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基于虚拟内埋纳米线的分子传感器.pdf

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基于 虚拟 纳米 分子 传感器
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摘要
申请专利号:

CN201380013517.8

申请日:

2013.02.28

公开号:

CN104204789A

公开日:

2014.12.10

?#40763;?#27861;律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查?#32435;?#25928;IPC(主分类):G01N 27/414申请日:20130228|||公开
IPC分类号: G01N27/414; H01L29/772 主分类号: G01N27/414
申请人: 雷蒙特亚特特拉维夫大学有限公司
发明人: 吉尔·沙莱夫; 约西·罗森瓦克斯
地址: 以色列特拉维夫
优?#28909;ǎ?/td> 2012.02.28 US 61/604,041
专利代理机构: 上海天翔知识产权代理有限公司 31224 代理人: 刘粉宝
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法律状态
申请(专利)号:

CN201380013517.8

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.11.30|||2015.01.07|||2014.12.10

法律状态类型:

授权|||实质审查?#32435;?#25928;|||公开

摘要

本发明提供了一种基于多栅场效应晶体管的方法和系统,用于感测气体或液体样本中的分子。所述FET晶体管包括位于活性区域两侧上的双横向栅电极(并且任选地背栅电极)和在所述活性区域顶部的感测表面。向所述横向栅电极施加电压,在该活性区域中产生导电通道,其中所述通道的宽度和横向位置是可控制的。通过测量横向方向的多个位置处的通道导电性获得增强的感光灵敏度。本发明还公开了所述FET阵列用于电子鼻的用途。

权利要求书

权利要求书
1.  一种用于感测气体或液体样本中的分子的系统,所述系统包括:
a)至少一个多栅场效应晶体管,其包括:
1)一块半导体,其具有在源极区与漏极区之间延伸的活性区域以及沿着不同侧上的所述活性区域延伸的左横向区域和?#28082;?#21521;区域;
2)左横向栅电极和?#28082;?#21521;栅电极,其分别在所述左横向区域和所述?#28082;?#21521;区域中产生电场,从而当施加有适当的电压时在所述活性区域中产生导电通道,所述导电通道的位置取决于所述施加的电压;
3)邻近于所述分子所?#38454;?#30340;所述活性区域的感测表面,在所述导电通道的所述位置附近的所述?#38454;?#20998;子的局部浓度会影响所述导电通道的导电性;以及
b)控制器,其经适配以连续地向所述晶体管的所述横向栅电极施加不同电压并且将所述导电通道移动到多个不同位置,并且以在每个位置处测量所述导电通道的导电性。

2.  根据权利要求1所述的系统,其中所述感测表面涂覆有特异性结合于所感测的所述分子上的配体。

3.  根据权利要求1所述的系统,其中所述源极区和所述漏极区掺杂有符号相同的掺杂剂,并且所述左横向区域和所述?#28082;?#21521;区域掺杂有与所述源极区和所述漏极区符号相反的掺杂剂。

4.  根据权利要求3所述的系统,其中所述活性区域掺杂有与所述源极区和所述漏极区符号相同的掺杂剂。

5.  根据权利要求4所述的系统,其中所述横向区域的掺杂剂的所述浓度延伸到所述活性区域中,从而在大于所述导电通道的宽度的标度长度上逐渐减小。

6.  一种制造权利要求4的系?#25345;?#30340;场效应晶体管的方法,其包括在某些条件下?#36816;?#36848;晶体管进行热处理,使得所述掺杂剂中的一些从所述左横向区域和所述?#28082;?#21521;区域扩散到所述活性区域中,从而在所述活性区域的最窄点处将所述活性区域的有效宽度减小至少30%,但是不会在任何点处将所述有效宽度减小到零。

7.  根据权利要求1所述的系统,其中所述活性区域在所述左横向区域与所述?#28082;?#21521;区域之间窄于1微米。

8.  根据权利要求1所述的系统,其中所述场效应晶体管还包括背栅电极,所述背栅电极在远离所述感测表面的方向上定位并且至少通过绝缘层与所述活性区域分离,所述 背栅电极的电压会影响所述导电通道与所述感测表面的平均距离以及距离?#27573;?#20013;的一者或两者。

9.  根据权利要求1所述的系统,其中所述控制器经适配以根据在每个位置处测量到的所述导电性确定邻近于所述导电通道的每个所述位置的?#38454;?#20998;子的浓度。

10.  根据权利要求9所述的系统,对于栅电极电压的至少一个选择来说,所述系统具有所述导电通道的宽度以及所述导电通道与所述感测表面的距离,使得当所述感测表面所暴露的空气中的所述分子浓度仅为万分之一时可以确定所述?#38454;?#20998;子的平衡浓度。

11.  根据权利要求1所述的系统,其中所述至少一个场效应晶体管包括多个场效应晶体管,并且所述控制器经适配以改变每个晶体管中的所述导电通道的所述位置并?#20197;?#22810;个不同位置处测量导电通道的导电性,以发现在每个晶体管的任何位置附近的?#38454;?#20998;子的最大浓度并且发现所述晶体管上的?#38454;?#27668;体分子的所述最大浓度的平均值。

12.  根据权利要求1所述的系统,所述系统?#31859;?#29992;于感测多个不同类型的分子的电子鼻,其中所述至少一个场效应晶体管包括具有感测表面的多个场效应晶体管,所述感测表面具有不同化学特性,使得所述场效应晶体管对于所述不同分子具有?#38454;?#21040;其上的不同相对趋势,所述控制器经适配以改变所述导电通道的所述位置并且根据在每个晶体管的每个位置处测量到的导电性来确定所述导电通道的每个位置附近的?#38454;?#20998;子的浓度,并且以发现通过将?#38454;?#21040;每个场效应晶体管上的所述分子浓度的图案与每个类型的分子的?#38454;?#20998;子浓度的预期图案相比较所呈现的分子类型。

13.  根据权利要求1所述的系统,其中所述场效应晶体管还包括位于所述活性区域上方的电介质层,其中所述感测表面包括所述电介质层的表面。

14.  根据权利要求1所述的系统,其中所述晶体管的所述感测表面包括所述活性区域的暴露表面。

15.  根据权利要求14所述的系统,其中所述半导体包括硅,并且所述活性区域的所述暴露表面包括甲基封端硅。

16.  根据权利要求1所述的系统,其中所述感测表面被适配用于暴露于气体样本中。

17.  根据权利要求1所述的系统,其还包括储槽,所述储槽被适配用于保持液体样本并且用于将所述感测表面暴露于所述液体样本中。

18.  一种利用具有导电通道的多栅场效应晶体管感测气体或液体样本中的分子的方法,所述导电通道将源极区连接到漏极区,所述导电通道在横向方向上的位置通过改变两个横向栅电压是可控制的,并且所述导电通道的导电性受到在所述导电通道附近的位置处?#38454;?#21040;所述晶体管的感测表面上的所述分子的影响,所述方法包括:
a)将所述感测表面暴露于所述气体或液体样本中;
b)改变所述导电通道在所述横向方向上的所述位置,并?#20197;?#25152;述通道的多个位置处测量所述通道的导电性;以及
c)当所述导电通道处于某一位置,使得所述导电通道接近所述?#38454;?#20998;子中的一者,或接近所述感测表面上的所述?#38454;?#20998;子的浓度波动通过时,通过观察所述导电通道的导电性变化来检测所述分子。

19.  根据权利要求18所述的方法,其中所述多栅场效应晶体管是包括背栅电极的场效应晶体管,所述背栅电极会影响所述导电通道与所述感测表面的平均距离和距离?#27573;?#20013;的一者或两者,所述方法还包括调节所述背栅电极的电压,以提高所述导电通道的所述导电性?#36816;?#36848;?#38454;?#20998;子的灵敏度。

20.  根据权利要求18所述的方法,其中改变所述两个横向栅电压会至少部分地独立于所述导电通道在所述横向方向上的所述位置影响所述导电通道的截面面积、所述导电通道的截面形状或两者,以及影响所述导电通道在所述横向方向上的所述位置。

21.  根据权利要求20所述的方法,其中改变所述导电通道在所述横向方向上的位置包括将所述两个横向栅电压保持在某些值,使得所述导电通道在所述横向方向上具有某一宽度,所述宽度不超过所述导电通道可以在所述横向方向上移动到的所述位置的全距的50%。

22.  根据权利要求20所述的方法,其中改变所述导电通道在所述横向方向上的位置包括将所述两个横向栅电压保持在某些值,使得所述导电通道在所述横向方向上具有不超过200纳米的宽度。

