2-1 金氧半場效電晶體(MOSFET)元件製作
本實驗所選用的是 silicon on insulator(SOI)，晶向(100)之晶片。而 SOI 晶片為 60 nm 的矽在 200 nm 二氧化矽絕緣層之上。在 SOI wafer 上再進行微影、離子佈植、蝕刻和薄 膜製程定義出金氧半場效電晶體(MOSFET)元件。
2-1-1 金氧半場效電晶體元件製程
(1) 成長氧化層
利用 LPCVD 成長 10 nm 之矽氧化層，保護離子佈植(ion implantation)時表面不被破 壞。
(2) 離子佈植
利用電子束微影定義出離子佈植區，以劑量為 3×1011 cm-2，輕摻雜磷(P)離子，目標 是把矽的電阻從 2~3 MΩ，改變到 200~250±15% KΩ，成為 MOSFET 的通道。如圖 11 所示。
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圖 11 輕摻雜磷(P)離子，製作 MOSFET 之通道。
(3) Poly etch
將非離子佈局區的 poly-Si 區蝕刻掉，留下低摻雜離子佈植的定義區。
(4) Self-Align N+ implantation
成長一層保護矽，塗佈光阻，利用微影技術定義出保護層(passivation layer)，此保護 層可以讓接下來的源極(source)和汲極(drain)之 N+重摻雜(能量為 25 KeV，劑量為 3×1015 cm-2)自我對準。摻雜完成後去除光阻。如圖 12 所示。
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圖 12 自我對準汲極和源極。
(5) 定義保護層、多晶矽閘極、以及金屬接觸
沉積 7 nm 的 doped N+ poly-Si，定義寬度 2 μm 的寬度。沉積 TEOS 300 nm 當保護 層。用光阻定義金屬接觸，然後使用 TEL 5000 進行乾式蝕刻。最後沉積 400 nm 的 Al 金 屬接觸，如圖 13。
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圖 13 定義保護層以及金屬層。
圖 14 為元件的光罩設計圖檔，我們使用 autoCAD 進行光罩設計。一片 chip 上有上 下個四個 die，左右各 5 個 die，總計共 18 個 die。其中所有的 die 共用一個 common source 以及一個 substrate。每個 die 當中 gate length 為 2 μm，channel length 為 5 根 500nm 之 nanowire。
圖 14 MOSFET 之光罩設計圖。
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2-1-2 金氧半場效電晶體(MOSFET)元件特性
電性量測實驗是使用 Agilent-4156 經由 probe station 進行下針量測。圖 15 為元件的 ID-VG 電性曲線，VDS 為 0.1 V(VD = 0.1 V, VS = 0 V)，VG 為 sweep 從-1 V 掃至 1 V。
元件的 Vth 在約為-0.6 V 處，on/off current 在 8 個 order 左右，次臨界擺幅(Sub-threshold Swing)約為 61 mV/decade。
圖 15 元件的 ID-VG量測圖
由公式(2)可得知，當 VDS<<(VG-Vth)時，公式可以簡化為下式…：
= ( ) (9)
在公式(6)中，操作在飽和區時元件的 μn、Cox、W、L 受元件的影響，在此為常數、
而 VGS以及 Vth 都不變因操作條件而不變，此時 IDS就可和 VDS成正比，由圖 16 可知，
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隨 VDS提高，量測靈敏的 subthreshold region 範圍也呈等比例增加，此時公式符合量測的 趨勢。 (Gate-induced drain leakage)的發生；此外，如上段所描述，VDS 過大時 sub-threshold region 的增加也會減緩。反之，若 VDS太小，可利用於即時量測之 subthreshold region 太小，將 不利於量測；於是我們選用 VS= 0 V，VD= 100 mV(VDS= 100 mV)之中間值，以得到最佳
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2-2 源極汲極調控法(VDS control method)
在第一章有提到，一般 commercial FET 特性大多在 VG = 0 V 時都是 off 的狀態，在 延伸式閘極場效電晶體這個系統裡進行即時量測(real-time measurement)時，若參考電極給 的電壓(Vref)給予接地時，電流將是元件的漏電流，在這個條件下元件是無法用來進行量 測的。因此，若要調整汲極電流(ID)到我們可以量測的 subthreshold region 強制參考電極，
有兩種方法：1. 改變參考電極電壓(Vref)，調整汲極電流(ID)至工作點(setpoint)；2. 維持 參考電極電壓(Vref)接地，調整次臨界電壓(subthreshold region)，控制汲極電流(ID)在工作 點(setpoint)。如圖 17。
圖 17 紅線為原始 FET 之 ID-VG曲線，藍線為調整後 FET 次臨界電壓後的 ID-VG曲線。
