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1、(10)申请公布号 CN 103558280 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558280 A (21)申请号 201310574815.6 (22)申请日 2013.11.15 G01N 27/414(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路 865 号 (72)发明人 俞文杰 刘畅 赵清太 王曦 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 发明名称 一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器及 其制备方法 (57) 摘要 本发明提供一种基于隧穿场效应晶体管的生 物。
2、传感器及其制备方法， 所述生物传感器的制备 方法至少包括步骤 ： 首先， 制备一隧穿场效应晶 体管作为转换器 ； 然后采用表面修饰剂对所述隧 穿场效应晶体管中的沟道表面进行活化修饰 ； 制 备隧穿场效应管的具体步骤包括 ： 提供一 SOI 衬 底， 所述 SOI 衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 在所述顶层硅表面形成栅介质层 ； 采用离子注入 工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注 入， 形成源极和漏极， 所述栅介质层下未进行离子 注入的顶层硅定义为沟道 ； 在所述底层硅的背面 形成背栅。本发明的隧穿场效应管具有更加陡峭 的亚阈值斜率， 对沟道表面电荷的变化相应更加 灵敏， 从而使生物传。
3、感器可以对生物分子进行高 灵敏的检测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103558280 A CN 103558280 A 1/1 页 2 1. 一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特征在于， 所述生物传感 器的制备方法至少包括步骤 ： 步骤一、 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器 ； 步骤二、 采用表面修饰剂对所述隧穿场效应晶体管中的沟道表面进行活化修饰。 2. 根据权利要求 1 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物。
4、传感器的制备方法， 其特征在 于 ： 所述步骤一中制备隧穿场效应管的具体步骤包括 ： 1） 提供一 SOI 衬底， 所述 SOI 衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 2） 在所述顶层硅表面形成栅介质层 ； 3） 采用离子注入工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注入， 形成源极和漏极， 所述栅介质层下未进行离子注入的顶层硅定义为沟道 ； 4） 在所述底层硅的背面形成背栅。 3. 根据权利要求 2 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特征在 于 ： 采用化学气相沉积工艺在所述沟道表面形成栅介质层。 4. 根据权利要求 2 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其。
5、特征在 于 ： 所述源极为 P 型重掺杂半导体， 所述漏极为 N 型重掺杂半导体。 5. 根据权利要求 2 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特征在 于 ： 所述源极为 N 型重掺杂半导体， 所述漏极为 P 型重掺杂半导体。 6. 根据权利要求 2 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特征在 于 ： 所述埋氧层为 SiO2； 所述栅介质层 HfO2或者 SiO2。 7. 据权利要求 2 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特征在 于 ： 所述背栅为金属栅极。 8. 根据权利要求 1 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 其特。
6、征在 于 ： 所述步骤二中采用 3- 氨丙基三乙氧基硅烷作为表面修饰剂对所述沟道表面进行活化 修饰。 9. 一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器， 其特征在于， 所述生物传感器至少包 括 ： 转换器， 为隧穿场效应晶体管 ； 表面修饰剂， 覆盖于所述隧穿场效应中的沟道表面。 10. 根据权利要求 9 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器， 其特征在于 ： 所述隧 穿场效应晶体管至少包括 ： SOI 衬底， 包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 源极和漏极， 离子注入于所述顶层硅两侧 ； 沟道， 位于所述源极和漏极之间 ； 栅介质层， 形成于所述沟道表面 ； 背栅， 形成于所述底层硅的背面。 11。
