本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種結(jié)合刻蝕通孔、外延溝道、各向同性去除假柵層以實(shí)現(xiàn)垂直溝道的納米線生物傳感器的集成方法。

背景技術(shù)：

集成電路自發(fā)明以來，通過不斷縮小其特征尺寸，可以集成其他微機(jī)械系統(tǒng)元件，能夠有效地提高芯片性能。而近年來，微納技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這種微型生物傳感器是一種以生物活性單元(如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等)作為敏感基元，將生物信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中的生物信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的元件。納米線擁有很高的表面積體積比，滿足生物傳感對(duì)于靈敏度的要求，因此被視為最有發(fā)展?jié)摿Φ纳锔兄骷?。由于進(jìn)行生物傳感時(shí)，待測(cè)溶液會(huì)被滴定在修飾窗口中，通過將溶液中的生物分子修飾在溝道表面進(jìn)而調(diào)控溝道電勢(shì)，溶液此時(shí)相當(dāng)于行使晶體管中柵極的功能，常被稱為液柵，對(duì)應(yīng)的溝道修飾長度被成為液柵長，溶液浸潤的溝道區(qū)域被稱為液柵區(qū)域。

哈佛大學(xué)Yi Cui等人的研究小組通過自底向上的方法制備出了納米線，并利用硅納米線器件極高的靈敏度成功檢測(cè)了PH值的變化。但是，這種通過催化劑化學(xué)生長形成的納米線沒有統(tǒng)一的方向，無法實(shí)現(xiàn)器件的精準(zhǔn)定位，同時(shí)也與傳統(tǒng)的集成電路制造技術(shù)不兼容。同時(shí)其它研究小組報(bào)道，可以用納米線的這種電導(dǎo)敏感特性對(duì)蛋白質(zhì)和核酸進(jìn)行檢測(cè)，但是由于都是水平溝道方向的納米線器件，溝道橫向?qū)е碌味ㄈ芤褐械拇揎椢锎蟛糠种患性跍系郎媳砻婧蜏系纻?cè)壁，溝道下表面的生物分子欠缺，因此得到的傳感電信號(hào)強(qiáng)度不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明提供一種結(jié)合刻蝕通孔、外延溝道、各向同性去除假柵層的垂直溝道納米線生物傳感器的集成方法，以改善現(xiàn)有的公知技術(shù)。包括如下步驟：

A.提供一半導(dǎo)體襯底，實(shí)現(xiàn)器件隔離；

B.形成重?fù)诫s的“下有源區(qū)”；

C.淀積假柵疊層；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

C1.淀積一層介質(zhì)作“SDE掩膜層1”，其厚度定義了器件的下有源區(qū)側(cè)墻的寬度；

C2.淀積一層介質(zhì)作“假柵層”，其厚度定義了器件的溝道修飾長度(液柵長)；

C3.淀積一層介質(zhì)作“SDE掩膜層2”，其厚度定義了器件的上有源區(qū)側(cè)墻的寬度；

其中，SDE掩膜層1與SDE掩膜層2的材料相同，與假柵層材料相異。并且要求假柵層材料對(duì)SDE掩膜層1的各向同性刻蝕選擇比大于5:1，以保證在F4中通過各向同性刻蝕去除假柵層時(shí)不損傷SDE掩膜層1與SDE掩膜層2；

D.通過刻蝕通孔、外延溝道形成垂直溝道結(jié)構(gòu)；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

D1.通過光刻定義溝道截面的形狀、大??；

D2.通過各向異性刻蝕形成溝道窗口，窗口底部露出器件的重?fù)诫s下有源區(qū)，去膠；

D3.通過圖形化外延技術(shù)形成器件的溝道；

D4.通過化學(xué)機(jī)械拋光去除淀積超出SDE掩膜層2上表面的溝道材料，實(shí)現(xiàn)平坦化；

E.通過淀積、刻蝕形成器件的重?fù)诫s“上有源區(qū)”；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

E1.淀積一層有源材料；

E2.通過光刻技術(shù)定義上有源區(qū)窗口；

E3.通過各向異性刻蝕形成上有源區(qū)，去膠；

E4.通過離子注入技術(shù)對(duì)上有源區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s；

E5.通過退火工藝激活源、漏；

F.去除假柵材料，形成納米線溝道修飾區(qū)域(即液柵區(qū)域)；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

