CN104637938A - 半导体器件及其选择性加热 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件及其选择性加热，提供了一种或多种半导体器件、阵列布置及其形成方法。该半导体器件包括离子感测器件和接近离子感测器件的加热元件。离子感测器件具有有源区域，其包括源极、漏极、和位于源极和漏极之间的沟道。离子感测器件也具有位于沟道上方的离子感测膜，以及位于离子感测膜上方的离子感测区域。响应于通过接近离子感测器件的热传感器所感测的温度，选择性地激活加热元件以改变离子感测区域的温度，从而促进半导体器件的期望操作，诸如用作生物传感器。多个半导体器件可以形成于阵列内。
Description
技术领域
本发明总体上涉及半导体领域，更具体地，涉及半导体器件及其选择性加热。
背景技术
在半导体器件中，在将足够的电压或偏压施加给器件的栅极时，电流流过介于源极区域和漏极区域之间的沟道区域。当电流流过沟道区域时，器件通常被视为处于“导通”状态，并且当电流未流过沟道区域时，器件通常被视为处于“截止”状态。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种半导体器件，包括：离子感测器件，包括：有源区域，包括源极、漏极以及位于源极和漏极之间的沟道；离子感测膜，位于沟道上方；和离子感测区域，位于离子感测膜上方；以及加热元件，接近离子感测器件。
该半导体器件包括：热传感器，接近离子感测器件和加热元件中的至少一个。
该半导体器件包括导线，导线连接至加热元件并且被配置为将电流施加给加热元件。
该半导体器件离子感测器件包括位于沟道下方的栅极。
其中，离子感测器件包括离子感测场效应晶体管、纳米线或MOSFET。
其中，加热元件包括电阻器。
其中，加热元件包括金属和多晶硅中的至少一种。
其中，离子感测区域包括生物溶液。
其中，离子感测区域的立方体尺寸介于约0.5μm3至约1.5μm3之间。
离子感测膜包括HfO2、Ta2O5和SiO2中的至少一种。
此外，还提供了一种形成半导体器件的方法，包括：形成离子感测器件；以及形成接近离子感测器件的加热元件。
该方法包括：在介电层上方形成导电层，其中，离子感测器件位于介电层内；以及图案化导电层以形成加热元件。
该方法包括：在介电层内形成加热元件，其中，离子感测器件位于介电层内。
该方法包括：在介电层中形成第一开口；在第一开口内形成离子感测器件的离子感测膜；在离子感测膜和加热元件上方形成钝化层；在离子感测膜上方的钝化层中形成第二开口；以及在第二开口内形成离子感测器件的离子感测区域。
此外，还提供了一种阵列，包括：第一离子感测器件；第一加热元件，接近第一离子感测器件；第二离子感测器件；以及第二加热元件，接近第二离子感测器件。
其中，第一离子感测器件包括：第一有源区域，包括第一源极、第一漏极以及位于第一源极和第一漏极之间的第一沟道；第一离子感测膜，位于第一沟道上方；以及第一离子感测区域，位于第一离子感测膜上方。
其中，第二离子感测器件包括：第二有源区域，包括第二源极、第二漏极以及位于第二源极和第二漏极之间的第二沟道；第二离子感测膜，位于第二沟道上方；以及第二离子感测区域，位于第二离子感测膜上方。
其中，第一加热元件和第二加热元件中的至少一个包括电阻器。
该阵列包括位于第一离子感测器件和第二离子感测器件之间的热传感器。
其中，热传感器被配置为导致以下情况中的至少一种：第一电流在第一时间流过第一加热元件，从而升高第一离子感测器件的第一温度；第二电流在第二时间流过第一加热元件，从而升高第一离子感测器件的第二温度；以及第三电流在第三时间流过第一加热元件，从而升高第一离子感测器件的第三温度。
附图说明
根据结合参考附图所进行的以下详细描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该理解，附图的元件和/或结构未按比例绘出。因此，为了讨论清楚，各个部件的尺寸可以被任意地增大和/或减小。
图1是示出根据一些实施例形成包括离子感测器件和加热元件的半导体器件的方法的流程图。
