CN103558254B

CN103558254B - 一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN103558254B
Application number: CN201310573864.8A
Authority: CN
Inventors: 赵清太; 俞文杰; 刘畅; 王曦
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-11-15
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103558254A

Abstract

本发明提供一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：步骤一、制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；步骤二、采用表面修饰剂对所述沟道表面进行表面活化修饰。本发明提供的生物传感器由于作为转换器的隧穿场效应晶体管中的源极、沟道和漏极采用了垂直结构，且沟道为悬空结构，使器件的亚阈斜率更加陡峭，因此，器件对沟道表面电荷的变化感应也更加的灵敏，从而提高生物传感器的工作性能。

Description

一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感技术领域，特别是涉及一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器是用在生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分子方法。在未来经济发展中，生物传感技术必将是介于信心和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分子（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

具体地，生物传感器（Biosensor）是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。

1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器：葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化，再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上，边制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可以制得检测其对应物的其他传感器。现已研制和开发第三代传感器，将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器。

目前，传统的平面隧穿场效应晶体管（TFET）的亚阈值斜率比较平稳，导致器件对沟道表面电荷的变化感应不灵敏，影响生物传感器的工作性能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，用于解决现有技术中隧穿场效应晶体管对沟道表面电荷的变化感应不灵敏的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，所述生物传感器的制备方法至少包括步骤：

步骤一、制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；

步骤二、采用表面修饰剂对所述沟道表面进行表面活化修饰。

优选地，所述步骤一中制备垂直结构隧穿场效应管的具体步骤包括：

1）提供一SGOI衬底，所述SGOI衬底包括埋氧层和形成于所述埋氧层上的P型重掺杂SiGe；

2）在所述P型重掺杂SiGe依次沉积形成硅层和N型重掺杂SiGe；

3）利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述N型重掺杂SiGe，在所述硅层一侧表面形成漏极；

4）刻蚀所述硅层形成具有纳米线或纳米棒结构的沟道；

5）利用化学腐蚀工艺去除所述沟道下的部分P型重掺杂SiGe，使所述沟道悬空，与所述漏极处于相对的另一侧的P型重掺杂SiGe定义为源极，所述漏极、沟道和源极构成垂直结构；

6）在所述沟道表面形成包裹所述沟道的栅介质层。

优选地，所述P型重掺杂SiGe中Ge原子的原子百分比含量为10%～50%。

优选地，所述N型重掺杂SiGe中Ge原子的原子百分比为10%～50%。

优选地，所述硅层为本征硅或轻掺杂的硅。

优选地，采用选择性化学腐蚀工艺去除所述沟道下的P型重掺杂SiGe。

优选地，所述纳米线或纳米棒结构的沟道的宽度范围为10～900nm。

优选地，所述步骤二中采用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为表面修饰剂对所述沟道表面进行活化修饰。

本发明还提供一种基于垂直结构隧穿场效应精益管理的生物传感器，所述生物传感器至少包括：

转换器，为垂直结构隧穿场效应晶体管；所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；

表面修饰剂，覆盖于所述沟道表面。

优选地，所述垂直结构的隧穿场效应晶体管至少包括：

SGOI衬底，包括埋氧层和位于埋氧层两侧上的P型重掺杂SiGe，其中一侧的P型重掺杂SiGe定义为源极；

具有纳米线或纳米棒结构的沟道，悬空于所述P型重掺杂SiGe上；

漏极，结合于与所述源极相对的另一侧的P型重掺杂SiGe上，所述源极、沟道和漏极构成垂直结构；

栅介质层，包裹于所述沟道表面；

优选地，所述表面修饰剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。

如上所述，本发明的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，包括以下步骤：步骤一、制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；步骤二、采用表面修饰剂对所述沟道表面进行表面活化修饰。本发明提供的生物传感器由于作为转换器的隧穿场效应晶体管中的源极、沟道和漏极采用了垂直结构，且沟道为悬空结构，使器件的亚阈斜率更加陡峭，因此，器件对沟道表面电荷的变化感应也更加的灵敏，从而提高生物传感器的工作性能。

