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TWI572041B - 半導體裝置、生物場效電晶體元件及其製造方法 - Google Patents

半導體裝置、生物場效電晶體元件及其製造方法 Download PDF

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TWI572041B
TWI572041B TW103103885A TW103103885A TWI572041B TW I572041 B TWI572041 B TW I572041B TW 103103885 A TW103103885 A TW 103103885A TW 103103885 A TW103103885 A TW 103103885A TW I572041 B TWI572041 B TW I572041B
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鄭鈞文
劉怡劭
賴飛龍
林威成
廖大傳
楊健國
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Description

半導體裝置、生物場效電晶體元件及其製造方法
本發明係關於生物感測器(biosensors)以及生物晶片(bio-chips)的形成方法，特別是關於具有生物感測器與流體元件(fluidic devices)之生物晶片(bio-chips)及其製造方法。
生物感測器(biosensors)為感測與檢測生物分子之裝置，而其係基於電子、電化學、光學、及機械等檢測原則而操作。包括電晶體之生物感測器為可電性感測生物體(bio-entities)或生物分子(biomolecules)之電荷、光子、與機械等特性之感測器。檢測可藉由偵測生物體或生物分子其本身、或透過特定反應物與生物體或生物分子之間的交互作用(interaction)與反應(reactions)等方式而施行。如此之生化感測器可採用半導體製程製作，因而可快速地轉換電子訊號，以及可輕易地應用於積體電路(ICs)以及微機電系統(MEMS)之中。
生物晶片實質上係為可同時施行數百或數千種之生化反應之數個微型化實驗室。生物晶片可檢測特定生物分子、量測其特性、處理訊號、且更可直接分析資料。生物晶片使得研究者可基於疾病診斷(disease diagnosis)至檢測生物恐怖劑(detection of bioterrorism agents)等多種目的而快速地篩 檢大批但少量的生物分析物(bioligical analytes)。先進的生物晶片使用了伴同有微流體(microfluidics)之多個感測器以整合反應、感測、與試樣管理。生物場效電晶體(BioFET，bioligical field-effect transistor or bio-organic field-effect transistor)為包括用於電性感測生物分子或生物體之電晶體之一種生物感測器。於生物場效電晶體於許多方面應用為有效的同時，但於其製作及/或操作的挑戰也隨之提升，如此挑戰係起因於半導體製程、生物應用、半導體製程的限制及/或極限、電子訊號與生物應用的靈敏度與解析度、及/或源自於實施大型積體電路製程(LSI process)之其他挑戰。
一種生物場效電晶體元件，包括：一基板；一電晶體結構，位於該基板內，具有位於一源極區、一汲極區與一主動區上之一閘極結構，該主動區包括一通道區以及一經處理層；一隔離層，位於該基板相對於該閘極結構之一側，該隔離層具有位於該電晶體結構之該主動區處之一開口；以及一介電層，位於該開口內。
一種生物場效電晶體元件之製造方法，包括：形成一電晶體於一半導體基板上，其中該電晶體包括形成於該半導體基板之一側上之一閘極結構與位於一源極區與一汲極區之間之一主動區；於設置於該半導體基板之一第二側之一隔離層內蝕刻形成一開口，其中該開口露出了該電晶體之該主動區；埋設一摻質穿透該開口之該底部至該電晶體之主動區內以形成一經處理層；以及沉積一介電層於該經處理層上。
