CN114137377A - 一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，其中的目标分子检测晶体管传感器包括：基底以及依次设置在基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，在氧化埋层上设置有基于顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具有反复交叉点的网状纳米线结构沟道；在氧化埋层上还设置有位于漏区和源区之间的至少一个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅；从漏区、源区和参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在参考栅或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。利用上述发明能够兼容CMOS半导体工艺，简化工艺流程，降低制造成本。

Description

一种目标分子检测晶体管传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体传感器技术领域，更为具体地，涉及一种目标分子检 测晶体管传感器及其制备方法。

背景技术

目前，随着人口老龄化问题以及传染疾病和慢性疾病等带来的生命健康 问题的不断加剧，以及生命科学技术和半导体传感技术的发展，为即时诊断 (point-of-caretest，简称POCT)技术应用领域带来了崭新的市场机遇和重要 的社会实用价值。传统的POCT手段主要是通过观察纸基传感器的标记物变 色强度来判断目标蛋白分子的存在与否，存在灵敏度极低的问题。而现有高 灵敏的生物、医学检测方式，例如核酸检测，通常耗时长、费用昂贵，并且 需要高度专业的人员和实验室。因此，对当前应用于检测和识别特定生物分 子或化学分子的POCT技术还存在巨大挑战。

现有以晶体管传感为基础的各种生物、化学、气体等传感器是在感应表 面固定具有生化识别能力且可选择性地捕捉目标分子(target molecule)的受 体(receptor)。传感器通过受体以生物或化学作用捕捉目标分子，被捕捉的目 标分子因自身携带的电荷种类和大小将影响晶体管沟道内的电导特性，最终 通过观察晶体管的电流变化量对目标分子进行定性定量分析。

在未来物联网医疗背景下，基于离子敏感场效晶体管(Ion Sensitive Field-Effect Transistor，简称ISFET)技术的晶体管生化传感器，因自身的低 成本、可快速检测、高灵敏度、高可靠性、信号可数字化等特性，在POCT、 现场即时探测等应用领域均拥有巨大的潜在发展空间。

但是，现有的晶体管传感器由于其阈值电压、亚阈值摆幅、开关电流、 栅极漏电流等基本电特性不足等问题的影响，导致传感器的灵敏度和可靠性 仍存在许多方面的改进。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种目标分子检测晶体管传感器及 其制备方法，以解决现有晶体管传感器由于基本电特性不足等导致的灵敏度 低、可靠性差等问题。

本发明提供的目标分子检测晶体管传感器，包括：基底以及依次设置在 基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，在氧化埋层上设置有基于顶部半 导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具有反复交叉点的 网状纳米线结构沟道；在氧化埋层上还设置有位于漏区和源区之间的至少一 个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅；从漏区、源区和参考栅上 分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在参考栅 或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。利用上述发明能够兼容CMOS半导体工艺，简化工艺流程，降低制造成本。

此外，可选的技术方案是，网状纳米线结构沟道为规则分布的网孔结构， 网孔结构包括纳米线以及由纳米线构成的网孔；其中，网孔的形状包括六角 形、四角形、三角形、圆形、多角形、长条形中的任意一种或至少两种的组 合形状。

