專利名稱：感離子場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的靜電放電保護(hù)的制作方法
一、發(fā)明領(lǐng)域概括地說，本發(fā)明涉及用于(a)測(cè)量液體中的離子；(b)保護(hù)該設(shè)備使不受靜電放電效應(yīng)作用；及(c)制造該設(shè)備，包括在硅片上的靜電放電保護(hù)電路的方法和設(shè)備。
更具體地說，本發(fā)明涉及給基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的用于選擇性地測(cè)量液體中離子的裝置提供靜電放電(ESD)保護(hù)的方法、設(shè)備和芯片制造技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方向，由傳統(tǒng)保護(hù)元件制作的ESD保持電路被集成在其上形成有ISFET的同一硅片上，并且有一個(gè)新的接口。根據(jù)本發(fā)明，該新的接口與被測(cè)液體接觸，是一種對(duì)ISFET和液體間的直流漏電流不打開通路的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使用了電容結(jié)構(gòu)作為保護(hù)電路和液體取樣之間的接口。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是涉及本質(zhì)上用于利用如上所指的接口裝置(如電容結(jié)構(gòu))提供對(duì)ISFET傳感器的ESD保護(hù)的方法，以及在一個(gè)硅片上制造該新接口的過程。
二、相關(guān)技術(shù)的描述利用一個(gè)ISFET測(cè)量液體中的離子的方法和設(shè)備對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來(lái)說是眾所周知的。例如，在此結(jié)合引入作為參考以說明該技術(shù)的狀況，Johnson在美國(guó)專利號(hào)4,020,830以及Connery等人在美國(guó)專利號(hào)4,851,104中建議利用該設(shè)備。該裝置典型地包括一個(gè)測(cè)量電路和其中一個(gè)浸入液體中用于選擇性測(cè)量離子活動(dòng)的ISFET。
上述的裝置有很多應(yīng)用，包括用于醫(yī)學(xué)和生化領(lǐng)域，在該領(lǐng)域眾所周知，用不同的ISFET測(cè)量不同的離子活動(dòng)，比如pH，pK和pNa。
雖然，半導(dǎo)體FET型結(jié)構(gòu)被已知是對(duì)ESD敏感的，直到最近，很多人仍相信ISFET結(jié)構(gòu)對(duì)ESD作用是很不敏感的，因?yàn)?1)ISFET不包含一個(gè)鍍金屬的門電極(它通常直接涉及靜電損壞)，而且(2)長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)說明該裝置可被許多人操縱而無(wú)任何靜電損壞的痕跡。然而對(duì)ISFET電極的測(cè)試說明了在一次ESD事件后儀器可能發(fā)生很大的漂移。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到雖然曾努力試圖闡明在基于ISFET的傳感器中防止ESD破壞的問題，已有的解決此問題的方法包括固有的局限性，尤其是當(dāng)在一塊硅片上制造傳感器時(shí)。
在闡述這些局限之前，將首先舉例闡明用于保護(hù)基于ISFET的傳感器不受ESD事件的損害的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的狀況以與由本發(fā)明設(shè)想的這種ESD保護(hù)方法和設(shè)備相比較。
在此將證明通過使用保護(hù)電路(在一個(gè)基于ISFET的探頭組件內(nèi))可以防止ESD損害(根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo))，該保護(hù)電路在試驗(yàn)例中ESD事件期間允許電荷的聚集同時(shí)把電荷傳輸?shù)絀SFET的源極、漏極和襯底上。
