CN106290525B - 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法 - Google Patents

一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106290525B
CN106290525B CN201610630848.1A CN201610630848A CN106290525B CN 106290525 B CN106290525 B CN 106290525B CN 201610630848 A CN201610630848 A CN 201610630848A CN 106290525 B CN106290525 B CN 106290525B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
inter
nanowire channel
level dielectric
window
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610630848.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106290525A (zh
Inventor
黎明
陈珙
黄如
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN201610630848.1A priority Critical patent/CN106290525B/zh
Publication of CN106290525A publication Critical patent/CN106290525A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106290525B publication Critical patent/CN106290525B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4146—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

本发明公开了一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法。本发明的纳米线生物传感器件包括：半导体衬底、隔离层、有源层、层间介质、接触孔、金属互联、钝化层、修饰窗口、探针测试窗口和背面电极；本发明在纳米线沟道上形成修饰窗口，待测分子特异性地与纳米线沟道表面的‑OH基团成键，对于修饰窗口内其他无‑OH基团的疏水性表面则不会产生修饰；在纳米线沟道的表面，生物分子的修饰密度高，信号强度高，感知灵敏度高；并完全通过定义修饰窗口的位置来调控要修饰的区域；正面栅电极的引入，施加适当的偏置电压，使得纳米线沟道处于亚阈区，灵敏度最高，信号强度最大；完全与传统集成电路制造技术相兼容，工艺简单，成本代价小。

Description

一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物传感器，具体涉及一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法。
背景技术
集成电路自发明以来，通过不断缩小其特征尺寸，同时集成其他微机械系统元件，能够有效地提高芯片性能。而近年来，微纳技术与生物技术的结合引起了学术界与工业界的广泛关注。这种微型生物传感器是一种以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为敏感基元，将生物信息转换成电信号，以实现对环境中的生物信号进行监测的元件。纳米线拥有很高的表面积体积比，满足生物传感对于灵敏度的要求，因此被视为最有发展潜力生物感知器件之一。
哈佛大学Yi Cui等人的研究小组通过自底向上的方法制备出了纳米线，并利用硅纳米线器件极高的灵敏度成功检测了pH值的变化。但是，这种通过催化剂化学生长形成的纳米线没有统一的方向，无法实现器件的精准定位，同时也与传统的集成电路制造技术不兼容，需要进一步优化。其他还有一些报道显示可以用纳米线的这种电导敏感特性对蛋白质和核酸进行检测，但是得到的信号强度不够。有研究称，纳米线在处于亚阈区(即载流子耗尽状态)时，纳米线实现传感的德拜长度最大，灵敏度最高，信号强度最大。传统的纳米线生物传感器对沟道的调制都采用背栅结构，由于背面的电场要通过较厚的介质隔离层(常为二氧化硅)才能耦合到正面的有源层，来影响调控纳米线中的载流子状态，这对纳米线的工作状态调制非常有限，无法满足对任意一种待修饰溶液纳米线均工作于亚阈区的要求。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法，本发明的方法能够通过正面栅电极对纳米线沟道及其灵敏的调制，对任意一种待修饰溶液均可将纳米线沟道调制在亚阈区，进而提高感知灵敏度和信号强度的要求。
本发明的一个目的在于提供一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法。
本发明的带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在半导体衬底上淀积隔离层；
2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；
3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层至有源层的上表面，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；
4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去除光刻胶；
5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；
6)采用氧化法在纳米线沟道、源区和漏区上形成一层高质量的栅氧化层，淀积多晶硅层，覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入调整多晶硅功函数，并激活退火；在多晶硅层上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀多晶硅层，保留下的多晶硅和被多晶硅覆盖的栅氧化层形成栅电极，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，并且在隔离层上形成与栅电极连接的栅引出区，去胶；
7)淀积层间介质并平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层以及栅电极层和栅引出区；在层间介质上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为源区、漏区和栅引出区的接触孔图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；
8)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的部分源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端；
