TW201322448A - 奈米網格通道鰭式場效電晶體及生物感測器 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種電晶體，其包含一源極區、一汲極區及連接該源極區與該汲極區之一奈米網格通道。該奈米網格通道包含連接該源極區與該汲極區之第一垂直通道區及第二垂直通道區。該第一垂直通道區及該第二垂直通道區在其間具有一空間。一交叉部件自該第一垂直通道區延伸至該空間中。

Description

奈米網格通道鰭式場效電晶體及生物感測器
本發明概言之係關於電晶體，且更特定而言，係關於鰭式FET或MuG-FET電晶體。
此申請案主張於2011年8月26日提出申請之美國臨時專利申請案第61/527,647號之權益，且以引用方式併入本文中。
鰭式FET電晶體採用連接一源極與汲極之一垂直通道或鰭。不同於平面電晶體，一閘極電極可在多個側上接觸鰭式FET電晶體之通道。因此，鰭式FET有時亦稱作一MuG(多閘極)FET。一鰭式FET可具有一個或複數個垂直通道。
垂直通道之曝露使得鰭式FET成為用於各種感測應用之一具吸引力候選者。已使用鰭式FET裝置演示某些類型之感測器。儘管此等感測器展示出極大前景，但仍需要繼續改良以使得此等裝置可用於各種各樣的應用中。
以下呈現一簡化概要，以便提供對本發明之一或多項態樣之一基本理解。此概要並非本發明之一擴展概述，且既不意欲識別本發明之關鍵性或決定性元件，亦不意欲描述其範疇。相反，該概要之主要目的係以一簡化形式呈現本發明之某些概念，以作為稍後所呈現之一更詳細說明之一前言。
一項態樣提供一種電晶體，例如，一鰭式FET或 MuGFET電晶體。該電晶體包含一源極區、一汲極區及連接該源極區與該汲極區之一奈米網格通道。該奈米網格通道包含連接該源極區與該汲極區之第一垂直通道區及第二垂直通道區。該第一垂直通道區及該第二垂直通道區在其間具有一空間。一交叉部件自該第一垂直通道區延伸至該空間中。
另一態樣提供一種(例如)用於形成一電晶體之方法。該方法包含在一基板上方形成一源極區及一汲極區以及形成連接該源極區與該汲極區之一奈米網格通道。該奈米網格通道包含連接該源極區與該汲極區且在其間具有一空間之第一垂直通道區及第二垂直通道區。一交叉部件自該第一垂直通道區延伸至該空間中。
在上述實施例中之某些實施例中，該交叉部件實體連接該第一垂直通道區與該第二垂直通道區。在某些此等實施例中，該交叉部件可包含減小透過該交叉部件在該第一垂直通道區與該第二垂直通道區之間之傳導之一低導電性區。在其他實施例中，該交叉部件可包含共用一共同n摻雜區或一共同p摻雜區之兩個PN接面，藉此實質上防止透過該交叉部件在該第一垂直通道區與該第二垂直通道區之間之傳導。
在某些實施例中，一個氧化物層(例如，氧化矽)下伏該第一垂直通道區及該第二垂直通道區。在某些此等實施例中，可自該第一垂直通道區及該第二垂直通道區下方移除該氧化物層之一部分。
在某些實施例中，一敏化層位於該奈米網格通道上。該敏化層經組態以與接觸該奈米網格通道之一目標分子物質相互作用，藉此改變該電晶體之一電參數。
在某些實施例中，該電晶體包含上覆該奈米網格通道之一介電質。一試樣通道可位於該介電質內且可曝露該奈米網格通道之一部分。
參考附圖闡述本發明之實施例。應理解，闡明眾多特定細節、關係及方法以提供對各種實施例之一理解。然而，熟習相關技術者將認識到可不藉助所揭示特徵中之一或多者、藉助某些其他特徵或藉由不同於所揭示方法之方法來實踐其他實施例，在某些例項中，未詳細展示眾所周知之結構或操作以避免使所闡述實施例之其他相關特徵模糊不清。
現在連同隨附圖示一起參考以下說明，其中貫穿各圖使用相同元件符號來指示類似或等效元件。該等圖可不按比例繪製且圖解說明本發明之非限制性實施例。
平面ISFET(離子敏感場效電晶體)已用於基於電地感測帶電荷分析物。在某些情形中，該等帶電荷分析物(例如，生物分子)可由於該分析物之分子結合至ISFET之閘極介電質之彼分析物而致使電晶體通道電導之一大改變。ISFET通常提供用於即時量測液體之pH值及對牛奶、啤酒、酸酪乳等進行線上品質監測之可靠電子生化感測器。