該提供ESD保護(hù)的方法通過在ESD事件期間在絕緣體的任一側(cè)上迅速平衡電荷而使跨過晶體管絕緣體結(jié)構(gòu)所建立的電場(chǎng)最小化。
實(shí)現(xiàn)上述功能的ESD損害保護(hù)電路可以使用諸如連接于待測(cè)液體和晶體管源極、漏極及襯底之間的快速雙向齊納二極管。下面將參照附圖詳述該電路。
與待測(cè)液體的電接觸可以用對(duì)電極來(lái)達(dá)到，諸如先前引入作為參考的上述美國(guó)專利號(hào)4,851,104中描述的對(duì)電極。
用于選擇性測(cè)量液體中的離子和保護(hù)不受ESD事件損害的現(xiàn)有設(shè)備狀況的另一個(gè)例子是Ligtenberg等人在美國(guó)專利號(hào)4,589,970中提出的。就其對(duì)用于一基于ISFET的傳感器的ESD保護(hù)電路的描述，在此引入作為參考。
在引用的4,589,970專利中講述的保護(hù)電路包括至少一個(gè)電極，該電極經(jīng)低阻抗接觸面與取樣液體相聯(lián)，并通過具有高壓低阻抗而低壓高阻抗的保護(hù)器件與ISFET耦合。
所引用的4,589,970號(hào)專利說明單向齊納二極管、電容器、機(jī)械開關(guān)和高閾值電壓MOSFET可以代替或與雙向齊納二極管并用以保護(hù)不受EST事件損害。
所引用的4,589,970號(hào)專利提出使用安裝于探頭單元的分立元件和/或在ISFET的硅襯底上的集成電路來(lái)形成保護(hù)電路。
至于上述指出的局限性，在ISFET的硅襯底上集成4,589,970號(hào)專利所述的保護(hù)電路(及任何類似的電路)的障礙在于很難制造提供與液體接觸的可靠低阻抗的金屬電極。
所引用的4,589,970號(hào)專利建議利用鋁膜或多晶硅膜來(lái)形成接觸面，然而，在很多通過ISFET測(cè)量的液體中，兩種膜都易受化學(xué)腐蝕。
另一種辦法是沉積一層由諸如金或鉑的貴重金屬組成的膜作接觸面。遺憾的是，金或鉑膜通常需要一層使用諸如鈦或鉻材料的中介層才能很好地附著于襯底上；因而，附加另一層薄膜可能有損于電極的化學(xué)阻抗，尤其是當(dāng)貴金屬膜上出現(xiàn)了細(xì)孔時(shí)。
當(dāng)在待測(cè)液體(取樣)和保護(hù)電路之間使用低阻抗金屬接觸面時(shí)存在的另一種顧慮是對(duì)于經(jīng)過在取樣液和ISFET源極、漏極及襯底之間保護(hù)電路的直流漏電流，該保護(hù)電路是一不打開的通路。
因此，希望獲得方法和設(shè)備，對(duì)用于選擇性地測(cè)量液體中的離子的基于ISFET的設(shè)備提供ESD保護(hù)，該方法和設(shè)備使用(a)在形成ISFET的同一塊硅片上集成的傳統(tǒng)保護(hù)元件組成的一種ESD保護(hù)電路；及(b)與被測(cè)液體接觸的一個(gè)接口裝置，該裝置對(duì)于ISFET和液體之間的直流漏電流不是開路。
而且，希望提供制造技術(shù)，該技術(shù)使上述保護(hù)電路被集成在ISFET的硅襯底上，避免制作作為與液體接觸的可靠低阻抗接觸面的金屬電極的困難。
而且，希望提供設(shè)備，該設(shè)備利用在很多通過ISFET測(cè)量的液體中抗化學(xué)腐蝕的接觸膜，而不用借助于使用貴金屬和中介層來(lái)使該膜很好地附著于襯底上。
本發(fā)明概述因而，本發(fā)明的目的是提供方法和設(shè)備，用于測(cè)量液體中的離子，且固有地保護(hù)設(shè)備不受靜電放電的影響。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供在一個(gè)硅片上制造上述設(shè)備(即，結(jié)合有靜電放電保護(hù)電路的用于測(cè)量液體中離子的設(shè)備)的技術(shù)。
