CC BY
14МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
УДК 530.19
Исследование чувствительности рН-сенсоров на основе кремниевых МДП-нанотранзисторов
Е.В. Кузнецов, О.В. Чуйко
НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Рассмотрено влияние конструктивно-технологических параметров ионно-чувствительных полевых транзисторных структур (КБЕТ) на чувствительность к рН с использованием численного моделирования. Проведен анализ различных кремниевых ISFET-транзисторов. Показано, что «подвешенные» нанопроволочные структуры собственного типа проводимости с минимальным возможным диаметром и максимальной емкостью затворного окисла имеют наибольшую чувствительность.
Ключевые слова: ионно-чувствительный полевой транзистор, двухзатворный МОП-транзистор, транзистор с окружным затвором, кремниевый нанопроволоч-ный МОП-транзистор, рН, кремниевые нанопроволоки, чувствительность.
Значение рН раствора является важным индикатором физиологического состояния биологической среды и показателем протекания химических и биохимических реакций. Создание рН-сенсоров, имеющих высокую чувствительность, надежность и малые размеры, позволяет, с одной стороны, проводить исследование в предельно малых объемах пробы, с другой - миниатюризация сенсора открывает возможность для изучения распределения градиента рН по активной поверхности или в объеме, например в живой клетке [1]. Разработка интегральных матриц на таких чувствительных элементах позволяет создавать различные комплексные системы, основанные на принципе контроля локального изменения показателя рН для проведения химического и биохимического анализа растворов [2].
Широкое применение в качестве чувствительных элементов рН-сенсоров получили ионно-чувствительные полевые транзисторы (КБЕТ), в которых в отличие от традиционных полевых транзисторов в качестве затвора используется анализируемый раствор, а потенциал на этом затворе определяется электродом сравнения.
Изготовление КБЕТ-транзистора полностью совместимо с основными процессами планарной технологии ИС, на его основе возможно построение биосенсоров посредством функционализации поверхности чувствительного элемента различными поверхностно активными веществами. Это открывает широкие перспективы в развитии аналитических микро- и наносистем, например секвенирование ДНК [3].
Несмотря на значительное число публикаций по использованию наноразмерных КБЕТ-структур в качестве рН-сенсоров [4, 5], их преимущества практически не обоснованы и отсутствуют методы систематической оптимизации их конструкции.
© Е.В. Кузнецов, О.В. Чуйко, 2013
Постановка задачи. Для определения оптимальной конструкции ISFET-транзистора в качестве рН-сенсора исследовалась зависимость его характеристик от конструктивных параметров методами конечно-разностного математического моделирования с использованием средств проектирования фирмы Synopsys TCAD Sentaurus.
Целевую функцию конструкции ISFET-элемента целесообразно определить как его максимальную чувствительность. Выражение для чувствительности S рН-сенсорного элемента, определяемой как изменение тока стока транзистора Id при изменении рН водной среды, можно разбить на два множителя:
5pH 5pH ( )
где - поверхностный потенциал на границе раствор - затворный диэлектрик.
Второй множитель - чувствительность поверхностного потенциала к изменению рН раствора - определяется как [6]
^ - -2,3—а, 5р H q
где а - параметр, принимающий значение от 0 до 1 в зависимости от буферных свойств поверхности, которые зависят, в свою очередь, от материала затворного диэлектрика и ионной силы раствора:
i-i
; (2)
а -
2,3kTCd , -Ц-- +1
q 2вш
Са - дифференциальная электрическая емкость двойного электрического слоя; вш - собственная буферная емкость поверхности; Т - температура среды; q - заряд электрона; к - постоянная Больцмана.
Максимальные значения рассматриваемой чувствительности достигаются при значениях а близких к единице. В зависимости от материала затворного окисла чувствительность может изменяться. Так, для 813К4 чувствительность составляет 53-55 мВ/рН, Л1203 - 54-56 мВ/рН, Та205 - 56-58 мВ/рН. При использовании в качестве затворного диэлектрика БЮ2 чувствительность поверхностного потенциала к рН составляет 30-40 мВ/рН.
