一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法。本发明专利技术的纳米线生物传感器件包括：半导体衬底、隔离层、有源层、层间介质、接触孔、金属互联、钝化层、修饰窗口、探针测试窗口和背面电极；本发明专利技术在纳米线沟道上形成修饰窗口，待测分子特异性地与纳米线沟道表面的‑OH基团成键，对于修饰窗口内其他无‑OH基团的疏水性表面则不会产生修饰；在纳米线沟道的表面，生物分子的修饰密度高，信号强度高，感知灵敏度高；并完全通过定义修饰窗口的位置来调控要修饰的区域；正面栅电极的引入，施加适当的偏置电压，使得纳米线沟道处于亚阈区，灵敏度最高，信号强度最大；完全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】

本专利技术涉及生物传感器，具体涉及一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法。
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，同时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生物感知器件之一。哈佛大学YiCui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，需要进一步优化。其他还有一些报道显示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，但是得到的信号强度不够。有研究称，纳米线在处于亚阈区(即载流子耗尽状态)时，纳米线实现传感的德拜长度最大，灵敏度最高，信号强度最大。传统的纳米线生物传感器对沟道的调制都采用背栅结构，由于背面的电场要通过较厚的介质隔离层(常为二氧化硅)才能耦合到正面的有源层，来影响调控纳米线中的载流子状态，这对纳米线的工作状态调制非常有限，无法满足对任意一种待修饰溶液纳米线均工作于亚阈区的要求。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法，本专利技术的方法能够通过正面栅电极对纳米线沟道及其灵敏的调制，对任意一种待修饰溶液均可将纳米线沟道调制在亚阈区，进而提高感知灵敏度和信号强度的要求。本专利技术的一个目的在于提供一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法。本专利技术的带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法，包括以下步骤：1)在半导体衬底上淀积隔离层；2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层至有源层的上表面，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去除光刻胶；5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；6)采用氧化法在纳米线沟道、源区和漏区上形成一层高质量的栅氧化层，淀积多晶硅层，覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入调整多晶硅功函数，并激活退火；在多晶硅层上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀多晶硅层，保留下的多晶硅和被多晶硅覆盖的栅氧化层形成栅电极，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，并且在隔离层上形成与栅电极连接的栅引出区，去胶；7)淀积层间介质并平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层以及栅电极层和栅引出区；在层间介质上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为源区、漏区和栅引出区的接触孔图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；8)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的部分源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端；9)淀积钝化层，覆盖层间介质和三条金属互联；在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出无栅电极覆盖的纳米线沟道，纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团，利于后续修饰溶液对纳米线沟道的充分浸润，同时产生自选择修饰；10)在钝化层上，光刻形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中分别形成探针测试窗口，探针测试窗口暴露出金属互联的测试端；11)合金，使得金属互联的接触端与源区、漏区和栅引出区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。其中，在步骤1)中，半导体衬底采用硅、绝缘体上硅和锗硅中的一种；隔离层作为修饰溶液与半导体衬底之间的隔离，材料采用无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。在步骤2)中，有源层材料为具有高载流子迁移率的半导体材料，如单晶硅、多晶硅、单晶锗、多晶锗、砷化镓等。在步骤3)中，掩膜层采用具有良好掩蔽特性的介质材料，如氧化硅或氮化硅。在步骤6)中，采用干氧氧化法制备栅氧化层，温度为900～1200℃，时间根据所需要的栅氧化层厚度自行选择。在步骤6)和9)中，层间介质和钝化层采用与步骤1)中隔离层同样的介质材料，要求为表面无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。在步骤8)中，金属采用具有良好导电特性的低电阻率金属或其复合金属，低电阻率金属为铝、银、铂、铜和钛中的一种。在步骤8)中，淀积金属采用蒸发、溅射、电镀和化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition)中的一种。在步骤11)中，合金的目的是为了让金属互联的接触端与有源层的源漏形成更好的欧姆接触，同时可以使得介质材料更加致密，采用合金炉的处理温度为300～500℃，处理时间为30min～60min，优化采用430℃处理30min。在步骤1)、2)、3)、6)、7)、8)和9)中，淀积的方法采用低压化学气相淀积(LowPressureChemicalVaporDeposition，LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)、原子层淀积(AtomicLayerDeposition，ALD)、电感耦合等离子体增强化学气相淀积(InductivelyCoupledPlasmaEnhanceChemicalVaporDeposition，ICPECVD)以及溅射中的一种。在步骤2)、5)和6)中，退火方式采用快速热退火(RapidThermalAnnealing)、尖峰退火(SpikeAnnealing)、闪耀退火(FlashAnnealing)和激光退火(LaserAnnealing)中的一种。在步骤3)中，光刻采用能曝光出纳米尺寸线宽的先进光刻技术，如电子束光刻或193nm浸没式光刻等。在步骤4)、6)、7)、8)、9)和10)中，光刻采用普通光学光刻和先进光刻技术均可，根据图形的尺寸进行选择。若图形尺寸大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)在半导体衬底上淀积隔离层；2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层至有源层的上表面，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去除光刻胶；5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；6)采用氧化法在纳米线沟道、源区和漏区上形成一层高质量的栅氧化层，淀积多晶硅层，覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入调整多晶硅功函数，并激活退火；在多晶硅层上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀多晶硅层，保留下的多晶硅和被多晶硅覆盖的栅氧化层形成栅电极，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，并且在隔离层上形成与栅电极连接的栅引出区，去胶；7)淀积层间介质并平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层以及栅电极层和栅引出区；在层间介质上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为源区、漏区和栅引出区的接触孔图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；8)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的部分源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端；9)淀积钝化层，覆盖层间介质和三条金属互联；在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出无栅电极覆盖的纳米线沟道，纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基‑OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的‑OH基团；10)在钝化层上，光刻形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中分别形成探针测试窗口，探针测试窗口暴露出金属互联的测试端；11)合金，使得金属互联的接触端与源区、漏区和栅引出区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。...

【技术特征摘要】
1.一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)在半导体衬底上淀积隔离层；2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层至有源层的上表面，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去除光刻胶；5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；6)采用氧化法在纳米线沟道、源区和漏区上形成一层高质量的栅氧化层，淀积多晶硅层，覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入调整多晶硅功函数，并激活退火；在多晶硅层上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀多晶硅层，保留下的多晶硅和被多晶硅覆盖的栅氧化层形成栅电极，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，并且在隔离层上形成与栅电极连接的栅引出区，去胶；7)淀积层间介质并平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层以及栅电极层和栅引出区；在层间介质上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为源区、漏区和栅引出区的接触孔图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；8)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的部分源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端；9)淀积钝化层，覆盖层间介质和三条金属互联；在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出无栅电极覆盖的纳米线沟道，纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团；10)在钝化层上，光刻形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中分别形成探针测试窗口，探针测试窗口暴露出金属互联的测试端；11)合金，使得金属互联的接触端与源区、漏区和栅引出区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述半导体衬底采用硅、绝缘体上硅和锗硅中的一种；所述隔离层的材料采用无羟基的疏水性材料。3....

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