直接感測BioFET和制造方法
【專利摘要】直接感測BioFET和制造方法。本發(fā)明提供生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)和制造BioFET器件的方法。該方法包括采用與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容或者是CMOS工藝中典型的一個或多個工藝步驟形成BioFET。BioFET器件包括具有感測柵極底部和許多堆疊的阱部分的多個微阱。阱部分的底表面積不同于直接位于其下方的阱部分的頂表面積。通過穿過不同材料包括犧牲插塞的多個蝕刻操作形成微阱，從而暴露出感測柵極而不產(chǎn)生等離子體所致?lián)p傷。
【專利說明】直接感測BioFET和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物傳感器和形成生物傳感器的方法，具體而言，本發(fā)明涉及生物場效應(yīng)晶體管(bioFET)及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物傳感器是用于感測和檢測生物分子的器件并且基于電子、電化學(xué)、光學(xué)和機械檢測原理進行操作。包括晶體管的生物傳感器是電感測生物實體或生物分子的電荷、光子和機械性能的傳感器。可以通過檢測生物實體或生物分子本身，或通過特定反應(yīng)物與生物實體/生物分子之間的相互作用和反應(yīng)來實施檢測?？梢圆捎冒雽?dǎo)體工藝制造這些生物傳感器，其可以快速轉(zhuǎn)換電信號，并且可以容易地應(yīng)用于集成電路(IC)和MEMS。
[0003]BioFET (生物場效應(yīng)晶體管、生物敏感場效應(yīng)晶體管、生物活性場效應(yīng)晶體管或生物有機場效應(yīng)晶體管)是包括晶體管的用于電感測生物分子或生物實體的一種類型的生物傳感器。雖然BioFET在許多方面具有優(yōu)勢，但是在他們的制造和/或操作中仍面臨挑戰(zhàn)，例如，由于半導(dǎo)體制造工藝之間的兼容性問題、生物應(yīng)用、對半導(dǎo)體制造工藝的約束和/或限制、電信號和生物應(yīng)用的集成和/或由實施大規(guī)模集成(LSI)工藝所引起的其他挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)器件，包括:襯底；多個BioFET，形成在所述襯底上，每個BioFET包括:微阱，具有頂部阱部分和底部阱部分，其中，所述頂部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積；以及電介質(zhì)，位于所述底部阱部分的底面的襯底上。
[0005]在所述的BioFET器件中，每個微阱還具有中部阱部分，并且，所述中部阱部分的頂表面積不同于所述頂部阱部分的底表面積，所述中部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積。
[0006]在所述的BioFET 器件中，所述電介質(zhì)選自由 Si02、Si3N4, A1203、TiO2, HfO2, Ta2O5,SnO, SnO2、BaxSr1^xTiO3和它們的組合所組成的組。
[0007]在所述的BioFET器件中，每個BioFET還包括位于所述電介質(zhì)上的電極。
[0008]所述的BioFET器件還包括:圍繞所述多個BioFET的至少一個微阱的多層互連件(MLI)，其中，所述MLI具有三層或更多層金屬層。
[0009]所述的BioFET器件還包括:在所述襯底上形成的邏輯處理器、控制電路、信號放大器和A/D變流器。
[0010]所述的BioFET器件還包括:位于所述多個BioFET中相應(yīng)的BioFET之間的流體通道。
[0011]在所述的BioFET器件中，每個BioFET還包括:位于所述微阱的側(cè)壁上的涂層。
[0012]所述的BioFET器件還包括多個第二 BioFET，每個第二 BioFET包括:具有頂部阱部分和底部阱部分的微阱， 其中，所述頂部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積；以及位于所述底部阱部分底面的襯底上的電極和電介質(zhì)。
[0013]在所述的BioFET器件中，所述BioFET還包括:鄰近所述微阱的柵電極。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造BioFET器件的方法，包括:在半導(dǎo)體襯底上形成多個FET，其中，所述多個FET包括在所述半導(dǎo)體襯底的相應(yīng)第一表面和相應(yīng)溝道區(qū)域上形成的相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)；在用于所述多個FET的子集的相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分上方形成相應(yīng)的犧牲插塞；在所述多個FET上方形成相應(yīng)的接觸件和多層互連件(MLI);蝕刻所述MLI以暴露出所述相應(yīng)的犧牲插塞的至少相應(yīng)的部分，從而形成相應(yīng)微阱的相應(yīng)第一阱部分；以及采用非等離子體蝕刻去除所述相應(yīng)的犧牲插塞，從而形成所述相應(yīng)微阱的相應(yīng)第二講部分。
[0015]所述的方法還包括:采用非等離子體蝕刻去除所述相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)位于所述相應(yīng)的犧牲插塞下方的相應(yīng)部分以形成所述微阱的相應(yīng)第三阱部分。