7、. 根据权利要求 9 所述的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器， 其特征在于 ： 所述表 面修饰剂为 3- 氨丙基三乙氧基硅烷。 权 利 要 求 书 CN 103558280 A 2 1/5 页 3 一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及生物传感技术领域， 特别是涉及一种基于隧穿场效应晶体管的生物传 感器及其制备方法。 背景技术 0002 生物传感器是用在生物活性材料 （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。
8、分子方法。在未来经济发展中， 生物传感技术必 将是介于信心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 物分子 （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。 0003 具体地， 生物传感器 （Biosensor） 是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） 及信号放大装置构成的分析工具或系统。 0004 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。
9、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， 边制 成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜， 便可以制得检测其对应物的其他 传感器。现已研制和开发第三代传感器， 将生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传 感器。 0005 目前， 传统的平面场效应晶体管 （FET） 的亚阈值斜率比较平稳， 导致器件对沟道表 面电荷的变化感应不灵敏， 影响生物传感器的工作性能。 发明内容 0006 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隧穿场效应晶体 管的生物传感器及其制备方法， 用于解决现有技术中场效应晶体管对沟道表面电荷的变化 感应不灵敏的问题。 000。
10、7 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种基于隧穿场效应晶体管的生物 传感器的制备方法， 所述生物传感器的制备方法至少包括步骤 ： 0008 步骤一、 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器 ； 0009 步骤二、 采用表面修饰剂对所述隧穿场效应晶体管中的沟道表面进行活化修饰。 0010 优选地， 所述步骤一中制备隧穿场效应管的具体步骤包括 ： 0011 1） 提供一 SOI 衬底， 所述 SOI 衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 0012 2） 在所述顶层硅表面形成栅介质层 ； 0013 3） 采用离子注入工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注入， 形成源极和漏 极， 所述栅介质层下。
11、未进行离子注入的顶层硅定义为沟道 ； 0014 4） 在所述底层硅的背面形成背栅。 说 明 书 CN 103558280 A 3 2/5 页 4 0015 优选地， 采用化学气相沉积工艺在所述沟道表面形成栅介质层。 0016 优选地， 所述源极为 P 型重掺杂半导体， 所述漏极为 N 型重掺杂半导体。 0017 优选地， 所述源极为 N 型重掺杂半导体， 所述漏极为 P 型重掺杂半导体。 0018 优选地， 所述埋氧层为 SiO2； 所述栅介质层 HfO2或者 SiO2。 0019 优选地， 所述背栅为金属栅极。 0020 优选地， 所述步骤二中采用 3- 氨丙基三乙氧基硅烷作为表面修饰剂对所。
12、述沟道 表面进行活化修饰。 0021 本发明还提供一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器， 所述生物传感器至少包 括 ： 0022 转换器， 为隧穿场效应晶体管 ； 0023 表面修饰剂， 覆盖于所述隧穿场效应中的沟道表面。 0024 优选地， 所述隧穿场效应晶体管至少包括 ： 0025 SOI 衬底， 包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 0026 源极和漏极， 离子注入于所述顶层硅两侧 ； 0027 沟道， 位于所述源极和漏极之间 ； 0028 栅介质层， 形成于所述沟道表面 ； 0029 背栅， 形成于所述底层硅的背面。 0030 优选地， 所述表面修饰剂为 3- 氨丙基三乙氧基硅烷。 003。
