CN103635795A - 具有网络结构纳米线的纳米线传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有网络结构纳米线的纳米线传感器，通过使用具有重复图案的网络结构纳米线而提高效率和结构稳定性，其特征在于，包括：形成在基板上部的源电极和漏电极；形成在源电极与漏电极之间并且以重复交点图案的网格结构形成的纳米线；以及固定到纳米线并且选择性地与流入的对象物质进行反应的检测物质。

Description

具有网络结构纳米线的纳米线传感器
技术领域
本发明涉及使用纳米线的纳米线传感器，尤其是涉及具有网络结构纳米线的纳米线传感器，通过使用具有重复图案的网络结构而不是直线结构的纳米线，从而获得高效率和结构稳定性。
背景技术
电化学传感器作为将对象物质的物理或化学特性转换为电气信号的元件，是一种根据对象物质的种类，而作为生物传感器、化学传感器以及环境传感器等的使用用途而备受期待的元件。
为了使用电化学传感器检测和分析对象物质，需要具有即使是对于对象物质的细微特征也可以表现出较大信号变化的高灵敏度，并且需要具有耐体液的化学成分的化学稳定性和不受流体流动影响的物理稳定性。此外，为了使用便利，需要可以使用现有的测量平台，并且为了经济型和实用性，需要以易于量产的结构制造。
在这方面，使用现有半导体工艺的硅传感器最适合于电化学传感器的要求。其中，纳米线通道作为一维结构具有高的栅极控制能力，并且具有高于平板硅通的体积比面积比例从而可以获得高灵敏度，因此对其进行着许多研究。
图1为示出使用传统纳米线的纳米线传感器的示例的视图。
参照图1，在传统的纳米线传感器中，将检测物质40附着到形成在源电极区域S与漏电极区域D之间的纳米线上部的栅极绝缘膜15之后，通过使用选择性附着的对象物质所携带的电荷量来改变纳米线通道区域的电导率而执行检测。此时，可以形成独立的水下栅电极31以固定溶液的电位。
在这种传统的纳米线传感器的情况下，固定有检测物质的硅纳米线可以以自底向上（bottom-up）方式或自顶向下（top-down）方式形成，并且它们分别存在着以下问题。
在自底向上方式的情况下，将通过使用如化学气相沉积的半导体工艺技术而形成的硅纳米线定位到特定位置以制造传感器，此时，因为不易进行纳米线的合成和定位，所以很难实现元件的量产。
相反，在用于制造使用SOI（Silicon-on insulator，绝缘体上硅）的纳米线的自顶向下方式的情况下，虽然具有优良的电特性，但是由于曝光技术上的限制而导致难以实现比自底向上方式的纳米线的更薄的厚度。此外，为了获得高灵敏度而实现全环栅形态的元件的情况在，如果纳米线长于数百nm或以上时，则导致发生纳米线弯曲或倒塌的问题，并且存在着对于流体流动的结构不稳定性。
另外，一般结构的纳米线传感器具有将直线形纳米线束连接到源极和漏极的结构。此时，对于任意排列的对象物质而言，一个物质只能对一个纳米线产生影响，所以只能通过增加纳米线束的数量来获得高灵敏度。因此，由于面积比元件数量的降低而导致了难以缩减费用的问题。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题在于提供一种具有网络结构纳米线的纳米线传感器，通过网状的网格结构形成纳米线从而具有大于直线形纳米线传感器的暴露表面积进而提高对象物质附着于纳米线的概率，由此可以改善测量灵敏度。
技术手段
为了实现上述的技术问题，根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器，其特征在于，包括：形成在基板上部的源电极和漏电极；形成在源电极与漏电极之间并且以重复交点图案的网格结构形成的纳米线；以及固定到纳米线并且选择性地与流入的对象物质进行反应的检测物质。
为了实现上述的技术问题，根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法，其特征在于，包括：（a）下部绝缘层和硅层形成步骤，在基板的上部依次形成绝缘层和硅层；（b）纳米线形成步骤，通过使用光刻工艺在硅层的上部形成源电极区域、漏电极区域和纳米线图案；（c）离子注入步骤，将离子注入到源电极区域和漏电极区域；（d）下部支承层去除步骤，通过湿式刻蚀工艺去除纳米线图案的下部支承层；（e）栅极绝缘膜形成步骤，在源电极区域、漏电极区域和纳米线的外部形成栅极绝缘膜；（f）金属电极形成步骤，在源电极区域和漏电极区域的上部形成金属电极；（g）纳米线图案暴露步骤，在纳米线的金属电极上部形成上部绝缘层并通过去除上部绝缘层而暴露纳米线的栅极绝缘膜；以及（h）检测物质固定步骤，将待与从外部注入的对象物质进行反应的检测物质固定到暴露后的纳米线图案，其中，纳米线图案是以在源电极区域与漏电极区域之间重复交点图案的网格结构形成。
技术效果
