CN104713931B - 基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法，所述制备方法包括：1）提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底的顶层应变硅的厚度为10nm~50nm；2）制作器件区域；3）形成N+源区及N+漏区及应变沟道区；4）于所述sSOI衬底表面形成介质层；5）形成金属接触开孔，并制作金属接触电极；6）制作电极保护层，并露出栅极传感区域；7）于所述体硅衬底背面制作背栅；8）对栅极传感区域表面进行表面活化修饰。本发明采用应变硅作为沟道，由于应变技术使沟道材料的迁移率增加，得到较高的信噪比；且随着沟道材料的减薄使沟道达到全耗尽状态，其相应器件的亚阈值斜率减小，得到更高的灵敏度。因此本发明的生物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。

Description

基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物传感器件及其制备方法，特别是涉及一种基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器(biosensor)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(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。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。各种生物传感器有以下共同的结构：包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器)，二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。

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，便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜，便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法；高分子载体法；高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器(微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器)，研制和开发第三代生物传感器，将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。生物传感器涉及的是生物物质，主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。

生物传感器是用生物活性材料(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、微量分析方法。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息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、食品和药物分析(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。

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sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法，以实现一种具有更高信噪比及灵敏度、可以对生物分子进行高灵敏的检测的生物传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法，所述制备方法包括步骤：

1)提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；

2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于所述sSOI衬底表面制作出器件区域；

3)采用离子注入工艺于所述sSOI衬底的顶层应变硅中注入N型离子，形成N+源区及N+漏区，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；

4)于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面形成介质层；

5)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于与所述N+源区及N+漏区对应的介质层中形成金属接触开孔，并制作金属接触电极；

6)制作电极保护层，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域；

7)于所述体硅衬底背面制作背栅；

8)对栅极传感区域表面进行表面活化修饰，用于对生物分子的探测。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法的一种优选方案，步骤4)所述的介质层为氧化铝层。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法的一种优选方案，步骤6)包括步骤：

6-1)采用PECVD方法生长一层氮化硅层；

6-2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺去除所述应变沟道区上方对应的氮化硅层，以露出栅极传感区域。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法的一种优选方案，步骤8)采用APTES对栅极传感区域表面进行表面活化修饰。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法的一种优选方案，步骤8)包括步骤：

8-1)将器件放入乙醇、水及APTES的混合溶液中进行处理，处理时间为1～10小时；

8-2)处理完成后分别采用乙醇及去离子水进行清洗，并在60～120℃下进行烘干。

本发明还提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器，包括：

sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；

N+源区及N+漏区，形成于所述sSOI衬底的顶层应变硅中，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；

介质层，形成于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面，所述介质层与所述N+源区及N+漏区对应的区域形成有金属接触开孔，所述金属接触开孔中形成有金属接触电极；

电极保护层，覆盖于所述金属接触电极，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域；

背栅，形成于所述体硅衬底背面；

活化修饰材料，形成于所述栅极传感区域表面。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的一种优选方案，所述介质层为氧化铝层。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的一种优选方案，所述电极保护层为氮化硅层。

作为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的一种优选方案，所述活化修饰材料为APTES。

如上所述，本发明提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于所述sSOI衬底表面制作出器件区域；3)采用离子注入工艺于所述sSOI衬底的顶层应变硅中注入N型离子，形成N+源区及N+漏区，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；4)于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面形成介质层；5)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于与所述N+源区及N+漏区对应的介质层中形成金属接触开孔，并制作金属接触电极；6)制作电极保护层，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域；7)于所述体硅衬底背面制作背栅；8)对栅极传感区域表面进行表面活化修饰，用于对生物分子的探测。本发明采用应变硅作为沟道，由于应变技术使沟道材料的迁移率增加，得到较高的信噪比；且随着沟道材料的减薄使沟道达到全耗尽状态，其相应器件的亚阈值斜率减小，得到更高的灵敏度。因此本发明的生物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。

