基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法，包括制作具有三角形截面的硅納米線溝道的硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的步驟、于所述硅納米線溝道表面進(jìn)行試劑修飾形成活性薄膜以及于所述活性薄膜表面形成捕獲探針的步驟。本發(fā)明工藝過程簡單，可控性強(qiáng)，與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝完全兼容；成本較低，適于批量生產(chǎn)；器件具有雙極特性，對雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，保證檢測的準(zhǔn)確性，特別適合生化分子檢測的應(yīng)用。另外，本發(fā)明的硅納米線傳感器中納米線為三角形截面，該結(jié)構(gòu)與其他納米線結(jié)構(gòu)（如圓柱，梯形截面）相比，比表面積更大，調(diào)制效率更高，且硅納米線暴露的兩（111）面更易形成致密的定向單分子生物敏感膜，對于生化傳感有利。
【專利說明】基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其制作方法，特別是涉及一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分子生物學(xué)診斷技術(shù)是現(xiàn)代分子生物學(xué)與分子遺傳學(xué)取得巨大進(jìn)步的結(jié)晶，是在人們對基因的結(jié)構(gòu)以及基因的表達(dá)和調(diào)控等生命本質(zhì)問題的認(rèn)識日益加深的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。對生物分子的高靈敏度檢測在疾病檢測、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、藥物分析、食品領(lǐng)域等有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]納米材料具有與塊體材料截然不同的性質(zhì)，其獨特的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，為生物分子的檢測提供了全新的途徑?；诩{米材料的傳感器具有高靈敏度、高特異性、快速響應(yīng)等優(yōu)點，但目前常用的納米粒子、量子點等傳感器需要與光學(xué)檢測設(shè)備結(jié)合進(jìn)行可讀信號的轉(zhuǎn)換，這使得花費成本較高。
[0004]基于納米線場效應(yīng)管的傳感器采用直接電讀出的方式，在生物分子傳感領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢。該傳感器是在納米線表面修飾生物識別分子，利用修飾分子與被分析物特異性結(jié)合在納米線表面產(chǎn)生的電場或電勢變化，實現(xiàn)針對特定基團(tuán)的生物檢測。納米線場效應(yīng)管的傳感器敏感性強(qiáng)，同時也易受外界噪聲、靜電等環(huán)境因素的干擾，容易出現(xiàn)假陽(陰)性信號，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性收到一定程度的影響。
[0005]隧穿場效應(yīng)晶體管(tunnelingfield effect transistor, TFET)是一種基于載流子的隧道效應(yīng)工作的器件，由于源漏的結(jié)構(gòu)對稱，當(dāng)所加?xùn)艍悍聪驎r，載流子也可以在漏區(qū)一側(cè)發(fā)生隧穿，產(chǎn)生泄露電流的大小幾乎與導(dǎo)通電流相當(dāng)，因此具有雙極特性。利用這一特性，采用同一器件將雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，可以避免假陽(陰)性信號，保證檢測的準(zhǔn)確性，為器件的穩(wěn)定應(yīng)用提供保障，特別適于生化分子檢測的應(yīng)用。此外，TFET器件在室溫下可以實現(xiàn)小于60mV/dec的亞閾值擺幅，突破常規(guī)MOS管的亞閾值擺幅限制，在一定程度上提高器件的檢測靈敏度。因此，TFET被認(rèn)為是最有潛力的生化分子檢測器件，納米線TFET在高靈敏度、高可靠性的生物傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制作成本高，定位困難、以及因硅納米線比表面低而導(dǎo)致敏感度較低等的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，包括步驟:
[0008]I)提供一 SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅、埋氧層及頂層硅；
[0009]2)減薄所述頂硅層并于所述頂硅層表面形成二氧化硅層；[0010]3)采用光刻工藝定義出硅納米線溝道以及連接于該硅納米線溝道兩端的源區(qū)、漏區(qū)圖形，采用濕法腐蝕工藝形成硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)；
[0011]4)于所述源區(qū)、漏區(qū)的周側(cè)及硅納米線溝道的一側(cè)形成保護(hù)層，采用濕法腐蝕工藝對所述硅納米線溝道的另一側(cè)進(jìn)行腐蝕，形成具有三角形截面的硅納米線溝道；
[0012]5)去除所述保護(hù)層，采用熱氧化工藝于所述硅納米線溝道表面形成氧化層；
[0013]6)分別通過離子注入工藝及退火工藝形成源區(qū)及漏區(qū)；
[0014]7)于所述源區(qū)、漏區(qū)表面制作源電極及漏電極，并制作柵電極；
[0015]8)于所述硅納米線溝道表面采用試劑進(jìn)行修飾，自組裝形成一層以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜；
[0016]9)利用所述硅納米線溝道表面活性基團(tuán)和捕獲探針的化學(xué)鍵結(jié)合，將捕獲探針修飾在硅納米線溝道表面。
