半导体生物传感器及其制备方法

半导体生物传感器及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及半导体技术领域，公开了一种半导体生物传感器及其制备方法。半导体生物传感器包含衬底，形成在衬底之上的外延层，形成在外延层中的离子敏感场效应晶体管的源区、漏区以及双极型晶体管的基区和发射区，形成在外延层上离子敏场效应晶体管的源区、漏区之间的栅氧化层，形成在栅氧化层之上的离子敏感场效应晶体管的栅区；离子敏感场效应晶体管的衬底，作为双极型晶体管的集电区；集电区、发射区、源区和栅区均通过金属互连线引出，作为半导体生物传感器的集电极、发射极、源极和栅极。本发明半导体生物传感器结构简化，从而使其便于集成和封装。
【专利说明】
半导体生物传感器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体生物传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 即时诊断(point-of-care，简称"P0C"）拥有潜在的市场机遇和重要的社会影响及 实用价值。在未来个性化医疗的背景下，可以使用特定的DNA和蛋白质标记物对癌症、心血 管病、感染或过敏症等进行早期诊断。现有的生物、医学传感手段对这些标记物的检测通常 操作繁琐，过程耗时，需要高度专业的实验室，且成本高昂。目前用于对特定生物分子进行 识别和检测的方法在便捷性、选择性、灵敏度、并行处理以及降低成本等方面还存在巨大挑 战。用于P0C的理想传感检测系统应该快速、准确、可靠、低成本、低功耗和轻巧便携。作为传 感器，灵敏度是一个必要的性能参数，同时为了能够在P0C环境中有效使用，高灵敏度需与 大的信噪比输出相匹配。
[0003] 当前，市售的关于生物分子的高通量传感器通常是基于光学检测技术，典型的是 通过荧光进行检测，但是通过互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片的基于电荷检测的并行 DNA测序仪器最近已经被Ion Torrent/Life Technologies商业化。Ion Torrent公司的芯 片采用离子敏感场效应晶体管（ISFET)。离子敏感场效应晶体管（ISFET)于约40年前首次问 世，利用场效应晶体管，结合电化学与微电子技术，成为一类典型的电位型电化学生物传感 器，并引起一股研究热潮，也得到了一定应用。然而，在传感器性能与商业化的大规模制造 等方面仍然有许多值得改进的地方。
[0004] 近来，在改善分子灵敏度的各种尝试方面，通常是基于碳纳米管或纳米线晶体管 的传感元件。然而，据我们所知，到目前为止，在获得比ISFET更灵敏的放大检测器件研究方 面的唯一尝试是Yuan等人近来所做的工作，并且该工作已经由Kang等人以专利申请的形式 提交。他们研究了与传统的M0SFET(ISFET)并联的栅控横向双极结型晶体管(BJT)，从而使 该组合结构能够在带有主动放大(active amplification)的混合模式下操作。这两个器件 的并行连接结构的缺点是栅控横向BJT固有的低增益。在栅偏压低于双极器件的导通电压 时，该组合结构的亚阈特性类似于M0SFET (I SFET)的亚阈特性。通过该混合结构而获得的跨 导增益只发生在M0SFET的阈值电压以上的偏置电压中。因此，在此特定应用中，该结构的放 大效果将非常弱。而且，还需要额外的端口对来用于在所需组合结构中的各个器件进行的 外部连接。而额外的布线会引入有害的信号噪声。
[0005] 此外，公开号为:CN103675073A的发明专利公开了一种基于单电荷检测的电子生 物传感器。由于该种器件需要同时做两组M0SFET和BJT，且其阴极位于器件的背面，因此不 利于器件的超大规模集成和封装，极大地限制了其应用范围。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于提供一种半导体生物传感器及其制备方法，使其结构得到进一 步简化，从而便于封装并提高集成度。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种半导体生物传感器，所述半 导体生物传感器包含并列设置的离子敏感场效应晶体管和双极型晶体管;所述半导体生物 传感器包含衬底，形成在所述衬底之上的外延层作为所述双极型晶体管的集电区，形成在 所述外延层中的离子敏感场效应晶体管的源区、漏区以及双极型晶体管的基区和发射区， 形成在所述外延层上离子敏场效应晶体管的源区、漏区之间的栅氧化层，形成在所述栅氧 化层之上的离子敏感场效应晶体管的栅区；其中，所述离子敏感场效应晶体管的漏区和所 述双极型晶体管的基区相邻;所述衬底以及形成在所述衬底之上的外延层，作为所述半导 体生物传感器的集电极；
