Bohuslav PALéAN CONCEPTION DE MICROCAPTEURs pH-IsFET ...
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D
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S
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N/P wells
Contact
Active
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SiO
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SiO
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SiO
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passivation Si N
passivation Si N
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passivation Si N
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S 1
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pH4 pH7
pH10
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(b)
(a)
Vds+
−
+
−VgsVgs
Vds
D
Sgate
ref
ISFET
D
N+
G
N+
S
ion sensitive layer
electrolyte
ref. electrode
SiO2
P substrate
passivation
−5
0
0 0.6 0.8 1
Ids/Vgs pH=4,7,10 Vds=50mV
5
10
15
20
25
Ids
[uA
]
Vgs [V]0.2 0.4
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(a)
without ref. electrode
Vgs=1V
Vgs=0.5V
Vgs=0V
Vgs=1.5V
(b)
pH10 pH7
pH4
−0.1
0
0.4
0.6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Vds [V]
Ids/Vds pH=7 Vgs=0,0.5,1,1.5V
0.1
0.2
0.3
0.5
0.7
Ids
[mA
]
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Vds [V]
Ids/Vds pH=4,7,10 without ref. electrode
−0.1
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
Ids
[mA
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1cm 1cm
O 1mm
O 1cm
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-)
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#- !"
ref measuringcircuit
out
guardring
SiO2
Si N3 4
(a)(b)
(c)
N+N+
Vds
Vgs
ref
switchcontrol
p substrate
PolySigate
ref
gnd
vdd
Vgs
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1.
N−well2.
p−well
p−wellN−well
N+ N+
N−wellp−well3.
N+N+
p−wellN−well5.
6.
N+N+
p−wellN−well
N+N+N+
p−wellN+
N−wellP+P+
13.
12.
N+N+
p−wellN−well
N+N+
p−wellN−well
p−wellN+N+N+N+
N−wellP+P+
p−wellN+N+N+N+
N−wellP+P+
p−wellN+N+
N−wellN+N+
Phosphorous
Wafer, initial oxidation
4.
7.
8.
11.
10.
9.
p substrate
p substrate
p substrate
p substrate
p substrate
p substrate
p substrate
PMOSISFET NMOS
Wet etch of ISFET gate
Passivation Oxide+ NitrideDry etch Passivation
pad
p substrate
p substrate
p substrate
Ion Implantation N−Well
Ion implantation P−WellBoron
Definition of active regionsLOCOS Oxidation
Deposit Nitride
Ion Implantation Vth ISFETPhotolitography gate ISFET
Ion Implantation S/D ISFETPhotolitography: S/D ISFET
Gate Oxidation, deposit PolySiPhotolitography Poly1Etch Poly1
Deposit Nitride ISFETPhotolitography Nitride, etch Nitride
layerion−sensitive
p substrateMetallizationPhotolitography contacts
Metal etch
p substrate Definition of S/D of PMOSBoron P+ implantation
Definition S/D of NMOSPhosphorous N+ implantation
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#- !E
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(a)
channel width (W)
length (L)channel
(b)
S D
