▶ インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーションの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-10
(54)【発明の名称】ダーリントンペアバイポーラ接合トランジスタセンサ
(51)【国際特許分類】
H01L 21/8222 20060101AFI20241003BHJP
B81C 1/00 20060101ALI20241003BHJP
B81B 1/00 20060101ALI20241003BHJP
G01N 33/53 20060101ALI20241003BHJP
G01N 33/551 20060101ALI20241003BHJP
G01N 33/84 20060101ALI20241003BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20241003BHJP
C12Q 1/68 20180101ALI20241003BHJP
H01L 21/8228 20060101ALI20241003BHJP
H01L 21/8224 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H01L27/082 D
B81C1/00
B81B1/00
G01N33/53 D
G01N33/551
G01N33/53 M
G01N33/84 A
C12M1/00 A
C12Q1/68
H01L27/082 C
H01L27/082 V
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024519108
(86)(22)【出願日】2022-09-29
(85)【翻訳文提出日】2024-03-27
(86)【国際出願番号】 EP2022077220
(87)【国際公開番号】W WO2023066637
(87)【国際公開日】2023-04-27
(31)【優先権主張番号】17/504,175
(32)【優先日】2021-10-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】390009531
【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100112690
【弁理士】
【氏名又は名称】太佐 種一
(74)【代理人】
【識別番号】100120710
【弁理士】
【氏名又は名称】片岡 忠彦
(74)【復代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ヘクマツォアルタバリ、バフマン
(72)【発明者】
【氏名】レズニチェク、アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ニン、タク
【テーマコード（参考）】
2G045
3C081
4B029
4B063
5F082
【Ｆターム（参考）】
2G045AA25
2G045AA40
2G045BB05
2G045DA13
2G045DA14
2G045DA36
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2G045FB05
2G045GC18
2G045GC20
3C081AA01
3C081AA17
3C081BA22
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4B029AA07
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5F082BA41
5F082BC04
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5F082EA24
5F082EA27
5F082EA28
5F082FA02
5F082FA20
(57)【要約】
ダーリントンペアセンサが開示される。ダーリントンペアセンサは、増幅／水平バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）及びセンシング／鉛直ＢＪＴを有し、バイオセンサとして使用され得る。増幅バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）は、基板上に水平に配置されている。増幅ＢＪＴは、水平エミッタ、水平ベース、水平コレクタ、及び共通外因性ベース／コレクタを有する。共通外因性ベース／コレクタは、増幅ＢＪＴに対する外因性ベースである。センシングＢＪＴは、増幅ＢＪＴに対して鉛直な向きを有する。センシングＢＪＴは、鉛直エミッタ、鉛直ベース、外因性鉛直ベース、及び共通外因性ベース／コレクタ（増幅ＢＪＴと共通である）を有する。共通外因性ベース／コレクタは、センシングＢＪＴコレクタとして機能する。外因性鉛直ベースは、左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースへと分離され、２つの分離された（デュアル）ベース、センシングベース及び制御ベースを有するセンシングＢＪＴを得る。ダーリントンペアセンサは、低ノイズでの高ｉｎ－ｓｉｔｕ信号増幅を有し、基板空間を効果的に使用する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダーリントンペアセンサであって、基板上に水平に配置されている増幅バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、前記増幅ＢＪＴは水平エミッタ、水平ベース、水平コレクタ、及び共通外因性ベース／コレクタを有し、前記共通外因性ベース／コレクタは前記増幅ＢＪＴのための増幅ＢＪＴ外因性ベースであり、前記共通外因性ベース／コレクタは前記水平ベースに接触しその上に配置されている；
前記増幅ＢＪＴに対して鉛直向きのセンシングＢＪＴ、前記センシングＢＪＴは鉛直エミッタ、鉛直ベース、左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースへと分離されている外因性鉛直ベース、及び前記共通外因性ベース／コレクタを有し、前記共通外因性ベース／コレクタは前記センシングＢＪＴのためのセンシングＢＪＴコレクタでもある、
を備え、
ここで前記左外因性鉛直ベースは前記鉛直ベースの左側に接触しており、前記右外因性鉛直ベースは前記鉛直ベースの右側に接触しており、前記左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースは互いから分離されている、
センサ。
【請求項2】
前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースは、前記鉛直ベースによって互いから分離されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
ａ）前記増幅ＢＪＴはＰＮＰであり前記センシングＢＪＴはＮＰＮである、及びｂ）前記増幅ＢＪＴはＮＰＮであり前記センシングＢＪＴはＰＮＰである、という構成のうちの１つで構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項4】
１又は複数のセンシングされる物質を含有する流体を受け取ることが可能な空間的ボイドであるセンシングトレンチ、前記センシングトレンチは、センシング外因性鉛直ベースである前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースのうちの１つに隣接しており、前記センシング外因性鉛直ベースでない前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースは制御外因性鉛直ベースである；及びスライバーセンシング表面、前記スライバーセンシング表面は前記センシングトレンチ及び前記センシング外因性鉛直ベースの間の導電性材料であり、前記スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースと電気的に接触している、
を更に備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項5】
前記センシングされる物質は生物学的物質であり、前記センサは生物学的センサとして使用される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項6】
前記流体は液体及びガスのうちの１つである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項7】
前記スライバーセンシング表面は前記センシングＢＪＴのセンシングベースであり、前記スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースへ信号を提供し、前記信号はスライバーセンシング表面材料及び前記センシングされる物質のうちの１又は複数の間の相互作用によって誘起される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項8】
前記相互作用は電気的及び化学反応のうちの１又は複数である、請求項７に記載のセンサ。
【請求項9】
前記制御外因性鉛直ベースは制御ベースである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項10】
スライバーセンシング表面材料は窒化チタン（ＴｉＮ）であり、前記センシングされる物質は水素イオンであり、前記センサはｐＨセンサである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項11】
スライバーセンシング表面材料は塩化銀（ＡｇＣｌ）であり、前記センシングされる物質は１又は複数のＤＮＡ分子である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項12】
スライバーセンシング表面材料はチオールで官能基化されており、前記センシングされる物質は１又は複数のたんぱく質である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項13】
前記鉛直ベースは歪みベースである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項14】
前記外因性鉛直ベース及び前記鉛直エミッタのうちの１又は複数は、大粒径多結晶材料から構成される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項15】
前記センシングトレンチは、１又は複数の第２のセンサの１又は複数の第２のセンシングトレンチに接続されており、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチは流体連通しており、その結果、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチは共通の流体流を運び、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチを通って流れる前記共通の流体内の１又は複数のセンシングされる物質をセンシングすることができる、請求項４に記載のセンサ。
【請求項16】
ダーリントンペアセンサを作成する方法であって、前記方法は：基板上に水平エミッタ、水平ベース、及び水平コレクタを形成することによって、水平増幅ＢＪＴを作成する段階、前記水平ベースは前記水平エミッタ及び前記水平コレクタの間にある；
前記水平ベース上に共通外因性ベース／コレクタを堆積する段階；
前記共通外因性ベース／コレクタ上に鉛直真性ベースをエピタキシャル成長させる段階；
前記鉛直真性ベースの周囲に外因性鉛直ベースをエピタキシャル成長させる段階；
前記外因性鉛直ベースを右外因性鉛直ベース及び左外因性鉛直ベースへと分割する段階；
センシング外因性鉛直ベースである前記右外因性鉛直ベース及び前記左外因性鉛直ベースのうちの１つに隣接するセンシングトレンチ及び金属スライバーセンシング表面を作成する段階、前記金属スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースに電気的に接続されている、；及び
前記鉛直真性ベース上に鉛直エミッタを堆積する段階、前記鉛直エミッタ、前記鉛直真性ベース、前記外因性鉛直ベース、及び前記共通外因性ベース／コレクタは鉛直センシングＢＪＴを構成し、ここで前記共通外因性ベース／コレクタは前記鉛直センシングＢＪＴのコレクタである、
を備え、
ここで前記共通外因性ベース／コレクタは、前記水平増幅ＢＪＴの前記水平ベース上の外因性ベースでもある、
方法。
【請求項17】
前記外因性鉛直ベースを分割する前記段階は、前記鉛直真性ベースによってなされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記外因性鉛直ベースを分割する段階は、前記鉛直真性ベースのおもて端部及び背端部を露出する前記段階によってなされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
別個の外部接続を、前記水平エミッタ、前記水平コレクタ、前記センシング外因性鉛直ベースでない前記右外因性鉛直ベース及び前記左外因性鉛直ベースのうちの１つである制御ベース、及び前記鉛直エミッタの各々へ接続する段階を更に備える、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体回路に関する。より具体的には、本発明は半導体回路で作成され、それによって使用されるセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
いくつかのセンサ、特に生体液の特性をセンシングするために使用されるセンサ、すなわちバイオセンサは通常、イオン感受性トランジスタを使用して作成される。これらのイオン感受性トランジスタ、例えばダーリントンペアトランジスタは、（例えば、ダーリントンペア内のトランジスタのうちの１つのベースにおいての）センシング及び増幅を提供する。増幅は、一般的にバイオセンサ信号は非常に弱いので、センサを他の回路（例えば、読み出し及び制御回路）と集積化するために必要とされる。
【0003】
これらセンサ／バイオセンサの、読み出し／制御回路などの回路とのモノリシック集積化は、エネルギー効率がよく、高性能で、且つ大量展開可能なシステムにとって極めて重要である。特に、増幅回路は、弱い信号の効率がよい増幅のためにセンサ／バイオセンサに近接してモノリシック集積化される必要がある。更に、センサを増幅回路の近くに保つことは、センサが増幅回路からより長い距離にわたって分離されられている場合に生じるノイズの累積及び蓄積を排除する。
【0004】
これらのセンサ／バイオセンサは、人工知能（ＡＩ）、ヘルスケアモニタリング、ポイントオブケア診断、モノのインターネット（ＩｏＴ）、及びウェアラブルデバイスのために使用されているシステムを含む、高度集積化センシング／バイオセンシングシステムにおいて使用される。いくつかのバイオセンシング用途は、汗、唾液及び尿などの生体液を使用して非侵襲的に健康をモニタリングできるモバイル（ポータブル及びウェアラブル）センシング技術を含む。これらのバイオセンサは、費用対効果の高い且つ強化されたヘルスケアを、特に慢性疾患の治療において提供する可能性を有する。これらのバイオセンサ技術は、ヘルスケアの提供をより効率のよい且つ費用対効果の高いものにするために、患者のモバイル且つオンラインモニタリングを提供することが望ましい。
【0005】
正確で、高感度で、小さく、且つモバイルの、容易に半導体回路に集積化され標準的な半導体加工によって安価に大量生産され得る、低減されたノイズ及び強い信号増幅を有するセンサ、特にバイオセンサを提供することが必要である。
【発明の概要】
【0006】
ダーリントンペアセンサが開示される。ダーリントンペアセンサは、増幅／水平バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）及びセンシング／鉛直ＢＪＴを有する。
【0007】
増幅バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）は、基板上に水平に配置されている。増幅ＢＪＴは、水平エミッタ、水平ベース、水平コレクタ、及び共通外因性ベース／コレクタを有する。共通外因性ベース／コレクタは、増幅ＢＪＴに対する外因性ベースである。共通外因性ベース／コレクタは、水平ベースに接触しており、その鉛直に上方にある（上に配置されている）。
【0008】
センシングＢＪＴは、増幅ＢＪＴに対して鉛直な向きを有する。センシングＢＪＴは、鉛直エミッタ、鉛直ベース、外因性鉛直ベース、及びセンシングＢＪＴコレクタとして機能する共通外因性ベース／コレクタ（増幅ＢＪＴと共通である）を有する。外因性鉛直ベースは、左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースへと分離される。したがって、センシングＢＪＴは、２つの（デュアル）ベースを有する。左外因性鉛直ベースはセンシングベースであり得、右外因性鉛直ベースは制御ベースであり得、又はその逆である。
【0009】
左外因性鉛直ベースは鉛直ベースの左側に接触しており、右外因性鉛直ベースは鉛直ベースの右側に接触している。左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースは、鉛直ベースによって物理的に互いから分離されており、鉛直ベースを介して互いと電気的に結合されている。
【0010】
代替的な構成及びＢＪＴ極性がダーリントンペアＢＪＴセンサを作成する方法と共に開示される。ダーリントンペアＢＪＴセンサは、バイオセンサとして使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【0011】
本発明の様々な実施形態は、ここで簡潔に説明される添付図面を参照して、下記でより詳細に説明される。図は、本発明の様々な装置、構造、及び関連する方法の段階を示す。
【0012】
【図1】半導体基板層、ＢＯＸ／絶縁層、及び水平／横方向ＢＪＴベース層を含む、ダーリントンペアＢＪＴセンサのための初期構造の断面図である。
【0013】
【図2】予備外因性ベース／コレクタ層を追加する初期構造の断面図である。
【0014】
【図3】共通外因性ベース／コレクタを作成するために使用される中間構造を示す断面図である。
【0015】
【図4】マスクエッチング段階が水平ベースを作成した後の中間構造を示す断面図である。
【0016】
【図5】水平（真性）ベースの側面のイオン注入後の中間構造を示す断面図である。
【0017】
【図6】水平／横方向ＢＪＴのための水平エミッタ及び水平コレクタがエピタキシャル成長段階によって形成された後に、水平エミッタ及びコレクタが共通外因性ベース／コレクタと組み合わせてダーリントンペアＢＪＴセンサの水平／横方向バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）部分を形成する水平（真性）ベースの両側にある、中間構造を示す断面図である。
【0018】
【図7】中間構造を層間誘電体（ＩＬＤ）で充填し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を適用した後の中間構造を示す断面図である。
【0019】
【図8】ＣＭＰがハードマスクを除去し共通外因性ベース／コレクタを露出させた後の中間構造を示す断面図である。
【0020】
【図9】水平（又は横方向／増幅）ＢＪＴ上の底部スペーサの形成後の中間構造を示す断面図である。
【0021】
【図10】底部スペーサ上の犠牲プレースホルダ材料の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0022】
【図11】犠牲プレースホルダ材料上の頂部スペーサの形成及びその後の頂部スペーサ上の酸化物層の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0023】
【図12】酸化物層、頂部スペーサ、及び犠牲プレースホルダ材料を通した底部スペーサに対して選択的な（そこで停止する）エッチングによるトレンチの形成後の中間構造を示す断面図である。
【0024】
【図13】犠牲プレースホルダ材料の酸化によって作成されるトレンチの壁部上の薄い鉛直酸化物層の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0025】
【図14】（共通外因性ベース／コレクタ材料に対して選択的な）選択的エッチングがトレンチのベースにおいて底部スペーサを取り除いて、共通外因性ベース／コレクタを露出させ、共通外因性ベース／コレクタがダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直／センシングＢＪＴ部分のコレクタになることを可能にした後の中間構造を示す断面図である。
【0026】
【図15】鉛直／センサＢＪＴのベースになるトレンチ内の鉛直ベース領域の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0027】
【図16】酸化物層まで戻る鉛直ベース領域の研磨（例えば、ＣＭＰ）をして、ダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直ＢＪＴ部分の鉛直ベースを形成した後の中間構造を示す断面図である。
【0028】
【図17】更なる酸化物の堆積が鉛直ベースを覆い、例えばＣＭＰによって平坦化された後の中間構造を示す断面図である。
【0029】
【図18】ベース領域マスクの鉛直投影部（図示せず）が水平ベースの両側に重なる、酸化物上のベース領域マスクの堆積後の中間構造を示す断面図である。
【0030】
【図19】エッチング段階が、曝された酸化物、曝された頂部スペーサ、及び曝された犠牲材料を、底部スペーサの直上まで除去した後の中間構造を示す断面図である。
【0031】
【図20】残っている犠牲材料を除去した後の中間構造を示す断面図である。
【0032】
【図21】鉛直ベース上の薄い鉛直酸化物層の除去後の中間構造を示す断面図である。
【0033】
【図22】鉛直ベースを囲むドーピングされた外因性鉛直ベース材料の成長後の中間構造を示す断面図である。
【0034】
【0035】
【図24】分離図の系列中で更に説明されるように、ベース分離ハードマスクによって保護されていないドーピングされた外因性鉛直ベース材料がエッチングで除去された後の中間構造を示す断面図である。
【0036】
【図25】構造空間／ボイドを層間誘電体（ＩＬＤ）で充填した後の中間構造を示す断面図である。
【0037】
【図26】ベース分離ハードマスクの除去及び平坦化／ＣＭＰ後の中間構造を示す断面図である。
【0038】
【図27】エミッタマスクの堆積後の中間構造を示す断面図である。
【0039】
【図28】保護されていない酸化物及び鉛直ベースの頂部を凹設し、鉛直ベースの露出される頂部表面を露出した後の中間構造を示す断面図である。
【0040】
【図29】ダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直ＢＪＴ部分の形成をもたらす、鉛直ベースの露出された頂部表面上の鉛直エミッタの成長後の中間構造を示す断面図である。
【0041】
【図30】エミッタマスクを除去し、任意選択のＣＭＰを実行した後の中間構造を示す断面図である。
【0042】
【図31】ＩＬＤがダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直／センサＢＪＴ部分を覆い、構造空間を充填し、その後ＣＭＰした後の中間構造を示す断面図である。
【0043】
【図32】マスキングされたエッチングがセンシングトレンチを形成した後の中間構造を示す断面図である。
【0044】
【図33】センスコンタクトボイドを作成する、ドーピングされた外因性鉛直ベース材料の分離されたセンシング側の横方向エッチング後の中間構造を示す断面図である。
【0045】
【図34】センシングトレンチ及びセンスコンタクトボイドが金属、すなわちセンシングトレンチ金属充填物で充填された後の中間構造を示す断面図である。
【0046】
【図35】センシングトレンチ金属充填物が部分的にエッチングされた後の中間構造を示す断面図である。
【0047】
【図36】金属スライバーセンシング表面を残しつつ、残っている金属充填物を除去した後の中間構造を示す断面図である。