最近，已研發出具有多個奈米寬度通道(奈米通道)之鰭 式FET，其提供低至十億分之幾(ppb)(用於氣體偵測)及毫微微克/毫升(用於偵測溶液中之目標分子)之一偵測極限。例如，在於2011年9月28日提出申請且以全文引用方式併入本文中之PCT申請公開案第WO 2012/050873(「'873申請案」)中闡述了某些此類裝置。據信，鰭式FET通道之小寬度(例如，約100 nm或更小之一「奈米寬度」)使鰭式FET對所關注分析物具有高敏感度。此寬度可與用以形成該等奈米寬度通道之半導體(例如，矽)之Debye長度相當且與某些生物分子之大小相當。因此，當一所關注分子結合至通道時，在某些情形中，分子上之電荷可自通道之一部分掃掠多數電荷載子，從而有效地使通道不導電。在其他情形中，所結合分子可吸引多數電荷載子，藉此增加通道之導電性。
可藉由增加感測器區域來改良具有多個通道之一鰭式FET生物感測器之敏感度。可藉由增加通道之數目或藉由增加通道之長度來增加感測器區域。然而，此等選項中之任一者皆可增加習用鰭式FET感測器之區域及/或成本。另外，增加通道之長度亦可由於奈米寬度鰭之脆弱性質而導致可靠性問題。
預期本文中所闡述之本發明之實施例減輕習用鰭式FET裝置之此等缺陷且提供習用裝置不易提供之鰭式FET裝置之有利可組態性。
本文中及在申請專利範圍中，一鰭式FET係具有連接於一源極區與一汲極區之間的一垂直通道或「鰭」之一場效 電晶體。一鰭式FET係一類型之多閘極(MuG)FET或MuGFET。一鰭式FET可操作為(例如)一nMOS或pMOS增強模式鰭式FET、一nMOS或pMOS空乏模式鰭式FET或者一nMOS或pMOS Schottky障壁鰭式FET。一多鰭式FET係具有連接源極與汲極之複數個垂直通道之一鰭式FET。一奈米網格鰭式FET係具有包含通道分段之一通道之一鰭式FET，該等通道分段形成一個二維通道分段陣列或奈米網格。此一通道可稱作一「奈米網格通道」。該奈米網格通道之分段具有一奈米尺寸，例如，約100 nm或更小之一寬度。在此等尺寸下，此等分段可係本質脆弱的。
當垂直通道之寬度約等於或小於通道材料之Debye長度時，可藉由毗鄰通道(例如，位於一閘極電極上或直接位於一閘極介電層上)之一電荷來有效地關斷穿過該垂直通道之傳導。在感測器應用中，藉由使該通道對一所關注目標分子物質敏感而利用此原理。本文中，術語「分子物質」包含通常可不視為分子之離子物質，例如，Na+或Cl-。當分子物質結合至通道時，分子內之局部電荷亦可減小透過通道之傳導。經減小傳導可導致電晶體電特性之一可量測改變，從而指示目標分子物質之存在。
'873申請案中所闡述之某些結構及/或方法可適於製作或使用本申請案之類似結構及/或方法。圖1圖解說明根據本發明之一項非限制性實施例之一奈米網格鰭式FET電晶體100。電晶體100包含一基板105。該基板包含一處置基板110(或簡單地稱「處置件」110)及一介電層120。處置件 110不限於任何特定材料，但可包含(例如)諸如矽之一半導體。在某些實施例中，一矽晶圓提供在其上構造電晶體100之一便利處置件110，但實施例不限於此。在無限制且不喪失一般性之情況下，處置件110可在本文中稱作一矽基板110，或簡單地稱作基板110。
介電層120上覆基板110。介電層120亦不限於任何特定材料，且在一非限制性實施例中可係或包含二氧化矽，有時本文中亦稱作氧化矽。在各種實施例中，便利地將基板110及介電層120提供為一絕緣體上矽(SOI)晶圓。在此等實施例中，介電層可係(例如)可視情況熱生長於一矽晶圓上之二氧化矽。此一個氧化物層可通俗地稱作一「底部氧化物」或「BOX」層。然而，實施例不限於一熱生長氧化物層。舉例而言，在某些替代實施例中，介電層120可包含藉由任何合適方法(例如，電漿沈積)而形成於基板110(例如，一矽晶圓或其他合適基板)上方之另一介電材料(例如，SiN或SiON)。
電晶體100包含可係但未必係習用之源極區130及汲極區140。可自一半導體層(例如，單晶矽)形成且可自一SOI晶圓之矽層形成此等源極區及汲極區。一奈米網格通道150實體且電連接於源極區130與汲極區140之間。
奈米網格通道150包含可沿大體平行於源極130與汲極140之間的淨電流之一方向165之一方向延續之分段160。半導體分段170可沿不平行於淨電流之方向165之一方向(例如，在所圖解說明之實施例中約法向於分段160)延續。 分段170圖解說明為連接鄰近分段160，但實施例不限於此，如下文進一步所論述。在諸如所圖解說明之實施例之某些實施例中，分段160及分段170可形成經限界區域180。下文進一步論述此等區域。