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#- !G
0
0 1 3 4
5 4
3
21
2
without stirring
Jenway 1000 stirrer
99.6
99.8
0 50 100 150 200Time [sec]
Stirring effect, pH=7, Ids=100uA, Vds=1V
250
100
99.9
99.7
99.5
99.4
Ids
[uA
]
0 = without stirring1 = 90rpm2 = 200rpm3 = 400rpm4 = 600rpm5 = 800rpm
per minuterpm = rotations
: !-K> ( ( ':/ 9 H- ( ; 8/02XR """ 2 ) ` ' "2!""" -
0 4 ( ; ':/ ; ( ) H -
pH7
pH4pH4
pH10
pH7
pH10 pH10pH4pH4
pH7
new device
old ISFET
tr(95%)=90s
tr=30s
tr=40s
0 200 400 600 800 1000Time [s]
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Ids
curr
ent [
uA]
1200
Time response of two ISFETs, Vds=0.2V, Vgs=1V
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67572 '$
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':/ ( 2 ( 4 9 ( 4 & 2 ;( MGQ GGN- ( 59 & ; ; - 2 ( L ( ( - ; ; 9 -
#- !C
gate
bondingpads
metal pathsD/S diffusions
2.5mm
(b)
(a)
ISFET
contacts
Si sensor IN/OUT wires
support
encapsulant
: !- > /5 ( ':/ ':/ ; -
' ( 9 2 ( 9- 9 ':/ M CN- ':/ 9 ( - ); ; 4 59 5-
(a) (b)
5mm
glass tube
ISFET
epoxy resin
ISFET
pcb
1cm
: !- !> /5 ( ':/ 4> A5 9 59 0]L CCF 4EEF $ :// (':/ CCK 4EEF $ :// -
#4 ':/ MGDN- 2 ( ; A ( ;- '2%2' '%' M FN '2%2 '% '2:/ MGKN ( 9 - $( ; 4 69 ( -); ( ; ; 59 -
( ':/ MGCN ; 4 ; ; 9 ':/-
#- E"
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( 4 ( $%' ':/ ( $ E E-Q ( -
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2 "G $%' MDKN ' ; 29 ( ':/ - 9 L
5 46
#- EE
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F""PQ" QE Q" "" QGBP)M CN """PE" "" !"" FG2QGBP)MDFN EQ"P " F !Q" DQ FKBP)MDDN "5!Q"PQ !" F"" F BP)
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N+N+0.3umField oxide thickness
Gate oxide thickness
PolySi1 thickness
PolySi−metal1 oxide thickness
Metal1 thickness
Metal1−metal2 oxide thickness
Metal2 thickness
Metal2−metal3 oxide thickness
Metal3 thickness 940
650
650
750
650
PARAMETER [nm]
400
12.5
250
650
720
Passivation thickness
M1−M2 oxide
M2
M1
M2−M3 oxide
M3
PASSIVATION
P1−M1 oxide
FOXP1
: E- > '9 ( "G $%' 9 -
; ; ; ':/ 9 2 $%' ; 2 -
4 ( 4 7
#- EF
E-!> # 0%' %' ( 9 - 5- MDKN-
# (#> # #
MBN "-DQP"-CQ 2"-DQP2"-CQ. ( M N S > ""P F" EFPFG/H 9 M3 N > FE" FQ
0 ; ; ( 9 ! ; :-E-! ':/ ( -
PolySi1S/D implant
N/P wells
Contact
Active
Metal1ViaMetal2Via2Metal3Passivation
of standardViolation
design rules
: E-!> . ( "G $%' 4 V; ; ( ':/ -
!-# 3 &
; 5 ; ( "G $%' 9- ' )2 ':/ 5 ; 29 ; ; :-E-E- L ( ; A5 S !Q"E"- !" ; - ; ( ':/ ( -
9 9 ; ':/ V ; - ' V A H ( MDFN- 9 ( 5 9 ( ( !-K-!-
A 2 /'.0 ; (9 )2 ( 9 - '9 ( 29 ':/ E-E- 5 9 9 %':/- :9 9 9- (9 ; ( ( ' ( 9-
#- EQ
SiO
passivation Si N
SiO
SiO
passivation Si N
SiO
passivation Si N
passivation Si N
SiO
SiO
passivation Si N
passivation Si N
passivation Si N
passivation Si N
passivation Si N
passivation Si N
passivation Si N
P substrate
PolySitox
oxideoxide
PolySi
Metal1oxide oxide
P substrate
tox
P substrate
oxide oxide
tox PolySiPolySi FOX
Metal1
P substrate
tox PolySi
Metal2oxideoxide
Metal1
P substrate