此外，可选的技术方案是，网孔的孔径范围为100nm～100μm；纳米线的 宽度范围为5nm～1μm。

此外，可选的技术方案是，在网状纳米线结构沟道的外表面设置有栅氧 化层，扩展栅设置在栅氧化层的外围并覆盖栅氧化层；并且，扩展栅包括扩 展栅极和沟道栅极。

此外，可选的技术方案是，沟道栅极对网状纳米线结构沟道呈环绕栅结 构或鳍式栅结构。

此外，可选的技术方案是，顶部半导体层的材质包括：硅、锗、含硅化 合物半导体、含锗化合物半导体；并且，顶部半导体层的类型包括本征型、n 型或p型。

此外，可选的技术方案是，顶部半导体层的厚度为10nm～500nm。

此外，可选的技术方案是，参考栅和扩展栅的表面积的级别范围为平方 纳米级别至平方厘米级别。

此外，可选的技术方案是，扩展栅的材质包括多晶硅、非晶硅、锗、含 硅化合物半导体、含锗化合物半导体、银、金、铝、钛、氧化铟锡、氮化钛。

此外，可选的技术方案是，受体包括抗体、核酸适配体、肽、蛋白质、 脱氧核糖核酸、核糖核酸、氨基酸、纳米粒子、纳米薄膜中的任意一种或是 至少任意两种的混合体。

另一方面，本发明还提供一种目标分子检测晶体管传感器的制备方法， 用于制备上述目标分子检测晶体管传感器，方法包括：形成衬底，衬底包括 基底以及依次设置在基底上的氧化埋层和顶部半导体层；在顶部半导体层上 光刻定义参考栅、漏区、源区，以及位于漏区和源区之间的网状纳米线结构 沟道，并刻蚀掉除参考栅、漏区、源区以及网状纳米线结构沟道所在区域外 的顶部半导体层结构，形成有源工作区；通过热氧化或沉积工艺，在网状纳 米线结构沟道的表面形成栅氧化层；在栅氧化层之上沉积扩展栅层，并光刻 定义包括扩展栅极和沟道栅极的扩展栅，刻蚀或剥离去除扩展栅以外的结构 层；在漏区、源区、参考栅通过离子注入与退火工艺，提高漏区、源区、参 考栅的电导率；在漏区、源区以及参考栅的上方光刻定义金属层区域，并通 过沉积金属层工艺以及刻蚀或剥离金属层工艺引出对应的传输线，形成对应 的漏极、源极和参考栅极；通过沉积和光刻工艺以及刻蚀或剥离工艺，覆盖 传输线表面形成绝缘护层，在网状纳米线结构沟道、扩展栅、参考栅表面形成探测口。

在扩展栅和参考栅的其中之一的表面形成生化表面修饰薄膜层，另一个 的表面设置电极薄膜层；在生化表面修饰薄膜层的表面固定可选择性捕捉目 标分子的受体。

利用上述目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，通过在氧化埋层上 设置基于顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在漏区和源区之间且具 有反复交叉点的网状纳米线结构沟道，然后在氧化埋层上设置位于漏区和源 区之间的至少一个参考栅以及覆盖网状纳米线结构沟道的扩展栅，从离子注 入后的漏区、源区和参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极 和参考栅极；并且，在参考栅或扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性 捕捉目标分子的受体，能够采用传统工艺制备网状纳米线结构沟道，简化制备工艺，降低制造成本；此外，可通过网状纳米线结构沟道提高沟道电极与 沟道的接触表面积，进而提高对沟道可控性以及对微小电信号变化的灵敏度， 提高晶体管传感器的可靠性、检测精度，并可实现对多种不同目标分子的同 时检测。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细 说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然 而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。 此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发 明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1a为根据本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的立体图；