附图说明

图1为本发明基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法的工艺流程示意图。

图2为本发明的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法中在提供的SGOI衬底上沉积硅层和N型掺掺杂层的结构示意图。

图3a为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成漏极的结构正视图。

图3b为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成漏极的结构俯视图。

图4a为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成纳米线沟道的结构正视图。

图4b为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成纳米线沟道的结构俯视图。

图5a为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成悬空的纳米线沟道的结构正视图。

图5b为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成悬空的纳米线沟道的结构俯视图。

图6a为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成栅介质层的结构正视图。

图6b为本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法中形成栅介质层的结构俯视图。

图6c为图6b沿AA’方向构剖面图。

元件标号说明

S1～S2 步骤

1 SGOI衬底

11 埋氧层

12 P型重掺杂SiGe

121 源极

2 硅层

21 沟道

3 N型重掺杂SiGe

4 漏极

5 栅介质层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，如图1所示为流程示意图，所述生物传感器的制备方法至少包括以下步骤：

S1，制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；

S2，采用表面修饰剂对所述沟道表面进行表面活化修饰。

下面结合具体的附图详细描述本发明的垂直结构的隧穿场效应晶体管的制备方法。

首先执行步骤S1，制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；

具体地，制备所述垂直结构的隧穿场效应晶体管的过程为：

1）提供一SGOI衬底1，所述SGOI衬底1包括埋氧层11和位于埋氧层11上的P型重掺杂SiGe12。

请参阅图2，所述埋氧层11包括但不限于为二氧化硅。

作为本发明实施例的一个优选方案，所述埋氧层11厚度为50nm～100nm，所述P型重掺杂SiGe12的厚度为60nm～150nm。本实施例中，所述埋氧层11的厚度暂选为100纳米，所述P型重掺杂SiGe12的厚度暂选为150nm，但并不限于此，在其它实施例亦可为其它厚度，例如，埋氧层11的厚度可取50nm、70nm、80nm、或90nm等，所述P型重掺杂SiGe12的厚度可取60nm、80nm、100nm、120nm或140nm等。

进一步地，所述P型重掺杂SiGe12中Ge原子的原子百分比含量范围在10%～50%之间。本实施例中，P型重掺杂SiGe12中Ge原子的原子百分比含量暂选为50%。但并不限于此，在其它实施例亦可为其它含量，例如，10%、20%、30%或40%等。

所述P型重掺杂SiGe12中P型重掺杂离子为硼，且掺杂浓度为1E16cm^-3～1E20cm^-3，但并不限于此，在其它实施例中，亦可选用其它P型掺杂离子。

2）在所述P型重掺杂SiGe12依次沉积形成硅层2和N型重掺杂SiGe3。

可利用外延生长的方法来生长所述硅层2和N型重掺杂SiGe3，例如，低压化学气相沉积（LPCVD）、超真空化学气相沉积（UHVCVD）、常压化学气相沉积（APCVD）、分子束外延（MBE）或等离子体增强化学气相沉积（PECVD）等。本实施例中，采用低压化学气相沉积工艺来制备所述硅层2和N型重掺杂SiGe3。形成的所述硅层2和N型重掺杂SiGe3如图2所示。

进一步地，所述N型重掺杂SiGe3中Ge原子的原子百分比含量范围在10%～50%之间。本实施例中，N型重掺杂SiGe3中Ge原子的原子百分比含量暂选为20%。但并不限于此，在其它实施例亦可为其它含量，例如，10%、30%、40%或50%等。