При рассмотрении второго множителя в (1) отметим, что в традиционном МОП-транзисторе с металлическим электродом затвора изменение потенциала на границе затворный окисел-затвор 5¥0 равно изменению напряжения на электроде затвора
оУг и поэтому —— равно затворной крутизне и =
Таким образом, из рассматриваемой системы можно исключить водную среду, а поиск оптимальной конструкции проводить на кремниевых структурах с металлическим затвором, обладающих максимальным значением О, Эта величина зависит от напряжения на затворе У^ и достигает максимального значения От при У^ близких к пороговому напряжению УТ (рис.1).
Величина От зависит линейно от Ж/Ь. Таким образом, для планарных структур удобно рассматривать удельное значение этого параметра на единицу ширины канала [7]:
О ■■
Ж_ I
Рис.1. Типовая проходная характеристика МОП-транзистора /¿(Уг) при заданном напряжении У<ь и зависимость затворной крутизны О от напряжения на затворе Уя
где СОХ = 808ОХ / Лох - удельная емкость затворного диэлектрика; Ь, Ж - длина и ширина транзистора соответственно; д - эффективная подвижность в канале транзистора, зависящая от затворного и стокового напряжения У^; во, вох - диэлектрические постоянные вакуума и затворного диэлектрика; ¿ох - толщина затворного диэлектрика.
В случае непланарных транзисторных структур (например, нанопроволочный транзистор) определить эффективную ширину Ж сложно. Поэтому имеет смысл использовать общее выражение ОтИат для сравнения различных конструкций с одинаковой длиной канала. Чувствительность рассматриваемых структур пропорциональна отношению ОтИат, которое выражает чувствительность непланарного транзистора на единицу тока.
Отметим, что чем больше Сох, тем выше От. Поэтому в качестве затворного диэлектрика рН-сенсора лучше использовать диэлектрик минимальной толщины с высокой диэлекртической постоянной. Из материалов, имеющих высокое значение параметра а, наибольшее значение вох = 22 имеет Та205, далее следует А1203 (8ох = 9) и 813К4 (8ох = 8). Минимальное значение толщины может ограничиваться техногическими возможностями или утечкой диэлектрика по причине туннельного тока.
Таким образом, задача поиска максимальной чувствительности КБЕТ-структуры в водной среде сведена к выбору материала затворного диэлектрика, обладающего высокой поверхностоной буферной емкостью (2), и поиску максимального значения параметра ОтИат у той же структуры, но с металлическим затвором.
Выбор параметризированной структуры. Из всех известных МОП-структур наибольшее значение ОтИа имеют так называемые полностью обедненные МОП-структуры (многозатворные транзисторы), у которых рабочий объем кремния полностью обедняется затворным потенциалом. Классификация многозатворных транзисторов представлена в работе [8].
Покажем, что полностью обедненные структуры имеют более высокие значения От11а. Для допороговых значений Уё имеем
О I,
ЛТ,
1п10
^Т = ~
(3)
где £ - наклон допороговой проходной ВАХ (или ^-фактор), с одной стороны, определяемый как
£ = |
(Тл/ГТ))~1 [В/декада тока].
Ли
С другой стороны [7], в переходной области режимов работы транзистора (режим обеднения - режим инверсии) G = Gmax и в этой точке выполняется условие (3), тогда
S = ln 10ф(d^T= lnl0-фтC /) = 1п10-фт(! + /Cox),
где - поверхностный потенциал на границе кремний-диэлектрик; Сх - суммарная удельная емкость, влияющая на поверхностный потенциал; Cox - удельная емкость под-затворного диэлектрика; CD - емкость обедненного слоя; фT =kT/q - термический потенциал.
Если для традиционных «объемных» МОП-транзисторов типовое значение Cc/Cox находится в диапазоне 0,3-0,5, то для полностью обедненных МОП-структур отношение Cc/Cox стремится к нулю [9], а ^-фактор - к предельному значению 2,3фТ, отношение GmIId - к предельному 1/фТ.
Полностью обедненные структуры позволяют реализовать транзисторы с рабочим слоем кремния их собственного типа проводимости. Такие структуры имеют более высокую подвижность носителей, так как в них отсутствует рассеяние носителей на примеси. В дальнейшем рассматривались структуры только с собственной проводимостью. Поскольку подвижность электронов выше, чем подвижность дырок, имеет смысл рассматривать только и-МОП-транзисторы.