[0016]所述的方法還包括:采用非等離子體蝕刻去除所述相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)位于所述相應(yīng)的犧牲插塞下方的相應(yīng)部分以形成所述微阱的相應(yīng)第三阱部分；在所述相應(yīng)微阱的相應(yīng)底部去除相應(yīng)柵極電介質(zhì)的相應(yīng)部分；以及在所述相應(yīng)微阱的相應(yīng)底部上沉積氮化硅、氧化鉿或氧化鉭。
[0017]所述的方法，還包括:用第一涂層涂布所述相應(yīng)微阱的側(cè)壁；以及用第二涂層涂布所述相應(yīng)微阱的相應(yīng)底部。
[0018]在所述的方法中，形成相應(yīng)的犧牲插塞包括:在所述相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)上方沉積保護層；在所述多個FET上方沉積層間電介質(zhì)(ILD);蝕刻穿過所述ILD的開口以暴露出用于所述多個FET的子集的保護層；軟性著陸蝕刻所述保護層；沉積多晶硅以在所述開口中形成所述相應(yīng)的犧牲插塞；以及平坦化以去除多余的多晶硅。
[0019]在所述的方法中，去除所述相應(yīng)的犧牲插塞包括:使用XeF2蝕刻所述相應(yīng)的犧牲插塞；以及通過軟蝕刻或濕蝕刻去除位于所述相應(yīng)的犧牲插塞下方的介電層。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種器件，包括:襯底，具有生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)區(qū)域和互補金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(C-MOSFET)區(qū)域；多個BioFET，位于所述BioFET區(qū)域中，每個BioFET包括:微阱，具有多個堆疊的阱部分和位于相鄰的阱部分之間的脊；柵極電介質(zhì)，位于所述微阱底面下方的襯底上；多個C-M0SFET，位于所述C-MOSFET區(qū)域中；以及多層互連件(MLI)，圍繞所述多個BioFET的微阱。
[0021]在所述的器件中，每個BioFET還包括位于所述柵極電介質(zhì)上的柵電極。
[0022]在所述的器件中，所述柵極電介質(zhì)是氮化硅、氧化鉿或氧化鉭。
[0023]所述的器件還包括:位于所述微阱底部上的涂層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]當(dāng)結(jié)合附圖進行閱讀時，根據(jù)下面詳細的描述可以更好地理解本發(fā)明的各方面。應(yīng)該強調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實踐，對各種部件沒有按比例繪制。實際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增大或減小。
[0025]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面的制造BioFET器件的方法的實施例的流程圖；
[0026]圖1B是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面的圖1A中的方法實施例的操作的流程圖；[0027]圖2和圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面在形成的各個中間階段的BioFET器件的截面圖；以及
[0028]圖4A/4B至圖13A/13B是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個方面在形成的各個中間階段的BioFET器件的截面圖。
【具體實施方式】
[0029]應(yīng)當(dāng)理解為了實施本發(fā)明的不同部件，以下公開內(nèi)容提供了許多不同的實施例或?qū)嵗?。在下面描述元件和布置的特定實例以簡化本發(fā)明。當(dāng)然這些僅僅是實例并不打算用于限定。并且，在下面的描述中第一部件在第二部件上方或者在第二部件上的形成可以包括其中第一和第二部件以直接接觸形成的實施例，并且也可以包括其中可以形成介于第一和第二部件之間的其他部件，使得第一和第二部件可以不直接接觸的實施例。此外，提及的相對位置術(shù)語諸如“頂部”、“正面”、“底部”、和“背面”用于提供元件之間的相對關(guān)系而不是指任何絕對方向。為了簡明和清楚，可以任意地以不同的比例繪制各個部件。
[0030]在生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)中，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的柵極(其控制半導(dǎo)體在其源極和漏極接觸件之間的電導(dǎo))被作為表面受體的固定化探針分子的生物或生物化學(xué)兼容層或生物功能化層替換。實質(zhì)上，BioFET是具有半導(dǎo)體換能器(transducer)的場效應(yīng)生物傳感器。BioFET的決定性優(yōu)勢是具有無標(biāo)記操作的前景。具體地，BioFET能夠避免昂貴且費時的標(biāo)記操作，諸如使用例如熒光或放射性探針來標(biāo)記分析物。
[0031]由于目標(biāo)生物分子或生物實體與感測表面或在BioFET的感測表面上固定化的受體分子結(jié)合，BioFET的典型檢測機制是換能器的電導(dǎo)調(diào)制。當(dāng)目標(biāo)生物分子或生物實體與感測表面或固定化受體結(jié)合時，BioFET的漏極電流隨著感測表面的電勢而變化?？梢詼y量漏極電流的這種變化并且可以識別受體與目標(biāo)生物分子或生物實體的結(jié)合。大量的生物分子和生物實體可以用于功能化BioFET的感測表面，諸如離子、酶、抗體、配體、受體、肽、寡核苷酸、器官的細胞、生物體和組織碎片。例如，為了檢測ssDNA(單鏈脫氧核糖核酸)，可以采用固定化的互補ssDNA鏈功能化BioFET的感測表面。同樣，為了檢測各種蛋白，諸如腫瘤標(biāo)記，可以采用單克隆抗體功能化BioFET的感測表面。
