SOI槽隔離光尋址電位傳感器設(shè)計(jì)與研究

孫 穎, 朱大中

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系,浙江 杭州 310027)

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SOI槽隔離光尋址電位傳感器設(shè)計(jì)與研究

孫 穎, 朱大中

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系,浙江 杭州 310027)

提出新型隔離結(jié)構(gòu)的光尋址電位傳感器(LAPS)陣列.該傳感器采用P型絕緣體上的硅(SOI)襯底,利用SOI頂硅層中的硅隔離槽結(jié)合重?fù)诫sP+區(qū)進(jìn)行相鄰陣列單元的隔離.SOI LAPS陣列的ISE-TCAD仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的厚氧隔離和重?fù)诫s隔離方法相比,槽隔離結(jié)構(gòu)可以有效地改善相鄰陣列單元的噪聲隔離特性.重?fù)诫s隔離LAPS陣列傳感器的隔離度為3.5 dB,槽隔離LAPS陣列傳感器的隔離度可達(dá)180 dB.樣品實(shí)測結(jié)果表明,隔離槽和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)SOI LAPS陣列傳感器的隔離度為97.23 dB,厚氧和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)的硅基LAPS陣列傳感器隔離度僅為16.48 dB.研究數(shù)據(jù)證明,SOI隔離槽結(jié)合P+雙重隔離結(jié)構(gòu)具有更好的噪聲抑制特性,能夠阻止相鄰陣列單元的襯底噪聲耦合以及來自非敏感區(qū)的信號(hào)干擾.

SOI；槽隔離；重?fù)诫s；光尋址電位傳感器(LAPS)；ISE-TCAD

光尋址電位傳感器(light addressable potentiometric sensor,LAPS)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體傳感器[1],主要分為電解質(zhì)溶液-絕緣層-半導(dǎo)體(electrolyte- insulator-semiconductor,EIS)和金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(metal-insulator-silicon,MIS)2種類型.EIS型LAPS的基本工作原理是將半導(dǎo)體表面偏置于耗盡狀態(tài),當(dāng)用光強(qiáng)調(diào)制的光源照射半導(dǎo)體時(shí),產(chǎn)生的非平衡電子-空穴對(duì)將在耗盡電場的作用下發(fā)生分離,使耗盡層的兩側(cè)產(chǎn)生光電壓,在由耗盡層、敏感膜及外電路構(gòu)成的通路中可以測得交變電流信號(hào).當(dāng)LAPS的敏感膜與被測物質(zhì)接觸后,生化量(如離子濃度等)的變化使半導(dǎo)體表面的固-液界面勢發(fā)生改變,對(duì)偏置電壓起到調(diào)制作用,改變了光電壓,從而間接得到待測生化量的信息.目前,LAPS傳感器已在生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究,如用于水體重金屬檢測[2-3]、DNA基因檢測[4-5]、細(xì)胞分析等[6].利用LAPS器件的光可尋址性,采用陣列結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)二維的生化圖像采集研究[4,6-9].

國內(nèi)外對(duì)LAPS的研究主要集中在新型敏感膜及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,對(duì)陣列器件結(jié)構(gòu)的研究較少.由于激勵(lì)光源具有發(fā)散性,LAPS陣列傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮如何減小來自非敏感區(qū)及近鄰傳感單元的信號(hào)干擾,這是LAPS陣列器件真正實(shí)現(xiàn)陣列化、實(shí)用化和小型化要解決的問題.

目前,大部分LAPS陣列傳感器是基于單晶硅襯底,并用聚酰亞胺[10]、光刻膠[11]等介質(zhì)材料或者厚氧化層[12]、重?fù)诫s區(qū)[13]等方法實(shí)現(xiàn)非敏感區(qū)干擾信號(hào)的屏蔽及LAPS陣列中不同傳感單元間信號(hào)的隔離.這些結(jié)構(gòu)存在一些問題：由于所有LAPS陣列傳感單元皆位于同一個(gè)硅單晶襯底上,不可避免地會(huì)通過襯底耦合相鄰單元間的信號(hào)串?dāng)_噪聲；聚酰亞胺作為隔離介質(zhì),會(huì)在光刻過程中污染LAPS的敏感區(qū)；光刻膠除了會(huì)對(duì)敏感區(qū)造成污染外,還存在不能在溶液中長期浸泡的局限；盡管厚氧化層不會(huì)造成敏感區(qū)污染,但研究結(jié)果證明厚氧化層對(duì)噪聲的抑制效果不理想[13].