更具體地，本發(fā)明的一個(gè)目的是給用于選擇性測(cè)量液體中的離子的基于ISFET的裝置提供靜電放電保護(hù)。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供給用于選擇性測(cè)量液體中的離子的基于ISFET的裝置提供ESD保護(hù)的方法和設(shè)備，該方法和設(shè)備使用(a)一種由集成在形成ISFET的同一塊硅片上的傳統(tǒng)保護(hù)元件組成的ESD保護(hù)電路；(b)與被測(cè)量液體接觸的并且對(duì)ISFET和液體之間的直流漏電流不打開通路的一個(gè)接口裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供芯片制造技術(shù)，該技術(shù)使上述保護(hù)電路能被集成在該ISFET的硅襯底上，集成的方法避免了制造作為與液體接觸的可靠低阻接觸面的金屬電極的困難。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供基于ISFET的設(shè)備，用于測(cè)量液體中的離子，該設(shè)備使用抗化學(xué)腐蝕的并且不需使用中介層來(lái)使沉積膜很好地附著于襯底上的非金屬的接觸膜。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，由傳統(tǒng)保護(hù)元件制作的ESD保護(hù)電路被集成在形成ISFET的同一塊硅片上，另外還有一個(gè)新型接口。與被測(cè)液體接觸的該新型接口具有對(duì)在ISFET和液體間的直流漏電流不打開通路的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使用電容結(jié)構(gòu)作為保護(hù)電路和液體取樣之間的接口。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體方面，用于選擇性測(cè)量液體中的離子的設(shè)備包括(a)一個(gè)包括形成在硅襯底上的感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)形式的化學(xué)敏感離子傳感器的測(cè)量電路；(b)一個(gè)集成在該襯底上的靜電放電(ESD)保護(hù)電路；及(c)集成在該襯底上的接口裝置，用于在保護(hù)電路和液體之間提供接口，其特征在于該接口裝置提供一與液體的接觸而在ISFET和液體之間不打開直流漏電流的通路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該接口裝置是一種電容結(jié)構(gòu)，包括(a)一個(gè)與保護(hù)電路電接觸的電極；及(b)與該電極及被測(cè)液體接觸的電容器電介質(zhì)。
而且，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，(a)上述電極是一層顯示了其氧化物是絕緣體特性的金屬膜(合適的金屬膜的例子包括鋁、銻、鉿、鈮、鉭、鎢、釔、鋯)；而且上述電容器電介質(zhì)是所選用作為電極的金屬氧化物。以下所用術(shù)語(yǔ)“金屬膜”的意思定義為顯示其氧化物是絕緣體特性的金屬膜。
而且，根據(jù)本發(fā)明的一優(yōu)實(shí)施例，保護(hù)電路包括用于傳輸由ESD事件所致在液體測(cè)試取樣中聚集起的電荷的裝置。該用于傳輸電荷(傳到傳感器中的ISFET的源極、漏極和襯底)的裝置包括(a)一個(gè)在上述接口裝置和ISFET的源極之間的第一雙向齊納二極管；(b)一個(gè)在接口裝置和ISFET的漏極之間的第二雙向齊納二極管；和(c)一個(gè)在接口裝置和襯底之間的單向齊納二極管。
本發(fā)明的另一方面是給出了本質(zhì)上用于對(duì)使用上述接口裝置(如電容器結(jié)構(gòu))的ISFET傳感器提供ESD保護(hù)的方法，以及用于在一塊硅片上制造該新型接口的過程。
具體說，本發(fā)明的另一方面是給出了一種方法，用于給基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的離子選擇性電極提供靜電放電(ESD)保護(hù)，該方法包括以下步驟(a)在一塊硅片上形成一個(gè)ISFET電路；(b)在形成ISFET的芯片上集成一個(gè)保護(hù)電路和(c)在該芯片上集成一個(gè)保護(hù)電路和液體之間的接口，其中接口提供與液體的接觸而在ISFET如液體之間不打開對(duì)直流漏電流的通路。
