[發明專利]硅納米線器件及其制造方法

無效

• 申請號: 201110388988.X
• 申請日: 2011-11-30
• 公開（公告）號: CN102437190A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 曹永峰
• 申請（專利權）人: 上海華力微電子有限公司
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/51;H01L21/336;H01L21/28;B82Y10/00;B82Y40/00
• 代理公司: 隆天國際知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 樸海今;向勇

技術領域

本發明涉及一種生物芯片及其制造方法，特別涉及一種具有HKMG(高介電常數絕緣層-金屬柵極)結構的硅納米線器件及其制作方法。

背景技術

近年來，伴隨著人們對納米技術領域的不斷探索和研究，具有一維納米結構的材料，如硅納米線(SiNW，Silicon?Nanowire)，越來越受到人們的重視。硅納米線具有顯著的量子效應、超大面容比等特性，所以在MOS器件、傳感器等領域有著良好的應用前景。

硅納米線器件，作為一種生物芯片基本單元，正被越來越廣泛地應用于生物探測領域。

Kuan-l?Chen等人在《今日納米雜志(Nano?Today)》2011年第6期第131-154頁發表了一篇題目為“Silicon?nanowire?field-effect?transistor-based?biosensors?for?biomedical?diagnosis?and?cellular?recoding?investigation”的文章，其中介紹了硅納米線的應用及提出了制作硅納米線器件的制作工藝。圖1A是現有技術中的硅納米線器件的俯視示意圖，圖1B是圖1A的A-A剖面示意圖。如圖1A、圖1B所示，現有技術中的硅納米線器件，是在表面具有二氧化硅層2的多晶硅襯底1上形成硅納米線4以及與硅納米線4兩端分別連接的源/漏區3而構成的，其中，硅納米線通常是在多晶硅或單晶硅表面上覆蓋一層氧化層而形成，其主要的工作原理類似于MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，利用多晶硅或者單晶硅上的氧化層作為柵氧，由于吸附其上的生物分子集團通常都帶有電荷，該電荷會對硅納米線進行類似于MOSFET的電勢調節，進而影響硅納米線的導電特性，通過對這種導電特性的監控可識別特定的生物分子集團。

在現有技術的硅納米線器件制作工藝中，在襯底上形成硅納米線和源/漏區后，采用絕緣介質層覆蓋硅納米線，以便例如在源/漏區上形成金屬焊墊并開設接觸孔的后續工藝中保護硅納米線不受損傷。當上述金屬焊墊、接觸孔等制作完畢后，需要去除硅納米線上的絕緣介質層，以釋放出硅納米線區域，使硅納米線能夠直接接觸待測液體。

圖2是釋放工藝前的現有技術中的硅納米線器件的剖面圖。由于通常在硅納米線器件的整個工藝完成后，即所有的金屬焊墊制作完成之后進行該釋放工藝，這就使得釋放工藝無法進入前道工藝的相關基臺。這是因為，若使用前道工藝的相關基臺來進行釋放工藝，則金屬焊墊上的金屬會給前道工序帶來污染。因此，無法使用前道工序的選擇比非常高的熱磷酸基臺進行作業，而額外采購新的熱磷酸基臺，這會大大增加生產成本。

為了不增加制造成本，現有技術中通常選用干法釋放(即干法刻蝕)。圖3是干法刻蝕后的現有技術中的硅納米線器件的剖面圖。該硅納米線器件的不足之處在于：由于干法刻蝕無法做到完全的高選擇比各向同性刻蝕，所以在硅納米線4的側面會形成側墻(spacer)41，當硅納米線4的側面被側墻41覆蓋時，該硅納米線4無法與待測液體實現有效的接觸，剩下的能與待測液體有效接觸的部位主要是硅納米線4的頂面，但頂面面積在硅納米線的總表面積中所占的比例很小，從而使硅納米線與待測液體的有效接觸面積大幅度減少，因此受生物分子集團影響的面積也隨之減少，這會使硅納米線器件的受影響率降低，導致硅納米器件的靈敏度降低。這里，所謂的受影響率是指，受生物分子集團影響的硅的表面積與該硅的總表面積之比。

另外，為了盡可能使側墻41減少而延長了釋放工藝的時間，則會對硅納米線的氧化層的厚度和均勻性造成顯著的影響。不管采用任何釋放工藝，干法刻蝕還是濕法刻蝕，由于該釋放工藝會直接停在硅納米線的氧化層上，所以均會對該氧化層的厚度和均勻性造成顯著的影響。該氧化層相當于硅納米器件的柵氧，硅納米器件的特性取決于該氧化層的厚度和均勻性，所以上述的影響會導致硅納米線器件的探測特性衰減。

發明內容

本發明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于，提供一種具有可靠的探測靈敏度的硅納米線器件及其制造方法。

為了實現上述目的，本發明提供一種硅納米線器件，其包括形成在襯底上的硅納米線和源/漏區，所述硅納米線和所述源/漏區相連接，其特征在于，在所述硅納米線的表面不存在氧化層，而且該硅納米線的頂面及側面被HKMG層即高介電常數絕緣層-金屬柵極層覆蓋，該HKMG層是依次沉積高介電常數絕緣層和金屬柵極層而成的。

優選地，所述硅納米線器件包括兩個源/漏區，分別位于所述硅納米線的兩側。

本發明還提供所述硅納米線器件的制作方法，包括如下步驟：