[0008] 所述离子敏感场效应晶体管的源区和栅区，以及所述双极型晶体管的发射区分别 引出，作为所述半导体生物传感器的源极、栅极和发射极。
[0009] 本发明的实施方式还提供了一种半导体生物传感器的制备方法，包含以下步骤： [0010]提供一高掺杂衬底；
[0011] 在衬底之上生长轻掺杂外延层，作为双极型晶体管的集电区；
[0012] 在所述外延层之上形成栅氧化层，并在所述栅氧化层之上形成离子敏感场效应晶 体管的栅区；
[0013] 在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成离子敏感场 效应晶体管的源区和漏区；其中，第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体 管的区域；
[0014] 在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成双极型晶体 管的基区；其中，第二次光刻得到的光刻胶至少遮蔽离子敏感场效应晶体管所在的区域；
[0015] 进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的发射区；
[0016] 将所述源区和栅区，以及所述发射区引出，得到半导体生物传感器的源极、栅极和 发射极。
[0017] 本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在衬底之上形成外延层作为所述双极 型晶体管的集电区，在外延层中形成所述离子敏场效应晶体管的源区和漏区，以及双极性 晶体管基区和发射区，在位于源区和所述漏区之间，外延层之上形成离子敏感场效应晶体 管的栅氧化层，在栅氧化层之上形成栅区，在集电区、源区、栅区和发射区形成接触孔和通 孔，在接触孔和通孔之间通过金属层实现电气连接，将集电区由金属互连线引出，作为半导 体生物传感器的集电极，源区、栅区以及发射区分别引出，作为半导体生物传感器的源极、 栅极和发射极，从而通过离子敏感场效应晶体管和双极型晶体管的混合结构实现对于信号 的直接放大。
[0018] 进一步地，所述半导体生物传感器还包含形成在所述外延层内连接所述衬底的重 掺杂区;所述重掺杂区引出，得到半导体生物传感器的所述集电极。从而通过在外延层中进 行离子注入，与衬底进行连接，可以将衬底从器件表面引出，无需在器件背面引出触点，从 而使其便于封装、可以进一步提高其集成度，进而使其具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0019] 图la是根据本发明第一实施方式集电极从正面引出的半导体生物传感器的结构 及电路原理示意图；
[0020] 图lb是根据本发明第一实施方式集电极从背面引出的半导体生物传感器的结构 及电路原理示意图；
[0021] 图2a是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的发射极电流Ie与发射极电 压Ve在仿真条件下的关系曲线示意图；
[0022] 图2b是离子敏感场效应晶体管的漏极电流Id与漏极电压Vd在与图2a具有相同仿 真条件下的关系曲线不意图；
[0023]图3a是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的转移特性仿真示意图；
[0024]图3b是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器电流放大特性仿真示意图；
[0025] 图4a是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的集电极电流Ic相对发射极 电压Ve的输出特性；
[0026] 图4b是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的源极电流Is相对发射极电 压Ve的输出特性；