9)淀积钝化层，覆盖层间介质和三条金属互联；在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出无栅电极覆盖的纳米线沟道，纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团，利于后续修饰溶液对纳米线沟道的充分浸润，同时产生自选择修饰；
10)在钝化层上，光刻形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中分别形成探针测试窗口，探针测试窗口暴露出金属互联的测试端；
11)合金，使得金属互联的接触端与源区、漏区和栅引出区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。
其中，在步骤1)中，半导体衬底采用硅、绝缘体上硅和锗硅中的一种；隔离层作为修饰溶液与半导体衬底之间的隔离，材料采用无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。
在步骤2)中，有源层材料为具有高载流子迁移率的半导体材料，如单晶硅、多晶硅、单晶锗、多晶锗、砷化镓等。
在步骤3)中，掩膜层采用具有良好掩蔽特性的介质材料，如氧化硅或氮化硅。
在步骤6)中，采用干氧氧化法制备栅氧化层，温度为900～1200℃，时间根据所需要的栅氧化层厚度自行选择。
在步骤6)和9)中，层间介质和钝化层采用与步骤1)中隔离层同样的介质材料，要求为表面无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。
在步骤8)中，金属采用具有良好导电特性的低电阻率金属或其复合金属，低电阻率金属为铝、银、铂、铜和钛中的一种。
在步骤8)中，淀积金属采用蒸发、溅射、电镀和化学气相淀积(Chemical VaporDeposition)中的一种。
在步骤11)中，合金的目的是为了让金属互联的接触端与有源层的源漏形成更好的欧姆接触，同时可以使得介质材料更加致密，采用合金炉的处理温度为300～500℃，处理时间为30min～60min，优化采用430℃处理30min。
在步骤1)、2)、3)、6)、7)、8)和9)中，淀积的方法采用低压化学气相淀积(LowPressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、原子层淀积(Atomic Layer Deposition，ALD)、电感耦合等离子体增强化学气相淀积(Inductively Coupled Plasma EnhanceChemical Vapor Deposition，ICPECVD)以及溅射中的一种。
在步骤2)、5)和6)中，退火方式采用快速热退火(Rapid Thermal Annealing)、尖峰退火(Spike Annealing)、闪耀退火(Flash Annealing)和激光退火(Laser Annealing)中的一种。
在步骤3)中，光刻采用能曝光出纳米尺寸线宽的先进光刻技术，如电子束光刻或193nm浸没式光刻等。
在步骤4)、6)、7)、8)、9)和10)中，光刻采用普通光学光刻和先进光刻技术均可，根据图形的尺寸进行选择。若图形尺寸大，选择普通光学光刻即可，若图形尺寸小，应选择先进光刻技术。
在步骤3)、4)、6)、7)、8)、9)和10)中，刻蚀采用具有较好的刻蚀各向异性的刻蚀技术，如反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)或电感耦合等离子体(InductivelyCoupled Plasma，ICP)。
本发明的另一个目的在于提供一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件。
本发明的带正面栅极调控的纳米线生物传感器件包括：半导体衬底、隔离层、有源层、栅电极、层间介质、接触孔、金属互联、钝化层、修饰窗口、探针测试窗口和电极金属；其中，在半导体衬底上形成隔离层；在隔离层的部分表面上形成有源层，有源层包括源区和漏区以及连接二者的纳米线沟道；在隔离层的部分表面上形成栅电极和栅引出区，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，栅引出区连接栅电极；层间介质覆盖有源层、栅电极和栅引出区以及三者之外的隔离层；在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；在层间介质的部分表面上形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，另一端为测试端；钝化层覆盖三条金属互联和金属互联外的层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出未被栅电极覆盖的部分纳米线沟道，暴露出的纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团；在钝化层中分别形成探针测试窗口，暴露出金属互联的测试端；被测试的修饰溶液滴定在修饰窗口中，由于窗口中只有纳米线沟道表面存在亲水性的-OH基团，而其余部分均采用表面无羟基的疏水性材料，从而修饰溶液中的待测生物分子特异性地修饰在纳米线沟道的表面，引起纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，从与源区和漏区相连接的金属互联的接触端传递至测试端，在探针测试窗口插入测试探针至与源区和漏区相连接的金属互联的测试端，测试电流改变，从而实现生物分子的传感；在探针测试窗口插入施加偏置电压的探针至与栅引出区相连接的金属互联的测试端，施加偏置电压，通过金属互联和栅引出区施加至栅电极，使得纳米线沟道处于亚阈区，实现最大的传感灵敏度和信号强度。
对于生物分子探测，可以探测修饰溶液中是否含有生物分子，或者检测已知生物分子的电荷变化。探测生物分子有无时，在未滴入含有生物分子的修饰溶液时，纳米线沟道是稳定的电流波形，当滴入修饰溶液后，生物分子修饰在纳米线沟道的表面，纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，在探针测试窗口测试到电流的另一种波形，从而通过电流波形的变化得到是否存在生物分子。探测已知生物分子的电荷变化信息时(如探测溶液pH值是否有变化)，当修饰溶液pH值改变时，溶液中修饰在纳米线沟道的氢离子数目变化，纳米线沟道的电势随之改变，从而引起电流改变，在探针测试窗口测试到电流的微小变化(如电流脉冲、电流阶跃等)，从而得到修饰溶液中pH值大小和氢离子浓度。
施加的偏置电压要求小于纳米线生物传感器件的阈值电压，此时纳米线沟道内的载流子处于耗尽状态，即亚阈区。
本发明的优点：
a)正面栅电极的引入，相比背栅电极具有对纳米线沟道更加有效地调控，对于任何的修饰分子，只要施加适当的偏置电压，都能使得纳米线沟道处于亚阈区，此时纳米线沟道实现传感的德拜长度最大，灵敏度最高，信号强度最大；
b)无论对于大分子如蛋白质、核酸的感知，还是对于小至氢离子如pH值的检测，待测生物分子都只与纳米线沟道表面的-OH基团成键，待测生物分子只会特异性地修饰在纳米线沟道表面，对于修饰窗口内无-OH基团的疏水性表面则不会产生修饰；
c)在纳米线沟道表面，生物分子的修饰密度高，信号强度高，感知灵敏度高；
d)对于纳米线沟道要修饰的区域可以完全通过定义修饰窗口的位置来调控；