F1.淀積一層介質(zhì)作頂部掩膜層；

F2.通過光刻定義液柵區(qū)域；

F3.通過各向異性刻蝕，露出SDE掩膜層1的上表面，去膠；

F4.通過各向同性刻蝕，去除整個(gè)假柵層；

其中，F(xiàn)1中所述頂部掩膜層材料與假柵層不同，并且要求假柵層材料對(duì)該頂部掩膜層的各向同性刻蝕選擇比大于5:1，以保證在F4中通過各向同性刻蝕去除假柵層時(shí)不損傷該頂部掩膜層；

G.形成器件源漏兩端的金屬接觸；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

G1.去除頂部掩膜層；

G2.各向異性淀積一層層間介質(zhì)，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化；

G3.通過光刻、各向異性刻蝕形成器件源漏兩端的接觸孔，去膠；

G4.在各接觸孔中填充金屬M(fèi)etal 0；

G5.通過對(duì)金屬M(fèi)etal 0進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化，去除超出層間介質(zhì)的上表面的金屬M(fèi)etal

0，實(shí)現(xiàn)器件之間的導(dǎo)電層分離；

H.形成金屬互聯(lián)圖形；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

H1.淀積金屬M(fèi)etal 1；

H2.通過光刻、各向異性刻蝕形成源漏兩端的引出和探針測(cè)試pad，去膠；

I.形成溶液滴定的修飾窗口；

I1.淀積一層介質(zhì)作為鈍化層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平坦化；

I2.通過光刻定義修飾窗口，用于溶液滴定時(shí)，待修飾的生物分子通過此窗口擴(kuò)散經(jīng)液柵層，再擴(kuò)散至納米線的表面成鍵修飾；

I3.通過各向異性刻蝕，連通修飾窗口和液柵層，形成從基片表面至納米線溝道修飾表面的通路，去膠；

J.形成探針測(cè)試窗口；

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

J1.光刻定義探針測(cè)試窗口；

J2.通過各向異性刻蝕，露出互聯(lián)金屬M(fèi)etal 1所定義的探針測(cè)試pad，去膠；

K.合金，使金屬與源漏的接觸處呈現(xiàn)更好的歐姆特性，同時(shí)使介質(zhì)材料更加致密。

在進(jìn)行生物分子的傳感探測(cè)時(shí)，將帶有生物分子和交聯(lián)劑的溶液滴定在修飾窗口中，源端探針和漏端探針分別扎在探針測(cè)試窗口中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)pad上，當(dāng)溶液中的待測(cè)生物分子在交聯(lián)劑的作用下，會(huì)修飾在納米線溝道的表面，形成共價(jià)鍵，引起納米線溝道的電勢(shì)改變，從而引起電流改變，電流變化波形會(huì)從源漏通過金屬互聯(lián)傳至探針，生物信息量從而變化為電信息量，以此實(shí)現(xiàn)生物分子的傳感。

進(jìn)一步地，本發(fā)明中所述結(jié)構(gòu)參數(shù)(如“上有源區(qū)”和“下有源區(qū)”的厚度及摻雜濃度，“SDE掩膜層1”、“SDE掩膜層2”、“假柵層”的厚度等)皆根據(jù)具體器件性能要求設(shè)定。

進(jìn)一步地，步驟A中所述半導(dǎo)體襯底，包括體硅襯底，SOI襯底，體鍺襯底，GOI襯底等。

進(jìn)一步地，步驟A中所述隔離，對(duì)于體襯底(體硅、體鍺等)，可使用阱隔離加淺槽隔離(Shallow Trench Isolation，STI)；對(duì)于SOI、GOI等襯底，可僅使用淺槽隔離。

進(jìn)一步地，步驟B中所述下有源區(qū)可通過注入形成，也可通過圖形化的原位摻雜外延形成。

進(jìn)一步地，步驟B、E中所述“上有源區(qū)”與“下有源區(qū)”，二者中何者作器件源端、何者作器件漏端，并無一定之規(guī)，可根據(jù)器件性能和后續(xù)互聯(lián)的方便進(jìn)行設(shè)定。

