一种带栅极调控的垂直纳米线生物传感器的集成方法技术

本发明专利技术提供一种带栅极调控的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，属于半导体制造技术领域。该方法结合刻蚀通孔、外延沟道以实现垂直沟道的纳米线生物传感器的集成。本发明专利技术与传统的水平沟道结构相比，生物分子在溶液中进行布朗运动时对纳米线沟道表面的各个方向均产生随机碰撞，最终在纳米线表面产生更高的修饰密度。且本发明专利技术避免了现有方法中沟道形成过程中的刻蚀损伤，提高了器件的性能；以及可以将沟长缩短至10nm以下，满足了对单个蛋白质或核酸分子的修饰要求。本发明专利技术与传统集成电路制造技术相兼容，工艺简单、成本代价小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物传感器，具体涉及一种带栅极调控的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法。
技术介绍
集成电路自专利技术以来，通过不断缩小其特征尺寸，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的生物感知器件之一。由于进行生物传感时，待测溶液会被滴定在修饰窗口中，通过将溶液中的生物分子修饰在沟道表面进而调控沟道电势，溶液此时相当于行使晶体管中栅极的功能，常被称为液栅，对应的沟道修饰长度被成为液栅长，溶液浸润的沟道区域被称为液栅区域。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，需要寻找其它更优的制备方法。同时其它研究小组报道，可以用纳米线的电导敏感特性对蛋白质和核酸进行检测，但是这种纳米线器件的水平沟道导致滴定溶液中的待修饰物大部分只集中在沟道上表面和沟道侧壁，得到的传感电信号强度不足；再者，由于纳米线处于亚阈区时其电导敏感性最大，传统的水平沟道纳米线生物传感器都采用背栅结构调制沟道处于亚阈区，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，对纳米线的工作状态调制非常有限，无法满足纳米线工作于亚阈区的要求。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供一种带栅极调控的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，以改善现有的公知技术。包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的“下有源区”；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作“SDE掩膜层1”，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作“假栅层1”，其厚度定义了器件的沟道修饰长度(液栅长)；C3.淀积一层介质作“绝缘层”，用于隔离纳米线沟道的修饰区域和栅电极区域；C4.淀积一层介质作“假栅层2”，其厚度定义了器件的栅长；C5.淀积一层介质作“SDE掩膜层2”，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；其中，SDE掩膜层1、绝缘层和SDE掩膜层2的材料相同，三者与假栅层1和假栅层2材料相异。并且要求假栅层1和假栅层2材料对SDE掩膜层1、绝缘层和SDE掩膜层2的各向同性刻蚀选择比大于5:1，以保证在F4、G5中通过各向同性刻蚀分别去除假栅层1和假栅层2时不损伤SDE掩膜层1、隔离层和SDE掩膜层2；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出SDE掩膜层2上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂“上有源区”；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成“上有源区”，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除假栅层2，淀积High-K、Metal Gate并形成栅电极；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作顶部掩膜层1；F2.通过光刻定义栅电极区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出绝缘层的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个假栅层2；F5.依次淀积高K介质(High-K，HK)和金属栅(Metal-Gate，MG)材料；F6.通过各向异性刻蚀，去除不被顶部掩膜层1覆盖的HK、MG材料，露出绝缘层的上表面；其中，F1中所述顶部掩膜层1材料与假栅层2不同，并且要求假栅层2材料对该顶部掩膜1的各向同性刻蚀选择比大于5:1，以保证在F4中通过各向同性刻蚀去除假栅层2时不损伤该顶部掩膜层1；F1中所述顶部掩膜层1厚度应足够厚，以保证F6中通过各向异性刻蚀，去除不被顶部掩膜1覆盖的HK、MG材料，露出绝缘层的上表面后，在器件的上有源区上该顶部掩膜层1仍有剩余；G.去除假栅层1，形成沟道修饰区域(即液栅区域)；具体实现步骤如下：G1.去除顶部掩膜层1；G2.淀积一层介质作顶部掩膜层2；G3.通过光刻定义液栅区域；G4.通过各向异性刻蚀，露出SDE掩膜层1的上表面，去胶；G5.通过各向同性刻蚀，去除整个假栅层1；其中，G2中光刻定义的液栅区域必须包含F中的栅电极区域，以保证后续刻蚀过程不会损伤已形成的栅电极；G2中所述顶部掩膜层2材料与假栅层1不同，并且要求假栅层1材料对该顶部掩膜2的各向同性刻蚀选择比大于5:1，以保证在G5中通过各向同性刻蚀去除假栅层1时不损伤该顶部掩膜层2；H.形成器件源极、漏极、栅极三端的金属接触；具体实现步骤如下：H1.去除顶部掩膜层2；H2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；H3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源极、漏极、栅极三端的接触孔，去胶；H4.