[0027]图5是根据本发明第一实施方式半导体生物传感器以及单独的ISFET的1/f噪声特 性；
[0028] 图6a根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的电流流向分布示意图；
[0029] 图6b根据本发明第一实施方式半导体生物传感器的电流放大曲线示意图；
[0030]图7是根据本发明第二实施方式半导体生物传感器的制备方法的流程图；
[0031 ]图8是根据本发明第二实施方式步骤702制得的半导体生物传感器的结构示意图； [0032]图9是根据本发明第二实施方式从正面引出集电极时步骤703、704制得的半导体 生物传感器的结构示意图；
[0033]图10是根据本发明第二实施方式的制备方法中步骤705制得的半导体生物传感器 的结构示意图；
[0034]图11是根据本发明第二实施方式的制备方法中步骤706中采用开窗注入的方式制 造以及制得的半导体生物传感器的结构示意图；
[0035]图12是根据本发明第二实施方式的制备方法中步骤707制得的半导体生物传感器 的结构示意图；
[0036]图13是根据本发明第二实施方式的制备方法中步骤708、709制得的半导体生物传 感器的结构示意图；
[0037]图14是根据本发明第三实施方式的制备方法中从背面引出集电极时步骤704制得 的半导体生物传感器的结构示意图；
[0038]图15是根据本发明第三实施方式的制备方法中步骤706中采用调整注入方向的方 式制造以及制得的半导体生物传感器的结构示意图；
[0039]图16是根据本发明第三实施方式的制备方法中从背面引出集电极时步骤709制得 的半导体生物传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0040]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实 施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中， 为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基 于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方 案。
[0041] 本发明的第一实施方式涉及一种半导体生物传感器，用于检测液体中的离子或者 气体中的分子，其核心传感单元由离子敏感场效应晶体管（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor: ISFET)和垂直双极型晶体管(Bipolar Junction Transistor :BJT)的混合结 构组成。
[0042] 如图la、lb所示，半导体生物传感器包含并列设置的离子敏感场效应晶体管和双 极型晶体管。图la、lb中左侧为离子敏感场效应晶体管，右侧为垂直双极型晶体管。具体地， 半导体生物传感器包含衬底1，形成在衬底1之上的外延层2,图la中外延层可以作为双极型 晶体管的集电区。作为举例而非限制，本实施方式中的衬底可以选用硅衬底、碳化硅衬底或 者镉(Ge)衬底。
[0043] 半导体生物传感器还包含形成在外延层2中的离子敏场效应晶体管的源区3和漏 区4,以及双极型晶体管的基区5和形成在基区中的发射区6。位于源区3和漏区4之间形成在 外延层2之上的离子敏感场效应晶体管的栅氧化层，形成在栅氧化层之上的栅区7。离子敏 感场效应晶体管的漏区4和双极型晶体管的基区5相邻。本实施方式半导体生物传感器的集 电区由其正面引出，具体地，在外延层2内形成连接衬底的重掺杂区，将重掺杂区引出，得到 半导体生物传感器的集电极。为了便于引出的各端子之间形成良好绝缘，半导体生物传感 器还包含形成在衬底上用于电学隔离的氧化绝缘层8。半导体生物传感器还包含形成在集 电区，源区，栅区和发射区的接触孔，形成在各接触孔和通孔之间的介质层以及金属互连 线。双极型晶体管集电区（即连接外延层和衬底的重掺杂区）由金属互连线引出，作为半导 体生物传感器的集电极9。离子敏感场效应晶体管的源区3和栅区7,以及双极型晶体管的发 射区6分别由金属互连线引出，作为半导体生物传感器的源极30、栅极70和发射极60。从而 使得半导体生物传感器的四个端子源极30、栅极70、发射极60和集电极90均可以从其正面 引出，便于器件的封装以及集成度的提高。此外，如图lb所示，本实施方式中的集电极也可 以由半导体生物传感器的背面，即衬底引出。