图2是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图3是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图4是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图5是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图6是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图7是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图8是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图9是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图10是根据一些实施例的半导体器件的示意图。
图11是根据一些实施例的阵列的示意图。
图12是根据一些实施例的阵列的示意图。
具体实施方式
现在参考附图描述要求保护的主题，其中在通篇描述中，相同的参考标号通常用于表示相同的元件。在接下来的描述中，为了说明的目的，阐述多个具体细节以提供对要求保护主题的理解。但是，很明显，在没有这类具体细节的情况下也可以实践要求保护的主题。在其他实例中，为帮助描述要求保护的主题，以框图形式示出了结构和器件。
如本文所提供的，半导体器件包括有源区域和接近有源区域的加热元件，该半导体器件用于不同的目的，诸如用于感测生物材料。在一些实施例中，有源区域包括源极、漏极和介于源极和漏极之间的沟道。在一些实施例中，离子感测膜位于沟道上方。在一些实施例中，离子感测区域位于离子感测膜的上方。在一些实施例中，离子感测区域包含液体。在一些实施例中，响应于施加的电流或流过加热元件的电流，加热元件改变离子感测区域中的温度。在一些实施例中，加热元件包括电阻器。在一些实施例中，半导体器件保持离子感测区域中的第一温度。在一些实施例中，半导体器件保持离子感测区域中的第二温度。在一些实施例中，半导体器件从离子感测区域中的第一温度转换至离子感测区域中的第二温度。在一些实施例中，半导体器件保持离子感测区域中的第三温度。在一些实施例中，半导体器件从离子沟道区域中的第二温度转变至离子沟道区域中的第三温度。在一些实施例中，半导体器件从离子沟道区域中的第三温度转变至离子沟道区域中的第一温度。在一些实施例中，第一温度介于约90℃至约100℃之间。在一些实施例中，第二温度介于约20℃至约70℃之间。在一些实施例中，第三温度介于约65℃至约80℃之间。在一些实施例中，半导体器件包括测量局部温度的热传感器（thermal sensor）。在一些实施例中，热传感器接近离子感测区域和有源区域中的至少一个以测量其温度。在一些实施例中，热传感器传输信号至加热元件以影响第一温度、第二温度和第三温度中至少一种之间的转换。离子感测区域或离子感测膜中的至少一个通常用作包括源极、漏极和沟道的晶体管的栅极，从而根据离子感测区域中的材料或组分，电流流过或不流过源极和漏极之间的沟道。在一些实施例中，半导体器件被配置为感测离子，诸如离子感测区域中的缓冲液内。在一些实施例中，配置半导体器件以感测束缚（bound）或连接至分子或生物分子（诸如DNA碱基对）的电荷，诸如分子或生物分子位于离子感测区域中的缓冲液内。离子感测区域和有源区域中的至少一个的温度也会影响晶体管的操作。此外，加热元件的选择性激活作为通过热传感器所检测的温度的函数，促进了半导体器件的期望操作，诸如用作生物传感器。
本发明提供了半导体器件的一种或多种布置。在一些实施例中，在形成半导体器件的有源区域之后，形成半导体器件的加热元件。在一些实施例中，在有源区域的形成过程中，形成加热元件。
图1示出了形成具有离子感测器件234和加热元件222的半导体器件200的方法100，并且图2至图8示出了通过这种方法所形成的一种或多种半导体布置。如图2所示，半导体布置包括嵌入介电层218中的有源区域204和栅极202。在一些实施例中，沉积介电层218。在一些实施例中，生长介电层218。在一些实施例中，介电层218的厚度介于约0.5μm至约20μm之间。在一些实施例中，介电层218包括氧化硅（SiO2）和氮化硅（Si3N4）中的至少一种。在第一衬底208上形成包括有源区域204和栅极202的介电层218，并且翻转该介电层218并将其放置于操作衬底210上。在一些实施例中，第一衬底208包括外延层、绝缘体上硅（SOI）结构、晶圆或由晶圆所形成的管芯。在一些实施例中，操作衬底210由硅和玻璃中的一种制成。在一些实施例中，操作衬底210的厚度介于约50μm至约500μm之间。