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背栅式离子敏感场效应晶体管的制作方法
【专利摘要】背栅式离子敏感场效应晶体管，属于半导体器件【技术领域】，涉及半导体生物传感器。包括衬底材料、位于衬底材料正面的半导体沟道层材料、半导体沟道层材料正面的两个上电极（源极和漏极）；源极和漏极之间的半导体沟道层材料形成器件沟道区，与沟道区背面接触的衬底材料减薄形成栅介质，栅介质背面具有对生物检测对象敏感的感应层或媒介层。本发明将常规离子敏感场效应晶体管的信号面与检测面分立于器件两面，减少了信号电场对被检测生物对象的影响，从而提高了检测灵敏度。同时，结合高迁移率半导体薄膜材料制作的沟道区，使得本发明具有更高灵敏度和更高检测通量，双面加工工艺及器件层数的减少，有利于实现小型化，易于集成，易于实现检测阵列。
【专利说明】背栅式离子敏感场效应晶体管
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件【技术领域】，涉及半导体生物传感器，尤其是一种离子敏感场效应晶体管。
【背景技术】
[0002]半导体生物传感器由半导体电子器件与能选择性识别被测物质的特定感应层材料组成。感应层材料识别被测物质的原理是:被测物质通过与感应层材料的接触，引起半导体电子器件的电学性能变化，从而检测相应生物学对象(如酶、抗原抗体、细胞及切片等)的状态。这类传感器在灵敏度、速度、微型化及成本等诸方面具有优势，在生物检测与分析领域获得了日益广泛的关注和应用。常见的半导体生物传感器有三种典型结构:电解质-介质层-半导体电容(Electrolyte-1nsulator-Semiconductor，简称EIS)式传感器、光寻址点位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensors,简称 LAPS)、离子敏感场效应晶体管(1n-Sensitive Field-Effect Transistors,简称 ISFET)。ISFET 型生物传感器目前多以硅作为沟道材料。相比前两者，ISFET结构在传感器阵列的微型化、工艺集成、低成本、可靠性等方面具有优势，且适用范围更大。
[0003]现有的离子敏感场效应晶体管基本上是采用以硅为衬底，源、漏极与栅极及感应区同处一面的类似正向 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)的结构。ISFET以其栅介质层表面与被测生物对象的界面间电解质环境中的离子作为媒介，被测对象的活动与状态通过离子的运动引发栅极电荷及表面电势的变化，影响沟道区的导电状态，表现为ISFET的阈值电压、源漏电流、跨导等电学参数的变化，从而将被测对象的活动与状态精确地传感为场效应管电学输出信号。为提高器件输出信号的强度即提高对被测试样本的敏感程度，以氮化硅、SnO2或TiO2等材料作为敏感层以及采用各种形式的复合栅结构的晶体管的提出在一定程度上提高了离子敏感场效应晶体管的灵敏度。
[0004]现有的离子场效应晶体管，由于其结构为源、漏极与栅极及感应区同处一面的正向MOSFET结构,源、漏极之间的信号面电极布线的信号电场对被测样本存在一定的影响，从而降低了离子场效应晶体管对生物检测对象的检测灵敏度。即使沟道层材料采用灵敏度更高的氮化硅、SnO2或TiO2等材料，这类离子场效应晶体管对生物检测对象的检测灵敏度任有待进一步提闻。

【发明内容】

[0005]本发明提出一种背栅式离子敏感场效应晶体管，采用双面制作工艺将作为信号面的源、漏极区制作于器件正面，而将作为检测面的栅极及感应区制作于器件背面，通过将常规离子敏感场效应晶体管的信号面与检测面分立于器件两面，得到背栅式离子敏感场效应晶体管。
[0006]本发明技术方案是:
[0007]背栅式离子敏感场效应晶体管，如图2所示，其元胞结构包括衬底材料1、位于衬底材料I正面的半导体沟道层材料2、半导体沟道层材料2正面具有两个上电极4 ;所述两个上电极4中，一个作为器件的源极、另一个作为器件的漏极；源极和漏极之间的半导体沟道层材料2形成器件的沟道区，与器件沟道区背面接触的衬底材料通过减薄工艺减薄形成栅介质，栅介质背面具有对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7。
[0008]进一步的，所述减薄工艺可采用但不限于光刻工艺。
[0009]进一步的，所述两个上电极4材料为金属或导电薄膜。
[0010]进一步的，所述两个上电极(4 )材料为金属或导电薄膜。
[0011]进一步的，所述半导体沟道层材料2采用高迁移率半导体薄膜材料(其电子迁移率不低于104cm2/Vs，如锑化铟、碳纳米管、石墨烯等)，其厚度在100?200纳米之间。
[0012]进一步的，所述衬底材料I的禁带宽度不低于Si02禁带宽度的一半，即大于
0.7eV0
[0013]进一步的，所述对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7不限于单层材料，根据被测对象亦可为多种材料的复合层。
[0014]本发明提供的背栅式离子敏感场效应晶体管，采用双面制作工艺将作为信号面的源、漏极区制作于器件正面，而将作为检测面的栅极及感应区制作于器件背面，通过将常规离子敏感场效应晶体管的信号面与检测面分立于器件两面，大大减少了将检测面与信号面电极布线置于器件一面所存在的信号电场对被检测生物对象的影响，从而提高了器件的检测灵敏度。同时，这种背栅式离子敏感场效应晶体管结合高迁移率半导体薄膜材料制作的沟道区，使得本发明具有更高灵敏度和更高检测通量，加上双面加工工艺及器件层数的减少，有利于实现器件的小型化，易于集成，易于实现检测阵列。本发明还适用于采用柔性衬底的柔性器件，而这种柔性器件适于实现生物传感器，也更适合实现检测阵列。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1为本发明提供的背栅式离子敏感场效应管制造过程中的纵向截面示意图。