[0044] 需要说明的是，半导体生物传感器还包含隔离区10,隔离区10可以设置在外延层 的外侧。通常，隔离区可以采用浅沟道隔离技术(Shadow Trench Isolation，简称STI)或者 局部硅氧化技术形成。通过增加隔离区，更加有利于半导体生物传感器的大规模集成。
[0045] 本实施方式中，将离子敏感场效应晶体管的源区、栅区分别引出作为半导体生物 传感器的源极和栅极，而将双极型晶体管的发射区和集电区分别引出作为半导体生物传感 器的发射极和集电极。虽然离子敏感场效应晶体管也包含4个端口 ：源极、栅极、漏极和衬 底，但是离子敏感场效应晶体管是几何对称的，且其源极和漏极可以彼此互换。而半导体生 物传感器则是非几何对称的，这使得能够兼容不同的几何设计和掺杂剂量(doping)。此外， 由于离子敏感场效应晶体管漏极和衬底的双极效应，当离子敏感场效应晶体管的漏极呈现 负压时，离子敏感场效应晶体管中会产生较大的负电流，而本实施方式中，由于半导体生物 传感器的发射端有一个PNP双极，因此，半导体生物传感器中不会产生同样大的负电流。
[0046] 本实施方式中，对硅衬底或者碳化硅衬底进行外延生长，形成垂直PNP管的集电 区，N-区（即N型轻掺杂区）作为PNP管的基区，与N沟道的离子敏感场效应晶体管ISFET的漏 极相连。因此，ISFET的源极电流Is，也即PNP管的基极电流lb被PNP管放大，由于双极型晶体 管的电流增益很大，所以半导体生物传感器的集电极电流Ic显著增大。
[0047]本实施方式的半导体生物传感器可以采用目前最为先进的制造工艺，即在8英寸 (inch)的制造平台上采用110纳米工艺。基于此，本实施方式中半导体生物传感器栅极的几 何栅长可以控制在60纳米至10微米左右。
[0048]本实施方式与现有技术中的需要同时包含两组M0SFET和BJT的传感器件相比，仅 需要一组ISFET与BJT的混合结构即可实现，从而使其结构进一步简化。并且本实施方式的 传感器的接线端子均由器件的顶面引出，从而使其便于封装，便于大规模集成，进而具有广 阔的应用前景。
[0049] 值得一提的是，半导体生物传感器的栅极70可以为浮栅电极。浮栅电极通过多层 互连引出与功能化敏感膜相连，接触样品电解质溶液进行检测。其中，半导体生物传感器的 栅区7通过金属互连线701引出并在金属互连线701的顶层设置功能化敏感膜702。除了可以 将功能化敏感膜集成其上以外，还可以将栅极延展引出，单独连接功能化敏感膜进行测试。 半导体生物传感器把电解质溶液中离子浓度的变化转化为电信号变化，电信号变化通过离 子敏感场效应晶体管和双极型晶体管的组合进一步放大。
[0050] 于其他实施方式中，还可以在浮栅电极表面覆盖功能化敏感膜，半导体生物传感 器通过功能化敏感膜和气体分子或离子的表面结合变化产生电信号变化，电信号变化通过 离子敏感场效应晶体管和双极型晶体管的组合进一步放大。功能化敏感膜和功能化敏感膜 可以更换，而半导体生物传感器可以多次重复使用。
[0051 ] 本实施方式通过采用半导体工艺及器件仿真软件Si lvacoTCAD( Techno logy Computer Aided Design)对于半导体生物传感器的特性进行了验证。并通过仿真数据对本 实施方式半导体生物传感器的工作条件、特性进行进一步说明如下：
[0052]图2a示出了半导体生物传感器的发射极电流Ie与发射极电压Ve在仿真条件下的 关系曲线示意图。图2b示出了半导体生物传感器内部ISFET的漏极电流Id与漏极电压Vd在 与图2a具有相同仿真条件下的关系曲线示意图。其中，栅极电压Vg= IV，集电极电压Vc = 0乂，衬底(31113)电压￥5油=0￥，源极电压￥8〇111'〇6 = 0￥。漏极电压￥(1和发射极电压￥6电压分别 从0V增加至3V。当Vg= IV时，在饱和区，半导体生物传感器的发射极电流Ie相当于相同条件 下独立ISFET的漏极电流的100倍。由图2a、2b可知，当漏极电压Vd>0时，离子敏感场效应晶 体管即可产生电流，并且离子敏感场效应晶体管的漏极电流Id随着漏极电压Vd的增加而达 到饱和。而对于本实施方式的半导体生物传感器而言，当发射极电压Ve>0.7V时开始产生电 流，这是由于PN结自身的阈值电压决定的。半导体生物传感器饱和区的电流达到了 10E-4数 量级水平，是独立的ISFET电流增益的100倍。经分析可知，半导体生物传感器达到饱和状态 需要两个预设条件:其一是半导体生物传感器内ISFET的栅极电压Vg应当大于ISFET的阈值 电压，其二是BJT上的发射极电压Ve应当大于PN结的阈值电压。
