一種化學場效應晶體管氣敏傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及傳感器技術領域，具體涉及一種化學場效應晶體管氣敏傳感器及其制 造方法。
【背景技術】
[0002] 氣敏傳感器（也稱為氣體傳感器）是一種將某種氣體體積分數轉化成對應電信號 的轉換器。探測頭通過氣敏傳感器對氣體樣品進行調理，通常包括濾除雜質和干擾氣體、干 燥或制冷處理、樣品抽吸，甚至對樣品進行化學處理，以便化學傳感器進行更快速的測量。 以氣敏特性來分類，主要可分為：半導體型氣敏傳感器、電化學型氣敏傳感器、固體電解質 氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器等。
[0003] 半導體氣敏傳感器是采用金屬氧化物或金屬半導體氧化物材料做成的元件，與氣 體相互作用時產生表面吸附或反應，引起以載流子運動為特征的電導率、伏安特性或表面 電位變化。自從1962年半導體金屬氧化物陶瓷氣敏傳感器問世以來，半導體氣敏傳感器 已經成為當前應用最普遍、最具實用價值的一類氣敏傳感器，根據其氣敏機制可以分為電 阻式和非電阻式兩種。非電阻式半導體氣敏傳感器包括M0S二極管式、結型二極管式以及 場效應晶體管式（M0SFET)氣敏傳感器，其電流或電壓隨著氣體含量變化而變化。其中， M0SFET氣敏傳感器靈敏度高，但制作工藝比較復雜，成本高。
[0004] 目前市售的M0SFET氣敏傳感器主要用來檢測氫氣（?)等有爆炸危險氣體和C0、 N0 2等有毒性氣體。一種典型的M0SFET化學傳感器，器件源、漏區制作于硅晶圓襯底之上， 然后再在硅晶圓表面生長一層Si0 2，并在溝道區之上的SiOjl上面覆蓋多晶硅或者鋁金屬 層形成各種形狀的柵極，最后在柵極之上通過濺射、沉積、自組裝等物理、化學方法制作敏 感層。其工作原理是目標敏感物（例如氫氣）與傳感器敏感層（例如催化金屬鉑）接觸發 生反應，反應產物擴散到M0SFET的柵極，改變了器件的性能。通過分析器件性能的變化而 識別目標敏感物。改變傳感器敏感層的種類和膜厚可優化靈敏度和選擇性，并可改變器件 的最佳工作溫度。
[0005] 傳統的M0SFET化學場效應晶體管傳感器一般是利用氣體分子對金屬/金屬氧化 物柵極的穿透或者吸附改變柵區敏感金屬/金屬氧化物功函數，從而影響柵極電壓對溝道 電流的調制作用，通過器件的導通阻抗變化或者跨導變化檢測氣體濃度。用場效應晶體管 作為傳感器的信號檢出元件，不僅使用方便，而且可以輸出較強的電流信號，靈敏度高。但 是傳統的M0SFET化學場效應晶體管結構上一般均為懸浮柵結構，在柵極與絕緣層之間存 在一個空氣隙（airgap)，導致制造成本高昂。另一方面，由于器件的導通阻抗和跨導與工 藝、器件版圖密切相關，因此利用器件的導通阻抗變化或者跨導變化檢測氣體濃度必須內 置或者外加校準電路。而校準源的精度以及檢測器件與校準源的匹配精度即決定了傳感器 的最高檢測精度及準確度。
[0006] 氣敏傳感器的種類很多，各類傳感器性能差異較大，檢測對象也不一樣，但是它們 都不同程度的存在著諸如選擇性、穩定性、一致性等問題，因此，單個的氣敏傳感器雖然能 有效的用于特定的場合，但是在檢測成分復雜的混合氣體或揮發性化學物質時，在靈敏性、 對復雜混合物的分辨能力（交叉敏感）和對不斷變化的環境的適應性上遠遜于利用不同傳 感器的交叉選擇性提高氣體識別能力（氣體的選擇性和準確性）的陣列傳感器。近年來， 隨著檢測要求的提高，陣列傳感及其識別技術已成為國際上的研究熱點。現有技術主要以 微電極陣列為主，而對基于化學場效應晶體管的陣列氣敏傳感器則研究較少。從1994年 Bright等開始研究ChemFET應用于氣體檢測的可能性以來[1]，Burgmair M.等于2002年 研究了氣敏場效應晶體管柵絕緣層表面對功函數測量的影響[2]，Vamsi Krishna T等利用 多聯硫酸苯化學場效應晶體管傳感器檢測環境污染[3]，Facci P.等報道了利用化學場效 應晶體管跨導特性的研究成果[4]。Hodge-Miller A[5]等研究了耗盡型場效應晶體管應 用于生物大分子檢測中的模型參數。蔣亞東等于2003年申請了一件有關槽柵電子聚合物 傳感器陣列的中國專利申請[6]。該器件響應精度較高，但是由于槽柵器件在實際工作中并 不能保證柵極邊緣兩條金屬線電壓完全相等，導致柵內敏感膜與柵邊緣金屬形成平面介質 電容，影響了器件性能，主要表現在器件的響應重復性較差。
[0007] 引證文件：
[0008] 1. Bright V. M. , Kolesar E. S. , Hauschild N. T. Investigation of the sensitivity, selectivity, and reversibility of the chemically-sensitive field-effect transistor (CHEMFET) to detect N02，C3H9P03，and BF3. Aerospace and Electronics Conference,1994. NAEC0N 1994., Proceedings of the IEEE 1994 National，1 :342-349
[0009] 2. Burgmair M.，Eisels I. Contribution of the gate insulator surface to work function measurements with a gas sensitive FET. Sensors,2002. Proceedings of IEEE, 1 :439-442
[0010] 3. Vamsi Krishna T，Jessing J. R.，Russell D. D. , et al. Modeling and design of polythiophene gate electrode ChemFETs for environmental pollutant sensing. University/Government/Industry Microelectronics Symposium,2003. Proceedings of the 15th Biennial :271-274
[0011] 4. Facci P.，Erokhin V. , Nicolini C. Formation and characterization of an ultrathin semiconductor polycrystal layer for transducer applications. Biosensors & Bioelectronics,1997,12(7) :607-611
[0012] 5. Hodge-Miller A, Perkins F. K. , Peckerar M. , et al.Gateless Depletion Mode Field Effect Transistor For Macromolecule Sensing. Circuits and Systems, 2003.ISCAS ' 03.Proceedings of the 2003 International Symposium on,2003,3： III-918-III-921
[0013] 6.蔣亞東，謝光忠，電子聚合物氣體傳感器陣列及其制備方法，專利公開號 CN1635372A，公開日為2005年7月6日
【發明內容】
[0014] 本發明要解決的技術問題是傳統的M0SFET化學場效應晶體管結構一般均為懸浮 柵結構，在柵極與絕緣層之間存在一個空氣隙（airgap)，導致制造成本高昂。另一方