在一些实施例中，有源区域204包括源极212、漏极216和沟道214。沟道214位于源极212和漏极216之间，且位于栅极202上方。在一些实施例中，如图5所示，栅极202邻近有源区域204，以相对于沟道214与离子感测膜224完全相对。在一些实施例中，栅极202包括多晶硅和金属中的至少一种。在一些实施例中，有源区域204包括纳米线，诸如连接至源极212和漏极216、但不连接至栅极202的接触件。在一些实施例中，有源区域204和栅极202包括MOSFET和离子感测FET中的一种。在一些实施例中，有源区域204的厚度206介于约0.05μm至约5μm之间。在一些实施例中，有源区域204形成于热电隔离层（thermal electric isolation layer）中。在一些实施例中，隔热层包括浅沟槽隔离层和层间电介质中的至少一种。在一些实施例中，隔热层包括SiO2。在一些实施例中，隔热层的厚度介于约0.05μm至约5μm之间，或者隔热层的厚度等于或基本等于有源区域204的厚度206。
在步骤102中，如图2所示，去除第一衬底208。在一些实施例中，通过蚀刻和化学机械抛光（CMP）中的一种来去除第一衬底。
在步骤104中，如图3所示，在介电层218上方形成导电层220。在一些实施例中，导电层220包括金属。在一些实施例中，导电层220包括铝、铜和多晶硅中的至少一种。在一些实施例中，沉积金属以形成导电层220。在一些实施例中，导电层220的厚度介于约0.05μm至约5μm之间。
在步骤106中，如图4所示，图案化导电层220以形成加热元件222。在一些实施例中，加热元件的宽度219介于约0.05μm至约5μm之间。在一些实施例中，具有多个加热元件222。在一些实施例中，加热元件222位于有源区域204上方。在一些实施例中，一个加热元件通常位于源极212上方，而另一个加热元件通常位于漏极216上方。
在步骤108中，如图5所示，在介电层218中形成第一开口226。第一开口226位于有源区域204上方。在一些实施例中，第一开口226下降至有源区域表面225。在一些实施例中，第一开口的立方体体积介于约0.01μm3至约150μm3之间。在一些实施例中，通过蚀刻介电层218来形成第一开口226，其中，在介电层218的蚀刻过程中，掩蔽半导体器件200未被蚀刻的部分。
在步骤110中，如图5所示，在第一开口226中形成离子感测膜224。在一些实施例中，离子感测膜224包括氧化铪（HfO2）、SiO2和五氧化二钽（Ta2O5）中的至少一种。在一些实施例中，使用热沉积来施加离子感测膜224。在一些实施例中，离子感测膜224与有源区域表面225直接接触。
在步骤112中，如图6所示，钝化层228形成于离子感测膜224、加热元件222以及露出的介电层218上方。在一些实施例中，钝化层228包括SiO2和氮化硅（Si3N4）中的至少一种。在一些实施例中，钝化层228的厚度介于约0.1μm至约5μm之间。
在步骤114中，如图7所示，在钝化层228中形成第二开口230。在一些实施例中，第二开口230下降至离子感测膜224。在一些实施例中，从离子感测膜224上薄蚀刻掉钝化层228。
在步骤116中，如图8所示，形成离子感测区域232。在一些实施例中，离子感测区域232包括生物溶液。在一些实施例中，通过分子注入将生物溶液注入离子感测区域232中。在一些实施例中，离子感测区域232的立方体体积介于约0.01μm3至约150μm3之间。在一些实施例中，离子感测区域234包括有源区域204、离子感测膜224和离子感测区域232。配置离子感测器件234以检测在离子感测区域232中发生反应而导致生物溶液的电荷的改变。在一些实施例中，DNA复制改变生物溶液的电荷，使得除了其他因素之外，还根据生物溶液的电荷的改变量、有源区域204和离子感测膜224的组成以及离子感测器件234的温度，电流会流过或不流过源极212和漏极216之间的沟道214，其中，会受到加热元件222的选择性激活的影响。在一些实施例中，通过在第一温度、第二温度和第三温度中的至少一个之间的转换离子感测区域232的温度来促进生物溶液中的DNA复制，其中，加热元件的选择性激活会影响这种转换。
