一种自选择修饰的纳米线生物传感器及其制备方法与流程

本发明涉及生物传感器，具体涉及一种自选择修饰的纳米线生物传感器及其制备方法。

背景技术：

集成电路自发明以来，通过不断缩小其特征尺寸，同时集成其他微机械系统元件，能够有效地提高芯片性能。而近年来，微纳技术与生物技术的结合引起了学术界与工业界的广泛关注。这种微型生物传感器是一种以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为敏感基元，将生物信息转换成电信号，以实现对环境中的生物信号进行监测的元件。纳米线拥有很高的表面积体积比，满足生物传感对于灵敏度的要求，因此被视为最有发展潜力生物感知器件之一。

哈佛大学Yi Cui等人的研究小组通过自底向上的方法制备出了纳米线，并利用硅纳米线器件极高的灵敏度成功检测了PH值的变化。但是，这种通过催化剂化学生长形成的纳米线没有统一的方向，无法实现器件的精准定位，同时也与传统的集成电路制造技术不兼容，需要进一步优化。其他还有一些报道显示可以用纳米线的这种电导敏感特性对蛋白质和核酸进行检测，但是得到的信号强度不够，究其原因是无法实现生物分子对纳米线的特异性修饰，造成纳米线表面修饰的分子富集度不够。

技术实现要素：

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自选择修饰的纳米线生物传感器及其制备方法，本发明的方法能够通过生物分子对纳米线表面自选择修饰的特点，达到提高纳米线表面待测分子富集度的要求。

本发明的一个目的在于提供一种自选择修饰的纳米线生物传感器的制备方法。

本发明的自选择修饰的纳米线生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在半导体衬底上淀积隔离层；

2)在隔离层上淀积有源层，并进行离子注入，激活退火；

3)淀积掩膜层，光刻形成第一光刻胶图案，第一光刻胶图案为纳米线沟道的图形，刻蚀掩膜层暴露出有源层，形成掩膜层图案，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，去胶；

4)在有源层和形成了掩膜层图案的掩膜层上，光刻形成第二光刻胶图案，第二光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，刻蚀有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区和漏区的图形以及纳米线沟道，然后去胶；

5)进行源区和漏区离子注入，形成欧姆接触，并激活退火，去除纳米线沟道上方的掩膜层，从而形成纳米线沟道连接的源区和漏区；

6)淀积层间介质，覆盖隔离层以及形成了纳米线沟道、源区和漏区的有源层；在层间介质上，光刻形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为接触孔的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀层间介质至源区和漏区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区和漏区的上表面；

7)在形成了接触孔的层间介质上淀积金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的源区和漏区，在金属上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为一对金属互联的图形；然后利用第四光刻胶图案刻蚀金属至层间介质的上表面，从而形成一对金属互联，一对金属互联的一端为接触端，分别连接源区和漏区，金属互联的另一端为测试端；

8)淀积钝化层，覆盖层间介质和一对金属互联；在钝化层上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第五光刻胶图案刻蚀钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出纳米线沟道，纳米线沟道会在空气中被自然氧化形成氧化层，氧化层具有亲水性的-OH基团，使得纳米线沟道的表面形成亲水性的-OH基团，利于后续修饰溶液对纳米线沟道的充分浸润，同时产生自选择修饰；

9)在钝化层上，光刻形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中形成探针测试窗口，暴露出一对金属互联的测试端；

10)正面涂胶保护，背面注入，在半导体衬底的背面淀积金属，形成背面电极，正面去胶；

11)合金，使得金属互联的接触端与有源层的源区和漏区形成更好的欧姆接触，同时使得层间介质和钝化层更加致密。

其中，在步骤1)中，半导体衬底采用硅、绝缘体上硅和锗硅中的一种；隔离层作为修饰溶液与半导体衬底之间的隔离，材料采用无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。

在步骤2)中，有源层材料采用具有良好电导敏感特性的半导体材料，如非晶硅、多晶硅或石墨烯中的一种。

步骤3)中，掩膜层采用具有良好掩蔽特性的介质材料，如氧化硅或氮化硅；光刻采用能曝光出纳米尺寸线宽的先进光刻技术，如电子束光刻或193nm浸没式光刻等。

在步骤6)和8)中，层间介质和钝化层采用与步骤1)中隔离层同样的介质材料，要求为表面无羟基的疏水性材料，如碳化硅或氮化硅，以保证生物分子不与其成键，以达到生物分子对纳米线沟道的自选择修饰。