e)完全与传统集成电路制造技术相兼容，工艺简单，成本代价小。
附图说明
图1～11为本发明的带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法的一个实施例的流程图，其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例的带正面栅极调控的N型沟道纳米线生物传感器件的制备方法，包括以下步骤：
1)在体硅(100)的半导体衬底1上SiO2、Si3N4叠层结构作为隔离层2，SiO2是为了缓冲Si3N4与半导体衬底之间的应力，如图1所示；
2)在隔离层2上多晶硅作为有源层3，并进行离子注入As+，注入能量40Kev，注入剂量5E13cm-2，RTP 950℃，退火5s，如图2所示；
3)PECVDSiO2作为掩膜层，在掩膜层表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成第一光刻胶图案，RIE刻蚀掩膜层暴露出有源层，形成掩膜层图案03，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，图形为长度10μm，宽度40nm的纳米线，去除电子束光刻胶，如图3所示；
4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，旋涂第二光刻胶，并形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，RIE有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区32和漏区33的图形以及纳米线沟道31，然后去除光刻胶，如图4所示；
5)进行源区和漏区离子注入As+，注入能量50Kev，注入剂量5E15cm-2，RTP 1000℃，退火5s，BHF去除遗留的SiO2掩膜层，从而形成纳米线沟31道连接的源区32和漏区33，如图5所示；
6)采用干法氧化在纳米线沟道、源区和漏区上形成栅氧化层04，LPCVD多晶硅覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入BF2+，注入能量60Kev，注入剂量5E15cm-2，以调整多晶硅功函数，RTP 1000℃，退火5s；在多晶硅层上，旋涂第三光刻胶，并形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶RIE刻蚀多晶硅层，暴露出隔离层，形成栅电极41和栅引出区42，栅电极41覆盖部分纳米线沟道31的两个侧壁和上表面，栅引出区42连接栅电极41，然后去除光刻胶，如图6所示；
7)PECVD氮化硅作为层间介质5并用CMP平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层、栅电极和栅引出区，如图7所示；在层间介质5上，旋涂第四光刻胶，并形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为接触孔的图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅极引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔05，分别暴露出部分源区、漏区和栅极引出区的上表面，如图8所示；
8)在形成了接触孔的层间介质上Ti和1μm Al叠层的金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质5，从而形成三条金属互联6，三条金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端，如图9所示；
9)SiO2、1μm Si3N4叠层结构作为钝化层7，覆盖层间介质5和三条金属互联6，SiO2是为了缓冲Si3N4与金属互联之间的应力；在钝化层7上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案RIE钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口8，暴露出纳米线沟道31，暴露出纳米线沟道31在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的-OH基团，使得纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团，有利于后续溶液滴定时对其充分浸润，同时产生自选择修饰，如图10所示；
10)在钝化层7上，旋涂第七光刻胶，并形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中形成探针测试窗口9，暴露出三条金属互联的测试端，如图11所示；
11)430℃合金30min。
最终制备得到带正面栅极调控的硅基n型纳米线生物传感器件，当修饰溶液滴定在修饰窗口中，纳米线沟道表面存在亲水性的-OH基团，蛋白质和交联剂的复合溶液只会与纳米线沟道表面的Si-OH成键，而其余部分由于是疏水性材料，同时缺少Si-OH基团，并不会有蛋白质修饰，同时正面栅电极可以有效调控纳米线沟道的状态，使得纳米线沟道处于载流子耗尽的亚阈区，此时纳米线沟道的传感灵敏度最大，精度最高。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)在半导体衬底上淀积隔离层；
2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；
3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层至有源层的上表面，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；
4)在形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去除光刻胶；
5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；
6)采用氧化法在纳米线沟道、源区和漏区上形成一层高质量的栅氧化层，淀积多晶硅层，覆盖隔离层以及栅氧化层，离子注入调整多晶硅功函数，并激活退火；在多晶硅层上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为栅电极和栅引出区的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀多晶硅层，保留下的多晶硅和被多晶硅覆盖的栅氧化层形成栅电极，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，并且在隔离层上形成与栅电极连接的栅引出区，去胶；
7)淀积层间介质并平坦化，覆盖隔离层、栅氧化层以及栅电极层和栅引出区；在层间介质上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为源区、漏区和栅引出区的接触孔图形；然后利用第四光刻胶刻蚀层间介质至源区、漏区和栅引出区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；