Исходные параметризированные конструкции обедненных МОП-структур сгенерированы с использованием пакета Sentaurus Structure Editor. Затворный диэлектрик выполнен из оксида кремния толщиной 2 нм. На рис.2 приведены ЗБ-параметризированные конструкции транзисторов с окружным металлическим затвором и транзисторов на структурах КНИ, сгенерированные в пакете Sentaurus Structure Editor. Для структуры транзистора с окружным затвором при W=0 имеем нанопроволочный транзистор с диаметром Si-проволоки d, при W>>d - двухзатворный транзистор с толщиной кремниевого слоя d. Для КНИ-транзистора при условии, что нижняя часть затвора - диэлектрик, при W=0 имеем структуру трехзатворного транзистора, при W>>d- традиционный КНИ-транзистор обедненного типа. Транзисторы с окружным затвором отличаются от КНИ-транзисторов тем,
а б
Рис.2. 3Б-параметризированные структуры п-МОП--транзистора с окружным затвором (а) и транзистора на структурах КНИ (б)
что у последних нижняя часть затвора выполнена из оксида кремния. В зависимости от трех геометрических параметров данные структуры перекрывают все возможные обедненные структуры. Затворный диэлектрик выполнен из оксида кремния толщиной 2 нм, изолирующий оксид кремния в КНИ-структурах - толщиной 400 нм.
Исследование параметризированной структуры. Расчет электрофизических параметров структур проводился с использованием программы Sentaurus Device на основе гидродинамической диффузионно-дрейфовой модели и квантово-механического при-блнження оптимизированной модели градиента плотности (Density Gradient Quantization Model) [10]. При расчете использовались результаты калибровки параметров расчетных моделей, проведенных разработчиками TCAD Sentaurus, по опубликованным экспериментальным данным нанопроволочных транзисторных структур [11, 12].
На рис.3 показаны расчетные зависимости чувствительности на единицу тока GJIdm для транзисторов с окружным затвором (в случае рН-сенсора - «подвешенные» структуры) от характерного размера рабочего слоя кремния D с длиной канала 0,2 мкм и различным параметром. В случае W = 0 имеем нанопро-волочный транзистор с диаметром D, в случае W = 0,5 мкм - двухзатворный МОП-транзистор с толщиной рабочего слоя D.
На рис.4 приведены расчетные зависимости чувствительности на единицу тока Gm/Idm для КНИ-транзисторов (в случае рН-сенсора - «лежачие» на оксиде Si структуры) в зависимости от параметра W при различном характерном размере рабочего слоя кремния D и длине канала 0,2 мкм. В случае W = 0 имеем нанопро-волочный транзистор с диаметром D, при увеличении 0<W<(1-2)D транзисторная структура трансформируется в трехза-творную и далее в КНИ-транзистор обедненного типа.
Отличие «подвешенных» и «лежачих» кремниевых наноструктур показано на рис.5.
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы.
1. При разработке ISFET как рН-чувствительного элемента необходимо
Диаметр/толщина I
Рис.3. Расчетные зависимости От/^т от характерного размера рабочего слоя Б МОП-нанотранзисторов с окружным затвором: 1 - нанопроволочный МОП-транзистор (Ж = 0); 2 - двухзатворный МОП-транзистор (Ж = 0,5)
Параметр]
Рис.4. Расчетные зависимости ОтИат от Ж МОП-КНИ-транзисторов с длиной канала 0,2 мкм при различных значениях характерного размера рабочего кремниевого слоя: область 1 - трехзатворный МОП-транзистор; область 2 - КНИ-транзистор обедненного типа
выбирать в качестве затворного диэлектрика материал, обеспечивающий высокую поверхностную буферную емкость (химическую).
2. Для обеспечения высокой чувствительности необходимо, чтобы затворная емкость транзистора была максимальной (за счет уменьшения толщины диэлектрика и выбора материала с высокой диэлектрической постоянной).
3. Наибольшая чувствительность КБЕТ-транзистора достигается в режиме слабой инверсии.
4. Наибольшее влияние на рН-чувствительность КБЕТ-транзистора на единицу тока, построенного на обедненных кремниевых структурах, оказывает характерный размер рабочего слоя кремния. Так, при уменьшении диаметра нанопроволочно-го транзистора или при уменьшении толщины рабочего слоя в двухзатворном транзисторе от 100 до 10 нм чувствительность
возрастает более чем в 3 раза (при эффективной толщине затворного окисла 2 нм).