[0053]如图3a示出了本实施方式半导体生物传感器的转移特性，即半导体生物传感器源 极电流Is与栅极电压Vg关系曲线。图3a中，Is表示半导体生物传感器内部ISFET的源极电 流，Ic表示半导体生物传感器的集电极电流，gms、gmc表示相应的跨导。VT表示阈值电压，Vg = l，gm达到峰值，如图3a中的垂直线所示。图3b示出了电流增益(集电极电流与源极电流之 比）曲线。由图3b可知，半导体生物传感器内部的电流增益大于独立的ISFET的电流增益，该 电流增益为集电极电流Ic与源极电流Is的比值，由于集电极电流Ic近似于发射极电流Ie， 所以本实施方式中的电流增益统一为发射极电流Ie与源极电流Is之比（即Ie/Is)。发射极 电压Ve = IV，相当大且稳定的直接电流增益漏极电流Id与源极电流Is的比值在线性区（线 性区条件:发射极与源极电压差Ves〈栅极电压Vg-阈值电压VT)和饱和区(饱和条件:发射极 与源极电压差Ve s>栅极电压Vg-阈值电压VT)均达到80倍。当栅极电压Vg〈阈值电压VT时，集 电极电流Ic相对于源极电流Is的电流增益可以达到180倍。
[0054]由图4a、4b可知，集电极电流Ic和源极电流Is在Ve〈0.7V时很小，因为BJT内的PN结 的阈值电压低于发射极电压Ve，仅有0.7V。因为半导体生物传感器内部的ISFET具有阈值电 压VT，当栅极电压分别取0.8V、0.4V时的两条曲线均落入亚阈区域。当栅极电压分别取1.2V 和1.5V时，两条曲线达到饱和电流，图4a中集电极电流为1 (T2A，图4b源极电流I s为1(T4A，这 项结果表明半导体生物传感器实现了放大作用。
[0055] 半导体生物传感器一定会因低频信号的干扰而受到影响。由迀移率涨落理论 (mobility fluctuation theory)可知，噪声的功率谱密度（power spectrum density)Si 是半导体生物传感器中的发射极电流Ie和噪音频率f共同决定的。而SPm是由源极电流Is 和噪声频率共同决定的。比如Si/UiaH/fNtc^UH是豪格(Hooge)常量，一般取2xlO_3.4，Sv 则会受到栅极电压的影响，Sv/Spgn^^Vg取1.5￥力、￥(1分别取1￥，半导体生物传感器和 其内的ISFET均工作在线性区，Sv-f与Sv ISFET的仿真结果在如图5所示的噪音应用中得到验 证。半导体生物传感器和其内的ISFET的特性均随着频率呈现负相关。而半导体生物传感器 的1 /f噪声与其内的ISFET相比，减小了 5.7倍，这表明半导体生物传感器比单独的ISFET具 有更佳的低频噪音抗干扰能力。
[0056] 由于ISFET的电流路径与NM0S相同，它的电流从漏极流向源极，克服了大于阈值电 压的栅极电压Vg。而本实施方式中半导体生物传感器电流与ISFET完全不同。如图6a所示， 半导体生物传感器的电流包含两条路径，其一是BJT中的垂直电流，其二是ISFET中的水平 电流。其中，半导体生物传感器的驱动电流主要是BJT产生的垂直方向电流。如图6b所示，水 平方向电流仅为垂直方向电流的1 %。事实上，I SFET也有非常小的垂直方向电流，它是由热 载流子产生的。ISFET的垂直电流对于ISFET阈值电压的稳定性以及栅极氧化层的完整性和 可靠 性都是有害的。半导体生物传感器中的垂直电流大约为水平电流的100倍，这使得半导 体生物传感器具有稳定的放大电流。