附图说明

图1～图9显示为本发明的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101 体硅衬底

102 绝缘层

103 应变沟道区

104 顶层应变硅

105 N+源区

106 N+漏区

107 介质层

108 金属接触开孔

109 金属接触电极

110 电极保护层

111 背栅

112 活化修饰材料

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。

请参阅图1～图9。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。

如图1～图9所示，本实施例提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法，所述制备方法包括步骤：

如图1所示，首先进行步骤1)，提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底101、绝缘层102及顶层应变硅104，所述顶层应变硅104的厚度为10nm～50nm。在本实施例中，所述顶层应变硅104的厚度为30nm，当然，所述顶层应变硅104的厚度也可以是15nm、25nm、35nm、45nm等，并不限定于此处所列举的示例。由于应变技术使沟道材料的迁移率增加，本发明的生物传感器可以得到较高的信噪比；且随着沟道材料的减薄使沟道达到全耗尽状态，其相应器件的亚阈值斜率减小，得到更高的灵敏度。因此本发明的生物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。

如图1所示，然后进行步骤2)，利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于所述sSOI衬底表面制作出器件区域。

如图2所示，接着进行步骤3)，采用离子注入工艺于sSOI衬底的顶层应变硅104中注入N型离子，形成N+源区105及N+漏区106，所述N+源区105及N+漏区106之间为应变沟道区103。

作为示例，先于所述sSOI衬底表面形成掩膜层，然后采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述应变沟道区103两侧的顶层应变硅104上打开窗口后，对所述顶层应变硅104进行N型离子注入，最后进行退火以完成N+源区及N+漏区的制备，在本实施例中，所述N型离子为磷离子。

如图3所示，然后进行步骤4)，于所述sSOI衬底的顶层应变硅104表面形成介质层107。

作为示例，所述介质层107为氧化铝层，可以采用如化学气相沉积法等工艺进行制备。当然，其它的介质材料也可能适用于本实施例，因此，并不限定于此处所列举的示例。

如图4～图5所示，接着进行步骤5)，利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于与所述N+源区105及N+漏区106对应的介质层107中形成金属接触开孔108，并制作金属接触电极109。

作为示例，所述金属接触电极109为Al。

如图6～图7所示，然后进行步骤6)，制作电极保护层110，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区103对应的区域。

作为示例，步骤6)包括步骤：

如图6所示，首先进行步骤6-1)，采用PECVD方法生长一层氮化硅层；

如图7所示，然后进行步骤6-2)，利用光刻工艺及干法刻蚀工艺去除所述应变沟道区103上方对应的氮化硅层，以露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区103对应的区域。

如图8所示，然后进行步骤7)，于所述体硅衬底101背面制作背栅111。

作为示例，先于所述体硅衬底101背面沉积一层金属层，然后进行退火使该金属层与所述体硅衬底101形成欧姆接触，以完成所述背栅111的制作。在本实施例中，所述金属层为Al。

如图9所示，最后进行步骤8)，对栅极传感区域表面进行表面活化修饰，用于对生物分子的探测。

作为示例，步骤8)采用APTES对栅极传感区域表面进行表面活化修饰。

具体地，步骤8)包括步骤：

8-1)将器件放入乙醇、水及APTES的混合溶液中进行处理，处理时间为1～10小时，在本实施例中，所述乙醇、水及APTES的体积比为95:3:2，处理的时间为2小时；

8-2)处理完成后分别采用乙醇及去离子水进行清洗，并在60～120℃下进行烘干，在本实施例中，烘干所采用的温度为100℃。

如图9所示，本实施例还提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器，包括：

sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底101、绝缘层102及顶层应变硅104，所述顶层应变硅104的厚度为10nm～50nm。在本实施例中，所述顶层应变硅104的厚度为30nm，当然，所述顶层应变硅104的厚度也可以是15nm、25nm、35nm、45nm等，并不限定于此处所列举的示例。由于应变技术使沟道材料的迁移率增加，本发明的生物传感器可以得到较高的信噪比；且随着沟道材料的减薄使沟道达到全耗尽状态，其相应器件的亚阈值斜率减小，得到更高的灵敏度。因此本发明的生物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。