【0048】
【図37】外部コンタクトの形成後のダーリントンペアＢＪＴセンサの完成した実施形態を示す断面図である。
【0049】
【図38A】分離図の系列において、鉛直ベースを囲むドーピングされた外因性鉛直ベース材料の成長後の中間構造を示す断面図である。
【0050】
【0051】
【図39A】分離図の系列において、ベース領域マスクを除去した後の中間構造を示す断面図である。
【0052】
【0053】
【図40A】分離図の系列において、ベース分離ハードマスクを堆積した後の中間構造を示す断面図である。
【0054】
【0055】
【図41A】鉛直ベースの周囲の保護されていないドーピングされた外因性鉛直ベース材料を除去し、外因性鉛直ベース材料を右外因性鉛直ベース及び左外因性鉛直ベースへと分離した後の中間構造を示す断面図である。
【0056】
【0057】
【図42A】層間誘電体（ＩＬＤ）充填後の中間構造を示す断面図である。
【0058】
【0059】
【図43】ダーリントンペアＢＪＴセンサを作成する方法のフローチャートである。
【0060】
【図44】ダーリントンペアセンサの１つの実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0061】
本発明の実施形態は、本明細書で開示される例示的な方法、装置、構造、システム、及びデバイスに限定されず、むしろこの開示を考慮すると当業者にとって明らかになる他の代替的な且つより広範な方法、装置、構造、システム及びデバイスにより広範に適用可能であることが理解されるであろう。
【0062】
加えて、添付図面中で示されている様々な層、構造、及び／又は領域は縮尺通り描かれていないこと、及び１又は複数の一般に使用されているタイプの層、構造、及び／又は領域は所与の図面において明示的に示されていない場合があることが理解されるであろう。これは、明示的に示されていない層、構造、及び／又は領域が実際のデバイスから除かれていることを示唆しない。
【0063】
加えて、特定の要素は、説明がそのような省略対象の要素に必ずしも注目していない場合、明瞭さ及び／又は簡潔さのために図から除かれ得る。更に、図面を通して使用される同じ又は同様の参照符号は、同じ又は同様の特徴、要素、又は構造を示すために使用され、それゆえ、同じ又は同様の特徴、要素、又は構造の詳細な説明は図面の各々に対して繰り返されない場合がある。
【0064】
本発明の実施形態に係り開示される半導体デバイス、構造、及び方法は、アプリケーション、ハードウェア、及び／又は電子システムにおいて利用され得る。本発明の実施形態を用いて実装される好適なハードウェア及びシステムは、限定されないが、パーソナルコンピュータ、通信ネットワーク、電子商取引システム、ポータブル通信デバイス（例えば、携帯電話及びスマートフォン）、ソリッドステートメディア記憶デバイス、エキスパートシステム及び人工知能システム、機能回路、ニューラルネットワークなどを含み得る。半導体デバイス及び構造を組み込んでいるシステム及びハードウェアが本発明の企図されている実施形態である。
【0065】
本明細書において使用される場合、「高さ」は要素（例えば、層、トレンチ、穴部、開口部など）の、断面図又は立面図中の、要素の底部表面から頂部表面まで測定された、及び／又は要素が配置されている表面に対して測定された、鉛直サイズを指す。
【0066】
逆に、「深さ」は、要素（例えば、層、トレンチ、穴部、開口部など）の、断面図又は立面図中の、要素の頂部表面から底部表面まで測定された鉛直サイズを指す。「厚い」、「厚さ」、「薄い」又はその派生語のような用語は、記載の箇所で「高さ」の代わりに使用され得る。
【0067】
本明細書において使用される場合、「側（ｓｉｄｅ）」及び左又は右側は、要素（例えば、層、開口部など）の側面、例えば図面中に示される左又は右側を指す。
【0068】
本明細書において使用される場合、「幅」又は「長さ」は、図面中の要素（例えば、層、トレンチ、穴部、開口部など）の、ある側面から当該要素の反対側の表面まで測定されたサイズを指す。「厚い」「厚さ」「薄い」又はその派生語のような用語は、記載の箇所で「幅」又は「長さ」の代わりに使用され得る。
【0069】
本明細書において使用される場合、「上側」「下側」「上方」「右」「左」「鉛直」「水平」「頂部」「底部」及びその派生語のような用語は、図面中で方向付けられるとおりの、開示される構造及び方法に関する。例えば、本明細書において使用される場合、「鉛直」は、立面図中の基板の頂部表面に対して垂直な方向を指し、「水平」は立面図中の基板の頂部表面に対して平行な方向を指す。
【0070】
本明細書において使用される場合、別様に指定されない限り、「上（ｏｎ）」、「上にある（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）」、「上（ａｔｏｐ）」、「上に（ｏｎ ｔｏｐ）」「上に配置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ）」又は「上に配置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ａｔｏｐ）」のような用語は、第１の要素が第２の要素の上に存在し、ここで介在する要素が第１の要素及び第２の要素の間に存在し得ることを意味する。本明細書において使用される場合、別様に指定されない限り、「上（ｏｎ）」「上にある（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ）」、「上（ａｔｏｐ）」、「上に（ｏｎ ｔｏｐ）」「上に配置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ）」又は「上に配置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ａｔｏｐ）」、「上に配設（ｄｉｓｐｏｓｅｄ ｏｎ）」のような用語に関連して使用される「直接」という用語、又は「接触して」又は「直接接触」という用語は、第１の要素及び第２の要素が例えば、第１の要素及び第２の要素の間に存在する中間の導電、絶縁、又は半導体層のような介在する要素をまったく有さず接続されていることを意味する。
【0071】
これらの用語は、説明されるデバイスの向きによって影響され得ることが理解される。例えば、これらの説明の意味はデバイスが上下反転された場合には変化し得るが、説明は、それが本発明の特徴の間の相対的な関係を説明しているので、妥当なままである。
【0072】
デュアルベースダーリントンペアＢＪＴセンサとして構成されたバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）のダーリントンペアが開示される。ダーリントンペアＢＪＴセンサは、ＢＪＴのペアにおいて、第１の又は鉛直又はセンシングＢＪＴトランジスタ、及び第２の又は横方向又は増幅ＢＪＴトランジスタを有する。
【0073】
ダーリントンペアＢＪＴの第１のＢＪＴトランジスタは、鉛直エミッタ、鉛直ベース、及び鉛直コレクタ（第２の水平／横方向ＢＪＴトランジスタの水平外因性ベースとしても機能する）を有する鉛直／センシングＢＪＴである。鉛直／センシングＢＪＴは、右外因性鉛直ベース及び左外因性鉛直ベースから構成されるデュアルベースを有する。鉛直ＢＪＴは、一般性を失うことなく、センサ／センシングトランジスタ又はデュアルベースＢＪＴとも称される。
【0074】
左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースは、鉛直ベースによって物理的に互いから分離されており、鉛直ベースを介して互いと電気的に結合されている。左外因性鉛直ベースは鉛直ベースの左側に接触しており、右外因性鉛直ベースは鉛直ベースの右側に接触している。
【0075】
ダーリントンペアＢＪＴセンサの第２の部分／トランジスタ部分は、水平エミッタ、水平コレクタ、及び水平ベースを有する水平ＢＪＴである。また、水平ＢＪＴは、水平ベースに接触しており鉛直にその上方にある水平外因性ベースを有しそれを使用する。水平外因性ベースは、鉛直ＢＪＴの鉛直コレクタと共通でありそれと同一である、すなわち、それらは同じ要素における１つである。水平ＢＪＴは、一般性を失うことなく、横方向ＢＪＴ、集積化ＢＪＴ、又は増幅ＢＪＴとも称される。
【0076】
鉛直／デュアルベース／センシングＢＪＴは、ＢＪＴに関連する、固有の利得を有する。開示されるダーリントンペアＢＪＴセンサは、「ｉｎ－ｓｉｔｕ」で（センシングＢＪＴによって得られた信号を外部増幅器回路へ伝達する必要なく）この利得をブーストする。いくつかの実施形態において、ダーリントンペアＢＪＴの実効利得はデュアルベースセンシング（鉛直）ＢＪＴ利得及び水平／横方向／集積化ＢＪＴ利得の積である。横方向ＢＪＴの水平外因性ベースは鉛直ＢＪＴの鉛直コレクタと同じ要素であるので、鉛直／センシングＢＪＴのコレクタ及び横方向ＢＪＴのベースの間には本質的に接続距離が存在しない、すなわちこの「ｉｎ－ｓｉｔｕ接続」にわたって発生するあらゆるノイズは劇的に低減される。
【0077】
鉛直／デュアルベース／センシングＢＪＴは横方向ＢＪＴに対して垂直な方向において位置合わせされ、すなわちセンサＢＪＴは水平／横方向ＢＪＴの上方に鉛直アライメント／方向で静置されるので、横方向ＢＪＴによって使用される以外にはダーリントンペアＢＪＴセンサのために基板の追加の表面は本質的に必要とされない。それに応じて、ダーリントンペアＢＪＴセンサは、標準的な半導体加工方法を使用して、半導体回路との高密度の且つ面積効率の高い集積化を可能にする。
【0078】
本発明は、センシングＢＪＴ及び横方向ＢＪＴが異なる極性である、シクライ構成としても知られる、相補的ダーリントンペア構成を用いてダーリントンペアＢＪＴセンサが作成されることを可能にする。例えば、本明細書で説明される相補的ダーリントンペアＢＪＴセンサは、ｎ－ｐ－ｎ極性を有する横方向ＢＪＴ及びｐ－ｎ－ｐ極性を有するセンシングＢＪＴから構成され得（図１～図４２Ａ、及び図４４）、又はｐ－ｎ－ｐ極性を有する横方向ＢＪＴ及びｎ－ｐ－ｎ極性を有するセンシングＢＪＴから構成され得る。
【0079】
図１は、半導体基板層１０５、ＢＯＸ／絶縁層１１０、及び水平／横方向ＢＪＴベース層１５０を含む、ダーリントンペアＢＪＴセンサのための初期構造１００の断面図である。
【0080】
いくつかの実施形態において、基板／バルク１０５は１又は複数の半導体材料から作成される。好適な基板／バルク１０５材料の非限定的な例は、Ｓｉ（シリコン）、歪みＳｉ、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）、Ｓｉ合金、Ｇｅ合金、ＩＩＩ－Ｖ半導体材料（例えば、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、又はヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ））、ＩＩ－ＶＩ材料（例えば、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、又はＺｎＴｅ（テルル化亜鉛））、又はその任意の組み合わせを含む。
【0081】
例示的な実施形態において、基板１０５はシリコンである。
【0082】
いくつかのシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）実施形態において、ＢＯＸ層１１０は、用途に応じてウェハ表面１０５から通常は１００ナノメートル（ｎｍ）未満～数マイクロメートルの範囲の深さで基板（ウェハ）１０５内に埋め込まれた、埋め込み酸化物層（例えば、ＳｉＯ２）である。ＢＯＸ層１１０の厚さは通常、約２０ナノメートル（ｎｍ）～約１５０ｎｍの範囲である。
【0083】
ＢＯＸ層１１０、及び代替的に絶縁層１１０は、これらの層に接して構築される隣接する半導体構成要素の間の電流漏洩を防止する。ＢＯＸ層１１０及び基板１０５は、周知である。
【0084】
例示的で代替的な絶縁層１１０は、パンチスルーストッパ（ＰＴＳ）層に接して構築される活性層からの電流漏洩を防止するためにも使用される、公知のＰＴＳドーピング層を含む。
【0085】
１つの実施形態において、ＳｉＧｅ層１５０、キャリア基板１０５及びＢＯＸ層１１０から構成される入手可能なシリコンゲルマニウムオンインシュレータ（ＳＧＯＩ）ウェハが使用される。ＳｉＧｅ層のドーピングは、イオン注入及びアニーリングのような公知の技法によって調整され得る。いくつかの実施形態において、ｉｎ－ｓｉｔｕドーピングを用いるエピタキシがＳｉＧｅ層１５０の厚さを所望の厚さまで増加させるために使用され得る。
【0086】
ＮＰＮ横方向ＢＪＴを有する１つの実施形態において、半導体層１５０は、ｐ型ＳｉＧｅオンインシュレータ基板（ＳＧＯＩ）１５０を形成するｐ型ドーピングを有するシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層である。
【0087】
代替的に、ＰＴＳ層１１０及びＳｉＧｅ層１５０と共に入手可能なバルクシリコンウェハ１０５が使用され得る。
【0088】
これらの技法及び材料は、公知である。
【0089】
代替的なＰＮＰ横方向ＢＪＴ実施形態を形成するために、ｎ型ドーピング材料、例えば、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、及びアンチモン（Ｓｂ）が、半導体（例えば、ＳｉＧｅ）層１５０をドーピングするために使用される。
【0090】
図２は、構造１００上に堆積された予備外因性ベース／コレクタ層２５０を有する初期構造２００の断面図である。
【0091】
いくつかの実施形態において、予備外因性ベース／コレクタ層２５０は、半導体層１５０上にエピタキシャル成長する。予備外因性ベース／コレクタ層２５０の厚さは、１０ナノメートル（ｎｍ）及び５０ｎｍの間であるが、より薄い又はより厚い層も使用され得る。
【0092】
「エピタキシャル成長及び／又は堆積する」及び「エピタキシャル成長及び／又は堆積された」という用語は、半導体材料の堆積表面上の半導体材料の成長を意味し、そこで成長する半導体材料は堆積表面の半導体材料と同じ結晶特性を有する。エピタキシャル堆積プロセスにおいて、堆積する原子が表面上で動き回り堆積表面の原子の結晶配列に対して自体を方向付けるのに十分なエネルギーを有して半導体基板の堆積表面に到着するように、ソースガスによって提供される化学反応物質は制御され、システムパラメータはセットされる。したがって、エピタキシャル半導体材料スタックの各半導体層は、それが形成される堆積表面と同じ結晶特性を有する。
【0093】
本願において利用され得る様々なエピタキシャル成長プロセス装置の例は、例えば、急速熱化学気相成長法（ＲＴＣＶＤ）、低エネルギープラズマ堆積法（ＬＥＰＤ）、超高真空化学気相成長法（ＵＨＶＣＶＤ）、常圧化学気相成長法（ＡＰＣＶＤ）及び分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を含む。エピタキシャル堆積の温度は通常、５５０℃～９００℃の範囲である。通常、より高い温度がより速い堆積をもたらすが、より速い堆積は、結晶の欠陥及び膜のクラッキングをもたらし得る。いくつかの実施形態において、エピタキシャル成長のためのガスソースは、シリコン含有ガスソース及び／又はゲルマニウム含有ガスソースの混合物を含み得る。シリコンガスソースの例は、シラン、ジシラン、トリシラン、テトラシラン、ヘキサクロロジシラン、テトラクロロシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン及びその組み合わせを含む。ゲルマニウムガスソースの例は、ゲルマン、ジゲルマン、又はその組み合わせを含む。いくつかの実施形態において、エピタキシャルＳｉＧｅ合金は、シリコン及びゲルマニウムを含有する化合物を含むソースガスから形成され得る。水素、窒素、又はヘリウムのようなキャリアガスが使用され得る。層のエピタキシャル成長のために、適切なドーパントタイプが前駆ガス又はガス混合物に追加される。チャネル材料層のいくつかの実施形態において、前駆ガス又はガス混合物内にドーパントは通常存在しないか、又はそれへと追加されない。
【0094】
いくつかの実施形態において、層は統合エピタキシプロセスによって成長する。統合エピタキシプロセスにおいて、構造は、ドーパントのタイプ及び／又は濃度が様々な時点及び期間において変更されながら連続的にエピタキシャル成長して、様々なドーパント及びドーパント濃度を有する様々な層が作成される。いくつかの温度調整も、エピタキシャル成長中に層のうちの１又は複数のためになされ得る。
【0095】
横方向ＢＪＴがＮＰＮ ＢＪＴである実施形態に関して、外因性ベース層２５０はｐドープされる。横方向ＢＪＴがＰＮＰ ＢＪＴである実施形態に関して、外因性ベース層２５０はｎドープされる。
【0096】
ドーパントは、例えば、エピタキシャル層２５０内にホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、及びタリウム（Ｔｌ）の群から選択されるｐ型ドーパントを、及び代替的な外因性ベース層２５０内にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、及びアンチモン（Ｓｂ）の群から選択されるｎ型ドーパントを、様々な濃度で含み得る。例えば、非限定的な例において、ドーパント濃度範囲は、１×１０１８ｃｍ－３～３×１０２１ｃｍ－３、又は好ましくは２×１０２０ｃｍ－３～１×１０２１ｃｍ－３の間であり得る。
【0097】
図３は、共通外因性ベース／コレクタ３５０を作成するために使用される中間構造３００を示す断面図である。
【0098】
ハードマスク３７５は、共通外因性ベース／コレクタ３５０が形成されることになる外因性ベース層２５０上のパターン内に堆積される。
【0099】
ハードマスク３７５は保護誘電材料、例えば、リソグラフィ保護材料である。いくつかの実施形態において、ハードマスク３７５材料は、限定されないが、下記材料：窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭窒化ホウ素シリコン（ＳｉＢＣＮ）、酸炭窒化シリコン（ＳｉＯＣＮ）、及び酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）のうちのいずれか１つを含む。
【0100】
いくつかの実施形態において、ハードマスク３７５は、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は酸化シリコン（ＳｉＯ２）から作成され、物理気相成長法（ＰＶＤ）のような標準的な技法によって堆積される。
【0101】
水平／横方向ＢＪＴベース層１５０内の材料に対して選択的なエッチング段階は、ハードマスク３７５によって保護されていない（その下にない）外因性ベース層２５０内の全ての材料を除去する。残っている材料（ハードマスク３７５によって保護されている）は、共通外因性ベース／コレクタ３５０になる。
【0102】
スペーサ３２５材料が次に、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）のような公知のプロセスによって共通外因性ベース／コレクタ３５０の周囲にコンフォーマル堆積される。公知の鉛直エッチング、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）は、水平表面からスペーサ材料を除去して、共通外因性ベース／コレクタ３５０の側面にスペーサ３２５を残す。
【0103】
いくつかの実施形態において、鉛直エッチングは、ハードマスク３７５及び水平／横方向ＢＪＴベース層１５０を構成する材料に対して選択的である。
【0104】
いくつかの実施形態において、スペーサ３２５の結果として得られる幅／厚さは、３ｎｍ及び１０ｎｍの間である。代替的な実施形態において、スペーサ３２５の厚さは、約５ｎｍ～７ｎｍである。
【0105】
いくつかの実施形態において、スペーサ３２５は：誘電酸化物（例えば、酸化シリコン）、誘電窒化物（例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＢＣＮ、ＳｉＣＮ、及びＳｉＢＮ）、誘電酸窒化物（例えば、ＳｉＯＣＮ）、ＳｉＣＯ、及びＳｉＣ、又はその任意の組み合わせを含む材料から作成される。
【0106】
選択的エッチングは、ある材料及び／又は層を除去するが、別のもの（エッチングされない材料）は除去しない化学作用及び条件を有するエッチングプロセスであることに留意されたい。代替的に、非エッチング材料は、エッチングプロセスの化学作用によって、ただし除去される材料よりはるかに低いエッチング速度で、エッチングされる。ここで、選択性の尺度は、２つの所与の材料の間でのエッチング速度の間の比率であり得る。例えば、ある材料「に対して選択的な」エッチング化学作用とは、エッチング液がその材料を除去しないか、又はより遅い速度でそれを除去することを意味する。したがって、ハードマスク３７５及びスペーサ３２５を構成する材料に対して選択的なエッチング化学作用を使用することは、ハードマスク３７５及びスペーサ３２５を構成する材料を除去しないで（又は最小限に除去して）外因性ベース層２５０内の材料を除去する。
【0107】
図４は、マスキングされたベースのエッチング段階が水平ベース４５０を作成した後の中間構造４００を示す断面図である。図３に関して上記で説明されたように、ＢＯＸ／絶縁層１１０、ハードマスク３７５、及びスペーサ３２５を構成する材料に対して選択的な方向性エッチングが実行される。
【0108】
半導体層１５０内の残っている材料４５０、すなわち、ハードマスク３７５及びスペーサ３２５によって保護されている（その鉛直投影下にある）材料は、水平ベース４５０になる。
【0109】
図５は、注入される水平ベース４５０／５５０の側面５７６のイオン注入５７５後の中間構造５００を示す断面図である。
【0110】
いくつかの実施形態において、水平／横方向ＢＪＴがＰＮＰである、すなわち水平／横方向真性ベース５５０がＮ型ドープされる場合、イオン注入５７５の実施形態は高温ＢＦ２注入である。いくつかの実施形態において、水平／横方向ＢＪＴがＮＰＮである、すなわち水平／横方向真性ベース５５０がＰ型ドープされる場合、イオン注入５７５の実施形態は高温Ａｓ又はＰ注入である。
【0111】
いくつかの横方向ＮＰＮ ＢＪＴ実施形態において、イオン注入５７５は、水平／横方向ベース５５０（又は横方向真性ベース５５０）のエミッタ側の第１のドーパントの角度注入５６２／５７６及び横方向真性ベース５５０のコレクタ側の第２のドーパントの角度注入５７６／５６４である。第２のドーパント極性及び／又は種は、第１のドーパントと同じであるか、又はそれとは異なり得る。
【0112】
注入は、高温又は低温のいずれかであり得、しかしながら、高温注入が好ましい。通常、注入は角度付きイオン注入である。これらのイオン注入は公知である。このイオン注入段階は任意選択であり、いくつかの実施形態において省略され得る。
【0113】
図６は、水平／横方向ＢＪＴ６５２／５５０／６５４／３５０のための横方向エミッタ６５２及び横方向コレクタ６５４が、エピタキシャル成長段階によって上記で説明されたように形成された後の中間構造６００を示す断面図である。横方向エミッタ６５２は横方向真性ベース５５０のエミッタ側５６２に接しており、横方向コレクタ６５４は横方向真性ベース５５０のコレクタ側５６４に接している。横方向／水平エミッタ６５２及び横方向／水平コレクタ６５４は、物理的に、化学的に、及び電気的に、横方向真性ベース５５０のそれらのそれぞれの側５６２／５６４に接続されて、ダーリントンペアＢＪＴセンサの水平バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）６５２／５５０／６５４／３５０が形成される。
【0114】
図７は、中間構造を層間誘電体（ＩＬＤ）７５０で充填し、頂部表面７７５の化学機械研磨（ＣＭＰ）を適用した後の中間構造７００を示す断面図である。
【0115】
ＩＬＤ７５０は、例えば、限定されないが酸化シリコン、スピンオンガラス、流動性酸化物、高密度プラズマ酸化物、ホウリンケイ酸塩ガラス（ＢＰＳＧ）、又はその任意の組み合わせを含むｌｏｗ－ｋ誘電体材料（ｋ＜４．０を有する）から形成され得る。ＩＬＤ７５０は、限定されないが、化学気相成長法（ＣＶＤ）、物理気相成長法（ＰＶＤ）、プラズマ強化ＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）、蒸着法、化学溶液堆積法、又は同様のプロセスを含む堆積プロセスによって堆積される。
【0116】
ＣＭＰは、構造７００の頂部表面７７５を水平にするための公知のプロセスである。
【0117】
図８は、ハードマスク除去ＣＭＰがハードマスク３７５を除去し共通外因性ベース／コレクタ３５０を露出させた後の中間構造８００を示す断面図である。いくつかの実施形態において、ハードマスク除去ＣＭＰは、共通外因性ベース／コレクタ３５０材料の除去部分がハードマスク除去ＣＭＰ中に検出されるときに、共通外因性ベース／コレクタ３５０の頂部表面８５０で停止する。ハードマスク除去ＣＭＰは、構造８００の平坦表面を作成し、共通外因性ベース／コレクタ３５０の頂部表面８５０を露出させる。
【0118】
図９は、水平（又は横方向）ＢＪＴ６５２／５５０／６５４／３５０上の底部スペーサ９５０の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0119】
底部スペーサ９５０は、公知のプロセスに従って形成されたｌｏｗ－ｋ誘電体から作成され得る。「ｌｏｗ－ｋ誘電体」という用語は一般的に、二酸化シリコン未満、例えば３．９未満の誘電率を有する絶縁材料を指す。例示的なｌｏｗ－ｋ誘電体材料は、限定されないが、誘電性酸化物（例えば、酸化シリコン）、誘電性窒化物（例えば、ＳｉＮ、ＳｉＢＣＮ）、誘電性酸窒化物（例えば、ＳｉＯＣＮ、ＳｉＣＯ）、又はその任意の組み合わせ、又は同様のものを含む。底部スペーサ９５０用の材料の他の非限定的な例は、誘電性酸化物（例えば、酸化シリコン）、誘電性窒化物（例えば、窒化シリコン）、誘電性酸窒化物、又はその任意の組み合わせを含む。
【0120】
底部スペーサ９５０材料は、堆積プロセス、例えば、ＣＶＤ又はＰＶＤによって堆積される。底部スペーサ９５０は約３ｎｍ～約１５ｎｍ、又は約５ｎｍ～約１０ｎｍの厚さを有し得る。堆積プロセスは、スペーサ９５０の厚さが精密に制御されることを可能にする。
【0121】
いくつかの実施形態において、底部スペーサは誘電性窒化物である。
【0122】
図１０は、底部スペーサ９５０上の犠牲プレースホルダ材料１０５０の形成後の中間構造１０００を示す断面図である。
【0123】
犠牲プレースホルダ材料１０５０は、例えば、アモルファスシリコン（α－Ｓｉ）、又は多結晶シリコン（ポリシリコン）から作成される。犠牲材料１０５０は、限定されないが、ＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマ強化化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相成長法（ＩＣＰ ＣＶＤ）又はその任意の組み合わせを含む堆積プロセスによって堆積され得る。犠牲材料は約１０ｎｍ～約１００ｎｍ、又は約２０ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを有する。公知の堆積技法は、犠牲プレースホルダ材料１０５０の厚さが精密に制御されることを可能にする。
【0124】
いくつかの実施形態において、犠牲プレースホルダ材料１０５０はアモルファスシリコンである。
【0125】
図１１は、犠牲プレースホルダ材料１０５０上の頂部スペーサ１１５０の形成及びその後の頂部スペーサ１１５０上の酸化物層１１７５の形成／堆積後の中間構造１１００を示す断面図である。
【0126】
頂部スペーサ１１５０は、底部スペーサ９５０を作成するために使用されたのと同じ又は同様の材料から、及び同じ又は同様の堆積技法を使用して、作成される。
【0127】
酸化物層１１７５は公知の技法、例えば、ＣＶＤ又はＰＶＤによって堆積され、炭窒化ホウ素シリコン（ＳｉＢＣＮ）、酸炭窒化シリコン（ＳｉＯＣＮ）、及び酸化シリコンのような材料から作成される。
【0128】
いくつかの実施形態において、酸化物層１１７５は、二酸化シリコンから作成され、頂部スペーサ１１５０は窒化シリコン、ＳｉＮから作成される。
【0129】
図１２は、酸化物層１１７５、頂部スペーサ１１５０、及び犠牲プレースホルダ材料１０５０を通した底部スペーサ９５０に対して選択的な（そこで停止する）エッチングによるトレンチ１２５０の形成後の中間構造１２００を示す断面図である。
【0130】
いくつかの実施形態において、トレンチエッチングは、段階的に実行され得る。例えば、第１のＲＩＥは、酸化物層１１７５、頂部スペーサ１１５０を通して、及び犠牲プレースホルダ材料１０５０を部分的に通してエッチングし得る。底部スペーサ９５０内の材料に対して選択的な第２のＲＩＥが次に使用されて、犠牲プレースホルダ材料１０５０の残りが除去され得る。
【0131】
図１３は、トレンチ１２５０の壁部１３５５上の薄い鉛直酸化物層１３５０の形成後の中間構造１３００を示す断面図である。薄い鉛直酸化物層１３５０は、犠牲プレースホルダ材料１０５０の酸化によって作成される。
【0132】
プラズマへの曝露又は酸化の任意の他の方法は、トレンチ１２５０内の犠牲材料１０５０の側壁部１３５５上に非常に薄い酸化物形成１３５０を作成する。底部スペーサ９５０は、共通外因性ベース／コレクタ３５０を、プラズマ／酸化によって酸化されることから保護する。
【0133】
図１４は、（共通外因性ベース／コレクタ３５０材料に対して選択的な）選択的エッチングがトレンチ１２５０のベース１４５０において底部スペーサ９５０を取り除いて、共通外因性ベース／コレクタ３５０を露出させ、共通外因性ベース／コレクタ３５０がダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直／センシングＢＪＴのコレクタにもなることを可能にした後の中間構造１４００を示す断面図である。
【0134】
いくつかの実施形態において、トレンチの幅は、１０ｎｍ及び５０ｎｍの間であるが、より幅広の又はより狭いトレンチも使用され得る。
【0135】
図１５は、鉛直ＢＪＴの鉛直ベースになるトレンチ１２５０内の鉛直ベース領域１５５０の形成後の中間構造を示す断面図である。
【0136】
鉛直ベース領域１５５０内のベース材料のエピタキシャル成長は、共通外因性ベース／コレクタ３５０材料に対して格子整合している。鉛直ベース領域１５５０は、上記で説明された公知の方法によってトレンチ１２５０内にエピタキシャル成長する半導体材料である。
【0137】
いくつかの実施形態において、歪み鉛直ベースは、鉛直ベース領域１５５０内の材料を共通外因性ベース／コレクタ３５０材料の格子に近接してただし厳密にではなく格子整合することによって形成される。
【0138】
いくつかの実施形態において、鉛直ベース領域１５５０内のベース材料は、１０１８ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３の濃度でシリコンゲルマニウムドープされ、１０１９ｃｍ－３～５×１０１９ｃｍ－３の範囲の濃度がより典型的である。鉛直／センシングＢＪＴがＰＮＰ極性を有する場合、鉛直ベース領域１５５０内の材料はＮドープされる。鉛直／センシングＢＪＴがＮＰＮ極性を有する場合、鉛直ベース領域１５５０内の材料はＰドープされる。
【0139】
図１６は、酸化物層１１７５の表面１６７６まで戻り、それと水平になる鉛直ベース領域１５５０の頂部の研磨（例えば、ＣＭＰ）をした後の中間構造１６００を示す断面図である。平坦化／ＣＭＰは、酸化物層１１７５の表面１６７６の上方の余分なエピタキシャル成長を除去し、ダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直ＢＪＴ部分の鉛直ベース１６５０を形成する。
【0140】
図１７は、更なる酸化物の堆積が以前の酸化物層１１７５の表面１６７６を覆い、厚さを増してより厚い酸化物層１７７５をもたらした後の中間構造１７００を示す断面図である。より厚い酸化物層１７７５は、鉛直ベース１６５０及び構造１６００の表面１６７６を覆う。より厚い酸化物層１７７５は、例えば、ＣＭＰによって平坦化される。
【0141】
いくつかの実施形態において、堆積される酸化物は、酸化物層１１７５のものと同じ方法によって堆積される同じ材料である。
【0142】
図１８は、ベース領域マスクの鉛直投影部が水平横方向真性ベース５５０の両側に重なる、酸化物１７７５上のベース領域マスク１８５０の堆積後の中間構造１８００を示す断面図である。ベース領域マスク１８５０は、マスクに関して上記で説明された材料から作成され、その方法を使用して堆積される。
【0143】
いくつかの実施形態において、ベース領域マスク１８５０は、窒化シリコン（ＳｉＮ）から作成される。
【0144】
図１９は、鉛直エッチング段階（例えば、ＲＩＥ）が酸化物層１７７５の露出した（ベース領域マスク１８５０によって覆われていない）部分、頂部スペーサ１１５０の露出した部分、及び犠牲材料１０５０の露出した部分を除去した後の中間構造１９００を示す断面図である。いくつかの実施形態において、鉛直エッチングは、底部スペーサ９５０を覆うだけの犠牲材料１０５０のいくらかを残している時点（実験的に決定される）において停止する。
【0145】
鉛直エッチングは、鉛直ベース１６５０及び鉛直ベース１６５０を包囲する材料９５０／１１５０／１９７５の周囲の空隙１９５０を残す。エッチングされた酸化物層１９７５は、この鉛直エッチング段階の後に酸化物層１７７５から残ったものである。
【0146】
図２０は、残っている犠牲材料１０５０を除去し、鉛直ベース１６５０の側面の鉛直酸化物層１３５０を露出させた後の中間構造２０００を示す断面図である。
【0147】
いくつかの実施形態において、犠牲プレースホルダ材料１０５０はアモルファスシリコンである。いくつかの実施形態において、この材料は、ドライエッチング又は室温より高い温度での水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）への曝露を用いて除去される。場合によっては、除去はフッ化水素酸（ＨＦ）の溶液又はドライ化学的酸化物エッチングを使用して実現される。
【0148】
図２１は、鉛直ベース１６５０の周囲の側面の薄い鉛直酸化物層１３５０の除去２１５０後の中間構造２１００を示す断面図である。側面の薄い鉛直酸化物層１３５０の除去は、底部スペーサ９５０の上方の空隙２１５５の体積を増加させる。
【0149】
いくつかの実施形態において、鉛直酸化物層１３５０は、短いＨＦエッチングへの曝露を用いて、又は他の公知の技法を使用して実現される。
【0150】
図２２は、鉛直ベース１６５０を囲むドーピングされた外因性鉛直ベース材料２２５０の成長後の中間構造２２００を示す断面図である。
【0151】
外因性鉛直ベース材料２２５０は、空隙２１５５を充填しつつ鉛直ベース１６５０からエピタキシャル成長し、それを囲み得る半導体材料である。いくつかの実施形態において、外因性鉛直ベース材料２２５０は、頂部スペーサ１１５０の側面、及びエッチングされた酸化物層１９７５の側面の一部又は全部を覆み得る。
【0152】
いくつかの実施形態において、外因性鉛直ベース材料２２５０は欠陥エピタキシであり得る。「欠陥エピタキシ」によって、外因性鉛直ベース材料２２５０がスタック不良及び点欠陥などの構造上の欠陥を含み得ることを意味する。鉛直ベース１６５０は、外因性鉛直ベース材料２２５０のエピタキシャル成長のためのシード層としてのみ使用されるので、これらの欠陥のうちのいずれも、鉛直ベース１６５０へと伝搬しないことに留意されたい。
【0153】
外因性鉛直ベース材料２２５０内の欠陥は、完成したダーリントンペアセンサの動作にも性能にも悪影響を与えることは見られないことに留意されたい。
【0154】
更に、図２２中で示される外因性鉛直ベース材料２２５０の形状は単に例示的なものであることに留意されたい。
【0155】
いくつかの代替的な実施形態において、外因性鉛直ベース材料２２５０は、大粒径多結晶シリコン（ポリシリコン）であり得る。外因性鉛直ベース材料２２５０をエピタキシャル成長させるのではなく、ポリシリコンは、限定されないが、ＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマ強化化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相成長法（ＩＣＰ ＣＶＤ）、又はその任意の組み合わせを含む堆積プロセスによって堆積され得る。
【0156】
外因性ベース材料２２５０は、鉛直ベース１６５０と同じドーピング極性、及び鉛直ベース１６５０より高いドーピング濃度を有する。外因性ベース材料２２５０のドーピング濃度は、例えば、１０２０ｃｍ－３～３×１０２１ｃｍ－３の範囲であり得る。いくつかの実施形態において、外因性ベース材料２２５０は、鉛直ベース１６５０より幅広のバンドギャップを有する。公知のように、これはベース漏洩を低減するのに有利であり得る。例えば、鉛直ベース１６５０がＧｅ又はＳｉＧｅから構成されている場合、外因性ベース２２５０は鉛直ベース１６５０のそれより高い濃度を有するＳｉＧｅから構成され得る。
【0157】
図２３は、ベース領域マスク１８５０の除去及びベース分離ハードマスク２３５０の堆積後の中間構造２３００を示す断面図である。下記の図３８Ａ、図３８Ｂ、図３９Ａ、図３９Ｂ、図４０Ａ、図４０Ｂ、図４１Ａ、図４１Ｂ、図４２Ａ及び図４２Ｂの系列（「分離図の系列」）中でより詳細に説明されるように、ベース分離ハードマスク２３５０は、外因性鉛直ベース２２５０材料の左２２５０Ｌ及び右２２５０Ｒ側を物理的に分離するために使用される。
【0158】
図２４は、例えば、鉛直ＲＩＥ中に、ベース分離ハードマスク２３５０によって（その下で）保護されていない外因性鉛直ベース材料２２５０がエッチングで除去された後の中間構造を示す断面図である。残っている外因性鉛直ベース材料２２５０は、電気的に及び物理的に互いから分離された左２４５０Ｌ及び右２４５０Ｒ側を有する外因性鉛直ベース２４５０を形成する。外因性鉛直ベース２４５０を左２４５０Ｌ及び右２４５０Ｒ側へと物理的に分離するプロセスは、下記の分離図の系列中で更に説明される。
【0159】
例えば、下記で説明されるように、一部の外因性鉛直ベース材料２２５０は、エッチングで除去されて、鉛直ベース１６５０の端部を図２４に向かう及びそれから出る方向が露出し、その結果、鉛直エッチング後に残っている鉛直ベース２４５０の左２４５０Ｌ及び右２４５０Ｒ側は物理的に分離される。
【0160】
いくつかの実施形態において、鉛直ベース２４５０の左２４５０Ｌ及び右２４５０Ｒ側は、鉛直ベース１６５０によって物理的に分離されている。左外因性鉛直ベース２４５０Ｌは鉛直ベース１６５０の左側に接触しており、右外因性鉛直ベース２４５０Ｒは鉛直ベース１６５０の右側に接触している。
【0161】
鉛直エッチング／ＲＩＥは、底部スペーサ９５０の上方にあり、残っているエッチングされた酸化物層１９７５、頂部スペーサ１１５０、及び外因性鉛直ベース２４５０を囲む、空間的ボイド２４６０を残す。
【0162】
図２５は、上記で説明された材料及び堆積方法を使用して空間的ボイド２４６０を層間誘電体（ＩＬＤ）２５５０で充填した後の中間構造２５００を示す断面図である。
【0163】
図２６は、ベース分離ハードマスク２３５０の除去、及びエッチングされた酸化物層１９７５及びＩＬＤ２５５０の頂部を水平にする平坦化／ＣＭＰ後の中間構造を示す断面図である。
【0164】
図２７は、パターン堆積、又は堆積及びその後の鉛直ベース１６５０の上方にマスク開口部２７７５を位置決めするパターニングを用いてのエミッタマスク２７５０の堆積後の中間構造２７００を示す断面図である。エミッタマスク２７５０は、上記で説明された周知のマスク材料を使用し、上記で説明された周知の堆積方法によって堆積される。
【0165】
図２８は、エッチングされた酸化物層１９７５の保護されていない部分を凹設し、鉛直ベース１６５０の頂部表面２８５０を露出した後の中間構造２８００を示す断面図である。エッチングされた酸化物層１９７５凹設は、例えば、頂部スペーサ１１５０内の材料に対して選択的である方向性ＲＩＥによって実行され得る。凹設は、鉛直ベース１６５０の頂部表面２８５０の上方に空間的ボイド２８７５を残す。
【0166】
図２９は、ダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直／センシング／デュアルベースＢＪＴ３５０／１６５０／２９５０／２４５０の形成をもたらす、鉛直ベース１６５０の露出された頂部表面２８５０上の鉛直エミッタ２９５０のエピタキシャル成長によって空間的ボイド２８７５を充填した後の中間構造２９００を示す断面図である。
【0167】
鉛直エミッタ材料２９５０（又は鉛直エミッタ材料２９５０の頂部部分）は、欠陥エピタキシから作成され得る。鉛直ベース１６５０は、鉛直エミッタ材料２９５０のエピタキシャル成長のためのシード層としてのみ使用されるので、これらの欠陥のうちのいずれも、鉛直ベース１６５０へと伝搬しないことに留意されたい。
【0168】
外因性鉛直エミッタ材料２９５０内のこれらの欠陥は、完成したダーリントンペアセンサの動作にも性能にも悪影響を与えることは見られないことに留意されたい。
【0169】
鉛直／センシングＢＪＴ３５０／１６５０／２９５０／２４５０がＰＮＰ型である場合、鉛直エミッタ材料２９５０はＰドープされる。鉛直／センシングＢＪＴ３５０／１６５０／２９５０／２４５０がＮＰＮ型である場合、鉛直エミッタ材料２９５０はＮドープされる。ドーピングは、公知である上記で説明された技法によってなされる。
【0170】
代替的な実施形態において、鉛直エミッタ材料２９５０は、大粒径多結晶シリコン（ポリシリコン）である。鉛直エミッタ材料２９５０をエピタキシャル成長させるのではなく、ポリシリコンは、限定されないが、ＰＶＤ、ＣＶＤ、プラズマ強化化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）、誘導結合プラズマ化学気相成長法（ＩＣＰ ＣＶＤ）、又はその任意の組み合わせを含む堆積プロセスによって空間的ボイド２８７５内に堆積され得る。
【0171】
鉛直エミッタ材料２９５０は、例えば、１０２０ｃｍ－３～３×１０２１ｃｍ－３の範囲のドーピング濃度を有し得る。いくつかの実施形態において、鉛直エミッタ材料２９５０の底部部分は、比較的低い、例えば、１０１９ｃｍ－３～１０２０ｃｍ－３の範囲のドーピング濃度を有し得る。公知のように、底部部分のより低いドーピングは、バンドギャップ狭小化及びオージェ再結合を低減することにおいて有利であり得る。いくつかの実施形態において、鉛直エミッタ材料２９５０は、鉛直ベース１６５０より広いバンドギャップを有する。公知のように、これは、エミッタ伝達比を高め、したがってＢＪＴ利得を高めることにおいて有利であり得る。例えば、鉛直ベース１６５０がＧｅ又はＳｉＧｅから構成されている場合、鉛直エミッタ２９５０は、鉛直ベース１６５０のそれより高い濃度を有するＳｉＧｅから構成され得る。
【0172】
図３０は、ＣＭＰによってエミッタマスク２７５０を除去した後の中間構造３０００を示す断面図である。代替的に、エミッタマスク２７５０は、公知の選択的エッチング、及びその後の任意選択のＣＭＰによって選択的に除去され得る。
【0173】
図３１は、ＩＬＤ堆積３１５０が、下側スペーサ９５０の上方の（鉛直エミッタ２９５０を含む）ダーリントンペアＢＪＴセンサの鉛直／センシングＢＪＴを覆った後の中間構造を示す断面図である。任意選択のＣＭＰがＩＬＤ堆積に続き得る。ＩＬＤ３１５０材料及び堆積方法は、上記で説明されたとおりである。
【0174】
図３２は、マスキングされたエッチングがセンシングトレンチ３２５０を形成した後の中間構造３２００を示す断面図である。例えば、マスキングされたエッチング化学作用は、曝されたＩＬＤ３２５０材料を除去し、底部スペーサ９５０材料に対して選択的である。センシングトレンチ３２５０の幅は、１０ｎｍ～１μｍの範囲であり得るが、より狭い及びより幅広のセンシングトレンチも使用され得る。
【0175】
図３３は、センシングトレンチ３２５０に接触しているセンスコンタクトボイド３３５０を作成するドーピングされた外因性鉛直ベース材料２４５０の分離されたセンシング側のうちの１つ（ここでは右側２４５０Ｒ）の横方向エッチング後の中間構造３３００を示す断面図である。
【0176】
横方向エッチングが実行されて、センシングトレンチ３２５０に接触している外因性鉛直ベース２４５０側（左２４５０Ｌ又は右２４５０Ｒ）の外因性鉛直ベース２４５０から材料が除去される。横方向エッチングは、センシングトレンチ３２５０に接触している外因性鉛直ベース２４５０の側２４５０Ｌ／２４５０Ｒにおいてセンスコンタクトボイド３３５０を作成し、その結果、センシングトレンチ３２５０に入る流体（例えば、液体及び／又はガス）は、センシングトレンチ３２５０に接触している外因性鉛直ベース２４５０の側２４５０Ｌ／２４５０Ｒに接触することになる。
【0177】
いくつかの実施形態において、センスコンタクトボイド３３５０が、外因性鉛直ベース２４５０材料へと１０～５０ｎｍの深さまでエッチング除去される。他の深さが構想される。
【0178】
したがって、センシングトレンチ３２５０は、センシングトレンチ３２５０内の任意の流体が外因性鉛直ベース２４５０のそれぞれの分離された側２４５０Ｌ／２４５０Ｒ（当該側は図３３中で示される２４５０Ｒである）に接触することになるという点で、センスコンタクトボイド３３５０と流体連通している。
【0179】
外因性ベース２４５０の曝された側から材料を除去する横方向エッチングは、ウェットエッチング又はガスエッチングであり得る。しかしながら、ウェットエッチングがより好ましい。
【0180】
図３４は、センシングトレンチ３２５０及びセンスコンタクトボイド３３５０が金属、すなわちセンシングトレンチ３２５０金属充填物３４５０で充填された後の中間構造３４００を示す断面図である。
【0181】
センシングトレンチ３２５０及びセンスコンタクトボイド３３５０は、金属又は他の導電性材料３４５０のＡＬＤ堆積で充填され得る。代替的に、センシングトレンチ３２５０及びセンスコンタクトボイド３３５０は、例えば、ＡＬＤ堆積を用いて金属又は他の導電性材料の層でライニングされる。次にセンシングトレンチ３２５０及びセンスコンタクトボイド３３５０の残りは、ＣＶＤ又はＰＶＤ又はめっきのようなプロセスによって金属又は他の導電性材料の堆積を用いて充填される。いくつかの実施形態において、センシングトレンチ３２５０及びセンスコンタクトボイド３３５０は、金属又は導電性材料の代わりに半導体又はｈｉｇｈ－ｋ誘電体のような絶縁材料を用いて充填又はライニングされる。
【0182】
いくつかの実施形態において、充填物導電性材料／金属３４５０は、窒化チタン（ＴｉＮ）である。しかしながら、他の充填物材料が構想される。例えば、充填物導電性材料／金属３４５０は、下記でより詳細に説明されるように、センシングトレンチ３２５０においてセンシングされる特定の流体又はセンシングされる物質への化学的及び／又は電気的反応を理由に選択され得る。
【0183】
図３５は、トレンチ金属充填物３４５０のいくらかが部分的にエッチングされて、エッチバックされたトレンチ金属充填物３５５０が形成された後の中間構造３５００を示す断面図である。
【0184】
いくつかの実施形態において、トレンチ金属エッチバックは、タイミングが調整されたウェットエッチングによって、充填物導電性材料／金属３４５０を除去する化学作用を用いて実行される。ウェットエッチングのタイミングは、実験的に決定され得る。代替的な実施形態において、鉛直ＲＩＥが、一度の操作でセンシングトレンチ内の全ての金属を除去するために使用される。エッチバックされたトレンチ金属充填物３５５０は、センシングされる材料に対して特有の金属／物質が選択され得る。
【0185】
図３６は、金属スライバーセンシング表面３６５０を残しつつ、残っているトレンチ金属充填物３５５０を除去した後の中間構造３６００を示す断面図である。いくつかの実施形態において、金属スライバーセンシング表面３６５０は、センスコンタクトボイド３３５０内に残り、センシングトレンチ３６２５／３２５０に隣接する鉛直外因性ベース２４５０の２４５０Ｌ／２４５０Ｒ（２４５０Ｒが非限定的な例として図３６中で示される）の側に電気的に及び物理的に接触したままである。
【0186】
残っているトレンチ金属充填物３５５０が方向性ＲＩＥを用いて除去される。したがって、センシングトレンチ３６２５／３２５０は再度開口されて、例えば、センシングされる物質３６７０を含有する流体（液体又はガス）を受け取るための開口空間を作成する。
【0187】
金属スライバーセンシング表面３６５０は、例えば５０ｎｍ及び１μｍの間のセンシング表面高さ３６５２、及びセンシング表面領域３６５４を有し得る。いくつかの実施形態において、センシング表面領域３６５４は、センシング表面高さ３６５２×センシングトレンチ３２５０／３６２５の深さ（図３６に向かう又はそれから出る方向）におよそ等しい。センシング表面領域３６５４が増すと、センシングトレンチ３２５０／３６２５内に配置されるセンシングされる物質３６７０へのダーリントンペアセンサの感度が増大する。いくつかの実施形態において、センシング表面領域３６５４は、平坦表面でなくてよく、方向性ＲＩＥに起因して凸面であり得ることに留意されたい。
【0188】
センシングされる物質３６７０（「ｘｘｘ」として示される）は、例えば、センシングトレンチ３２５０／３６２５内の流体（液体及び／又はガス）内の懸濁液内及び／又は溶液内の、センシングトレンチ３２５０／３６２５内に配置する材料の分子及び／又はイオンを含み得る。
【0189】
それに応じて、いくつかの実施形態において、トレンチ金属充填物３４５０材料は、金属スライバーセンシング表面３６５０を構成する金属／導電性材料のタイプを決定する。いくつかの実施形態において、トレンチ充填物３４５０は、ｈｉｇｈ－ｋ誘電体のような非金属／非導電性材料から構成され、したがってｈｉｇｈ－ｋ誘電体スライバーセンシング表面３６５０を構成する。いくつかの実施形態において、センシング表面３６５０は、センシングされる種に適した材料で官能基化され得る。例えば、センシング表面３６５０がｈｉｇｈ－ｋ誘電体から構成される場合、自己組織化有機単分子層が、公知の手法を使用する官能基化のために使用され得る。
【0190】
非限定的な例として、所与のセンシングされる物質３６７０へのスライバーセンシング３６５０表面３６５４の反応に起因して、いくつかの実施形態において、ＴｉＮトレンチ金属充填物３４５０材料がセンス物質水素イオン（例えば、ｐＨ）３６７０をセンシングするために選択され、ＡｇＣｌ３４５０が塩化物３６７０をセンシングするために選択され、Ａｕ３４５０がＤＮＡ３６７０をセンシングするために選択され、チオール材料の化学作用が、たんぱく質３６７０をセンシングするために選択（３４５０）される。
【0191】
したがって、センシングトレンチ３２５０／３６２５は、センシングトレンチ３２５０／３６２５内の金属スライバーセンシング表面３６５０と接触しそれと相互作用するように向けられた、１又は複数のセンシングされる物質３６７０を含有する又はそれである流体を受け取ることが可能な空間的ボイドである。
【0192】
構造３６００の対称性に起因して、金属スライバーセンシング表面３６５０が外因性鉛直ベース２４５０の左２４５０Ｌ側又は右２４５０Ｒ側のいずれかに接触するように、センシングトレンチ３６２５及び金属スライバーセンシング表面３６５０は一緒に形成され得ることに留意されたい。金属スライバーセンシング表面３６５０に接触している外因性鉛直ベース２４５０の側（それぞれ、２４５０Ｌ又は２４５０Ｒのいずれか）は、センシング／鉛直ＢＪＴのセンシングベースになる。それに応じて、金属スライバーセンシング表面３６５０に接触していない外因性鉛直ベース（それぞれ、２４５０Ｒ又は２４５０Ｌのいずれか）は、センシング／鉛直ＢＪＴの非センシングベース、制御外因性鉛直ベース、又は制御ベースになる。センシングベース及び制御ベースは、センシング／鉛直ＢＪＴの２つのベースである。
【0193】
金属スライバーセンシング表面は、センシングトレンチ３６２５及びそれぞれのセンシングベースの間にあり、それぞれのセンシングベースに電気的に接続されている。非限定的な例として図３６中に示されるように、センシングベースは右側外因性鉛直ベース２４５０Ｒであり、制御（非センシング）外因性鉛直ベース（制御ベース）は左側外因性鉛直ベース２４５０Ｌである。
【0194】
説明された実施形態において、外因性鉛直ベース２４５０の側２４５０Ｌ／２４５０Ｒの物理的な分離は、２つの別個の（デュアル）ベース端子を作成し、ここで、制御ベース２４５０Ｌ／２４５０Ｒが入力（外部）信号又はバイアスに接続され得る一方で、センシングベース端子はセンシングされる物質３６７０を介するスライバーセンシング３６５０表面３６５４の電気的／化学反応を受けることに留意されたい。制御及びセンサベース端子は、あらゆるデュアルベースＢＪＴの場合と同様に、互いに電気的に（例えば、静電的に）結合されており、ＢＪＴの出力特性（例えば、電流－電圧特性）を共同で決定する。
【0195】
鉛直／センサＢＪＴ３５０／１６５０／２９５０／２４５０／２４５０Ｌ／２４５０Ｒは、非限定的な例としてセンシングベース２４５０Ｒ及び制御ベース２４５０Ｌを含む、ダーリントンペアＢＪＴセンサのデュアルベース２４５０Ｌ／２４５０Ｒ／１６５０鉛直／センサＢＪＴである。
【0196】
図３７は、外部コンタクト３１５０／３７５４／３７５６／３７５８の形成後のダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００の完成した実施形態３７００を示す断面図である。スライバーセンシング表面３６５０の官能基化は、所望される場合、通常はこの段階で実行される。
【0197】
外部コンタクト３１５０は、水平／横方向ＢＪＴ６５２／５５０／６５４／３５０の水平エミッタ６５２に接続している。外部コンタクト３７５４は、外因性ベース外因性鉛直／制御ベース２４５０（非限定的な例として、左側２４５０Ｌ）に接続している。外部コンタクト３７５６は、鉛直／センシングＢＪＴ２９５０／１６５０／３５０／２４５０／２４５０Ｌ／２４５０Ｒ／３５０の鉛直エミッタ２９５０に接続している。外部コンタクト３７５８は、水平／横方向ＢＪＴ６５２／５５０／６５４／３５０の水平コレクタ６５４に接続している。
【0198】
いくつかの実施形態において、複数の外部コンタクト３１５０及び３７５６が存在し、そのうちのいくつかは図面平面に向かう又はそれから出るように電気的に接続され、図３７中には図示されていない。
【0199】
外部コンタクト３１５０／３７５４／３７５６／３７５８は、公知のメタライゼーション技法によって形成される。例えば、外部コンタクトトレンチは、例えば、レーザ切断又はパターニングされたエッチングによって形成される。外部コンタクト導体材料は、次にコンタクトトレンチへと堆積される。例示的なコンタクト導体材料は、タングステン、コバルト、ルテニウム、ロジウム、ジルコニウム、銅、アルミニウム、及び白金のような元素金属を含む。いくつかの実施形態において、コンタクト導体材料は、コバルト又はタングステンである。外部コンタクトトレンチの任意の余盛過剰は、ＣＭＰによって除去され得る。
【0200】
追加のコンタクトが構造３７００の外部に作成されて、ＢＪＴペア内のそれぞれのＢＪＴの極性及び回路設計基準に応じて、鉛直／センシングＢＪＴ及び水平／横方向ＢＪＴの代替的な構成が作成され得る。非限定的な例として、鉛直／センシングＢＪＴのための外部エミッタコンタクト３７５４は、水平／横方向ＢＪＴの外部コレクタコンタクト３７５８に外部で接続されるように構成される。
【0201】
上記で説明されたように、横方向／増幅ＢＪＴ及び鉛直／センシングＢＪＴは、異なる極性であり得る。例えば、ＢＪＴは下記の構成のうちの１つで構成され得、増幅ＢＪＴはＰＮＰでありセンシングＢＪＴはＮＰＮである、及び増幅ＢＪＴはＮＰＮでありセンシングＢＪＴはＰＮＰである。
【0202】
代替的な構成において、ダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００のうちの２つ以上は、第１のダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００及び１又は複数の第２のダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００のセンシングトレンチ３６２５が流体連通して接続しているように構成され得る。流体連通によって、共通の流体ストリームが、流体流に対する抵抗が全く又はほとんどない状態で、接続されているセンシングトレンチ３６２５の全ての各々を通って流れることが意味されている。これは、ダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００の各々がセンシングトレンチ３６２５を通って流れる共通の流体内の１又は複数のセンシングされる物質３６７０をセンシングし得るように、接続されたダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００の各々が、接続されたセンシングトレンチ３６２５の各々を通って共通の流体を運ぶことを可能にする。この構成において、複数のタイプのセンシングされる物質３６７０が、複数のダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００を有する単一の統合センサにおいてセンシングされ得る。
【0203】
図３８Ａは、分離図の系列において、鉛直ベース１６５０を囲むドーピングされた外因性鉛直ベース材料２２５０の成長後の中間構造３８００を示す断面図である。上記の図２２の説明も参照されたい。ベース領域マスク１８５０は、エッチングされた酸化物層１９７５上にあり、ベース領域マスク１８５０の鉛直投影部（図示せず）は、水平共通外因性ベース／コレクタ３５０の両側及び両端部（おもて及び背、図示せず）に重なる。
【0204】
図３８Ｂは、ベース領域マスク１８５０の頂部表面及び保護されていない（ベース領域マスク１８５０の下にない）外因性鉛直ベース材料２２５０の表面の部分を示す図３８Ａ中で示される中間構造３８５０の上面図である。
【0205】
図３８Ａ及び図３８Ｂ中に示される外因性鉛直ベース材料２２５０の形状は、説明の目的で示されていること、及び外因性鉛直ベース材料２２５０の実際の形状は異なり得ることを再度留意されたい。水平エミッタ６５２、共通外因性ベース／コレクタ３５０、横方向真性ベース５５０、スペーサ８２５、及び横方向コレクタ６５４は簡潔さのために省略されていることにも留意されたい。
【0206】
【0207】
【0208】
図４０Ａは、分離図の系列において、ベース分離ハードマスク２３５０を堆積した後の中間構造４０００を示す断面図である。
【0209】
図４０Ｂは、図４０Ａ中に示される中間構造の上面図４０５０である。堆積されたベース分離ハードマスク２３５０の頂部表面が示される。外因性鉛直ベース材料２２５０の頂部の保護されていない（ベース分離ハードマスク２３５０の下にない）表面も示されている。ベース分離ハードマスク２３５０のおもて縁部４２２２及び背縁部４２２４が示されており、その結果、構造４０５０を通って下がるそれらの鉛直投影部は、図４１Ｂ中で下記で説明されるように、鉛直ベース１６５０のおもて１６５０Ｆ及び背端部１６５０Ｂをそれぞれ、明らかにする。それに応じて、ベース分離ハードマスク２３５０は、除去されたベース領域マスク１８５０「より短い」。
【0210】
図４１Ａは、鉛直ベース１６５０の端部１６５０Ｆ／１６５０Ｂ及び鉛直ベース１６５０を囲む他の体積を囲む保護されていないドーピングされた外因性鉛直ベース材料を底部スペーサ９５０まで下へ除去した後の中間構造４１００を示す断面図である。このエッチング／除去は、外因性鉛直ベース２４５０材料を、右外因性鉛直ベース２４５０Ｒ及び左外因性鉛直ベース２４５０Ｌへと分離する。上記の図２４の説明も参照されたい。
【0211】
図４１Ｂは、図４１Ａ中に示される中間構造４１００の上面図４１５０である。「短くなった」ベース分離ハードマスク２３５０は、外因性鉛直ベース２４５０材料の除去が、鉛直ベース１６５０のおもて端部１６５０Ｆ及び背端部１６５０Ｂを露出することを可能にする。鉛直ベース１６５０のおもて端部１６５０Ｆ及び背端部１６５０Ｂが外因性鉛直ベース２４５０を越えて突出することを可能にすることによって、外因性鉛直ベース２４５０は、鉛直ベース１６５０によって左２４５０Ｌ及び右２４５０Ｒ側へと物理的に分離される。これは、ダーリントンペアＢＪＴセンサ（鉛直／センシングＢＪＴ）の実施形態が、デュアルベースを有することを可能にする。いくつかの実施形態において、ベースのうちの１つは、例えば２４５０Ｒのような、金属スライバーセンシング表面３６５０に接続されるベースなどのセンシングベースとして使用される。例えば、金属スライバーセンシング表面３６５０に接続されないベース（例えば２４５０Ｌ）などの、他方の又は非センシングベース又は制御ベースは、別個の制御ベースとして使用され得る。
【0212】
図４２Ａは、層間誘電体（ＩＬＤ）２５５０充填後の中間構造４２００を示す断面図である。
【0213】