toxPolySi
Metal2
Metal3oxide oxide
P substrate
oxide oxide
tox PolySiPolySi FOX
Metal1
P substratetox PolySi
PolySi FOX
Metal1Metal2
oxide oxide
P substratetox PolySi
PolySi FOX
Metal1Metal2
oxide Metal3
P substrate
PolySitox
oxideoxide
Metal1
P substrate
tox PolySi
Metal2oxideoxide
PolySi
Metal1oxide oxide
P substrate
tox
2
3 4
2
2
3 4
2
3 4
3 4
2
2
3 4
3 4
3 4
3 4
3 4
3 4
3 4
A
C D
E
G H
I J
K
F
BDESIGN 1
DESIGN 2
N+ N+ N+ N+
N+N+N+ N+
N+ N+ N+ N+
N+ N+N+N+
N+ N+ N+ N+
N+ N+
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#- ED
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a) b)
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9 ( A 2 /'.0 ; H ':/ 2 ; :-E-F-- E 5 !Q- 9/'.0! :-E-Q- E 5 "K-
!-'
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( ( ':/ 4 $ ! !- "- 9 ; ; ;( ( 24 ;( MGQ GGN ; - $ 4 ( 4- ( ':/ 9 59 -
#- EK
a)
b) c)
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4 ( ; ; 5 ( ( $ 9 1$)/- $L & 1%$/ -X 5 - .9-
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#- EC
E-Q> '9 ( ( 4 ( 2':/ -
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E- 1%$/ Q FQ 1%$/ 1 - 2 0* /1/W * ; 9 MK N
F- 1%$/ QEE 1%$/ 1 - 2 0* ; MK!N
Q- ) ) .)- 2 0 .9 MKEN
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D- E2 /%WR 1/$% $- ;2 59 0)/'B/ :2"Q 8 MKQN
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C- )R'%1 5 - ;2 59 0//""DCP)""D" .9 MKDN
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- 1/%W 1$)/ - ;2 59 0'/$1 $L & 4 MKCN
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E- 1*%'1 'R0)/' *3 0F "E $L &- ( 9 MC N
F- /%/* '/&#%0 ; 59 R)QF ' ;24 MC!N
#- F"
27=76 &" #?,&",
2':/ ; 9 4 4 ( :-E-G- 9 )R'%1 59 - 9 9 9 ( )F ) "- 59 ; ; >A ! Y !Q$ F Y Q"$-
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pcb 5x5cm
a) b)
: E-G> X2 2':/ ( 4 ':/ ; EF -
E K ( /'.0 Q ( /'.0! ( $%' ':/ K ) -
27=72 $?,$ ))$"% $% * &
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!-2 0
( 4 - "G $%' 9 ( 9 ( -
; 4 ; ( 4 2':/- 59 9 ; 5 ':/ )2
#- F
I leak
K2400 SourceMeterKEITHLEY
electrodeAg/AgCl ref.
HP
−G
B b
us
conductive liquida) b)
bad chips
good chips
PC
0
20
2 3 4
10
30
40
50
60
−10
Leakage current tests of ISFET chips
Voltage applied [V]−1 0 1
Ileak
[nA
]
ISFET
: E-D> ( ':/ ( 4 ( ; -
4 :-E-K- / ':/ 2 ; - 5 ( ; ':/ 2 ( ; ; :-E-D--
14 V; ( ( 2 9 ( ':/ ; ; :-E-K- ' 4 ; 4 V; ( ( ' ( !B- X 4 ':/ ; A ; -
59 9 9 DQ" 4 ( ; 24 ; ; 9 2 2' - 4 ; 5 9 (-
$9 ( ( 4 - ; 9 ; 4 2L - .9 ( ( /'.0 ; ( /'.0! ; 4 ':/ -
!-) 1 7
; 9 ( ':/ 2L- ' ( A :-E-C--9 H ( ( ( ( 5- 9 -
P$ 6 ( &/F"E ; ( )':/ 4- L 2 L ) HF" ""!) D"" ""!) """ ""!) !Q ;
#- F!
gateleakage currents
leakage currentsgate
wireleakage currents
: E-K> ( 2':/ ; 4 V;( ( ; 9-
( )/7C" 1 - - '9 ) ( ) H ; A ; ;4 ( ':/ L 9 ( )2 )$ E 7C" 1 - # : ""Z )EFF" */)1/RGQ D- ( ) ; 9 9 $)/$*/! ; ( "! -
a) b)
HPE3631A Power source
HP34401A Multimeter
Vs
Vd
K2400 SourceMeter
Ids
HP−GB bus
Vg Ag/AgCl ref.electrode
Vs
Vd
Vg
Ids
Semiconductor ParameterAnalyzer HP4155/56B
electrodeAg/AgCl ref.
