CC BY
14МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА MICRO- AND NANOSYSTEM TECHNOLOGY
УДК 621.382.323 DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-407-414
Биосенсор на основе химически чувствительного
нанопроволочного полевого транзистора с минимальным контактом к плавающему затвору
О.В. Губанова1, Е.В. Кузнецов1, Е.Н. Рыбачек1, А.Н. Сауров1'2
1НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия
2
Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, г. Москва, Россия
o.chuyko@tcen.ru
Перспективным инструментом для детектирования межмолекулярных взаимодействий, в том числе биохимических, является ионно-чувствительный полевой транзистор - ISFET. С помощью ISFET возможно распознавание различных механизмов специфически адсорбируемых веществ. Также ISFET интегрируется с КМОП-технологией, что открывает новые возможности для создания интеллектуальных микро- и наносистем. В работе изучено влияние конструктивно-технологических параметров ISFET на чувствительность к заряду с использованием численного моделирования. Представлены два типа конструкции ISFET на основе полностью обедненной КНИ-структуры с плавающим затвором. Конструкции отличаются разным способом формирования контакта жидкостная среда -затвор. Получены аналитические зависимости, позволяющие проводить анализ чувствительности ISFET. Показано, что предельная чувствительность достижима на композитной нанопроволочной структуре с субмикронными размерами. Чувствительность рассмотренной конструкции ISFET, выполненного по технологическим нормам 1,2 мкм при адсорбции аналита, составила порядка 50 эффективных зарядов электронов. ISFET, выполненный с субмикронными физическими размерами (ширина проволоки 10 нм, длина 100 нм), имеет чувствительность 1-2 эффективных заряда электронов.
Ключевые слова: биосенсор; КНИ-структура; плавающий затвор; чувствительность; ISFET; Ta2O5
Для цитирования: Губанова О.В., Кузнецов Е.В., Рыбачек Е.Н., Сауров А.Н. Биосенсор на основе химически чувствительного нанопроволочного полевого транзистора с минимальным контактом к плавающему затвору // Изв. вузов. Электроника. - 2019. -Т. 24. - № 4. - С. 407-414. DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-4-407-414
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 18-34-20020).
© О.В. Губанова, Е.В. Кузнецов, Е.Н. Рыбачек, А.Н. Сауров, 2019
Biosensor Based on Ion-Sensitive Field-Effect Transistor Using Minimum Contact to Floating Gate
O. V. Gubanova1, E. V. Kuznetsov1, E.N. Rybachek1, A.N. Saurov1'2
1SMC «Technological Center», Moscow, Russia
2
Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
o.chuyko@tcen.ru
Abstract. The promising tool for detecting the intermolecular interactions, including the biochemical interactions, is an ion-sensitive field effect transistor -ISFET. Using the ISFET the recognition of various mechanisms of the specifically adsorbed substances is possible. Also, ISFET is integrated with the CMOS technology, which opens the new perspectives in creation of the intellectual micro and nanosystems. In the work, the influence of the constructive-technological parameters of ISFET on the charge sensitivity has been described using the numerical simulation. The ISFET constructions based on a full depleted structure of silicon on insulator (SOI) with a floating gate have been presented. The constructions differ by the way of forming the contact liquid medium -gate. The analytical dependences of the charge sensitivity of ISFET have been obtained It has been shown that the limiting sensitivity is achievable on a composite structure with extremely small dimensions. The sensitivity of the considered construction of the ISFET-structure, designed by 1.2 цт norms with the analyte adsorbtion was 50 effective charges of electrons. The ISFET, designed with the submicron physical sizes (the wire width is 10 nm and length 100 nm), have sensitivity 1 - 2 electrons.
Keywords. biosensor; SOI; floating gate; sensitivity; ISFET; Ta2O5
For citation: Gubanova O.V., Kuznetsov E.V., Rybachek E.N., Saurov A.N. Biosensor based on ion-sensitive field-effect transistor using minimum contact to floating gate. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 407-414. DOI: 10.24151/1561-54052019-24-4-407-414
Funding: the work has been financial supported by the Russian Foundation for Basic Research (project № 18-34-20020).
