SOI槽隔离光寻址电位传感器设计与研究

孙 颖, 朱大中

(浙江大学 信息与电子工程学系,浙江 杭州 310027)



SOI槽隔离光寻址电位传感器设计与研究

孙 颖, 朱大中

(浙江大学 信息与电子工程学系,浙江 杭州 310027)

提出新型隔离结构的光寻址电位传感器(LAPS)阵列.该传感器采用P型绝缘体上的硅(SOI)衬底,利用SOI顶硅层中的硅隔离槽结合重掺杂P+区进行相邻阵列单元的隔离.SOI LAPS阵列的ISE-TCAD仿真结果表明,与传统的厚氧隔离和重掺杂隔离方法相比,槽隔离结构可以有效地改善相邻阵列单元的噪声隔离特性.重掺杂隔离LAPS阵列传感器的隔离度为3.5 dB,槽隔离LAPS阵列传感器的隔离度可达180 dB.样品实测结果表明,隔离槽和P+双重隔离结构SOI LAPS阵列传感器的隔离度为97.23 dB,厚氧和P+双重隔离结构的硅基LAPS阵列传感器隔离度仅为16.48 dB.研究数据证明,SOI隔离槽结合P+双重隔离结构具有更好的噪声抑制特性,能够阻止相邻阵列单元的衬底噪声耦合以及来自非敏感区的信号干扰.

SOI；槽隔离；重掺杂；光寻址电位传感器(LAPS)；ISE-TCAD

光寻址电位传感器(light addressable potentiometric sensor,LAPS)是上世纪80年代发展起来的一种半导体传感器[1],主要分为电解质溶液-绝缘层-半导体(electrolyte- insulator-semiconductor,EIS)和金属-绝缘层-半导体(metal-insulator-silicon,MIS)2种类型.EIS型LAPS的基本工作原理是将半导体表面偏置于耗尽状态,当用光强调制的光源照射半导体时,产生的非平衡电子-空穴对将在耗尽电场的作用下发生分离,使耗尽层的两侧产生光电压,在由耗尽层、敏感膜及外电路构成的通路中可以测得交变电流信号.当LAPS的敏感膜与被测物质接触后,生化量(如离子浓度等)的变化使半导体表面的固-液界面势发生改变,对偏置电压起到调制作用,改变了光电压,从而间接得到待测生化量的信息.目前,LAPS传感器已在生物医学工程、环境监测等领域进行了广泛研究,如用于水体重金属检测[2-3]、DNA基因检测[4-5]、细胞分析等[6].利用LAPS器件的光可寻址性,采用阵列结构可以实现二维的生化图像采集研究[4,6-9].

国内外对LAPS的研究主要集中在新型敏感膜及应用领域的扩展,对阵列器件结构的研究较少.由于激励光源具有发散性,LAPS阵列传感器的结构设计中需要考虑如何减小来自非敏感区及近邻传感单元的信号干扰,这是LAPS阵列器件真正实现阵列化、实用化和小型化要解决的问题.

目前,大部分LAPS阵列传感器是基于单晶硅衬底,并用聚酰亚胺[10]、光刻胶[11]等介质材料或者厚氧化层[12]、重掺杂区[13]等方法实现非敏感区干扰信号的屏蔽及LAPS阵列中不同传感单元间信号的隔离.这些结构存在一些问题：由于所有LAPS阵列传感单元皆位于同一个硅单晶衬底上,不可避免地会通过衬底耦合相邻单元间的信号串扰噪声；聚酰亚胺作为隔离介质,会在光刻过程中污染LAPS的敏感区；光刻胶除了会对敏感区造成污染外,还存在不能在溶液中长期浸泡的局限；尽管厚氧化层不会造成敏感区污染,但研究结果证明厚氧化层对噪声的抑制效果不理想[13].

本文提出新型隔离结构的LAPS阵列传感器.该传感器采用绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)衬底材料,利用衬底埋氧层结合顶硅层中的V型槽刻蚀回填技术形成全介质岛形隔离结构,实现了相邻LAPS阵列传感单元的硬隔离.与传统硅基LAPS阵列传感器相比,它具有更高的信号隔离度,有效抑制了非敏感区及相邻传感单元的干扰噪声和衬底耦合测量噪声.该新型隔离结构LAPS阵列传感器在多种参量的多通道同步水体检测技术中具有潜在的应用价值.此外,由于光刻工艺可以有效地控制隔离槽的横向尺寸,有助于缩小LAPS传感阵列的面积,提高集成度；结合片上LAPS信号处理电路设计,可以实现LAPS传感系统的片上集成.

