專利名稱：硅納米線器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物芯片及其制造方法，特別涉及一種具有HKMG(高介電常數(shù)絕緣層-金屬柵極)結(jié)構(gòu)的硅納米線器件及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，伴隨著人們對(duì)納米技術(shù)領(lǐng)域的不斷探索和研究，具有一維納米結(jié)構(gòu)的材料，如硅納米線(SiNW，SiliCOn Nanowire)，越來越受到人們的重視。硅納米線具有顯著的量子效應(yīng)、超大面容比等特性，所以在MOS器件、傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。硅納米線器件，作為一種生物芯片基本單元，正被越來越廣泛地應(yīng)用于生物探測(cè)領(lǐng)域。Kuan-I Chen等人在《今日納米雜志(Nano Today))) 2011年第6期第131-154頁(yè)發(fā)表了一篇題目為"Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recoding investigation，，白勺文$，胃中^紹了納米線的應(yīng)用及提出了制作硅納米線器件的制作工藝。圖IA是現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的俯視示意圖，圖IB是圖IA的A-A剖面示意圖。如圖1Α、圖IB所示，現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件，是在表面具有二氧化硅層2的多晶硅襯底1上形成硅納米線4以及與硅納米線4兩端分別連接的源/漏區(qū)3而構(gòu)成的，其中，硅納米線通常是在多晶硅或單晶硅表面上覆蓋一層氧化層而形成，其主要的工作原理類似于MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，利用多晶硅或者單晶硅上的氧化層作為柵氧，由于吸附其上的生物分子集團(tuán)通常都帶有電荷，該電荷會(huì)對(duì)硅納米線進(jìn)行類似于MOSFET的電勢(shì)調(diào)節(jié)，進(jìn)而影響硅納米線的導(dǎo)電特性，通過對(duì)這種導(dǎo)電特性的監(jiān)控可識(shí)別特定的生物分子集團(tuán)。在現(xiàn)有技術(shù)的硅納米線器件制作工藝中，在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)后， 采用絕緣介質(zhì)層覆蓋硅納米線，以便例如在源/漏區(qū)上形成金屬焊墊并開設(shè)接觸孔的后續(xù)工藝中保護(hù)硅納米線不受損傷。當(dāng)上述金屬焊墊、接觸孔等制作完畢后，需要去除硅納米線上的絕緣介質(zhì)層，以釋放出硅納米線區(qū)域，使硅納米線能夠直接接觸待測(cè)液體。圖2是釋放工藝前的現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的剖面圖。由于通常在硅納米線器件的整個(gè)工藝完成后，即所有的金屬焊墊制作完成之后進(jìn)行該釋放工藝，這就使得釋放工藝無法進(jìn)入前道工藝的相關(guān)基臺(tái)。這是因?yàn)?，若使用前道工藝的相關(guān)基臺(tái)來進(jìn)行釋放工藝，則金屬焊墊上的金屬會(huì)給前道工序帶來污染。因此，無法使用前道工序的選擇比非常高的熱磷酸基臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，而額外采購(gòu)新的熱磷酸基臺(tái)，這會(huì)大大增加生產(chǎn)成本。為了不增加制造成本，現(xiàn)有技術(shù)中通常選用干法釋放(即干法刻蝕)。圖3是干法刻蝕后的現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的剖面圖。該硅納米線器件的不足之處在于由于干法刻蝕無法做到完全的高選擇比各向同性刻蝕，所以在硅納米線4的側(cè)面會(huì)形成側(cè)墻 (spacer) 41，當(dāng)硅納米線4的側(cè)面被側(cè)墻41覆蓋時(shí)，該硅納米線4無法與待測(cè)液體實(shí)現(xiàn)有效的接觸，剩下的能與待測(cè)液體有效接觸的部位主要是硅納米線4的頂面，但頂面面積在硅納米線的總表面積中所占的比例很小，從而使硅納米線與待測(cè)液體的有效接觸面積大幅度減少，因此受生物分子集團(tuán)影響的面積也隨之減少，這會(huì)使硅納米線器件的受影響率降低，導(dǎo)致硅納米器件的靈敏度降低。這里，所謂的受影響率是指，受生物分子集團(tuán)影響的硅的表面積與該硅的總表面積之比。另外，為了盡可能使側(cè)墻41減少而延長(zhǎng)了釋放工藝的時(shí)間，則會(huì)對(duì)硅納米線的氧化層的厚度和均勻性造成顯著的影響。不管采用任何釋放工藝，干法刻蝕還是濕法刻蝕，由于該釋放工藝會(huì)直接停在硅納米線的氧化層上，所以均會(huì)對(duì)該氧化層的厚度和均勻性造成顯著的影響。