图1b为图1a中沿A-A处的剖面图；

图2为根据本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的制备方法流程 图；

图3a为根据本发明实施例的衬底形成的俯视图；

图3b为图3a中沿A-A’处的剖面图；

图4a为根据本发明实施例的形成有源工作区的俯视图；

图4b为图4a中沿A-A’处的剖面图；

图4c为图4a中沿B-B’处的剖面图；

图5a为根据本发明实施例的栅氧化层的俯视图；

图5b为图a中沿A-A’处的剖面图；

图5c为图5a中沿B-B’处的剖面图；

图6a为根据本发明实施例的扩展栅的俯视图；

图6b为图6a中沿A-A’处的剖面图；

图6c为图6a中沿B-B’处的剖面图；

图7a为根据本发明实施例的离子注入的俯视图；

图7b为图7a中沿A-A’处的剖面图；

图7c为图7a中沿B-B’处的剖面图；

图8a为根据本发明实施例的金属层的俯视图；

图8b为图8a中沿A-A’处的剖面图；

图8c为图8a中沿B-B’处的剖面图；

图9a为根据本发明实施例的绝缘护层的俯视图；

图9b为图8a中沿A-A’处的剖面图；

图9c为图8a中沿B-B’处的剖面图；

图10a为根据本发明实施例的生化表面修饰薄膜层的俯视图；

图10b为图10a中沿A-A’处的剖面图；

图10c为图10a中沿B-B’处的剖面图；

图11a为根据本发明实施例的受体的俯视图；

图11b为图11a中沿A-A’处的剖面图；

图11c为图11a中沿B-B’处的剖面图；

图12a为根据本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器多参考栅的结 构示意图；

图12b为图12a的俯视图。

其中的附图标记包括：基底10、氧化埋层11、顶部半导体层12、网状纳 米线结构沟道13、栅氧化层14、源区15、漏区16、扩展栅21、扩展栅极21 (a)、沟道栅极21(b)、参考栅22、电极薄膜层31、金属层32、绝缘护层 33、探测口40、生化表面修饰薄膜层51、受体61、受体61(a)、受体61(b)、 受体61(c)、目标分子62、目标分子为62(a)、目标分子为62(b)、目标分 子为62(c)。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全 面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节 的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例， 公知的结构和设备以方框图的形式示出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长 度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水 平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周 向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有 特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

为详细描述本发明的目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，以下将 结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1a和图1b分别从不同角度示出了根据本发明实施例的目标分子检测 晶体管传感器的示意结构。

如图1a和图1b共同所示，本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器， 包括基底10以及依次设置在基底10层上的氧化埋层和顶部半导体层12；其 中，在氧化埋层11上设置有基于顶部半导体层12形成的漏区16、源区15， 以及设置在漏区16和源区15之间且具有反复交叉点的网状纳米线结构沟道 13；在氧化埋层11上还设置有位于漏区16和源区15之间的至少一个参考栅 22以及覆盖网状纳米线结构沟道13的扩展栅21；从漏区16、源区15和参考 栅22上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，在 参考栅22或扩展栅21的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子62 的受体61，通过受体61捕捉目标分子62，被捕捉的目标分子62因自身携带 的电荷种类和大小影响网状纳米线结构沟道13内的电导特性，最终可通过晶 体管传感器的参数变化，对目标分子62进行分析。

具体地，在本发明的目标分子检测晶体管传感器中，网状纳米线结构沟 道13可设置为规则分布的网孔结构，网孔结构包括纳米线以及由纳米线构成 的若干个网孔；其中，网孔的形状可包括六角形、四角形、三角形、圆形、 多角形、长条形中的任意一种或至少两种的组合形状，该结构的沟道相比单 一直线纳米线或阵列直线纳米线而言，不会因某条纳米线在工艺上或者质量 上发生的缺陷而影响整个晶体管的电特性，能够提高晶体管传感器的可靠性。

作为具体示例，在网状纳米线结构沟道13的外表面还设置有栅氧化层14， 扩展栅21设置在栅氧化层14的外围并覆盖栅氧化层14；并且，扩展栅21进 一步包括扩展栅极21(a)和沟道栅极21(b)，沟道栅极21(b)对网状纳米 线结构沟道13可呈环绕栅结构或鳍式栅等多种结构，能够提高沟道电极与沟 道的接触表面积，提高网状纳米线结构沟道13的可控性，达到提高沟道对微 小电信号变化的灵敏度的效果。

此外，上述网状纳米线结构沟道13的网孔的孔径范围可设置为 100nm～100μm，而纳米线的宽度范围可设置为5nm～1μm，能够在提高沟道面 容比的情况下，简化传感器制造工艺，降低整体成本，奠定正在ISFET为基 础的半导体传感技术领域的应用前景。

在本发明的一个具体实施方式中，作为顶部半导体层12的材质可选用： 硅、锗、含硅化合物半导体、含锗化合物半导体等多种类型的半导体材料； 并且，顶部半导体层12的类型可包括本征型、n型或p型中的任意一种，具 体可根据晶体管传感器的应用环境以及需求进行灵活选取及调整。