【0214】
図２５中のＩＬＤ充填の説明も参照されたい。
【0215】
図４３は、ダーリントンペアＢＪＴセンサ３７００を作成するプロセス４３００のフローチャートである。
【0216】
【0217】
段階４３２０は、図１０～図３１及び図３８Ａ、図３８Ｂ、図３９Ａ、図３９Ｂ、図４０Ａ、図４０Ｂ、図４１Ａ、図４１Ｂ、図４２Ａ、及び図４２Ｂの説明において説明されたように、デュアル外因性ベース２４５０／２４５０Ｌ／２４５０Ｒ、及び横方向ＢＪＴに対する外因性ベース３５０及び鉛直／センシングＢＪＴの鉛直コレクタ３５０である共通外因性ベース／コレクタ３５０を有する鉛直／センシングＢＪＴ２９５０／１６５０／３５０／２４５０を作成する。
【0218】
【0219】
段階４３４０は、図３７の説明において説明されたように、外部接続３１５０／３７５４／３７５６／３７５８及び外部構成接続を作成する。
【0220】
図４４は、鉛直／センシングＢＪＴ４４２５が２つのベース（制御ベース、外部接続３７５４、及びセンシングベース、接続３６５０）を有するＰＮＰ ＢＪＴであり、水平／横方向／増幅ＢＪＴ４４７５はＮＰＮ ＢＪＴである、デュアルベース、相補的（シクライ）ダーリントンペアＢＪＴセンサ４４００の非限定的な例の回路図である。
【0221】
上記で述べられたように、様々なＢＪＴ極性及び構成が構想される。
【0222】
鉛直／センシングＢＪＴ４４２５は、鉛直エミッタ２９５０外部接続３７５６を有する。鉛直コレクタ３５０は、図４４中で共通内部接続として示される水平／増幅ＢＪＴ４４７５／６５２／５５０／６５４／３５０の水平ベース５５０に接触している外因性ベース３５０と全く同じ要素である。鉛直／センシングＢＪＴ４４２５は、別個の真性ベース２４５０／２４５０Ｌ／２４５０Ｒを有し、ここで、制御ベース、１つの例として２４５０Ｌが外部接続３７５４に接続されている。金属スライバーセンシング表面３６５０は、外因性鉛直ベース２４５０の右側２４５０Ｒ（１つの例として）に接続されており、センシングベース３６５０である。いくつかの実施形態において、鉛直／センシングＢＪＴ４４２５のエミッタが水平／増幅ＢＪＴ４４７５のコレクタに対して外部接続／構成されて、ダーリントンペアセンサ３７００／４４００の構成を完成させる。ダーリントンペアセンサの様々な構成を可能にする他の外部接続／構成が構想される。
【0223】
鉛直センシングＢＪＴ４４２５及び水平／増幅ＢＪＴ４４７５の他の極性が構想される。例えば、鉛直センシングＢＪＴ４４２５がＮＰＮ ＢＪＴであり水平／増幅ＢＪＴ４４７５がＰＮＰ ＢＪＴである、相補的（シクライ）ダーリントンペアが構成され得る。
【0224】
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されたが、網羅的であることも、開示された実施形態に限定されることも意図するものではない。説明された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正及び変形が、当業者には明らかであろう。例えば、本発明の実施形態に係り開示される半導体デバイス、構造、及び方法は、アプリケーション、ハードウェア、及び／又は電子システムにおいて利用され得る。本発明の実施形態を実装するための好適なハードウェア及びシステムは、限定されないが、パーソナルコンピュータ、通信ネットワーク、電子商取引システム、ポータブル通信デバイス（例えば、携帯電話及びスマートフォン）、ソリッドステートメディア記憶デバイス、エキスパートシステム及び人工知能システム、機能回路などを含み得る。半導体デバイスを組み込んでいるシステム及びハードウェアが本発明の企図されている実施形態である。
【0225】
本明細書で使用される用語は、実施形態の原理及び実際の用途又は市場で見られる技術に対する技術的な改善を説明するために、又は他の当業者が本明細書で開示される実施形態を理解することを別様に可能にするために選択された。様々な用語を用いて説明された、実質的に同じ機能を実行し、実質的に同じように機能し、実質的に同じ用途を有し、及び／又は同様の段階を実行する、デバイス、構成要素、要素、特徴、装置、システム、構造、技法、及び方法が本発明の実施形態として企図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38A】
【図38B】
【図39A】
【図39B】
【図40A】
【図40B】
【図41A】
【図41B】
【図42A】
【図42B】
【図43】
【図44】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-01
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダーリントンペアセンサであって、基板上に水平に配置されている増幅バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、前記増幅ＢＪＴは水平エミッタ、水平ベース、水平コレクタ、及び共通外因性ベース／コレクタを有し、前記共通外因性ベース／コレクタは前記増幅ＢＪＴのための増幅ＢＪＴ外因性ベースであり、前記共通外因性ベース／コレクタは前記水平ベースに接触しその上に配置されている；
前記増幅ＢＪＴに対して鉛直向きのセンシングＢＪＴ、前記センシングＢＪＴは鉛直エミッタ、鉛直ベース、左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースへと分離されている外因性鉛直ベース、及び前記共通外因性ベース／コレクタを有し、前記共通外因性ベース／コレクタは前記センシングＢＪＴのためのセンシングＢＪＴコレクタでもある、
を備え、
ここで前記左外因性鉛直ベースは前記鉛直ベースの左側に接触しており、前記右外因性鉛直ベースは前記鉛直ベースの右側に接触しており、前記左外因性鉛直ベース及び右外因性鉛直ベースは互いから分離されている、
センサ。
【請求項2】
前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースは、前記鉛直ベースによって互いから分離されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
ａ）前記増幅ＢＪＴはＰＮＰであり前記センシングＢＪＴはＮＰＮである、及びｂ）前記増幅ＢＪＴはＮＰＮであり前記センシングＢＪＴはＰＮＰである、という構成のうちの１つで構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項4】
１又は複数のセンシングされる物質を含有する流体を受け取ることが可能な空間的ボイドであるセンシングトレンチ、前記センシングトレンチは、センシング外因性鉛直ベースである前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースのうちの１つに隣接しており、前記センシング外因性鉛直ベースでない前記左外因性鉛直ベース及び前記右外因性鉛直ベースは制御外因性鉛直ベースである；及びスライバーセンシング表面、前記スライバーセンシング表面は前記センシングトレンチ及び前記センシング外因性鉛直ベースの間の導電性材料であり、前記スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースと電気的に接触している、
を更に備える、請求項１から３の何れか一項に記載のセンサ。
【請求項5】
前記センシングされる物質は生物学的物質であり、前記センサは生物学的センサとして使用される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項6】
前記流体は液体及びガスのうちの１つである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項7】
前記スライバーセンシング表面は前記センシングＢＪＴのセンシングベースであり、前記スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースへ信号を提供し、前記信号はスライバーセンシング表面材料及び前記センシングされる物質のうちの１又は複数の間の相互作用によって誘起される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項8】
前記相互作用は電気的及び化学反応のうちの１又は複数である、請求項７に記載のセンサ。
【請求項9】
前記制御外因性鉛直ベースは制御ベースである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項10】
スライバーセンシング表面材料は窒化チタン（ＴｉＮ）であり、前記センシングされる物質は水素イオンであり、前記センサはｐＨセンサである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項11】
スライバーセンシング表面材料は塩化銀（ＡｇＣｌ）であり、前記センシングされる物質は１又は複数のＤＮＡ分子である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項12】
スライバーセンシング表面材料はチオールで官能基化されており、前記センシングされる物質は１又は複数のたんぱく質である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項13】
前記鉛直ベースは歪みベースである、請求項４に記載のセンサ。
【請求項14】
前記外因性鉛直ベース及び前記鉛直エミッタのうちの１又は複数は、大粒径多結晶材料から構成される、請求項４に記載のセンサ。
【請求項15】
前記センシングトレンチは、１又は複数の第２のセンサの１又は複数の第２のセンシングトレンチに接続されており、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチは流体連通しており、その結果、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチは共通の流体流を運び、前記センシングトレンチ及び前記１又は複数の第２のセンシングトレンチを通って流れる前記共通の流体内の１又は複数のセンシングされる物質をセンシングすることができる、請求項４に記載のセンサ。
【請求項16】
ダーリントンペアセンサを作成する方法であって、前記方法は：基板上に水平エミッタ、水平ベース、及び水平コレクタを形成することによって、水平増幅ＢＪＴを作成する段階、前記水平ベースは前記水平エミッタ及び前記水平コレクタの間にある；
前記水平ベース上に共通外因性ベース／コレクタを堆積する段階；
前記共通外因性ベース／コレクタ上に鉛直真性ベースをエピタキシャル成長させる段階；
前記鉛直真性ベースの周囲に外因性鉛直ベースをエピタキシャル成長させる段階；
前記外因性鉛直ベースを右外因性鉛直ベース及び左外因性鉛直ベースへと分割する段階；
センシング外因性鉛直ベースである前記右外因性鉛直ベース及び前記左外因性鉛直ベースのうちの１つに隣接するセンシングトレンチ及び金属スライバーセンシング表面を作成する段階、前記金属スライバーセンシング表面は前記センシング外因性鉛直ベースに電気的に接続されている、；及び
前記鉛直真性ベース上に鉛直エミッタを堆積する段階、前記鉛直エミッタ、前記鉛直真性ベース、前記外因性鉛直ベース、及び前記共通外因性ベース／コレクタは鉛直センシングＢＪＴを構成し、ここで前記共通外因性ベース／コレクタは前記鉛直センシングＢＪＴのコレクタである、
を備え、
ここで前記共通外因性ベース／コレクタは、前記水平増幅ＢＪＴの前記水平ベース上の外因性ベースでもある、
方法。
【請求項17】
前記外因性鉛直ベースを分割する前記段階は、前記鉛直真性ベースによってなされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記外因性鉛直ベースを分割する段階は、前記鉛直真性ベースのおもて端部及び背端部を露出する前記段階によってなされる、請求項１６に記載の方法。
【請求項19】
別個の外部接続を、前記水平エミッタ、前記水平コレクタ、前記センシング外因性鉛直ベースでない前記右外因性鉛直ベース及び前記左外因性鉛直ベースのうちの１つである制御ベース、及び前記鉛直エミッタの各々へ接続する段階を更に備える、請求項１６から１８の何れか一項に記載の方法。
【国際調査報告】