8)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的部分源区、漏区和栅引出区，在金属上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为三条金属互联的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，金属互联的另一端为测试端；
9)淀积钝化层，覆盖层间介质和三条金属互联；在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出无栅电极覆盖的纳米线沟道，纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团；
10)在钝化层上，光刻形成第七光刻胶图案，第七光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第七光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中分别形成探针测试窗口，探针测试窗口暴露出金属互联的测试端；
11)合金，使得金属互联的接触端与源区、漏区和栅引出区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，所述半导体衬底采用硅、绝缘体上硅和锗硅中的一种；所述隔离层的材料采用无羟基的疏水性材料。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述掩膜层采用氧化硅或氮化硅；光刻采用电子束光刻或193nm浸没式光刻。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)、5)和6)中，退火方式采用快速热退火、尖峰退火、闪耀退火和激光退火中的一种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)中，采用干氧氧化法制备栅氧化层，温度为900～1200℃，时间根据所需要的栅氧化层厚度自行选择。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤8)中，所述金属采用具有良好导电特性的低电阻率金属及其复合金属，低电阻率金属为铝、银、铂、铜和钛中的一种；淀积金属采用蒸发、溅射、电镀和化学气相淀积中的一种。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤6)和9)中，层间介质和钝化层采用表面无羟基的疏水性材料。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤11)中，采用合金炉的处理温度为300～500℃，处理时间为30min～60min。
9.一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件，其特征在于，所述纳米线生物传感器件包括：半导体衬底、隔离层、有源层、栅电极、层间介质、接触孔、金属互联、钝化层、修饰窗口、探针测试窗口和电极金属；其中，在半导体衬底上形成隔离层；在隔离层的部分表面上形成有源层，有源层包括源区和漏区以及连接二者的纳米线沟道；在隔离层的部分表面上形成栅电极和栅引出区，栅电极覆盖部分纳米线沟道的两个侧壁和上表面，栅引出区连接栅电极；层间介质覆盖有源层、栅电极和栅引出区以及三者之外的隔离层；在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区、漏区和栅引出区的上表面；在层间介质的部分表面上形成三条金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区、漏区和栅引出区，另一端为测试端；钝化层覆盖三条金属互联和金属互联外的层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出未被栅电极覆盖的部分纳米线沟道，暴露出的纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成液栅氧化层，液栅氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，从而纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团；在钝化层中分别形成探针测试窗口，暴露出金属互联的测试端；被测试的修饰溶液滴定在修饰窗口中，由于窗口中只有纳米线沟道表面存在亲水性的-OH基团，而其余部分均采用表面无羟基的疏水性材料，从而修饰溶液中的待测生物分子特异性地修饰在纳米线沟道的表面，引起纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，从与源区和漏区相连接的金属互联的接触端传递至测试端，在探针测试窗口插入测试探针至与源区和漏区相连接的金属互联的测试端，测试电流改变，从而实现生物分子的传感；在探针测试窗口插入施加偏置电压的探针至与栅引出区相连接的金属互联的测试端，施加偏置电压，通过金属互联和栅引出区施加至栅电极，使得纳米线沟道处于亚阈区，实现最大的传感灵敏度和信号强度。
10.如权利要求9所述的纳米线生物传感器件，其特征在于，施加的偏置电压小于所述纳米线生物传感器件的阈值电压。
CN201610630848.1A 2016-08-04 2016-08-04 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法 Active CN106290525B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610630848.1A CN106290525B (zh) 2016-08-04 2016-08-04 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610630848.1A CN106290525B (zh) 2016-08-04 2016-08-04 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106290525A CN106290525A (zh) 2017-01-04
CN106290525B true CN106290525B (zh) 2018-08-28

Family

ID=57664958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610630848.1A Active CN106290525B (zh) 2016-08-04 2016-08-04 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106290525B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114137377A (zh) * 2021-10-09 2022-03-04 金波 一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101592626A (zh) * 2009-03-19 2009-12-02 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 准一维金属氧化物纳米材料生物传感器及其制作方法