本文提出新型隔離結(jié)構(gòu)的LAPS陣列傳感器.該傳感器采用絕緣襯底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)襯底材料,利用襯底埋氧層結(jié)合頂硅層中的V型槽刻蝕回填技術(shù)形成全介質(zhì)島形隔離結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了相鄰LAPS陣列傳感單元的硬隔離.與傳統(tǒng)硅基LAPS陣列傳感器相比,它具有更高的信號(hào)隔離度,有效抑制了非敏感區(qū)及相鄰傳感單元的干擾噪聲和襯底耦合測量噪聲.該新型隔離結(jié)構(gòu)LAPS陣列傳感器在多種參量的多通道同步水體檢測技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.此外,由于光刻工藝可以有效地控制隔離槽的橫向尺寸,有助于縮小LAPS傳感陣列的面積,提高集成度；結(jié)合片上LAPS信號(hào)處理電路設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)LAPS傳感系統(tǒng)的片上集成.

1 LAPS陣列傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

如圖1所示為2×2 SOI槽隔離結(jié)構(gòu)LAPS陣列傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖.其中一個(gè)LAPS陣列傳感單元的剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示.LAPS陣列傳感器采用電阻率為8～10 Ω·cm的P型<100> SOI硅襯底材料制備,頂硅層厚度為10 μm,埋氧層(buried oxide,BOX)厚度為1 μm.襯底材料的選擇既可以保證在偏置電壓范圍內(nèi)有足夠的耗盡層厚度,從而保證光電流的響應(yīng)強(qiáng)度,又有足夠薄的硅層提高襯底光電流收集效率、有效減小產(chǎn)生在耗盡區(qū)外的光生載流子隨機(jī)性擴(kuò)散所引起的測量偏差.利用微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)體硅刻蝕技術(shù)在頂硅層中制作V型側(cè)壁隔離槽,氧化層回填后與SOI基片的埋氧層組成四壁絕緣的隔離島.測試時(shí),LAPS陣列傳感器采用正面激勵(lì)光源.為了提高襯底電流收集效率,位于隔離島內(nèi)的每個(gè)LAPS陣列傳感單元利用P+高濃度擴(kuò)散從芯片表面引出襯底工作電極.襯底電極和片上參考電極由傳感陣列的4個(gè)頂角和外邊緣引出后進(jìn)行壓焊.片上參考電極采用環(huán)狀設(shè)計(jì)圍繞在各傳感單元周圍,可以有效地消除溶液電阻的影響和測量溶液噪聲,使LAPS傳感單元工作時(shí)可以處于一個(gè)均勻穩(wěn)定的偏置狀態(tài).

圖1 槽隔離LAPS陣列傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of trench-isolated LAPS array

圖2 LAPS陣列傳感單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of trench-isolated LAPS array unit

該LAPS陣列傳感器主要工藝流程的剖面示意圖如圖3所示.主要工藝流程如下.1)SOI硅片采用RCA工藝(RCA公司的晶圓清洗工藝方法)清洗烘干后,熱生長一層厚二氧化硅掩蔽層.2)用負(fù)性光刻膠光刻出隔離槽圖形,利用濕法腐蝕刻蝕出V型側(cè)壁隔離槽.3)進(jìn)行V型槽氧化層回填.4)用負(fù)性光刻膠光刻P+區(qū),進(jìn)行濃硼擴(kuò)散.5)用負(fù)性膠光刻敏感區(qū),腐蝕掉敏感區(qū)氧化層,在1 000 ℃下干氧氧化60 min重新生長一層80 nm厚的薄氧化層作為H+敏感膜.6)用負(fù)性膠光刻襯底工作電極接觸孔.7)蒸Al電極,并進(jìn)行電極反刻.8)光刻參考電極圖形,接著采用蒸發(fā)和lift-off工藝進(jìn)行Au/Cr片上參考電極的制備.