[0032]不同類型的BioFET的一個區(qū)別是感測表面的位置。感測表面的一個實例是與BioFET的柵極連接的浮置柵極的頂部。通過金屬互連線和通孔的堆疊件(或多層互連件，MLI)將浮置柵極連接至BioFET的柵極結(jié)構(gòu)。在MLI形成工藝期間，位于柵電極上方的各金屬層還可能造成由天線效應(yīng)引起的損傷。在這種BioFET中，電勢調(diào)制反應(yīng)發(fā)生在最后的(頂部)金屬層的外表面或在MLI的頂部上形成的電介質(zhì)表面并且被BioFET間接感測到。但是，該實施例可能是不利的，因為器件的靈敏度由于存在與MLI相關(guān)的寄生電容而降低。結(jié)果，通常規(guī)定最小感測板尺寸以便可以發(fā)生足夠的可檢測量的電勢調(diào)制反應(yīng)。最小感測板尺寸反過來限制BioFET的密度。
[0033]在感測表面的其他實例中，生物分子直接或通過受體結(jié)合在BioFET的柵極或柵極電介質(zhì)上。這些BioFET直接感測目標(biāo)生物分子，而不產(chǎn)生與MLI相關(guān)的寄生電容。構(gòu)造這種BioFET需要去除BioFET上方的MLI材料以形成感測阱并且將柵電極或柵極電介質(zhì)暴露于發(fā)生電勢調(diào)制表面反應(yīng)的流體環(huán)境。這些BioFET比浮置柵極類型更靈敏，但因為種種原因構(gòu)造仍具有挑戰(zhàn)。蝕刻后的感測阱具有高縱橫比，例如為30或更大，所以通常采用高能量等離子體蝕刻來形成。感測阱的高縱橫比還限制蝕刻后的感測阱的輪廓。由于電荷所致?lián)p傷，高能量等離子體蝕刻可能損傷柵電極。降低感測阱的縱橫比以使蝕刻更容易的一種嘗試致使金屬層的數(shù)量被限制為少至一層或兩層金屬層。金屬層的減少限制器件的互連布線和集成選項，例如，用于控制BioFET的電路的數(shù)量和類型。該工藝對對準(zhǔn)也極其敏感，因為不對準(zhǔn)可能暴露出圍繞感測阱的MLI中的金屬或者導(dǎo)致感測表面積比設(shè)計的要小。
[0034]本發(fā)明提供在柵極或柵極電介質(zhì)處具有直接感測表面的BioFET及制造該BioFET的方法。在BioFET的柵電極或柵極電介質(zhì)處的感測表面上方形成多層微阱。制造BioFET的方法與采用使用不同化學(xué)物質(zhì)的多蝕刻工藝來形成微阱的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容。相比于浮置柵極間接傳感器類型的BioFET，因為BioFET的柵極不與金屬層連接并且可以使BioFET密度更大而不受最小感測板尺寸的限制，消除或基本減少了天線效應(yīng)類型的損傷。具有多層微阱的本發(fā)明BioFET具有更大的工藝窗口，因為與不具有多層結(jié)構(gòu)的感測阱相比，用于每個蝕刻工藝的縱橫比更小并且使用的蝕刻工藝對不對準(zhǔn)的敏感性更低。還減少了柵電極的電荷所致?lián)p傷的可能性。本發(fā)明的工藝實施例還可選地實現(xiàn)了用另一柵極介電材料替換微講底部的柵極介電材料。
[0035]圖1A示出制造生物有機場效應(yīng)晶體管(BioFET)的方法100的實施例。方法100可以包括采用與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容的或是CMOS工藝中典型的一個或多個工藝步驟來形成BioFET?？梢岳斫?，可以在方法100之前、期間和之后提供其他步驟，并且對于方法的一些實施例，下面描述的一些步驟可以被替換或去除。此外，可以理解，方法100包括具有典型CMOS技術(shù)工藝流程特征的步驟并且其中的一些步驟在本文中僅作簡述。還可以注意到，圖1B提供方法100的進一步實施例，其可以提供適用于方法100的更多詳情。
[0036]方法100開始于框102，在半導(dǎo)體襯底上形成多個場效應(yīng)晶體管(FET)。半導(dǎo)體襯底可以是硅襯底?？蛇x地，襯底可以包括另一元素半導(dǎo)體，諸如鍺；化合物半導(dǎo)體，包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或銻化銦；合金半導(dǎo)體，包括SiGe、GaAsP, AlInAs,AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP ;或它們的組合。在實施例中，襯底是絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)襯底。SOI襯底可以包括通過諸如注氧隔離(SMOX)的工藝和/或其他合適的工藝形成的埋氧(BOX)層。襯底可以包括摻雜區(qū)域，諸如P阱和η阱。在本發(fā)明中，晶圓是半導(dǎo)體襯底和在半導(dǎo)體襯底中以及在該半導(dǎo)體襯底上方形成的各種部件。晶圓可以處于制造的各個階段并且采用CMOS工藝進行加工。
[0037]圖2是在半導(dǎo)體襯底203上形成的FET201和202的橫截面。FET201是BioFET ；而FET202不是BioFET。FET201和202包括柵極結(jié)構(gòu)(211/251)、源極區(qū)域(213/253)、漏極區(qū)域(215/255)和分別介于源極區(qū)域(213/253)和漏極區(qū)域(215/255)之間的溝道區(qū)域(217/257)。可以在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)域上形成柵極，源極、漏極和/或溝道區(qū)域。FET201和202可以是η型FET (nFET)或p型FET (pFET)。例如，根據(jù)FET的配置，源極/漏極區(qū)域可以包含η型摻雜物或P型摻雜物。柵極結(jié)構(gòu)(211/251)包括柵極介電層(219/259)、柵電極層(221/261)和/或其他合適的層。在實施例中，柵電極(221/261)是多晶硅。其他合適的柵電極包括包含諸如Cu、W、T1、Ta、Cr、Pt、Ag、Au的材料；合適的金屬化化合物如TiN、TaN、NiS1、CoSi ;它們的組合；和/或其他合適的導(dǎo)電材料的金屬柵電極。柵極211不包含自對準(zhǔn)多晶硅化物(salicide)，而柵極251可以包含自對準(zhǔn)多晶硅化物。在各個實施例中，柵極電介質(zhì)(219/259)是氧化硅。其他示例性柵極電介質(zhì)包括氮化硅、氮氧化硅、具有高介電常數(shù)(高k)的電介質(zhì)、和/或它們的組合。高k材料的實例包括硅酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化鉿-氧化鋁(HfO2-Al2O3)合金、或它們的組合?？梢圆捎玫湫偷腃MOS工藝，諸如光刻；離子注入；擴散；沉積，包括物理汽相沉積(PVD)、金屬蒸鍍或濺射、化學(xué)汽相沉積(CVD)、等離子體增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)、大氣壓化學(xué)汽相沉積(APCVD)、低壓CVD (LPCVD)、高密度等離子體CVD (HDPCVD)、原子層CVD (ALCVD)、旋涂；蝕刻，包括濕蝕刻、干蝕刻和等離子體蝕刻；和/或其他合適的CMOS工藝形成FET。
[0038]返回參照圖1A，在框104中，在FET的子集的柵電極的一部分上方形成犧牲插塞。在如圖1B的流程圖格式中示出根據(jù)一些實施例形成犧牲插塞的工藝。在圖1B的框152中，在位于柵極結(jié)構(gòu)上方的晶圓上沉積保護層。保護層可以包括一層或許多層不同材料層。圖2包括分別位于柵極結(jié)構(gòu)211和251上方的保護層223和263。保護層223和263是用于確保柵電極221和261在等離子體處理期間不被損傷的蝕刻停止層。在一些實施例中，保護層是氮氧化硅、碳摻雜的氮氧化硅、碳摻雜的氧化硅或碳摻雜的氮化硅。保護層具有確保柵電極得到保護的厚度。在一個實例中，氮氧化硅保護層可以厚約一千埃。保護層可以直接沉積在柵電極上，或通過在保護層和柵電極之間的中間層上沉積間接沉積在柵電極上。在一些實施例中，在保護層和柵電極之間使用氧化硅層，例如，采用原硅酸四乙酯(TEOS)形成的氧化硅層。氧化硅層可以比保護層更薄，例如，厚200埃。根據(jù)各個實施例，保護層和中間層對本發(fā)明的方法實施例中的蝕刻工藝可以具有不同的蝕刻選擇性。選擇的保護層和中間層的材料允許對柵電極進行軟性著陸蝕刻(軟性接合蝕刻，soft landing etch)而產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生蝕刻等離子體損傷。
[0039]參照圖1B的工藝104，在框154中，在FET上方沉積層間電介質(zhì)(ILD)。ILD可以包括一層或多層(例如，(一層或多層)ILD層)并且可以包含二氧化硅、氟化硅玻璃(FSG)、SILK (Dow Chemical (Michigan)的產(chǎn)品)、BLACK DIAMOND (黑金剛石)(AppliedMaterial (Santa Clara, California)的產(chǎn)品)、和/或其他絕緣材料?？梢酝ㄟ^CMOS制造中典型的合適工藝，諸如CVD、ALD、旋涂和/或其他工藝形成ILD。在一些實施例中，ILD包括采用不同的工藝沉積的兩層或更多層氧化硅層。一個實例是ILD具有硼磷硅酸鹽原硅酸四乙酯(BPTEOS)層和采用等離子體沉積的未摻雜的TEOS層。在沉積(一層或多層)ILD層之后，可以平坦化晶圓?？梢栽贗LD之后沉積一層或多層，包括底部抗反射涂層(BARC)。在圖3中，在保護層223/263以及柵極結(jié)構(gòu)211和251上方設(shè)置ILD層325和BARC327。
[0040]參照圖1B的工藝104，在框156中，蝕刻出穿過ILD的開口以暴露出用于FET的子集的保護層。FET的子集指的是本發(fā)明的BioFET。在圖4A和圖4B中，在BioFET201中示出開口 429和431。圖4A示出具有良好對準(zhǔn)的工藝的實例。圖4B示出開口 431與柵極結(jié)構(gòu)未完全對準(zhǔn)的實例。對于余下的附圖和論述，具有“B”命名的所有附圖示出不完全對準(zhǔn)的實例。通過用于圖案化開口的光刻工藝，然后通過合適的濕法、干法或等離子體蝕刻工藝形成開口。因為保護層223比ILD325更難于蝕刻，使用保護層223確保開口 429和431的底部是保護層223并且即使如圖4B所示開口未完全對準(zhǔn)，也不會暴露出柵電極221。當(dāng)光刻工藝未對準(zhǔn)，而又無保護層223時，可能暴露出并蝕刻間隔件433的一部分。但是，采用本發(fā)明的保護層223，即使在不對準(zhǔn)條件下間隔件433也會得到保護。[0041]參照圖1B的工藝104，在框158中，對保護層實施軟性著陸蝕刻。軟性著陸蝕刻確保沒有不必要地去除下面的材料。在一些實施例中，在很小的偏置功率或無偏置功率和低能量等離子體或無等離子體的情況下采用干蝕刻工藝實施軟性著陸蝕刻并且當(dāng)檢測到蝕刻停止條件時軟性著陸蝕刻停止。監(jiān)測蝕刻期間的工藝條件，以及當(dāng)對應(yīng)于蝕刻后材料的性質(zhì)改變的參數(shù)發(fā)生變化時，檢測到蝕刻停止條件。當(dāng)與慢蝕刻工藝一起使用時，終點檢測可以準(zhǔn)確地停止蝕刻并且減少對下面的材料例如柵電極221的等離子體所致?lián)p傷。圖5A和圖5B是軟性著陸蝕刻之后的晶圓的截面圖。在圖5A中，完全去除位于柵電極221上方的保護層223。在圖5B中，去除位于柵電極221和間隔件433的一部分上方的保護層223。