CN103901085A (zh) * 2014-04-23 2014-07-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于硅纳米线隧穿场效应晶体管的生物传感器及制作方法
CN104737009A (zh) * 2012-10-16 2015-06-24 皇家飞利浦有限公司 基于纳米线平台的宽动态范围流体传感器
CN104730136A (zh) * 2015-03-26 2015-06-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于锗纳米线场效应晶体管的生物传感器、方法及应用
CN105632935A (zh) * 2015-12-31 2016-06-01 青岛大学 一种调控半导体纳米线场效应晶体管阈值电压的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010528297A (ja) * 2007-05-23 2010-08-19 アリゾナ ボード オブ リージェンツ フォー アンド オン ビハーフ オブ アリゾナ ステイト ユニバーシティ 統合された電気化学的検出および電気的検出のためのシステムおよび方法
US9689835B2 (en) * 2011-10-31 2017-06-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Amplified dual-gate bio field effect transistor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101592626A (zh) * 2009-03-19 2009-12-02 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 准一维金属氧化物纳米材料生物传感器及其制作方法
CN104737009A (zh) * 2012-10-16 2015-06-24 皇家飞利浦有限公司 基于纳米线平台的宽动态范围流体传感器
CN103901085A (zh) * 2014-04-23 2014-07-02 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 基于硅纳米线隧穿场效应晶体管的生物传感器及制作方法
CN104730136A (zh) * 2015-03-26 2015-06-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于锗纳米线场效应晶体管的生物传感器、方法及应用
CN105632935A (zh) * 2015-12-31 2016-06-01 青岛大学 一种调控半导体纳米线场效应晶体管阈值电压的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High-k dielectric Al2O3 nanowire and nanoplate field effect sensors for improved pH sensing;Bobby Reddy Jr.等;《Biomed Microdevices》;20110104;第335-344页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106290525A (zh) 2017-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI572041B (zh) 半導體裝置、生物場效電晶體元件及其製造方法
CN105264366B (zh) 具有一致传感器表面区域的化学传感器
US9018684B2 (en) Chemical sensing and/or measuring devices and methods
TWI245073B (en) Biological identification system with integrated sensor chip
US8482304B2 (en) Sensing element integrating silicon nanowire gated-diodes, manufacturing method and detecting system thereof
Inoue et al. Advanced LSI-based amperometric sensor array with light-shielding structure for effective removal of photocurrent and mode selectable function for individual operation of 400 electrodes
US9714914B2 (en) CMOS compatible biofet
CN105954333A (zh) 用于重金属监测的金纳米带三电极传感器及其制备方法
CN104051512B (zh) 性能增强的背面感测生物场效应晶体管
CN106290525B (zh) 一种带正面栅极调控的纳米线生物传感器件及其制备方法
US11320394B2 (en) Biosensor electrode having three-dimensional structured sensing surfaces
US20140061728A1 (en) Gate Biasing Electrodes For FET Sensors
CN105957866B (zh) 半导体生物传感器及其制备方法
CN106290475B (zh) 一种自选择修饰的纳米线生物传感器及其制备方法
CN106252227B (zh) 一种带栅极调控的垂直纳米线生物传感器的集成方法
CN107328838A (zh) 一种基于双栅极单电子晶体管的电子生物传感器及制备方法
Mescher et al. Robust fabrication method for silicon nanowire field effect transistors for sensing applications
CN107180867A (zh) 一种半导体量子器件及其制备方法
Zaborowski et al. Development of si nanowire chemical sensors
CN106206296B (zh) 一种垂直沟道的纳米线生物传感器的集成方法
CN106018527A (zh) 具有集成式固态薄膜Pt参比电极的GaN生物传感器及制作方法
CN110770160B (zh) 流道结构器件及其制造方法
US10900906B2 (en) Surface enhanced Raman scattering substrate
Moh et al. IC compatible top down process for silicon nanowire FET arrays with three {100} surfaces for (BIO) chemical sensing
Prajesh et al. Reproducible silicon nanowire sensors platform

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant