CN103626120B - 一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，包括以下步骤，提供一设有硅纳米线的硅片；在所述硅片上依次生长具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜、SiO₂薄膜以及具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜；所述第二厚度大于第一厚度；进行光刻工艺，将所述第二Si₃N₄薄膜图形化，形成窗口，沿所述窗口刻蚀暴露的所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域至暴露出该第二Si₃N₄薄膜区域下方的SiO₂薄膜；继续刻蚀；去除所述其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖的光刻胶；接着置于浓磷酸中，腐蚀掉硅纳米线上方的第一Si₃N₄薄膜，暴露出所述硅纳米线。该方法确保了传感器可以在液体环境中进行检测；硅纳米线不会受到损伤，而在后续敏感膜修饰时，生物基团也可以有选择性地吸附在敏感区域。

Description

一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制备硅纳米线生物传感器非敏感区域保护薄膜的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

纳米材料由于其尺寸小、具有大量的表面/界面，对环境变化极为敏感，在传感器方面有广泛的应用前景。硅纳米线由于具有稳定、可重复的电学特性，其电导率易被调制，且表面容易进行生物修饰，因此硅纳米线传感器成为新一代生物传感器的重要代表。

利用硅的各向异性腐蚀原理，结合MEMS制造工艺，采用自上而下的加工方法，低成本、大批量、精确定位地实现了高纯度、高均一性、高精度的硅纳米线制造。在此基础上，以制造的硅纳米线为导电沟道，设计并制造了硅纳米线场效应管（SiNW-FET）。该场效应管具有良好的电学性能，在此基础上制造而成的硅纳米线生物传感器具有超高的检测灵敏度。然而，该传感器在液体环境中进行修饰和检测时，容易出现FET器件漏电、短路等故障，因此，需要设计并制备一种基于这一结构的绝缘层保护薄膜，对器件非敏感区域的电极、引线进行覆盖保护，确保器件在液体环境中能够正常工作。

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传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，用于解决现有的传感器在液体环境中进行修饰和检测时，出现FET器件漏电、短路等故障的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤，

1）提供一设有硅纳米线的硅片；

2）在所述硅片上生长具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜；

3）在所述第一Si₃N₄薄膜上生长SiO₂薄膜；

4）在所述SiO₂薄膜上生长具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜；所述第二厚度大于第一厚度；

5）进行光刻工艺，将所述第二Si₃N₄薄膜图形化，形成窗口，使得所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域暴露出来；其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖光刻胶；

6）沿所述窗口刻蚀暴露的所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域至暴露出该第二Si₃N₄薄膜区域下方的SiO₂薄膜；

7）继续刻蚀所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜；

8）去除所述其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖的光刻胶；

9）将步骤8）获得的结构置于浓磷酸中，腐蚀掉硅纳米线上方的第一Si₃N₄薄膜，暴露出所述硅纳米线。

优选地，所述步骤6）中的刻蚀为干法刻蚀，所述步骤7）中的刻蚀为湿法刻蚀。

优选地，所述第一厚度为90-110nm。

优选地，所述第二厚度为630-770nm。

优选地，所述步骤3）中生长的SiO₂薄膜厚度为180-220nm。

优选地，所述步骤7）中继续刻蚀所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜的具体步骤为：将硅片置于35℃ BOE溶液中腐蚀60秒，去除所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜。

本发明提出一种利用MEMS工艺制备硅纳米线生物传感器非敏感区域保护薄膜的方法。本方法设计精巧，工艺简单，为硅纳米线生物传感器的应用奠定了基础。

附图说明

图1至图8显示为本发明工艺流程示意图。

其中，图1显示是设有硅纳米线FET的硅片结构示意图。

图2显示为在硅片上生长具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜的结构示意图。

图3显示为在所述第一Si₃N₄薄膜上生长SiO₂薄膜的结构示意图。

图4显示为在所述SiO₂薄膜上生长具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜的结构示意图。

图5显示为在所述第二Si₃N₄薄膜上旋涂光刻胶并图形化，形成窗口的结构示意图。

图6显示为沿所述窗口刻蚀第二Si₃N₄薄膜直至SiO₂薄膜内的结构示意图。

图7显示为继续刻蚀直至刻蚀完SiO₂薄膜的结构示意图。

图8显示为继续刻蚀直至暴露出所述硅纳米线的结构示意图。

图9显示为本发明器件在制备保护薄膜后的显微镜图片。

元件标号说明

衬底          10

埋层氧化层    11

硅纳米线      12

第一Si₃N₄薄膜    13

SiO₂薄膜         14

第二Si₃N₄薄膜    15

第一窗口         16

第二窗口         17

图形化光刻胶     18

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。

请参阅附图所示。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。

具体的，请参阅附图1至8所示，提供一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，该制备方法主要是在布满硅纳米线FET（场效应晶体管，Field Effect Transistor）的4寸硅片上制备硅纳米线生物传感器非敏感区域保护薄膜。按照本领域的常规定义，将设有硅纳米线的区域定义为敏感区域，无硅纳米线的区域定义为非敏感区域。