[0042]參照圖1B的工藝104，在框160中，在開口中沉積犧牲插塞。根據(jù)各個實施例，犧牲插塞由與柵電極221相同的材料例如多晶硅制成。但是，犧牲插塞可以是相比于將要在后續(xù)操作中沉積的上覆MLI層具有足夠的蝕刻選擇性差異的另一材料。在沉積犧牲插塞之后，在框162中，平坦化晶圓以去除多余的犧牲插塞材料。可以使用化學(xué)機械平坦化(CMP)工藝。圖6A和圖6B是在平坦化之后的晶圓的截面圖。在圖6A中，向下平坦化晶圓至BARC327。在柵電極221上方設(shè)置犧牲插塞635。犧牲插塞635和柵電極221之間的虛線639表示可能存在的或可能不存在的和/或可能不會被檢測到的界面。當(dāng)犧牲插塞635和柵電極221由相同的材料制成并且在類似的工藝條件下形成時，不存在界面639。當(dāng)使用不同的材料時，存在界面639。在一些實施例中，氧化硅薄層(保護層和柵電極之間的中間層)將犧牲插塞635和柵電極221分離開。在這些實施例中，軟性著陸蝕刻停止在中間層而不是柵電極。圖6B示出在柵電極221的一部分和柵極間隔件433的一部分上方設(shè)置的犧牲插塞637。如圖1B所示的工藝104描述形成犧牲插塞635和637的一些實施例，但是可以使用符合CMOS工藝的其他方法。例如，可以在形成一層金屬層之后而不是之前蝕刻出開口。根據(jù)犧牲插塞的材料和沉積條件，熱預(yù)算考慮可能限制工藝順序。在又一實例中，可以在柵極形成工藝期間一起形成柵電極和犧牲插塞。可以通過蝕刻非BioFET柵極實現(xiàn)BioFET201和非BioFET202的不同的柵極大小。
[0043]在平面圖中，犧牲插塞可能沒有延伸至柵電極的整個長度。在各個實施例中，柵電極的一部分保留在BioFET中從而以類似于后柵極的能力在操作期間偏置晶體管。
[0044]在形成犧牲插塞的工藝104之后，工藝返回到圖1A，在框105中，在FET上形成接觸件。在典型的CMOS加工中形成接觸件。圖7A和圖7B示出在FET201和202的源極/漏極區(qū)域上方形成的且與FET201和202的源極/漏極區(qū)域物理連接的接觸件639以及在FET202的柵電極上方形成的且與FET202的柵電極物理連接的接觸件641。在一些實施例中，在柵電極上方形成的且與該柵電極物理連接的接觸件641也在BioFET201上方形成，但位于不包括犧牲插塞635(637)的不同橫截面中以及在將要在后續(xù)操作中形成的微阱的外面。在閾值電壓足夠小的BioFET201的實施例中，不使用接觸件。在圖7B中，未對準(zhǔn)的犧牲插塞637物理接近但不接觸接觸件639。如果不對準(zhǔn)非常嚴(yán)重以致犧牲插塞637與接觸件639形成接觸，那么BioFET201會有缺陷。
[0045]返回參照圖1A，在框106中，在FET上方形成多層互連件(MLI)。MLI結(jié)構(gòu)可以包括導(dǎo)電線、導(dǎo)電通孔和/或中介介電層(例如，層間電介質(zhì)(ILD))。MLI結(jié)構(gòu)提供與晶體管的電連接。在不同層中的導(dǎo)電線可以包含銅、鋁、鎢、鉭、鈦、鎳、鈷、金屬硅化物、金屬氮化物、多晶硅、它們的組合、和/或可能包括一個或多個層或襯墊的其他材料。中介介電層或?qū)娱g介電層(例如，(一層或多層)ILD層)可以包含二氧化娃、氟化娃玻璃(FSG)、SILK (DowChemical (Michigan)的產(chǎn)品)、BLACK DIAMOND (黑金剛石)(Applied Material (SantaClara, California)的產(chǎn)品)、和/或其他絕緣材料?？梢酝ㄟ^CMOS制造中典型的合適工藝，諸如CVD、PVD、ALD、鍍法、旋涂、和/或其他工藝形成MLI。
[0046]參照圖8A和圖8B的實例，在位于FET和接觸件上方的晶圓上設(shè)置MLI結(jié)構(gòu)845。MLI結(jié)構(gòu)845包括通過導(dǎo)電通孔或?qū)щ娙B接的多條導(dǎo)電線。在各個實施例中，導(dǎo)電線包含鋁和/或銅。通孔包含鎢或銅。介電層設(shè)置在MLI結(jié)構(gòu)845的導(dǎo)電部件之間并且介于其中。介電層可以是ILD層和/或由多個ILD子層組成。在各個實施例中，介電層包含氧化硅、氮氧化硅和/或氮化硅。可以在位于MLI的最頂層上方的鈍化層中形成開口 847。在器件設(shè)計期間，在BioFET上方不進行允許在后續(xù)微阱蝕刻操作中接入感測表面的導(dǎo)電線布線。
[0047]MLI中的金屬層的數(shù)量取決于FET的布線需要。對于對器件實施很少的分析和處理或者不實施分析和處理的簡單BioFET器件，一層或兩層金屬層是足夠的。非BioFET僅實施很少的分析和處理并且將結(jié)果輸出至另一器件。對于進行大量處理的復(fù)雜BioFET器件，使用更多的金屬層，例如，四層、五層或甚至八層金屬層。更多金屬層的使用允許在器件上使用更多的非BioFET，該非BioFET可以在使用或不使用其他外部輸入的情況下實施復(fù)雜的邏輯操作。此外，來自BioFET的結(jié)果可以用作輸入觸發(fā)進一步的器件操作。在一個實例中，進一步的器件操作可以將微阱的內(nèi)含物導(dǎo)向更靈敏的BioFET或化學(xué)反應(yīng)將分解一些生物內(nèi)含物的BioFET。采用額外的處理能力，形成器件的輸出包括分析結(jié)果而不僅是原始數(shù)據(jù)的芯片實驗室類型的器件。例如，器件可以測定血液樣品是否含有癌細胞，量化癌細胞以及輸出癌癥類型。在另一實例中，器件可以測定基因序列。