根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器，因为具有大于使用直线形纳米线的纳米线传感器的表面积，所以可以提高对象物质附着于纳米线的概率，并由此可以更加灵敏地检测由附着的对象物质所导致的纳米线的电导率（conductance或resistance）或者电容量（capacitance）的变化，从而可以改善传感器的灵敏度。
此外，通过网络结构的稳定性，即使是在通道长度长的情况下纳米线也不会弯曲或变形并维持现有结构本身，从而使得对象物质与检测物质还可以在纳米线侧面和下部进行反应，由此可以进一步改善灵敏度。
附图说明
图1为示出使用传统纳米线的纳米线传感器的示例的视图。
图2为用于说明根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的结构和工作原理进行的视图。
图3为用于对比说明传统的纳米线传感器与根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的工作特性的视图。
图4为用于说明在没有网格纳米线的下部支承层的情况下的结构稳定性的电子显微镜照片。
图5为用于说明根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法的工艺流程图。
图6至图13为示出根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法的各个工艺流程的剖面图和平面图。
附图标记说明
Figure BDA0000395311650000041
具体实施方式
下面，将参照附图进行详细描述。
图2为用于说明根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的结构和工作原理进行的视图。
参照图2，根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器200包括：形成在基板上部的源电极30-1和漏电极30-2；形成在源电极30-1与漏电极30-2之间并且以重复交点图案的网格结构形成的纳米线20；固定到纳米线并且选择性地与流入的对象物质进行反应的检测物质40。
基板优选为使用半导体、聚合物或非导体材质的基板，纳米线优选为使用硅、化合物半导体或聚合物材质的纳米线。
图2所示的根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器200包括与图1所示的现有纳米线传感器100的部件相同的部件，除了纳米线的结构为网格结构以外。
也就是说，不同于传统的纳米线传感器，根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器200具有以网格结构连接的多束短纳米线。
纳米线以如X形、Y形、T形和十字形（+）的连续性重复交点图案的网格结构形成。
此时优选为，纳米线宽度为5nm至1μm，并且重复图案的交点的间隔为10nm至1μm。
当如上所述的纳米线以网状结构的网格形态形成而不是以直线形成时，对象物质41粘附到检测物质40的面积将变大，由此改善了测量灵敏度。此外，当纳米线通过以网格结构连接多束短纳米线的形态形成时，因为具有结构稳定性，所以可以进行全环栅（gate-all-around）形态的检测，将在下文中参照图3和图4对此进行后述。
图3为用于对比说明传统的纳米线传感器与根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的工作特性的视图，图4为用于说明在没有网格结构纳米线的下部支承层的情况下的结构稳定性的电子显微镜照片。
参照图3（a），具有传统的直线形纳米线的纳米线传感器是以以下方式进行工作，即，对象物质41附着于纳米线20的上部或侧面部，通过对象物质所携带的电荷量使得电子或空穴聚积到附着有对象物质的纳米线通道部分从而改善电导率。
如上所述，在使用传统的直线形纳米线的纳米线传感器中，当对象物质附着于多束纳米线中的一束纳米线上时，只有附着了对象物质的纳米线会对总电导率产生影响，由此导致测量灵敏度降低。
与此相反，参照图3（b），根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器则对经过附着有对象物质41的部分的、源极与漏极之间所有最短路径的纳米线产生影响，由此获得了高灵敏度。
在根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器中，在源电极区域与漏电极区域之间经过纳米线的一个交点的路径中存在着纳米线长度相同的两个或多个路径。
因此，纳米线对于经过附着有对象物质41的部分的源电极区域与漏电极区域之间的所有最短路径（以粗线标记的路径）的电导率发生变化，由此改善了测量灵敏度。
