H-%27%2b--ISFET传感器阈值电压跃变机理的研究.pdfVIP

STC’99 H+-ISFET传摩嚣阈值电压跃变机理研究 郜自攀韩泾鸿伍仅脏张虹 中国科学院电子学研究所传意技术国家重点实验室北京100080 摘要本文针对氢离子敏场效应管(H+-ISFET)在研制过程中出现的突然反型，辟阁俊电压 V，负跳变几伏至十几侠的现象，进行了研究．以H+-ISFET理论为基础，捉出了反型机理夏拍 理模型：si，N．中存在一种距导带项较近的能量状态，外界瞬时强电场可使其内部产生陷阱正 电荷，最终导致阚值反型；并通过大量实验证实了由于si，N．敏感膜的质重不同，金I导致器件 特性的极大差异． 关键词氢离子敏场效应管闽值电压能级陷阱正电荷 一、引言 氧离子敏场效应管(H+．ISFET)具有许多优点，应用前景广阔。DlH+．1SFEr的稳定性 研究关系到它的进一步实用化，也是深入研究IS肼的需要。 闻从正常的0V左右降至负几伏到负十几伏不等，我们称这种现象为闷值反型。反型后，其稳 定性、灵敏度、响应时间等均没有变化，但对H+-ISFET的输出特性造成了很大影响。 本文针对这一问题，通过大量实验提出了反型的物理模型，并对其进行了定性实验验证． 二，阀值反型物理模型的提出 氡离子敏场效应管(H+．ISFET)的楗压是由参比电极通过被测溶液加上的。橱压加弼能 使ISFET栅区的半导体表面反型，形成源和漏区的导电沟道时，称为闽值电压，用vt表示。 H+．ISFET的敏感橱暴露在外，比传统封装的MOSFET更易受瞬时强电场影响．外界强电场 的存在很广泛，如人体静电，测量仪器没有很好接地等。 为了对阈值反型机理进行定性阐述，我们提出了一个物理模型： 首先，假定模型存在的条件是MOS半导体工艺完善，si02作为MOS橱氧化层质量可靠， 其中电荷Q。x为常数。由于si，N。膜为无定型结构，存在悬挂键，导致其存在—种距离导带 顶比较近的能量状态(能级)。在一定电场下电子可以从中激发出来，而留下陷阱正电荷。当 栅源电压大于击穿电压时，MOS结构出现软击穿，这时从Si3N。层中激发出的电子以隧道效 应穿过SiO：层。留在si抖。中的陷阱正电荷会在si表面感应出等囊负电荷，使半导体表面反 型，场效应管阚值电压下降。 用上述模型可以解释反型过程： 对于正常的ISFET，Sign。中不存在正电荷。当栅源同受负高电压冲击，$isN．中的电子 跃迁到导带，被强电场扫向SiO：-Si，M界面，然后通过隧道效应穿越Si02层到达村底，在 Si，N。中留下陷阱正电荷。当FET用金属橱时，会有一些电子从金属栅跃迁到StuN,导带，但 不会停留在si剁。层．而是被强电场扫向了对底。电压突然撤销后，在SbN。中留下的正电荷， 将导致ISFET反型。能带图如图l‘a)所示。 在一一定的栅源电压下，ShM中只有部分能级的电子可以跃迁到导带。当这些电子被转 移到衬底后，其它能级上的电子跃迁越来越少。同时。由于加在Si02层的电压逐渐降低，电 i镛嘲一。。．：。：．．一囊j 376 黼妻辜耋篙茎黧篇淼譬轰电臁能带图瑚(b)。电子从衬底黻峨 叫罐篡瓣躲芸慧篙鬟温撒淼嚣淼驾 鐾祭茎黧莲墓紫畿裟著褰主溢訾瓣盖麓翟詈嚣誓耄麓姜军蓊毛季 羹 凳蒙嚣簇鬈嚣蠢翌霎磊誓季黧譬袭羹黩‰吴篡雾罂篓墨’入嚣：P栗翟 篡霎蠢萎妻詈莩?需j鬈鉴妻霎矍昙蓁鋈萎竽釜凳奎毛薹余凳芸餐譬麦手黹。乏嚣茎 将其激发到导带，而且还要克服这种浓度差，因此在电缝小太商阳情况p-洛八s1刊4坛州电 t (a)童瘫位置 轴)正压信重 图1 偏压下的MNOS结构能带图 三、实验及结果分析 3．1温度一偏压实验 程度。在ISFET V∞∽ ．12 +12 +12