在步骤11)中，合金的目的是为了让金属互联的接触端与有源层的源区和漏区形成更好的欧姆接触，同时可以使得层间介质和钝化层更加致密，采用合金炉的处理温度为300～500℃，处理时间为30min～60min，优化采用430℃处理30min。

在步骤1)、2)、3)、6)和8)中，淀积的方法采用低压化学气相淀积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、等离子体增强化学气相淀积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、原子层淀积(Atomic Layer Deposition，ALD)、电感耦合等离子体增强化学气相淀积(Inductively Coupled Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition，ICPECVD)以及溅射中的一种。

在步骤2)和5)中，退火方式采用快速热退火(Rapid Thermal Annealing)、尖峰退火(Spike Annealing)、闪耀退火(Flash Annealing)和激光退火(Laser Annealing)中的一种。

在步骤4)、6)、7)、8)和9)中，光刻采用普通光学光刻和先进光学光刻均可，根据图形的尺寸进行选择。若图形尺寸大，选择普通光学光刻即可，若图形尺寸小，应选择先进光学光刻。

在步骤3)、4)、6)、7)、8)和9)中，刻蚀采用具有较好的刻蚀各向异性的刻蚀技术，如反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)或电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)。

在步骤7)和10)中，金属采用具有良好导电特性的低电阻率金属及其复合金属，低电阻率金属为铝、银、铂、铜和钛中的一种。

在步骤7)和10)中，淀积金属采用蒸发、溅射、电镀和化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition)中的一种。

本发明的另一个目的在于提供一种自选择修饰的纳米线生物传感器。

本发明的自选择修饰的纳米线生物传感器包括：半导体衬底、隔离层、有源层、层间介质、接触孔、金属互联、钝化层、修饰窗口、探针测试窗口和背面电极；其中，在半导体衬底上形成隔离层；在隔离层的部分表面上形成有源层，有源层包括源区和漏区以及连接二者的纳米线沟道；层间介质覆盖有源层和有源层外的隔离层；在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区和漏区的上表面；在层间介质的一部分表面上形成一对金属互联，金属互联的一端为接触端，分别连接源区和漏区，另一端为测试端；钝化层覆盖一对金属互联和金属互联外的层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口，暴露出纳米线沟道，暴露出的纳米线沟道表面在空气中被自然氧化形成氧化层，氧化层具有亲水性的羟基-OH基团，使得纳米线沟道表面形成亲水性的-OH基团；在钝化层中形成探针测试窗口，暴露出一对金属互联的测试端；在半导体衬底的背面形成背面电极；被测试的修饰溶液滴定在修饰窗口中，由于修饰窗口中只有纳米线沟道表面存在亲水性的-OH基团，而其余部分均采用表面无羟基的疏水性材料制备，从而修饰溶液中的待测生物分子特异性地修饰在纳米线沟道的表面，引起纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，从金属互联的接触端传递至测试端，在探针测试窗口插入金属探针，测试电流改变，从而实现生物分子的传感。

对于生物分子探测，可以探测修饰溶液中含有生物分子的有无，或者检测已知生物分子的电荷变化。探测生物分子有无时，在未滴入含有生物分子的修饰溶液时，纳米线沟道是稳定的电流波形，当滴入修饰溶液后，生物分子修饰在纳米线沟道的表面，纳米线沟道的电势改变，从而引起电流改变，在探针测试窗口测试到电流的另一种波形，从而通过电流波形的变化得到是否存在生物分子。探测已知生物分子的电荷变化信息时(如探测溶液PH值是否有变化)，当修饰溶液PH值改变时，溶液中修饰在纳米线沟道的氢离子数目变化，纳米线沟道的电势随之改变，从而引起电流改变，在探针测试窗口测试到电流的微小变化(如电流脉冲、电流阶跃等)，从而得到修饰溶液中PH值大小和氢离子浓度。

本发明的优点：

a)无论对于大分子如蛋白质、核酸的感知，还是对于小至氢离子如PH值的检测，待测生物分子都只与沟道表面存在亲水性的羟基-OH基团成键，待测生物分子只会特异性地修饰在纳米线沟道的表面，对于修饰窗口内其他无-OH基团的疏水性表面则不会产生修饰；

b)在纳米线沟道的表面，生物分子的修饰密度高，信号强度高，感知灵敏度高；

c)对于纳米线沟道要修饰的区域可以完全通过定义修饰窗口的位置来调控；

d)背面电极的引入可以实现对纳米线沟道的电势状态(亚阈区、线性区、饱和区)的调整，以实现最灵敏的感知；

e)完全和与传统集成电路制造技术相兼容，工艺简单，成本代价小。

附图说明

图1～11为本发明的自选择修饰的纳米线生物传感器的制备方法的一个实施例的流程图，其中，(a)为俯视图，(b)为沿图(a)中A-A’线的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