[0017]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)包括步驟:
[0018]2-1)采用熱氧化工藝對所述頂層硅進(jìn)行氧化形成二氧化硅層，直至剩余厚度為20?80nm的頂層娃；
[0019]2-2)采用HF溶液腐蝕所述二氧化硅層直至獲得厚度為100?200nm的二氧化硅層。
[0020]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，采用TMAH腐蝕液對所述頂層硅進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，以形成所述硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)，其中，腐蝕溫度為50?80°C，腐蝕時間為5?IOmin。
[0021]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)的濕法腐蝕包括:
[0022]采用HF溶液去除所述硅納米線溝道表面的二氧化硅層，同時對裸露的埋氧層進(jìn)行腐蝕形成直至露出所述頂層硅的溝槽；
[0023]采用TMAH腐蝕液對所述硅納米溝道進(jìn)行腐蝕，直至形成具有三角形截面的硅納米線溝道。
[0024]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟7)中的柵電極制作于所述溝槽內(nèi)。
[0025]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，所述保護(hù)層的材料為氮化硅，所述硅納米線溝道的溝道寬度為30?IOOnm0
[0026]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)所述的氧化層的厚度為10?30nm。
[0027]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟6)包括步驟:
[0028]6-1)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第一導(dǎo)電類型離子注入形成源區(qū)，所述源區(qū)的離子摻雜濃度約為le20cnT3?le21cnT3 ；
[0029]6-2)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第二導(dǎo)電類型離子注入形成漏區(qū)。
[0030]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述第一導(dǎo)電類型為P型，第二導(dǎo)電類型為N型；或所述第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型。
[0031]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述介質(zhì)層為Si02、Si3N4、多晶硅或上述材料的多層堆疊。
[0032]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟8)所述的試劑包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2，3環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷及戊二醛中的一種或兩種以上的組合，所形成的活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。
[0033]本發(fā)明還提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，包括:
[0034]底層硅；
[0035]埋氧層，結(jié)合于所述底層硅表面；
[0036]硅納米線溝道，形成于所述埋氧層上，所述硅納米線溝道的截面形狀為三角形；
[0037]氧化層，形成于所述納米線溝道表面；
[0038]活性薄膜，形成于所述氧化層表面；
[0039]捕獲探針，形成于所述活性薄膜表面；
[0040]源區(qū)和漏區(qū)，形成于所述埋氧層上且位于所述硅納米線溝道的兩端；
[0041]源電極、漏電極，分別形成于所述源區(qū)、漏區(qū)表面。
[0042]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述埋氧層中形成有溝槽，所述溝槽中形成有柵電極。
[0043]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述硅納米線溝道的溝道寬度為30?lOOnm。
[0044]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述氧化層的厚度為10?30nm。
[0045]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述活性薄膜為以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜，所述活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。
[0046]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述活性薄膜與捕獲探針以化學(xué)鍵結(jié)合。
[0047]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述源區(qū)的離子摻雜類型為P型，所述漏區(qū)的離子摻雜濃度為N型；或所述源區(qū)的離子摻雜類型為N型，所述漏區(qū)的離子摻雜濃度為P型。
[0048]作為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的一種優(yōu)選方案，所述源區(qū)的離子摻雜濃度為le20cm_3?le21cm_3。