該氧化層相當(dāng)于硅納米器件的柵氧，硅納米器件的特性取決于該氧化層的厚度和均勻性，所以上述的影響會(huì)導(dǎo)致硅納米線器件的探測(cè)特性衰減。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于，提供一種具有可靠的探測(cè)靈敏度的硅納米線器件及其制造方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種硅納米線器件，其包括形成在襯底上的硅納米線和源/漏區(qū)，所述硅納米線和所述源/漏區(qū)相連接，其特征在于，在所述硅納米線的表面不存在氧化層，而且該硅納米線的頂面及側(cè)面被HKMG層即高介電常數(shù)絕緣層-金屬柵極層覆蓋，該HKMG層是依次沉積高介電常數(shù)絕緣層和金屬柵極層而成的。優(yōu)選地，所述硅納米線器件包括兩個(gè)源/漏區(qū)，分別位于所述硅納米線的兩側(cè)。本發(fā)明還提供所述硅納米線器件的制作方法，包括如下步驟在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)，所述硅納米線和所述源/漏區(qū)相連，而且在所述硅納米線的表面不存在氧化層；在硅納米線上形成依次沉積高介電常數(shù)絕緣層和金屬柵極層而成的HKMG層即高介電常數(shù)絕緣層-金屬柵極層，該HKMG層覆蓋所述硅納米線的頂面及側(cè)面；在源/漏區(qū)上依次形成金屬焊墊及連通至金屬焊墊的接觸孔；去除HKMG層上的物質(zhì)，暴露HKMG層，上述物質(zhì)是在形成金屬焊墊及接觸孔的步驟中形成于HKMG層上的。優(yōu)選地，所述在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)的步驟包括采用熱氧化方法，在襯底上形成二氧化硅層；在二氧化硅層上沉積多晶硅層并進(jìn)行輕摻雜；對(duì)所述多晶硅層采用光刻、刻蝕，形成硅納米線和源/漏區(qū)；采用熱氧化方法，在硅納米線和源/漏區(qū)表面上形成氧化膜。優(yōu)選地，在采用光刻、刻蝕，形成硅納米線和源/漏區(qū)的步驟后，還包括采用光刻、離子注入工藝對(duì)源/漏區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s。優(yōu)選地，在所述在硅納米線上形成HKMG層的步驟中，依次沉積高介電常數(shù)絕緣層及金屬柵極層，再通過反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕形成所述HKMG層。優(yōu)選地，所述在源/漏區(qū)上依次形成金屬焊墊及接觸孔的步驟包括沉積第一氧化層，采用光刻、刻蝕形成通孔，在通孔內(nèi)填充金屬形成金屬層，采用光刻、刻蝕形成金屬焊墊，在金屬焊墊上沉積第二氧化層及氮化硅鈍化層，采用光刻、刻蝕形成接觸孔。優(yōu)選地，所述暴露HKMG層的步驟中，去除所述HKMG層上方的氮化硅鈍化層、第二
氧化層和第一氧化層。
優(yōu)選地，所述高介電常數(shù)絕緣層采用如HaSi0N、Ha02等Hf基材料或&基材料，所述金屬柵極層采用TiN或TaN等金屬材料。從上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)硅納米器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用HKMG層來取代傳統(tǒng)硅納米器件的氧化層。本發(fā)明通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低硅納米器件的等效氧化層厚度(EOT)，從而能夠增加其氧化層電容(Cox)，進(jìn)而能夠增加硅納米器件對(duì)于外界微弱信號(hào)的靈敏度。而且，利用本發(fā)明的硅納米線器件來進(jìn)行測(cè)定時(shí)，雖然因存在側(cè)墻而待測(cè)液體無法與HKMG層的側(cè)面實(shí)現(xiàn)有效的接觸，但待測(cè)液體中的帶有電荷的生物分子集團(tuán)至少能夠與HKMG層的頂面直接接觸，由于HKMG層的MG層具有導(dǎo)電性，電荷會(huì)均勻分布在硅納米線器件的表面，從而能夠避免受影響率降低。還有，在HKMG層形成之后，MG層對(duì)HK層具有保護(hù)作用，保護(hù)HK層免受后續(xù)工藝的破壞，所以與傳統(tǒng)的硅納米線器件相比，對(duì)相當(dāng)于柵氧的HK層的厚度控制和均勻性控制的可靠性得到大幅度的提升，從而能夠得到具有可靠的靈敏度的硅納米器件。