由本發(fā)明的另一方面設(shè)計(jì)的制造過程包括這樣一個(gè)過程用于制造一個(gè)電容器以作為被測(cè)液體和包含于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)芯片上的保護(hù)電路之間的接口，其中該ISFET芯片被用于測(cè)量液體中的離子，另外其中該芯片包括一個(gè)硅襯底，一個(gè)場(chǎng)氧化層和至少一個(gè)化學(xué)阻擋層；及一用于連接該電容器和該保護(hù)電路的擴(kuò)散P+區(qū)域，該過程包括有以下步驟(a)打開該場(chǎng)氧化層與該至少一化學(xué)阻擋層中的一通路；(b)在芯片上噴鍍一層金屬膜以制作一個(gè)該電容器的下電極；(c)通過該通路把該膜接至擴(kuò)散的P+區(qū)域；及(d)形成所述金屬膜的氧化物作為電容器的電介層。
本發(fā)明特點(diǎn)在于根據(jù)本發(fā)明的指導(dǎo)所建立的ISFET組件，當(dāng)用在傳感器探頭上時(shí)，根據(jù)IEC801-2標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)試時(shí)經(jīng)過多次暴露于20,000伏級(jí)的ESD下而安然無(wú)恙。
而且，本發(fā)明的特點(diǎn)在于芯片制造技術(shù)，該技術(shù)使上述保護(hù)電路能被集成在ISFET的硅襯底上，所用方法避免了制造作為與被測(cè)液體取樣的可靠低阻接觸點(diǎn)的金屬電極的困難。而且，如本發(fā)明設(shè)計(jì)的，使用非金屬接觸膜阻止了化學(xué)腐蝕，并且不需使用中介層就可使該膜和襯底之間有很好的附著性。
本發(fā)明的這些和其它的目的實(shí)施例及特點(diǎn)以和獲得其的方法對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將會(huì)顯而易見，結(jié)合附圖通過閱讀下面的詳述將會(huì)對(duì)該發(fā)明本身有最透徹地理解。
附圖的簡(jiǎn)單描述

圖1描述了一個(gè)解釋性的保護(hù)電路，其中一個(gè)基于ISFET的探頭組件允許在一次ESD事件期間在液體測(cè)試取樣中聚集起電荷，同時(shí)把電荷傳輸至ISFET的源極、漏極和襯底上。
圖2描述了一個(gè)基于ISFET的傳感器的保護(hù)電路，該傳感器包括具有由本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)計(jì)的一類電容器結(jié)構(gòu)形式的接口裝置。
圖3描述了由本發(fā)明的一個(gè)方面設(shè)計(jì)的一類制造于硅片上的一個(gè)示例性接口電容器的結(jié)構(gòu)。
圖4描述了一個(gè)怎樣在硅襯底上實(shí)現(xiàn)將本發(fā)明設(shè)計(jì)的ISFET、保護(hù)電路和接口裝置結(jié)合在一起。
詳細(xì)描述如上所述，已經(jīng)知道了通過用保護(hù)電路(在一個(gè)基于ISFET的探頭組件內(nèi))可以防止ESD損害，該保護(hù)電路允許在ESD事件期間在測(cè)試取樣中聚集起電荷，同時(shí)把電荷傳輸至ISFET的源極、漏極和襯底。該方法通過在ESD事件期間迅速平衡絕緣體兩邊的電荷來(lái)使在晶體管絕緣體結(jié)構(gòu)兩邊間建立起的電場(chǎng)最小化。
圖1所解釋的是一個(gè)示例性的保護(hù)電路(在一個(gè)基于ISFET的探頭組件內(nèi))，該電路允許在ESD事件期間在測(cè)試取樣中聚集起電荷，同時(shí)把電荷傳輸至ISFET的源極、漏極和襯底。
如圖1所示，該示例性保護(hù)電路(類似于引用的4,589,970號(hào)專利中所描述的電路)用了與待測(cè)液體199以及ISFET150的源極(151)、漏極(152)和襯底(153)導(dǎo)體相連的快速齊納雙向二極管101-103。與待測(cè)液體199的電接觸可通過使用對(duì)電極(185)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如上所述，該對(duì)電極可相據(jù)以前引用供參考的美國(guó)4,851,104號(hào)專利的指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。
圖1描述的示例性保護(hù)電路的操作可概括如下。在ESD事件發(fā)生時(shí)，有希望在測(cè)試樣品199中聚集起電荷，直到達(dá)到了齊納二極管的擊穿電壓。