pH solution
pH solution
dark
dark
PC
ISFET
ISFET
: E-C> ' ( ; ':/ A */)1/R ) $ )F QQPQG ' 9L -
#- FE
!-* 8 & (
4 ':/ ; V9 ( E" 
- 0 ) 9 ; - 9 ( ; 9 ':/ MDEN- 9 5 9 ;9 ( ! 9 ( ( - 9 ;4 - '/ ( 9 :-E- "--
chips 1, 3
chips 2, 4
a) b)
1.3
1.5
1.7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Vgs [V]
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.4
1.6
1.8
Ids
[mA
]
A device, Vds=5V, pH 4,7,10
: E- "> > ( S Q 2O '/ ( ':/ -
! 5 9 9- 9 ! 9 4 - P ; :-E- -- # ! ; ;92 H2 9 ; 9 ; T " ; 9 TG - 0 ) - ! 9 ( - 2 9 4 9 ( P !P (- '/ ( ':/ ; :-E- - -
9 E 4 ! 9 :-E-E- ( ( L ; ) ( ) F ) " ; 9 ( EGC - P ( ; :-E- !-2- ( ':/ ; 29 ( TKQ QQ )D-
A 0- ; ( :-E- !-- 2 9 H 4 ( 9- 2 ; > ( ) ; 9 ':/ ( - ( P ( 0%' ; ; :-E- !-- X ( 29 T!TE ; ( V ( 9 ':/ MCEN-
#- FQ
b)a)
c) d)
0
0 1 2 3 4 5 6−0.5
0.5
1
1.5
2
2.5
Vgs [V]
B device, Vds=5V, pH 4,7,10
Ids
[nA
]
0
0.5
0 1 2 3 4 5 6−0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5 C device, Vds=5V, pH 4,7,10
Ids
[nA
]
Vgs [V]
: E- > ( ! S Q '/ ( O ( ( S Q '/ ( -
) ( ( L 2 E-D E-C- % ; 9 4 ! - '/ ( 7 :-E- !-(-
27976 $#"' %&$") $&," $%
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( 5 9 92' 2 2 5 9 :-E-E- 5 - 9 P ( :-E- E-- # ; 9 (- 5 ( ; - 0 ) - '/ ( ; :-E- E- -
; " ; 9 ( E"D ( )F ) " - ( (
#- FG
pH10
pH4pH7
pH10
pH4 pH7
pH10
pH7
pH4
D, chip No.1, Vds=50mV, pH=4, 7, 10
−50
100
200
300
400
500
0
Ids
[uA
]
7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5Vgs [V] b)a)
c) d)
e) f)
chip No.1, NMOS and D with Al gate, Vds=5V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Ids
[mA
]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Vgs [V]
D
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Vgs [V]
−10
1020304050
7060
8090
100
Ids
[uA
]
D, chip No.2, Vds=50mV, pH=4,7,10
−0.5
0
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0.5
0.1
1.5
2
2.5
Ids
[mA
]
D, chip No.2, Vds=5V, pH=4,7,10
Vgs [V]
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4−5
5101520253035404550
Ids
[uA
]
Vgs [V]
D, chip No.4, Vds=50mV, pH=4,7,10
: E- !> > ( ( S Q" S Q ( 0- -O O '/ ( ':/ (-
#- FD
chips X, Y, Z
chips X, Y, Z
b)a)
c) d)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Vgs [V]
5
4
3
2
1
0
6
Ids
[uA
]
E device, Vds=5V, pH 4,7,10
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4−0.5
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Vgs [V]
F device, Vds=5V, pH 4,7,10
Ids
[uA
]
: E- E> ( S Q '/ ( O S Q '/ ( -
':/ ; 5 9 2! 5 9 ; ( "Q "C )D- P ( :-E- F- E-D- % 9 ) 9 ; :-E- F-- '/ ( " :-E- F- -
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( :-E- Q-- ; ( L ; ( ; ) 9 (E E ) ( F "- ; "C E )D- % ; 9 ) :-E- Q-- ( :-E- Q- - )2 L E-D- )
#- FK
pH4
pH7
pH10
pH10
pH4
pH7
pH10
pH4
pH7
pH10
pH4
pH7
pH7
pH4
pH10
a)
c)
e) f)
g) h)
d)
b)
0
0.5 1 1.5 2 2.5−10
10
20
30
40
50
60
Ids
[uA
]
G device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
0
0.5 1 1.5 2 2.5−10
10
20
30
40
50
60
70
Vgs [V]
Ids
[uA
]
G device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10
0
10
20
30
40
50
60
70 H device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10
Ids
[uA
]
10.5 1.5 2Vgs [V]
0
0.5 1 1.5 2 2.5−10
10
20
30
40
50
60
70
Ids
[uA
]
H device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
0
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4−5
5101520253035404550
G device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
Ids
[uA
]
2.5Vgs [V]
250.4
0.5 1 1.5 2
249
249.2
249.4
249.6
249.8
250
250.2
250.6
Ids
[uA
]
H device, chip Y, Vds=5V, pH 4,7,10
2.5248.8
: E- F> ( " ( S Q" ( '/ ( " O ( ( > ( S Q ( '/ ( -
#- FC
pH4
pH10
pH7
pH4
pH7
pH10
pH4
pH10
pH7
pH4
pH10
pH7
pH4
pH10
pH7
pH10
pH7pH4
a)
c)
e)
g) h)
f)
d)
b)
0
0.5 1 1.5 2Vgs [V]
−10
10
20
30
40
50
60
2.5
Ids
[uA
]
I device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10
0
1.5 2 2.5 3 3.5 4−5
5
10
15
20
25
30
Ids
[uA
]
I device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
00.5 1 1.5 2
10
20
30
40
50
60
Ids
[uA
]
J device, chip X, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
0