[0049]如上所述，本發(fā)明提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法，所述制作方法包括步驟:1)提供一 SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅、埋氧層及頂層硅；2)減薄所述頂硅層并于所述頂硅層表面形成二氧化硅層；3)采用光刻工藝定義出硅納米線溝道以及連接于該硅納米線溝道兩端的源區(qū)、漏區(qū)圖形，采用濕法腐蝕工藝形成硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)；4)于所述源區(qū)、漏區(qū)的周側(cè)及硅納米線溝道的一側(cè)形成保護(hù)層，采用濕法腐蝕工藝對所述硅納米線溝道的另一側(cè)進(jìn)行腐蝕，形成具有三角形截面的硅納米線溝道；5)去除所述保護(hù)層，采用熱氧化工藝于所述硅納米線溝道表面形成氧化層；6)分別通過離子注入工藝及退火工藝形成源區(qū)及漏區(qū)；7)于所述源區(qū)、漏區(qū)表面制作源電極及漏電極；8)于所述硅納米線溝道表面采用試劑進(jìn)行修飾，自組裝形成一層以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜；9)利用所述硅納米線溝道表面活性基團(tuán)和捕獲探針的化學(xué)鍵結(jié)合，將捕獲探針修飾在硅納米線溝道表面。本發(fā)明工藝過程簡單，可控性強(qiáng)，與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝完全兼容；成本較低，適于批量生產(chǎn)；器件具有雙極特性，對雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，保證檢測的準(zhǔn)確性，特別適合生化分子檢測的應(yīng)用。另外，本發(fā)明的硅納米線傳感器中納米線為三角形截面，該結(jié)構(gòu)與其他納米線結(jié)構(gòu)(如圓柱，梯形截面)相比，比表面積更大，調(diào)制效率更高，且硅納米線暴露的兩(111)面更易形成致密的定向單分子生物敏感膜，對于生化傳感有利。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0050]圖1顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]圖2顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0052]圖3a~圖4顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖3b為俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3a為圖3b中A-A’的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0053]圖5~圖6顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟4)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0054]圖7顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟5)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0055]圖8顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟6)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0056]圖9顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟7)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0057]圖10顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟8)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0058]圖1la~圖1lb顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法步驟9)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1lb為俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖1la為圖1lb中A-A’的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0059]圖12顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的柵源電壓及器件電流關(guān)系曲線圖。
[0060]元件標(biāo)號說明
[0061]101 底層硅
[0062]102 埋氧層
[0063]103頂層硅
[0064]104 二氧化硅層[0065]105源區(qū)
[0066]106漏區(qū)
[0067]107硅納米線溝道
[0068]108保護(hù)層
[0069]109氧化層
[0070]110源電極
[0071]111漏電極
[0072]112柵電極
[0073]113活性薄膜
[0074]114捕獲探針
【具體實施方式】
[0075]以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0076]請參閱圖1~圖12。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0077]如圖1~圖1lb所示，本實施例提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，包括步驟:
[0078]如圖1所示，首先進(jìn)行步驟I)，提供一 SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅101、埋氧層102及頂層娃103 .