假設(shè)一個(gè)雙向齊納管的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于裝置被損壞所需的電壓值，一旦超過了該電壓，在兩個(gè)方向上的任何一個(gè)，電荷將在對(duì)電極185和ISFET的源極、漏極與襯底之間被傳導(dǎo)。因?yàn)榻^緣體兩邊的電壓差被限制于齊納管的擊穿電壓，就保護(hù)了絕緣體和ISFET傳感器本身。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到重要的是經(jīng)過齊納二極管101-103的在液體接觸點(diǎn)和源極、漏極及襯底導(dǎo)體之間的互聯(lián)距離。因?yàn)镋SD事件的持續(xù)時(shí)間是30毫微秒級(jí)，每毫微秒大約是以光速走一英尺的時(shí)間，對(duì)電極185和硅終點(diǎn)之間通路的距離必須被限于2.4英寸的量極。若超過了此大約的距離，則在對(duì)電極和硅電極之間傳輸電荷以把絕緣體的電場(chǎng)電壓限制在200伏的時(shí)間就不夠了。
該距離的要求排除了在電極外部安裝齊納管的可能性，并且有力證明了需要非?？拷杵蛟谄渖系墓δ芗伞?br> 如上所述，Ligtenberg等人的第4,589,970號(hào)美國(guó)專利(上文已引，此供參考)描述了使用類似于圖1所示的電路。引述的該4,589,970號(hào)專利也闡述了能夠使用單向齊納二級(jí)管、電容器、機(jī)械開關(guān)和高閾值電壓MOSFETS代替雙向傳感器或與其并用。
而且，如上所述，引用的4,589,970號(hào)專利也曾提出使用安裝于探測(cè)頭組件中的分立元件以形成保護(hù)電路和/或在ISFET的硅襯底上集成該電路。
如在本發(fā)明背景中指出的，關(guān)于把引用的4,589,970號(hào)專利所描述的保護(hù)電路(及任何類似的電路)集成在ISFET的硅襯底上的關(guān)鍵問題在制造提供與液體可靠低阻接觸的金屬電極是困難的。
引用的4,589,970號(hào)專利建議使用鋁或多晶硅薄膜以形成接觸面；然而，如上所指出的，兩種薄膜在被ISFET測(cè)量的很多液體中易受化學(xué)腐蝕。
鍍膜的另一種辦法包括用作接觸面的貴金屬和對(duì)使用諸如鈦或鉻材料的中介層以使貴金屬良好地粘著于襯底上的相關(guān)要求等(如上所述，還有與使用貴金屬接觸面相關(guān)的其它問題)，限制了使用貴金屬作替換物。
替代地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用一個(gè)接口裝置(最好為電容器結(jié)構(gòu))來(lái)提供待測(cè)液體和由傳統(tǒng)電路元件制成的保護(hù)電路之間的接口。
參考圖2，如上所述，它描述了一個(gè)包括由本發(fā)明設(shè)想的接口裝置的保護(hù)電路，該保護(hù)電路由大多數(shù)與圖1描述的相同電路元件聯(lián)接構(gòu)成。這些電路元件包括在接口裝置203(作為優(yōu)選接口電容器示出，以下稱作接口電容器203)源極204和漏極205之間分別示出的雙向齊納二級(jí)管201和202，另外還有示于接口電容器203和襯底207之間的單向齊納二極管206。
在ESD事件期間，參考圖1如上所述，在被測(cè)試的液體中(示于圖2的299)聚集起電荷。接口電容器203把ESD脈沖耦合至齊納管201，202，和206。當(dāng)齊納管兩端的電壓超過了其擊穿電壓時(shí)，脈沖依次被耦合至ISFET250的源極、漏極和襯底。在ISFET250的柵區(qū)兩端的電場(chǎng)被最小化了。
使用一個(gè)電容器以提供液體和保護(hù)電路之間的接口的主要優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)金屬電極與液體接觸。
消除了選擇合適的接觸金屬或接觸合金的問題。使用電容器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于使有可能經(jīng)保護(hù)電路存在于液體和ISFET的源極、漏極或襯底之間的直流漏電流通路被大大縮短了。