在某些實施例中，介電層120可係在奈米網格通道150下方之一經局部化絕緣體。可藉由選擇性氧化奈米網格通道150之底部部分來形成該經局部化絕緣體，以隔離奈米網格通道150與基板。
電晶體100可包含一閘極電極(未展示)，該閘極電極有時稱作一偏壓線或偏壓板，其接近可包含(例如)一多晶矽電極或金屬電極之奈米網格通道150。在此上下文中，「接近」(proximate)意指貼近或極靠近。該電極可經加偏壓以改變奈米網格通道150之一操作特性，例如，電導。在某些感測器應用之情形中，電極可用以充電結合至奈米網格通道之一分析物，此又可改變奈米網格通道150之電導。在某些實施例中，電極可用以將電晶體100加偏壓成增強對一分析物之存在之敏感度之一操作適配體型態。下文進一步論述此態樣。在'873申請案中亦進一步闡述閘極電極之某些實施例之各種態樣。
圖11A至圖11C圖解說明其中一鰭式FET電晶體1100包含一感測器分子塗層之實施例。在圖11A中，一感測器分子塗層1110可形成於奈米網格通道150之大部分上。在此區域內，可係或包含(例如)抗體、適配體、受體、DNA或酶之感測器分子附著至奈米網格通道之閘極介電質。在某些 情形中，諸如一有機矽烷之界面分子首先附著至閘極介電質，且然後感測器分子附著至界面分子。
圖11B展示穿過奈米網格通道150之分段160中之一者之一截面圖。一閘極介電質1120覆蓋分段160。該閘極介電質可係(例如)藉由一熱氧化程序產生之一熱氧化物。感測器分子塗層1110上覆閘極介電質1120。感測器分子塗層1110包含可經組態以優先結合至一特定目標分子之複數個感測器分子。在所圖解說明之實施例中，存在三種不同目標分子1130、1140及1150。目標分子1130及1140示意性圖解說明為與感測器分子不相容。目標分子1150示意性圖解說明為與感測器分子相容。展示其中一目標分子1150已結合至一對應感測器分子之三個例項。
感測器分子可附著至一鰭式FET之閘極介電質。當感測器分子與其目標分子結合時，可改變圍繞鰭式FET電晶體之通道之電荷。此電荷改變可導致鰭式FET電晶體通道之電導改變。當(例如)使用一閘極電極或加偏壓板在子臨限區中加偏壓於鰭式FET生物感測器電晶體時，來自附著至圍繞鰭式FET奈米通道之感測器分子之目標分子之電荷的一線性改變可導致鰭式FET奈米通道之電導之一對數改變。'873申請案中提供額外細節。
在圖11C中，除奈米網格通道150外之區域可塗佈有抗黏附保護分子1125。預期諸如聚乙二醇(PEG)封端之自組裝單層(SAM)、苯封端之SAM、碳氟矽烷、牛血清白蛋白(BSA)等之抗黏附分子實質上防止目標分子吸附至此等表面且導致 試樣溶液或試樣氣體中之目標分子之一濃度改變。在'873申請案中闡述製作及使用諸如鰭式FET電晶體1100之鰭式FET感測器之額外態樣。
在本文中所闡述之各種實施例中，奈米網格通道包含一個二維通道分段陣列。圖2A至圖2C圖解說明根據各種實施例之通道分段陣列之非限制性及非排外性態樣。
圖2A圖解說明定向於經展示用於參考而非限制之一x-y座標平面中之指定為奈米網格通道210a之一奈米網格通道的一實施例。奈米網格通道210a包含半導體分段220-1、半導體分段220-2以及半導體分段230-1及半導體分段230-2。可沿源極130與汲極140之間的淨電流之方向定向分段220。分段220-1及分段220-2具有一寬度W且藉由一空間S而分離。寬度W可係約100 μm或更小，例如，一奈米寬度。空間S不限於任何特定值，且在某些情形中可實質上大於100 nm。分段220-1及分段220-2可由於具有約100 nm或更小之一寬度而稱作「奈米線」。在所圖解說明之實施例中，平行於參考座標軸之y軸定向分段230-1及分段230-2。分段230-1及分段230-2亦可係奈米線。平行於座標軸之x軸定向分段230-1及分段230-2。因此，約法向於分段230定向分段220。然而，如下文進一步所論述，實施例不限於分段220與分段230之此正交放置。
在圖2A中，分段230-1及分段230-2並不連接分段220-1及分段220-2。因此，儘管分段220-1及分段220-2在其端處電及機械連接至源極130及汲極140，但其不以其他方式連 接。