Введение. В настоящее время развитие микро- и наносистемной техники, а также сенсорных технологий направлено на создание интеллектуальных микроаналитических систем нового поколения [1, 2], характеризующихся высокой степенью миниатюризации, селективностью и точностью измерений. В качестве детектирующего элемента биосенсоров используется ISFET - ионно-чувствительный полевой транзистор на основе структуры полупроводник - диэлектрик - металл, в котором затворный металлический электрод заменен электролитом [3, 4]. В электролит помещается химическая или биологическая среда, изменения в которой приводят к изменению ВАХ транзистора. Поскольку предполагается, что рассматриваемые процессы не приводят к изменениям в твердотельной части прибора, а также электрических напряжений на внутренних электродах (сток, исток и подложка), то различие ВАХ описывается изменением потенциа-
ла на границе диэлектрик - жидкость. Изменение поверхностного потенциала зависит от электрохимического потенциала электронов в жидкости, всех емкостей, влияющих на этот потенциал, и связанных зарядов в рассматриваемой системе [5, 6].
В настоящей работе исследуются конструктивные и технологические особенности сенсорного элемента на основе ISFET.
Особенности конструкции нанопроволочного ISFET. На рис. 1 представлена эквивалентная малосигнальная схема, поясняющая изменение поверхностного потенциала Аф^ в зависимости от электрохимического потенциала и специфической адсорбции в растворе.
Анализируя емкостную схему ISFET, получаем выражение для чувствительности ISFET к заряду k:
к =
1
(
C„
v
с + CSC+C
Ce Cad ^ Cin У
A^e , Aß
Л
+ -
ad
q
C
(1)
Дф = -\ijq
где n - отношение S/S0; S - допороговый наклон ISFET; S0 - идеальный допороговый наклон, равный 60 мВ/декаду тока при 300 К; - температурный потенциал; Q - удельная емкость электролита; CSd - удельная адсорбционная емкость; Сг„ - удельная входная емкость транзистора; Ap,e - электрохимический потенциал электронов в жидкости; q - элементарный заряд электрона; AQ^d - удельный адсорбционный заряд.
Первое слагаемое в формуле (1) - это вклад изменений в объеме раствора, второе слагаемое связано с изменениями условий адсорбции в результате появления в растворе новых адсорбентов. Выражение (1) позволяет сформулировать требования к ISFET для достижения высокой чувствительности.
Чувствительность ISFET к детектированию рассматриваемых процессов будет выше у транзисторов с параметром n, близким к 1 , и при условии, что Q >> Сi„, CSC. Адсорбционную емкость, связанную с изменением поверхностного потенциала, можно снизить за счет выбора материалов растворителя, растворенных ионов и изолирующего диэлектрика.
Если система предназначена для детектирования процессов, происходящих в растворе, то емкость электролита непосредственно не влияет на чувствительность прибора (однако может влиять косвенно на изменение Ap,e). В приборах для детектирования адсорбированных частиц чувствительность в значительной степени зависит от емкости Ce. Поэтому необходимо выбирать системы с минимально возможным значением Ce.
В качестве типа ISFET выбран n-канальный транзистор, имеющий большую подвижность и положительные значения рабочих напряжений на электроде затвора. ISFET изготовлены по КМОП КНИ-технологии с полностью обедненными или
,
ad
Дф,
Г,
A Old
Рис.1. Эквивалентная малосигнальная схема изменения поверхностного
потенциала Аф^ Fig.1. ISFET small-signal equivalent scheme: explaining the change in surface interaction Аф^
У
ультратонкими транзисторами, что позволяет совместить на одном чипе чувствительный элемент и схему обработки сигнала. Наиболее чувствительной будет конструкция полностью обедненного нанопроволочного транзистора (рис.2). Так, типовое значение п для полностью обедненного МОП-транзистора, изготовленного по КНИ-технологии, составляет 1,05-1,1.
В выражении (1) чувствительность ISFET не зависит от его размеров, поскольку все емкостные и зарядовые величины удельные и не зависят от ширины W и длины L транзистора. Этот случай характерен для относительно высоких концентраций аналита, когда ДОеай не
зависит от размера чувствительной области транзистора и характеризуется тем, что концентрация аналита в растворе не изменяется при адсорбции на поверхности ISFET.