現(xiàn)在參見圖3，其顯示了一個(gè)示例性的接口電容器(電容器300)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，該接口電容器和圖2所示的其它ESD保護(hù)元件一起被集成在硅襯底340上。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，電容器300的下部電極(即電板301)由一層濺射沉積的金屬膜構(gòu)成。圖3中，所示的金屬膜通過電場(chǎng)氧化層(層面302)和用作化學(xué)阻擋層的其它沉積膜(層面303)中開通的通路與芯片上的其它電路元件相連。通過金屬膜的化學(xué)氧化或陽(yáng)極氧化，可以形成用作電容器電介質(zhì)的氧化膜層(304)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，待測(cè)液體399與電容器電介質(zhì)相接觸。
現(xiàn)在參考圖4來(lái)說明由本發(fā)明設(shè)計(jì)的ISFET的結(jié)構(gòu)和保護(hù)電路是怎樣在硅襯底400上被實(shí)現(xiàn)的。
圖4描述了兩個(gè)硼擴(kuò)散P+區(qū)401和402，分別用作所示ISPET的源極和漏極。401和402區(qū)也用作圖2所示的保護(hù)用齊納二極管的陽(yáng)極。圖4中的另外兩個(gè)硼擴(kuò)散P+區(qū)(403和404區(qū))用作圖2中所示的雙向和單向齊納管的陽(yáng)極。
齊納管的陰極或本底由磷擴(kuò)散N區(qū)405和406提供。選擇N區(qū)的摻雜表面的密度和連接深度可確定齊納管的擊穿電壓。ISFET的源極、漏極和襯底的接線端在襯底的后部給出。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員現(xiàn)在容易理解(參考圖2-4)，根據(jù)本發(fā)明特定的一方面，用于選擇性測(cè)量液體中的離子的設(shè)備包括(a)一個(gè)測(cè)量電路，包括一個(gè)形成于硅襯底上的感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)形式的化學(xué)離子敏感傳感器；(b)一個(gè)集成于襯底上(也如圖4中的示例所示)的靜電放電(ESD)保護(hù)電路(參考圖2描述的類型)；及(c)在襯底上集成的接口裝置，用于提供一個(gè)保護(hù)電路和液體之間的接口，其特征在于該接口設(shè)備提供與液體的接觸而在ISFET和液體之間無(wú)直流漏電流通路。
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，參考圖3-4也能看出，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一個(gè)制造過程，用于制造(a)一個(gè)用作被測(cè)液體及保護(hù)電路之間(諸如圖3所示的液體399)接口的電容器；及(b)一個(gè)包含于一塊感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)芯片上(諸如圖4所示的芯片)的保護(hù)電路，其中ISFET芯片被用于測(cè)量液體中的離子，且其中該芯片包括一個(gè)硅襯底(例如圖3中所示的襯底340)，一個(gè)場(chǎng)氧化層(圖3中的302)和至少一個(gè)化學(xué)阻擋層(圖3中的303)，以及一個(gè)用于把該電容器連到保護(hù)電路的擴(kuò)散的P+區(qū)(圖3中的304)，該過程包括如下步驟(a)在場(chǎng)氧化層和至少一個(gè)化學(xué)阻擋層中開一個(gè)通道；(b)在芯片上濺射沉積一層金屬膜以產(chǎn)生一個(gè)電容器的下部電極；(c)通過該通道把該膜連至擴(kuò)散的P+區(qū)；及(d)形成作為電容器電介質(zhì)的金屬膜的氧化物。所有上述步驟以前都已參照?qǐng)D3進(jìn)行了描述。
上述詳細(xì)描述的是達(dá)到所有上述目的的方法、設(shè)備和芯片制造技術(shù)。如前面的說明的，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到以上提出的說明僅是為了解釋和描述。并非是徹底地或限制本發(fā)明于已公開的精確的形式，顯然可能根據(jù)上述指導(dǎo)進(jìn)行修改和變化)。