0.5 1 1.5 2
I device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10
−10
10
20
30
40
50
60
70
2.5
Ids
[uA
]
Vgs [V]
0
0.5−10
10
20
30
40
50
60 J device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10
Ids
[uA
]
1 1.5Vgs [V]
2 2.5
0
15
0.5 1 1.5 2−5
510
20253035404550
Ids
[uA
]
J device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10
2.5Vgs [V]2.5
: E- Q> ( ( S Q" ( O '/ ( O ( ( ( S Q" '/ ( 29 -
#- Q"
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pH4
pH10
pH7
pH4 pH7
pH10
pH4pH7
pH10
a)
c)
b)
d)
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3−2
2
4
6
8
10
12
14
16 K device, chip Y, Vds=50mV, pH 4,7,10
Vgs [V]
Ids
[nA
]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 32
4
6
8
10
12
14
16
18
Ids
[uA
]
K device, chip Z, Vds=5V, pH 4,7,10
Vgs [V]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 31
1.5
2
2.5
3.5
3
4
4.5
5
5.5
6 K device, chip Z, Vds=50mV, pH 4,7,10
Ids
[uA
]Vgs [V]
: E- G> > ( S Q" ( S Q O '/ ( ':/ -
:9 ; L - 9 4 9 5 - ( ( ; :-E- G-- %9 ( ; ) 9 ( Q" ) - ( ( ;9 :-E- G-- ( ;4 ; - '/ ( ':/ ; :-E- G- -
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#- Q
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E-K> '9 ( 0%' S!Q"E" H -
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"C! "C" "C "KC "KF "KD "KQ
(a) (b)
−0.1
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Ids
[mA
]
Vgs [V]
NMOS Ids/Vgs Vds=5V
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2−10
10
20
30
40
50
60
Ids
[uA
]
NMOS Ids/Vgs Vds=50mV
Vgs [V]
: E- D> ( 0%' 2':/ ( S Q" ( S Q -
X 5 ( ':/ ( %' ; ( TEQ TGF 9
#- QE
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( $%' ':/ ; 2 )29 9 (9- ':/ ( A ) ; (-
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2 "G $%' MDKN ' ; 29 ( ':/ - 9 L ( 9 9 9- 4 $%' V; L ( - % 2 $%' L ( ( ( ':/ -
' 5 )2':/ ; (9 L - 9 9 ( )2':/ ;$%' ; - 9 ; $%' ; V ( 9 9- 59 2 5 9 ':/)2 - ' ; ) ;E"2Q"BP)- ; 9 -
4 L ( 4 2 ; - ' H ':/ 9 ( $%' 9 ; -
( 9 4 2':/ ; ( 4 - V; ( ( 2 9 ; -
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$ SK
E%& F-Q
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$ S !6 F-G
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$ S $
F-D
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$ S
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F-K
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$F-C
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N+ N+P+ P+
G
B S D BSiO2
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P - Siion sens. layer
Rsb
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−19
−20
−21
−22
−23
−24
−25
100nA
100nA
1uA1uA
10uA
10uA
commercial ISFET0.6um AMS NMOS
−25
−24
−23
−22
−21
−20
−19commercial ISFET
0.6um AMS NMOS10uA
100nA
1uA
1uA
10uA
100nA
a) b)
10
10
10
10
10
10
101 10 100
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1k 10k 100kf [Hz]
Cur
rent
Spe
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sity
Sid
[A^2
/Hz]
10
10
10
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10
10
10
1 10 100 1k 10k 100
AMS0.6um NMOS 600/20 + SENTRON 600/20 10uA/1uA/100nA
f [Hz]
Cur
rent
Spe
ctra
l den
sity
Sid
[A^2
/Hz]
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Vgs
Vds
+
+
Vbat_Vgs
Vbat_Vds
ids
EG&G low noisecurrent sense amplifier
HP35665A DynamicSpectrum Analyzer
ISFET
+
−
dark & shielded box
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gain 1uA/V
gain 10uA/V
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10
10
10
10
10-23
-24
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#- GQ
-26
-25
-24
-22
-21
-20
-19
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-21
-22
-23
-24
-23
-24
-23
-22
-21
-20
-19
-26
-25
-24
-23
-22
-21
-20
1/f slope
10uA
1uA100nA
simulation
d)c)
b)a)
1uA100nA
10uA
1/f slope
pH4pH10pH10
pH4
f [Hz]
Sensor 1 10uA ph4/ph10 Vds=0.05V
f [Hz]
pH7 10uA/1uA/100nA Vds=2V
10 100 1k 10k 100k
10 100 1k 10k 100k
10 100 1kf [Hz]
pH7 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V
100k10k
10 100 1k
Sensor 2 10uA ph4/ph10 Vds=0.05V