圖 17 中，我們想要將電流(ID)調整至 setpoint(例如，10-9 A)。黃色箭號是方法一，直 接調整參考電極電壓(Vref control)，這個方法非常直觀且簡單，但是缺點是參考電極電壓 將遠離 0 V，可能造成溶液中離子狀態的不平衡，甚至可能因為參考電極和 ITO 電極間過 大的電壓差造成電化學反應。而淺藍色箭號是第二種方法，這個方式不改變參考電極電
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壓(Vref = 0 V)，藉由改變 VD以及 VS之大小進而位移元件的 ID-VG曲線使之在 Vref為 0 時 與工作點重合。這個方法就稱之為源極汲極控制法(VDS control method)。
這個方法也非常直觀，圖 18 中是我們在章節 2-1 所製作出的 FET 所量測出的 ID-VG
圖以及其相對位能圖，其中紅色為 VD = 0.1 V，VS = 0 時的 ID-VG曲線，此時 VG接地時 的電流(ID)已經接近 saturation region，此時其相對位能圖可以在圖 18A 中。如果我們想要 降低電流，那麼我們可以利用方法一直接降低閘極電壓(例如，降至-0.3 V)，使其相對位 能上升，電流下降至我們需要的工作點，如圖 18B。
我們也可以利用方法二(VDS control method)，維持 VG接地，同時升高源極以及汲極 電壓(VD = 0.4 V，VS = 0.3 V)，以降低其相對位能，得到相同的相對能位圖，此時我們也 能得到相同的工作點電流。
圖 18 FET 元件的 ID-VG圖，以及其特定電流對應之相對位能圖。
在圖 18 中元件 ID-VG圖可以看到，紅線與藍線的次臨界擺幅(SS)都是 61 mV/decade，
on/off ratio 也相同。經過計算後兩 ID-VG曲線的 threshold voltage 相差 300 mV，表示因為
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VD以及 VS都上升 300 mV。由相對位能圖也可以解釋：若 VD和 VS同時上升 300 mV，
則 VG也要升高 300 mV 以得到相同的相對位能(相同的汲極電流(ID))。
於是我們也同時改變不同的 VD以及 VS(VDS仍然為 100 mV)，獲得 ID-VG曲線如圖 19。
圖中是以 VD以及 VS同時每增加 100 mV，繪出之 ID-VG曲線，並且由圖中可得知隨著汲 極電壓(VD)和源極電壓(VS)越大，ID-VG曲線有向正向偏移之趨勢。
圖 19 隨著 VD及 VS改變所量測出的 ID-VG曲線。
圖 20 是由圖 19 的 ID-VG圖計算出 threshold voltage(Vth)，並以 Vth對 VS做圖。可以 從 Vth-VS圖之斜率看出，Vth和 VS成正比且 R2為 0.9999。換句話說 VS(以及 VD)若上升或 下降 100 mV，則整條 ID-VG曲線會同時向負或向正位移 100 mV。我們可以利用 VDS control method 精確地調整曲線到我們想要的位置。這個方法我們將會在下一章的進行量測的應 用。
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圖 20 由圖 19 得出之 Vth-VS圖
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2-3 反向器控制法(inverter control method)
反向器控制法(inverter control method)也是相當直觀的看法，我們將一個 unit-gain amplifier 加入在感測電極和 FET 元件的閘極之間，利用接法可將之視為一個反向器 (inverter)，如圖 21 所示。反向器的好處是可以防止來自外界對於 FET 元件閘極的靜電轟 擊(electrostatic attack)，此外我們讓汲極電壓(VD)維持在 0.1 V，源極電壓(VS)維持接地，
以保持 FET 元件本身的穩定(汲極與源極和基板若有太大的壓差，會增加汲極、源極對基 板的漏電)。此外我們利用控制反向器上 DC offset 來調整臨界電壓的位置，掛載反向器之 後的 ID-VG曲線如圖 22，由圖可知反向之後的(DC offset = 0 V)ID-VG曲線和原始 NMOS 之 ID-VG曲線在 VG = 0 V 時，成一個鏡像的相反，次臨界區域以及次臨界擺幅都沒有變 差。更改 DC offset 的電壓的 ID-VG曲線如圖 23 所示，圖中顯示我們可以精確的利用 DC offset 去控制 ID-VG的位置，這個量測裝置會在下一章節的實驗中使用。
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圖 21 增加反向器後的 EGFET 示意圖。
圖 22 掛載反向器後之 ID-VG曲線。
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圖 23 改變 DC offset 之 ID-VG圖。
2-4 溶液感測元件材料選擇
我們希望溶液感測元件在溶液的環境內，感測溶液內待測物質濃度的改變，反應在 感測電極的表面電位變化，並將表面電位的變化傳送到電性量測元件，也就是我們所製 作出的金氧半場效電晶體(MOSFET)的閘極上，藉由電晶體上閘極電位變化改變電流的大 小，我們再將之利用元件的次臨界擺幅(sub-threshold swing)換算表面電位的變化。