分段230-1及分段230-2可以以下方式中之一或多者操作。第一，此等分段可提供機械支撐至分段220-1及分段220-2。第二，在其中電晶體100用作一化學感測器之實施例中，分段230-1及分段230-2可修改奈米網格通道210a與一目標分子物質源(例如，諸如水之一溶劑)之間的相互作用。第三，通道分段230-1及通道分段230-2可修改奈米網格通道150對目標分子物質之電回應。舉例而言，結合至分段230-1之一目標分子可(例如)藉由電子接近產生一電子回應，該電子回應在該目標分子僅可直接結合至分段220-1時通常不可達成。
圖2B圖解說明其中一分段250自分段220-1延伸至分段220-2之指定為210b之另一實施例。因此，可藉由分段250來電及機械連接分段220-1與分段220-2。據信，分段250可機械強化分段220-1及分段220-2，從而減小由(例如)與可能承載目標分子物質之一流體之應力或相互作用而導致之使此等分段斷裂的機會。亦據信，分段250之多個例項可在分段220-1與分段220-2之間提供多個導電路徑。因此，舉例而言，奈米網格通道150可表現出類似於一電阻器梯之行為。
圖3示意性圖解說明包含諸如用以形成電阻性元件R之一規則陣列之分段220及分段250之多個例項之奈米網格通道210b。分段220及分段250之存在增加可用以與目標分子物質相互作用之奈米網格通道150之表面積。此外，據信， 與一類似多鰭鰭式FET相比，分段220及分段250之陣列可更改電晶體100對某些目標分子物質之電回應。在無理論限制之情況下，可藉由奈米網格通道210b之多個電阻性路徑之相互作用或藉由使得經限界區域180足夠小以排除高於一特定大小之分子來改變該回應。最後，預期奈米網格通道150將由於結構之二維穩定性而對機械應力相對穩健。
圖2C圖解說明其中一分段260連接兩個分段(分段220-1與分段220-2)之指定為210c之一奈米網格通道之一實施例。在此實施例中，該等分段如圖2b中配置。然而，分段260包含至少部分地減小透過分段260之導電性之一阻擋元件270。
圖4A及圖4B圖解說明包含阻擋元件270之分段260之實例性實施例。在圖4A中，分段260包含(例如)p+摻雜矽部分410。部分410中之每一者皆展示具有一電阻R1。阻擋元件270實施為具有一電阻R2>>R1之一高電阻部分420。
在圖4B中，分段260之部分430經摻雜為一種極性類型，例如，n型。阻擋元件270實施為經摻雜為與部分430相反之極性(例如，p型)之一部分440。在部分440與部分430之間之界面處的兩個p-n接面450可操作為共用一共同p型區之兩個二極體。另一選擇係，部分430可係p摻雜的且部分440可係n摻雜的以使得兩個二極體共用一共同n型區。在任一情形中，實質上防止透過分段260之DC傳導。
圖5圖解說明其中若干個阻擋元件270經定位以產生穿過 奈米網格通道510之平行導電路徑520a、520b及520c之指定為510之一奈米網格通道的一項非限制性實施例。阻擋元件270實質上防止一個路徑520與一鄰近路徑520之間的傳導。因此，在所圖解說明之實施例中，預期奈米網格通道510將表現出類似於一多鰭FET之電行為，同時受益於由分段170提供之增加之機械強度。舉例而言，一目標分子可結合至路徑520中之一者，從而導致由於剩餘路徑520之電阻增加。
圖6圖解說明其中阻擋元件270放置於奈米網格通道150中以形成自源極130至汲極140之一蛇形導電路徑610之另一實例性實施例。在其中期望將電晶體100組態為對一低濃度之目標分子物質之存在極為敏感之實施例中，蛇形路徑610可具有特定效用。舉例而言，當一目標分子在沿著導電路徑610之任一處結合至奈米網格通道510時，路徑610之電阻可隨所結合目標分子之數目而以指數方式增加。此電阻改變可反映於電晶體100之電特性中，指示目標分子之濃度。原則上，蛇形路徑610之長度不受限制，但實務上可受所要裝置大小限制。因此，經組態以包含蛇形路徑610之電晶體100可提供對一目標分子物質之極度敏感偵測，同時提供相對於(例如)平行鰭式FET之經改良機械穩定性。
可藉由(例如)在所要位置處將一或多種摻雜劑物質植入至奈米網格通道分段中來形成阻擋元件270。熟習半導體製造技術者熟悉可包含形成在所要植入位置處具有開口之 光阻劑圖案之此處理。可形成諸如奈米網格通道150之一般奈米網格通道且然後使用植入程序進行組態以將阻擋元件270放置於所要位置處。組態可包含(例如)形成一所要長度之一蛇形路徑、形成所要數目個平行導電路徑或此等態樣之一組合。奈米網格通道對結合至其之目標分子之敏感度之知識可指導設計者判定提供電晶體100對目標分子之一所要敏感度之一導電路徑組態。奈米網格通道之一般設計可減小原本可能需要(例如)以產生不同奈米網格通道設計來適應不同目標分子物質之處理成本。