如圖4所示為工藝流片后的芯片照片,其中左側(cè)是2×2 LAPS陣列傳感器芯片,右圖是V型側(cè)壁隔離槽的放大照片.隔離槽采用濕法刻蝕工藝制備,槽的頂寬為20 μm,槽的深寬比為1∶1.采用硅各向異性刻蝕液(組分為氫氧化鉀∶異丙醇∶水=50 g∶10 mL∶100 mL),在85 ℃水浴溫度下約經(jīng)過13 min刻蝕后形成如圖4右側(cè)所示的硅片表面光亮無小丘的V型隔離槽.

圖3 LAPS陣列傳感器工藝流程剖面圖Fig.3 Cross section view of LAPS array process

圖4 2×2 LAPS陣列傳感器芯片照片F(xiàn)ig.4 Photo of trench-isolated 2×2 LAPS array

2 LAPS陣列傳感器特性研究

2.1 LAPS陣列傳感器隔離特性仿真

器件特性仿真采用ISE-TCAD軟件中的DIOS、MDRAW和DESSIS工具.DIOS是可以模擬完整工藝制造流程的二維工藝模擬器；MDRAW是器件創(chuàng)建與網(wǎng)格優(yōu)化的工具,可以進(jìn)行器件網(wǎng)格和摻雜的定義與細(xì)化；DESSIS是模擬半導(dǎo)體器件的電、熱、光特性的器件和電路仿真器.

為了研究LAPS陣列傳感器的隔離特性,分別設(shè)計(jì)了隔離槽和重?fù)诫s雙重隔離、僅有重?fù)诫s隔離、僅有隔離槽3種結(jié)構(gòu)的陣列器件進(jìn)行仿真,剖面圖分別如圖5～7所示.為了簡化計(jì)算,仿真均選用2個(gè)相鄰陣列單元.先用ISE-TCAD中的DIOS軟件進(jìn)行工藝仿真得到LAPS陣列傳感器的邊界、摻雜和優(yōu)化等文件,再用MDRAW編輯電極,最后用DESSIS進(jìn)行器件電學(xué)特性的仿真.

圖5 重?fù)诫s和隔離槽雙重隔離LAPS陣列傳感器Fig.5 Heavy-doping and trench-isolated LAPS array

圖6 重?fù)诫s隔離LAPS陣列傳感器Fig.6 Heavy-doping-isolated LAPS array

圖7 隔離槽隔離LAPS陣列傳感器Fig.7 Trench-isolated LAPS array

強(qiáng)度調(diào)制的光源從LAPS器件敏感區(qū)的頂部照射.在仿真中,選用800 nm波長5 kHz調(diào)制頻率的光源,光照強(qiáng)度為5 W/cm2.為了簡化處理,以金屬電極直接加偏置的方式代替EIS結(jié)構(gòu)中電解質(zhì)溶液對(duì)LAPS傳感器表面勢的影響.在考慮實(shí)際敏感膜傳感效應(yīng)的仿真中,需要根據(jù)實(shí)際電解質(zhì)溶液及敏感膜類型進(jìn)行修正.仿真時(shí),在一個(gè)陣列單元敏感區(qū)施加交變光激勵(lì)信號(hào),輸出為傳感信號(hào),另一個(gè)陣列單元的輸出是由于隔離不完全或信號(hào)串?dāng)_引起的噪聲信號(hào).仿真得到光電流-偏置電壓曲線后,選取特性曲線斜率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偏置電壓為橫坐標(biāo),繪制出不同偏置電壓下LAPS傳感陣列的隔離度-偏置電壓關(guān)系曲線.隔離度定義為

(1)

式中：ISe和INse分別為敏感區(qū)域和非敏感區(qū)域的光電流.