在此提供的上述實(shí)施例和例證是為了最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用從而使其它本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠最好地在各種實(shí)施例中使用本發(fā)明，以及使各種修改適合于所設(shè)計(jì)的具體用途。
因此，根據(jù)上述可以理解以下所附權(quán)利要求旨在涵蓋所有這樣的修改和落入本發(fā)明精神范圍之內(nèi)的改變。
權(quán)利要求
1.用于選擇性測(cè)量液體中離子的設(shè)備，包括(a)一個(gè)測(cè)量電路，包括一個(gè)在硅襯底上形成的感離子場(chǎng)效應(yīng)管形式(ISFET)形式的化學(xué)離子敏感傳感器；(b)一個(gè)集成在所述襯底上的靜電放電(ESD)保護(hù)電路；及(c)集成于所述襯底上的接口裝置，用于提供一個(gè)所述保護(hù)電路和所述液體之間的接口，其特征在于所述接口裝置提供與所述液體的接觸而在ISFET和所述液體之間不打開直流漏電流通路。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述接口裝置包括一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述電容器結(jié)構(gòu)包括(a)一個(gè)與所述保護(hù)電路電接觸的電極；及(b)一個(gè)與所述電極和被測(cè)液體接觸的電容器電介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述電極是一層金屬膜。
5.如權(quán)利要求3所述設(shè)備，其中所述電容器電介質(zhì)是所述金屬膜的氧化物。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述保護(hù)電路包括(a)一個(gè)在所述接口裝置和所述ISFET源極之間的第一雙向齊納二極管；(b)一個(gè)在所述接口裝置和所述ISFET漏極之間的第二雙向齊納二極管；(c)一個(gè)在所述接口裝置和所述襯底之間的單向齊納二極管。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述接口裝置包括一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)。
8.用于給用于測(cè)量液體中離子活動(dòng)的基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的測(cè)量裝置提供靜電放電(ESD)保護(hù)的裝置，包括(a)一個(gè)在一塊硅襯底上制造的ESD保護(hù)電路，包括(a1)一個(gè)與所述ISFET的源極耦合的第一雙向齊納二極管；(a2)一個(gè)與所述ISFET的漏極耦合的第二雙向齊納二極管；及(a3)一個(gè)與所述襯底耦合的單向齊納二極管；及(b)接口裝置，與所述ESD保護(hù)電路一起集成在所述襯底上，用于提供一個(gè)所述保護(hù)電路和所述液體之間的接口而在ISFET和所述液體之間不打開直流漏電流通路。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述接口設(shè)備串聯(lián)于每個(gè)所述第一雙向齊納二極管、所述第二雙向齊納二極管和所述單向齊納二極管。
10.用于給用于測(cè)量待測(cè)液體取樣中離子活動(dòng)的基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的傳感器芯片提供靜電放電(ESD)保護(hù)的裝置，包括(a)裝置，用把由ESD事件導(dǎo)致的在所述液體測(cè)試取樣中聚集起的電荷傳送至所述ISFET的源極、漏極和襯底；及(b)接口裝置，與所述用于傳輸電荷的裝置一起集成在所述芯片上，用于提供一個(gè)在所述保護(hù)電路和所述液體之間的在ISFET和所述液體間不打開直流漏電流通路的接口。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述接口裝置包括一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)。