圖IA是現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的俯視示意圖。圖IB是圖IA的A-A剖面示意圖。圖2是釋放工藝前的現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的剖面圖。圖3是釋放工藝后的現(xiàn)有技術(shù)中的硅納米線器件的剖面圖。圖4是本發(fā)明的硅納米線器件的工藝流程圖。圖5是用于表示本發(fā)明硅納米線器件工藝步驟的剖面圖。圖6是用于表示本發(fā)明硅納米線器件工藝步驟的剖面圖。圖7是用于表示本發(fā)明硅納米線器件工藝步驟的剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。在下面的說明中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明能夠以很多不同于如下所述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖來進(jìn)行詳細(xì)說明，但在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明時(shí)，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實(shí)例，不可視為對(duì)本發(fā)明保護(hù)的范圍的限定。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。在本發(fā)明中，硅納米線器件的剖面圖以簡(jiǎn)化的方式只畫出了部分硅納米線和一個(gè)源/漏區(qū)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。圖4是本發(fā)明的硅納米線器件的工藝流程圖，圖5 7分別是用于表示本發(fā)明硅納米線器件工藝步驟的剖面圖。下面，參照?qǐng)D4及圖5 7，對(duì)本發(fā)明的硅納米線器件制作方法進(jìn)行詳細(xì)說明。首先，在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)(步驟101)。如圖5所示，在襯底1上采用熱氧化工藝生成二氧化硅層2，在該二氧化硅層2上沉積多晶硅層并進(jìn)行輕摻雜，采用反應(yīng)離子刻蝕多晶硅層以形成源/漏區(qū)3和硅納米線4。 優(yōu)選地，在步驟101中采用反應(yīng)離子刻蝕形成源/漏區(qū)3和硅納米線4步驟后還可以包括以下步驟采用光刻、離子注入工藝，對(duì)源/漏區(qū)3進(jìn)行重?fù)诫s，從而降低源/漏區(qū)3的接觸電阻。接下來，形成用于覆蓋硅納米線的頂面及側(cè)面的HKMG層5 (步驟102)。如圖5所示，沉積一層HK層(高介電常數(shù)絕緣層)51，并采用物理氣相沉積工藝來沉積一層MG(Metal Gate)層(金屬柵極層)52，再通過反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕形成用于覆蓋硅納米線4的頂面及側(cè)面的HKMG層5 (參照?qǐng)D6)。所述HKMG層5的MG層對(duì)HK層具有保護(hù)作用，保護(hù)HK層免受后續(xù)工藝的破壞，所以與傳統(tǒng)的硅納米線器件相比，對(duì)相當(dāng)于柵氧的HK層的厚度控制和均勻性控制的可靠性得到大幅度的提升，從而能夠得到具有可靠的靈敏度的硅納米器件。在本實(shí)施例中，所述HKMG層5的HK層51可以采用Hf基材料或 Zr基材料等高介電常數(shù)材料，所述Hf基材料例如為HaSi0N、Ha02等，所述MG層52可以采用如TiN或TaN等導(dǎo)電性金屬材料。然后，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，在源/漏區(qū)3上依次形成金屬焊墊7及連接至金屬焊墊7的接觸孔(步驟103)。如圖6所示，在HKMG層5上沉積第一氧化層61，在所述器件的源/漏區(qū)3采用光刻、刻蝕形成通孔，在通孔內(nèi)填充金屬形成金屬層，采用光刻、刻蝕金屬層以形成金屬焊墊 7，所述金屬焊墊7為鋁焊墊，在金屬焊墊7上沉積第二氧化層62及氮化硅鈍化層63，采用光刻、刻蝕形成接觸孔，所述氧化層61、62為氧化硅。所述硅納米線器件在金屬焊墊7及接觸孔完成后，覆蓋硅納米線4的HKMG層5上覆蓋有氧化層61、62和氮化硅鈍化層63，需要對(duì)這些層進(jìn)行釋放，因而在步驟104中，采用干法刻蝕，去除硅納米線4上方的氮化硅鈍化層63、氧化層61、62，從而暴露所述HKMG層5。本發(fā)明的硅納米線器件釋放后的剖面圖，如圖7所示。在對(duì)硅納米線器件進(jìn)行干法刻蝕時(shí)，由于干法刻蝕無法做到完全的高選擇比各向同性刻蝕，所以可能會(huì)在HKMG層5 的側(cè)面形成側(cè)墻41。利用本發(fā)明的硅納米線器件來進(jìn)行測(cè)定時(shí)，雖然因存在側(cè)墻41而待測(cè)液體無法與HKMG層5的側(cè)面實(shí)現(xiàn)有效的接觸，但待測(cè)液體中的帶有電荷的生物分子集團(tuán)至少能夠與 HKMG層5的頂面直接接觸，由于HKMG層5的MG層具有導(dǎo)電性，電荷會(huì)均勻分布在硅納米線器件的表面，從而能夠避免受影響率降低。從上述實(shí)施例可知，本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)硅納米器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用HKMG層來取代傳統(tǒng)硅納米器件的氧化層。