1 LAPS阵列传感器结构设计与制造

如图1所示为2×2 SOI槽隔离结构LAPS阵列传感器的结构示意图.其中一个LAPS阵列传感单元的剖面结构如图2所示.LAPS阵列传感器采用电阻率为8～10 Ω·cm的P型<100> SOI硅衬底材料制备,顶硅层厚度为10 μm,埋氧层(buried oxide,BOX)厚度为1 μm.衬底材料的选择既可以保证在偏置电压范围内有足够的耗尽层厚度,从而保证光电流的响应强度,又有足够薄的硅层提高衬底光电流收集效率、有效减小产生在耗尽区外的光生载流子随机性扩散所引起的测量偏差.利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)体硅刻蚀技术在顶硅层中制作V型侧壁隔离槽,氧化层回填后与SOI基片的埋氧层组成四壁绝缘的隔离岛.测试时,LAPS阵列传感器采用正面激励光源.为了提高衬底电流收集效率,位于隔离岛内的每个LAPS阵列传感单元利用P+高浓度扩散从芯片表面引出衬底工作电极.衬底电极和片上参考电极由传感阵列的4个顶角和外边缘引出后进行压焊.片上参考电极采用环状设计围绕在各传感单元周围,可以有效地消除溶液电阻的影响和测量溶液噪声,使LAPS传感单元工作时可以处于一个均匀稳定的偏置状态.

图1 槽隔离LAPS阵列传感器结构示意图Fig.1 Schematic of trench-isolated LAPS array

图2 LAPS阵列传感单元结构示意图Fig.2 Schematic of trench-isolated LAPS array unit

该LAPS阵列传感器主要工艺流程的剖面示意图如图3所示.主要工艺流程如下.1)SOI硅片采用RCA工艺(RCA公司的晶圆清洗工艺方法)清洗烘干后,热生长一层厚二氧化硅掩蔽层.2)用负性光刻胶光刻出隔离槽图形,利用湿法腐蚀刻蚀出V型侧壁隔离槽.3)进行V型槽氧化层回填.4)用负性光刻胶光刻P+区,进行浓硼扩散.5)用负性胶光刻敏感区,腐蚀掉敏感区氧化层,在1 000 ℃下干氧氧化60 min重新生长一层80 nm厚的薄氧化层作为H+敏感膜.6)用负性胶光刻衬底工作电极接触孔.7)蒸Al电极,并进行电极反刻.8)光刻参考电极图形,接着采用蒸发和lift-off工艺进行Au/Cr片上参考电极的制备.

如图4所示为工艺流片后的芯片照片,其中左侧是2×2 LAPS阵列传感器芯片,右图是V型侧壁隔离槽的放大照片.隔离槽采用湿法刻蚀工艺制备,槽的顶宽为20 μm,槽的深宽比为1∶1.采用硅各向异性刻蚀液(组分为氢氧化钾∶异丙醇∶水=50 g∶10 mL∶100 mL),在85 ℃水浴温度下约经过13 min刻蚀后形成如图4右侧所示的硅片表面光亮无小丘的V型隔离槽.

图3 LAPS阵列传感器工艺流程剖面图Fig.3 Cross section view of LAPS array process

图4 2×2 LAPS阵列传感器芯片照片Fig.4 Photo of trench-isolated 2×2 LAPS array

2 LAPS阵列传感器特性研究

2.1 LAPS阵列传感器隔离特性仿真

器件特性仿真采用ISE-TCAD软件中的DIOS、MDRAW和DESSIS工具.DIOS是可以模拟完整工艺制造流程的二维工艺模拟器；MDRAW是器件创建与网格优化的工具,可以进行器件网格和掺杂的定义与细化；DESSIS是模拟半导体器件的电、热、光特性的器件和电路仿真器.

为了研究LAPS阵列传感器的隔离特性,分别设计了隔离槽和重掺杂双重隔离、仅有重掺杂隔离、仅有隔离槽3种结构的阵列器件进行仿真,剖面图分别如图5～7所示.为了简化计算,仿真均选用2个相邻阵列单元.先用ISE-TCAD中的DIOS软件进行工艺仿真得到LAPS阵列传感器的边界、掺杂和优化等文件,再用MDRAW编辑电极,最后用DESSIS进行器件电学特性的仿真.

图5 重掺杂和隔离槽双重隔离LAPS阵列传感器Fig.5 Heavy-doping and trench-isolated LAPS array

图6 重掺杂隔离LAPS阵列传感器Fig.6 Heavy-doping-isolated LAPS array

图7 隔离槽隔离LAPS阵列传感器Fig.7 Trench-isolated LAPS array

强度调制的光源从LAPS器件敏感区的顶部照射.在仿真中,选用800 nm波长5 kHz调制频率的光源,光照强度为5 W/cm2.为了简化处理,以金属电极直接加偏置的方式代替EIS结构中电解质溶液对LAPS传感器表面势的影响.在考虑实际敏感膜传感效应的仿真中,需要根据实际电解质溶液及敏感膜类型进行修正.仿真时,在一个阵列单元敏感区施加交变光激励信号,输出为传感信号,另一个阵列单元的输出是由于隔离不完全或信号串扰引起的噪声信号.仿真得到光电流-偏置电压曲线后,选取特性曲线斜率最大点对应的偏置电压为横坐标,绘制出不同偏置电压下LAPS传感阵列的隔离度-偏置电压关系曲线.隔离度定义为

(1)

式中：ISe和INse分别为敏感区域和非敏感区域的光电流.