采用P+重?fù)诫s隔離結(jié)構(gòu)的LAPS陣列傳感器的噪聲特性仿真結(jié)果如圖8所示.圖中,V為偏置電壓,R為隔離度.由圖8可知,僅有P+隔離時(shí)傳感單元與相鄰單元的傳感信號(hào)與噪聲信號(hào)基本處于同一量級(jí),在0～1 V偏置電壓下,信噪隔離度最高僅為3.5 dB,隔離效果較差.

隔離槽和P+重?fù)诫s雙重隔離結(jié)構(gòu)LAPS陣列傳感器的噪聲仿真特性曲線如圖9所示.由仿真結(jié)果可知,在加入氧化隔離槽后,在0.4 V線性工作點(diǎn)附近,信噪比達(dá)到175 dB,隔離特性遠(yuǎn)優(yōu)于僅有重?fù)诫s隔離結(jié)構(gòu)的LAPS陣列.由此可見,SOI頂硅層中的氧化隔離槽結(jié)構(gòu)可以顯著地減小和阻擋非平衡載流子在相鄰陣列單元間的橫向擴(kuò)散以及相鄰單元間的襯底噪聲干擾,有效提高了相鄰陣列單元的噪聲隔離特性.

圖8 P+ 隔離結(jié)構(gòu)LAPS陣列傳感器噪聲特性Fig.8 Noise curve of heavy-doping-isolated LAPS array

圖9 隔離槽和P+雙重隔離LAPS陣列傳感器噪聲特性Fig.9 Noise curve of P+ and trench-isolated LAPS array

圖10 隔離槽結(jié)構(gòu)LAPS陣列傳感器噪聲特性Fig.10 Noise curve of trench-isolated LAPS array

僅有隔離槽、沒有重?fù)诫s結(jié)構(gòu)的LAPS陣列器件的仿真結(jié)果如圖10所示.與既有隔離槽、又有重?fù)诫s隔離結(jié)構(gòu)的器件相比,在飽和區(qū),即偏置電壓大于0.7 V時(shí),僅有隔離槽結(jié)構(gòu)的傳感陣列信噪比小于有隔離槽和重?fù)诫s的結(jié)構(gòu),但是在線性工作區(qū),僅有隔離槽結(jié)構(gòu)的陣列器件信噪隔離度最大可達(dá)約200 dB.

由上述3種隔離結(jié)構(gòu)LAPS陣列器件的仿真結(jié)果可知,在線性工作區(qū),僅有隔離槽結(jié)構(gòu)的器件具有最佳的隔離特性,隔離特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于僅有重?fù)诫s結(jié)構(gòu)的器件,比隔離槽和P+重?fù)诫s雙重隔離結(jié)構(gòu)器件的隔離度高約7 dB(0.5V線性工作點(diǎn)),是獲得高信噪比的優(yōu)選技術(shù).實(shí)際制作器件時(shí),選用隔離槽和P+重?fù)诫s雙重隔離方案,保留P+擴(kuò)散區(qū)作為襯底電極引出端,以減小接觸區(qū)電阻形成良好的歐姆接觸.當(dāng)偏置工作點(diǎn)選擇在0.5 V時(shí),僅隔離槽結(jié)構(gòu)的信號(hào)隔離度為163 dB,隔離槽和P+重?fù)诫s雙重隔離結(jié)構(gòu)的信號(hào)隔離度為170 dB,相差僅為7 dB,不會(huì)對(duì)隔離特性造成嚴(yán)重的影響.