在各接触孔中填充金属Metal 0；H5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal0，实现器件之间的导电层分离；I.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：I1.淀积金属Metal 1；I2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源极、漏极、栅极三端的引出和探针测试pad，去胶；J.形成溶液滴定的修饰窗口；J1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；J2.通过光刻定义修饰窗口，用于溶液滴定时，待修饰的生物分子通过此窗口扩散经液栅层，再扩散至纳米线的表面成键修饰；J3.通过各向异性刻蚀，连通修饰窗口和液栅层，形成从基片表面至纳米线沟道修饰表面的通路，去胶；K.形成探针测试窗口；具体实现步骤如下：K1.光刻定义探针测试窗口；K2.通过各向异性刻蚀，露出互联金属Metal 1所定义的探针测试pad，去胶；L.合金，使金属与源漏的接触处呈现更好的欧姆特性，同时使介质材料更加致密。在进行生物分子的传感探测时，将带有生物分子和交联剂的溶液滴定在修饰窗口中，源极探针和漏极探针分别扎在探针测试窗口中对应的两个pad上，用于测试电信号，而栅极探针扎在对应的栅电极引出pad上，用于施加偏置电压，耗尽沟道载流子使纳米线沟道处于亚阈区，以此提高传感的灵敏度。当溶液中的待测生物分子在交联剂的作用下，会修饰在纳米线沟道的表面，形成共价键，引起纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，电流变化波形会从源漏通过金属互联传至源漏探针，生物信息量从而变化为电信息量，以此实现生物分子的传感。进一步地，本专利技术中所述结构参数(如“上有源区”和“下有源区”的厚度及掺杂浓度，“SDE掩膜层1”、“SDE掩膜层2”、“假栅层1”、“假栅层2”的厚度等)皆根据具体器件性能要求设定。进一步地，A中所述半导体衬底，包括体硅衬底，SOI衬底，体锗衬底，GOI衬底等。进一步地，A中所述隔离，对于体衬底(体硅、体锗等)，可使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带栅极调控的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的下有源区；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作第一SDE掩膜层，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作假栅层，其厚度定义了器件的沟道修饰长度；C3.淀积一层介质作绝缘层，用于隔离纳米线沟道的修饰区域和栅电极区域；C4.淀积一层介质作第二假栅层，其厚度定义了器件的栅长；C5.淀积一层介质作第二SDE掩膜层，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出第二SDE掩膜层上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂的上有源区；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成上有源区，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除第二假栅层，淀积High‑K、Metal Gate并形成栅电极；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作第一顶部掩膜层；F2.通过光刻定义栅电极区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出绝缘层的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个第二假栅层；F5.依次淀积高K介质和金属栅材料；F6.通过各向异性刻蚀，去除不被第一顶部掩膜层覆盖的HK、MG材料，露出绝缘层的上表面；G.去除第一假栅层，形成沟道修饰区域；具体实现步骤如下：G1.去除第一顶部掩膜层；G2.淀积一层介质作第二顶部掩膜层；G3.通过光刻定义液栅区域；G4.通过各向异性刻蚀，露出第一SDE掩膜层的上表面，去胶；G5.通过各向同性刻蚀，去除整个第一假栅层；H.形成器件源极、漏极、栅极三端的金属接触；具体实现步骤如下：H1.去除第二顶部掩膜层；H2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；H3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源极、漏极、栅极三端的接触孔，去胶；H4.在各接触孔中填充金属Metal 0；H5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal0，实现器件之间的导电层分离；I.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：I1.淀积金属Metal 1；I2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源极、漏极、栅极三端的引出和探针测试pad，去胶；J.形成溶液滴定的修饰窗口；J1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；J2.通过光刻定义修饰窗口，用于溶液滴定时，待修饰的生物分子通过此窗口扩散经液栅层，再扩散至纳米线的表面成键修饰；J3.通过各向异性刻蚀，连通修饰窗口和液栅，形成从基片表面至纳米线沟道修饰表面的通路，去胶；K.形成探针测试窗口；具体实现步骤如下：K1.光刻定义探针测试窗口；K2.通过各向异性刻蚀，露出互联金属Metal 1所定义的探针测试pad，去胶；L.合金，使金属与源漏的接触处呈现欧姆特性。...

【技术特征摘要】
1.一种带栅极调控的垂直沟道纳米线生物传感器的集成方法，包括如下步骤：A.提供一半导体衬底，实现器件隔离；B.形成重掺杂的下有源区；C.淀积假栅叠层；具体实现步骤如下：C1.淀积一层介质作第一SDE掩膜层，其厚度定义了器件的下有源区侧墙的宽度；C2.淀积一层介质作假栅层，其厚度定义了器件的沟道修饰长度；C3.淀积一层介质作绝缘层，用于隔离纳米线沟道的修饰区域和栅电极区域；C4.淀积一层介质作第二假栅层，其厚度定义了器件的栅长；C5.淀积一层介质作第二SDE掩膜层，其厚度定义了器件的上有源区侧墙的宽度；D.通过刻蚀通孔、外延沟道形成垂直沟道结构；具体实现步骤如下：D1.通过光刻定义沟道截面的形状、大小；D2.通过各向异性刻蚀形成沟道窗口，窗口底部露出器件的重掺杂下有源区，去胶；D3.通过图形化外延技术形成器件的沟道；D4.通过化学机械抛光去除淀积超出第二SDE掩膜层上表面的沟道材料，实现平坦化；E.通过淀积、刻蚀形成器件的重掺杂的上有源区；具体实现步骤如下：E1.淀积一层有源材料；E2.通过光刻技术定义上有源区窗口；E3.通过各向异性刻蚀形成上有源区，去胶；E4.通过离子注入技术对上有源区进行重掺杂；E5.通过退火工艺激活源、漏；F.去除第二假栅层，淀积High-K、Metal Gate并形成栅电极；具体实现步骤如下：F1.淀积一层介质作第一顶部掩膜层；F2.通过光刻定义栅电极区域；F3.通过各向异性刻蚀，露出绝缘层的上表面，去胶；F4.通过各向同性刻蚀，去除整个第二假栅层；F5.依次淀积高K介质和金属栅材料；F6.通过各向异性刻蚀，去除不被第一顶部掩膜层覆盖的HK、MG材料，露出绝缘层的上表面；G.去除第一假栅层，形成沟道修饰区域；具体实现步骤如下：G1.去除第一顶部掩膜层；G2.淀积一层介质作第二顶部掩膜层；G3.通过光刻定义液栅区域；G4.通过各向异性刻蚀，露出第一SDE掩膜层的上表面，去胶；G5.通过各向同性刻蚀，去除整个第一假栅层；H.形成器件源极、漏极、栅极三端的金属接触；具体实现步骤如下：H1.去除第二顶部掩膜层；H2.各向异性淀积一层层间介质，进行化学机械平坦化；H3.通过光刻、各向异性刻蚀形成器件源极、漏极、栅极三端的接触孔，去胶；H4.在各接触孔中填充金属Metal 0；H5.通过对金属Metal 0进行化学机械平坦化，去除超出层间介质的上表面的金属Metal0，实现器件之间的导电层分离；I.形成金属互联图形；具体实现步骤如下：I1.淀积金属Metal 1；I2.通过光刻、各向异性刻蚀形成源极、漏极、栅极三端的引出和探针测试pad，去胶；J.形成溶液滴定的修饰窗口；J1.淀积一层介质作为钝化层，并进行化学机械平坦化；J2.通过光刻定义修...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎明，陈珙，杨远程，黄如，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11