進(jìn)一步地，步驟D中所述通過外延形成的器件溝道，其材料可與下有源區(qū)材料相同(如在重?fù)诫s的Si下有源區(qū)上外延形成Si溝道)，也可與下有源區(qū)材料不同(如在N+重?fù)诫s的GeSi下有源區(qū)上外延形成Si溝道，在P+重?fù)诫s的GeSi下有源區(qū)上外延形成Ge溝道)；可以是非摻雜的，也可通過原位摻雜外延或離子注入的方式形成摻雜的溝道。

進(jìn)一步地，步驟G中所述作為導(dǎo)電層的填充金屬M(fèi)etal 0，要求具備低的電阻率，良好的通孔填充能力，可選擇鎢、銅等。

進(jìn)一步地，步驟H和J中所述作為導(dǎo)電層的填充金屬M(fèi)etal 1，要求具備低的電阻率，如鋁、銀、鉑、銅和鈦中的一種及其復(fù)合金屬。

進(jìn)一步地，在步驟D、E、F、G、H、I和J中，各向異性刻蝕采用如反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)或電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)等。

進(jìn)一步地，在步驟E中，退火方式采用快速熱退火(Rapid Thermal Annealing)、尖峰退火(Spike Annealing)、閃耀退火(Flash Annealing)和激光退火(Laser Annealing)中的一種。

進(jìn)一步地，在步驟G和H中，淀積金屬采用蒸發(fā)、濺射、電鍍和化學(xué)氣相淀積(Chemical Vapor Deposition)中的一種。

進(jìn)一步地，在步驟C、E、F和G中，非金屬材料的各向同性淀積方法采用低壓化學(xué)氣相淀積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、原子層淀積(Atomic Layer Deposition，ALD)中的一種，各向異性淀積方法采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、電感耦合等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(Inductively Coupled Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition，ICPECVD)中的一種，未指明用淀積為各向同性還是各向異性時(shí)，任選一種即可。

進(jìn)一步地，在步驟K中，合金的目的是為了讓金屬互聯(lián)的接觸端與有源層的源極、漏極、柵極形成更好的歐姆接觸，同時(shí)可以使得介質(zhì)材料更加致密，采用合金爐的處理溫度為300-500℃，處理時(shí)間為30min-60min，優(yōu)化采用430℃處理30min。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下：

1)本發(fā)明提出的垂直溝道結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的水平溝道結(jié)構(gòu)相比，生物分子在溶液中進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)納米線溝道表面的各個(gè)方向均產(chǎn)生隨機(jī)碰撞，將最終在納米線表面產(chǎn)生更高的修飾密度，而在溝道方向水平的情況下，大部分生物分子只能修飾在溝道上表面和溝道側(cè)壁，溝道下表面幾乎無法被修飾；

2)與現(xiàn)有的水平納米線刻蝕溝道的方法相比，本發(fā)明提出的刻蝕通孔、外延溝道的集成方法，能精確地控制器件溝道的尺寸大小和形貌，避免了現(xiàn)有方法中溝道形成過程中的刻蝕損傷，提高了器件的性能；

3)相比水平納米線定義溝長的方法，本發(fā)明通過淀積假柵層能夠突破傳統(tǒng)光刻工藝限制，將溝長縮短至10nm以下，這對(duì)單個(gè)蛋白質(zhì)或核酸分子的修飾是非常有益的；