其中，顶部半导体层12的厚度可设置为10nm～500nm。

此外，位于漏区16和源区15之间的参考栅22以及覆盖网状纳米线结构 沟道13的扩展栅21的表面积的级别范围为平方纳米级别至平方厘米级别； 另外，扩展栅21的材质可选用多晶硅、非晶硅、锗、含硅化合物半导体、含 锗化合物半导体、银、金、铝、钛、氧化铟锡、氮化钛等；换言之，扩展栅 层的材质可选用多晶硅、非晶硅、锗、及以它们各自化合物形式的半导体材 质中的任意一种，或为银、金、铝、钛等金属材质中的任意一种，或为氧化 铟锡(ITO)、氮化钛(TiN)等导体金属化合物中的任意一种等。

进一步地，位于网状纳米线结构沟道13的外表面和扩展栅21之间的栅 氧化层14可以选用二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化铪中任意一种绝缘层 或混合绝缘层，栅氧化层14的厚度可以为1nm～50nm；此外，也可根据需求 设置一个或两个以上的参考栅。使用多个参考栅的结构，一方面能够针对多 种不同检测目标分子，在多个参考栅表面分别固定对应的受体61，可以同时 检测多种不同种类的目标分子；另一方面能够针对一种检测目标分子，在多 个参考栅表面分别固定多种对应的受体61，提高晶体管传感器对目标分子的 选择性、灵敏度。

需要说明的是，上述参考栅22可以直接形成在衬底上，也可以从外部引 入，例如，在生物分子检测中，可利用电解液进行电学信号连接，此时的参 考栅22也可以为外部能够实现参考栅功能的结构形式等。

在本发明的另一具体实施方式中，设置在参考栅22或者扩展栅21的表 面的受体61可包括抗体、核酸适配体、肽、蛋白质、脱氧核糖核酸、核糖核 酸、氨基酸、纳米粒子、纳米薄膜中的任意一种或是至少任意两种的混合体 等，根据需要进行检测的目标分子62可设置对应的受体，可知，本发明并不 限于上述几种类型的受体，也可根据检测的具体需求，设置其他的受体类型。

与上述目标分子检测晶体管传感器相对应地，本发明还提供一种目标分 子检测晶体管传感器的制备方法，用于制备上述目标分子检测晶体管传感器。

具体地，图2示出了根据本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的 制备方法的示意流程。

如图2所示，本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的制备方法， 主要包括：

S11：形成衬底，衬底包括基底以及依次设置在基底上的氧化埋层和顶部 半导体层；

S12：在顶部半导体层上光刻定义参考栅、漏区、源区，以及位于漏区和 源区之间的网状纳米线结构沟道，并刻蚀掉除参考栅、漏区、源区以及网状 纳米线结构沟道所在区域外的顶部半导体层结构，形成有源工作区；

S13：通过热氧化或沉积工艺，在网状纳米线结构沟道的表面形成栅氧化 层；

S14：在所述栅氧化层之上沉积扩展栅层，并光刻定义包括扩展栅极和沟 道栅极的扩展栅，刻蚀或剥离去除扩展栅以外的结构层；

S15：在漏区、源区和参考栅处进行离子注入并退火工艺处理，以提高所 述漏区、源区和参考栅的电导率；

S16：在所述漏区、源区、参考栅之上光刻定义金属层区域，并通过沉积 金属层工艺以及剥离或刻蚀金属层工艺，引出金属传输线，分别形成源极、 漏极、参考栅极；

S17:通过沉积和光刻工艺以及刻蚀或剥离工艺，覆盖传输线表面形成绝 缘护层，在网状纳米线结构沟道、扩展栅、参考栅表面形成探测口；

S18:在所述扩展栅和参考栅之中，选其中之一表面形成生化表面修饰薄 膜层，另一个表面留为电极薄膜层；

S19：在所述生化表面修饰薄膜层表面固定可选择性捕捉目标分子的受 体。

作为具体示例，以下将结合附图对上述目标分子检测晶体管传感器的制 备方法进行详细阐述。

图3a示出了本发明实施例的衬底形成的俯视结构，图3b示出了图3a沿 A-A’处的剖面结构。

如图3a和图3b共同所示，对应上述步骤S11，首先在基底10层上设置 氧化埋层11，然后在氧化埋层11上设置顶部半导体层12，基底10、氧化埋 层11和顶部半导体层12配合形成顶层为工作半导体层的衬底结构。