В случае следовых концентраций, когда концентрация аналита в растворе уменьшается при адсорбции его на поверхности, можно показать, что общее количество адсорбированных частиц на всей чувствительной поверхности будет определяться общим количеством частиц аналита в растворе. Тогда в выражении (1) необходимо заменить удельный заряд на единицу площади на абсолютный заряд Дд^ . Запишем (1) без учета изменений электрохимического потенциала в растворе (в этом случае оно предельно мало) при условии ДС^ = 0. Чувствительность к детектированию заряда на поверхности ISFET в этом случае выражается формулой
Рис.2. Конструкция ISFET на основе полностью обедненной КНИ-структуры Fig.2. ISFET structure based on a fully depleted SOI
k =
1
4
C.
C + C
V Ce ^ Cin У
4
ad
CWL
(2)
где W и L - ширина и длина канала соответственно.
Из выражения (2) видно, что предел обнаружения зависит от размеров транзистора. Из всех возможных структур минимальную ширину канала имеет нанопроволочный транзистор, у которого ширина определяется диаметром нанопроволоки. ISFET с минимальной длиной канала на таких структурах имеет высокую чувствительность и наименьший нижний предел измеряемой концентрации.
Особенности конструкции ISFET с плавающим затвором. Чувствительность ISFET определяется CеWL при условии С(; >> Ст. Минимальное значение входной емкости Сп достигается в режиме слабой инверсии [7]. Снизить емкость электролита Сe можно, если уменьшить площадь чувствительной поверхности, которая в конструкции нанопроволочного транзистора совпадает с размером транзистора. Предлагается конструкция ISFET (рис.3), в которой чувствительная часть не совпадает с размером транзистора, а связь между чувствительной частью и транзистором осуществляется через плавающий затвор.
Рис.3. ISFET с плавающим затвором (а) и торцевым контактом к затвору (б) Fig.3. ISFET with a floating gate (a) and ISFET with end contact to the gate (b)
Рассмотрены две конструкции ISFET с плавающим затвором, отличающиеся способом формирования контакта затвор - среда: транзистор с затвором, соединенным непосредственно через контактное окно (рис.3,а) и транзистор с торцевым контактом к затвору (рис.3,б). В качестве материала затвора выбран оксид тантала (Та205) из-за его высокой рН-чувствительности и устойчивости к водным растворам [8, 9]. Производство ISFET интегрировано в стандартный 1,2-мкм КМОП-маршрут с дополнительными операциями напыления тантала и его окисления в водном растворе.
Экспериментальные значения допоро-гового наклона ВАХ разработанных структур составили 70 мВ/дек тока для ISFET с затвором, соединенным непосредственно через контактное окно, и 90 мВ/дек тока для нанопроволочного транзистора с торцевым контактом к затвору (рис.4).
В результате анализа эквивалентной электрической схемы ISFET с плавающим затвором в режиме слабой инверсии (рис.5) выражение для чувствительности k можно записать как [10]
Рис.4. ВАХ: 1 - ISFET с плавающим затвором (W х L = 100 х 6 мкм, площадь чувствительной поверхности 96 х 2 мкм); 2 - ISFET с торцевым контактом к затвору (W х L =0,8 х 1,0 мкм, площадь чувствительной поверхности
0,8 х 0,05 мкм) Fig.4. Typical I-V curves for the fabricated ISFET: 1 - ISFET with the floating gate (W х L = = 100 х 6 дт and a sensitive surface of 96 х 2 дт); 2 - ISFET with the end contact to the gate (W х L =0.8 х 1.0 дт and a sensitive surface 0.8 х 0.05 дт)
к =
ID дф.
-Дф, =
пф дф,
где ^ - ток стока; ф^ - потенциал плавающего затвора.
Тогда выражение, аналогичное (1), при С^ = 0 имеет вид
к =
а
Дql
Пф WsenLsenCe +(LWC,n || W^SmO ) + C
(3)
а = •
1
WL Cm
WsenLsen CMO
1 + -
где Сг> - полная дополнительная паразитная емкость плавающего затвора; Wsen и Lsen -ширина и длина чувствительной области соответственно; CMo - емкость изолирующего диэлектрика между плавающим затвором и электролитом, последовательная с входной емкостью.
С уменьшением Wsen и Lsen чувствительность k будет расти, пока выполняются следующие условия:
WLC...
WsenLsenCMO
« 1 И
WLC;,,
WТsen Lsen Ce
■<<1.