23.  根据权利要求18所述的方法,其中所述样本包括气体样本。

24.  根据权利要求18所述的方法,其中所述样本包括液体样本,并且将所述感测表面暴露于所述液体样本中包括将所述液体样本保持在储槽中。

25.  一种移动多栅场效应晶体管中的导电通道的方法,所述多栅场效应晶体管具有在源极区与漏极区之间的活性区域,以及在所述活性区域的一部分中创建空乏区域的至少横向栅电极,所述方法包括:
a)设置所述栅电极的电压以创建窄于所述活性区域的?#24378;?#20047;导电通道,从而通过所述活性区域连接所述源极区和所述漏极区;以及
b)改变所述横向栅电极的电压以在横向于导电通道的长度的方向上将所述导电通道移动到不同位置。

说明书

说明书基于虚拟内埋纳米线的分子传感器
相关申请案
本申请案根据35 U.S.C.§119(e)主张2012年2月28日提交的第61/604,041号美国临时专利申请案的权益,该申请案的内容以引用方式并入本文中,如同全文再现一般。
?#38469;?#39046;域
在本发明的一些实施例中,本发明涉及一种半导体化学传感器,且更确切地说,但非排他地,涉及一种基于场效应晶体管的气体传感器。
背景?#38469;?
可商购的气体传感器包含红外传感器、有毒气体传感器和催化燃烧式传感器,所有这些传感器?#21152;沙?#24066;?#38469;?#26377;限公司(City Technology,Ltd.)出售;以及由美国费加罗股份有限公司(FIS,Inc.)出售的金属氧化物气体检测器。?#27801;?#24066;?#38469;?#20986;售的传感器(例如)在www.citytech.com有所描述,并且由费加罗出售的传感器(例如)在www.figarosensor.com有所描述。制造成本可以较便宜且/或具有较大灵敏度和/或较大专一性的气体传感器将是非常有用的。
基于各种材料的纳米线(例如,硅、氧化锌、氧化锡以及其他材料)的气体传感器可以呈现格外高的分辨率和灵敏度。然而,基于此类纳米线?#32435;?#19994;气体传感器的制造目前并不可行,因为这些结构利用(例如)VLS方法的制造无法适应高容量制造(HVM)。或者,纳米线的高容量CMOS制造可以在将来实现,但同?#32972;?#26412;大幅度增加,甚至增加若干个数量级。
额外背景?#38469;?#21253;含:莫斯利(Moseley)的美国专利6,173,602,“过渡金属氧化物气体传感器?#20445;?#24076;思(Heath)的WO 2005/004204,“用于将分子和生物分子结构附接到半导体微结构和纳米结构上的电化学方法以及所得结构?#20445;?#38463;莫里(Amori)的WO 2008/030395,“用于定量确定目标分子?#32435;?#22791;和方法?#20445;?#28023;克(Haick)的WO 2009/013754,“化学灵敏的场效应晶体管以及其在电子噪音装置中的使用?#20445;?#20329;内(Penner)的美国专利7628959,“氢气传感器?#20445;?#38425;(Chueh)的美国专利7631540,“具有氧化锌或铟/锌混合氧化物的气体传感器以及检测氮氧化物气体的方法?#20445;?#21608;(Zhou)的美国专利7662652, “使用半导电金属氧化物纳米线的化学传感器?#20445;?#28023;克(Haick)的US 2010/0198521,“化学灵敏的场效应晶体管以及其在电子噪音装置中的使用?#20445;?#21016;(Liu)的美国专利7,963,148,“由利用氧化锌纳米线制成的场效应晶体管组成的气体传感器?#20445;?#21608;等人(Zhou et al)的“如化学传感器的硅纳米线?#20445;?#21270;学物理学报》第369期第220页(2003年);艾略特等人(Eliol et al)的“使?#31859;?#39030;向下制造的集成纳米硅传感器?#20445;?#24212;用物理学报》第83期第4613页(2003年);西索夫等人(Sysoev et al)的“对于纳米级‘电子鼻’:利用单个金属氧化物纳米线和内消旋线对氢气与一氧化碳的鉴别?#20445;?#32435;米快报》6(8):1584-8(2006年);麦卡尔平等人(McAlpine et al)的“塑料衬底上用于超灵敏柔性化学传感器的高度有序的纳米线阵列?#20445;?#33258;然材料》6(5)第379至384页(2007年);西索夫等人(Sysoev et al)的“基于渗滤的二氧化锡纳米线传感元件的梯度微阵列电子鼻?#20445;?#32435;米快报》第7卷第10号,第3182至3188页;麦卡尔平等人(McAlpine et al)的“用于小分子的选择性感测的肽纳米线混合材料”(2008年);恩格尔等人(Engel et al)的“通过硅纳米线阵列对爆炸物进行超灵敏检测?#20445;?#24503;国应用化学》第49期第6830至6835页(2010年);默佳瑞?#31995;?#20154;(Mojarradi et al)的美国专利8,010,591“四栅晶体管模拟乘法器电路?#20445;?#20197;及海克等人(Haick et al)的“非氧化甲基封端硅纳米线(Non-Oxidized Methyl-Terminated Silicon Nanowires)的电特性和化学稳定性?#20445;?#32654;国化学学会杂志》第128期,第8990至8991页(2006年)。
发明内容
本发明的一些实施例的一个方面涉及一种具有导电通道的多栅场效应晶体管(multi-gate field effect transistor)(FET),所述导电通道的作用像虚拟内埋纳米线(virtual buried nanowire),所述导电通道的导电性对?#38454;?#21040;FET表面上的气体或液体样本中的分子的局部浓度灵敏,并且所述导电通道的横向位置可受栅极控制,从而使FET能够充?#26412;?#26377;改进灵敏度的分子传感器。
因此根据本发明的示例性实施例提供一种用于感测气体或液体样本中的分子的系统,所述系统包括:
a)至少一个多栅场效应晶体管,其包括:
1)一块半导体,其具有在源极区(source region)与漏极区(drain region)之间延伸的活性区域以及沿着不同侧上的活性区域延伸的左横向区域和?#28082;?#21521;区域(left and right lateral regions);
2)左横向栅电极和?#28082;?#21521;栅电极(left and right lateral gate electrodes),其分别在左 横向区域和?#28082;?#21521;区域中产生电场,从而当施加有适当的电压时在活性区域中产生导电通道,所述导电通道的位置取决于施加的电压;
3)邻近于分子所?#38454;?#30340;活性区域的感测表面,在导电通道的位置附近的?#38454;?#20998;子的局部浓度会影响导电通道的导电性;以及
b)控制器,其经适配以连续地向晶体管的横向栅电极施加不同电压并且将导电通道移动到多个不同位置,并且以在每个位置处测量导电通道的导电性。
任选地,感测表面涂覆有特异性结合于所感测分子上的配体。
任选地,源极区和漏极区掺杂有符号相同掺杂剂,并且左横向区域和?#28082;?#21521;区域掺杂有与源极区和漏极区符号相反的掺杂剂。
任选地,活性区域掺杂有与源极区和漏极区符号相同的掺杂剂。
任选地,横向区域的掺杂剂的浓度延伸到活性区域中,从而在大于导电通道宽度的标度长度上逐渐减小。
根据本发明的示例性实施例进一步提供一种制造根据本发明的实施例的系?#25345;?#30340;场效应晶体管的方法,所述方法包括在某些条件下热处理晶体管,使得来自左横向区域和?#28082;?#21521;区域中的一些掺杂剂扩散到活性区域中,从而在活性区域的最窄的点处将活性区域的有效宽度减小至少30%,但是在任何点处都不会将有效宽度减小到零。
任选地,在左横向区域与?#28082;?#21521;区域之间活性区域窄于1微米。
任选地,场效应晶体管还包括背栅电极,所述背栅电极位于远离感测表面的方向上并且至少通过绝缘层与活性区域分离,背栅电极的电压会影响导电通道与感测表面的平均距离以及距离?#27573;?#20013;的一者或两者。
任选地,控制器经适配以根据在每个位置处测量到的导电性来确定邻近于导电通道的每个位置的?#38454;?#20998;子的浓度。
任选地,对于栅电极电压的至少一个选择,系统具有导电通道的宽度以及导电通道与感测表面的距离,使得当感测表面所暴露的空气中的分子浓度仅为万分之一(100parts per million)时可以确定?#38454;?#20998;子的平衡浓度。