[0079]在本實施例中，所述底層硅101為輕摻雜或低摻雜的P型硅襯底，其晶向為(100)取向。
[0080]如圖2所示，然后進(jìn)行步驟2)，減薄所述頂硅層并于所述頂硅層表面形成二氧化硅層104。
[0081 ] 具體地，該步驟包括步驟:
[0082]2-1)采用熱氧化工藝對所述頂層硅103進(jìn)行氧化形成二氧化硅層104，直至剩余厚度為20~80nm的頂層硅103，在本實施例中，剩余的頂層硅103的厚度為50nm。
[0083]2-2)采用HF溶液腐蝕所述二氧化硅層104直至獲得厚度為100~200nm的二氧化硅層104，在本實施例中，所述二氧化硅層104的厚度為150nm，并以其作為后續(xù)工藝的掩膜層。
[0084]如圖3a~圖4所示，其中，圖3b為俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖3a為圖3b中A_A’的截面結(jié)構(gòu)示意圖，接著進(jìn)行步驟3)，采用光刻工藝定義出硅納米線溝道107以及連接于該硅納米線溝道107兩端的源區(qū)105、漏區(qū)106圖形，采用濕法腐蝕工藝形成硅納米線溝道107、源區(qū)105及漏區(qū)106。
[0085]具體地，步驟3)中，采用TMAH腐蝕液對所述頂層硅103進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，以形成所述硅納米線溝道107、源區(qū)105及漏區(qū)106，其中，腐蝕溫度為50?80°C，腐蝕時間為5?lOmin。在本實施例中，腐蝕溫度為60°C，腐蝕時間為8min。本實施例形成的源區(qū)105、漏區(qū)106及硅納米線溝道107的截面形狀為梯形。
[0086]如圖5?圖6所示，然后進(jìn)行步驟4)，于所述源區(qū)105、漏區(qū)106的周側(cè)及硅納米線溝道107的一側(cè)形成保護(hù)層108，采用濕法腐蝕工藝對所述硅納米線溝道107的另一側(cè)進(jìn)行腐蝕，形成具有三角形截面的硅納米線溝道107。
[0087]在本實施例中，所述保護(hù)層108的材料為氮化硅。所述氮化硅形成于所述源區(qū)105、漏區(qū)106及其表面的二氧化硅層104的表面，以及所述硅納米線溝槽的一側(cè)，露出所述硅納米線溝槽的另一層及部分的埋氧層102。
[0088]具體地，步驟4)的濕法腐蝕包括:
[0089]采用HF溶液去除所述硅納米線溝道107表面的二氧化硅層104，同時對裸露的埋氧層102進(jìn)行腐蝕形成直至露出所述頂層硅103的溝槽；
[0090]采用TMAH腐蝕液對所述硅納米溝道進(jìn)行腐蝕，直至形成具有三角形截面的硅納米線溝道107。
[0091 ] 作為示例，所述具有三角形截面硅納米線溝道107的溝道寬度為30?lOOnm，在本實施例中，所述硅納米線溝道107的截面形狀為等邊三角形，溝道寬度為50nm。
[0092]如圖7所示，接著進(jìn)行步驟5)，去除所述保護(hù)層108，采用熱氧化工藝于所述硅納米線溝道107表面形成氧化層109。
[0093]作為示例，所述氧化層109的厚度為10?30nm。
[0094]如圖8所示，然后進(jìn)行步驟6)，分別通過離子注入工藝及退火工藝形成源區(qū)105及漏區(qū)106。
[0095]具體地，步驟6)包括步驟:
[0096]6-1)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第一導(dǎo)電類型離子注入形成源區(qū)105，所述源區(qū)105的離子摻雜濃度約為le20cnT3?le21cnT3 ；
[0097]6-2)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第二導(dǎo)電類型離子注入形成漏區(qū)106。
[0098]作為示例，所述第一導(dǎo)電類型為P型，第二導(dǎo)電類型為N型；或所述第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型。在本實施例中，所述第一導(dǎo)電類型為P型，采用的注入離子為硼，所述第二導(dǎo)電類型為N型，采用的注入離子為磷。
[0099]作為示例，所述介質(zhì)層為Si02、Si3N4、多晶硅或上述材料的多層堆疊。在本實施例中，所述介質(zhì)層為SiO2及Si3N4組成的疊層。
[0100]如圖9所述，然后進(jìn)行步驟7)，于所述源區(qū)105、漏區(qū)106表面制作源電極110及漏電極111，并制作柵電極112。
[0101]作為示例，所述柵電極112制作于步驟4)所形成的溝槽內(nèi)。所述源電極110、漏電極111及柵電極112的材料為Al、Cu等金屬材料。
[0102]如圖10所示，接著進(jìn)行步驟8)，于所述硅納米線溝道表面采用試劑進(jìn)行修飾，自組裝形成一層以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜113。
[0103]作為示例，所述的試劑包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、3_(2，3環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷及戊二醛中的一種或兩種以上的組合，所形成的活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。在本實施例中，所述試劑為3-氨丙基三乙氧基硅烷，所形成的活性基團(tuán)為氨基。
[0104]如圖1la?圖1lb所示，最后進(jìn)行步驟9)利用所述硅納米線溝道表面活性基團(tuán)和捕獲探針114的化學(xué)鍵結(jié)合，將捕獲探針114修飾在硅納米線溝道表面。
[0105]如圖1la?圖1lb所示，其中，圖9b為俯視結(jié)構(gòu)示意圖，圖1la為圖1lb中A_A’的截面結(jié)構(gòu)示意圖，本實施例還提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，包括:
[0106]底層硅101 ；