N+源区105及N+漏区106，形成于sSOI衬底的顶层应变硅104中，所述N+源区105及N+漏区106之间为应变沟道区103；

介质层107，形成于所述sSOI衬底的顶层应变硅104表面，所述介质层107与所述N+源区105及N+漏区106对应的区域形成有金属接触开孔108，所述金属接触开孔108中形成有金属接触电极109；

电极保护层110，覆盖于所述金属接触电极109，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区103对应的区域；

背栅111，形成于所述体硅衬底101背面；

活化修饰材料112，形成于所述栅极传感区域表面。

作为示例，所述介质层107为氧化铝层。

作为示例，所述电极保护层110为氮化硅层。

作为示例，所述活化修饰材料112为APTES。

如上所述，本发明提供一种基于sSOI MOSFET的生物传感器及其制备方法，所述制备方法包括步骤：1)提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于所述sSOI衬底表面制作出器件区域；3)采用离子注入工艺于所述sSOI衬底的顶层应变硅中注入N型离子，形成N+源区及N+漏区，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；4)于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面形成介质层；5)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于与所述N+源区及N+漏区对应的介质层中形成金属接触开孔，并制作金属接触电极；6)制作电极保护层，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域；7)于所述体硅衬底背面制作背栅；8)对栅极传感区域表面进行表面活化修饰，用于对生物分子的探测。本发明采用应变硅作为沟道，由于应变技术使沟道材料的迁移率增加，得到较高的信噪比；且随着沟道材料的减薄使沟道达到全耗尽状态，其相应器件的亚阈值斜率减小，得到更高的灵敏度。因此本发明的生物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。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 (5)

1.一种基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：

1)提供一sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；

2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于所述sSOI衬底表面制作出器件区域；

3)采用离子注入工艺于所述sSOI衬底的顶层应变硅中注入N型离子，形成N+源区及N+漏区，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；

4)于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面形成介质层，所述的介质层为氧化铝层；

5)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺于与所述N+源区及N+漏区对应的介质层中形成金属接触开孔，并制作金属接触电极；

6)制作电极保护层，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域；

步骤6)包括步骤：

6-1)采用PECVD方法生长一层氮化硅层；

6-2)利用光刻工艺及干法刻蚀工艺去除所述应变沟道区上方对应的氮化硅层，以露出栅极传感区域；

7)于所述体硅衬底背面制作背栅；

8)对栅极传感区域表面进行表面活化修饰，用于对生物分子的探测。

2.根据权利要求1所述的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤8)采用APTES对栅极传感区域表面进行表面活化修饰。

3.根据权利要求2所述的基于sSOI MOSFET的生物传感器的制备方法，其特征在于：步骤8)包括步骤：

8-1)将器件放入乙醇、水及APTES的混合溶液中进行处理，处理时间为1～10小时；

8-2)处理完成后分别采用乙醇及去离子水进行清洗，并在60～120℃下进行烘干。

4.一种基于sSOI MOSFET的生物传感器，其特征在于，包括：

sSOI衬底，所述sSOI衬底包括体硅衬底、绝缘层及顶层应变硅，所述顶层应变硅的厚度为10nm～50nm；

N+源区及N+漏区，形成于所述sSOI衬底的顶层应变硅中，所述N+源区及N+漏区之间为应变沟道区；

介质层，形成于所述sSOI衬底的顶层应变硅表面，所述介质层与所述N+源区及N+漏区对应的区域形成有金属接触开孔，所述金属接触开孔中形成有金属接触电极，所述介质层为氧化铝层；

电极保护层，覆盖于所述金属接触电极，并露出栅极传感区域，所述栅极传感区域为所述应变沟道区对应的区域，所述电极保护层为氮化硅层；

背栅，形成于所述体硅衬底背面；

活化修饰材料，形成于所述栅极传感区域表面。

5.根据权利要求4所述的基于sSOI MOSFET的生物传感器，其特征在于：所述活化修饰材料为APTES。