而在溶液感測元件的選擇必須是對於我們要檢測的目標能有對濃度變化有比例的趨 勢，來做為一個適當的感測元件。在文獻上使用的電極表面有許多種材料，像是 Au、SnO2、 ITO(Indium Tin Oxide)以及各式的感測薄膜[15-17]。
對於氧化物材料已有許多文獻的研究，亦有以其當作感測電極的研究。表一為 SiO2、 SnO2、aWO3以及 ITO 對在溶液中對 pH 值靈敏度(pH-Sensitivity)以及遲滯效應(Hysteresis) 的比較[12]。
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SiO2 SnO2 a-WO3 ITO
pH-sensitivity(mV•pH-1) 25~35a; 37~48b 55~58 50~58, pH<7c 54~58
Hysteresis(mV) unstable 2.5 12.5 9.8
a在 pH 值>7 之溶液環境下量測；b在 pH 值<7 之溶液環境下量測；c只測量在 pH<7 之溶液環境，因 WO3會溶解於鹼性環境下。
圖 24 是中原大學熊慎幹教授的團隊在 2001 年於 Material Chemistry Physics 發表的期 刊中， ITO 接觸面積對 pH-sensitivity 作圖[12]。由圖中可得知 ITO 與溶液接觸面積越大，
其對 pH 值的靈敏度越好。當溶液與 ITO 接觸面積達到 10 mm2以上，ITO 電極之 pH-sensitivity 會維持在 55 mV/pH 左右。
圖 24 ITO 接觸面積對 pH-sensitivity 作圖。[12]
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我們實驗所使用的 ITO 不進行曝光微影及蝕刻，直接以 PDMS (Polydimethylsiloxane) 製作流道時同時定義液體和 ITO 電極接觸之面積大小。此方法除了可以減少每次曝光微 影以及蝕刻時間不同造成的誤差，在以 PDMS 進行流道的製作時也因為不用進行對準 (align)而較易進行。
流道是使用一塊高 1 mm，長寬各約 12 mm 的 PDMS(1)，中間使用細胞鑽孔器挖出 直徑 8 mm 之孔洞作為微流道之空間。上方再蓋一層以約 5 mm、長寬各 12 mm 之 PDMS(2) 定義出整個流道，此圓形流道直徑 8 mm，高 1 mm，體積為 50 mm3，流道底面積即為 ITO 電極之接觸面積，面積約為 50 mm2。參照圖 24 之趨勢，ITO 接觸面積已達到穩定的範圍。
此外我們在 PDMS(2)上鑽兩個直徑 1.5 mm 之孔洞用於待測溶液的注入以及流出，另 外鑽一個直徑 3 mm 的孔用於固定參考電極(reference electrode)於流道中，如圖 25。
圖 25A：PDMS(1)，孔洞直徑 8 mm；B：PDMS(2)，兩個直徑 1.5 mm 孔洞，用於液體注 入及導出，一個 3 mm 的孔洞用來固定參考電極；C：兩者結合之圖示。
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2-6 德拜長度(λD)的計算以及選擇
溶液中所包含的分子(solution-base molecules)以及高分子(macromolecules)所帶的電 荷，通常會被溶液所屏蔽(screening)。帶負電的分子例如 Streptavidin 以及 DNA，會因為 靜電吸引力(electrostatic interaction)而被正電離子包圍，且因為靜電吸引力的特性，距離 buffered saline)，以一倍 PBS(1X PBS)為例，含有 150 mM NaCl，3 mM KCl 以及 10 mM 之磷酸鹽(Na2HPO4以及 NaH2PO4)，帶入公式所得出的德拜長度(λD)為 0.7 nm，表二是稀 釋倍數之 PBS 所對應之德拜長度。
[PBS] 1X 10X 100X 1000X
λD(nm) 0.7 2.3 7.3 23.2
表 二 不同稀釋程度之 PBS 所對應之 Debye length。
在量測 Streptavidin 實驗中，要在試片上預先修飾 APTES 以及 Biotin。其中 APTES 垂直於 silicon wafer 表面時，其長度約為 0.8 nm[19]。Biotin 的長度則是 1.35 nm。在我們 修飾完美的單層 APTES 以 Biotin 後，電極表面與溶液之間的距離約為 2.14 nm。在這樣
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的距離我們必須選用大於 2.14 nm 之 Debye length 對應之離子濃度溶液才可能於電極表面 上觀察 Streptavidin 所帶之電荷。因此我們選定以稀釋 100 倍 PBS (0.01X PBS)做為我們的 量測溶液。
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2-7 表面電位變化之換算
即時量測(real-time measurement)時 ITO 量測到表面電位變化傳至 FET 轉換為汲極電 流的變化，最後由 Agilent 4156c 量測到。但是我們在乎的是原始表面電位的變化，於是 我們利用次臨界擺幅的公式(2)對 logID積分，得到公式(12)：
= ； = (12)
將公式(12)的兩式相減，即可得我們所要的電位變化，如公式(13)：
(
⁄ ) = = (13)
以後我們實驗後所得之表面電位變化量皆是由公式(13)算出。
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