13、1 如上所述， 本发明的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法， 包括步 骤 ： 首先， 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器 ； 然后采用表面修饰剂对所述隧穿场效应 晶体管中的沟道表面进行活化修饰 ； 制备隧穿场效应管的具体步骤包括 ： 提供一 SOI 衬底， 所述 SOI 衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 在所述顶层硅表面形成栅介质层 ； 采用离子注 入工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注入， 形成源极和漏极， 所述栅介质层下未 进行离子注入的顶层硅定义为沟道 ； 在所述底层硅的背面形成背栅。本发明的隧穿场效应 管具有更加陡峭的亚阈值斜率， 对沟道表面电荷的变化相应更加灵敏， 从。
14、而使生物传感器 可以对生物分子进行高灵敏的检测。 附图说明 0032 图1为本发明的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法提供的SOI衬底 结构示意图。 0033 图 2 为本发明基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法的在顶层硅表面 沉积栅介质层的结构示意图。 0034 图 3 为本发明基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法的进行离子注入 形成源极和漏极的结构示意图。 0035 图 4 为本发明基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法的在底层硅背面 形成背栅的结构示意图。 0036 元件标号说明 0037 说 明 书 CN 103558280 A 4 3/5 页 5 具体实施方式。
15、 0038 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。 0039 请参阅附图。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。 0040 实施例一 0041 本。
16、发明提供一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法， 所述制备方法 至少包括以下步骤 ： 0042 步骤一、 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器 ； 0043 步骤二、 采用表面修饰剂对所述隧穿场效应晶体管中的沟道表面进行活化修饰。 0044 下面结合具体附图详细描述本发明提供的基于隧穿场效应晶体管的生物传感器 的制备方法。 0045 首先执行步骤一， 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器。 0046 具体制备所述隧穿场效应晶体管的过程为 ： 0047 1） 提供一 SOI 衬底， 所述 SOI 衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅。 0048 请参阅图 1， 提供的 SOI 衬底 1 中， 自下而。
17、上依次为底层硅 13、 埋氧层 12 和顶层硅 11。所述埋氧层 12 包括但不限于为二氧化硅。 0049 作为本发明实施例的一个优选方案， 所述顶层硅11的厚度可选2030nm， 所述埋 氧层 12 厚度为 50nm 100nm， 所述底层硅 13 的厚度为 60nm 150nm。本实施例中， 所述 顶层硅 11 的厚度暂选为 30nm， 所述埋氧层 12 的厚度暂选为 100 纳米， 所述底层硅 13 的厚 度暂选为 150nm， 但并不限于此， 在其它实施例亦可为其它厚度， 例如顶层硅 11 的厚度可取 20nm、 22nm、 25nm 或 28nm 等， 埋氧层 12 的厚度可取 50。
18、nm、 70nm、 80nm、 或 90nm 等， 所述底层 说 明 书 CN 103558280 A 5 4/5 页 6 硅 13 的厚度可取 60nm、 80nm、 100nm、 120nm 或 140nm 等。 0050 2） 在所述顶层硅表面形成栅介质层。 0051 先采用化学气相沉积工艺在所述顶层硅 11 表面沉积一栅介质层 5， 之后依据预设 宽度刻蚀掉所述周侧部分的栅介质层 5， 具体地， 可采用干法或者湿法刻蚀法刻蚀所述栅介 质层 5。更具体地， 本实施例中， 在用湿法刻蚀工艺刻蚀所述栅介质层 5 的周侧部分。过程 为 ： 首先在所述栅介质层 5 表面旋涂光刻胶层 （未予以图示。
19、） ， 图形化光刻胶层形成开口， 再 对开口下方的栅介质层 5 进行湿法刻蚀。形成的栅介质层 5 如图 2 所示， 0052 其中， 所述栅介质层 5 为 HfO2或 SiO2， 但不限于此。 0053 3） 采用离子注入工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注入， 形成源极和漏 极， 所述栅介质层下未进行离子注入的顶层硅定义为沟道。 0054 请参阅图 3， 采用离子注入工艺在所述栅介质层 5 两侧的顶层硅 11 中进行重掺杂 以形成源极3和漏极2。 其中， 若掺杂形成的源极3为P型重掺杂半导体， 则另一侧的漏极2 则为 N 型重掺杂半导体 ； 若掺杂形成的源极 3 为 N 型重掺杂半导体，。