本发明一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法包括以下步骤：

请参阅图1所示的设有硅纳米线FET的硅片结构示意图。提供一设有硅纳米线12的硅片；该硅片为布满硅纳米线FET的4寸硅片。其包括衬底10以及位于该衬底10上的埋氧层11。目前常用的硅纳米线的制备方法主要有两种，一种是化学气相沉积、物理气相沉积，激光烧蚀法以及固液等生长方法，在催化剂的辅助下，在大面积的衬底上随机地生长纳米线；按此方法制备的纳米线再利用各种方法将其搭在电极上，制作各种纳米器件。另一种方法是使用电子束或者聚焦离子束直写。本实施例中，优选为利用硅的各向异性腐蚀在介质层上硅材料上加工硅纳米线，所得的硅纳米线截面为等腰三角形，三角形底上的高等于介质层上硅材料厚度，控制硅材料厚度，就可以得到截面尺度为10-50nm的硅纳米线；还可以通过氧化进一步减细以及还可以对材料进行掺杂，以制作不同导电类型的硅纳米线。由于硅纳米线的制备为本领域的公知常识，在此不再赘述。

将上述设有硅纳米线的硅片放入PECVD（(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）设备中，生长一层具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜13，所述第一Si₃N₄薄膜13覆盖所述硅纳米线12。本实施例中，该第一厚度大概为90-110nm。请参阅图2所示的在硅片上生长具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜的结构示意图。

继续参阅图3所示的在所述第一Si₃N₄薄膜上生长SiO₂薄膜的结构示意图，在所述第一Si₃N₄薄膜13上继续生长一层SiO₂薄膜14，所述SiO₂薄膜14的厚度约为180-220nm之间。

继续参阅图4所示的在所述SiO₂薄膜上生长具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜的结构示意图，在所述SiO₂薄膜14上继续生长具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜15，所述第二Si₃N₄薄膜15的厚度比第一Si₃N₄薄膜13的厚度要厚，该第二厚度大致为630-770nm之间。

请参阅附图5所示的在所述第二Si3N4薄膜上旋涂光刻胶并图形化，形成窗口的结构示意图。具体的，进行光刻工艺，在所述第二Si3N4薄膜上旋涂光刻胶并图形化，形成窗口16，使得所述硅纳米线上方区域（即将传感器的敏感区域图形化，使非敏感区域被光刻胶覆盖而敏感区域暴露出来）的第二Si₃N₄薄膜区域暴露出来；其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖光刻胶。

请参阅图6所示的沿所述窗口刻蚀第二Si₃N₄薄膜直至SiO₂薄膜内的结构示意图。继续沿所述窗口刻蚀暴露的、位于所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域（即敏感区域）至暴露出该第二Si₃N₄薄膜区域下方的SiO₂薄膜；也可以过刻蚀，刻蚀掉部分SiO₂薄膜。本实施例中，具体做法是将图形化的硅片置于RIE设备中，用刻蚀工艺沿窗口16去除第二Si₃N₄薄膜，厚度为大于或者等于700nm（允许4寸硅片上误差范围700nm～900nm）。

继续参照图7所述的继续刻蚀直至刻蚀完SiO₂薄膜的结构示意图。具体的，将上述步骤后获得的硅片置于35℃BOE溶液（buffered oxide etching，氧化硅缓冲腐蚀液）中腐蚀1min左右，去除窗口中间一层厚度大致为180-220nm的SiO₂薄膜；或者也可以选择常温下的BOE腐蚀槽，那么腐蚀速率会降低1/3，也就是说要达到相同或相近的效果的话，腐蚀时间要延长到3倍左右，大概需要3min左右。

请参照图8所示的继续刻蚀直至暴露出所述硅纳米线的结构示意图。首先将硅片上的光刻胶去除（即非敏感区域，部分第二Si₃N₄薄膜区域的光刻胶）；然后将该硅片置于浓磷酸（浓度为98%）溶液中，以非敏感区域顶层700nm Si₃N₄薄膜（即第二厚度的第二Si₃N₄薄膜）为掩膜，腐蚀掉敏感区域剩余的厚度大概为100nm的第一Si₃N₄薄膜，将敏感区域的硅纳米线完全暴露出来。