[0057] 对于大规模集成电路制造而言，半导体生物传感器的双极型晶体管的大制程窗口 (big process window)是确保器件性能一致(比如放大倍数发射极电流与源极电流的比 值））的关键，尤其当要在8英寸硅片上采用110纳米工艺时，器件之间，芯片之间，硅片之间 的均匀性要求是十分严格的。如图1所示，wl表示BJT基区的水平宽度，w2表示BJT基区垂直 宽度。wl取参考值0.35微米(英文micrometer，简称mi)，w2参考值0.3微米，分别对两者的 参考值增加或者减小0.1微米，并进行8组实验，表1示出了其中一种参考条件。在基区水平 方向上，保持放大倍数0为一常量，通过修改获取不同的wl值分别为0.25、0.35、0.45微米。 我们可以看到当水平方向基极宽度的公差在30%时，制得的器件仍然具有良好的一致性。 也说明了主要是纵向的双极型晶体管在起放大作用，改变横向基区宽度对放大倍数没有影 响。而在基区垂直方向上，放大倍数0与掺杂深度成反比，其中w2各取0.2、0.3.、0.4微米。放 大倍数0的值与基区纵向宽度w2的乘积为常量，这表明不同的工作电流与放大倍数0可以通 过调整基区纵向宽度w2而得到，从而可以优化半导体生物传感器的信号放大特性。
[0058]表1
[0060]综上所述，本实施方式的半导体生物传感器具有较佳的直接电流放大能力以及低 频噪声的抗干扰能力。能够满足110纳米制程的一致性要求。并且放大倍数0能够根据BJT的 基区纵向宽度进行调整。这些特性使得本实施方式的半导体生物传感器在基因序列检测和 CMOS成像等要求大规模集成、高密度整合的领域极具竞争力。
[0061 ]此外，值得说明的是，本实施方式以P型衬底，N型源漏的M0S管以及PNP型的BJT管 为例进行了说明，但本发明并不应以此为限制，以N型衬底，P型源漏的M0S管以及NPN型的 BJT管也应在本发明的保护范围之内。
[0062]本发明的第二实施方式涉及一种半导体生物传感器的制备方法，其流程如图7所 示，包含以下步骤：
[0063]步骤701:提供一高掺杂P型衬底1。
[0064]步骤702:在衬底1之上生长轻掺杂P型外延层2,作为双极型晶体管的集电区。本步 骤中还可以在外延层2上形成隔离区10,如图8所示。
[0065]步骤703:在外延层之上形成栅氧化层，并在栅氧化层之上形成离子敏感场效应晶 体管的栅区。
[0066] 具体地，可以采用以下子步骤制作栅区：
[0067] 热氧化方法在外延层上生长栅氧化层7,淀积多晶硅并掺杂，刻蚀出多晶硅栅图 形，轻掺杂漏（lightly doped drain,LDD)N型杂质离子注入，在栅氧化层两侧形成LDD浅 结，形成侧墙。为防止大剂量的源区漏区注入过于接近沟道从而导致短沟道效应，在LDD注 入之后要在多晶硅栅的两侧形成侧墙。在硅片表面淀积二氧化硅，干法刻蚀直至露出多晶 硅表面。由于各向异性刻蚀，多晶硅栅两侧保留二氧化硅侧墙。
[0068]步骤704:在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成离 子敏感场效应晶体管的源区和漏区。第一次光刻得到的光刻胶110至少遮蔽预留制作双极 型晶体管的区域。本步骤中，光刻胶110还遮蔽预留的用于制作双极型晶体管集电区的区 域，该集电区预留区域与隔离区10相邻。退火后形成场效应晶体管源区3和漏区4。本实施方 式中，在步骤703中形成隔离区10的步骤中，在隔离区10内侧预设有双极型晶体管的集电 区，因此步骤704形成的结构如图9所示。
[0069]步骤705:在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成双 极型晶体管的基区。即在除预留的双极型晶体管的基区之外的区域设置光刻胶，开出基区 对应的窗口，N型低剂量杂质离子注入，从而形成双极型晶体管的基区5,如图10所示。
[0070]步骤706:进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的发射区。本实施方式中，在除 预留的双极型晶体管的发射区之外的区域设置光刻胶，开区发射区对应的窗口，P型重掺杂 杂质离子注入，从而形成双极型晶体管的发射区6,如图11所示。具体地，在外延层之上进行 第三次光刻，开出窗口，进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的发射区。其中，第三次光 刻得到的光刻胶遮蔽离子敏感场效应晶体管所在的区域以及基区的部分区域。
[0071 ]步骤707:在外延层之上进行第四次光刻，开出窗口，进行第四次离子注入，形成衬 底的重掺杂区。即在除步骤704中预留的双极型晶体管的集电区之外的区域设置光刻胶，然 后开出窗口，P型重掺杂杂质离子注入，从而形成连接外延层和衬底的重掺杂区，如图12所 不。
[0072]步骤708:将重掺杂区引出，得到半导体生物传感器的集电极。