2.2 LAPS陣列傳感器隔離特性測試

分別采用硅襯底和SOI襯底制備LAPS陣列傳感器,其中硅襯底LAPS陣列傳感器采用厚氧和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)以獲得較好的隔離,SOI襯底LAPS陣列傳感器采用隔離槽和P+雙重隔離結(jié)構(gòu).從兩者的對(duì)比測試可以得到槽結(jié)構(gòu)改善器件噪聲隔離特性的數(shù)據(jù).SOI LAPS器件采用圖3所示的工藝流程制備,敏感區(qū)面積為3 mm×3 mm,V型槽頂寬20 μm.其中硅基LAPS器件除了沒有V型槽光刻和刻蝕工藝外,其余工藝均采用與SOI LAPS相同的光刻版和相同的工藝步驟同時(shí)制備.這樣可以保證兩類器件的尺寸和加工工藝一致,去除其他結(jié)構(gòu)和工藝因素對(duì)噪聲隔離特性的影響.測試時(shí)用直徑為幾十微米的激光束分別照射芯片敏感區(qū)及非敏感區(qū).

測試后的歸一化特性曲線如圖11、12所示.圖中,I為歸一化電流,V為偏置電壓.由圖11可知,隔離槽和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)SOI LAPS陣列傳感器的隔離度為97.23 dB,而有厚氧和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)的硅基LAPS陣列傳感器隔離度僅為16.48 dB(見圖12).結(jié)果表明,SOI隔離槽結(jié)合P+雙重隔離結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)硅基厚氧和P+雙重隔離結(jié)構(gòu)相比,可以有效阻止相鄰陣列單元的襯底噪聲耦合以及來自非敏感區(qū)的信號(hào)干擾,具有更好的噪聲抑制特性.

圖11 隔離槽和P+雙重隔離SO LAPS陣列隔離特性測試Fig.11 Noise curve of trench and P+ isolated SOI LAPS array

圖12 厚氧和P+雙重隔離硅基LAPS陣列隔離特性測試Fig.12 Noise curve of thick oxide and P+ isolated Si-LAPS array

3 結(jié) 語

本文提出新型SOI襯底槽隔離LAPS陣列傳感器結(jié)構(gòu).測試結(jié)果表明,隔離槽和P+雙重隔離SOI LAPS陣列傳感器的隔離度為97.23 dB,與厚氧和P+雙重隔離硅基LAPS陣列傳感器相比,隔離度提高了80.8 dB,說明SOI襯底結(jié)合氧化隔離槽的結(jié)構(gòu)對(duì)陣列中其他傳感單元及非敏感區(qū)的信號(hào)干擾具有顯著的噪聲隔離效果.此外,SOI槽隔離結(jié)構(gòu)的橫向尺寸由光刻工藝決定,可以得到較小尺寸,因此能夠有效縮小陣列單元面積,與傳統(tǒng)硅基厚氧隔離或P+隔離方法相比,可以提高傳感陣列的集成度.

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Design and research of SOI trench-isolated LAPS array

SUN Ying, ZHU Da-zhong

(DepartmentofInformationScienceandElectronicEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

A new isolation structure light addressable potentiometric sensor (LAPS) array was proposed. The sensor was fabricated on p-type silicon-on-insulator (SOI) substrate, and separated adjacent array cells with isolation trench and heavy doping P+regions in top silicon layer. ISE-TCAD simulation results of SOI LAPS array show that trench isolation structure can effectively improve noise separation property of adjacent array cells compared with traditional thick oxide or heavy doping methods. The isolation ratio of heavy doping isolated LAPS array is 3.5 dB, while trench-isolated LAPS array is 180 dB. Sample test results show that the isolation ratio of trench and P+double isolated SOI LAPS array is 97.23 dB, while that of thick oxide and P+double isolated silicon LAPS array is only 16.48 dB. Research data indicate that SOI isolation trench combined with p+double isolated structure has better noise prevention characteristic. Substrate couple noise of adjacent array cells and noise interferers from non-sensitive regions can be prevented.

SOI; trench isolation; heavy doping; light addressable potentiometric sensor (LAPS); ISE-TCAD

2015-03-18. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1100287)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61106072).

孫穎(1973—)，女，講師，博士，從事集成傳感器件及工藝的研究.ORCID: 0000-0002-8433-0407.E-mail: suny@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.04.024

TN 389

A

1008-973X(2016)04-0777-06