[發明專利]半導體生物傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201610290858.5
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105957866B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 劉亞;張亮;吳東平;曾瑞雪
• 申請（專利權）人: 上海小海龜科技有限公司;復旦大學
• 主分類號: H01L27/10
• 分類號: H01L27/10;H01L27/102;H01L27/105;H01L21/77
• 代理公司: 上海晨皓知識產權代理事務所(普通合伙)31260
• 代理人: 成麗杰

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種半導體生物傳感器及其制備方法。

背景技術

即時診斷(point-of-care，簡稱“POC”)擁有潛在的市場機遇和重要的社會影響及實用價值。在未來個性化醫療的背景下，可以使用特定的DNA和蛋白質標記物對癌癥、心血管病、感染或過敏癥等進行早期診斷。現有的生物、醫學傳感手段對這些標記物的檢測通常操作繁瑣，過程耗時，需要高度專業的實驗室，且成本高昂。目前用于對特定生物分子進行識別和檢測的方法在便捷性、選擇性、靈敏度、并行處理以及降低成本等方面還存在巨大挑戰。用于POC的理想傳感檢測系統應該快速、準確、可靠、低成本、低功耗和輕巧便攜。作為傳感器，靈敏度是一個必要的性能參數，同時為了能夠在POC環境中有效使用，高靈敏度需與大的信噪比輸出相匹配。

當前，市售的關于生物分子的高通量傳感器通常是基于光學檢測技術，典型的是通過熒光進行檢測，但是通過互補金屬氧化物半導體(CMOS)芯片的基于電荷檢測的并行DNA測序儀器最近已經被Ion Torrent/Life Technologies商業化。Ion Torrent公司的芯片采用離子敏感場效應晶體管(ISFET)。離子敏感場效應晶體管(ISFET)于約40年前首次問世，利用場效應晶體管，結合電化學與微電子技術，成為一類典型的電位型電化學生物傳感器，并引起一股研究熱潮，也得到了一定應用。然而，在傳感器性能與商業化的大規模制造等方面仍然有許多值得改進的地方。

近來，在改善分子靈敏度的各種嘗試方面，通常是基于碳納米管或納米線晶體管的傳感元件。然而，據我們所知，到目前為止，在獲得比ISFET更靈敏的放大檢測器件研究方面的唯一嘗試是Yuan等人近來所做的工作，并且該工作已經由Kang等人以專利申請的形式提交。他們研究了與傳統的MOSFET(ISFET)并聯的柵控橫向雙極結型晶體管(BJT)，從而使該組合結構能夠在帶有主動放大(active amplification)的混合模式下操作。這兩個器件的并行連接結構的缺點是柵控橫向BJT固有的低增益。在柵偏壓低于雙極器件的導通電壓時，該組合結構的亞閾特性類似于MOSFET(ISFET)的亞閾特性。通過該混合結構而獲得的跨導增益只發生在MOSFET的閾值電壓以上的偏置電壓中。因此，在此特定應用中，該結構的放大效果將非常弱。而且，還需要額外的端口對來用于在所需組合結構中的各個器件進行的外部連接。而額外的布線會引入有害的信號噪聲。

此外，公開號為：CN103675073A的發明專利公開了一種基于單電荷檢測的電子生物傳感器。由于該種器件需要同時做兩組MOSFET和BJT，且其陰極位于器件的背面，因此不利于器件的超大規模集成和封裝，極大地限制了其應用范圍。

發明內容

本發明的目的在于提供一種半導體生物傳感器及其制備方法，使其結構得到進一步簡化，從而便于封裝并提高集成度。

為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種半導體生物傳感器，所述半導體生物傳感器包含并列設置的離子敏感場效應晶體管和雙極型晶體管；所述半導體生物傳感器包含襯底，形成在所述襯底之上的外延層作為所述雙極型晶體管的集電區，形成在所述外延層中的離子敏感場效應晶體管的源區、漏區以及雙極型晶體管的基區和發射區，形成在所述外延層上離子敏場效應晶體管的源區、漏區之間的柵氧化層，形成在所述柵氧化層之上的離子敏感場效應晶體管的柵區；其中，所述離子敏感場效應晶體管的漏區和所述雙極型晶體管的基區相鄰；所述襯底以及形成在所述襯底之上的外延層，作為所述半導體生物傳感器的集電極；

所述離子敏感場效應晶體管的源區和柵區，以及所述雙極型晶體管的發射區分別引出，作為所述半導體生物傳感器的源極、柵極和發射極。

本發明的實施方式還提供了一種半導體生物傳感器的制備方法，包含以下步驟：

提供一高摻雜襯底；

在襯底之上生長輕摻雜外延層，作為雙極型晶體管的集電區；

在所述外延層之上形成柵氧化層，并在所述柵氧化層之上形成離子敏感場效應晶體管的柵區；

在外延層之上進行第一次光刻，開出窗口，進行第一次離子注入，形成離子敏感場效應晶體管的源區和漏區；其中，第一次光刻得到的光刻膠至少遮蔽預留制作雙極型晶體管的區域；

在外延層之上進行第二次光刻，開出窗口，進行第二次離子注入，形成雙極型晶體管的基區；其中，第二次光刻得到的光刻膠至少遮蔽離子敏感場效應晶體管所在的區域；