采用P+重掺杂隔离结构的LAPS阵列传感器的噪声特性仿真结果如图8所示.图中,V为偏置电压,R为隔离度.由图8可知,仅有P+隔离时传感单元与相邻单元的传感信号与噪声信号基本处于同一量级,在0～1 V偏置电压下,信噪隔离度最高仅为3.5 dB,隔离效果较差.

隔离槽和P+重掺杂双重隔离结构LAPS阵列传感器的噪声仿真特性曲线如图9所示.由仿真结果可知,在加入氧化隔离槽后,在0.4 V线性工作点附近,信噪比达到175 dB,隔离特性远优于仅有重掺杂隔离结构的LAPS阵列.由此可见,SOI顶硅层中的氧化隔离槽结构可以显著地减小和阻挡非平衡载流子在相邻阵列单元间的横向扩散以及相邻单元间的衬底噪声干扰,有效提高了相邻阵列单元的噪声隔离特性.

图8 P+ 隔离结构LAPS阵列传感器噪声特性Fig.8 Noise curve of heavy-doping-isolated LAPS array

图9 隔离槽和P+双重隔离LAPS阵列传感器噪声特性Fig.9 Noise curve of P+ and trench-isolated LAPS array

图10 隔离槽结构LAPS阵列传感器噪声特性Fig.10 Noise curve of trench-isolated LAPS array

仅有隔离槽、没有重掺杂结构的LAPS阵列器件的仿真结果如图10所示.与既有隔离槽、又有重掺杂隔离结构的器件相比,在饱和区,即偏置电压大于0.7 V时,仅有隔离槽结构的传感阵列信噪比小于有隔离槽和重掺杂的结构,但是在线性工作区,仅有隔离槽结构的阵列器件信噪隔离度最大可达约200 dB.

由上述3种隔离结构LAPS阵列器件的仿真结果可知,在线性工作区,仅有隔离槽结构的器件具有最佳的隔离特性,隔离特性远远优于仅有重掺杂结构的器件,比隔离槽和P+重掺杂双重隔离结构器件的隔离度高约7 dB(0.5V线性工作点),是获得高信噪比的优选技术.实际制作器件时,选用隔离槽和P+重掺杂双重隔离方案,保留P+扩散区作为衬底电极引出端,以减小接触区电阻形成良好的欧姆接触.当偏置工作点选择在0.5 V时,仅隔离槽结构的信号隔离度为163 dB,隔离槽和P+重掺杂双重隔离结构的信号隔离度为170 dB,相差仅为7 dB,不会对隔离特性造成严重的影响.

2.2 LAPS阵列传感器隔离特性测试

分别采用硅衬底和SOI衬底制备LAPS阵列传感器,其中硅衬底LAPS阵列传感器采用厚氧和P+双重隔离结构以获得较好的隔离,SOI衬底LAPS阵列传感器采用隔离槽和P+双重隔离结构.从两者的对比测试可以得到槽结构改善器件噪声隔离特性的数据.SOI LAPS器件采用图3所示的工艺流程制备,敏感区面积为3 mm×3 mm,V型槽顶宽20 μm.其中硅基LAPS器件除了没有V型槽光刻和刻蚀工艺外,其余工艺均采用与SOI LAPS相同的光刻版和相同的工艺步骤同时制备.这样可以保证两类器件的尺寸和加工工艺一致,去除其他结构和工艺因素对噪声隔离特性的影响.测试时用直径为几十微米的激光束分别照射芯片敏感区及非敏感区.

测试后的归一化特性曲线如图11、12所示.图中,I为归一化电流,V为偏置电压.由图11可知,隔离槽和P+双重隔离结构SOI LAPS阵列传感器的隔离度为97.23 dB,而有厚氧和P+双重隔离结构的硅基LAPS阵列传感器隔离度仅为16.48 dB(见图12).结果表明,SOI隔离槽结合P+双重隔离结构与传统硅基厚氧和P+双重隔离结构相比,可以有效阻止相邻阵列单元的衬底噪声耦合以及来自非敏感区的信号干扰,具有更好的噪声抑制特性.

图11 隔离槽和P+双重隔离SO LAPS阵列隔离特性测试Fig.11 Noise curve of trench and P+ isolated SOI LAPS array

图12 厚氧和P+双重隔离硅基LAPS阵列隔离特性测试Fig.12 Noise curve of thick oxide and P+ isolated Si-LAPS array

3 结 语

本文提出新型SOI衬底槽隔离LAPS阵列传感器结构.测试结果表明,隔离槽和P+双重隔离SOI LAPS阵列传感器的隔离度为97.23 dB,与厚氧和P+双重隔离硅基LAPS阵列传感器相比,隔离度提高了80.8 dB,说明SOI衬底结合氧化隔离槽的结构对阵列中其他传感单元及非敏感区的信号干扰具有显著的噪声隔离效果.此外,SOI槽隔离结构的横向尺寸由光刻工艺决定,可以得到较小尺寸,因此能够有效缩小阵列单元面积,与传统硅基厚氧隔离或P+隔离方法相比,可以提高传感阵列的集成度.

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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. 浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

浙江省自然科学基金资助项目(Y1100287)；国家自然科学基金青年基金资助项目(61106072).

孙颖(1973—)，女，讲师，博士，从事集成传感器件及工艺的研究.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