所述N型重掺杂SiGe3中N型重掺杂离子为磷或砷，且掺杂浓度为1E16cm^-3～1E20cm^-3，但并不限于此，在其它实施例中，亦可选用其它N型掺杂离子。

所述硅层2可以是本征硅或者轻掺杂的硅。本实施例中，所述硅层2为轻掺杂的硅，其掺杂浓度不大于1E15cm^-3。

3）利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述N型重掺杂SiGe3，在所述硅层2一侧表面形成漏极4。

具体地，可采用干法或者湿法刻蚀法刻蚀掉所述N型重掺杂SiGe3，在所述硅层2一侧表面形成漏极4。更具体地，在所述N型重掺杂SiGe3表面旋涂光刻胶层（未予以图示），图形化光刻胶层形成开口，再对开口下方的N型重掺杂SiGe3进行湿法刻蚀，刻蚀后在所述硅层2一侧表面留下剩余的N型重掺杂SiGe3，该剩余的N型重掺杂SiGe3定义为漏极4，如图3a～3b。

4）刻蚀所述硅层2形成具有纳米线或纳米棒结构的沟道21。

具体地，先对在所述硅层2表面旋涂光刻胶，在利用电子束曝光工艺图案化所述光刻胶，再采用湿法刻蚀方法腐蚀所述硅层2，从而形成纳米线或纳米棒结构的沟道21，如图4a～4b所示。湿法刻蚀可采用稀释的氢氟酸。所述纳米线或纳米棒结构的沟道21宽度可在10～900nm范围内。本实施例中，形成纳米线形状的沟道21，其宽度为100nm。

5）利用化学腐蚀工艺去除所述沟道21下的部分P型重掺杂SiGe12，使所述沟道21悬空，与所述漏极4处于相对的另一侧的P型重掺杂SiGe12定义为源极121，所述漏极4、沟道21和源极121构成垂直结构。

具体地，采用选择性化学腐蚀方式进行P型重掺杂SiGe12的部分去除。可以采用腐蚀液为HF/H₂O₂/醋酸的混合液体，混合比例为1:2:3；或者采用HNO₃/HF的混合液，混合比例为100:1。本实施例中，采用100:1的HNO₃/HF的混合液进行选择性腐蚀。该腐蚀液对SiGe的腐蚀速率远远大于对Si的腐蚀速率，从而形成悬空的纳米线沟道21，悬空的纳米线长度大于100nm，但不能过长，以免后续工艺中发生纳米线的断裂，一般不超过5μm，如图5a～5b所示。所述悬空的纳米线沟道21具有更大的比表面积，使本发明提供的生物传感器对生物化学分子的检测具有更高的灵敏度。

传统的隧穿场效应晶体管的漏极、沟道和源极处于同一水平面内，基于平面型隧穿场效应晶体管的生物传感器亚阈值斜率较为平稳，对沟道表面电荷的变化感应较为迟钝，不利于生物传感器对生物分子的检测。本发明提供的隧穿场效应晶体管中漏极4、沟道21和源极121为垂直结构，且沟道处于悬空，其亚阈值斜率相比平面隧穿场效应晶体管更加陡峭，这有助于器件对沟道表面电荷的变化快速做出反应。

6）所述沟道21表面形成包裹所述沟道的栅介质层5请参阅附图6a～6c。

请参阅图6a～图6c，需要说明的是，图6c中沟道21外侧面的的栅介质层未画出。可采用电子束蒸发、分子束沉积或者原子层沉积等方法来形成所述栅介质层5。所述栅介质层5可以是HfO₂或者SiO₂等，其厚度为2～20nm。本实施例中，栅介质层5为HfO₂，采用原子层沉积方式形成，厚度为5nm。

还需要说明的是，形成源极121、漏极4，淀积二氧化硅材料形成绝缘层（未予以图示），然后掩膜曝光刻蚀绝缘层，分别在所述源极121、漏极4上形成源极通孔、漏极通孔（未予以图示），之后还需要用金属铝材料填充通孔形成互连布线。