本实施例的自选择修饰的N型沟道纳米线生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在体硅(100)的半导体衬底1上SiO₂、Si₃N₄叠层结构作为隔离层2，SiO₂是为了缓冲Si₃N₄与半导体衬底之间的应力，如图1所示；

2)在隔离层2上多晶硅作为有源层3，并进行离子注入As+，注入能量40Kev，注入剂量5E13cm^-2，RTP 950℃，退火5s，如图2所示；

3)PECVDSiO₂作为掩膜层，在掩膜层表面旋涂电子束光刻胶，通过电子束曝光形成第一光刻胶图案胶，RIE刻蚀掩膜层暴露出有源层，形成掩膜层图案04，掩膜层图案为纳米线沟道的图形，图形为长度10μm，宽度40nm的纳米线，去除电子束光刻胶，如图3所示；

4)在有源层和形成了掩膜层图案的掩膜层上，旋涂第二光刻胶，并形成第二光刻胶图案，光刻胶图案为分别在掩膜层图案的两端的源区和漏区的图形；然后利用掩膜层图案和第二光刻胶图案，RIE有源层至隔离层的上表面，有源层形成源区32和漏区33的图形以及纳米线沟道31，如图4所示，然后去除光刻胶；

5)进行源区和漏区离子注入As+，注入能量50Kev，注入剂量5E15cm^-2，RTP 1000℃，退火5s，BHF去除遗留的SiO₂掩膜层，从而形成纳米线沟31道连接的源区32和漏区33，如图5所示；

6)PECVD氮化硅作为层间介质4，覆盖隔离层以及形成了纳米线沟道、源区和漏区的有源层，如图6所示；在层间介质4上，旋涂第三光刻胶，并形成第三光刻胶图案，第三光刻胶图案为接触孔的图形；然后利用第三光刻胶刻蚀层间介质至源区和漏区的上表面，在层间介质中形成接触孔，暴露出部分源区和漏区的上表面，如图7所示；

7)在形成了接触孔的层间介质上Ti和1μm Al叠层的金属，覆盖层间介质以及接触孔暴露出的源区和漏区，在金属上，光刻形成第四光刻胶图案，第四光刻胶图案为一对金属互联的图形；然后利用第四光刻胶图案刻蚀金属至层间介质，从而形成一对金属互联5，一对金属互联的一端为接触端，分别连接源区和漏区，金属互联的另一端为测试端，如图8所示；

8)SiO₂、1μm Si₃N₄叠层结构作为钝化层6，覆盖层间介质和一对金属互联，SiO₂是为了缓冲Si₃N₄与8)中金属互联之间的应力；在钝化层上，光刻形成第五光刻胶图案，第五光刻胶图案为修饰窗口的图形；然后利用第五光刻胶图案RIE钝化层和层间介质，在钝化层和层间介质中形成修饰窗口7，暴露出纳米线沟道31，暴露出纳米线沟道31在空气中被自然氧化形成氧化层71，氧化层具有亲水性的-OH基团，使得纳米线沟道的表面形成亲水性的-OH基团，有利于后续溶液滴定时对其充分浸润，同时产生自选择修饰，如图9所示；

9)在钝化层上，旋涂第六光刻胶，并形成第六光刻胶图案，第六光刻胶图案为探针测试窗口的图形；然后利用第六光刻胶图案刻蚀钝化层至金属互联的上表面，在钝化层中形成探针测试窗口8，暴露出一对金属互联的测试端，如图10所示；

10)正面涂胶保护，背面溅射Ti、1μm Al叠层的金属，形成背面电极9，正面去胶，如图11所示；

11)430℃合金30min。

最终实现硅基n型蛋白质纳米线生物传感器的制备，当修饰溶液滴定在修饰窗口中，纳米线沟道表面存在亲水性的Si-OH基团，蛋白质和交联剂的复合溶液只会与纳米线沟道表面的Si-OH成键，而其余部分的氮化硅由于是疏水性材料，同时缺少Si-OH基团，并不会有蛋白质修饰，从而实现待测分子的自选择修饰。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。