背柵式離子敏感場效應晶體管的制作方法
【專利摘要】背柵式離子敏感場效應晶體管，屬于半導體器件【技術領域】，涉及半導體生物傳感器。包括襯底材料、位于襯底材料正面的半導體溝道層材料、半導體溝道層材料正面的兩個上電極（源極和漏極）；源極和漏極之間的半導體溝道層材料形成器件溝道區，與溝道區背面接觸的襯底材料減薄形成柵介質，柵介質背面具有對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層。本發明將常規離子敏感場效應晶體管的信號面與檢測面分立于器件兩面，減少了信號電場對被檢測生物對象的影響，從而提高了檢測靈敏度。同時，結合高遷移率半導體薄膜材料制作的溝道區，使得本發明具有更高靈敏度和更高檢測通量，雙面加工工藝及器件層數的減少，有利于實現小型化，易于集成，易于實現檢測陣列。
【專利說明】背柵式離子敏感場效應晶體管
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體器件【技術領域】，涉及半導體生物傳感器，尤其是一種離子敏感場效應晶體管。
【背景技術】
[0002]半導體生物傳感器由半導體電子器件與能選擇性識別被測物質的特定感應層材料組成。感應層材料識別被測物質的原理是:被測物質通過與感應層材料的接觸，引起半導體電子器件的電學性能變化，從而檢測相應生物學對象(如酶、抗原抗體、細胞及切片等)的狀態。這類傳感器在靈敏度、速度、微型化及成本等諸方面具有優勢，在生物檢測與分析領域獲得了日益廣泛的關注和應用。常見的半導體生物傳感器有三種典型結構:電解質-介質層-半導體電容(Electrolyte-1nsulator-Semiconductor，簡稱EIS)式傳感器、光尋址點位傳感器(Light-Addressable Potentiometric Sensors,簡稱 LAPS)、離子敏感場效應晶體管(1n-Sensitive Field-Effect Transistors,簡稱 ISFET)。ISFET 型生物傳感器目前多以硅作為溝道材料。相比前兩者，ISFET結構在傳感器陣列的微型化、工藝集成、低成本、可靠性等方面具有優勢，且適用范圍更大。
[0003]現有的離子敏感場效應晶體管基本上是采用以硅為襯底，源、漏極與柵極及感應區同處一面的類似正向 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)的結構。ISFET以其柵介質層表面與被測生物對象的界面間電解質環境中的離子作為媒介，被測對象的活動與狀態通過離子的運動引發柵極電荷及表面電勢的變化，影響溝道區的導電狀態，表現為ISFET的閾值電壓、源漏電流、跨導等電學參數的變化，從而將被測對象的活動與狀態精確地傳感為場效應管電學輸出信號。為提高器件輸出信號的強度即提高對被測試樣本的敏感程度，以氮化硅、SnO2或TiO2等材料作為敏感層以及采用各種形式的復合柵結構的晶體管的提出在一定程度上提高了離子敏感場效應晶體管的靈敏度。
[0004]現有的離子場效應晶體管，由于其結構為源、漏極與柵極及感應區同處一面的正向MOSFET結構,源、漏極之間的信號面電極布線的信號電場對被測樣本存在一定的影響，從而降低了離子場效應晶體管對生物檢測對象的檢測靈敏度。即使溝道層材料采用靈敏度更高的氮化硅、SnO2或TiO2等材料，這類離子場效應晶體管對生物檢測對象的檢測靈敏度任有待進一步提聞。
【發明內容】
[0005]本發明提出一種背柵式離子敏感場效應晶體管，采用雙面制作工藝將作為信號面的源、漏極區制作于器件正面，而將作為檢測面的柵極及感應區制作于器件背面，通過將常規離子敏感場效應晶體管的信號面與檢測面分立于器件兩面，得到背柵式離子敏感場效應晶體管。
[0006]本發明技術方案是:
[0007]背柵式離子敏感場效應晶體管，如圖2所示，其元胞結構包括襯底材料1、位于襯底材料I正面的半導體溝道層材料2、半導體溝道層材料2正面具有兩個上電極4 ;所述兩個上電極4中，一個作為器件的源極、另一個作為器件的漏極；源極和漏極之間的半導體溝道層材料2形成器件的溝道區，與器件溝道區背面接觸的襯底材料通過減薄工藝減薄形成柵介質，柵介質背面具有對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7。
[0008]進一步的，所述減薄工藝可采用但不限于光刻工藝。
[0009]進一步的，所述兩個上電極4材料為金屬或導電薄膜。
[0010]進一步的，所述兩個上電極(4 )材料為金屬或導電薄膜。
[0011]進一步的，所述半導體溝道層材料2采用高遷移率半導體薄膜材料(其電子遷移率不低于104cm2/Vs，如銻化銦、碳納米管、石墨烯等)，其厚度在100?200納米之間。
[0012]進一步的，所述襯底材料I的禁帶寬度不低于Si02禁帶寬度的一半，即大于
0.7eV0
[0013]進一步的，所述對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7不限于單層材料，根據被測對象亦可為多種材料的復合層。
[0014]本發明提供的背柵式離子敏感場效應晶體管，采用雙面制作工藝將作為信號面的源、漏極區制作于器件正面，而將作為檢測面的柵極及感應區制作于器件背面，通過將常規離子敏感場效應晶體管的信號面與檢測面分立于器件兩面，大大減少了將檢測面與信號面電極布線置于器件一面所存在的信號電場對被檢測生物對象的影響，從而提高了器件的檢測靈敏度。同時，這種背柵式離子敏感場效應晶體管結合高遷移率半導體薄膜材料制作的溝道區，使得本發明具有更高靈敏度和更高檢測通量，加上雙面加工工藝及器件層數的減少，有利于實現器件的小型化，易于集成，易于實現檢測陣列。本發明還適用于采用柔性襯底的柔性器件，而這種柔性器件適于實現生物傳感器，也更適合實現檢測陣列。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明提供的背柵式離子敏感場效應管制造過程中的縱向截面示意圖。