圖7圖解說明包含一底切720之一單個奈米網格分段710之一實施例之一剖面。底切720可產生為用以形成奈米網格分段710之某些程序之一人造物。在習用多鰭鰭式FET中，不存在交叉部件(例如，分段230或分段250)可由於底切720導致之弱化而使鰭易於遭受脫層及損壞。預期分段230或分段250使奈米網格分段710顯著地穩定，藉此減小奈米網格分段710之脫層之風險。下文進一步論述此態樣。
圖8A至圖8E圖解說明各種不同奈米網格通道設計之非限制性實施例。此等實例性實施例圖解說明可根據一特定應用之要求而變化之奈米網格通道150之各種態樣。圖8A同樣圖解說明用於參考為配置於一x-y網格圖案中之奈米網格分段之一實例的奈米網格通道，其中在該等分段之間具有規則間隔。圖8B圖解說明其中分段可相對於彼此具有一銳角或鈍角以便形成一「金字塔形」網格之一奈米網格 通道810之一實施例。圖8C及圖8D分別展示包含正交奈米網格分段之奈米網格通道820及奈米網格通道830之實例。在此兩項實例中，該等奈米網格分段形成不同大小及關係之經限界區域。圖8E展示組合一多鰭FET與奈米網格通道810之銳角-鈍角分段之態樣之一實例性奈米網格840。
預期奈米網格通道150及奈米網格通道810至奈米網格通道840中之每一者之二維網格相對於習用多鰭FET裝置提供優越機械穩定性。此外，在某些情形中，預期藉由此等奈米網格所圖解說明之經限界區域之不同組態由於(例如)黏度及/或分子大小排斥性而提供對各種目標分子之不同敏感度。此等差異可因經限界區域之不同組態而影響對奈米網格之目標分子之敏感度。此態樣可為一設計者提供另一設計變數以判定電晶體100對各種目標分子之敏感度。
圖9A至圖9E圖解說明如圖8A至圖8E中所展示之相同奈米網格組態。然而，圖9A至圖9E之各奈米網格包含經組態以在源極130與汲極140之間提供一或多個導電路徑之阻擋元件270之多個例項。阻擋元件270可經定位以產生穿過該等所圖解說明之奈米網格之一或多個導電路徑來產生對目標分子之變化之敏感度之電晶體100。預期網格大小、分段長度及定向以及阻擋元件之放置等因素提供一整套有效設計變數以定製電晶體100之設計來達成電晶體100對各種目標分子之一所要敏感度。此外，可修整電晶體100之效能以與諸如(例如)水、血液、尿液及牛奶等具有不同黏度之各種液體一起使用。
圖10圖解說明其中將一奈米網格通道1010曝露於一試樣溶液1020之一鰭式FET電晶體1000之一實施例。試樣溶液1020可包含奈米網格通道1010已經組態以回應於其之一或多種溶質。如下文所闡述，可使奈米網格通道1010對該(等)溶質之存在敏感。電晶體1000之電性質可回應於該(等)溶質之存在而改變。奈米網格通道1010可包含相互正交分段或相對於彼此形成銳角或鈍角之分段。奈米網格通道1010可包含阻擋元件270之放置以在源極130與汲極140之間形成一或多個導電路徑。奈米網格通道1010可藉此賦予電晶體1000在各種目標應用中可係有益之各種操作特性。
圖12A及圖12B分別展示根據本發明之另一實施例之一鰭式FET電晶體1200之一傾斜投影及一截面。在所圖解說明之實施例中，移除包含處置基板110及介電層120之一基板105之一部分。在所圖解說明之實施例中，該所移除部分在介電層120中奈米網格通道150下方形成一凹部1210。在此等實施例中，奈米網格通道150可闡述為「浮動」。在介電層120(例如，氧化矽)上方定位半導體層之前，可在介電層120中形成凹部1210，源極130、汲極140及奈米網格通道150係自該半導體層而形成。凹部1210可填充有一可選擇性移除材料(例如，氮化矽)且經平坦化。奈米網格通道150可形成於經填充奈米網格通道上方，且然後可移除可選擇性移除材料以允許一試樣溶液(未展示)在奈米網格通道150下方流動。以此方式，試樣溶液可在所有側上與 奈米網格通道150相互作用。
奈米網格通道150之經曝露底側可增加電晶體1200對所關注目標分子之敏感度。生物感測器1200之某些實施例亦可包含凹部1210，藉此增加與奈米網格通道150之底側接觸之試樣流體。