其中，衬底可以为硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底、玻璃上硅衬底中的 一种，或者，是通过在硅衬底上顺次热氧化形成氧化埋层11和沉积形成顶部 半导体层12形成的衬底结构。此外，所述氧化埋层11用于电绝缘顶部半导 体层12和基底10，氧化埋层11的厚度可以是50nm-5um。

图4a示出了根据本发明实施例的形成有源工作区的俯视结构，图4b示 出了图4a中沿A-A’的剖面结构，图4c示出了图4a中沿B-B’的剖面结构。

如图4a至图4c共同所示，对应上述步骤S12，在顶部半导体层12上光 刻定义参考栅22、漏区16、源区15以及位于所述漏区16和所述源区15之 间的网状纳米线结构沟道13等区域，并刻蚀去除所述光刻定义区域以外的顶 部半导体层的结构，形成有源工作区。

在该实施例中，可以在顶部半导体层12表面利用沉积或热氧化工艺形成 5nm～50nm厚的硬掩模层，其中，所述硬掩模层可以为二氧化硅、氮化硅等硅 化物中的任意一种，所述有源工作区的形成是通过极紫外光刻、深紫外光刻、 紫外光刻、电子束光刻、纳米压印光刻、接触式光刻等光刻工艺与电感耦合 等离子体刻蚀、反应离子刻蚀等干刻蚀工艺相结合实现的。

可知，具体的光刻以及刻蚀工艺可结合具体要求进行灵活选取。

图5a示出了根据本发明实施例的形成栅氧化层的俯视结构，图5b示出 了图5a中沿A-A’处的剖面结构，图5c示出了图5a中沿B-B’处的剖面结构。

如图5a至5c共同所示，对应上述步骤S13，可通过热氧化或沉积工艺， 在网状纳米线结构沟道13的表面形成栅氧化层14。其中，在栅氧化层14形 成之前，可利用热氧化工艺在所述网状纳米线结构沟道13的表面形成厚度为 5nm～50nm的牺牲氧化层(Sacrificeoxide layer)；然后，再用湿法刻蚀去除所 述牺牲氧化层，进一步对网状纳米线结构沟道13的宽度进行打薄处理，同时 还可对在有源工作区的刻蚀过程中受损的所述网状纳米线结构沟道的表面进 行剥离并修复。

此外，在所述栅氧化层14形成之前，还可以针对所述网状纳米线结构沟 道13之下的氧化埋层11，进行湿法或干法刻蚀并部分保留或不保留所述氧化 埋层11，使得所述网状纳米线结构沟道13成为部分悬空或完全悬空的结构， 从而进一步提高所述沟道栅极21(b)与所述网状纳米线结构沟道13的接触 表面积。

图6a示出了根据本发明实施例的扩展栅的俯视结构，图6b示出了图6a 中沿A-A’处的剖面结构，图6c示出了图6a中沿B-B’处的剖面结构。

如图6a至图6c共同所示，在本发明的目标分子检测晶体管传感器的制备 方法中，对应上述步骤S14，在栅氧化层14之上继续沉积扩展栅21层，光刻 定义包含扩展栅极21(a)和沟道栅极21(b)的扩展栅21区域，并通过刻蚀或剥 离形成扩展栅21结构。

在本实施例中，当所述扩展栅21层属于半导体材质时，其类型可以为本 征型、n型或p型，且所述扩展栅21的表面积可以为平方纳米级别～平方厘米 级别。其中，所述沟道栅极21(b)和扩展栅极21(a)通过电学连接，所述沟道栅 极21(b)是围绕所述网状纳米线结构沟道13的区域，用于施加电学信号， 而所述扩展栅极21(a)是形成在所述网状纳米线结构沟道13以外的区域以增 加对所述参考栅22电学信号的感应面积，或者所述受体固定在所述扩展栅21 时可以提高所述受体与所述目标分子62的反应面积。

需要说明的是，在具体应用过程中，还可根据晶体管传感器的设计需要， 省略所述扩展栅21的形成步骤，因为在特殊的应用场合中，可以不需要扩展 栅的结构，因此也可以省略其形成的步骤。