f [Hz]10k 100k
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
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10
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^2/H
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-24
-23
-22
-21
-20
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-12
-13
-14
a) b)
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10
10
10
10
10
10 10
10
10
100 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Vgs [V]
ph10ph7ph4
0.7
ph4,7,10 three ISFETs 600/20 Vds=2V f=10Hz
100n 1uIds [A]Ids [A]
ph4ph7
ph10Sid
ph4,7,10 three ISFETs 600/20 Vds=2V f=10Hz
Dra
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10u
Gat
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#- GD
c)
b)a)
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10uA
simulation
10uA1uA
100nA
NMOS chipA
NMOS chipB
NMOS chipC
10uA
10uA
10uA
0.605V0.776V0.968VVgsIds
10uA1uA
100nA 100nA1uA
10uAIds Vgs
1.09V0.796V0.612V
VgschipA 0.968VBC
0.967V0.988V
10−25
10−24
10−23
10−22
10−21
10−20
10−19
10−25
10−24
10−23
10−22
10−21
10−20
10−19
10−2410−23
10−2210−21
10−2010−19
10−1810−1710−16
10 100 1k 10k 100kf [Hz]
NMOS 250/30 10uA/1uA/100nA Vds=5V
10 100 1k 10k 100k
NMOS 250/30 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V
f [Hz]Dra
in c
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id [A
^2/H
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10 100 1k 10kf [Hz]
100kDra
in c
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id [A
^2/H
z]
Dra
in c
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id [A
^2/H
z]
Comp. 3x NMOS 250/30 different chips 10uA+/−0.2uA Vds=5V
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( " S " S Q" )SFD ; :-F-C- ; ' 9 ; - P( ( ; S !F ; - F-F ; & S +
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D pH7 chip 3
G pH4
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simulation
10-24
10-23
10-22
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-21
10 100 1k 10k
10
-2010
-1910
-1810D @ 24uA/pH7; G pH4,7 @ 10uA; Vds=0.05V
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10-20
10-21
10-22
10-23
10-2410-24
10-23
10-22
10-21
10-20
10-19
10-26
10-20
10-21
10-22
10-23
10-24
10-25
10-19
10-20
10-21
10-22
10-23
10-24
10-25
10-26
simulation10uA
100nA100nA
100nA
1uA
10uA
H structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V
H structure pH4,7 10uA Vds=0.05VH structure pH4,7 10uA Vds=2V
Dra
in C
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^2/H
z]
pH4
pH7 drift pH7
pH7
pH4
pH4
pH7
drift pH7
1uA
10uA
1uA
H structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=2V
Dra
in C
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nt S
pect
ral D
ensi
ty [A
^2/H
z]
100k10k1k100101
Dra
in C
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ensi
ty [A
^2/H
z]
100k10k1k100101 Dra
in C
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ensi
ty [A
^2/H
z]
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f [Hz] f [Hz]d)c)
b)a)100k10k1k100101
100k10k1k100101
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b)
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pH7
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10uA
1uA
10uA
100nA 1uA
100nA
c)
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-1910
-2010
-2110
-2210
-2310
-2410
-2510
-2610
-1910
-2410
-2310
-21
-20
10 100 10k1k 100kf [Hz]
10
-2010
-21
10 100 1k 10kf [Hz]
10
-2210
100k
-23
10 100 1k 10kf [Hz]
100k
I structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=2V
10
-2410
-2510
-26
simulation
Dra
in C
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Dra
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10
I structure pH4 10uA/1uA/100nA Vds=0.05V
I structure pH4,7 10uA Vds=0.05V
Dra
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1uA
10uA
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-1810
-1910
-2010
-21
-24 -2210
-2310
-24
10
-1910
-2010
-2110
-23
10 100 1k 10k 100kf [Hz]
10
-2510
-2610 10
10
simulation
f [Hz] 100k10k1k10010Dra