图9是根据一些实施例的半导体器件200的示意图，其中，加热元件222与有源区域204位于一条直线上或基本上共面。在一些实施例中，在有源区域的形成过程中，形成加热元件222。在一些实施例中，为了在该位置处形成加热元件222，例如，通过蚀刻在形成有诸如热电隔离层的有源区域204的材料或层内形成开口。例如通过沉积使用用于加热元件的诸如金属的材料来填充开口。在一些实施例中，加热元件222与有源区域234的至少一侧相接触。在一些实施例中，加热元件222邻近但不接触有源区域234。
图10是根据一些实施例的半导体器件200的示意图，其中，加热元件222位于有源区域204下方。在一些实施例中，在形成有源区域234之前，形成加热元件222。在一些实施例中，为了在该位置处形成加热元件222，例如，通过蚀刻在介电层218内形成开口。然后，例如，通过沉积使用用于加热元件的诸如金属的材料来填充开口。在一些实施例中，加热元件222邻近但没有与有源区域204的至少一侧相接触。
图11是根据一些实施例的阵列300的俯视图。阵列300包括配置为网格状图案的多个半导体器件200，在半导体器件200之间设置有加热元件222。电源236连接至在其中包括加热元件222的导线238。在一些实施例中，例如，在加热元件串联连接的情况下，使用单个电源236。在一些实施例中，在各自的电源导致电流流入一些但不是全部的加热元件222内的情况下，使用多个电源。在一些实施例中，通过多个加热元件222来围绕离子感测器件234。在一些实施例中，四个加热元件222围绕离子感测器件234，诸如，加热元件222位于离子感测器件234的左侧、右侧、顶部和底部。在一些实施例中，布置加热元件222以形成环绕离子感测器件234的环形、椭圆形、正方形或其他形状。在一些实施例中，环绕第一离子感测器件234形成加热元件222的第一配置（诸如环形布置），并环绕第二离子感测器件234形成加热元件222的第二配置（诸如正方形布置）。
图12是根据一些实施例的阵列340的示意图。阵列340包括多个邻近的半导体器件，诸如第一半导体器件248和第二半导体器件348。在一些实施例中，第一半导体器件248和第二半导体器件348形成于一系列相同的层中。在一些实施例中，使用诸如关于图1所述的方法100，同时形成第一半导体器件248和第二半导体器件348。在一些实施例中，热传感器242位于第一半导体器件248的第一侧244。在一些实施例中，第二热器件（未示出）位于第一半导体器件248的第二侧246。在一些实施例中，热传感器242形成于介电层218内且与第一半导体器件248的有源区域204基本共面。在一些实施例中，热传感器242的厚度介于约0.01μm至约5μm之间。在一些实施例中，热传感器242包括热二极管、二极管接法的FET或MOSFET、和热电阻器中的一种。
在一些实施例中，第二半导体器件348包括第二离子感测器件334。在一些实施例中，第二离子感测器件334包括第二有源区域304、位于有源区域表面325上的第二离子感测膜324、以及第二离子感测区域332。在一些实施例中，第二有源区域304包括第二源极312、第二漏极316和第二沟道314。在一些实施例中，第二沟道314位于第二源极312和第二漏极316之间，且位于第二栅极302之上。在一些实施例中，第二栅极302邻近第二有源区域304，关于第二沟道314与第二离子感测膜324完全相对。在一些实施例中，第二半导体器件348包括接近第二离子感测器件334的第二加热元件322。在一些实施例中，配置热传感器242以感测局部温度，因此温度基本等于第一半导体器件248的温度和第二半导体器件348的温度中的至少一个。热传感器242被配置为通过诸如导电线（未示出）与加热元件222和第二加热元件322中的至少一个通信，以改变离子感测区域232的温度和第二离子感测区域332的温度中的至少一个，诸如为促进DNA的复制从而促进第一半导体器件248和第二半导体器件348中的至少一个的期望操作，诸如用作生物传感器。
在一些实施例中，半导体器件包括离子感测器件。在一些实施例中，离子感测器件包括源极、漏极和位于源极和漏极之间的沟道。在一些实施例中，离子感测膜位于沟道上方。在一些实施例中，离子感测区域位于离子感测膜上方。在一些实施例中，加热元件接近离子感测器件。
在一些实施例中，形成半导体器件的方法包括：形成离子感测器件和形成接近离子感测器件的加热元件。
在一些实施例中，阵列包括第一离子感测器件。在一些实施例中，阵列包括接近第一离子感测器件的第一加热元件。在一些实施例中，阵列包括第二离子感测器件。在一些实施例中，阵列包括接近第二离子感测器件的第二加热元件。