然后执行步骤S2，采用表面修饰剂对所述沟道表面进行表面活化修饰。

可以采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为沟道21的表面修饰剂。当然，也可以用其他适合的表面修饰剂对沟道21表面进行表面活化修饰，比如，3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）。本实施例中，采用APTES作为沟道21的表面修饰剂，该表面修饰剂在图中未示出。

3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为一种表面修饰剂，通过化学键合的方式覆盖在纳米线或纳米棒沟道21的表面，形成APTES膜层用以连接功能性生物分子，用以达到对生物分子的探测。

需要说明的是，虽然在沟道21表面包裹有一层栅介质层5，但是由于栅介质层5较薄，并不会影响表面修饰剂对所述沟道21的活化修饰效果，表面修饰剂依然可以穿透栅介质层5覆盖于所述沟道21的表面。

实施例二

本发明还提供一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器，用实施例一种提供的所述制备方法制成，所述基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器至少包括：

表面修饰剂，覆盖于所述沟道表面。

优选地，所述垂直结构的隧穿场效应晶体管至少包括：

SGOI衬底1，包括埋氧层11和位于埋氧层11两侧上的P型重掺杂SiGe12，其中一侧的P型重掺杂SiGe12定义为源极121；

具有纳米线或纳米棒结构的沟道21，悬空于所述P型重掺杂SiGe12上；

漏极4，结合于与所述源极121相对的另一侧的P型重掺杂SiGe12上，所述源极121、沟道21和漏极4构成垂直结构；

栅介质层5，包裹于所述沟道21表面。

其中，所述纳米线或纳米棒结构的沟道宽度可在10～900nm范围内。本实施例中，形成的纳米线状的沟道，其宽度为100nm。

进一步地，所述表面修饰剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷，当然，也可以为其他适合的材料。

综上所述，本发明提供一种本发明提供一种基于垂直结构的隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：步骤一、制备垂直结构的隧穿场效应晶体管作为转换器，所述隧穿场效应晶体管中的沟道悬空，所述沟道与源极、漏极形成垂直结构；步骤二、采用表面修饰剂对所述沟道表面进行活化修饰。本发明提供的生物传感器由于作为转换器的隧穿场效应晶体管中的源极、沟道和漏极采用了垂直结构，且沟道为悬空结构，使器件的亚阈斜率更加陡峭，因此，器件对沟道表面电荷的变化感应也更加的灵敏，从而提高生物传感器的工作性能。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述生物传感器的制备方法至少包括步骤：

其中，制备所述垂直结构的隧穿场效应晶体管的步骤包括：

1)提供一SGOI衬底，所述SGOI衬底包括埋氧层和形成于所述埋氧层上的P型重掺杂SiGe；

2)在所述P型重掺杂SiGe依次沉积形成硅层和N型重掺杂SiGe；

3)利用光刻和刻蚀技术刻蚀所述N型重掺杂SiGe，在所述硅层一侧表面形成漏极；

4)刻蚀所述硅层形成具有纳米线或纳米棒结构的沟道；

5)利用化学腐蚀工艺去除所述沟道下的部分P型重掺杂SiGe，使所述沟道悬空，与所述漏极处于相对的另一侧的P型重掺杂SiGe定义为源极，所述漏极、沟道和源极构成垂直结构；

6)在所述沟道表面形成包裹所述沟道的栅介质层；

2.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述P型重掺杂SiGe中Ge原子的原子百分比含量为10％～50％。

3.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述N型重掺杂SiGe中Ge原子的原子百分比为10％～50％。

4.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述硅层为本征硅或轻掺杂的硅。

5.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：采用选择性化学腐蚀工艺去除所述沟道下的P型重掺杂SiGe。

6.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述纳米线或纳米棒结构的沟道的宽度范围为10～900nm。

7.根据权利要求1所述的基于垂直结构隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤二中采用3-氨丙基三乙氧基硅烷作为表面修饰剂对所述沟道表面进行活化修饰。