在如现有技术的使用直线结构纳米线的纳米线传感器中，当长度短时，则用于使对象物质附着的面积减少，由此导致由对象物质产生的元件的影响随机降低，当长度长时，在纳米线的下部未被支承时则出现纳米线弯曲的现象。
然而，在根据本发明的网络结构纳米线的情况下，因为长度短的纳米线通过交点交织在一起，所以改善了纳米线的结构强度。例如，在构成具有120度内角的Y形交点的短纳米线的网格的情况下，施加到交点的垂直、水平力沿着三个方向均匀分散，由此相比于直线纳米线，纳米线可以在没有弯曲的情况下被稳定地支持。
因此，在根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器中，纳米线的下部不会附着到基板的上部，而是可以以预定间隔相隔。
如上所述，当在没有下部支承的情况下形成纳米线时，纳米线的下部面积也将暴露于含有对象物质的溶液，从而可以增加纳米线的总暴露表面积，并且还可以通过附着到纳米线下部的对象物质改变纳米线的电导率。
通过这种网络结构纳米线的结构稳定性，使得通过使用层叠的、被硅-锗或硅绝缘膜分成的多个硅层的晶圆而实现的层叠结构的纳米线传感器的制造变得可能，并由此进一步改善了元件的集成度。
此外，通过网络结构纳米线可以在更短间隔的源极与漏极之间实现相同长度的纳米线，从而在暴露于含有对象物质的溶液的源极与漏极之间的区域中增加纳米线所覆盖的区域的密度，由此可以在限定区域中增加元件的集成度。
图5为用于说明根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法的工艺流程图，图6至图13为示出根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法的各个工艺流程的剖面图和平面图。
将参照图5和图6至图13描述根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法。
如图5和图6至图13所示，根据本发明的具有网络结构纳米线的纳米线传感器的制造方法包括：下部绝缘层和硅层形成步骤S100，纳米线图案形成步骤S200，离子注入步骤S300，下部支承层去除步骤S400，栅极绝缘膜形成步骤S500，电极形成步骤S600，纳米线图案暴露步骤S700以及检测物质固定步骤S800。
在下部绝缘层和硅层形成步骤S100中，下部绝缘层11被形成在基板10的上部，然后低浓度掺杂的硅层12被形成在下部绝缘层11上。
在纳米线图案形成步骤S200中，通过使用光刻工艺在硅层12的上部图案化包括源电极区域S、漏电极区域D和纳米线20区域的有源区域之后，通过刻蚀工艺形成纳米线图案。
此时，纳米线区域可以通过源电极区域S和漏电极区域D的形成工艺一次性形成或者经过两次而形成。
然后，在离子注入步骤S300中，执行离子注入以增加以长形形状形成的源电极区域S和漏电极区域D的电导率。
此时，离子注入优选为注入高浓度的离子，并且优选为离子不被注入到待形成纳米线20的图案的区域中。
为此，通过使用热氧化工艺和薄膜形成工艺在源电极区域S和漏电极区域D的上部形成薄的离子防泄露层13以防止注入后的离子的泄露，并且在纳米线20区域的上部形成厚的离子防注入层14以防止离子注入到纳米线区域。
然后，执行通过湿式刻蚀工艺去除纳米线图案的下部支承层的下部支承层去除步骤S400。也就是说，通过使用湿式刻蚀工艺去除纳米线的下部支承层以形成全环栅结构。
此时，通过使用炉或RTP（快速热处理器）在硅层12上形成氧化膜之后，可以通过去除工艺减小纳米线的厚度和宽度同时可以去除纳米线支承层的氧化硅膜。
然后，在栅极绝缘膜形成步骤S500中，在源电极区域、漏电极区域和纳米线的外部形成栅极绝缘膜以使得纳米线的通道区域与纳米线外部的溶液之间形成电绝缘。将之后用于附着检测物质的化学基暴露于在栅极绝缘膜的表面，并且可以使用独立的金属。
此外，如果根据需要则不形成栅极绝缘膜而是适用为传感器，并且可以在只在纳米线的外部形成栅极绝缘膜
在电极形成步骤S600中，在源电极区域S和漏电极区域D的上部形成源电极30-1和漏电极30-2。
此时，因为源电极区域S和漏电极区域D的上部已形成有栅极绝缘膜15，所以需要先进行去除该栅极绝缘膜15的工艺。另外，在形成于基板10上部的下部绝缘层11下方附加形成独立的水下栅电极31以暴露于含有对象物质的溶液，从而可以直接将电位施加到溶液。
在纳米线图案暴露步骤S700中，在源电极区域S和漏电极区域D以及源电极30-1和漏电极30-2的连接线的上部附加形成上部绝缘层16以使得金属电极与含有对象物质的溶液之间形成绝缘，并且通过去除上部绝缘层16以暴露纳米线的栅极绝缘膜。
另外，在检测物质固定步骤S800中，通过使用纳米线的表面化学基将待与从外部注入的对象物质41进行反应的检测物质40固定到纳米线图案。