在本发明的一个具体实施方式中，为提高漏区16、源区15和参考栅22 的电导率，还可以在对应的区域进行离子注入处理。

具体地，图7a示出了根据本发明实施例的离子注入的俯视示意结构，图 7b示出了图7a中沿A-A’处的剖面结构，图7c示出了图7a中沿B-B’处的剖 面结构。

如图7a至图7c共同所示，在本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器 的制备方法中，对应上述步骤S15，可以在漏区16、源区15和参考栅22处， 进行离子注入并退火工艺，在本实施例中，所述离子注入之前，还可以利用 热氧化或沉积工艺在漏区16、源区15和扩展栅21上形成厚度为5nm～50nm 的氧化层，使得扩展栅21与漏区16、源区15之间形成电绝缘，并且以避免 所述离子注入过程中，所述漏区16、源区15、扩展栅21以及参考栅22的表面受损，以及避免退火过程中已经掺杂的离子向空气溢出。

此外，可根据所述目标分子62携带的电荷种类，在所述漏区16、源区 15以及参考栅22中注入对应的离子类型，例如n型或p型。此外，也可根据 晶体管传感器设计需要，针对所述网状纳米线结构沟道13或所述扩展栅21 进行离子注入。

图8a示出了根据本发明实施例的金属层的俯视示意结构，8b示出了图 8a中沿A-A’处的剖面结构，图8c示出了图8a中沿B-B’处的剖面结构。

如图8a至8c共同所示，本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的制 备方法中，对应步骤S16，在漏区16、源区15、参考栅22之上光刻定义金属 层32区域，并通过沉积金属层工艺以及剥离或刻蚀金属层工艺，从对应的漏 区16、源区15、参考栅22上引出金属传输线，分别形成对应的漏极、源极 和参考栅极。

图9a示出了根据本发明实施例的绝缘护层的俯视结构，9b示出了图9a 中沿A-A’处的剖面结构，图9c示出了图9a中沿B-B’处的剖面结构。

如图9a至9c共同所示，在本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器的 制备方法中，对应步骤S17，通过沉积和光刻工艺以及刻蚀或剥离工艺，覆盖 传输线表面形成绝缘护层33，在网状纳米线结构沟道、扩展栅、参考栅表面 形成探测口40。

在该实施例中，所述绝缘护层33可以为绝缘光刻胶、绝缘聚合物等有机 绝缘层，或可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝中任意一种绝缘层，通过绝缘 护层33能够防止测量液体等与各金属区域导通而导致短路，确保检测的准确 性。

图10a示出了根据本发明实施例的生化表面修饰薄膜层的俯视结构，10b 示出了图10a中沿A-A’处的剖面结构，图10c示出了图10a中沿B-B’处的剖 面结构。

如图10a至10c共同所示，在本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器 的制备方法中，对应步骤S18，在所述扩展栅21和参考栅22之中，选其中之 一表面形成生化表面修饰薄膜层51，另一个表面留为电极薄膜层31。

在本实施例中，所述生化表面修饰薄膜层51材质可以为二氧化硅、氮化 硅、氧化铝、二氧化铪、氧化锡、氧化锡铟、氮化钛、氮化铟、氮化铟镓等 氧化物、氮化物、金属氧化物或金属化合物中的一种，或者可以为终端带有 巯基(-SH)的银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、铝(Al)等金属中的一种，或 者可以为终端带有氨基(-NH2)的聚对二甲苯-A(parylene-A)、终端带有醛 基(-CHO)的聚对二甲苯-C(parylene-C)或终端带有醛基(-CHO)的聚对 二甲苯-H(parylene-H)的聚对二甲苯薄膜中的一种，或者可以为蛋白A(protein A)、蛋白G(protein G)或蛋白L(protein L)中的一种，或者可以为以上所 述材质中的混合构成的薄膜层，或者也可以是通过化学处理方法在所述扩展 栅21或参考栅22表面终端形成的醛基(-CHO)层或羧基(-COOH)层。另 外，所述电极薄膜层31材质可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、二氧化铪、 氧化锡、氧化锡铟、氮化钛、氮化铟、氮化铟镓、氯化银等氧化物、氮化物、 金属氧化物或金属化合物中的一种，或者可以为银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)、 铝(Al)、氯化银(AgCl)等金属或金属化合物中的一种薄膜层。