在本发明的一个实施例中,至少一个场效应晶体管包括多个场效应晶体管,并且控制器经适配以改变每个晶体管中的导电通道的位置并?#20197;?#22810;个不同位置处测量导电通道的导电性,以发现在每个晶体管的任何位置附近的?#38454;?#20998;子的最大浓度并且发现晶体管上的?#38454;?#27668;体分子的最大浓度的平均值。
任选地,所述系统?#31859;?#29992;于感测多个不同类型的分子的电子鼻,并且至少一个场效应晶体管包括具有感测表面的多个场效应晶体管,所述感测表面具有不同化学特性,使 得所述场效应晶体管对于不同分子具有?#38454;?#21040;其上的不同相对趋势,并且控制器经适配以改变导电通道的位置并且根据在每个晶体管的每个位置处测量到的导电性来确定导电通道的每个位置附近的?#38454;?#20998;子的浓度,并且以发现通过将?#38454;?#21040;每个场效应晶体管上的分子浓度的图案与每个类型的分子的?#38454;?#20998;子浓度的预期图案相比较所呈现的分子类型。
任选地,场效应晶体管还包括位于活性区域上方的电介质层,并且感测表面包括电介质层的表面。
任选地,晶体管的感测表面包括活性区域的暴露表面。
任选地,半导体包括硅,并且活性区域的暴露表面包括甲基封端的硅。
任选地,感测表面被适配用于暴露于气体样本中。
或者,系统还包括储槽,所述储槽被适配用于保持液体样本并且用于将感测表面暴露于液体样本。
根据本发明的示例性实施例进一步提供一种利用多栅场效应晶体管感测气体或液体样本中的分子的方法,所述多栅场效应晶体管具有将源极区连接到漏极区的导电通道,导电通道在横向方向上的位置是通过改变两个横向栅电压可控制的,并?#19994;?#30005;通道的导电性受到在导电通道附近的位置处?#38454;?#21040;晶体管的感测表面上的分子影响,所述方法包括:
a)将感测表面暴露于气体或液体样本中;
b)改变导电通道在横向方向上的位置,并?#20197;?#36890;道的多个位置处测量通道的导电性;以及
c)当导电通道处于某一位置,使得导电通道接近?#38454;?#20998;子中的一者,或接近感测表面上的?#38454;?#20998;子浓度的波动通过时,通过观察导电通道的导电性变化来检测分子。
任选地,多栅场效应晶体管是包括背栅电极的场效应晶体管,所述背栅电极会影响导电通道与感测表面的平均距离和距离?#27573;?#20013;的一者或两者,所述方法还包括调节背栅电极的电压以提高导电通道的导电性对?#38454;?#20998;子的灵敏度。
任选地,改变两个横向栅电压会至少部分地独立于导电通道在横向方向上的位置影响导电通道的截面面积、导电通道的截面形状或两者,以及影响导电通道在横向方向上的位置。
任选地,改变导电通道在横向方向上的位置包括将两个横向栅电压保持在某些值,使得导电通道在横向方向上具有某一宽度,该宽度不超过导电通道可以在横向方向上移动到的位置的全距的50%。
任选地,改变导电通道在横向方向上的位置包括将两个横向栅电压保持在某些值,使得导电通道在横向方向上具有不超过200纳米的宽度。
任选地,样本包括气体样本。
或者,样本包括液体样本,并且使感测表面暴露于液体样本中包括将液体样本保持在储槽中。
根据本发明的示例性实施例进一步提供一种在多栅场效应晶体管中移动导电通道的方法,所述多栅场效应晶体管具有源极区与漏极区之间的活性区域;以及在活性区域的部分中创建空乏区域的至少横向栅电极,所述方法包括:
a)设置栅电极的电压以创建窄于活性区域的?#24378;?#20047;导电通道,从而通过活性区域连接源极区和漏极区;以及
b)改变横向栅电极的电压以在横向于导电通道的长度的方向上将导电通道移动到不同位置。
除非另外规定,否则本文中所用的所有?#38469;?#21644;/或科学术语具有与本发明所属领域的一般?#38469;?#20154;员通常所理解相同的含义。尽管与本文所述的方法和材料类似或等效的材料和方法可以用于本发明的实施例的?#23548;?#25110;测试,但下文描述示例性方法和/或材料。?#28909;?#26377;冲突,本说明书(包含定义)将占主导。另外,材料、方法和?#36947;?#20165;为说明性的且不意欲为必定限制性的。
附图说明
本文中仅借助于?#36947;?#21442;考附图描述本发明的一些实施例。现特定详细地参考附图,强调?#38468;?#36890;过?#36947;?#30340;方式?#39029;?#20110;对本发明的实施例的说明性论述的目的示出。就此而言,结合附图进行的描述使可以如何?#23548;?#26412;发明的实施例?#36816;?#23646;领域的?#38469;?#20154;员而言变得显而易见。
在附图中:
图1示意性地示出根据本发明的示例性实施例的虚拟内埋纳米线气体传感器的透视图;
图2示意性地示出根据本发明的示例性实施例的在通道的中间与导电通道的方向垂直的图1的传感器的截面;
图3A到3C示意性地示出图1和2中的传感器的截面(未按比例绘制)的透视图,所述透视?#38469;?#20986;了通过改变横向栅电压而移动到不同横向位置的导电通道以及当通道接近?#38454;?#20998;子通过时通道截面的响应;
图3D到3F示意性地示出从上方看到的图1和2中的传感器的截面(未按比例绘制),所述截面示出通过改变横向栅电压而移动到不同横向位置的导电通道;
图3G示出根据本发明的示例性实施例的用于使用图1和2中所示的传感器的程序的流程图;
图4A示出根据本发明的示例性实施例的用于有效通道宽度的模拟结果以及用于源极到漏极阈值电压ΔVTf变换的测试结果的曲线图,所述源极到漏极阈值电压变换随与图1和2中所示类似的虚拟内埋纳米线气体传感器的横向栅电压而变化,在含水条件下?#20197;?#20855;有参考电极的情况下用于特定的反肌钙蛋白检测;
图4B示出根据用于图4A的传感器的模拟的活性区域中用于不同栅电压值的载流密度的轮廓曲线图;
图5是根据本发明的示例性实施例的用于导电通道宽度Weff以及活性区域?#32435;?#34920;面的平均势由于置于导电通道中?#32435;?#26041;的栅电介?#35782;?#37096;上的给定电荷而发生的变换的模拟结果的曲线图,所述变换随与图1和2中所示类似的虚拟内埋纳米线气体传感器的横向栅电压VGj而变化;
图6是根据本发明的示例性实施例的用于随x而变化的活性区域表面附近的载流密度的模拟结果的曲线图,所述载流密度用于通过改变左横向栅电压和?#28082;?#21521;栅电压而居中于五个不同横向位置处的载流通道;
图7A和7B是根据本发明的示例性实施例的示出针对横向栅电压的两个不同值的活性区域的截面中的载流密度的轮廓曲线图、示出针对与图1和2中所示类似的虚拟内埋纳米线气体传感器可以如何调节通道宽度的模拟结果;以及
图8A和8B是与图7A和7B中所示的那些轮廓曲线图类似,但是用于虚拟内埋纳米线气体传感器的轮廓曲线图的模拟结果,在所述虚拟内埋纳米线气体传感器中,已使用热处理来?#20849;?#26434;剂从横向栅区域移动到活性区域中,从而使活性区域变得更窄并且使导电通道变得更窄。
具体实施方式
在本发明的一些实施例中,本发明涉及一种半导体化学传感器,且更确切地说,但非排他地,涉及一种基于场效应晶体管的气体传感器。
本发明的一些示例性实施例的一个方面涉及一种用于感测气体或液体样本中的分子的多栅场效应晶体管(FET)。分子?#38454;?#21040;FET的暴露表面上并?#19968;?#24433;响通过活性区域的导电通道的导电性,所述导电通道的作用就像虚拟内埋纳米线,从而将源极区连接 到漏极区。横向栅电极任选地用于控制导电通道在横向于导电通道的长度的方向上的位置。随着导电通道的位置在横向方向上变化,通过测量导电通道的导电性,可以检测到?#38454;?#20998;子的浓度(例如)由于较少数目的分子或分子传感器产生的波动,所述较少数目的分子潜在地使传感器比具有不改变位置的导电通道的FET灵敏得多,所述分子传感器使用由不同材料组成?#20197;?#22266;定位置内埋入硅中的真实纳米线。例如,在本发明的一些实施例中,传感器产生响应信号,所述响应信号取决于在导电通道中?#38454;?#20998;子的浓度最大的位置处的导电通道的导电性。批量生产使用虚拟内埋纳米线的此种多栅FET分子传感器还可能比批量生产使用真实内埋纳米线(real buried nanowire)的常规纳米线分子传感器便宜得多。例如,所述多栅FET分子传感器可以用常规的高容量、?#32479;?#26412;CMOS制造方法来生产,因为任选地不需要低维设计规则。