[0048]返回參照圖1A，在框108中，對MLI進行蝕刻以暴露出犧牲插塞的至少一部分，從而形成微阱的一部分。參照圖9A和圖9B，蝕刻工藝形成微阱的第一阱部分949。在示出的實施例中，蝕刻工藝是采用等離子體的深氧化物蝕刻。對工藝進行調(diào)整以檢測在氮氧化娃層951或犧牲插塞635材料的蝕刻終點。在一些實施例中，可以在形成犧牲插塞635和637之前，已在ILD層953上方沉積氮氧化硅層951。因為使用氮氧化硅層和犧牲插塞，可以在不損傷柵極的情況下使用激進(aggressive)等離子體蝕刻工藝。在第一蝕刻終點之后，可以采用軟蝕刻工藝或較慢的蝕刻工藝蝕刻氮氧化硅層951以減少等離子體所致?lián)p傷的可能性。
[0049]當(dāng)僅對整個微阱進行一次蝕刻時，深氧化物蝕刻的工藝窗口限制開口的縱橫比并因此限制MLI中的金屬層的數(shù)量。例如，MLI可以具有連同鈍化層一起的4層金屬層和0.18微米的柵極寬度，微阱的縱橫比可以大于30。這種高縱橫比(如果有可能的話)極難進行蝕刻，尤其是在務(wù)必小心以避免損傷柵極的情況下。
[0050]示出的實施例的微阱具有至少兩個部分并且可以具有采用不同工藝和/或幾何形狀蝕刻的彼此堆疊的三個或更多個部分。根據(jù)各個實施例，將第一微阱部分的縱橫比設(shè)計成在深氧化物蝕刻的工藝窗口內(nèi)適用。采用多層微阱，第一阱部分仍可以具有相同數(shù)量的金屬層；但是，因為柵極得到保護，可以使用更多的激進工藝參數(shù)。在一些實施例中，以多個步驟蝕刻微阱，其中第一蝕刻形成的開口僅是微阱的一部分，這降低了每個蝕刻后開口的縱橫比。上部可以具有比下部更大(更寬)的開口和底部，從而允許上部具有甚至更小的縱橫比。在一些實施例中，微講的第一部分949的縱橫比小于20,在一些實施例中小于15，在一些實施例中甚至小于10。多層微阱的使用允許MLI中的金屬層的總數(shù)為四、六、八或甚至更大。微阱的第一部分的底部可以位于犧牲插塞或中間層。微阱的各個部分的底部面積不相同，上部具有較大的底部面積而下部具有較小的底部面積。在一些實施例中，在上部的底部形成脊(ridge)，其中開口位于下部的頂部。當(dāng)然，最底部的部分暴露出感測表面，其可以是柵電極或柵極電介質(zhì)。各個部分具有至少部分重疊的底部和頂部。
[0051]在一次或多次蝕刻之后，暴露出犧牲插塞的至少一部分。圖9A是具有蝕刻后的微阱的第一部分949的BioFET201和非BioFET202的橫截面。第一部分949的底部包括犧牲插塞635和氮氧化硅層951的頂部。圖9B是犧牲插塞637與柵電極未完全對準(zhǔn)的BioFET201和非BioFET202的橫截面。在一些實施例中，僅暴露出犧牲插塞637的頂部的一部分。在一些實施例中，去除圖9A和圖9B中的氮氧化硅層951。
[0052]返回參照圖1A，在框110中，采用非等離子體蝕刻去除犧牲插塞以形成微阱的第二阱部分或底部阱部分。用于去除多晶硅的非等離子體蝕刻工藝可以使晶圓暴露于氣態(tài)形式的氟化氙(XeF2)。濕蝕刻工藝可以包括使用氫氧化鉀(KOH)、四甲基氫氧化銨(TMAH)或氫氟酸+硝酸+乙酸(HNA)作為蝕刻劑。非等離子體工藝確保對柵極不產(chǎn)生電荷所致?lián)p傷。如果在犧牲插塞和柵電極之間使用電介質(zhì)界面層，蝕刻在柵電極處停止。如果沒有使用電介質(zhì)界面層，那么在可選框112中，蝕刻還可以繼續(xù)以去除柵電極。柵電極未在犧牲插塞下方的部分將不會被去除。
[0053]圖1OA和圖1OB是在去除犧牲插塞之后的部分制造的BioFET201和非BioFET202的截面圖。如圖所示，對于圖1OA中的微阱1055，微阱包括兩個部分949和1059，對于圖1OB中的微阱1057，微阱包括兩個部分949和1061。在一些實施例中，在這個階段完成用于微阱1055和1057的開口。微阱1055和1057的最后待形成的底面是用于檢測目標(biāo)生物分子的存在的感測表面。進一步操作可以包括使用不同的材料涂布微阱的底面或側(cè)面以輔助感測和分析，如結(jié)合框118和120進一步論述的。
[0054]圖1lA和圖1lB是在去除柵電極之后的部分制造的BioFET201和非BioFET202的截面圖。去除柵電極暴露出成為感測表面的柵極電介質(zhì)219。如圖1lA所示，對于微阱1167，微阱包括三個部分949、1059和1163。微阱1167中的部分1059和1163完全對準(zhǔn)因而面積無差別或者在它們之間不具有脊。因而部分1059和1163可以被認(rèn)為是微阱1167的一個部分。如圖1lB所示，微阱1169包括三個部分949、1061和1165。微阱1169的部分1061和1165未完全對準(zhǔn)并且在間隔件433上方形成脊。圖1lB中的不完全對準(zhǔn)不影響位于微阱1169的柵極電介質(zhì)219上方的感測表面，因為用于形成部分1061和1165的各向同性蝕刻對多晶硅具有很強的選擇性。
[0055]返回參照圖1A，在可選框114中，在微阱的底部去除柵極電介質(zhì)的一部分，以及在框116中，將其替換成生物相容性高k電介質(zhì)。原柵極電介質(zhì)可以是氧化硅(SiO2)。替換柵極電介質(zhì)是更靈敏的并且可以引起B(yǎng)ioFET201的柵電容升高和閾值電壓降低的生物相容性高k電介質(zhì)，諸如氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鉿(HfO2)、氧化鈦(TiO2)、或氧化鉭(Ta2O5)。其他高k電介質(zhì)包括硅酸鉿(HfSixOy)、硅酸鋯(ZrSiO4)、氧化鋯(ZrO2)、氧化錫(SnO或SnO2)和BST (鈦酸鍶鋇)(BaxSivxTiO3)。BST是可以潛在地提供非常靈敏的感測表面的極高介電常數(shù)材料。可以采用原子層沉積(ALD)或其他CVD技術(shù)沉積高k電介質(zhì)。當(dāng)在微阱內(nèi)沉積高k電介質(zhì)時，可以不去除沉積在遠離感測表面的側(cè)壁上的高k電介質(zhì)。圖12A和圖12B是在微阱1169的底部沉積替換柵極電介質(zhì)1271之后的部分制造的BioFET201和非BioFET202的截面圖。