[0073] 步骤709:将源区和栅区，以及发射区引出，得到半导体生物传感器的源极、栅极和 发射极。如图13所示，具体地包含接触孔形成和绝缘层形成。利用物理气相沉积(PVD)在硅 片表面沉积一层金属、退火，形成金属硅化物（即绝缘介质层8)。多层互连工艺实现器件的 电气功能。多层互连金属线701顶层可以为引出的离子敏感场效应晶体管的浮栅电极，在浮 栅电极上方淀积功能化敏感膜702,经钝化、封装形成半导体生物传感器。
[0074] 需要说明的是，本实施方式步骤702至步骤707的各步骤中涉及到的形光刻以及离 子注入方法均为本领域技术人员所熟知，此处不再详述。应当理解，本发明中形成半导体生 物传感器的源区、漏区、栅区以及双极型晶体管的基区、集电区和发射区的步骤不应以本实 施方式为限。另外，上述步骤仅列出了主要处理步骤，其他步骤并没有进行叙述，但并不表 示这些步骤不存在，比如每一次离子注入完成之后，需要去除光刻胶;每一次光刻胶的制作 包括涂胶、刻蚀等步骤，均与现有技术类似，不同之处在于每一次刻蚀得到的图案不同，这 些没有在本实施方式中例举的步骤，本领域技术人员在现有技术的基础上结合本实施方式 的阐述可以很容易就推到得到。
[0075] 本实施方式相对于现有技术而言，通过一系列步骤在衬底上形成离子敏感场效应 晶体管和双极型晶体管混合结构，使其与现有技术中的必须具有两组M0SFET和BJT的放大 器件相比，结构进一步简化，且无需在器件的背面引出触点，从而更加便于封装，集成性能 大幅提升，从而具有广阔的应用前景。
[0076] 上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者 对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围 内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法 和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
[0077] 不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与 第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有 效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在 第一实施方式中。
[0078]本发明的第三实施方式涉及一种半导体生物传感器的制备方法。第三实施方式与 第二实施方式大致相同，主要区别之处在于:在第二实施方式中，半导体生物传感器的集电 极从正面引出。而在本发明第三实施方式中，半导体生物传感器的集电极从背面引出。
[0079]具体地，在第二实施方式的步骤704中，在光刻开出窗口形成离子敏感场效应晶体 管的源区和漏区的步骤中，在离子敏感场效应晶体管的源区和隔离区之间预留有重掺杂 区，而本实施方式在形成离子敏感场效应晶体管的源区和漏区的步骤中，使源区与外延层 上的隔离区直接相邻，无需预留中掺杂区，本实施方式形成离子敏感场效应晶体管的源区 和漏区的步骤制得的半导体生物传感器的结构如图14所示。
[0080] 此外，在第二实施方式形成双极型晶体管的发射区的步骤中，通过采用光刻胶保 护除将要形成该发射区之外的区域，而在本实施方式形成发射区的步骤中，无需重新制作 光刻胶层，而是通过调节离子注入方向，使得P型重掺杂杂质离子倾斜注入预留的发射区， 从而形成双极型晶体管的发射区，如图15所示。具体地，在进行离子注入，形成双极型晶体 管的发射区的步骤中，采用前次光刻得到的光刻胶，仅需调整离子注入方向，形成双极型晶 体管的发射区。从而，可以省去光刻胶层的制作步骤，有利于节约成本。
[0081] 再次，在第二实施方式引出双极型晶体管的集电极的步骤中，需要对预留的重掺 杂区进行离子注入，从而可以在半导体生物传感器的正面引出双极型晶体管的集电极，而 本实施方式中，可以直接从衬底引出双极型晶体管的集电极，制得的半导体生物传感器的 结构如图16所示。
[0082] 本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例， 而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