虚拟内埋纳米线分子传感器优于常规纳米线分子传感器的其他潜在优势包含SNR提高、增益增加、分辨率提高并且装置特征化和发展加快。对于基于常规内埋纳米线的传感器,根据待检测的有机系统需要对纳米线的尺寸进行最优化。这意味着冗长的特征化以及发展阶段,在该阶段中需要对各种组成和尺寸的纳米线进行测试。在虚拟内埋纳米线方法中,装置任选地仅一次成型。用于检测特定分析物的装置的最优化任选地通过调节栅电压以产生具有不同截面区域和形状的虚拟纳米线并且测?#36816;?#36848;虚拟纳米线来实现。
在本发明的不同实施例中,对虚拟内埋纳米线分子传感器进行最优化,以感测(例如)用于医疗诊断应用、用于环境应用、用于军事应用或用于其他应用的不同分析物。
本发明的一些实施例的一个方面涉及一种具有虚拟内埋纳米线的多栅FET,其中通过增加活性区域中的掺杂剂浓度使导电通道变得更窄,同时使用热处理以使异号掺杂剂从侧面从横向栅区域部分扩散到活性区域中。这样使活性区域有效地变得更窄,同时避免横向区域与活性区域之间的PN接?#31995;?#22788;的损坏,并?#19994;?#30005;通道中的载流密度潜在地极少地减小或不减小。如果FET?#31859;?#20998;子传感器,其?#26800;?#30005;通道横向地扫描活性区域,那么较窄的通道潜在地使传感器具有提高的灵敏度、分辨率和/或SNR。
沙莱夫等人(Shalev et al)的美国专利8,007,727“虚拟半导体纳米线以及使用虚拟半导体纳米线的方法”描述了一种多栅场效应晶体管,所述多栅场效应晶体管包含顶栅、两个横向栅以及底栅中的流体。多栅场效应晶体管还包含经图案化空乏区域以及虚拟空乏区域,所述虚拟空乏区域具有小于经图案化空乏区域的宽度。虚拟空乏区域宽度产生了宽度小于经图案化空乏区域的虚拟半导体纳米线。此专利与本申请案具有共同的发明人,但具有不同的受让人。
在详?#38468;?#37322;本发明的至少一个实施例之前,应理解,本发明在其申请案中不必限于在以下描述中阐述和/或在附图和/或?#36947;?#20013;所说明的组件和/或方法的结构以及布置的?#38468;凇?#26412;发明能够具有其他实施方案或以各?#22336;?#24335;?#23548;?#25110;执?#23567;?
现参考附图,图1示出示例性多栅FET 100,其包括建立在绝缘层102顶部上的半导体层,例如,氧化硅的内埋氧化物(BOX)层,任选地建立在衬底104的顶部上,任选地由与半导体层相同的材料组成,例如,硅。绝缘层上方的半导体层在本文中有时被称为SOI(绝缘体上硅)层,尽管在本发明的一些实施例中使用其他半导体材料替代硅,并?#39029;?#27687;化硅以外的材料任选地用于绝缘层。应理解,本文中使用的术语,例如,“在顶部”、“在上面?#24065;约啊?#22312;上方”参考在附图中示为垂直的方向,但不需要相对于重力准确地垂?#20445;?#36890;常装置可以相对于重力定向在任何方向上,而不会影响其操作。
半导体层包括在一端处的源极区106以及在另一端处的漏极区108,两者均掺杂有相同电荷的插入物,例如,N插入物。?#28082;?#21521;栅区域110以及左横向栅区域112两者均掺杂有与源极区和漏极区的插入物电?#19978;?#21453;的插入物,例如,P插入物。或者,源极区和漏极区掺杂有P插入物并且栅区域掺杂有N插入物。剩余的半导体层包括邻近于源极区的部分114、邻近于漏极区的部分116,以及将源极区连接到漏极区的较窄活性区域118。部分114和116以及活性区域118任选地掺杂有与源极区和漏极区的插入物具有同号电荷的插入物,但是明显比源极区和漏极区掺杂?#33945;佟?#28304;极电极120连接到源极区106,漏极电极122连接到漏极区108,?#28082;?#21521;栅电极124连接到右栅区域110,并且左横向栅电极126连接?#38454;?#26629;区域112。连接器128使电极能够连接到外部电路,所述外部电路可以控制每个电极上的电压并且可以测量源极电极与漏极电极之间的电流。任选地,如果在绝缘层下方不存在衬底104,那?#21019;?#22312;附接到衬底104的底部上或绝缘层102的底部上的背栅电极(图1中未示出)。背栅电极与其他电极之间的绝缘层102的存在使背栅电极可以影响电场并且因此影响活性区域中的载流分布,而不会抽出任何电流。在制造FET 100的一些方法中,衬底层104可以作为制造方法的结果而存在。
任选地,在活性区域118上方存在栅电介质层,图1中未示出。栅电介质任选地由氧化硅组成。或者,其他材料用于栅电介质,包含(例如)HfO2、Si3N4、Al2O3以及Ta2O5中的?#25105;?#32773;。
应理解,FET不需要具有图1所示的长方体几何形状,其中活性区域沿y方向定向,横向栅区域在x方向上围绕活性区域并且不同层布置在z方向上。替代地,只要存在特定特征,例如,通过活性区域的路径连接源极区和漏极区,并?#28082;?#21521;栅区域邻近于其侧面上的活性区域,FET就可以以任何方式弯曲或扭曲,例如,其中活性区域为C形或S 形,或层具有表面曲率。然而,长方体几何形状使FET通过半导体装置的常规制造方法更易于制造。在普通操作中通常不具有流过其中的大量电流的栅电极不需要与半导体层或绝缘层物理接触,但是可以通过气隙与所述半导体层或绝缘层分离,尽管出于机械强度的原因,使任何电极与半导体或绝缘体直接接触是潜在有利的。
图2示出垂直于从源极到水槽的方向并?#20197;?#28304;极与水槽之间一半处的FET 100的截面200。电介质层202任选地覆盖活性区域118,并?#20918;?#26629;电极204任选地附接到衬底104的底部上。通过活性区域118连接源极区和漏极区的导电通道206通过将适当的电压施加到栅电极上,即,将电压VGj1施加?#38454;?#26629;电极上,将电压VGj2施加到右栅电极上,并且任选地将电压VGb施加到背电极上而产生。例如,相对于地面测量这些电压并且通常将源极电极接地。横向栅电极上的电压在半导体中产生电场,所述电场在横向区域与活性区域的界面处产生不具有电荷载流子的延伸到活性区域中的空乏区域,而背电极上的电压在绝缘层与活性区域之间的界面处产生延伸到活性区域中的空乏区域。对于适当的栅电压值,空乏区域覆?#20999;?#22810;活性区域,仅留下相对较窄的?#24378;?#20047;导电通道206。当电压VSD随后被施加在源极电极与漏极电极之间时,取决于导电通道的截面面积,电流在源极电极与漏极电极之间流动。
FET充当气体传感器,因为导电通道的截面面积对?#38454;?#21040;电介质层表面(在本文中有时称为感测表面)上的气体分子的电荷灵敏。应理解,尽管我们在本文中描述?#31859;?#27668;体传感器的本发明的实施例,但是本发明的其他实施例用于检测液体样本中的分子,例如,通过将用于保持液体样本的储槽添加到感测表面的顶部。这些?#38454;?#27668;体分子的电荷改变电介质层202表面的电势,就像此处存在另一栅电极,并且这样会改变导电通道的截面面积。因此,电介质层202在本文中有时称为栅电介质,尽管在描述的实施例中,任选地在活性区域顶部不存在物理栅电极。通常,对于给定的一组栅电压,源极与漏极之间的电流基本上从零增加到源极与漏极之间的阈值电压,并且快速增加到阈值电压之上。任选地,在栅电介质上不存在?#38454;?#27668;体分子的情况下,源极与漏极之间的电压设置为刚好低于阈值电压,因此甚至由较小数目的?#38454;?#27668;体分子引起的阈值电压的较少减少可以显著增加源极与漏极之间的电流,从而使得FET潜在地成为气体分子的极灵敏检测器。通常,源极与漏极之间的阈值电压在10mV与100mV之间,并?#20197;?#26497;到漏极电压任选地保持在此类?#31995;?#27700;平,远低于通常为几个伏特的横向栅电极电压以及背栅电极电压。
改变导电通道的横向位置
图3A到3C?#38469;玖私?#19981;同电压施加?#38454;?#27178;向栅电极和?#28082;?#21521;栅电极上如何任选地控 制导电通道的横向位置,以及改变导电通道的横向位置如何任选地用于增加作为气体传感器的FET 100的灵敏度。在图3A到3C中,在栅电介质202上方存在相对?#31995;?#30340;气体浓度,并且以及几个气体分子?#38454;?#21040;表面上。左栅电极和右栅电极任选地保持在某些电压值,使得导电通道非常狭窄,例如,是活性区域宽度的五分之一、十分之一、二十分之一、五十分之一、或更低值、更高值或中间值,并?#20197;?#23548;电通道的给定横向位置处,平均存在一个以下直接?#38454;?#21040;导电通道的任何部分上方的分子。在绝对尺寸中,导电通道的宽度是,例如,500nm、200nm、100nm、50nm、20nm、10nm、5nm或更低值、更高值或中间值。如本文所使用,导电通道的宽度表示在载流密度的半最大值处在y方向上的全部宽度。