В этом случае
Рис. 5. Малосигнальная емкостная электрическая схема ISFET с плавающим затвором Fig.5. ISFET with a floating gate small-signal equivalent scheme
1
4
пф tWsenLeenCe + C
Более точный анализ можно провести, определив максимум функции (3), который достигается в точке
WL = WL
sen sen
Cin CP
C C WL
(4)
Анализ электрической схемы подразумевает необходимость уменьшения паразитной емкости для достижения минимального значения допорогового наклона ВАХ транзистора. В предложенной самосовмещенной конструкции ISFET с плавающим затвором, контакт к каналу транзистора осуществляется через инверсионные области, образующиеся под изолирующим оксидом из-за наличия положительного заряда в нем. Выбран допороговый режим работы ISFET, в котором может быть достигнута более высокая чувствительность к изменениям поверхностного потенциала по сравнению с работой в условиях сильной инверсии [11]. Еще одно преимущество допорогового режима работы ISFET - это минимальное значение входной полупроводниковой емкости.
Численная оценка чувствительности ISFET. Для численной оценки чувствительности детектирующего элемента к заряду использованы методы приборно-технологического моделирования COMSOL Multiphysics. Моделирование позволяет проводить численные эксперименты и оптимизировать композитную наноструктуру, задавая различные конструктивные параметры структуры [12].
В качестве оценки чувствительности сенсорного элемента построен численный эксперимент при изменении числа адсорбированных частиц с эффективным зарядом N = ^. Выбраны следующие параметры: площадь чувствительного элемента Ssen = LDnw = 0,03 мкм , длина канала транзистора 0,9 мкм, диаметр нанопровололочной структуры 100 нм. Если выбрать в качестве порога чувствительности 10 %-ное измене-
ние тока стока, то она составит порядка 50 эффективных зарядов электронов. Датчик, построенный на такой структуре, может использоваться для измерения предельно малых концентраций веществ. На структурах с субмикронными физическими размерами при ширине проволоки 10 нм и длине 100 нм достижимо распознавание на уровне 1-2 эффективных зарядов электронов.
Заключение. Оценочный порог чувствительности датчика, построенного на основе нанопроволочного ISFET с технологическими нормами 1,2 мкм в случае адсорбции аналита, составил порядка 50 эффективных зарядов электронов. Для структур с субмикронными физическими размерами возможно молекулярное распознавание.
Рассмотренные структуры могут использоваться в качестве конструктивной элементной базы для создания высокоселективных химических детекторов и биосенсоров, а также в жидкостной и газовой средах с применением интегрированной системы доставки пробы [13]. Это позволяет расширить сферу задач современной микроаналитической системы.
Литература
1. Wasilewski T., Gqbicki J., Kamysz W. Bioelectronic nose: current status and perspectives // Biosensors and Bioelectronics. - 2017. - Vol. 87. - P. 480-494.
2. Fitzgerald J., Fenniri H. Cutting edge methods for non-invasive disease diagnosis using e-tongue and e-nose devices // Biosensors. - 2017. - Vol. 7. - P. 59-65.
3. Bergveld P. Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. -1970. - Vol. 17. - P. 70-71.
4. Matsuo T., Esashi M. Methods of ISFET fabrication // Sensors and Actuators. - 1981. - Vol. 1. -P. 77-96.
5. Cui Y., Wei O., Pork H., Lieber C. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species // Science. - 2001. - Vol. 293. - P. 1289-1292.
6. Kuznetsov E.V., Chuyko O.V. Study of the sensitivity of pH-sensors based on silicon MOS-nanotransistors // Russian Microelectronics. - 2014. - Vol. 43. - No. 7. -P. 511-515.
7. Schneider M.C., Galup-Montoro C. CMOS analog design using all-region MOSFET modeling. -Cambridge University Press, 2010. - 495 p.
8. Van Hal R.E.G., Eijkel J.C.T., Bergveld P. A general model to describe the electrostatic potential at electrolyte oxide interfaces // Advances in colloid and interface science. - 1996. - Vol. 69. - No. 1. - P. 31-62.
9. Poghossian A.S. The super-Nernstian pH sensitivity of Ta2O5-gate ISFETs // Sensors and Actuators B: Chemical. - 1992. - Vol. 7. - No. 1. - P. 367-370.