20、 则另一侧的漏极 2 则为 P 型重掺杂半导体。本实施例中以源极 3 为 P 型重掺杂半导体， 漏极 2 为 N 型重掺杂半导体 为例， 请参阅附图 3。所述源极 3 中 P 型掺杂离子为硼， 且掺杂浓度为 1E16cm-3 1E20cm-3， 但并不限于此， 在其它实施例中， 亦可选用其它 P 型掺杂离子。所述漏极 2 中 N 型掺杂离子 为磷或砷， 且掺杂浓度为1E16cm-31E20cm-3， 但并不限于此， 在其它实施例中， 亦可选用其 它 N 型掺杂离子。 0055 进行离子注入后， 需要对SOI衬底1进行退火处理， 以减小离子注入时对晶格造成 的损伤。进行退火处理的温度为 900 。
21、1100。 0056 所述顶层硅11进行两侧掺杂后， 剩余栅介质层5下未进行离子注入掺杂的顶层硅 11 用来作为源极 3 和漏极 2 之间载流子通过的沟道 4。 0057 3） 在所述底层硅的背面形成背栅。 0058 形成背栅6的过程为 ： 先采用化学气相沉积工艺在所述底层硅13的背面沉积背栅 材料层， 之后所述背栅材料层表面旋涂光刻胶层 （未予以图示） ， 图形化光刻胶层形成开口， 再对开口下方的背栅材料层进行湿法刻蚀形成背栅 6， 如图 4 所示。所述背栅 6 可以是金 属材料， 也可以是单晶硅或多晶硅。本实施例中， 所述背栅 6 是金属栅极。具体地， 可以是 TiN 等。 0059 还需。
22、要说明的是， 形成源极3、 漏极2和背栅6之后， 淀积二氧化硅材料形成绝缘层 （未予以图示） ， 然后掩膜曝光刻蚀绝缘层， 分别在所述源极3、 漏极2和背栅6上形成源极通 孔、 漏极通孔和背栅通孔 （未予以图示） ， 之后还需要用金属铝材料填充通孔形成互连布线。 0060 然后执行步骤二， 采用表面修饰剂对所述隧穿场效应晶体管中的沟道 4 表面进行 活化修饰。 0061 可以采用3-氨丙基三乙氧基硅烷 （APTES） 作为沟道的表面修饰剂对沟道4表面进 行表面活化修饰。当然， 也可以用其他适合的表面修饰剂对沟道 4 表面进行表面活化修饰， 比如， 3- 氨丙基三甲氧基硅烷 （APTMS） 。本。
23、实施例中， 采用 APTES 作为沟道 4 的表面修饰剂 0062 3- 氨丙基三乙氧基硅烷 （APTES） 作为一种表面修饰剂， 通过化学键合的方式覆盖 在纳米线或纳米棒沟道的表面， 形成 APTES 膜层用以连接功能性生物分子， 用以达到对生 物分子的探测。 说 明 书 CN 103558280 A 6 5/5 页 7 0063 需要说明的是， 虽然在沟道 4 表面包裹有一层栅介质层 5， 但是由于栅介质层 5 较 薄， 并不会影响表面修饰剂对所述沟道 4 的活化修饰效果， 表面修饰剂依然可以穿透栅介 质层 5 覆盖于所述沟道 4 的表面。 0064 实施例二 0065 本发明还提供一种基。
24、于隧穿场效应晶体管的生物传感器， 用实施例一种提供的所 述制备方法制成， 所述基于隧穿场效应晶体管的生物传感器至少包括 ： 0066 转换器， 为隧穿场效应晶体管 ； 0067 表面修饰剂， 覆盖于所述隧穿场效应中的沟道表面。 0068 优选地， 所述隧穿场效应晶体管至少包括 ： 0069 SOI 衬底 1， 包括顶层硅 11、 埋氧层 12 和底层硅 13 ； 0070 源极 3 和漏极 2， 形成于所述顶层硅 11 两侧 ； 0071 沟道 4， 位于所述源极 3 和漏极 2 之间 ； 0072 栅介质层 5， 形成于所述沟道 4 表面 ； 0073 背栅 6， 形成于所述底层硅 13 的。
25、背面。 0074 进一步地， 所述表面修饰剂为 3- 氨丙基三乙氧基硅烷， 当然， 也可以为其他适合 的材料。 0075 综上所述， 本发明提供一种基于隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法， 包括步骤 ： 首先， 制备一隧穿场效应晶体管作为转换器 ； 然后采用表面修饰剂对所述隧穿 场效应晶体管中的沟道表面进行活化修饰 ； 制备隧穿场效应管的具体步骤包括 ： 提供一 SOI衬底， 所述SOI衬底包括顶层硅、 埋氧层和底层硅 ； 在所述顶层硅表面形成栅介质层 ； 采 用离子注入工艺对所述栅介质层两侧的顶层硅进行离子注入， 形成源极和漏极， 所述栅介 质层下未进行离子注入的顶层硅定义为沟道 ； 。
26、在所述底层硅的背面形成背栅。本发明的隧 穿场效应管具有更加陡峭的亚阈值斜率， 对沟道表面电荷的变化相应更加灵敏， 从而使生 物传感器可以对生物分子进行高灵敏的检测。 0076 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。 0077 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。 说 明 书 CN 103558280 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558280 A 8 2/2 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103558280 A 9 。