ЗОНД НА ОСНОВЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С НАНОРАЗМЕРНЫМ КАНАЛОМ
FET-BASED PROBE WITH NANODIMENSIONAL CHANNEL

Изобретение относится к измерительной технике и микронаноэлектронике и может быть использовано при определении физико-химических и электрических параметров наноразмерных объектов физической, химической и биологической природы.
Известно, что полупроводниковый полевой транзистор с каналом-нанопроводом (т.н. нанотранзистор или НТ) обладает исключительной чувствительностью к изменению электрического потенциала вблизи поверхности канала. Показано, что сенсоры на основе НТ позволяют с высокой точностью детектировать клеточную активность, определять исключительно низкие концентрации элементов биологических сред, рН молекул аналита без применения дополнительных маркеров с большей чувствительностью и за меньшее время, чем традиционные приборы. По своим электротехническим свойствам биосенсор на основе НТ представляет собой трехполюсное устройство (см., например, K.-I. Chena, B.-R. Li, Y.-T. Chen, "Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation", Nano Today, 6 (2011), 131-154). Электрод затвора изменяет проводимость канала, а электроды стока и истока, примыкающие к каналу, позволяют считывать это изменение. Биологические рецепторы, иммобилизованные на поверхности канала-нанопровода посредством химической модификации его поверхности, необходимы для высокоспецифичного распознавания и высокоаффинного связывания с частицами аналита в буферном растворе. Взаимодействие рецепторов и аналита изменяет поверхностный потенциал полупроводникового канала-нанопровода, вызывая модуляцию его проводимости, которая может быть выделена детектирующей системой.
2
2
В патенте US 7662652 (В2), ZHOU CHONGWU, 16.02.2010 описан сенсор для регистрации параметров химических или биологических сред на основе НТ с чувствительным элементом - нанопроводом из оксида индия диаметром 10-30 нм, размещенным на структуре SiO/Si. Концы нанопровода являются стоком и истоком, а слой кремния - затвором. Описано выполнение канала биосенсора НТ на основе углеродных нанотрубок (JP 2004347532 (A), MATSUMOTO KAZUHIKO et.al., 09.12.2004; US 7854826 В2, So et.al., 21.12.2010), а в изобретении по патенту (US 7858965 В2, Lu, et al., 28.12.2010) - с использованием гетероструктур, включающих сердцевину из нелегированного германия и оболочку из кремния, контактирующих с металлическим электродом с образованием переходов Шоттки. В патенте (US 8232584, Lieber, et al., 31.07.2012) описаны сенсоры с использованием нанопроводов, выполненных из полупроводников n- и р-типа, образующих чувствительную решетку, заряд на которой зависит от вида иммобилизуемых клеточных структур. Описана конструкция чувствительной решетки, образованной совокупностью НТ (US 8115198 В2, Bondavalli et al.). В заявке (ЕР 2378559А1, Nakamura et al., 19.10.2011) описана технология изготовления НТ как интегрального компонента на основе структуры SiO/Si и углеродных нанотрубок. В изобретении US 2011316565 (A1), GUO DECHAO et al., 29.12.2011, описана компоновка и технология изготовления НТ на структуре кремний-на-изоляторе с нанопроводом толщиной менее 10 нм, использованием пленок нитрида кремния и образованием переходов Шоттки.
Описанные выше решения, несмотря на их принадлежность к высокочувствительному анализу с использованием наноразмерных миниатюрных НТ, не предназначены для зондовых измерений непосредственно в самом контролируемом биохимическом объекте, например в живой клетке. Для этого необходим зонд, чувствительный элемент которого обладает нанометровыми размерами.
Предпринимаются различные технологические решения, которые направлены на повышение разрешающей способности путем уменьшения размеров чувствительного элемента сенсора при сохранении чувствительности НТ.
В статье Tian В, Cohen-karni Т, Qing Q, Duan X, Xie P, et al., Three-dimensional, flexible nanoscale field-effect transistors as localized bioprobes. Science 329: 830-834 (2010) описаны эксперименты по введению зонда сенсора внутрь клетки и записи внутриклеточных потенциалов. Зонд НТ представляет собой изогнутый по острым углом ~60° нанопровод, в теле которого методами микроэлектронной технологии образован НТ. Токоподводы прикреплены к концам нанопровода.
В статье Duan X, Gao R, Xie P, Cohen-karni Т, Qing Q, et al., Intracellular recordings of action potentials by an extracellular nanoscale field-effect transistor. Nature Nanotechnology, v.7: 174-179 (2012), описана конструкция, в которой зонд образован на выращенном отростке нанопровода из германия с образованием гетероструктуры Ge/Si и кремниевой нанотрубки. В патенте (US 7301199 (В2), LIEBER et al., 27.11.2007) указывалось, что управление электрофизическими параметрами нанопровода в процессе его выращивания путем допирования полупроводника различными примесями по длине и радиусу с регулированием концентрации, изменением типа проводимости и т.п. является весьма рутинной процедурой в технологии микроэлектроники.
