FET纳米孔感测器制造技术

本发明专利技术涉及FET纳米孔感测器。一种使用包含嵌入在纳米孔中的场效应晶体管(FET)的感测器的方法包括，将感测器放置在包括生物分子和脱氧核糖核酸(DNA)中的至少之一的电解液中；将电极放置在电解液中；将在亚阈值区域的栅极电压施加到电极上；将漏极电压施加到FET的漏极；将源极电压施加到FET的源极；检测感测器中的响应于生物分子和脱氧核糖核酸DNA中的至少之一穿过纳米孔的漏极电流的变化。

【技术实现步骤摘要】

本公开总体涉及基于场效应晶体管的、用于对脱氧核糖核酸(DNA)和蛋白质进行测序的感测器的领域。该感测器还可以用来对诸如蛋白质和和病毒之类的生物分子进行检测。
技术介绍
DNA链的碱基序列的测绘在生命科学中非常重要。因为当DNA链拉伸时，单个碱基大约0. 7纳米(nm)长，因此用于测序的感测器具有大约Inm或者更小的空间分辨率很重要。制造这样的感测器很有挑战性。在生命科学中另一个非常重要的领域是蛋白质和病毒的检测。对于蛋白质和病毒检测来说，很多基于FET的感测器的缺点是必须用具体地对将要检测的生物分子进行粘合的生物涂层来覆盖该感测器的感测表面。涂覆适当的涂层可能是劳动密集的并且很昂贵。另外，感测器仅可以用来检测与涂层粘合的特定生物分子，因此限制了感测器的用处。生物分子感测器可以包括场效应晶体管(FET)。然而，对于蛋白质和病毒检测来说，很多基于FET的感测器的缺点是必须用具体地对将要检测的生物分子进行粘合的生物涂层来覆盖感测器的感测表面。涂覆适当的涂层可能是劳动密集的并且很昂贵。另外，感测器仅可以用来检测与涂层粘合的特定生物分子，因此限制了感测器的用处。FET感测器可以包括通过离子注入接着高温退火(大约1000°C )而形成的重掺杂的源极区域和漏极区域。 虽然这个方法对于形成在较长沟道(大于lOnm)中的源极区域和漏极区域是标准的，但是离子注入和退火可能给高灵敏度的FET器件所要求的相对短FET沟道(小于5nm)的制造带来问题，因为离子注入和高温活化退火在源极区域/漏极区域产生可以延伸到FET的沟道区域中若干纳米的掺杂密度分布。结果，以这个方式形成的FET感测器的灵敏度可能退化，使得FET感测器不适合用于对DNA进行测序。
技术实现思路
在一个方面，一种使用包含嵌入在纳米孔中的场效应晶体管(FET)的感测器的方法包括，将感测器放置在包括生物分子和脱氧核糖核酸(DNA)中的至少之一的电解液中； 将电极放置在电解液中；将在亚阈值区域的栅极电压施加到电极上；将漏极电压施加到 FET的漏极；将源极电压施加到FET的源极；检测感测器中的响应于生物分子和脱氧核糖核酸DNA中的至少之一穿过纳米孔的漏极电流的变化。在一个方面，一种形成包括嵌入在纳米孔中的场效应晶体管(FET)的感测器的方法包括，在绝缘体上硅(SOI)晶片上外延地生长包括源极层、漏极层以及沟道层的FET堆叠；在FET堆叠上形成顶部氮化硅层；在SOI晶片之下形成底部氮化硅层；在底部氮化硅层和SOI晶片中形成窗口 ；在FET堆叠中形成纳米孔；以及用栅极电介质覆盖纳米孔以形成 FET感测器。在一个方面，一种形成包括嵌入在纳米孔中的场效应晶体管(FET)感测器的感测器的方法包括，形成硅薄膜；在硅薄膜上形成氧化物层；在硅薄膜的与氧化物层相对的一侧上形成第一金属层，以及在第一金属层之上形成第一覆盖层；移除氧化物层；在硅薄膜的与第一金属层相对的一侧上形成第二金属层，以及在第二金属层之上形成第二覆盖层； 对硅薄膜以及第一金属层和第二金属层进行退火以在硅薄膜的相对的两侧上形成第一金属硅化物层和第二金属硅化物层；移除第一覆盖层和第二覆盖层；形成通过硅薄膜以及第一金属硅化物层和第二金属硅化物层的纳米孔；以及用栅极电介质覆盖纳米孔以形成FET 感测器。通过本示例性实施方式的技术实现了另外的特征。在此详细描述了其他实施方式并且认为它们是请求保护的一部分。为了更好理解示例性实施方式，对以下描述和附图进行参考。附图说明现在参考附图，其中在若干附图中，相似的元件使用相似的编号。图1图示了形成FET纳米孔感测器的方法的实施方式。图2图示了在淀积了氮化硅之后在绝缘体上硅(SOI)晶片上生长的FET堆叠的实施方式。图3A到图3F图示了 FET堆叠的实施方式。