尽管已经用相关语言将主题描述为结构特征或方法行为，但应该理解，所附权利要求的主题不必限于以上描述的具体的特征和行为。相反，公开以上描述的具体特征和行为作为实施至少一些权利要求的实施例形式。
本文中提供了实施例的各种操作。描述一些操作或所有操作的顺序不应该解释为隐含这些操作必须根据该顺序。可选的顺序具有这类描述的优势。此外，应该理解，不是本文中提供的每一个实施例中都必须具有所有的操作。同时，应该理解，在一些实施例中并非全部操作都是必须的。
应该理解，通过彼此相关的具体尺寸（诸如，结构尺寸或方向）示出本文中所描述的层、部件、元件等，例如，在一些实施例中，为了简化和易于理解的目的，相同部件的实际尺寸基本不同于本文中所示的尺寸。此外，存在本文中提及的用于形成层、部件，元件等的各种技术，诸如蚀刻技术、注入技术、掺杂技术、旋涂技术、溅射技术（例如磁溅射或离子束溅射）、生长技术（例如热生长）或沉积技术（例如化学汽相沉积（CVD）、物理汽相沉积（PVD）、等离子体增强化学汽相沉积（PECVD）或原子层沉积（ALD））。
另外，本文中使用的“示例性的”意为用作实例、事例、说明等，并且并不必须是有利的。如本申请中所使用的，“或”意指包括“或”而不是排除“或”。此外，除非详细说明或在上下文中清楚地直接表示为单数形式，否则在本申请中所使用的“一”或“一个”通常解释为“一个或多个”。此外，A和B中至少一个等通常意为A或B或者A和B这两者。此外，在某种程度上，“包括”、“具有的”、“具有”、“带有”或它们的变体用于细节描述或权利要求，这种术语意指以类似于术语“包括”的方式包含。同时，除非详细说明，否则“第一”、“第二”等并不用于表示时间部分、空间部分、顺序等。当然，这类术语仅用于部件、元件、项目等的标示符、命名等。例如，第一区域和第二区域通常对应于区域A和区域B或两个不同的或两个完全相同的区域或相同的区域。
此外，尽管关于一种或多种实现方式示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员将可以根据阅读和理解说明书和附图进行等同的变化或修改。本发明包括所有此类的修改或变化，且仅由权利要求的范围来限定本发明。，特别是通过上文描述的部件（例如元件、源件等）实施的各种功能，除非特别说明，否则用于描述这些部件的术语意指对应于能够实现特定功能（例如，功能的等同）的任何部件，甚至所公开的结构在结构上不等同。另外，可以根据多个实施例中的仅一个实施例描述本发明的特定的部件，这类部件可以与所期望的其他实施例的一个或多个其他部件的组合，并且这些部件可以有利的用于任何给定的或特定的应用。
Claims (10)
1.一种半导体器件，包括：
离子感测器件，包括：
有源区域，包括源极、漏极以及位于所述源极和所述漏极之间的沟道；
离子感测膜，位于所述沟道上方；和
离子感测区域，位于所述离子感测膜上方；以及
加热元件，接近所述离子感测器件。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，包括：
热传感器，接近所述离子感测器件和所述加热元件中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的半导体器件，包括导线，所述导线连接至所述加热元件并且被配置为将电流施加给所述加热元件。
4.根据权利要求1所述的半导体器件，所述离子感测器件包括位于所述沟道下方的栅极。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，所述离子感测器件包括离子感测场效应晶体管、纳米线或MOSFET。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，所述加热元件包括电阻器。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，所述加热元件包括金属和多晶硅中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，所述离子感测区域包括生物溶液。
9.一种形成半导体器件的方法，包括：
形成离子感测器件；以及
形成接近所述离子感测器件的加热元件。
10.一种阵列，包括：
第一离子感测器件；
第一加热元件，接近所述第一离子感测器件；
第二离子感测器件；以及
第二加热元件，接近所述第二离子感测器件。
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