in C
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^2/H
z]
Dra
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ty [A
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HP8340A/41ASynthesized Sweeper
HP8514A/15Atest set, RFpower supply
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Microscope
Probe head
Wafer chuck
RF Probe Station
stationUNIX
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HP 34401A
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200k
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GND
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KEITHLEY
0.1 − 3VSource Meter 2400
PC
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HP 34401A
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HP 34401A
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Vs
5V (4.5−5.5)
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Vd(ISFET1)
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0 − 1V
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V1
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US
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Vdd
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Ip
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mV
Vos1
mV
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HP 34401A
100k
DM2Wavetek
II
5V (4.5 − 5.5V)
ISFET S−D voltage follower
HP 34401A
: #-Q> :9 ( (;> H P -
#- DQ
#
1V ac
AWG 2005
0.1 − 3V dcWaveform Generator
PC
IB2
Vdd
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A1
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Vs(ISFET1)
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US
CH1CH2
Dig. OsciloscopeTDS 520A
GND
Vdd 5V
500k
Ib1 10 uA
KEITHLEYDMM 196uA55 uA
Vdd
Tektronix
100k
ISFET S−D voltage follower
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KEITHLEY
0.1 − 3VSource Meter 2400
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HP 34401A
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KEITHLEYDMM 196
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HP 34401A
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HP 34401A
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Résumé Cette thèse présente mes contributions dans la recherche pour le développement des microcapteurs de pH et des
dispositifs passifs pour radiofréquences d'un microsystème pour des applications biomédicales. Les ISFETs (Ion-Sensitive Field Effect Transistors) portent l'espoir de devenir des capteurs importants pour des
applications biomédicales où le prix réduit, la petite taille, et l'intégration avec des circuits intégrés soient des caractéristiques souhaitables. L'effort principal de la première partie de cette thèse est concentré sur le développement des capteurs de pH-ISFET en technologie peu coûteuse et non modifiée de 0.6um CMOS (AMS). La recherche comprend une étude de faisabilité, la conception, fabrication, et la complète caractérisation de sensibilité pH. Un des aspects principaux dans la fiabilité du capteur d'ISFET est sa mise en boîtier. À ces fins, des nombreux matériaux d'emballage sont caractérisés. Plusieurs structures d'ISFET conçues par nous fonctionnent et donnent des résultats exploitables. La contribution de bruit d'ISFETs commerciaux, aussi bien que des nouveaux capteurs de pH conçus, a été étudiée et mesurée. La technologie CMOS choisie offre des meilleures propriétés de bruit pour nos ISFETs conçus, en comparaison aux dispositifs commerciaux, ce qui est un avantage. A la fin de la première partie, deux interfaces de capteur d'ISFET sont présentées. La première est une interface différentielle entièrement intégrée avec deux capteurs d'ISFET ayant différentes sensibilités, monolithiquement intégrées sur la même puce en silicium que les capteurs. Le deuxième circuit d'interface est conçu pour des pH-ISFETs basés sur un substrat organique. Il a été développé dans une coopération avec le centre de la microélectronique IMEC, en Belgique.
