干接觸孔，所述的接觸孔連接所述的襯底電極與所述的擴散環(huán)；所述的片上參考電極所圍成區(qū)域內集成有光尋址電位傳感單元，所述的光尋址電位傳感單元自底向上依次由頂層硅、二氧化硅層和敏感膜層構成。
2.根據(jù)權利要求1所述的陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于相鄰兩個隔離島的環(huán)形隔離槽的相鄰邊合并。
3.根據(jù)權利要求1所述的陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于所述的SOI襯底為P 型SOI襯底或N型SOI襯底。
4.根據(jù)權利要求1所述的陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于所述的環(huán)形隔離槽的截面為U型結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于所述的擴散環(huán)為P+ 擴散環(huán)或N+擴散環(huán)。
6.根據(jù)權利要求1所述的陣列式光尋址電位傳感器，其特征在于所述的光尋址電位傳感單元的二氧化硅層的厚度低于周圍二氧化硅層的厚度。
7.—種陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，包括如下步驟(1)制作隔離島在SOI襯底正面旋涂光刻膠后，采用半導體干法刻蝕技術在SOI襯底上刻蝕出環(huán)形隔離槽；氧化生長并沉積二氧化硅進行隔離槽內回填，并在槽外其他區(qū)域形成二氧化硅層；(2)制作擴散環(huán)在隔離島內光刻出一圈環(huán)形擴散區(qū)的窗口；然后離子注入或擴散P型 /N型雜質形成擴散環(huán)；(3)制作光尋址電位傳感單元采用干法或濕法刻蝕去除光尋址電位傳感區(qū)域的二氧化硅層；用干氧氧化法在傳感區(qū)域上重新生長一厚度為300 1000埃的二氧化硅層，再用 LPCVD法在傳感區(qū)域的二氧化硅層上生長氮化硅層作為敏感膜；(4)制作片上參考電極遮擋保護器件區(qū)域，僅暴露參考電極區(qū)域；在參考電極區(qū)上濺射銀電極，然后把整個SOI襯底浸入三氯化鐵溶液，從而獲得Ag/AgCl的片上參考電極；(5)制作襯底電極在隔離島內光刻出擴散環(huán)的接觸孔，在襯底電極區(qū)域上蒸發(fā)或濺射金屬電極材料，并反向光刻后作為襯底電極引出。
8.根據(jù)權利要求7所述的陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，其特征在于所述的金屬電極材料為Al金屬或Au金屬。
9.根據(jù)權利要求7所述的陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，其特征在于所述的 SOI襯底為電阻率為2 20 Ω .cm，硅層厚度為0. 5 20 μ m的P型或N型<100>S0I襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列式光尋址電位傳感器，包括SOI襯底和在SOI襯底上形成的若干個隔離島，隔離島內的SOI襯底設有光尋址電位傳感單元、擴散環(huán)、襯底電極和片上參考電極；本發(fā)明還公開了該陣列式光尋址電位傳感器的制作方法，包括(1)制作隔離島；(2)制作擴散環(huán)；(3)制作光尋址電位傳感單元；(4)制作片上參考電極；(5)制作襯底電極。本發(fā)明通過采用SOI襯底結合隔離槽技術，有效提高了光尋址電位傳感單元間的隔離度，且本發(fā)明獨特的片上參考電極設計更有利于傳感器的微型化、集成化。
文檔編號G01N27/26GK102288655SQ20111012365
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權日2011年5月13日
發(fā)明者孫穎, 朱大中, 郭維 申請人:浙江大學