一种垂直沟道的纳米线生物传感器的集成方法技术

本发明专利技术提供一种垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，属于半导体制造技术领域。该方法结合刻蚀通孔、外延沟道、各向同性去除假栅层以实现垂直沟道的纳米线生物传感器的集成。本发明专利技术与传统的水平沟道结构相比，生物分子在溶液中进行布朗运动时对纳米线沟道表面的各个方向均产生随机碰撞，最终在纳米线表面产生更高的修饰密度。且本发明专利技术避免了现有方法中沟道形成过程中的刻蚀损伤，提高了器件的性能；以及可以将沟长缩短至10nm以下，满足了对单个蛋白质或核酸分子的修饰要求。本发明专利技术与传统集成电路制造技术相兼容，工艺简单、成本代价小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造
，涉及一种结合刻蚀通孔、外延沟道、各向同性去除假栅层以实现垂直沟道的纳米线生物传感器的集成方法。
技术介绍
集成电路自专利技术以来，通过不断缩小其特征尺寸，可以集成其他微机械系统元件，能够有效地提高芯片性能。而近年来，微纳技术与生物技术的结合引起了学术界与工业界的广泛关注。这种微型生物传感器是一种以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为敏感基元，将生物信息转换成电信号，以实现对环境中的生物信号进行监测的元件。纳米线拥有很高的表面积体积比，满足生物传感对于灵敏度的要求，因此被视为最有发展潜力的生物感知器件之一。由于进行生物传感时，待测溶液会被滴定在修饰窗口中，通过将溶液中的生物分子修饰在沟道表面进而调控沟道电势，溶液此时相当于行使晶体管中栅极的功能，常被称为液栅，对应的沟道修饰长度被成为液栅长，溶液浸润的沟道区域被称为液栅区域。哈佛大学Yi Cui等人的研究小组通过自底向上的方法制备出了纳米线，并利用硅纳米线器件极高的灵敏度成功检测了PH值的变化。但是，这种通过催化剂化学生长形成的纳米线没有统一的方向，无法实现器件的精准定位，同时也与传统的集成电路制造技术不兼容。同时其它研究小组报道，可以用纳米线的这种电导敏感特性对蛋白质和核酸进行检测，但是由于都是水平沟道方向的纳米线器件，沟道横向导致滴定溶液中的待修饰物大部分只集中在沟道上表面和沟道侧壁，沟道下表面的生物分子欠缺，因此得到的传感电信号强度不足。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供一种结合刻蚀通孔、外延沟道、各向同性去除假栅层的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，以改善现有的公知技术。包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的“下有源区”；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作“SDE掩膜层1”，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作“假栅层”，其厚度定义了器件的沟道修饰长度(液栅长)；C3.淀积一层介质作“SDE掩膜层2”，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；其中，SDE掩膜层1与SDE掩膜层2的材料相同，与假栅层材料相异。并且要求假栅层材料对SDE掩膜层1的各向同性刻蚀选择比大于5:1，以保证在F4中通过各向同性刻蚀去除假栅层时不损伤SDE掩膜层1与SDE掩膜层2；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出SDE掩膜层2上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂“上有源区”；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成上有源区，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除假栅材料，形成纳米线沟道修饰区域(即液栅区域)；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作顶部掩膜层；F2.通过光刻定义液栅区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出SDE掩膜层1的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个假栅层；其中，F1中所述顶部掩膜层材料与假栅层不同，并且要求假栅层材料对该顶部掩膜层的各向同性刻蚀选择比大于5:1，以保证在F4中通过各向同性刻蚀去除假栅层时不损伤该顶部掩膜层；G.形成器件源漏两端的金属接触；具体实现步骤如下：G1.去除顶部掩膜层；G2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；G3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源漏两端的接触孔，去胶；G4.在各接触孔中填充金属Metal 0；G5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal0，实现器件之间的导电层分离；H.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：H1.淀积金属Metal 1；H2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源漏两端的引出和探针测试pad，去胶；I.形成溶液滴定的修饰窗口；I1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；I2.通过光刻定义修饰窗口，用于溶液滴定时，待修饰的生物分子通过此窗口扩散经液栅层，再扩散至纳米线的表面成键修饰；I3.通过各向异性刻蚀，连通修饰窗口和液栅层，形成从基片表面至纳米线沟道修饰表面的通路，去胶；J.形成探针测试窗口；具体实现步骤如下：J1.光刻定义探针测试窗口；J2.通过各向异性刻蚀，露出互联金属Metal 1所定义的探针测试pad，去胶；K.合金，使金属与源漏的接触处呈现更好的欧姆特性，同时使介质材料更加致密。在进行生物分子的传感探测时，将带有生物分子和交联剂的溶液滴定在修饰窗口中，源端探针和漏端探针分别扎在探针测试窗口中对应的两个pad上，当溶液中的待测生物分子在交联剂的作用下，会修饰在纳米线沟道的表面，形成共价键，引起纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，电流变化波形会从源漏通过金属互联传至探针，生物信息量从而变化为电信息量，以此实现生物分子的传感。进一步地，本专利技术中所述结构参数(如“上有源区”和“下有源区”的厚度及掺杂浓度，“SDE掩膜层1”、“SDE掩膜层2”、“假栅层”的厚度等)皆根据具体器件性能要求设定。进一步地，步骤A中所述半导体衬底，包括体硅衬底，SOI衬底，体锗衬底，GOI衬底等。进一步地，步骤A中所述隔离，对于体衬底(体硅、体锗等)，可使用阱隔离加浅槽隔离(Shallow Trench Isolation，STI)；对于SOI、GOI等衬底，可仅使用浅槽隔离。进一步地，步骤B中所述下有源区可通过注入形成，也可通过图形化的原位掺杂外延形成。进一步地，步骤B、E中所述“上有源区”与“下有源区”，二者中何者作器件源端、何者作器件漏端，并无一定之规，可根据器件性能和后续互联的方便进行设定。