由于通过相对于?#28082;?#21521;电极的电压改变左横向电极的电压而从左到右扫描导电通道的横向位置,因此每当通道接近吸附的分子通过时通道的截面面积增加。例如,在图3A中,通道在气体分子302下方通过,并且其截面面积相对较大。在图3B中,通道并不接近任何气体分子通过,并且其截面面积较小。在图3C中,通道接近气体分子304通过,并且其截面面积再次增加。在本发明的其他实施例中,当导电通道接近?#38454;?#27668;体分子通过时,电流减小而不是增加。通过穿过活性区域扫描导电通道并?#20197;?#36890;道的每个横向位置处测量源极与漏极之间的电流,可以精确地确定?#38454;?#21040;栅电介质上的气体分子的密度。如果仅在导电通道的固定横向位置处测量源极与漏极之间的电流,那么这将是不可能实现的,因为在通道不接近任何气体分子通过的情况下,电流将很可能极小,不与?#38454;?#27668;体分子对应,或者在通道接近气体分子中的一者通过的情况下,电流将很可能极大,与比?#23548;?#23384;在的?#38454;?#27668;体分子的密度高得多的密度相对应。
图3D、3E和3F分别示出从上方看到的在半导体层的表面处或在所述表面下方的导电通道206所位于?#32435;?#24230;处、在导电通道的三个不同位置处的半导体层的截面。活性区域118以及导电通道206不必按比例绘制,但是被示为比通常相对于源极、漏极和横向栅区域的尺寸的宽度宽,因此可以清楚地看到导电通道的位置变化。应注意,只要以比源极与横向栅电极和背栅电极之间的电压小得多的源极到漏极电压操作FET,例如,为所述电压的十分之一或百分之一,导电通道将通常在沿着横向区域之间的活性区域的截面中非常均匀,如图3D到3F所示,尽管导电通道可以超出横向区域的末端成扇形散开。
为了穿过活性区域横向地扫描导电通道,横向栅电压以及任选地背栅电压由控制器306控制,所述控制器控制提供左横向栅电压的电源308、提供?#28082;?#21521;栅电压的电源310,以及任选地提供背栅电压的电源312,电源都相对于地面(例如)连接到源极电极上。在导电通道的位置穿过活性区域横向地移动时,例如,通过运行实施控制算法的软件或 通过使用产生栅电压之间的正确关系的电子电路,控制器306任选地调节栅电压以保持基本上恒定的导电通道?#32435;?#24230;以及截面尺寸。例如,通过下文在图6所描述的模拟,或通过在不存在?#38454;?#27668;体分子的情况下测试FET而发?#33267;私?#23454;现此目的的不同栅电压之间的关系。在导电通道的不同横向位置处,源极到漏极电流的差异随后主要由于?#38454;?#22312;导电通道上方的气体分子的浓度差异而产生,并且任选地传感器的灵敏度在导电通道的所有位置处进行最优化。
控制器306或不同控制器根据随导电通道的横向位置而变化的测量到的源极到漏极电流任选地计算栅电介质表面上的?#38454;?#27668;体分子的平均密度。例如,对于导电通道的所有位置,当不存在?#38454;?#27668;体分子时,平均密度与阈值电压的平均变换相对于阈值电压成比例,并?#20918;?#20363;常数通过使用具有已知的气体分子浓度的样本进行校?#32908;?#25110;者,通过在导电通道扫描穿过活性区域的宽度时计数导电通道中的电流具有显著上升以及?#26723;?#30340;次数来计数?#38454;?#27668;体分子的数目,从而指示出通道已穿过一个?#38454;?#27668;体分子,并且通过将?#38454;?#20998;子的数目除以活性区域的表面积获得密度。当密度相对较高,或甚至当密度相对?#31995;?#26102;,如果每当通道通过一个?#38454;?#20998;子时随通道位置而变化的阈值电压变化总是具有相同宽度?#36879;?#24230;,那么阈值电压的平均变换可以产生对?#38454;?#27668;体分子的密度的更精确测量。如果存在相对较少的?#38454;?#20998;子,那么对?#38454;?#20998;子的数目进行计数可以产生更精?#26041;?#26524;,因此导电通道通常将不会一次接近一个以上?#38454;?#20998;子通过。
图3G示出根据本发明的示例性实施例的用于用以测量?#38454;?#27668;体分子的密度的程序的流程图320。在322处,在不存在?#38454;?#27668;体分子的情况下,源极到漏极电压任选地设置为刚好低于阈值,因此通过将源极到漏极电压减小到阈值电压之下,邻近于导电通道的?#38454;?#27668;体分子的存在将增加源极到漏极电流。在?#38454;?#27668;体分子减小给定电压处的电流的实施例中,替代地源极到漏极电压任选地为刚好高于阈值电压,因此?#38454;?#27668;体分子将减小电流。在324处,横向栅电压以及任选地背栅电压设置为某一值,为此导电通道将处于活性区域中的初始位置,例如,在横向方向上通向活性区域的一侧的所有路线,或处于位置?#27573;?#24320;?#38469;?#30340;所有路线,导电通道将在所述位置?#27573;?#20869;进行扫描。在326处,在栅电介?#26102;?#38706;于气体样本中时或之后,测量并且记录源极到漏极电流。在本发明的另一实施例中,替代于在322处将源极到漏极电压设置为常数值,并?#20197;?26处测量由?#38454;?#27668;体分子引起的电流变化,源极到漏极电流保持在常数值,例如,根据刚好高于阈值电压的电压保持在电流的最大斜率,并且测量由于?#38454;?#27668;体分子引起的电压变化。?#23548;?#19978;,这类似于测量阈值电压的变化。或者,电流以及电压的功能保持恒定,并且测量电流以及电压的不同功能的变化。
在328处,如果不进行此种扫描,那么在330处,横向栅电压以及任选地背栅电压经调节以将导电通道移动到下一位置。任选地,这通过某一方式完成,该方式为使得如上所述通道的宽度以及深度不发生变化,或变化极小。导电通道的位置不需要适时地单调变化,但可以跳?#23613;?#28982;而,在解释数据以及控制栅电极的电压时,在扫描过程中使导电通道的位置?#27492;?#24207;从活性区域的一侧移动到另一侧可能是最简单的,从而以频繁的间隔进行测量。在330处栅电压已设置成新的值之后,将导电通道移动到新的位置,在326处测量并且记录源极到漏极电流。继续此回?#20998;?#21040;在328处完成扫描为止,例如因为导电通道的位置是从初始位置开始的活性区域的另一侧上的所有路线,或位置?#27573;?#30340;另一侧上的所有路线,在所述位置?#27573;?#20869;扫描导电通道。
当完成扫描时,通过使?#33945;?#36848;用于获得?#38454;?#27668;体分子的数目或密度的方法中的?#25105;?#32773;,根据在326处记录的数据在332处获得?#38454;?#27668;体分子的数目或密度,例如,根据恒定电压下的通道位置的源极到漏极电流,或根据通道位置的阈值电压。在334处,如果进行更多扫描,那么在324处栅电压返回到将导电通道置于其初始位置处的值,并且进行新?#32435;?#25551;。任选地,重复地进行扫描,同时栅电介?#26102;?#38706;于气体分子中,并且?#38454;?#27668;体分子的密?#20154;?#26102;间而变化。当在334处完成所有扫描时,在336处,随时间而变化的?#38454;?#27668;体分子的密度任选地作为输出供应给用户。通常,当传感器首先暴露于气体分子中时,?#38454;?#27668;体分子的密度将初始地随时间线性增加,并?#20197;?#26629;电介?#39135;?#28385;气体分子时,或在气体分子的?#38454;?#29575;通过从表面的?#38454;?#27668;体分子的缺失率进行平衡时,?#38454;?#27668;体分子的密?#20154;?#21518;将饱和。样本中的气体分子的浓度可以根据初始上升率和/或根据饱和度进行推断。