本發(fā)明通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低硅納米器件的等效氧化層厚度(EOT)，從而能夠增加其氧化層電容(Cox)，進(jìn)而能夠增加硅納米器件對(duì)于外界微弱信號(hào)的靈敏度。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種硅納米線器件，包括形成在襯底上的硅納米線和源/漏區(qū)，所述硅納米線和所述源/漏區(qū)相連接，其特征在于，在所述硅納米線的表面不存在氧化層，而且該硅納米線的頂面及側(cè)面被HKMG層即高介電常數(shù)絕緣層-金屬柵極層覆蓋，該HKMG層是依次沉積高介電常數(shù)絕緣層和金屬柵極層而成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線器件，其特征在于，所述高介電常數(shù)絕緣層采用Hf 基材料或ττ基材料，所述金屬柵極層采用TiN或TaN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅納米線器件，其特征在于，所述硅納米線器件包括兩個(gè)源/漏區(qū)，分別位于所述硅納米線的兩側(cè)。
4.一種硅納米線器件的制作方法，包括以下步驟在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)，所述硅納米線和所述源/漏區(qū)相連，而且在所述硅納米線的表面不存在氧化層；在硅納米線上形成依次沉積高介電常數(shù)絕緣層和金屬柵極層而成的HKMG層即高介電常數(shù)絕緣層-金屬柵極層，該HKMG層覆蓋所述硅納米線的頂面及側(cè)面；在源/漏區(qū)上依次形成金屬焊墊及連通至金屬焊墊的接觸孔；去除HKMG層上的物質(zhì)，暴露HKMG層，上述物質(zhì)是在形成金屬焊墊及接觸孔的步驟中形成于HKMG層上的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，所述在襯底上形成硅納米線和源/漏區(qū)的步驟包括采用熱氧化方法，在襯底上形成二氧化硅層；在二氧化硅層上沉積多晶硅層并進(jìn)行輕摻雜；對(duì)所述多晶硅層采用光刻、刻蝕，形成硅納米線和源/漏區(qū)；采用熱氧化方法，在硅納米線和源/漏區(qū)表面上形成氧化膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，在采用光刻、刻蝕， 形成硅納米線和源/漏區(qū)的步驟后，還包括采用光刻、離子注入工藝對(duì)源/漏區(qū)進(jìn)行重?fù)溅?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，在所述在硅納米線上形成HKMG層的步驟中，依次沉積高介電常數(shù)絕緣層及金屬柵極層，再通過反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕形成所述HKMG層。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，所述在源/漏區(qū)上依次形成金屬焊墊及接觸孔的步驟包括沉積第一氧化層，采用光刻、刻蝕形成通孔，在通孔內(nèi)填充金屬形成金屬層，采用光刻、刻蝕形成金屬焊墊，在金屬焊墊上沉積第二氧化層及氮化硅鈍化層，采用光刻、刻蝕形成接觸孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，所述暴露HKMG層的步驟中，去除所述HKMG層上方的氮化硅鈍化層、第二氧化層和第一氧化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的硅納米線器件的制作方法，其特征在于，所述高介電常數(shù)絕緣層采用Hf基材料或ττ基材料，所述金屬柵極層采用TiN。
全文摘要
提供一種硅納米線器件及其制作方法。本發(fā)明采用HKMG層(5)來取代傳統(tǒng)硅納米器件的氧化層，即，HK層(51)被MG層(52)覆蓋，所以能夠保護(hù)HK層(51)免受后續(xù)工序的影響，因此對(duì)HK層的厚度控制和均勻性控制的可靠性大幅度提升。而且，在干法釋放工藝中，即使在硅納米線器件的兩側(cè)形成側(cè)墻(41)，也因MG層的導(dǎo)電性而能夠使電荷均勻地分布在硅納米線器件的表面，從而能夠可靠地防止受影響率降低。由于采用HKMG層來取代傳統(tǒng)硅納米器件的氧化層，所以能夠有效地降低硅納米器件的EOT，從而能夠增加其Cox，進(jìn)而能夠增加硅納米器件對(duì)外界微弱信號(hào)的靈敏度。
文檔編號(hào)B82Y10/00GK102437190SQ201110388988
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者曹永峰 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司