[0107]埋氧層102,結(jié)合于所述底層娃101表面；
[0108]硅納米線溝道107，形成于所述埋氧層102上，所述硅納米線溝道107的截面形狀為三角形；
[0109]氧化層109，形成于所述納米線溝道表面；
[0110]活性薄膜113，形成于所述氧化層表面；
[0111]捕獲探針114，形成于所述活性薄膜113表面；
[0112]源區(qū)105和漏區(qū)106，形成于所述埋氧層102上且位于所述硅納米線溝道107的兩端;
[0113]源電極110、漏電極111，分別形成于所述源區(qū)105、漏區(qū)106表面。
[0114]作為示例，所述底層硅101為輕摻雜或低摻雜的P型硅襯底，其晶向為(100)取向。
[0115]作為示例，所述埋氧層102中形成有溝槽，所述溝槽中形成有柵電極112。
[0116]作為示例，所述硅納米線溝道107的溝道寬度為30?lOOnm。
[0117]作為示例，所述氧化層109的厚度為10?30nm。
[0118]作為示例，所述活性薄膜113為以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜113，所述活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。
[0119]作為示例，所述活性薄膜113與捕獲探針114以化學(xué)鍵結(jié)合。
[0120]作為示例，所述源區(qū)105的離子摻雜類型為P型，所述漏區(qū)106的離子摻雜濃度為N型；或所述源區(qū)105的離子摻雜類型為N型，所述漏區(qū)106的離子摻雜濃度為P型。
[0121]作為示例，所述源區(qū)105的離子摻雜濃度為le20cm_3?le21cm_3。
[0122]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效果，本實施例對基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的檢測過程進(jìn)行了表征，檢測時，改變器件的柵極電壓，分別調(diào)節(jié)工作點至器件正向和負(fù)向?qū)ǖ膩嗛撝祬^(qū)域，加入目標(biāo)物，觀察器件特性的改變。
[0123]圖12顯示為本發(fā)明的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的柵源電壓及器件電流關(guān)系曲線圖，由圖可以看出，器件具有很強(qiáng)的雙極特性，對于特定的帶電分子，器件工作在圖12所示的兩個橢圓形區(qū)域中時，檢測結(jié)果為反向的，即一邊結(jié)果為電流增大，另一邊結(jié)果為電流減小，將兩個結(jié)果進(jìn)行比較對照，可實現(xiàn)可靠檢測，同時器件也具有多目標(biāo)物檢測的潛力。
[0124]如上所述，本發(fā)明提供一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器及制作方法，所述制作方法包括步驟:1)提供一 SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅101、埋氧層102及頂層硅103 ；2)減薄所述頂硅層并于所述頂硅層表面形成二氧化硅層104 ；3)采用光刻工藝定義出硅納米線溝道107以及連接于該硅納米線溝道107兩端的源區(qū)105、漏區(qū)106圖形，采用濕法腐蝕工藝形成硅納米線溝道107、源區(qū)105及漏區(qū)106 ；4)于所述源區(qū)105、漏區(qū)106的周側(cè)及硅納米線溝道107的一側(cè)形成保護(hù)層108，采用濕法腐蝕工藝對所述硅納米線溝道107的另一側(cè)進(jìn)行腐蝕，形成具有三角形截面的硅納米線溝道107 ；5)去除所述保護(hù)層108，采用熱氧化工藝于所述硅納米線溝道107表面形成氧化層109 ；6)分別通過離子注入工藝及退火工藝形成源區(qū)105及漏區(qū)106 ；7)于所述源區(qū)105、漏區(qū)106表面制作源電極110及漏電極111 ；8)于所述硅納米線溝道表面采用試劑進(jìn)行修飾，自組裝形成一層以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜113 ；9)利用所述硅納米線溝道表面活性基團(tuán)和捕獲探針114的化學(xué)鍵結(jié)合，將捕獲探針114修飾在硅納米線溝道表面。本發(fā)明工藝過程簡單，可控性強(qiáng)，與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝完全兼容；成本較低，適于批量生產(chǎn)；器件具有雙極特性，對雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，保證檢測的準(zhǔn)確性，特別適合生化分子檢測的應(yīng)用。另外，本發(fā)明的硅納米線傳感器中納米線為三角形截面，該結(jié)構(gòu)與其他納米線結(jié)構(gòu)(如圓柱，梯形截面)相比，比表面積更大，調(diào)制效率更高，且硅納米線暴露的兩(111)面更易形成致密的定向單分子生物敏感膜，對于生化傳感有利。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0125]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于，包括步驟: 1)提供一SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅、埋氧層及頂層硅； 2)減薄所述頂硅層并于所述頂硅層表面形成二氧化硅層； 3)采用光刻工藝定義出硅納米線溝道以及連接于該硅納米線溝道兩端的源區(qū)、漏區(qū)圖形，采用濕法腐蝕工藝形成硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)； 4)于所述源區(qū)、漏區(qū)的周側(cè)及硅納米線溝道的一側(cè)形成保護(hù)層，采用濕法腐蝕工藝對所述硅納米線溝道的另一側(cè)進(jìn)行腐蝕，形成具有三角形截面的硅納米線溝道； 