此时优选为，在上部绝缘层16的上部形成流体通道层17，并且通过流体通道层17与纳米线图案以及水下栅电极31之间的空间形成可使得含有对象物质41的溶液流动的通道以防止溶液受到空气中污染物的影响。
在上述的多个工艺中，基于提高纳米线传感器的灵敏度、减少信号噪声比的目的，可以以多种顺序执行纳米线图案形成步骤S200，离子注入步骤S300，下部支承层去除步骤S400和栅极绝缘膜形成步骤S500。
虽然在本文中通过参照附图描述了本发明的技术事项，但这仅仅是例示性地描述了本发明优选的实施方式而不是限制了本发明。此外，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行多种变形和替代。

Claims (18)

1.一种具有网格结构纳米线的纳米线传感器，包括：
源电极和漏电极，形成在基板上部；
纳米线，形成在所述源电极与所述漏电极之间并且以重复交点图案的网格结构形成；以及
检测物质，固定到所述纳米线并且选择性地与流入的对象物质进行反应。
2.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述基板为半导体、聚合物或非导体材质的基板。
3.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述纳米线为硅、化合物半导体或聚合物材质的纳米线。
4.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述纳米线以X形、Y形、T形或十字形构成，并且以连续性重复交点图案的网格结构形成。
5.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述纳米线的宽度为5nm至1μm。
6.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
重复交点图案的交点的间隔为10nm至1μm。
7.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述纳米线的下部不附着于所述基板的上部，而是以预定间隔相隔。
8.如权利要求5所述的纳米线传感器，其中，
所述检测物质与所述对象物质之间的选择性反应是在所述纳米线的上部、两侧面和下部处进行。
9.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
在所述源电极区域与所述漏电极区域之间经过所述纳米线上的一个交点路径中，存在着纳米线长度相同的两个或多个路径。
10.如权利要求1所述的纳米线传感器，还包括：
水下栅电极，形成在所述基板上部，
其中，所述水下电极将电位直接施加至含有所述对象物质的溶液。
11.如权利要求10所述的纳米线传感器，其中，
在除了纳米线区域和水下栅电极区域以外的区域之上形成绝缘层。
12.如权利要求1所述的纳米线传感器，其中，
所述基板具有由硅-锗或硅绝缘膜分成的多个硅层被层叠的结构，并且所述纳米线以层叠结构形成。
13.一种具有网格结构纳米线的纳米线传感器的制造方法，包括：
（a）在基板的上部依次形成绝缘层和硅层；
（b）通过使用光刻工艺在所述硅层的上部形成源电极区域、漏电极区域和纳米线图案；
（c）将离子注入到所述源电极区域和所述漏电极区域；
（d）通过湿式刻蚀工艺去除所述纳米线图案的下部支承层；
（e）在所述源电极区域、所述漏电极区域和所述纳米线的外部形成栅极绝缘膜；
（f）在所述源电极区域和所述漏电极区域的上部形成金属电极；
（g）在所述纳米线的金属电极上部形成上部绝缘层并通过去除所述上部绝缘层而暴露纳米线的栅极绝缘膜；以及
（h）将待与从外部注入的对象物质进行反应的检测物质固定到所述暴露后的纳米线图案，
其中，所述纳米线图案是以在所述源电极区域与所述漏电极区域之间重复交点图案的网格结构形成。
14.如权利要求13所述的制造方法，其中，
步骤（b）是通过使用电子束光刻、纳米压印、离子束光刻、X射线光刻、极紫外线光刻或影印石版术中的任意一种工艺形成纳米线图案。
15.如权利要求13所述的制造方法，其中，步骤（f）还包括：
在形成在所述基板上的下部绝缘层的上部形成水下栅电极。
16.如权利要求15所述的制造方法，还包括：
在步骤（h）之后，在所述纳米线图案和所述水下栅电极处形成能够使含有所述对象物质的流体流动的通道。
17.如权利要求13所述的制造方法，其中，
步骤（a）根据所述对象物质的种类和电化学特性，掺杂n型物质或p型物质以形成所述硅层。
18.如权利要求13所述的制造方法，其中，步骤（d）还包括：
在所述硅层的上部形成氧化膜，以及去除所述氧化膜。
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