为?#26031;?#35745;通过改变导电通道的位置可以增加多少灵敏度,应注意,一般而言导电通道的有效宽度越窄,灵敏度可以变得越高,并且假设噪音级足够低,因此对于导电通道宽度Wc,单个?#38454;?#27668;体分子可以检测其是否处于导电通道的Wc/2内。随后,如果活性区域的宽度是Δx,那么可以在导电通道的给定位置处平均地检测气体分子,只要至少Δx/Wc气体分子?#38454;?#21040;FET?#32435;?#34920;面上。如果导电通道扫描穿过活性区域,并?#20197;?#20219;何位置处测量?#38454;?#22823;响应,那么原则上甚?#37327;?#20197;检测到单个?#38454;?#27668;体分子、Δx/Wc的灵敏度的增加,例如,所述灵敏度可以增加5倍、或10倍、或20倍、或30倍或更多。尽管由于扫描导电通道可以发生最大的电势增加,但是如果可以在导电通道上直接检测单个?#38454;?#27668;体分子,那么将会发生灵敏度的增加,即使(例如)最少2或3个?#38454;?#20998;子需要用于通道的给定位置处的检测,因为如果在通道的给定位置处的平均数目是相对较小的数目,例如,2或3,那?#20174;?#20110;?#27492;?#32479;计导电通道上方的?#38454;?#20998;子的数目将会产生较 大波动。可以发生由于扫描导电通道而引起的灵敏度的相对较小的增加,因为需要用于给定位置处的检测的?#38454;?#20998;子的最小数目增加,并且因为Δx/Wc减小。
直接?#38454;?#21040;不具有栅电介质的半导体上的气体分子
在本发明的一些实施例中,气体分子所?#38454;?#21040;的感测表面至少部分是活性区域本身?#32435;?#34920;面,并且不需要在活性区域上方存在任何电介质层。任选地,在那些实施例中,半导体包括硅并且对于常规硅纳米线,气体分子所?#38454;?#21040;的活性区域?#32435;?#34920;面包括甲基封端硅,如上文引用的由海克等人(Haick et al),《美国化学学会杂志》第128期,第8990至8991页(2006年)所描述。或者,硅涂覆有极性单层有机分子,如由帕斯卡(Paska)和海克(Haick)的“通过分子偶极的分子间交联控制场效应晶体管的特性?#20445;?#24212;用物理学报》第95期,233103(2009)年以及?#19978;?#21516;作者的“通过平行的自组装分子偶极之间的分子间交互控制硅的表面能量转换?#20445;?#21270;学物理学报C》第113期第1993至1997页(2009年)所描述。或者,硅涂覆有密集的疏水性有机正己基三氯硅烷单层,该单层尤其适合于非极性分子,如由帕斯卡等人(Paska et al)的“通过硅纳米线场效应晶体管的非极性挥发性有机化合物的增强感测?#20445;?#32654;国化学学会·纳米》第5期,第5620至5626页(2011年)所描述。帕斯卡等人(Paska et al)还描述了用于此目的的其他合适的涂层。
使气体分子直接?#38454;?#21040;活性区域?#32435;?#34920;面上具有提高气体传感器的灵敏度的潜在优势。使用活性区域上方的电介质层,具体而?#36828;?#27687;化硅电介质层具有以下潜在优势:设计更接近常规FET?#32435;?#35745;并且可以使用更常规的制造方法。此外,对用于结合于特定的气体分子上的电介质表面进行化学修改的?#38469;?#21487;能比化学修改半导体表面的?#38469;?#26356;先进,从而在对于使用电介质层的传感器选择待检测的气体分子?#40763;?#22312;地?#24066;?#26356;大灵活性。但应理解,附图中示出的装置以及方法中的?#25105;?#32773;?#37096;?#20197;在活性区域上方不具有电介质层的情况下实施,并且使气体分子直接?#38454;?#21040;活性区域?#32435;?#34920;面上。
控制导电通?#33713;?#23544;
任选地,横向栅电极还至少部分地独立于通道的位置控制横向方向上的通道宽度。如果独立地控制左横向栅电极和?#28082;?#21521;栅电极的电压,那么可以完成此动作。任选地,背栅电极的电压可能与横向栅电极的电压一起控制导电通道与气体分子所?#38454;?#30340;感测表面的距离,和/或导电通道与感测表面的距离?#27573;А?#23545;于图2中所示的几何形状,这意味着控制导电通道的垂直位置和/或垂直宽度。这具有以下潜在优势:对于增强的灵敏度,导电通道可以处于合理地接近顶部电介质层,但不是太接近顶部电介质层的垂直位置,传感器遭受由半导体与顶部电介质层之间的界面处的噪音中心产生的噪音。任选地,导 电通道的横向宽度和垂直宽度和/或导电通道的垂直位?#33945;?#32622;在使气体传感器比对于其他值具有更高灵敏度的值处。例如,横向地和/或垂直地,通道在其最窄点处或平均地在活性区域的长度上的宽度大于200纳米,或在200纳米与100纳米之间,或在100纳米与30纳米之间,或在30纳米与10纳米之间,或在10纳米与3纳米之间,或小于3纳米,或大于活性区域在横向方向上的宽度的50%,或在宽度的50%与30%之间,或在宽度的20%与10%之间,或在宽度的10%与5%之间,或小于宽度的5%。任选地,活性区域在横向方向上在其最窄点处或平均地在其长度上的宽度大于1微米,或在1微米与500纳米之间,或在500纳米与200纳米之间,或在200纳米与100纳米之间,或小于100纳米。任选地,在存在电介质层的情况下,导电通道接近活性区域的顶部,即接近电介质层垂直定位,所述导电通道与活性层的顶部相距200纳米、100纳米、30纳米、10纳米或3纳米的距离,或更大、更小或中间距离,或与活性区域的顶部相距活性区域的垂直厚度的50%、30%、20%、10%或5%的距离,或更大、更小或中间距离。
应理解,如果活性区域太宽,那么施加到横向栅电极上以便创建给定宽度的导电通道的电压可以大于横向栅区域与活性区域之间的PN接?#31995;?#30340;击穿电压。使导电通道更宽可以使所述导电通道对?#38454;?#27668;体分子较不灵敏。使导电通道太?#37327;?#33021;会引起平均地在给定时间处,导电通道中不具有任何载流。通过增加活性区域中的掺杂剂浓度可以增加载流的数目,但是如果掺杂剂浓度太高,那么PN接?#31995;?#30340;击穿电压可能会?#26723;停?#24182;且可能会在施加到横向栅电极上的电压下发生击穿。使活性区域更长可以使导电通道对?#38454;?#20998;子更灵敏,因为沿着导电通道的长度?#38454;?#22312;任何地方的分子可以显著影响导电性。但是增加活性区域的长度还可以增加源极与漏极之间的阈值电压,并且如果源极与漏极之间的电压相对于横向栅电压并非足够小,那么导电通道的宽度沿着其长度可能并不均匀,并?#19994;?#30005;通道可能对?#38454;?#20998;子较不灵敏。在以下“?#36947;?#37096;分中给出的尺寸以及掺杂剂浓度表示已发现在实验上并且根据模拟有效地起作用的一组参数。
具有较窄活性区域以及导电通道的实施例
在本发明的一些实施例中,对FET进行热处理,?#20849;?#26434;剂从侧面从左横向栅区域以及?#28082;?#21521;栅区域部分扩散到活性区域中,从而使活性区域邻近于横向栅区域的一部分具有与横向栅区域同号并且与剩余活性区域异号的净掺杂剂浓度。掺杂剂的此种扩散?#23548;?#19978;引起横向栅区域部分延伸到活性区域中,从而使活性区域在横向方向上更窄并?#20197;市?#23548;电通道变得更窄,如下文将在“?#36947;?#37096;分中描述。活性区域的有效宽度在本文中定义为原始活性区域的一部分的宽度,其中净掺杂剂浓度(P掺杂剂浓度减去N掺杂剂浓度)具有与活性区域中原始具有的净掺杂剂浓度相同的符号,在热处理之前,所述符号 与横向栅区域中的净掺杂剂浓度的符号相反。任选地,热处理在活性区域的最窄点处将活性区域的有效宽度减小了至少20%、或至少30%、或至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%、或大于70%。任选地,在某一温度下进行热处理,在所述温度下,半导体中的横向栅区域掺杂剂(例如,作为硅中的掺杂剂侧硼)的扩散率为所需扩散距离除以热处理的所需时间所得的值的平方。所需时间,例如,小于15秒,或在15秒与30秒之间、或在30秒与60秒之间、或在60秒与90秒之间、或在90秒与150秒之间、或在150秒与300秒之间、或大于300秒。所需扩散距离,例如,小于活性区域的宽度的5%、或在活性区域的宽度的5%与10%之间、或在10%与20%之间、或在20%与30%之间、或在30%与40%之间、或在40%与50%之间、或大于活性区域的宽度的50%。
通过使用此种热处理减少活性区域的宽度,而不是开?#38469;?#27963;性区域变窄(即使利用使用的光刻是可能的)的潜在优势在于,掺杂剂的净浓度在横向栅区域与活性区域之间更平缓地变化,从而使得不太可能在横向栅区域与活性区域之间的PN接?#31995;?#22788;发生击穿。在本发明的一些实施例中,活性区域原始地以较高浓度掺杂,因此在热处理之后,甚至在导电通道非常窄,例如窄于50nm或30nm或20nm或10nm时,活性区域在其中心处仍具有处于足够高水平的净掺杂剂浓度,以在导电通道中产生所需的载流密度,例如,足够高以产生大于1018cm-3、或大于5x1017或3x1017或2x1017或1x1017cm-3的载流密度。
