ISFETs in standard CMOS technology: design and test

Abstract

Transistores de efeito de campo sensível a íons (ISFETs) são sensores de íons baseados em transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) e são aplicados em diversas áreas, incluindo detecção de vírus e sequenciamento de DNA. ISFETs implementados em tecnologia CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) padrão adotam a típica passivação de Si3N4 como camada sensitiva e se beneficiam de alto níveis de integração sem a necessidade de etapas de pós-fabricação. Porém, esta implementação é associada a não-idealidades, como offsets aleatórios na tensão de limiar devido a cargas presas na passivação, que necessitam de maior compreensão e caracterização. Para a análise de parâmetros elétricos sem os efeitos eletroquímicos das medições convencionais, esta tese propõe um teste a seco, no qual uma fina camada de metal substitui a solução e o eletrodo de referência. A estrutura do sensor foi analisada e foi desenvolvido um modelo físico para ISFETs em contato com líquidos e com metais. Esta tese apresenta o projeto de dois chips-teste projetados no software Virtuoso® e enviados para fabricação em tecnologias CMOS comerciais de 0.18- e 0.35-µm. ISFETs fabricados na tecnologia de 0.18 µm foram encapsulados com uma câmara de epoxy, metalizados com uma camada de ouro e caracterizados. Resultados de testes a seco, analisados com o modelo físico, mostraram que n-ISFETs e p-ISFETs tiveram, em média, offsets devido a cargas presas similares quando estão no mesmo chip, e uma larga variação entre chips. A dispersão da tensão de limiar medida com o teste a seco está de acordo com as dispersões reportadas na literatura para testes com líquidos. Sensibilidades ao pH medidas de um n-ISFET e de um p-ISFET presentes em chips não-metalizados produzidos no processo de 0.18 µm foram próximas ao valor previsto pelo modelo simulado no MATLAB® (~45 mV/pH). Esta tese também propõe uma topologia de circuito que permite leituras diferenciais e não-diferenciais e apresenta a análise do circuito e simulações. A caracterização de ISFETs fabricados mostrou que o teste a seco pode ser útil como uma ferramenta complementar ao teste com líquidos para análises de ISFETs. A fabricação dos chips foi custeada pela empresa Chipus Microeletrônica S.A. O encapsulamento, a metalização e o teste com líquidos foram concedidos pelo Itt Chip/UNISINOS, LAMATE/UFSC e Laboratório de Prototipagem/FIOCRUZ-PR, respectivamente.

Abstract: Ion-sensitive field-effect transistors (ISFETs) are ion sensors based on metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) and are used in various applications, including virus detection and DNA sequencing. ISFETs implemented using standard complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology adopt the inherent Si3N4 passivation as the sensing layer and benefit from high integration levels with no need for post-processing steps. However, this implementation is associated with nonidealities, such as random offsets in the threshold voltage due to charges trapped in the passivation, that still need better understanding and characterization. For the analysis of electrical parameters without the electrochemical effect from conventional measurements, this thesis proposes a dry test wherein a thin metal film replaces the solution and reference electrode. The sensor structure was analyzed, and a physical model of ISFETs in contact with electrolytes and metals was developed. This thesis presents the project of two test chips designed using the software Virtuoso® and sent for fabrication in 0.18- and 0.35-µm commercial CMOS technologies. ISFETs fabricated using the 0.18 µm technology were packaged with an epoxy chamber, metallized with a gold film and characterized. Dry test measurements, conducted using the physical model, showed that n-ISFETs and p-ISFETs had, on average, similar intra-die offsets due to trapped charges and high die-to-die variations. The dispersion of threshold voltage measured using the dry test was in accordance with the dispersions reported in the literature for wet tests. The measured pH sensitivities of an n-ISFET and a p-ISFET from non-metalized chips produced in the 0.18 µm process were close to the value predicted by the model simulated in MATLAB® (~45 mV/pH). This thesis also proposes a circuit topology that allows both differential and single-ended measurements and presents the circuit analysis and simulation. The characterization of the fabricated ISFETs showed that the dry test could be useful as a complementary tool to the wet test for ISFET analysis. The fabrication of the chips was funded by Chipus Microeletrônica S.A. The packaging, metallization, and wet measurements were supported by Itt Chip/UNISINOS, LAMATE/UFSC and Laboratório de Prototipagem/FIOCRUZ-PR, respectively.