圖12C圖解說明其中移除基板105之一部分(例如介電層120)而自處置基板110之一背側110a產生一開口1260之一實施例，例如，一鰭式FET感測器1250。可使用可包含電漿蝕刻及/或濕式化學蝕刻技術之習用技術來形成開口1260。感測器1250可經組態以使得一試樣流體可垂直地流動(在圖之平面中)，如(舉例而言)藉由流1270所指示。在某些情形中，可在一感測器系統設計中更容易地組態或適應由感測器1250提供之垂直流動，從而減輕一感測器系統設計之約束。預期該垂直流動可顯著減小感測器1250之偵測時間，此乃因溶液中之目標分子僅需擴散自經限界區域180至奈米網格150之表面之一短距離，例如，局部擴散。據認為，可高度期望目標分子之局部擴散用於生物感測器，且本文中所闡述之奈米網格鰭式FET之某些實施例(例如，感測器1250)提供用於達成局部擴散之必要機械穩定感測元件，而習用鰭式FET通常不能提供。
圖14A至圖14D圖解說明所製作試樣裝置之態樣，該等所製作試樣裝置在無限制之情況下圖解說明本發明之態樣。圖14A及圖14B呈現圖解說明一鰭式FET感測器1400之顯微照片，該鰭式FET感測器包含連接一源極1420與一汲 極1430之一鰭式通道1410。鰭式通道1410缺乏諸如分段250之交叉部件。感測器1400包含形成於通道1410下方之一凹部，諸如凹部1210。
圖14A展示在製作之後但在曝露於諸如包含目標分子之液體試樣之一流體之前的感測器1400。在此圖中，變形之鰭1440係明顯的。據認為，此等變形係由通道1410之浮動鰭中之殘餘應力所導致。圖14B圖解說明在將鰭式通道1410曝露於一液體(例如，一水溶液)之後的感測器1400。顯而易見，鰭式通道1410之諸多鰭已破裂及/或發生位移。此圖清楚地圖解說明至少針對所圖解說明之實例，當在鰭式通道1410下方移除介電層120時，經形成而無交叉部件之鰭式通道1410在機械上太脆弱以致經受不住曝露於諸如水之一試樣液體。
圖14C圖解說明包含一奈米網格通道1460之一感測器1450，該奈米網格通道1460包含例如分段250等交叉部件。在此實施例中，同樣已移除下伏奈米網格通道1460之介電質210之一部分以使得奈米網格通道1460浮動。在此實施例中，奈米網格通道1460明顯展現出極佳機械穩定性，例如，與鰭式通道1410相比，無明顯變形。因此，此實施例清楚地圖解說明使得奈米網格通道相對於習用鰭式通道FET感測器具有一優點之至少一項態樣。
圖14D圖解說明一奈米網格通道(例如，奈米網格通道150)之一項實施例之電流-電壓(I-V)特性其中在存在下伏奈米通道氧化物時電流-電壓(I-V)特性為(1470)且其中在已 移除氧化物時電流-電壓(I-V)特性為(1480)。在約0伏特之一閘極電壓以上，特性1470及特性1480基本上不可區分。據信，此態樣指示移除奈米網格通道下方之介電質對使用奈米網格通道之一FET感測器之相關電效能幾乎無影響。一特性1490指示對於諸如藉由感測器1450所圖解說明之實施例之實施例而言，洩漏電流係低的，因此提供對一試樣溶液中之目標分子之一高敏感度之所偵測電回應。
明確地認識到說明及申請專利範圍之範疇包含經組態為不同於感測器之鰭式FET電晶體之實施例。本文中所闡述之各種特徵之使用(例如，分段250)可顯著改良一多鰭通道之機械強度，藉此在後續處理期間減小鰭斷裂從而顯著改良製造良率。某些此等實施例可包含諸如阻擋元件270等阻擋元件，以組態穿過該多鰭通道之一或多個導電路徑。
轉至圖13，在本發明之一項實施例中圖解說明一種用於形成一鰭式FET電晶體(例如，一感測器)之方法1300。參考本文中(例如，在圖1至圖13中)先前所闡述之元件無限制地闡述方法1300之步驟。方法1300之步驟可以所圖解說明之次序之外的另一次序來執行，且在某些實施例中可完全省略及/或同時或以平行群組執行該等步驟。
在一步驟1310中，在一基板上方形成一源極區(例如，源極130)及一汲極區(例如，汲極140)。在一步驟1320中，形成連接該源極區與該汲極區之一奈米網格通道(例如，奈米網格通道150)。該奈米網格通道連接源極區與汲極區，且包含第一垂直通道區及第二垂直通道區(例如，半 導體分段220-1及半導體分段220-2)以及介於第一垂直通道區與第二垂直通道區之間的一空間(例如，空間S(圖2A))。一交叉部件(例如，分段250)自第一垂直通道區延伸至空間中。
