一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，其中的目标分子检测晶体管传感器包括：基底以及依次设置在基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，在氧化埋层上设置有基于顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具有反复交叉点的网状纳米线结构沟道；在氧化埋层上还设置有位于漏区和源区之间的至少一个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅；从漏区、源区和参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在参考栅或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。利用上述发明专利技术能够兼容CMOS半导体工艺，简化工艺流程，降低制造成本。降低制造成本。降低制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体传感器
，更为具体地，涉及一种目标分子检 测晶体管传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，随着人口老龄化问题以及传染疾病和慢性疾病等带来的生命健康 问题的不断加剧，以及生命科学技术和半导体传感技术的发展，为即时诊断 (point
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of
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care test，简称POCT)技术应用领域带来了崭新的市场机遇和重要 的社会实用价值。传统的POCT手段主要是通过观察纸基传感器的标记物变 色强度来判断目标蛋白分子的存在与否，存在灵敏度极低的问题。而现有高 灵敏的生物、医学检测方式，例如核酸检测，通常耗时长、费用昂贵，并且 需要高度专业的人员和实验室。因此，对当前应用于检测和识别特定生物分 子或化学分子的POCT技术还存在巨大挑战。
[0003]现有以晶体管传感为基础的各种生物、化学、气体等传感器是在感应表 面固定具有生化识别能力且可选择性地捕捉目标分子(target molecule)的受 体(receptor)。传感器通过受体以生物或化学作用捕捉目标分子，被捕捉的目 标分子因自身携带的电荷种类和大小将影响晶体管沟道内的电导特性，最终 通过观察晶体管的电流变化量对目标分子进行定性定量分析。
[0004]在未来物联网医疗背景下，基于离子敏感场效晶体管(Ion SensitiveField
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Effect Transistor，简称ISFET)技术的晶体管生化传感器，因自身的低 成本、可快速检测、高灵敏度、高可靠性、信号可数字化等特性，在POCT、 现场即时探测等应用领域均拥有巨大的潜在发展空间。
[0005]但是，现有的晶体管传感器由于其阈值电压、亚阈值摆幅、开关电流、 栅极漏电流等基本电特性不足等问题的影响，导致传感器的灵敏度和可靠性 仍存在许多方面的改进。

技术实现思路

[0006]鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种目标分子检测晶体管传感器及 其制备方法，以解决现有晶体管传感器由于基本电特性不足等导致的灵敏度 低、可靠性差等问题。
[0007]本专利技术提供的目标分子检测晶体管传感器，包括：基底以及依次设置在 基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，在氧化埋层上设置有基于顶部半 导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具有反复交叉点的 网状纳米线结构沟道；在氧化埋层上还设置有位于漏区和源区之间的至少一 个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅；从漏区、源区和参考栅上 分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在参考栅 或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。利用上 述专利技术能够兼容CMOS半导体工艺，简化工艺流程，降低制造成本。
[0008]此外，可选的技术方案是，网状纳米线结构沟道为规则分布的网孔结构， 网孔结
构包括纳米线以及由纳米线构成的网孔；其中，网孔的形状包括六角 形、四角形、三角形、圆形、多角形、长条形中的任意一种或至少两种的组 合形状。
[0009]此外，可选的技术方案是，网孔的孔径范围为100nm～100μm；纳米线的 宽度范围为5nm～1μm。
[0010]此外，可选的技术方案是，在网状纳米线结构沟道的外表面设置有栅氧 化层，扩展栅设置在栅氧化层的外围并覆盖栅氧化层；并且，扩展栅包括扩 展栅极和沟道栅极。
[0011]此外，可选的技术方案是，沟道栅极对网状纳米线结构沟道呈环绕栅结 构或鳍式栅结构。
[0012]此外，可选的技术方案是，顶部半导体层的材质包括：硅、锗、含硅化 合物半导体、含锗化合物半导体；并且，顶部半导体层的类型包括本征型、n 型或p型。
[0013]此外，可选的技术方案是，顶部半导体层的厚度为10nm～500nm。
[0014]此外，可选的技术方案是，参考栅和扩展栅的表面积的级别范围为平方 纳米级别至平方厘米级别。
[0015]此外，可选的技术方案是，扩展栅的材质包括多晶硅、非晶硅、锗、含 硅化合物半导体、含锗化合物半导体、银、金、铝、钛、氧化铟锡、氮化钛。
[0016]此外，可选的技术方案是，受体包括抗体、核酸适配体、肽、蛋白质、 脱氧核糖核酸、核糖核酸、氨基酸、纳米粒子、纳米薄膜中的任意一种或是 至少任意两种的混合体。