[0056]返回參照圖1A，在可選的框118中，可以以兩種或多種的涂布層作表面改質(zhì)，以兩種表面涂布作為例子:用第一涂層涂布微阱的側(cè)壁。第一涂層作為微阱的面的襯墊，在一些實施例中其用作流體通道。在一些實施例中，第一涂層保護ILD以及在深氧化物蝕刻期間暴露的任何金屬免暴露于將要在BioFET操作期間分析的流體。在一些實施例中，第一涂層目的為避免目標(biāo)生物分子的累積和沉積影響分析。例如，第一涂層可以是聚四氟乙烯(PTFE)材料或是分子的自組裝單層,諸如購自DuPont公司(Delaware, Wilmington)的'I clloi V K (鐵氟農(nóng)⑩)。在另一實例中，第一涂層可以是表面活性劑。取決于流體，第一涂層可以具有阻止不想要的目標(biāo)生物分子累積的疏水或親水表面。在一個實例中，第一涂層可以包括將要暴露于流體的表面活性劑分子的自組裝單層。在一些實施例中，第一涂層包含輔助流體流動的材料。例如，第一涂層可以包含用于磁電泳的磁性材料或鐵磁性材料、用于電泳的金屬、或用于介電電泳的特殊介電材料。可以以改變流體流動方向的圖案沉積輔助流體流動的第一涂層材料。
[0057]在可選框120中，用第二涂層涂布微阱的底部感應(yīng)層(柵極電極或是柵極介電層)。根據(jù)各個實施例，第二涂層不同于第一涂層。第二涂層包含可以與目標(biāo)生物分子結(jié)合的受體或者包含可以被受體結(jié)合的材料。受體可以是酶、抗體、配體、肽、核苷酸、器官細胞、生物體或組織碎片。在一些實施例中，第二涂層具有親水表面。第二涂層可以包括分子的自組裝單層。圖13A和圖13B是在涂布第一涂層1373和第二涂層1375之后的部分制造的BioFET201和非BioFET202的截面圖。取決于用于實施涂布的方法，可以補償或克服圖13B中示出的由于不完全對準(zhǔn)形成的不規(guī)則表面。例如，各向同性涂敷可以用于涂敷第一涂層，然后各向異性涂敷可以用于涂敷第二涂層。在一些實施例中，僅提供第一涂層或僅提供第二涂層。在一些應(yīng)用中，可以對不同的部分實施多于一次的涂布。例如，對于感測表面，可以涂敷結(jié)合涂層作為表面處理用于提供結(jié)合位點，在一些情況中，生物實體涂層可以包括可以檢測目標(biāo)生物分子的生物實體。
[0058]在圖1A的工藝100之后，繼續(xù)進行CMOS工藝以形成用于封裝BioFET的接合焊盤。BioFET器件可以包括其他無源部件，諸如電阻器、電容器、電感器和/或熔絲；和其他有源部件，包括P溝道場效應(yīng)晶體管(PFET)、N溝道場效應(yīng)晶體管(NFET)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管、高電壓晶體管和/或高頻晶體管；其他合適的部件；和/或他們的組合?？梢赃M一步理解，可以在BioFET器件中添加其他部件，并且對于BioFET器件的其他實施例，下面描述的一些部件可以被替換或去除。
[0059]BioFET可以包括其他流體通道和外殼。流體通道可以提供用于容納和/或引導(dǎo)流體的可操作的通道或容器(例如，儲液器)。在一些實施例中，流體通道包含聚二甲硅氧烷(PDMS)彈性體。但是，可以使用其他材料。在CMOS工藝之外，可以制造流體通道和/或?qū)⒘黧w通道連接或接合至BioFET器件，例如，可以采用不是典型的標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造的工藝來制造流體通道和/或?qū)⒘黧w通道連接至器件。在實施例中，第二實體(與制造晶體管的實體分離開)可以將流體通道連接至BioFET器件。使用的流體可以是化學(xué)溶液。流體可以包含目標(biāo)生物分子或生物實體。
[0060]BioFET器件可以包括可以提高信號質(zhì)量和放大率以提高BioFET器件的檢測能力的感測放大器。根據(jù)各個實施例，當(dāng)BioFET的柵極被存在的生物分子觸發(fā)時，BioFET將轉(zhuǎn)移電子并且誘導(dǎo)器件的場效應(yīng)充電，從而調(diào)制電流(例如，Id)。電流(例如，Id)或閾值電壓(Vt)的變化可以用來顯示相關(guān)生物分子或生物實體的檢測。因此，器件可以實現(xiàn)生物傳感器應(yīng)用，包括采用示差感測來提高靈敏度的應(yīng)用。
[0061]在一些實施例中，CMOS制造設(shè)施(例如，晶圓代工)可以處理圖1A的方法100和/或直到流體通道形成的相關(guān)器件。后面的使用者可以提供表面處理技術(shù)、離子溶液、受體等。總之，本文所公開的方法和器件提供采用CMOS和/或CMOS兼容工藝制造的BioFET。所公開的BioFET的一些實施例可以用于生物和/或醫(yī)藥應(yīng)用，包括涉及液體、生物實體和/或試劑的應(yīng)用。由于目標(biāo)生物分子或生物實體與柵極結(jié)構(gòu)的結(jié)合，或者與在器件的柵極結(jié)構(gòu)上設(shè)置(例如，固定化)的受體分子的結(jié)合，本文所述的一些實施例的一種檢測機制包括BioFET的FET的電導(dǎo)調(diào)制。
[0062]本發(fā)明的一個方面涉及生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)器件，其包括襯底和BioFET。每個BioFET包括具有頂部阱部分和底部阱部分的微阱，其中頂部阱部分的底表面積不同于底部阱部分的頂表面積；和位于底部阱部分的底面下方的襯底上的柵極電介質(zhì)。本發(fā)明的另一方面涉及一種器件，其可以是集成電路芯片，包括具有生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)區(qū)域和互補金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(C-MOSFET)區(qū)域的襯底。位于BioFET區(qū)域中的BioFET包括微阱，其具有多個堆疊的阱部分并且可以包括位于相鄰的阱部分之間的脊；和位于微阱的底面下方的襯底上的柵極電介質(zhì)。多層互連件(MLI)圍繞BioFET的微阱。