可知，具体的电极薄膜层31或生化表面修饰薄膜层51的材质可根据应 用场场景或需求进行灵活设置及调整。

图11a示出了根据本发明实施例的受体的俯视结构，11b示出了图11a中 沿A-A’处的剖面结构，图11c示出了图11a中沿B-B’处的剖面结构。

如图11a至11c共同所示，在本发明实施例的目标分子检测晶体管传感器 的制备方法中，对应步骤S19，在上一步骤的生化表面修饰薄膜层51的表面 固定可选择性捕捉目标分子62的受体61，受体61的个数可设置多个。

在本发明的另一具体实施方式中，参考栅可设置多个，进而在多个参考 栅上分别设置受体。具体地，图12a和图12b分别从不同角度示出了根据本 发明实施例的多参考栅的示意结构。

如图12a和图12b共同所示，本发明实施例的目标分子检测晶体管传感 器，可在上述实施例的基础上增设参考栅的个数，所述参考栅22部分为包含 两个以上所述参考栅22的参考栅列，并在所述参考栅列的每个所述参考栅22 表面通过生化表面修饰过程固定不同的受体61，包括受体61(a)、受体61 (b)和受体61(c)；其中，当受体61(a)对应的目标分子为62(a)，受体61(b)对应的目标分子为62(b)，受体61(c)对应的目标分子为62(c) 时，能够通过多个参考栅及多个受体，实现对不同目标分子的分别检测和同 时检测；当不同受体61(a)，61(b)61(c)都对应同一目标分子62时，实 现对目标分子的高度选择性和准确性检测。

此外，目标分子检测晶体管传感器的其他制备工艺流程不变，可参考上 述实施例中的描述，此处不再一一赘述。

利用本发明提供的目标分子检测晶体管传感器进行检测时，可依次向各 所述参考栅22施加栅极电压并监测所述漏极电流的变化。当所述目标分子62 的种类为多个，其中所述目标分子62会被对应的所述受体61捕捉，并影响 所述受体61所在的所述参考栅22的电压，从而有使所述漏极电流产生变化。 通过观测使所述漏极电流产生变化的所述参考栅22，可以识别检测环境内存 在的所有的所述有目标分子62，并对它们进行定性定量分析。

本发明提供的基于网状纳米线沟道的目标分子检测晶体管传感器，具有 如下有益效果：

(1)采用自顶向下的与传统CMOS半导体工艺相兼容的方法制备网状纳 米线结构沟道，简化工艺，便于量产，且成本低，能够奠定其在以ISFET为 基础的半导体传感技术领域的应用前景。

(2)网状纳米线结构沟道13相比传统平面沟道或直线纳米线沟道拥有 更高的面容比(surface-to-volume ratio)，并且所述网状纳米线结构沟道13的 每条纳米线成环绕栅或鳍式栅结构，能够提高沟道栅极21(b)与沟道的接触 表面积以及对其可控性，从而提高沟道对微小电信号变化的灵敏度。

(3)网状纳米线结构沟道13相比单一直线纳米线或阵列直线纳米线沟 道在电路角度来说是多路混合复用，不会因某条纳米线在工艺上或者质量上 发生的缺陷而影响整个晶体管的电特性，能够提高晶体管以及晶体管传感器 的稳定性。

(4)利用大表面积的扩展栅21或参考栅22作为捕捉目标分子62的反 应区，可大幅度增加传感器与目标分子62的反应面积，提高反应几率以及放 大反应信号，从而提高晶体管传感器对微量信号的捕捉能力，即改善对目标 分子62的检测下限和灵敏度。

(5)使用多个参考栅22的结构，一方面针对多种不同检测目标分子62， 在多个参考栅22表面分别固定对应受体61，可以同时检测多种不同目标分子 62；另一方面针对一种检测目标分子62，在多个参考栅22表面分别固定多种 对应受体61，可以提高传感器对目标分子62的选择性、灵敏度。因此实现了 晶体管传感器在多传感的应用。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的目标分子检测晶体管传感 器及其制备方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出 的目标分子检测晶体管传感器及其制备方法，还可以在不脱离本发明内容的 基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的 内容确定。