图4图示了图2的器件在形成了在底部氮化硅层、硅层、以及掩埋的硅氧化物层中的窗口之后的实施方式。图5图示了图4的器件在形成了在FET堆叠和栅极电介质层中的纳米孔之后的实施方式。图6图示了图4的器件在移除了氮化硅之后的实施方式。图7图示了图6的器件在形成了在FET堆叠和栅极电介质层中的纳米孔之后的实施方式。图8图示了形成包括金属硅化物源极/漏极FET堆叠的FET纳米孔感测器的方法的实施方式。图9图示了具有氧化物层的硅薄膜的实施方式。图10图示了图9的器件在形成了金属层和覆盖层之后的实施方式。图11图示了图10的器件在移除了氧化物层和形成了第二金属层和第二覆盖层之后的实施方式。图12图示了图11的器件在进行退火以形成硅化物之后的实施方式。图13图示了图12的器件在移除了覆盖层、形成了纳米孔以及形成了栅极电介质层之后的实施方式。图14图示了操作FET纳米孔感测器的方法的实施方式。图15图示了浸入在电解液中的FET纳米孔感测器的实施方式。具体实施例方式提供了用于FET纳米孔感测器的系统和方法的实施方式，而以下详细讨论示例性实施方式。FET纳米孔感测器可以用来检测各种类型的生物分子，而不要求用生物涂层来覆盖感测表面以对生物分子进行粘合。FET纳米孔感测器可以用来对DNA链进行测序。FET 纳米孔感测器可以具有相对短的沟道长度(在一些实施方式中小于约3nm，并且在一些优选实施方式中小于约Inm)，使得FET纳米孔感测器的灵敏度适合用于对DNA进行测序。FET 纳米孔感测器可以以如下方式制造，这种方式形成在高度掺杂的源极区域和漏极区域之间的由相对薄的沟道区域隔开的突变结。FET纳米孔感测器可以包括FET堆叠，而纳米孔位于FET堆叠中。FET堆叠包括位于源极区域和漏极区域之间的沟道区域。沟道区域的掺杂类型(P型或者η型)可以与源极区域和漏极区域的掺杂类型(P型或者η型)相反。为了在源极/漏极区域和沟道区域之间形成突变结，通过使用在绝缘体上硅(SOI)衬底上的外延生长来形成FET堆叠，可以最小化在制造过程期间掺杂剂原子在源极/漏极区域和沟道区域之间的扩散。外延生长在相对低的温度下(低于600°C )进行，这降低了掺杂剂原子的扩散。可以形成包括但是不限于锗硅(SiGe)、碳掺杂的锗硅(SiGe:C)或者碳化硅(SiC)的材料的层来作为在FET纳米孔感测器的制造期间掺杂剂原子扩散的壁垒。替代地，FET堆叠可以包括在金属硅化物源极和漏极之间的硅沟道。图1图示了制作FET纳米孔感测器的方法100的实施方式。相对于图2到图7对图1进行论述。在块101中，在SOI晶片(包括相对薄的硅层202、掩埋的硅氧化物层203 以及顶部硅层204)上外延地生长FET堆叠205，如图2所示。以下相对于图3A到图3F进一步详细地论述形成FET堆叠205的各种方法。分别在FET堆叠205上形成顶部氮化硅层 206和在硅层202之下形成底部氮化硅层201。图3A到图3F图示了可以包括图2的FET堆叠205的FET堆叠300A到FET堆叠 300F的实施方式。在图3A中示出的FET堆叠300A包括nFET，该nFET包括包括重掺杂η 型硅的源极层301Α，在源极层301Α之下的、包括用硼进行掺杂的轻掺杂ρ型SiGe或者SiC 的沟道层302Α，在沟道层302Α之下的、包括重掺杂η型硅的漏极层303Α。漏极层303Α首先外延地生长在(图2的)硅层204上，然后沟道层302Α外延地生本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种使用包含嵌入在纳米孔中的场效应晶体管（ＦＥＴ）的感测器的方法，所述方法包括：将感测器放置在包括生物分子和脱氧核糖核酸（ＤＮＡ）中的至少之一的电解液中；将电极放置在电解液中；将在亚阈值区域的栅极电压施加到电极上；将漏极电压施加到ＦＥＴ的漏极；将源极电压施加到ＦＥＴ的源极；检测所述感测器中的响应于生物分子和ＤＮＡ中的所述至少之一穿过纳米孔的漏极电流的变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S·扎法，S·W·贝德尔，彭红波，C·P·德米克，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US