进一步地，步骤D中所述通过外延形成的器件沟道，其材料可与下有源区材料相同(如在重掺杂的Si下有源区上外延形成Si沟道)，也可与下有源区材料不同(如在N+重掺杂的GeSi下有源区上外延形成Si沟道，在P+重掺杂的GeSi下有源区上外延形成Ge沟道)；可以是非掺杂的，也可通过原位掺杂外延或离子注入的方式形成掺杂的沟道。进一步地，步骤G中所述作为导电层的填充金属Metal 0，要求具备低的电阻率，良好的通孔填充能力，可选择钨、铜等。进一步地，步骤H和J中所述作为导电层的填充金属Metal 1，要求具备低的电阻率，如铝、银、铂、铜和钛中的一种及其复合金属。进一步地，在步骤D、E、F、G、H、I和J中，各向异性刻蚀采用如反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)或电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)等。进一步地，在步骤E中，退火方式采用快速热退火(Rapid Thermal Annealing)、尖峰退火(Spike Annealing)、闪耀退火(Flash Annealing)和激光退火(Laser Annealing)中的一种。进一步地，在步骤G和H中，淀积金属采用蒸发、溅射、电镀和化学气相淀积(Chemical Vapor D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直沟道的纳米线生物传感器的集成方法，包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的下有源区；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作第一SDE掩膜层，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作假栅层，其厚度定义了器件的沟道修饰长度；C3.淀积一层介质作第二SDE掩膜层，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出第二SDE掩膜层上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂的上有源区；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成上有源区，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除假栅材料，形成纳米线沟道修饰区域；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作顶部掩膜层；F2.通过光刻定义液栅区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出第一SDE掩膜层的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个假栅层；G.形成器件源漏两端的金属接触；具体实现步骤如下：G1.去除顶部掩膜层；G2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；G3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源漏两端的接触孔，去胶；G4.在各接触孔中填充金属Metal 0；G5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal 0，实现器件之间的导电层分离；H.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：H1.淀积金属Metal 1；H2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源漏两端的引出和探针测试pad，去胶；I.形成溶液滴定的修饰窗口；I1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；I2.通过光刻定义修饰窗口，用于溶液滴定时，待修饰的生物分子通过此窗口扩散经液栅层，再扩散至纳米线的表面成键修饰；I3.通过各向异性刻蚀，连通修饰窗口和液栅层，形成从基片表面至纳米线沟道修饰表面的通路，去胶；J.形成探针测试窗口；具体实现步骤如下：J1.光刻定义探针测试窗口；J2.通过各向异性刻蚀，露出互联金属Metal 1所定义的探针测试pad，去胶；K.合金，使金属与源漏的接触处呈现更好的欧姆特性，同时使介质材料更加致密。...

【技术特征摘要】
1.一种垂直沟道的纳米线生物传感器的集成方法，包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的下有源区；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作第一SDE掩膜层，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作假栅层，其厚度定义了器件的沟道修饰长度；C3.淀积一层介质作第二SDE掩膜层，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出第二SDE掩膜层上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂的上有源区；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成上有源区，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除假栅材料，形成纳米线沟道修饰区域；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作顶部掩膜层；F2.通过光刻定义液栅区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出第一SDE掩膜层的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个假栅层；G.形成器件源漏两端的金属接触；具体实现步骤如下：G1.去除顶部掩膜层；G2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；G3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源漏两端的接触孔，去胶；G4.在各接触孔中填充金属Metal 0；G5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal 0，实现器件之间的导电层分离；H.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：H1.淀积金属Metal 1；H2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源漏两端的引出和探针测试pad，去胶；I.形成溶液滴定的修饰窗口；I1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；I2.通过光刻定义修饰窗口，用于溶液滴定时，待修饰的生物分子通过此窗口扩散经液栅层，再扩散至纳米线的表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，陈珙，杨远程，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11