Claims (11)

1.一种目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，包括：基底以及依次设置在所述基底上的氧化埋层和顶部半导体层；其中，

在所述氧化埋层上设置有基于所述顶部半导体层形成的漏区、源区，以及设置在所述漏区和所述源区之间且具有反复交叉点的网状纳米线结构沟道；

在所述氧化埋层上还设置有位于所述漏区和所述源区之间的至少一个参考栅以及覆盖所述网状纳米线结构沟道的扩展栅；

从所述漏区、所述源区和所述参考栅上分别引出金属传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；并且，

在所述参考栅或所述扩展栅的表面固定设置有至少一个可选择性捕捉目标分子的受体。

2.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述网状纳米线结构沟道为规则分布的网孔结构，所述网孔结构包括纳米线以及由所述纳米线构成的网孔；其中，

所述网孔的形状包括六角形、四角形、三角形、圆形、多角形、长条形中的任意一种或至少两种的组合形状。

3.如权利要求2所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述网孔的孔径范围为100nm～100μm；

所述纳米线的宽度范围为5nm～1μm。

4.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

在所述网状纳米线结构沟道的外表面设置有栅氧化层，所述扩展栅设置在所述栅氧化层的外围并覆盖所述栅氧化层；并且，

所述扩展栅包括扩展栅极和沟道栅极。

5.如权利要求4所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述沟道栅极对所述网状纳米线结构沟道呈环绕栅结构或鳍式栅结构。

6.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述顶部半导体层的材质包括：硅、锗、含硅化合物半导体、含锗化合物半导体；并且，

所述顶部半导体层的类型包括本征型、n型弧或p型。

7.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述顶部半导体层的厚度为10nm～500nm。

8.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述参考栅和所述扩展栅的表面积的级别范围为平方纳米级别至平方厘米级别。

9.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述扩展栅的材质包括多晶硅、非晶硅、锗、含硅化合物半导体、含锗化合物半导体、银、金、铝、钛、氧化铟锡、氮化钛。

10.如权利要求1所述的目标分子检测晶体管传感器，其特征在于，

所述受体包括抗体、核酸适配体、肽、蛋白质、脱氧核糖核酸、核糖核酸、氨基酸、纳米粒子、纳米薄膜中的任意一种或是至少任意两种的混合体。

11.一种目标分子检测晶体管传感器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至10任一项所述的目标分子检测晶体管传感器，所述方法包括：

形成衬底，所述衬底包括基底以及依次设置在所述基底上的氧化埋层和顶部半导体层；

在所述顶部半导体层上光刻定义参考栅、漏区、源区，以及位于所述漏区和所述源区之间的网状纳米线结构沟道，并刻蚀掉除所述参考栅、所述漏区、所述源区以及所述网状纳米线结构沟道所在区域外的顶部半导体层结构，形成有源工作区；

通过热氧化或沉积工艺，在所述网状纳米线结构沟道的表面形成栅氧化层；

在所述栅氧化层之上沉积扩展栅层，并光刻定义包括扩展栅极和沟道栅极的扩展栅，刻蚀或剥离去除所述扩展栅以外的结构层；

在所述漏区、所述源区、所述参考栅通过离子注入与退火工艺，提高所述漏区、所述源区、所述参考栅的电导率；

在所述漏区、所述源区以及所述参考栅的上方光刻定义金属层区域，并通过沉积金属层工艺以及刻蚀或剥离金属层工艺引出对应的传输线，形成对应的漏极、源极和参考栅极；

通过沉积和光刻工艺以及刻蚀或剥离工艺，覆盖所述传输线表面形成绝缘护层，并在所述网状纳米线结构沟道、所述扩展栅、所述参考栅表面形成探测口；

在所述扩展栅和所述参考栅的其中之一的表面形成生化表面修饰薄膜层，另一个的表面设置电极保薄层；

在所述生化表面修饰薄膜层的表面固定可选择性捕捉目标分子的受体。

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