在本发明的示例性实施例中,SOI层是硅,横向栅区域掺杂有硼,活性区域的宽度是400 nm,并且热处理在1050℃的温度下进行且持续75秒,从而使硼从横向栅区域足够远地扩散到活性区域中,以在其最窄点处将活性区域的有效宽度减小?#20004;?0nm,并?#20197;?#37051;近于栅电介质的顶部减小至130nm。任选地,热处理在低于900℃、或在900℃与1000℃之间、或在1000℃与1100℃之间、或在1100℃与1200℃之间、或高于1200℃的温度下进?#23567;?#20219;选地,热处理持续时间小于15秒,或在15秒与30秒之间、或在30秒与60秒之间、或在60秒与90秒之间、或在90秒与150秒之间、或在150秒与300秒之间、或大于300秒。为了获得给定量的掺杂剂扩散,如果温度较高,那么可以需要较少时间,并且热处理的温度和时间取决于所使用的掺杂?#37327;?#33021;极大地不同,因为不同掺杂剂在给定温度下可能以极不同的速率扩散。使用更容易扩散的掺杂剂具有以下潜在优势:热处理可以比较便宜,因为热处理花费较少时间并且可以使用?#31995;?#28201;度。使用较不容易扩散的掺杂剂具有以下潜在优势:可以更容易地控制扩散并?#19968;?#24471;可重复结果。使用?#31995;?#28201;度下的较长热处理还可以?#26500;?#31243;更加可控制且可重复。但是如果温度太低,或如果掺杂剂具有太低的扩散率,那么获得给定扩散程?#20154;?#38656;的时间可能不切?#23548;?#22320; 长。
气体传感器的灵敏度
任选地,导电通道经控制以足够窄,并且足够接近(但不是太接近)电介质层,使得气体传感器对电介质层所暴露的空气中的气体分子具有足够高的灵敏度,因此在传感器暴露于空气中足够长时间之后,传感器可以检测小于气体的万分之一(ppm),使得?#38454;?#27668;体分子的浓度(例如)在至少?#35813;?#20869;,或在至少几十秒内达到平衡。任选地,灵敏度足够高以检测小于气体的30ppm、或小于10ppm、或小于3ppm、或小于1ppm、或小于千万分之三(ppb)、或小于100ppb、或小于30ppb、或小于10ppb、或小于3ppb、或小于1ppb、或小于0.3ppb、或小于0.1ppb。
栅电介质的化学处理
任选地,对栅电介质进行化学处理,例如,SiO2栅电介质用APTMS、或用AUTES、或以其他方式进行修改。任选地,通过用配体涂覆栅电介?#35782;?#26629;电介质进行修改,使得栅电介质以“锁和钥匙”配置特异性结合于所感测的气体分子上。或者,栅电介质利用并不仅结合于所感测的气体分子上的配体进行化学处理。例如,配体还结合于潜在地存在于传感器所设计用于的环?#25345;?#30340;一个或多个其他气体分子上。在本发明的一些实施例中,使用FET的阵列,有时称为电子鼻或“e-nose?#20445;?#20854;中不同FET的栅电介质具有不同的化学处理,并且不同类型的气体分子具有结合于阵列中的不同FET上的不同相对趋势,并且/或者阵列中的不同FET对一种类型的分子具有不同的灵敏度,即使这是传感器设计用于检测的唯一类型的分子。随后任选地(例如)使用算法根据气体从阵列中的FET的每一者产生的响应标记确定存在的一?#21482;?#22810;种类型的气体。
其他材料的使用
FET可以使用活性区域的多种半导体中的?#25105;?#32773;,以及栅电介质和活性区域与背栅电极(如果存在一者)之间的绝缘层的多种电介质材料中的?#25105;?#32773;。为方便起见,半导体在本文中可以称为“硅”并?#19994;?#20171;质材料在本文中可以称为“氧化物?#20445;?#20363;如“栅氧化物”或“内埋氧化物?#20445;?#20294;是应理解可以替代地使用其他合适的材料。
制造方法
FET 100的示例性制造方法以绝缘体上硅(SOI)晶片开?#32908;?#30789;岛任选地经成形,其中围绕岛的硅被完全蚀刻掉,直到可接触内埋氧化物(BOX)为止,如图1和2中可以看到,其中硅岛是半导体层。在此制造方法中,任选地不存在硅衬底层104,但是绝缘层为衬底。或者,硅岛可以在SOI晶片的绝缘体侧上生长为(例如)多晶硅,从而使作为衬底104的硅层位于绝缘层下方,如图1和2中。硅岛沿着图1中示为y轴的轴具有 长度L并且沿着图1中示为x轴的横向轴具有宽度W。在本发明的示例性实施例中,装置的临界尺寸是两个横向栅区域之间的距离。?#21496;?#31163;可以任选地利用g线路光刻、i线路光刻或较小波长来界定。在本发明的示例性实施例中,经由用于掺杂硅的插入物在硅岛的每一端上创建源极区和漏极区,以?#24066;?#23548;电通道平行于y轴在源极区与漏极区之间通过。经由插入物在x方向上将左横向栅区域和?#28082;?#21521;栅区域界定在活性区域的每一侧上,包含导电通道。任选地,横向栅的插入物符号与源极/漏极插入物的符号相反,即,如果它们中的一者是P,那么另一者是N。活性区域任选地插入有与源极/漏极插入物种类相同的插入物,即,两者都是P或两者都是N。在本发明的示例性实施例中,金属触点随后创建用于源极和漏极以及横向栅,以及任选地背栅。任选地,并入有层间电介质(ILD)和钝化以便将触点与气体样本隔离。栅电介质层任选地被添加到导电通道的顶部上。
导电通道?#32435;?#24230;
纳米线本身因表面状态受到损坏。就增益以及SNR而言,这些表面状态可以引起传感器性能的?#23548;丁?#22312;虚拟内埋纳米线装置中,通过使用栅电压来调节导电通道?#32435;?#24230;并?#19994;?#33410;半导体中的插入物?#32435;?#24230;,任选地将导电通道从Si/SiO2界面处的噪音中心中移除,这可以潜在地获得传感器的较大增益和SNR。
本文所使用的术语“约”是指±10%。
术语“包括”、“包含”、“具有?#24065;约?#23427;们的?#26597;?#29289;表示“包含但不限于”。
术语“由…组成”表示“包含且限于”。
术语“主要由…组成”表示组成、方法或结构可以包含额外成分、步骤和/或部件,但是只要所述额外成分、步骤和/或部件不会实质上更改所主张的组成、方法或结构的基本且新颖特征。
除非上下文另外明?#20998;?#20986;,否则本文所用的单数形式“一”、“一个”和“所述”包含复数个参考物。例如,术语“一个化合物”或“至少一个化合物”可以包含多个化合物,包含其混合物。
本申请中,本发明的各种实施例可以以?#27573;?#26684;式呈现。应理解,?#27573;?#26684;式中的描述仅为了方便和简洁起见并且不应该被解释为对本发明的?#27573;?#30340;固定限制。因此,?#27573;?#30340;描述应被认为具有具体揭示的所有可能子?#27573;?#20197;及该?#27573;?#20869;的单个数?#31181;怠?#20363;如,从1到6的?#27573;?#30340;描述应被认为具有具体揭示的子?#27573;В?#20363;如,从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等,以及该?#27573;?#20869;的单个数字,例如,1、2、3、4、5和6。不管?#27573;?#30340;广度如何这?#38469;?#29992;。
本文中每当指示数?#22336;段?#26102;,表示包含所指示?#27573;?#20869;的任?#25105;?#29992;数字(部分的或完整的)。短语“在第一指示数字与第二指示数?#31181;?#38388;的测距/?#27573;А币约啊?#20174;第一指示数字到第二指示数字的测距/?#27573;А?#22312;本文中互换使用并?#20918;?#31034;包含第一指示数字和第二指示数字以及其之间的所有部分和完整的数字。
应?#31169;猓?#26412;发明出于清楚的目的在分开的实施例的情形中描述的某些特征还可以组合形式提供于单个实施例中。相反,本发明出于简洁的目的在单个实施例的情形中描述的各个特征还可以单独地或以任何合适的子组合提供或在本发明的任何其他描述的实施例中提供为合适的。在各种实施例的情形中描述的某些特征并非被认为是那些实施例的基本特征,除非所述实施例在不具有那些元件的情况下不起作用。
上文所描绘且以上权利要求书部分中所主张的本发明的各实施例和方面在以下?#36947;?#20013;发现实验和计算支撑。