在該方法之任一實施例中，該交叉部件可實體連接第一垂直通道區與第二垂直通道區。在某些此等實施例中，該交叉部件可包含減小第一垂直通道區與第二垂直通道區之間之傳導的一低導電性區。在某些其他實施例中，該交叉部件可包含共用一共同摻雜區之兩個PN接面，藉此實質上防止第一垂直通道區與第二垂直通道區之間的傳導。
在該方法之上述實施例中之任一者中，可移除下伏奈米網格通道之一介電層之一部分以使得奈米網格通道浮動。
該方法之任何實施例可包含用於在奈米網格通道上形成一敏化層之一額外步驟1330。該敏化層(當存在時)經組態以與接觸奈米網格通道之一目標分子物質相互作用。該相互作用可改變電晶體之一電參數。
該方法之上述實施例中之某些實施例可包含一額外步驟1340，其中在奈米網格通道上方形成一介電層及將一試樣通道定位於該介電質內，藉此曝露奈米網格通道之一部分。
某些實施例可包含其中移除該基板之一部分(例如，如藉由凹部1210或開口1260例示)之一步驟1350。在上述實施例中之任一者中，可在一絕緣體上矽基板上方形成奈米網格通道。
儘管上文已闡述本發明之各種實施例，但應理解，該等實施例僅以實例方式而非限制方式呈現。可在不背離本發明之精神或範疇之情況下，根據本文中之揭示內容作出對所揭示實施例之眾多改變。因此，本發明之廣度及範疇不應受限於上述實施例中之任一者。相反，本發明之範疇應根據以下申請專利範圍及其等效內容來定義。
100‧‧‧奈米網格鰭式場效電晶體/電晶體
105‧‧‧基板
110‧‧‧處置基板/處置件/矽基板/基板
110a‧‧‧背側
120‧‧‧介電層
130‧‧‧源極區/源極
140‧‧‧汲極區/汲極
150‧‧‧奈米網格通道/奈米網格
160‧‧‧分段
165‧‧‧大體平行於源極與汲極之間的淨電流之一方向
170‧‧‧半導體分段/分段
180‧‧‧經限界區域
210a‧‧‧奈米網格通道
210b‧‧‧奈米網格通道
210c‧‧‧奈米網格通道
220‧‧‧分段
220-1‧‧‧半導體分段/分段
220-2‧‧‧半導體分段/分段
230-1‧‧‧半導體分段/分段/通道分段
230-2‧‧‧半導體分段/分段/通道分段
250‧‧‧分段
260‧‧‧分段
270‧‧‧阻擋元件
410‧‧‧p+摻雜矽部分/部分
420‧‧‧高電阻部分
430‧‧‧部分
440‧‧‧部分
450‧‧‧p-n接面
510‧‧‧奈米網格通道
520a‧‧‧平行導電路徑
520b‧‧‧平行導電路徑
520c‧‧‧平行導電路徑
610‧‧‧蛇形導電路徑/導電路徑/路徑/蛇形路徑
710‧‧‧單個奈米網格分段/奈米網格分段
720‧‧‧底切
810‧‧‧奈米網格通道
820‧‧‧奈米網格通道
830‧‧‧奈米網格通道
840‧‧‧奈米網格/奈米網格通道
1000‧‧‧鰭式場效電晶體/電晶體
1010‧‧‧奈米網格通道
1020‧‧‧試樣溶液
1100‧‧‧鰭式場效電晶體
1110‧‧‧感測器分子塗層
1120‧‧‧閘極介電質
1125‧‧‧抗黏附保護分子
1130‧‧‧目標分子
1140‧‧‧目標分子
1150‧‧‧目標分子
1200‧‧‧鰭式場效電晶體/電晶體/生物感測器
1210‧‧‧凹部
1250‧‧‧鰭式場效電晶體感測器/感測器
1260‧‧‧開口
1270‧‧‧流
1400‧‧‧鰭式場效電晶體感測器/感測器
1410‧‧‧鰭式通道/通道
1420‧‧‧源極
1430‧‧‧汲極
1440‧‧‧變形之鰭
1450‧‧‧感測器
1460‧‧‧奈米網格通道
1470‧‧‧在存在下伏奈米通道之氧化物時的電流-電壓(I-V)特性
1480‧‧‧在已移除氧化物時的電流-電壓(I-V)特性
1490‧‧‧特性
R‧‧‧電阻性元件
R1‧‧‧電阻
R2‧‧‧電阻
S‧‧‧空間
W‧‧‧寬度
x‧‧‧座標軸x軸
y‧‧‧座標軸y軸