[0017]另一方面，本专利技术还提供一种目标分子检测晶体管传感器的制备方法， 用于制备上述目标分子检测晶体管传感器，方法包括：形成衬底，衬底包括 基底以及依次设置在基底上的氧化埋层和顶部半导体层；在顶部半导体层上 光刻定义参考栅、漏区、源区，以及位于漏区和源区之间的网状纳米线结构 沟道，并刻蚀掉除参考栅、漏区、源区以及网状纳米线结构沟道所在区域外 的顶部半导体层结构，形成有源工作区；通过热氧化或沉积工艺，在网状纳 米线结构沟道的表面形成栅氧化层；在栅氧化层之上沉积扩展栅层，并光刻 定义包括扩展栅极和沟道栅极的扩展栅，刻蚀或剥离去除扩展栅以外的结构 层；在漏区、源区、参考栅通过离子注入与退火工艺，提高漏区、源区、参 考栅的电导率；在漏区、源区以及参考栅的上方光刻定义金属层区域，并通 过沉积金属层工艺以及刻蚀或剥离金属层工艺引出对应的传输线，形成对应 的漏极、源极和参考栅极；通过沉积和光刻工艺以及刻蚀或剥离工艺，覆盖 传输线表面形成绝缘护层，在网状纳米线结构沟道、扩展栅、参考栅表面形 成探测口。
[0018]在扩展栅和参考栅的其中之一的表面形成生化表面修饰薄膜层，另一个 的表面设置电极薄膜层；在生化表面修饰薄膜层的表面固定可选择性捕捉目 标分子的受体。
[0019]利用上述目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，通过在氧化埋层上 设置基于顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具 有反复交叉点的网状纳米线结构沟道，然后在氧化埋层上设置位于漏区和源 区之间的至少一个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅，从离子注 入后的漏区、源区和参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极 和参考栅极；并且，在参考栅或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性 捕捉目标分子的受体，能够采用传统工艺制备网状纳米线结构沟道，简化制 备工艺，降低制造成本；此外，可通过网状纳米线结构沟道提高沟道电极与 沟道的接触表面积，进而提高对沟道可控性以及对微小电信号变化的灵敏度， 提高晶体管传感器的可靠
性、检测精度，并可实现对多种不同目标分子的同 时检测。
[0020]为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细 说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然 而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。 此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
[0021]通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本专利技术的更全面理解，本发 明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，包括：基底以及依次设置在所述基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，在所述氧化埋层上设置有基于所述顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在所述漏区和所述源区之间且具有反复交叉点的网状纳米线结构沟道；在所述氧化埋层上还设置有位于所述漏区和所述源区之间的至少一个参考栅以及覆盖所述网状纳米线结构沟道的扩展栅；从所述漏区、所述源区和所述参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在所述参考栅或所述扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。2.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述网状纳米线结构沟道为规则分布的网孔结构，所述网孔结构包括纳米线以及由所述纳米线构成的网孔；其中，所述网孔的形状包括六角形、四角形、三角形、圆形、多角形、长条形中的任意一种或至少两种的组合形状。3.如权利要求2所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述网孔的孔径范围为100nm～100μm；所述纳米线的宽度范围为5nm～1μm。4.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，在所述网状纳米线结构沟道的外表面设置有栅氧化层，所述扩展栅设置在所述栅氧化层的外围并覆盖所述栅氧化层；并且，所述扩展栅包括扩展栅极和沟道栅极。5.如权利要求4所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述沟道栅极对所述网状纳米线结构沟道呈环绕栅结构或鳍式栅结构。6.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述顶部半导体层的材质包括：硅、锗、含硅化合物半导体、含锗化合物半导体；并且，所述顶部半导体层的类型包括本征型、n型弧或p型。7.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述顶部半导体层的厚度为10nm～500nm。8.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，所述参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：金波，
申请(专利权)人：金波，
类型：发明
国别省市：