[发明专利]一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器

说明书

本发明公开了一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器，包括底座、离子敏感场效应晶体管、金属层、接触层、电极；离子敏感场效应晶体管设置在底座上；晶体管包括在CMOS多晶硅层形成的多晶硅沟道，多晶硅沟道两端分别连接源极和漏极，源极和漏极再通过接触层与金属层连接；多晶硅沟道的多晶硅沟道区域暴露出来接触电解质溶液；电极接触电解质溶液，为多晶硅沟道提供栅极电压。本发明的多晶硅传感器具有很高的灵敏度，采用CMOS工艺大幅提高传感器的重复性，降低了器件误差，降低生产成本。本发明的微型传感器很适合环境物联网，农业物联网，及生物检测等广泛应用。

技术领域

本发明属于生物传感器领域，具体涉及一种利用CMOS标准工艺实现的纳米尺度生物化学传感器。

背景技术

生物及化学传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。生物传感器是应生命科学和信息科学的需要而发展起来，它是用生物活性材料与物理化学换能器相结合的一种生物物质敏感器件。与传统的化学传感器和离线分析(质谱和HPLC等)相比，具有制作简单、省时、选择性高、分析速度快、操作简单、成本低等特点，同时还利于计算机数据收集与处理，并能实现在线活体检测，是发展生物技术必不可少的一种先进检测与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在国民经济中的医疗保健与临床诊断、工业控制、食品检测和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

实现纳米线传感器的物理方法采用光、电技术使材料在真空或者惰性气体中蒸发，使原子或者分子结合形成纳米线，如热蒸发、激光烧蚀法等。化学方法一般采用“自上而下”或“自下而上”的方法，即通过适当的化学反应，从分子、原子出发制备纳米材料，包括化学沉积法(CVD)、模板法、氧化物辅助法等。但上述方法在需要复杂组装，比如构装纳米线的功能网络时，所需要的复杂微电极制备起来也很困难。由于器件可靠性及可重复性的不足，这些技术方案很难实现产业化。

如图1所示，在通常的CMOS电路标准工艺中，多晶硅栅层用作CMOS晶体管的栅极，通过很薄的一层介电材料(比如二氧化硅)给其下方的硅衬底沟道提供偏置电压。源极和漏极采用与沟道相反的参杂类型，形成p-n结构实现在栅极截止时的有效电流阻断。在此标准结构中，多晶硅栅层一般都采用高参杂，同时顶上有一层硅化物作为导体降低栅极电阻，因而多晶硅层不再具有半导体特性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种在CMOS标准工艺下实现的生物化学传感器。实现生物化学传感器的高可靠性，并大幅减小误差。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在CMOS标准工艺下的生物化学传感器，利用CMOS标准工艺的版图设计法则实现纳米尺度传感器。包括底座、离子敏感场效应晶体管、金属层、接触层、电极；晶体管设置在底座上，包括多晶硅层上形成的多晶硅沟道，在多晶硅沟道的区域去除了硅化物的顶层；多晶硅沟道两端分别连接源极和漏极，源极和漏极再通过接触层与金属层连接；多晶硅沟道区域暴露出来连接电解质溶液，通过与溶液接触的电极为多晶硅沟道提供栅极电压。

底座包括上层和下层，上层为二氧化硅，下层为硅晶圆，晶体管设置在底座的上层。

多晶硅沟道上设有介电材料；介电材料可以为二氧化硅，氧化铝，二氧化铪，二氧化钛，氧化钽的一种或多种，也可以为其他类似的无机或有机介电材料，比如自组装单分子膜(SAMS)。

多晶硅沟道为一根或多根纳米线结构，呈直线型或非直线型，作为优选，呈蜿蜒线形或螺旋线形。多晶硅沟道为纳米尺度沟道，宽度范围是10纳米到600纳米。

源极、漏极上部设有硅化物层；金属层通过接触层与硅化物层相连。