圖1圖解說明根據本發明之一項實施例之一奈米網格鰭式FET，其中多個半導體垂直通道連接一源極與一汲極且半導體分段連接鄰近鰭；圖2A圖解說明根據一項實施例之兩個垂直通道分段，其中正交通道分段僅部分地延伸至鄰近通道；圖2B圖解說明根據一項實施例之兩個垂直通道分段，其中一正交通道分段完全延伸於兩個通道分段之間；圖2C圖解說明圖2B之通道分段，其中一阻擋元件減小該兩個垂直通道分段之間的傳導；圖3圖解說明根據一項實施例之通道分段之一規則陣列，包含該陣列之一電等效電路，例如，一電阻器梯；圖4A及圖4B圖解說明圖2C之阻擋元件之實施例之態樣，例如，圖4A中之一電阻性阻擋元件及圖4B中之一接面阻擋元件；圖5圖解說明包含圖2C之阻擋元件之多個例項之圖3之通道分段的規則陣列，其中該等阻擋元件將該陣列組態成具有多個平行傳導路徑； 圖6圖解說明包含圖2C之阻擋元件之多個例項之圖3之通道分段的規則陣列，其中該等阻擋元件將該陣列組態成具有一蛇形傳導路徑；圖7圖解說明包含一底切之一垂直通道之一剖面圖；圖8A至圖8E圖解說明各種奈米網格通道之實例性實施例；圖9A至圖9E圖解說明圖8A至圖8E之奈米網格通道，其中阻擋元件經定位以組態該等奈米網格通道之電等效電路；圖10圖解說明其中將一鰭式FET電晶體(例如，圖1之電晶體)曝露於位於奈米網格通道上方之一試樣溶液之一實施例；圖11A至圖11C圖解說明本發明之一實施例之態樣，其中奈米網格電晶體包含經組態以選擇性結合至目標分子物質之一結合層；圖12A至圖12C圖解說明其中在一奈米網格通道(例如，圖8A至圖8E之奈米網格通道中之任一者)下方移除一基板之一部分(例如一底部氧化物)之實施例；圖13圖解說明一種(例如)用於形成圖1至圖12之奈米網格鰭式FET之方法；圖14A至圖14B圖解說明在移除一下伏基板之一部分(例如，一介電層)之後的習用鰭式通道，其展示該等鰭式通道之變形(14A)及崩解(圖14B)；圖14C圖解說明在移除一基板之一部分(例如，下伏一奈 米網格通道之一介電層)之後的本發明之一實施例，其中該奈米網格通道維持其結構完整性；且圖14D圖解說明在移除及不移除一下伏介電層之情況下針對一奈米網格通道鰭式FET之一項非限制性實施例判定的電流-電壓(IV)曲線，其展示IV曲線對下伏介電層之存在基本上無敏感度。
100‧‧‧奈米網格鰭式場效電晶體/電晶體
105‧‧‧基板
110‧‧‧處置基板/處置件/矽基板/基板
120‧‧‧介電層
130‧‧‧源極區/源極
140‧‧‧汲極區/汲極
150‧‧‧奈米網格通道/奈米網格
160‧‧‧分段
165‧‧‧大體平行於源極與汲極之間的淨電流之一方向
170‧‧‧半導體分段/分段
180‧‧‧經限界區域
x‧‧‧座標軸x軸
y‧‧‧座標軸y軸

Claims (10)

  1. 一種電晶體，其包括：一源極區及一汲極區，該源極區及該汲極區位於一基板上方；及一奈米網格通道，其連接該源極區與該汲極區，該奈米網格通道包含：第一垂直通道區及第二垂直通道區，其連接該源極區與該汲極區且在其間具有一空間；及一交叉部件，其自該第一垂直通道區延伸至該空間中。
  2. 如請求項1之電晶體，其中該交叉部件實體連接該第一垂直通道區與該第二垂直通道區。
  3. 如請求項2之電晶體，其中該交叉部件包含減小該第一垂直通道區與該第二垂直通道區之間之傳導的一分段。
  4. 如請求項1或2之電晶體，其進一步包括下伏該第一垂直通道區及該第二垂直通道區之一介電層，其中自該第一通道區及該第二通道區之一部分下方移除該介電層。
  5. 如請求項1或2之電晶體，其進一步包括位於該奈米網格通道上之一敏化層，該層經組態以與接觸該奈米網格通道之一目標物質相互作用，藉此改變該電晶體之一電參數。
  6. 如請求項1或2之電晶體，其進一步包括接近該奈米網格通道之一加偏壓電極，該加偏壓電極經組態以控制該奈米網格通道之一操作特性。
  7. 一種形成一電晶體之方法，其包括：在一基板上方形成一源極區及一汲極區；及形成連接該源極區與該汲極區之一奈米網格通道，該奈米網格通道包含：第一垂直通道區及第二垂直通道區，其連接該源極區與該汲極區且在其間具有一空間；及一交叉部件，其自該第一垂直通道區延伸至該空間中。
  8. 如請求項7之方法，其進一步包括形成減少該第一垂直通道區與該第二垂直通道區之間之傳導的該交叉部件之一分段。
  9. 如請求項7或8之方法，其進一步包括形成接近該奈米網格通道之一閘極電極，該閘極電極經組態以控制該奈米網格通道之一操作特性。
  10. 如請求項7或8之方法，其進一步包括在該基板中形成一通路，該通路自該奈米網格通道之一底側延伸至該基板之一背側表面。
TW101131067A 2011-08-26 2012-08-27 奈米網格通道鰭式場效電晶體及生物感測器 TW201322448A (zh)

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