Наиболее близким к патентуемому является НТ, описанный в заявке "BENT NANOWIRES AND RELATED PROBING OF SPECIES» (WO 2011038228 (A1), TIAN BOZHI et al., HARVARD COLLEGE, 31.03.2011- ближайший аналог). Нанопровод размещен на подложке. В средней своей части нанопровод изогнут под острым углом с образованием чувствительного острия зонда. Линейные участки нанопровода выполняют функции стока и истока полевого транзистора, который образован локальным допированием одного из линейных участков. К концам нанопровода присоединены контактные площадки для подключения к схеме регистрации. Размер зонда острия составляет 0,01-5% от длины линейного участка нанопровода. Зонд может быть использован для измерения электрических потенциалов непосредственно клеток, а улучшение его введения обеспечено модификацией петли фосфолипидами.
Однако создание НТ на основе выращенного полупроводникового нанопровода путем допирования его локальной области в процессе формирования является чрезвычайно сложным и трудоемким процессом, обусловленным его многоступенчатостью и нетехнологичностью - выращивание нанопровода, перемещение нанопровода на подложку, формирование контактов к нанопроводу. Отмеченное делает процесс изготовления НТ уникальным, затратным и несовместимым с традиционной кремниевой технологией. При этом дальнейшее формирование зонда на основе нанопровода еще более усложняет задачу изготовления конечного устройства.
Патентуемое изобретение лишено указанных недостатков и направлено на возможность реализации зонда на основе НТ заостренной формы с локализованной чувствительной областью - каналом на его острие.
Зонд на основе полевого транзистора включает наноразмерный чувствительный элемент, размещенный на острие и образующий канал транзистора, электроды, размещенные по одну сторону от острия, связанные с чувствительным элементом и выполняющие функции стока и истока транзистора.
Отличие состоит в том, что чувствительный элемент выполнен в тонкопленочной структуре кремний-на-изоляторе, образованной на подложке. Слой кремния имеет градиентно изменяющуюся концентрацию легирующей примеси и выполнен так, что со стороны свободной поверхности, по меньшей мере на половине толщины, обладает металлической, а на оставшейся толщине до слоя изолятора - полупроводниковой проводимостью. Электроды выполнены на упомянутой свободной поверхности, разделены зазором и имеют сужающуюся к острию площадь, а чувствительный элемент представляет собой размещенный между электродами фрагмент слоя кремния, имеющего полупроводниковую проводимость, образованный путем удаления части кремния, имеющего металлическую проводимость.
19
21
-3
14
15
-3
Зонд может характеризоваться тем, что концентрация легирующей примеси в слое кремния с металлической проводимостью составляет 10-10 см, а в слое р-типа кремния с полупроводниковой проводимостью - 10-10см, а также тем, что структура кремний-на-изоляторе представляет собой слой кремния толщиной 50-100 нм, размещенный на слое двуокиси кремния толщиной 150-200 нм на подложке из кремния толщиной 0,30-0,75 мм.
Зонд может характеризоваться и тем, что размещенный между электродами фрагмент слоя кремния, имеющего полупроводниковую проводимость, имеет размер между электродами w=10-50 нм, толщину t=10-50 нм и ширину s=10-50 нм, а также и тем, что угол схождения электродов лежит в диапазоне α от 45 до 160°, преимущественно 90°.
Зонд может характеризоваться, кроме того, тем, что ребро подложки из кремния со стороны острия зонда скошено, а также тем, что размещенный на острие зонда чувствительный элемент совмещен со слоем изолятора и выступает за пределы подложки.
Технический результат - улучшение пространственного разрешения зонда при сохранении чувствительности и упрощении технологии изготовления.
Существо изобретения поясняется чертежами, где на
фиг.1 показана топология зонда, вид сверху;
фиг.2 - вид сбоку фиг.1, сечение по А-А;
фиг.3 - вид на зонд со стороны острия;
фиг.4 - распределение концентрации примеси по толщине слоя кремния;
фиг.5 - вариант топологии зонда, вид сверху;
фиг.6 - вид сбоку фиг.5, сечение по А-А;
фиг.7 - вариант топологии острия;
фиг.8 - вольт-амперные (а) и затворные (б) характеристики НТ.
21
-3
14
15
-3
На фиг.1-3 представлено схематическое изображение чувствительной части зонда. Зонд выполнен на основе структуры кремний-на-изоляторе (КНИ), где на подложке 1 из кремния толщиной 0,3-0,75 мм, который определяется типом пластины КНИ, образован слой 2 изолятора. На поверхности слоя 2 выполнен слой 3 кремния толщиной 30-100 нм. Слой 3 кремния легирован (допирован) примесью, например бором, градиентно с изменением концентрации по толщине от примерно 10 см (с внешней стороны) до примерно 10-10 см (со стороны слоя 2), что обеспечивает тип и величину проводимости, позволяющие сформировать в части слоя полупроводниковый наноразмерный канал с заданными электрофизическими характеристиками. Сильно легированный слой, по существу обладающий металлической проводимостью, выполняет функции электродов 31 и 32 для наноразмерного профилированного канала 33.
Электроды 31 и 32 выполняют функции стока и истока НТ. Размер зазора 34 между электродами выбирается исходя из возможностей технологии. Канал 33 выполнен с меньшей толщиной t, чем толщина h слоя 3 кремния в области электродов 31 и 32, обеспечивая меньшую проводимость на этом локальном участке. Например, если толщина h слоя 3 составляет около 100 мкм, то t может достигать половины от этой величины - 50 нм и менее. Размер w оконечности канала 33 не регламентируется и определяется технологическими возможностями и может составлять 10-50 нм. Размер s - ширина канала 33 в направлении удаления от вершины острия зонда не регламентируется, определяется технологическими возможностями и может составлять 10-50 нм.
Острый угол α при вершине канала 33 выбирается из технологических соображений и его величина может находиться в диапазоне углов от 45 до 160°, преимущественно 90°. Расстояние L между подложкой 1 и оконечностью канала 33 определяется назначением зонда и может составлять величину 1-50 мкм.
Слой 2 изолятора по желанию может быть профилирован в соответствии с формой канала 33, которая в реальности будет отличаться от топологии, схематично представленной на фиг.1-3. Подложка может иметь скос 11 для расширения возможной зоны введения локального сенсора в зондируемый объект.
19
21
-3
15
-3
На фиг.4 схематично показано распределение концентрации примеси по глубине h слоя 3 кремния. Слой 3 легирован неоднородно: верхняя половина слоя имеет концентрацию примеси С~10-10 см, поэтому слой толщиной (h-t) имеет практически металлическую проводимость. Оставшаяся часть слоя со стороны слоя 2 изолятора толщиной t оставлена практически нетронутой и обладает полупроводниковой проводимостью (С~10см). Такое распределение примеси, в описываемом случае бора, достигается применением соответствующего режима быстрого термического отжига, использующегося также для восстановления кристаллической структуры кремния, разрушенной в процессе имплантации.
На фиг.5, 6 показан вариант выполнения зонда, когда слой 21 изолятора сохранен как подслой в зоне канала 33. Так же как и в случае угла α, величина угла (3 может находиться в диапазоне углов от 45 до 160°, преимущественно 90°, что определяется локальностью измерений, требованиями к механической прочности, а также технологическими возможностями.
На фиг.7 показано выполнение чувствительной части зонда, когда оконечность 35 канала 33, так же как и слоя 22 изолятора, может иметь округлую форму.
Верхний высоколегированный слой кремния используется для формирования электродов стока и истока НТ, подводящих электродов и контактных площадок.
ИС
3
ИС
На фиг.8,а показана зависимость транспортного тока I транзистора от напряжения исток-сток V при различных напряжениях V на затворе, затворные характеристики транзистора при различных напряжениях V - фиг.8,б. Видно, что появляется управление током при изменении напряжения на затворе НТ.
Для изготовления структур используются пластины КНИ со следующими характеристиками - толщина верхнего слоя 50-100 нм, изолирующего диэлектрика - 150-200 нм, толщина подложки - кремниевой пластины 0,30-0,75 мм. Подложка и верхний слой кремния легированы бором (р-тип) и имеют удельное сопротивление 7-12 Ом·см.
Процесс формирования структуры в верхнем слое кремния на изоляторе включает в себя этапы электронной и оптической литографии, а также реактивно-ионного травления.
На первом этапе в верхнем слое кремния формируется тело транзистора с заостренным концом методом анизотропного травления кремния через алюминиевую маску и формируются маркеры для совмещения с электронной литографией второго этапа. На втором этапе на оконечности острия формируется чувствительная полупроводниковая область - канал транзистора. Процесс проводится с использованием электронной литографии с совмещением и последующим анизотропным травлением кремния через алюминиевую маску. Вытравливается верхняя высокодопированная часть слоя кремния и формируется канал с полупроводниковой проводимостью небольшой площади на острие тела транзистора.
Экспериментальный образец модифицируется в серии последовательных процессов изотропного травления до тех пор, пока не появляется управление транспортным током изменением напряжения на затворе транзистора (см. фиг.8). Основное назначение проводимых процессов травления - полное удаление верхнего, сильно легированного слоя кремния для формирования чувствительного полупроводникового наноразмерного канала полевого транзистора.
Патентуемая топология позволяет обеспечить технический результат - улучшение пространственного разрешения зонда до величины размера канала транзистора при сохранении чувствительности и упрощении технологии изготовления.