5. При сравнении одномерных (нанопроволоки) и двумерных (пленка наноразмер-ной толщины) структур в качестве рН-чувствительных элементов преимущество первых незначительно. Так, для Б = 10 нм расчетная чувствительность на единицу тока при переходе от пленки к проволоке в «подвешенных» структурах изменяется на 19% , для Б =100 нм - на 11%.
6. Переход от «лежачих» наноструктур к «подвешенным» приводит к несущественному увеличению чувствительности на единицу тока (при достаточной толщине изолирующей пленки, на которой размещаются структуры, по сравнению с толщиной затворного окисла, в рассматриваемом случае толщина равна 0,4 мкм). Для одномерных структур при Б = 50 нм расчетный прирост чувствительности составил 12%, при Б = 10 нм - 6%. Для двумерных структур при Б = 50 нм чувствительность увеличилась на 32%, при Б = 10 нм - на 13%.
Анализ различных кремниевых ISFET-транзисторов показал, что наибольшей рН-чувствительностью обладают полностью обедненные структуры. Методами численного моделирования получено, что наибольшую чувствительность имеют «подвешенные» нанопроволочные структуры собственного типа проводимости с минимальным возможным диаметром и минимальной толщиной затворного окисла.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования кремниевых нанопроволочных сенсорных систем для создания высокочувствительных датчиков концентрации протонов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ГК № 16.426.11.0030) на оборудовании ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр» (г. Москва).
0 0,2 0.4 0.6 0,8 I
Параметр IV, мкм
Рис.5. Расчетные зависимости От/1ат от Ж для обедненных транзисторных структур с длиной канала 0,2 мкм, отличающихся характерным размером рабочего кремниевого слоя и конструкцией
Литература
1. Nemeth B., Tsuda S. ISFET sensor system for real-time detection of extracellular pH oscillations in slime mould // Electronics Letters. - 2012. - Vol. 48. - № 3 - P. 1-2.
2. Bonastre A., Capella J.V. In-line monitoring of chemical analysis processes using Wireless Sensor Networks // Elsevier. - 2012. - Vol. 34. - P. 1-15.
3. Purushothaman S., Toumazou C., Ou C. Protons and single nucleotide polymorphism detection: A simple use for the Ion Sensitive Field Effect Transistor // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2006. -Vol. 114. - Is. 2. - P. 964-968.
4. Salaun A.-C., Bihan F.Le Modeling the high pH sensitivity of Suspended Gate Field Effect Transistor (SGFET) // Sensors and Actuators. - 2011. - Vol. 158. - P. 138-143.
5. Fernandes P.G., StieglerA H.J. SPICE macromodel of silicon-on-insulator-field-effect-transistor-based biological sensors // Sensors and Actuators. - 2012. - Vol. 161. - P. 163-170.
6. Eijkel J.C.T., Bergveld P. A general model to describe the electrostatic at electrolyte oxide interfaces // Elsevier Science. - 1996. - Vol. 69. - P. 31-62.
7. Brews J.R. Physics of the MOS Transistor. - Washington: Academic Press Inc., 1981. - 768 p.
8. Colinge Jean-Pierre, FinFETs and Other Multi-Gate Transistors. -San Francisco: Ireland, 2008. - 387 p.
9. Sentaurus Device User Guide Version C-2009.06, June 2009.
10. Sentaurus-Applications_Z-2007.03. Three-dimensional Simulations of Twin Silicon Nanowire NMOS Transistor. - URL: http://www.synopsys.com/cgi-bin/est.cgi (дата обращения: 19.04.2012 г.).
11. Yeo K.H. Gate-All-Around (GAA) Twin Silicon Nanowire MOSFET (TSNWFET) with 15 nm Length Gate and 4 nm Radius Nanowires // IEDM Technical Digest. - 2006. - December. - P. 539-550.
12. Suk S.D. High Performance 5 nm radius Twin Silicon Nanowire MOSFET (TSNWFET): Fabrication on Bulk Si Wafer, Characteristics, and Reliability // IEDM Technical Digest. - 2005. - December. - P. 717-720.
Статья поступила 4 июля 2012 г.
Кузнецов Евгений Васильевич - начальник лаборатории перспективной элементной базы и технологических маршрутов НПК «Технологический центр». (г. Москва). Область научных интересов: технология микро- и наноэлектроники, математическое моделирование полупроводниковых устройств.
Чуйко Оксана Вадимовна - инженер НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: технология микро- и наноэлектроники, метрология микро- и наноприборов. E-mail: O.Chuyko@tcen.ru