10. Sze S.M., Kwok K.Ng. Physics of Semiconductor Devices. - John Wiley & Sons, Inc., 2006. - 835 p.
11. Colinge J.P. FinFETs and other multi-gate transistors. - N. Y.: Springer, 2008. - 335 p.
12. Arora N. Mosfet modeling for VLSI simulation: theory and practice. - World Scientific, 2007. - 445 p.
13. Aptamer based vanillin sensor using an ion-sensitive field-effect transistor / A. Kuznetsov, N. Komarova, M. Andrianova et al. // Microchimica Acta. - 2018. - Vol. 185. - № 1. - P. 3-11.
Поступила в редакцию 09.04.2019 г.; после доработки 09.04.2019 г.; принята к публикации 14.05.2019 г.
Губанова Оксана Вадимовна - младший научный сотрудник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), O.Chuyko@tcen.ru
Кузнецов Евгений Васильевич - начальник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), KEV@tcen.ru
Рыбачек Елена Николаевна - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршру-
тов НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), REN@tcen.ru
Сауров Александр Николаевич - академик РАН, доктор технических наук, профессор, директор Института технологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 32А), научный руководитель НПК «Технологический центр» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), org@inme-ras.ru
References
1. Wasilewski T., G^bicki J., Kamysz W. Bioelectronic nose: current status and perspectives. Biosensors and Bioelectronics, 2017, vol. 87, pp. 480-494.
2. Fitzgerald J., Fenniri H. Cutting edge methods for non-invasive disease diagnosis using e-tongue and e-nose devices. Biosensors, 2017, vol. 7, pp. 59-65.
3. Bergveld P. Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1970, vol. 17, pp. 70-71.
4. Matsuo T., Esashi M. Methods of ISFET fabrication. Sensors and Actuators, 1981, vol.1, pp. 77-96.
5. Cui Y., Wei O., Pork H., Lieber C. Nanowire nanosensors for highly sensitive and selective detection of biological and chemical species. Science, 2001, vol. 293, pp. 1289-1292.
6. Kuznetsov E.V., Chuyko O.V. Study of the sensitivity of pH-sensors based on silicon MOS-nanotransistors. Russian Microelectronics. 2014, vol. 43, no. 7, pp. 511-515.
7. Schneider M. C., Galup-Montoro C. CMOS analog design using all-region MOSFET modeling. Cambridge University Press, 2010. 495 p.
8. Van Hal R.E.G., Eijkel J.C.T., Bergveld P. A general model to describe the electrostatic potential at electrolyte oxide interfaces. Advances in colloid and interface science, 1996, vol. 69, no. 1, pp. 31-62.
9. Poghossian A.S. The super-Nernstian pH sensitivity of Ta2O5-gate ISFETs. Sensors and Actuators B: Chemical, 1992, vol. 7, no. 1, pp. 367-370.
10. Sze S.M., Kwok K.Ng. Physics of Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, Inc, 2006. 835 p.
11. Colinge J.P. FinFETs and other multi-gate transistors. New York, Springer, 2008, 335 p.
12. Arora N. Mosfet modeling for VLSI simulation: theory and practice. World Scientific, 2007, 445 p.
13. Kuznetsov A., Komarova N., Andrianova M., Grudtsov V., Kuznetsov E. Aptamer based vanillin sensor using an ion-sensitive field-effect transistor. Microchimica Acta, 2018,vol. 185, no, pp. 3-11.
Received 09.04.2019; Revised 09.04.2019; Accepted 14.05.2019.
Information about the authors:
Oksana V. Gubanova - Research Assistent of the Advanced IC's Laboratory, SMC «Technological Center» (Russia, 124498, Moscow, Shokin sq., 1), O.Chuyko@tcen.ru
Evgeniy V. Kuznetsov - Head of the Advanced IC's Laboratory, SMC «Technological Center» (Russia, 124498, Moscow, Shokin sq., 1), KEV@tcen.ru
Elena N. Rybachek - Cand. Sci. (Eng.), Senior Research of the Advanced IC's Laboratory, SMC «Technological Center» (Russia, 124498, Moscow, Shokin sq., 1), REN@ tcen.ru
Alexander N. Saurov - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Academician of RAS, Director of the Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 119991, Moscow, Leninsky Prospect, 32A), Scientific Adviser of the SMC «Technological Center» (Russia, 124498, Moscow, Shokin sq., 1), org@inme-ras.ru