【主权项】
1. 一种半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器包含并列设置的离子 敏感场效应晶体管和双极型晶体管； 所述半导体生物传感器包含衬底，形成在所述衬底之上的外延层作为所述双极型晶体 管的集电区，形成在所述外延层中的离子敏感场效应晶体管的源区、漏区以及双极型晶体 管的基区和发射区，形成在所述外延层上离子敏场效应晶体管的源区、漏区之间的栅氧化 层，形成在所述栅氧化层之上的离子敏感场效应晶体管的栅区； 其中，所述离子敏感场效应晶体管的漏区和所述双极型晶体管的基区相邻； 所述衬底以及形成在所述衬底之上的外延层，作为所述半导体生物传感器的集电极； 所述源区和栅区，以及所述发射区分别引出，作为所述半导体生物传感器的源极、栅极 和发射极。2. 根据权利要求1所述的半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器还包 含形成在所述外延层内连接所述衬底的重掺杂区；所述重掺杂区引出，得到半导体生物传 感器的所述集电极。3. 根据权利要求1或2所述的半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器 的栅极为浮栅电极； 所述浮栅电极通过多层互连引出与功能化敏感膜相连，接触样品电解质溶液进行检 测。4. 根据权利要求3中所述的半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器把 所述电解质溶液中离子浓度的变化转化为电信号变化，所述电信号变化通过所述离子敏感 场效应晶体管和所述双极型晶体管的组合进一步放大。5. 根据权利要求1或2所述的半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器 栅极为浮栅电极，所述浮栅电极表面覆盖功能化敏感膜。6. 根据权利要求5所述的半导体生物传感器，其特征在于，所述半导体生物传感器通过 所述功能化敏感膜和气体分子或离子的表面结合变化产生电信号变化，所述电信号变化通 过所述离子敏感场效应晶体管和所述双极型晶体管的组合进一步放大。7. -种半导体生物传感器的制备方法，其特征在于，包含以下步骤： 提供一尚惨杂衬底； 在衬底之上生长轻掺杂外延层，作为双极型晶体管的集电区； 在所述外延层之上形成栅氧化层，并在所述栅氧化层之上形成离子敏感场效应晶体管 的栅区； 在外延层之上进行第一次光刻，开出窗口，进行第一次离子注入，形成离子敏感场效应 晶体管的源区和漏区；其中，第一次光刻得到的光刻胶至少遮蔽预留制作双极型晶体管的 区域； 在外延层之上进行第二次光刻，开出窗口，进行第二次离子注入，形成双极型晶体管的 基区；其中，第二次光刻得到的光刻胶至少遮蔽离子敏感场效应晶体管所在的区域； 进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的发射区； 将所述源区和栅区，以及所述发射区引出，得到半导体生物传感器的源极、栅极和发射 极。8. 根据权利要求7所述的半导体生物传感器的制备方法，其特征在于，在所述进行第三 次离子注入，形成双极型晶体管的发射区的步骤中，采用第二次光刻得到的光刻胶，调整离 子注入方向，形成所述双极型晶体管的发射区。9. 根据权利要求7所述的半导体生物传感器的制备方法，其特征在于，在所述进行第三 次离子注入，形成双极型晶体管的发射区的步骤中，在外延层之上进行第三次光刻，开出窗 口，进行第三次离子注入，形成双极型晶体管的发射区；其中，第三次光刻得到的光刻胶遮 蔽离子敏感场效应晶体管所在的区域以及基区的部分区域。10. 根据权利要求7所述的半导体生物传感器的制备方法，其特征在于，在所述形成双 极型晶体管的发射区之后，在所述将所述源区和栅区，以及所述发射区引出的步骤之前，还 包含以下步骤： 在外延层之上进行第四次光刻，开出窗口，进行第四次离子注入，形成连接衬底的重掺 杂区； 将所述重掺杂区引出，得到半导体生物传感器的集电极。
【文档编号】H01L27/102GK105957866SQ201610290858
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】刘亚, 张亮, 吴东平, 曾瑞雪
【申请人】上海小海龟科技有限公司, 复旦大学