研究目的
为了实现硅带（SiRi）传感器与CMOS电路的单片集成，以在芯片实验室应用中实现选择性和多路复用检测，同时解决实时信号检测和紧凑型传感器设计的挑战。
研究成果
采用基于像素的架构成功实现了SiRi传感器与CMOS的单片集成，支持选择性及多路复用检测。P型像素展现出优异性能，具有高ION/IOFF比和低亚阈值斜率；而N型像素因需要高背栅电压而存在局限性。该研究为芯片实验室传感器的大规模低成本生产提供了依据，并建议后续工作优化背栅界面并降低工作电压。
研究不足
该研究受限于SOI晶圆中厚埋氧层（145纳米）导致的高阈值电压变化，这需要较大的背栅电压（例如N型≥25伏），并可能阻碍像素关闭。背栅界面质量及氧化层中的固定电荷会影响性能，且制造工艺可能引入变化。此外，本研究聚焦于生物功能化前的电学表征，因此未展示实际生物传感应用。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用绝缘体上硅（SOI）晶圆自顶向下工艺制造集成CMOS晶体管的SiRi像素传感器。每个像素包含控制场效应管、流体栅极和SiRi传感器，在前栅和后栅模式下进行电学特性测试。
2：样本选择与数据来源：
使用掺硼4英寸SOI晶圆，其145纳米埋氧层上方为55纳米晶体硅器件层。样本包含具有特定尺寸的N型和P型SiRi像素（例如：SiRi尺寸1微米×1微米×20纳米；控制晶体管尺寸4微米×1微米）。
3：实验设备与材料清单：
设备包括Cascade 12,000半自动晶圆探针台、Keithley 4200-SCS参数分析仪、等离子增强化学气相沉积（PECVD）系统、反应离子刻蚀（RIE）腔室、原子层沉积（ALD）系统和扫描电子显微镜（SEM）。材料包含SOI晶圆、二氧化硅、氮化钛、多晶硅、镍、钛钨合金、铝及各类刻蚀沉积气体。
4：实验流程与操作步骤：
制备过程涉及热氧化、光刻、刻蚀、离子注入、金属化和钝化工艺。通过前栅/后栅模式的电压扫描直流特性测试获取转移特性曲线（漏极电流-栅压ID-VG和ID-VBG）。
5：数据分析方法：
采用线性外推法提取阈值电压（VTH）和亚阈值摆幅（SS），并进行晶圆级性能指标（如导通/截止电流比ION/IOFF）的分布测绘与统计分析。
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Keithley 4200-SCS parameter analyzer
4200-SCS
Tektronix, Inc.
Performs direct current (DC) electrical measurements, including voltage sweeps for transfer characteristics.
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Cascade 12,000 semi-automatic wafer prober
12,000
Cascade Microtech
Used for probing wafers during electrical characterization, facilitating direct current measurements and wafer mapping.
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Scanning Electron Microscope
Used for top-view imaging of fabricated devices to inspect structures like SiRi pixels.
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Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition system
Deposits thin films such as SiO2 hard masks during fabrication.
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Reactive Ion Etching chamber
Etches materials like SiO2 and silicon using plasma gases for patterning.
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Atomic Layer Deposition system
Deposits thin passivation layers such as SiO2 on SiRi sensors.
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Rapid Thermal Annealing system
Activates dopants in implanted regions through high-temperature annealing.
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Physical Vapor Deposition system
Deposits metal layers such as TiN and Ni for gates and contacts.
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Low-Pressure Chemical Vapor Deposition system
Deposits polysilicon layers for gate structures.
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