4)完全和與傳統(tǒng)集成電路制造技術(shù)相兼容，工藝簡(jiǎn)單，成本代價(jià)小。

附圖說明

圖1-14為SOI襯底上制備垂直溝道N型納米線生物傳感器的各關(guān)節(jié)工藝的示意圖。各圖中，(a)為俯視圖，(b)為(a)中沿A-A’的剖面圖。

其中：

圖1在SOI襯底上形成器件的隔離；

圖2對(duì)器件下有源區(qū)進(jìn)行N型重?fù)诫s；

圖3依次淀積SDE掩膜層1、假柵層材料、SDE掩膜層2；

圖4光刻、刻蝕形成器件的溝道窗口；

圖5外延單晶硅溝道并平坦化；

圖6形成器件的上有源區(qū)，并進(jìn)行N型重?fù)诫s；

圖7淀積頂部掩膜層，光刻并刻蝕頂部掩膜層，定義液柵區(qū)域；

圖8去除假柵層；

圖9各向異性淀積層間介質(zhì)并平坦化；

圖10刻蝕源漏接觸孔，并填充金屬，實(shí)現(xiàn)平坦化；

圖11淀積互聯(lián)金屬，光刻并刻蝕金屬，定義互聯(lián)圖形；

圖12淀積鈍化層并平坦化；

圖13光刻并刻蝕鈍化層、層間介質(zhì)、SDE掩膜層2，定義溶液滴定的窗口，露出部分液柵區(qū)域；

圖14光刻并刻蝕鈍化層，定義探針測(cè)試的窗口，露出金屬pad；

圖15為圖1～圖14的圖例。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

根據(jù)下列步驟可以實(shí)現(xiàn)SOI襯底上垂直溝道N型納米線生物傳感器：

1)在(100)SOI襯底上將利用HNA溶液將頂層硅膜減薄至20nm，通過光刻、RIE刻蝕定義器件的下有源區(qū)，去膠，如圖1所示；

2)進(jìn)行As⁺注入摻雜形成器件的下有源區(qū)(作器件的源/漏端)，注入能量10KeV，注入劑量5E15cm^-2；

3)LPCVD SiO₂ 40nm，通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行表面平坦化，露出重?fù)诫s下有源區(qū)的上表面，形成STI，如圖2所示；

4)通過ALD依次淀積10nm SiO₂(作SDE掩膜層1，其厚度定義了器件的下有源區(qū)側(cè)墻的寬度為10nm)、14nm Si₃N₄(作假柵層，其厚度定義了器件的液柵長為14nm)、10nm SiO₂(作SDE掩膜層2，其厚度定義了器件的上有源區(qū)側(cè)墻的寬度為10nm)，如圖3所示；

5)通過光刻、ICP刻蝕形成器件溝道窗口(窗口為直徑15nm的圓柱體，窗口底部露出器件的重?fù)诫s下有源區(qū))，去膠，如圖4所示；

6)通過外延工藝，在器件的下有源區(qū)上形成未摻雜單晶Si溝道，通過化學(xué)機(jī)械拋光磨去超出SDE掩膜層2上表面淀積的單晶硅材料，如圖5所示；

7)LPCVD淀積多晶硅30nm，并進(jìn)行As⁺注入摻雜，注入能量15KeV，注入劑量5E15cm^-2，通過光刻、ICP刻蝕多晶硅30nm，形成N+重?fù)诫s多晶硅上有源區(qū)(作為器件的源/漏端)，去膠，如圖6所示；

8)通過RTA退火1000℃，10s，激活器件的源、漏；

9)LPCVD淀積50nm碳化硅作為頂部掩膜層，通過光刻定義液柵區(qū)域，ICP刻蝕碳化硅掩膜50nm，去膠，如圖7所示；

10)ICP刻蝕去除未被頂部掩膜層覆蓋的10nm SiO₂(SDE掩膜層2)、14nm Si₃N₄(假柵層)，露出SDE掩膜層1的上表面；通過各向同性刻蝕，去除整個(gè)Si₃N₄假柵層，如圖8所示；

11)用RIE刻蝕去除頂部掩膜層，通過PECVD淀積200nm SiO₂作為層間介質(zhì)，并利用化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)現(xiàn)平坦化，如圖9所示；

12)通過光刻、ICP刻蝕形成器件源、漏兩端的接觸孔，去膠；

13)濺射500nm金屬鎢，器件源、漏兩端的接觸孔被金屬鎢填充；

14)通過對(duì)金屬鎢進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，去除超出200nm SiO₂層間介質(zhì)的上表面的金屬鎢，實(shí)現(xiàn)器件之間的導(dǎo)電層分離，如圖10所示；

15)濺射金屬鋁1μm，光刻并RIE刻蝕金屬鋁，形成互聯(lián)圖形，去膠，如圖11所示；

16)PECVD淀積2μm SiO₂作為鈍化層，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，如圖12所示；

17)通過光刻定義溶液滴定的窗口，RIE刻蝕鈍化層、層間介質(zhì)、SDE掩膜層2等組成的SiO₂疊層，刻蝕穿通至液柵層停止，去膠，如圖13所示；

18)通過光刻定義探針測(cè)試的窗口，RIE刻蝕鈍化層SiO₂ 2μm，至露出金屬鋁pad停止，去膠；

19)430℃，合金30min，如圖14所示。

本發(fā)明實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。