[发明专利]硅纳米线器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物芯片及其制造方法，特别涉及一种具有HKMG(高介电常数绝缘层-金属栅极)结构的硅纳米线器件及其制作方法。

背景技术

近年来，伴随着人们对纳米技术领域的不断探索和研究，具有一维纳米结构的材料，如硅纳米线(SiNW，Silicon Nanowire)，越来越受到人们的重视。硅纳米线具有显著的量子效应、超大面容比等特性，所以在MOS器件、传感器等领域有着良好的应用前景。

硅纳米线器件，作为一种生物芯片基本单元，正被越来越广泛地应用于生物探测领域。

Kuan-l Chen等人在《今日纳米杂志(Nano Today)》2011年第6期第131-154页发表了一篇题目为“Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recoding investigation”的文章，其中介绍了硅纳米线的应用及提出了制作硅纳米线器件的制作工艺。图1A是现有技术中的硅纳米线器件的俯视示意图，图1B是图1A的A-A剖面示意图。如图1A、图1B所示，现有技术中的硅纳米线器件，是在表面具有二氧化硅层2的多晶硅衬底1上形成硅纳米线4以及与硅纳米线4两端分别连接的源/漏区3而构成的，其中，硅纳米线通常是在多晶硅或单晶硅表面上覆盖一层氧化层而形成，其主要的工作原理类似于MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，利用多晶硅或者单晶硅上的氧化层作为栅氧，由于吸附其上的生物分子集团通常都带有电荷，该电荷会对硅纳米线进行类似于MOSFET的电势调节，进而影响硅纳米线的导电特性，通过对这种导电特性的监控可识别特定的生物分子集团。

在现有技术的硅纳米线器件制作工艺中，在衬底上形成硅纳米线和源/漏区后，采用绝缘介质层覆盖硅纳米线，以便例如在源/漏区上形成金属焊垫并开设接触孔的后续工艺中保护硅纳米线不受损伤。当上述金属焊垫、接触孔等制作完毕后，需要去除硅纳米线上的绝缘介质层，以释放出硅纳米线区域，使硅纳米线能够直接接触待测液体。

图2是释放工艺前的现有技术中的硅纳米线器件的剖面图。由于通常在硅纳米线器件的整个工艺完成后，即所有的金属焊垫制作完成之后进行该释放工艺，这就使得释放工艺无法进入前道工艺的相关基台。这是因为，若使用前道工艺的相关基台来进行释放工艺，则金属焊垫上的金属会给前道工序带来污染。因此，无法使用前道工序的选择比非常高的热磷酸基台进行作业，而额外采购新的热磷酸基台，这会大大增加生产成本。

为了不增加制造成本，现有技术中通常选用干法释放(即干法刻蚀)。图3是干法刻蚀后的现有技术中的硅纳米线器件的剖面图。该硅纳米线器件的不足之处在于：由于干法刻蚀无法做到完全的高选择比各向同性刻蚀，所以在硅纳米线4的侧面会形成侧墙(spacer)41，当硅纳米线4的侧面被侧墙41覆盖时，该硅纳米线4无法与待测液体实现有效的接触，剩下的能与待测液体有效接触的部位主要是硅纳米线4的顶面，但顶面面积在硅纳米线的总表面积中所占的比例很小，从而使硅纳米线与待测液体的有效接触面积大幅度减少，因此受生物分子集团影响的面积也随之减少，这会使硅纳米线器件的受影响率降低，导致硅纳米器件的灵敏度降低。这里，所谓的受影响率是指，受生物分子集团影响的硅的表面积与该硅的总表面积之比。

另外，为了尽可能使侧墙41减少而延长了释放工艺的时间，则会对硅纳米线的氧化层的厚度和均匀性造成显著的影响。不管采用任何释放工艺，干法刻蚀还是湿法刻蚀，由于该释放工艺会直接停在硅纳米线的氧化层上，所以均会对该氧化层的厚度和均匀性造成显著的影响。该氧化层相当于硅纳米器件的栅氧，硅纳米器件的特性取决于该氧化层的厚度和均匀性，所以上述的影响会导致硅纳米线器件的探测特性衰减。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种具有可靠的探测灵敏度的硅纳米线器件及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种硅纳米线器件，其包括形成在衬底上的硅纳米线和源/漏区，所述硅纳米线和所述源/漏区相连接，其特征在于，在所述硅纳米线的表面不存在氧化层，而且该硅纳米线的顶面及侧面被HKMG层即高介电常数绝缘层-金属栅极层覆盖，该HKMG层是依次沉积高介电常数绝缘层和金属栅极层而成的。

优选地，所述硅纳米线器件包括两个源/漏区，分别位于所述硅纳米线的两侧。

本发明还提供所述硅纳米线器件的制作方法，包括如下步骤：