Le but de la deuxième partie de cette thèse est la recherche sur les inductances planaires suspendues à fort facteur de qualité Q pour des applications analogiques de RF dans les microsystèmes biomédicaux. Les inductances sont des éléments passifs très importants dans la plupart d'applications de circuit de radio-fréquence. Les inductances intégrées en métal sur-puce, formées en technologies conventionnelles de CMOS, souffrent des limitations de la performance dues aux pertes résistivités de substrat et en métal. Ces effets abaissent de manière significative le facteur de qualité Q.
Nous présentons des études de recherches, les calculs et la conception des inductances sur puce développées dans une technologie CMOS 0.8um (AMS). L'architecture de conception innovatrice proposée maximalise le facteur de qualité Q. Les inductances suspendues peuvent être placées verticalement au-dessus du substrat, ainsi, des effets parasites de substrat sont considérablement réduits. Les inducteurs passifs conçus ont des valeurs de 1nH à 7nH. Le facteur Q plus grand que dix est estimé à partir des calculs, et il est vérifié expérimentalement par des mesures de paramètres S.
DESIGN OF LOW NOISE pH-ISFET MICROSENSORS AND INTEGRATED SUSPENDED
INDUCTORS WITH INCREASED QUALITY FACTOR Q Abstract
This thesis describes my contributions to the investigation and development of pH sensing structures and RF passive communication parts of a microsystem for biomedical applications.
ISFETs (Ion-Sensitive Field Effect Transistors) promise to become important sensors for biomedical applications where low cost, small size and integration with integrated circuits are desirable features. The ISFETs are today commercially available and are employed in pH-meters. However, their prices are still higher than glass pH-electrode systems. Furthermore, commercial ISFETs are manufactured using old specially dedicated technologies, which do not allow integration of interfacing circuits on the same chip.
The main effort of the first part of this thesis is concentrated on the pH-ISFET development in a low-cost, unmodified 0.6um CMOS technology (AMS). The research includes feasibility study, design, fabrication, and full pH characterization. One of the main aspects in the sensor's reliability is the ISFET encapsulation. Several packaging materials are characterized. Several of novel designed ISFET structures are functional and show promising results. Noise contribution of commercial ISFETs, as well as of our new designed pH-sensors, is studied and measured. Selected CMOS technology offers lower noise properties for our designed ISFETs compared to commercial devices, which is an advantage. At the end of the first part, two designed ISFET sensor interfaces are presented. It is a fully integrated differential ISFET sensor interface with two measuring sensors having different sensitivities, monolithically integrated on the same Si chip. The second interface circuit is designed for pH-ISFETs based on an organic substrate that was developed within cooperation with IMEC microelectronics center, Belgium.
The aim of the second part of this thesis is the investigation of high-Q planar spiral inductors for RF analogue applications in biomedical microsystems. Inductors are very important passive elements in many RF circuit applications. Integrated on-chip metal inductors, formed in conventional CMOS technologies, suffer from performance limitations due to the substrate and metal resistive losses. These effects significantly lower the inductor quality factor Q.
Our research present studies, calculations and design of on-chip micromachined spiral inductors developed in 0.8um CMOS technology (AMS). Proposed innovative design architecture maximizes quality factor Q. Suspended inductors can be placed vertically above the substrate, thus, parasitic substrate effects are considerably reduced. Designed passive inductors have values from 1nH to 7nH. The Q-factor greater than ten is estimated from calculations, and it is experimentally verified by S-parameter measurements. SPECIALITE: MICROELECTRONIQUE MOTS-CLES: pH, ISFET, interface de capteur, conception analogique d'ASIC, mesures de bruit, technologie de CMOS, encapsulation, inductance suspendue de spirale de sur-puce, gravure, ANSYS, S-paramètres, de-embedding.
Thèse préparée au laboratoire TIMA, 46, avenue Félix Viallet, 38031 Grenoble, France. ISBN 2-913 329-81-0 (version papier) ISBN 2-913 329-82-9 (version électronique)
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