本发明一种硅纳米线生物传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法是采用化学气相沉淀、干法刻蚀、湿法腐蚀等MEMS工艺制备的。具体包括如下步骤：将硅纳米线场效应管（SiNW-FET）器件放入等离子体增强化学气相沉淀（PECVD）设备中，依次生长一层氮化硅（Si₃N₄）薄膜、一层氧化硅（SiO₂）薄膜和一层氮化硅（Si₃N₄）薄膜；进行光刻工艺，将传感器的敏感区域图形化，使非敏感区域被光刻胶覆盖而敏感区域裸露；进行敏感区域的开孔工艺，依次使用反应离子刻蚀工艺（RIE）刻蚀掉敏感区域最上层的氮化硅薄膜，使用BOE（buffered oxideetching）工艺腐蚀掉中间一层的氧化硅薄膜，使用浓磷酸溶液腐蚀掉剩下的氮化硅薄膜；最终使FET的非敏感区域结构被薄膜覆盖，而敏感区域的硅纳米线完全裸露，用于后续的生物检测。这一制备硅纳米线传感器非敏感区域保护薄膜的方法，确保了传感器可以在液体环境中进行检测；在这一薄膜制备方法中，硅纳米线不会受到损伤，而在后续敏感膜修饰时，生物基团也可以有选择性地吸附在敏感区域。

本发明的有益效果如下：

1、本发明可以简单高效的制备硅纳米线传感器非敏感区域的保护薄膜，薄膜可以有效地保护传感器的电极、引线区域，防止在液体环境检测时，器件出现漏电、短路等故障。

2、本发明采用浓磷酸（浓度为98%）湿法腐蚀工艺去除硅纳米线上方的Si₃N₄薄膜，该工艺对Si和SiO₂腐蚀极少，可以有效地保护硅纳米线以及硅纳米线下方的氧化硅支撑结构在工艺过程中不受损伤。

3、本发明采用SiO₂薄膜作为两层Si₃N₄薄膜中间的缓冲层，通过BOE溶液对Si₃N₄和SiO₂的选择性腐蚀，有效地消除了RIE工艺对4寸硅片刻蚀不均匀所带来的影响，使得器件在进行最后一步浓磷酸腐蚀时，各腐蚀窗口所剩的Si₃N₄薄膜厚度一致，从而可以更好地控制腐蚀时间，减少器件损伤。

4、本发明采用Si₃N₄薄膜作为非敏感区域的表面材料，与包裹硅纳米线的SiO₂材料区分，以确保器件在修饰时，生物基团可以有选择性地吸附在敏感区域；进而避免传感器在检测时，待检测分子被占器件主要面积的非敏感区域吸附，使传感器失效。

综上所述，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 (7)

1.一种传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤，

1)提供一设有硅纳米线的硅片；

2)在所述硅片上生长具有第一厚度的第一Si₃N₄薄膜；

3)在所述第一Si₃N₄薄膜上生长SiO₂薄膜；

4)在所述SiO₂薄膜上生长具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜；所述第二厚度大于第一厚度；所述SiO₂薄膜作为两层Si₃N₄薄膜中间的缓冲层；

5)进行光刻工艺，将所述第二Si₃N₄薄膜图形化，形成窗口，使得所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域暴露出来；其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖光刻胶；

6)沿所述窗口刻蚀暴露的所述硅纳米线上方的第二Si₃N₄薄膜区域至暴露出该第二Si₃N₄薄膜区域下方的SiO₂薄膜；

7)继续刻蚀所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜；

8)去除所述其余第二Si₃N₄薄膜区域覆盖的光刻胶；

9)将步骤8)获得的结构置于浓磷酸中，腐蚀掉硅纳米线上方的第一Si₃N₄薄膜，暴露出所述硅纳米线。

2.根据权利要求1所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤6)中的刻蚀为干法刻蚀，所述步骤7)中的刻蚀为湿法刻蚀。

3.根据权利要求1所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一厚度为90-110nm。

4.根据权利要求1所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述第二厚度为630-770nm。

5.根据权利要求1所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中生长的SiO₂薄膜厚度为180-220nm。

6.根据权利要求1所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤7)中继续刻蚀所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜的具体步骤为：将硅片置于35℃BOE溶液中腐蚀60秒，去除所述硅纳米线上方的SiO₂薄膜。

7.根据权利要求3所述的传感器非敏感区域保护薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中生长的SiO₂薄膜厚度为具有第二厚度的第二Si₃N₄薄膜20％～40％。