[0016]圖2為本發明提供的背柵式離子敏感場效應管的縱向截面示意圖。
[0017]附圖標記:1是襯底材料，2是半導體溝道層材料，3是鈍化隔離層，4是上電極，5是保護層，6是上電極接觸孔，7是對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料。
【具體實施方式】
[0018]背柵式離子敏感場效應晶體管，如圖2所示，其元胞結構包括襯底材料1、位于襯底材料I正面的半導體溝道層材料2、半導體溝道層材料2正面具有兩個上電極4 ;所述兩個上電極4中，一個作為器件的源極、另一個作為器件的漏極；源極和漏極之間的半導體溝道層材料2形成器件的溝道區，與器件溝道區背面接觸的襯底材料通過減薄工藝減薄形成柵介質，柵介質背面具有對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7。
[0019]進一步的，所述減薄工藝可采用但不限于光刻工藝。
[0020]進一步的，所述兩個上電極4材料為金屬或導電薄膜。
[0021 ] 進一步的，所述兩個上電極(4 )材料為金屬或導電薄膜。
[0022]進一步的，所述半導體溝道層材料2采用高遷移率半導體薄膜材料(其電子遷移率不低于104cm2/Vs，如銻化銦、碳納米管、石墨烯等)，其厚度在100?200納米之間。[0023]進一步的，所述襯底材料I的禁帶寬度不低于SiO2禁帶寬度的一半，即大于
0.7eV0
[0024]進一步的，所述對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7不限于單層材料，根據被測對象亦可為多種材料的復合層。
[0025]本發明提供的新型結構離子敏感場效應管傳感器的制造方法很多，在此只對其中一種可行的制造方法進行簡單介紹。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及應用。
[0026]首先選擇一種具有合適禁帶寬度(禁帶寬度不低于SiO2禁帶寬度的一半，即大于
0.7eV)的襯底材料層I，在襯底上制備一層厚度100納米?200納米的具有高遷移率的半導體薄膜材料層2 (可以通過濺射的方法制備)；
[0027]在半導體薄膜材料層2上制備一層鈍化隔離層3，并分別刻蝕出源、漏區域，通過濺射制作采用導電薄膜材料的源、漏電極4 ；
[0028]在電極上制備一層薄的保護層5，以便進行后續襯底背面工藝，如圖1所示；
[0029]刻蝕襯底層背面以定義出相應的柵介質傳感區域；
[0030]刻蝕正面保護層形成源、漏電極的接觸孔6 ；
[0031]根據實際所測樣本在柵介質層上制備感應層、媒介層或多種復合層7及被測樣本所需結構，如圖2所示。
[0032]以上所述，僅為本發明的一種可行的制備方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變換或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.背柵式離子敏感場效應晶體管，其元胞結構包括襯底材料(I)、位于襯底材料(I)正面的半導體溝道層材料(2)、半導體溝道層材料(2)正面具有兩個上電極(4);所述兩個上電極(4)中，一個作為器件的源極、另一個作為器件的漏極；源極和漏極之間的半導體溝道層材料(2)形成器件的溝道區，與器件溝道區背面接觸的襯底材料通過減薄工藝減薄形成柵介質，柵介質背面具有對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料(7)。
2.根據權利要求1所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述減薄工藝采用但不限于光刻工藝。
3.根據權利要求1所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述兩個上電極(4)材料為金屬或導電薄膜。
4.根據權利要求1所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述半導體溝道層材料(2)采用高遷移率半導體薄膜材料，其厚度在100~200納米之間。
5.根據權利要求4所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述高遷移率半導體薄膜材料的電子遷移率不低于104cm2/Vs。
6.根據權利要求4所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述高遷移率半導體薄膜材料為銻化銦、碳納米管或石墨烯。
7.根據權利要求1所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述襯底材料I的禁帶寬度不低于SiO2禁帶寬度的一半，即大于0.7eV。
8.根據權利要求1所述的背柵式離子敏感場效應晶體管，其特征在于，所述對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7不限于單層材料，根據被測對象亦可為多種材料的復 合層
【文檔編號】G01N27/414GK103822953SQ201410060640
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】賈澤, 吳肖, 陸岠, 葛學彩, 劉俊杰 申請人:電子科技大學
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