[0016]图2为本发明提供的背栅式离子敏感场效应管的纵向截面示意图。
[0017]附图标记:1是衬底材料，2是半导体沟道层材料，3是钝化隔离层，4是上电极，5是保护层，6是上电极接触孔，7是对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料。
【具体实施方式】
[0018]背栅式离子敏感场效应晶体管，如图2所示，其元胞结构包括衬底材料1、位于衬底材料I正面的半导体沟道层材料2、半导体沟道层材料2正面具有两个上电极4 ;所述两个上电极4中，一个作为器件的源极、另一个作为器件的漏极；源极和漏极之间的半导体沟道层材料2形成器件的沟道区，与器件沟道区背面接触的衬底材料通过减薄工艺减薄形成栅介质，栅介质背面具有对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7。
[0019]进一步的，所述减薄工艺可采用但不限于光刻工艺。
[0020]进一步的，所述两个上电极4材料为金属或导电薄膜。
[0021 ] 进一步的，所述两个上电极(4 )材料为金属或导电薄膜。
[0022]进一步的，所述半导体沟道层材料2采用高迁移率半导体薄膜材料(其电子迁移率不低于104cm2/Vs，如锑化铟、碳纳米管、石墨烯等)，其厚度在100?200纳米之间。[0023]进一步的，所述衬底材料I的禁带宽度不低于SiO2禁带宽度的一半，即大于
0.7eV0
[0024]进一步的，所述对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7不限于单层材料，根据被测对象亦可为多种材料的复合层。
[0025]本发明提供的新型结构离子敏感场效应管传感器的制造方法很多，在此只对其中一种可行的制造方法进行简单介绍。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。
[0026]首先选择一种具有合适禁带宽度(禁带宽度不低于SiO2禁带宽度的一半，即大于
0.7eV)的衬底材料层I，在衬底上制备一层厚度100纳米?200纳米的具有高迁移率的半导体薄膜材料层2 (可以通过溅射的方法制备)；
[0027]在半导体薄膜材料层2上制备一层钝化隔离层3，并分别刻蚀出源、漏区域，通过溅射制作采用导电薄膜材料的源、漏电极4 ；
[0028]在电极上制备一层薄的保护层5，以便进行后续衬底背面工艺，如图1所示；
[0029]刻蚀衬底层背面以定义出相应的栅介质传感区域；
[0030]刻蚀正面保护层形成源、漏电极的接触孔6 ；
[0031]根据实际所测样本在栅介质层上制备感应层、媒介层或多种复合层7及被测样本所需结构，如图2所示。
[0032]以上所述，仅为本发明的一种可行的制备方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在发明揭露的技术范围内，可轻易想到变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.背栅式离子敏感场效应晶体管，其元胞结构包括衬底材料(I)、位于衬底材料(I)正面的半导体沟道层材料(2)、半导体沟道层材料(2)正面具有两个上电极(4);所述两个上电极(4)中，一个作为器件的源极、另一个作为器件的漏极；源极和漏极之间的半导体沟道层材料(2)形成器件的沟道区，与器件沟道区背面接触的衬底材料通过减薄工艺减薄形成栅介质，栅介质背面具有对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料(7)。
2.根据权利要求1所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述减薄工艺采用但不限于光刻工艺。
3.根据权利要求1所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述两个上电极(4)材料为金属或导电薄膜。
4.根据权利要求1所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述半导体沟道层材料(2)采用高迁移率半导体薄膜材料，其厚度在100~200纳米之间。
5.根据权利要求4所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述高迁移率半导体薄膜材料的电子迁移率不低于104cm2/Vs。
6.根据权利要求4所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述高迁移率半导体薄膜材料为锑化铟、碳纳米管或石墨烯。
7.根据权利要求1所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述衬底材料I的禁带宽度不低于SiO2禁带宽度的一半，即大于0.7eV。
8.根据权利要求1所述的背栅式离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7不限于单层材料，根据被测对象亦可为多种材料的复 合层
【文档编号】G01N27/414GK103822953SQ201410060640
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】贾泽, 吴肖, 陆岠, 葛学彩, 刘俊杰 申请人:电子科技大学