5)去除所述保護(hù)層，采用熱氧化工藝于所述硅納米線溝道表面形成氧化層； 6)分別通過離子注入工藝及退火工藝形成源區(qū)及漏區(qū)； 7)于所述源區(qū)、漏區(qū)表面制作源電極及漏電極，并制作柵電極； 8)于所述硅納米線溝道表面采用試劑進(jìn)行修飾，自組裝形成一層以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜； 9)利用所述硅納米線溝道表面活性基團(tuán)和捕獲探針的化學(xué)鍵結(jié)合，將捕獲探針修飾 在硅納米線溝道表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟2)包括步驟: 2-1)采用熱氧化工藝對所述頂層硅進(jìn)行氧化形成二氧化硅層，直至剩余厚度為20~80nm的頂層娃； 2-2)采用HF溶液腐蝕所述二氧化硅層直至獲得厚度為100~200nm的二氧化硅層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟3)中，采用TMAH腐蝕液對所述頂層硅進(jìn)行各向異性濕法腐蝕，以形成所述硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)，其中，腐蝕溫度為50~80°C，腐蝕時間為5~lOmin。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟4)的濕法腐蝕包括: 采用HF溶液去除所述硅納米線溝道表面的二氧化硅層，同時對裸露的埋氧層進(jìn)行腐蝕形成直至露出所述頂層硅的溝槽； 采用TMAH腐蝕液對所述硅納米溝道進(jìn)行腐蝕，直至形成具有三角形截面的硅納米線溝道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟7)中的柵電極制作于所述溝槽內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟4)中，所述保護(hù)層的材料為氮化硅，所述硅納米線溝道的溝道寬度為30 ~IOOnm0
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟5)所述的氧化層的厚度為10~30nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟6)包括步驟: 6-1)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第一導(dǎo)電類型離子注入形成源區(qū)，所述源區(qū)的離子慘雜濃度約為le20cm 3~le21cm 3 ; 6-2)以光刻膠及介質(zhì)層為掩膜，進(jìn)行第二導(dǎo)電類型離子注入形成漏區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:所述第一導(dǎo)電類型為P型，第二導(dǎo)電類型為N型；或所述第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:所述介質(zhì)層為Si02、Si3N4、多晶硅或上述材料的多層堆疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器的制造方法，其特征在于:步驟8)所述的試劑包括3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-(2，3環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷及戊二醛中的一種或兩種以上的組合，所形成的活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。
12.一種基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于，包括:底層硅； 埋氧層，結(jié)合于所述底層硅表面； 硅納米線溝道，形成于所述埋氧層上，所述硅納米線溝道的截面形狀為三角形； 氧化層，形成于所述納米線溝道表面； 活性薄膜，形成于所述氧化層表面； 捕獲探針，形成于所述活性薄膜表面； 源區(qū)和漏區(qū)，形成于所述埋氧層上且位于所述硅納米線溝道的兩端； 源電極、漏電極，分別形成于所述源區(qū)、漏區(qū)表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述埋氧層中形成有溝槽，所述溝槽中形成有柵電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述娃納米線溝道的溝道寬度為30~lOOnm。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述氧化層的厚度為10~30nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述活性薄膜為以活性基團(tuán)結(jié)尾的活性薄膜，所述活性基團(tuán)包括氨基、羧基及醛基中的一種或兩種以上的組合。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述活性薄膜與捕獲探針以化學(xué)鍵結(jié)合。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述源區(qū)的離子摻雜類型為P型，所述漏區(qū)的離子摻雜濃度為N型；或所述源區(qū)的離子摻雜類型為N型，所述漏區(qū)的離子摻雜濃度為P型。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于硅納米線隧穿場效應(yīng)晶體管的生物傳感器，其特征在于:所述源區(qū)的離子摻雜濃度為le20cm_3~le21cm_3。
【文檔編號】G01N27/26GK103901085SQ201410165319
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】高安然, 李鐵, 戴鵬飛, 魯娜, 王躍林 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所