?#36947;?
现参考以下?#36947;?#25152;述?#36947;?#19982;上文的描述一起以非限?#21697;?#24335;说明本发明的一些实施例。
利?#33945;?#29289;检测在实验上证实虚拟内埋纳米线气体传感器的普遍硅配置。在此实验中,SOI层的厚度是260nm,其中具有1.6x1014cm-3的硼掺杂,从而使所述SOI层具有13至22Ωcm的电阻率。内埋氧化物的厚度是1μm。SiO2栅电介质的厚度是5nm。活性区域,包含邻近于源极区和漏极区的较宽部分掺杂有在1.6x1017cm-3?#27573;?#20869;?#32435;欏?#28304;极区和漏极区掺杂有在5x1019cm-3的?#27573;?#20869;?#32435;椋?#24182;?#28082;?#21521;栅区域掺杂有在5x1019cm-3的?#27573;?#20869;的硼。从源极区到漏极区的距离是10μm,并?#20918;?#23450;义为横向栅区域的长度的活性区域的长度是7μm。活性区域的宽度是400nm。
在图4A中,曲线图400呈?#22336;?#32908;钙蛋白的特定检测的结果。水平轴402示出相对于地面施加?#38454;?#27178;向栅电极和?#28082;?#21521;栅电极两者上的电压VGj(以伏特为单位),其中源极电极接地。背栅电极保持在-7伏特的电压。曲线404以在曲线?#21152;?#20391;的垂直轴406上示出的值(以纳米为单位)描绘随横向栅电压而变的导电通道的有效宽度Weff(以纳米为单位)。曲线408以在曲线图左侧的垂直轴410上示出的值(以毫伏为单位)描绘由反肌钙蛋白的存在引起的随横向栅电压VGj而变的源极到漏极阈值电压的变化。应注意,导电通道越窄,由反肌钙蛋白的存在引起的源极与漏极之间的阈值电压的变换越高。
图4B示出针对不同的横向栅电压VGj值的活性区域的横截面中的载流密度(在这种情况下为电子密度)的轮廓曲线图,所述横截面为250nm高以及400nm宽、垂直于导电通道的方向、在源极区与漏极区之间的一半处。曲线412、414、416、418和420 分别示出VGj等于-2.0、-1.5、-1.0、-0.5以及0.0伏特时的载流密度。轮廓422、424和426分别对应于4x1019cm-3、2x1016cm-3以及1x1013cm-3的载流密度。
此外,虚拟内埋纳米线气体传感器的操作原理使用由?#28388;?#31185;技公司售出的‘Sentaurus’软件模拟。模拟中使用的参数与上文针对实验描述的参数相同,除了活性区域以及横向栅区域的长度仅为3μm以便节约计算时间。在此模拟中将具有1019ecm-3的固定电荷密度的10nm侧的SiO2立方体放置在栅电介?#35782;?#37096;上的通道的中心处,以表示?#38454;?#22312;该位置处的分子。SOI区域的平均电势由于电荷的存在而产生的变换针对各种通道宽度进行计算。在图5中在曲线图500中呈?#32440;?#26524;。如在曲线图400中,水平轴502示出相对于接地的源极电极施加?#38454;?#27178;向栅电极以及?#28082;?#21521;栅电极两者上的电压VGj(以伏特为单位),并且与曲线图400中的曲线404吻合的曲线504以曲线?#21152;?#20391;的垂直轴506上示出的值示出导电通道的随VGj而变化的有效宽度Weff(以纳米为单位)。曲线508以在曲线图左侧的垂直轴510上示出的值(以毫伏为单位)示出由10nm宽的带电SiO2立方体(表示模拟中的?#38454;?#27668;体分子)的存在所引起的活性区域的平均电势的变化。平均数在活性区域的全部400nm宽度以及260nm深度的?#27573;?#20869;获取并?#20197;?#20174;源极区到漏极区的全长?#27573;?#20869;延伸。应注意,导电通道的宽度越小,由于模拟的?#38454;?#20998;子的存在而产生的活性区域?#27573;?#20869;的平均电势的变化越大。在通道宽度较窄的情况下,仅在导电通道上平均的电势变化(尽管在图5中未示出)甚至更加显著地增长。
图6示出曲线图600,其说明通过改变左横向栅电极上的电压VGj1以及?#28082;?#21521;栅电极上的电压VGj2穿过活性区域扫描导电通道的模拟结果。在此模拟中,参数与上述实验的参数相同。曲线602示出当VGj1=0伏特且VGj2=-5.16伏特时,在活性区域中随横向位置x而变化的归一化载波(电子)密度。曲线604示出当VGj1=-0.85伏特且VGj2=-3.43伏特时的载流密度。曲线606示出当VGj1=-2.0伏特且VGj2=-2.0伏特时的载流密度。曲线608示出当VGj1=-3.43伏特且VGj2=-0.85伏特时的载流密度。曲线610示出当VGj1=-5.16伏特且VGj2=0伏特时的载流密度。通过以此方式改变左横向栅电压以及?#28082;?#21521;栅电压,导电通道的位置在200nm的距离内从左侧移动到右侧,而导电通道的宽度在100nm处保持恒定。活性区域从x=-200nm延伸到x=+200nm。
图7A示出当横向栅电压都为零时,根据模拟的随横截面中的位置而变化的活性区域中的载流密度的轮廓曲线图700,所述横截面垂直于导电通道的方向,即,y轴。x和z的值以纳米为单位提供。参数类似于上述实验的那些参数,除了仍取平均值1.6x1017cm-3的活性区域?#26800;纳?#25530;杂并不是均质的,但是更高地接近栅电介质且更低地接近绝缘层,这使得邻近于栅电介质形式导电通道。
图7A中的曲线702和704分别示出活性区域与左横向栅区域和?#28082;?#21521;栅区域的接?#31995;恪?#26354;线706是活性区域中的空乏区域的边界,其中载流密度转至零。曲线708、710、712、714和716分别示出针对0.5x1017cm-3、1.0x1017cm-3、1.5x1017cm-3、2.0x1017cm-3以及2.5x1017cm-3的载流密度的轮廓。导电通道的?#26412;?#32422;为150nm,较大部分的活性区域的宽度在其最窄点处约为220nm。
图7B针对左横向栅电压以及?#28082;?#21521;栅电压都为-2.0伏特的情况示出类似的轮廓曲线图718。此处曲线720是活性区域中的空乏区域的边界,其中载流密度转至零并且曲线720内部的两个轮廓是针对0.5x1017cm-3以及1.0x1017cm-3的载流密度的轮廓。导电通道的?#26412;?#29616;在约为40nm。
图8A和8B根据模拟示出活性区域中的载流密度的轮廓曲线图800和802,所述模拟具有与图7A和7B中的曲线图中的那些参数类似的参数以及插入到活性区域中的掺杂剂的较高密度,即,1018cm-3,但是针对其中FET已进行热处理,使得来自横向栅区域的掺杂剂已少量扩散到活性区域中的情况。在1050℃的温度下的热处理施加75秒,从而使硼从横向栅区域扩散到活性区域中。
图8A和8B中的曲线804和806示出有效活性区域的左边界和?#20918;?#30028;,其中净掺杂剂密度在热处理之前仍具有相同符号。有效活性区域在其最窄点处具有仅90nm的宽度,但在导电通道的中心?#32435;?#24230;处具有约130nm的宽度。图8A示出横向栅电压都为零的情况。曲线808是活性区域中的空乏区域的边界,其中载流密度转至零。曲线810、814和816分别是2x1018cm-3、4x1018cm-3、6x1018cm-3以及8x1018cm-3的密度轮廓。导电通道约90nm宽。图8B示出横向栅电压都为-2.0伏特的情况。曲线818是空乏区域的边界,并且所述空乏区域内部的两条曲线是2x1018cm-3和4x1018cm-3的密度轮廓。在未对FET进行热处理的情况下,导电通道比图7B中的导电通道窄得多,仅为约25nm。
尽管已结合本发明的特定实施例描述本发明,但显而易见对于本领域的普通?#38469;?#20154;员来说,许多替代方案、修改以及变化将是清楚的。因此,预期涵盖落入所附权利要求书的精神和广泛?#27573;?#20869;的所有此类替代方案、修改以及变化。
本说明书中所提及的所有公开案、专利和专利申请案在此以引用方式全文并入到本说明书中,达到如同每一单独的公开案、专利或专利申请案被专门并?#19994;?#29420;地指示以引用方式并入到本文中的相同的程度。此外,本申请案中对任何参考文件的引用或鉴别不应理解为承认该参考文件是作为本发明的现有?#38469;?#21487;获得的。在使用段落标题的程度上,它们不应被解释为必定限制性的。

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