[0063]在又一方面，本發(fā)明涉及一種制造BioFET器件的方法。該方法包括:在半導(dǎo)體襯底上形成FET ;在用于FET的子集的柵電極的一部分上方形成犧牲插塞；在FET上方形成接觸件和多層互連件(MLI);蝕刻MLI以暴露出犧牲插塞的至少一部分；以及采用非等離子體蝕刻去除犧牲插塞以形成微阱的第二阱部分。FETs包括在半導(dǎo)體襯底和溝道區(qū)域的第一表面上形成的柵極結(jié)構(gòu)。
[0064]在描述這些實施例中的一個或多個實施例時，本發(fā)明可以提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)器件的若干優(yōu)勢。在其后論述優(yōu)勢或益處中，應(yīng)當(dāng)了解到，這些效益和/或結(jié)果可以在一些實施例中呈現(xiàn)，但并不需要在每一個實施例中都呈現(xiàn)。并且，可以理解，本文所公開的不同實施例提供了不同的特征和優(yōu)勢，并且在不背離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，可以進行多種變化、替換以及改變。
【權(quán)利要求】
1.一種生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)器件，包括: 襯底； 多個BioFET，形成在所述襯底上，每個BioFET包括: 微阱，具有頂部阱部分和底部阱部分，其中，所述頂部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積；以及 電介質(zhì),位于所述底部阱部分的底面的襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BioFET器件，其中，每個微阱還具有中部阱部分，并且，所述中部阱部分的頂表面積不同于所述頂部阱部分的底表面積，所述中部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BioFET器件，其中，所述電介質(zhì)選自由Si02、Si3N4,A1203、TiO2, HfO2, Ta2O5' SnO, SnO2, BaxSr1-JiO3 和它們的組合所組成的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BioFET器件，還包括: 圍繞所述多個BioFET的至少一個微阱的多層互連件(MLI)，其中，所述MLI具有三層或更多層金屬層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BioFET器件，還包括: 位于所述多個BioFET中相應(yīng)的BioFET之間的流體通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的`BioFET器件，其中，每個BioFET還包括: 位于所述微阱的側(cè)壁上的涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的BioFET器件，還包括: 多個第二 BioFET，每個第二 BioFET包括: 具有頂部阱部分和底部阱部分的微阱，其中，所述頂部阱部分的底表面積不同于所述底部阱部分的頂表面積；以及 位于所述底部阱部分底面的襯底上的電極和電介質(zhì)。
8.一種制造BioFET器件的方法，包括: 在半導(dǎo)體襯底上形成多個FET，其中，所述多個FET包括在所述半導(dǎo)體襯底的相應(yīng)第一表面和相應(yīng)溝道區(qū)域上形成的相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)； 在用于所述多個FET的子集的相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部分上方形成相應(yīng)的犧牲插塞； 在所述多個FET上方形成相應(yīng)的接觸件和多層互連件(MLI)； 蝕刻所述MLI以暴露出所述相應(yīng)的犧牲插塞的至少相應(yīng)的部分，從而形成相應(yīng)微阱的相應(yīng)第一阱部分；以及 采用非等離子體蝕刻去除所述相應(yīng)的犧牲插塞，從而形成所述相應(yīng)微阱的相應(yīng)第二阱部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括: 采用非等離子體蝕刻去除所述相應(yīng)柵極結(jié)構(gòu)位于所述相應(yīng)的犧牲插塞下方的相應(yīng)部分以形成所述微阱的相應(yīng)第三阱部分。
10.一種器件，包括: 襯底，具有生物場效應(yīng)晶體管(BioFET)區(qū)域和互補金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(C-MOSFET)區(qū)域； 多個BioFET，位于所述BioFET區(qū)域中，每個BioFET包括:微阱，具有多個堆疊的阱部分和位于相鄰的阱部分之間的脊；柵極電介質(zhì)，位于所述微阱底面下方的襯底上；多個C-MOSFET，位于所述C-MOSFET區(qū)域中；以及多層互連件(MLI) ，圍繞所述多個BioFET的微阱。
【文檔編號】B81C1/00GK103675024SQ201310123631
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月8日
【發(fā)明者】張儀賢, 鄭創(chuàng)仁, 林詩瑋, 劉怡劭 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司