12.一種用于給基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的離子選擇電極提供靜電放電(ESD)保護(hù)的方法，包括如下步驟(a)在一塊硅片上形成一個(gè)ISFET電路；(b)在所述形成所述ISFET的芯片上集成一個(gè)保護(hù)電路；及(c)在所述芯片上集成一個(gè)在所述保護(hù)電路和所述液體之間間的接口，其中所述接口提供與所述液體的接觸而在ISFET和所述液體之間不打開直流漏電流通路。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中集成在所述芯片上的接口是一個(gè)電容器結(jié)構(gòu)。
14.一種用于制造一個(gè)作為被測(cè)液體和包含在一個(gè)感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)芯片上的一個(gè)保護(hù)電路之間的接口的電容器的處理過程，其中所述ISFET芯片被用于測(cè)量所述液體中的離子而且其中所述芯片包括一塊硅襯底、一個(gè)場(chǎng)氧化層和至少一個(gè)化學(xué)阻擋層，以及一個(gè)用于把所述電容器連接到所述保護(hù)電路的擴(kuò)散的P+區(qū)，該過程包括以下步驟(a)在所述場(chǎng)氧化層和至少一個(gè)化學(xué)阻擋層中開一個(gè)通道；(b)在所述芯片上濺射淀積一層金屬膜以制作一個(gè)所述電容器的下部電極；(c)通過所述通道把所述膜連至所述擴(kuò)散的P+區(qū)；及(d)形成一個(gè)所述金屬膜的氧化層以用作所述電容器的電介層。
15.如權(quán)利要求14所述的一個(gè)過程，其中所述形成一個(gè)氧化層的步驟是通過化學(xué)氧化所述金屬膜進(jìn)行的。
16.如權(quán)利要求14所述的一個(gè)過程，其中所述形成一個(gè)氧化層的步驟是通過陽(yáng)極氧化所述金屬膜進(jìn)行的。
17.一種用于給用于測(cè)量液體試驗(yàn)取樣中的離子活動(dòng)的基于一個(gè)感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的傳感器芯片提供靜電放電(ESD)保護(hù)的方法，包括以下步驟(a)在ESD事件期間在所述待測(cè)樣品中聚集電荷；及(b)同時(shí)，把所述ESD事件導(dǎo)致的在所述液體測(cè)試取樣中聚集的電荷傳送到所述ISFET的源極、漏極和襯底。
18.用于給一個(gè)用于測(cè)量液體待測(cè)取樣中離子活動(dòng)的基于一個(gè)感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的傳感器芯片提供靜電放電(ESD)保護(hù)的設(shè)備，包括(a)裝置，用于在ESD事件期間在所述待測(cè)取樣中聚集電荷；及(b)裝置，用于把所述ESD事件導(dǎo)致的在所述液體待測(cè)取樣中聚集的電荷傳送至所述ISFET的源極、漏極和襯底。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述用于聚集電荷的裝置和所述用于傳送電荷的裝置被集成在所述芯片上。
全文摘要
描述了給用于選擇測(cè)量液體中的離子的基于感離子場(chǎng)效應(yīng)管(ISFET)的裝置提供靜電放電(ESD)保護(hù)的方法、設(shè)備和芯片制造技術(shù)。由傳統(tǒng)保護(hù)元件組成的ESD保護(hù)電路和與被測(cè)液體接觸且在ISFET和液體之間無(wú)直流漏電流通路的接口被集成在形成ISFET的同一塊硅片上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，一個(gè)電容結(jié)構(gòu)被用作保護(hù)電路和液體樣品之間的接口。
文檔編號(hào)G01N27/414GK1143428SQ95191279
公開日1997年2月19日 申請(qǐng)日期1995年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月19日
發(fā)明者羅納德·D·巴克斯特, 詹姆斯·G·康納里, 約翰·D·福格爾, 斯潘塞·W·西爾弗索恩 申請(qǐng)人:霍尼韋爾公司