一種半導體裝置，包括複數個第一與第二生物場效電晶體。該些第一生物場效應電晶體分別包括：一主動區，位於一源極區與一汲極區之間且位於一閘極結構之下，該主動區包括一通道區以及一第一經處理層，且其中該通道區鄰近該閘極結構；以及一介電層，設置於該第一經處理層之相對於該通道區之一側，其中該第一經處理層包括一第一濃度之一第一摻質。而該些第二生物場效電晶體，分別包括：一主動區，位於一源極區與一汲極區之間且位於一閘極結構之下，該主動區包括一通道區以及一第二經處理層，且其中該通道區鄰近該閘極結構；以及一介電層，設置於該第二經處理層之相對於該通道區之一側，其中該第二經處理層包括一第二濃度之一第二摻質。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。
100‧‧‧後側感測生物場效電晶體
102‧‧‧閘極結構
104‧‧‧源極區
106‧‧‧汲極區
107‧‧‧經處理層
108‧‧‧主動區
110‧‧‧隔離層
114‧‧‧基板
124‧‧‧介電層
126‧‧‧金屬冠狀結構
130‧‧‧分析物環境
132‧‧‧流體基板
200‧‧‧方法
202、204、206、207、208、210、214、216‧‧‧操作
252、254、256、258、260、262、264‧‧‧操作
300‧‧‧生物場效電晶體
302‧‧‧基板
304‧‧‧主體矽層
306‧‧‧氧化物層
308‧‧‧主動層
312‧‧‧閘極介電層
314‧‧‧閘極電極
316‧‧‧源極/汲極區
318‧‧‧多膜層內連結構
319‧‧‧主動區
320‧‧‧導線
322‧‧‧介層物
324‧‧‧介電層
402‧‧‧載具基板
404‧‧‧保護層
602‧‧‧溝槽
702‧‧‧隔離層
802‧‧‧內連層
902‧‧‧保護層
904‧‧‧開口
906‧‧‧開口
1002‧‧‧經處理層
1102‧‧‧介電層
1202‧‧‧金屬冠狀結構
1302‧‧‧流體通道
1304‧‧‧井區
1402‧‧‧受體
第1圖為一剖面圖，顯示了依據本發明之一或多個方面之一種生物場效電晶體(BioFET)之一實施例。
第2A與2B圖為一系列流程圖，顯示了依據本發明之一或多個方面之一種生物場效電晶體之製造方法之一實施例。
第3-6、7A-7B、8-14圖為一系列流程圖，顯示了依據本發明之一或多個方面之一種生物場效電晶體裝置之一實施例。
下文中提供了用以施行本發明之不同特徵之多個實施例或範例。以下描述之特定構件及設置情形之範例係用於簡單描述本發明，而非用以限制本發明。再者，於描述中提到一第二元件上形成一第一元件可能包括此些第一元件與第二元件之間直接接觸之實施例，且亦可能包括於此些第一元件與第二元件之間存在有其他元件之實施例，進而使得第一元件與第二元件之間為非直接接觸之情形。再者，為了簡單描述於圖式中所繪示之一元件或構件與另一元件之間的元件空間相對關係，於下文中所使用如”頂部””前側”、”底部”、”後側”及相似描述等空間相對詞彙。空間相對詞彙係包括了元件於使用或操作中之不同方向。
舉例來說，當於圖式中之裝置顛倒時，位於其他元件之”下方”與”之下”之元件接著可具有位於其他元件或構件”之上”的方向。因此，關於”之下”的描述可包括之上與之下的方向。裝置可具有其他方向(如旋轉90度或其他方向)之設置情形，且在此採用之此些元件空間相對描述可如此地解釋。基於簡化之目的，多個元件並非依照實際比例繪製。
於一生物場效電晶體(BioFET)中，控制其內源極接觸物與汲極接觸物之間之半導體的電導(conductance)之金氧半導體場效電晶體(MOSFET)之閘極係為可作為表面受體(surface receptors)之一生物/生化相容層或一固定化探針分子(immobilized probe molecules)之生物官能化層(biofunctionalized layer)所取代。基本上，生物場效電晶體為具有半導體傳感器之生物感測器。生物場效電晶體之優點為免 標記操作(label-free operation)的前景。生物場效電晶體的使用可避免如將分析物(analytes)標記上螢光或放射性探針(fluorescent or radioactive probes)之昂貴又耗時的標記操作(labeling operations)。
標靶生物分子或生物體與固定於生化場效電晶體之閘極上之閘極或受體分子的結合(binding)調變了生物場效電晶體之電導(conductance)。當標靶生物分子或生物體係鍵結(bond)於閘極或固定化受體時，生物場效電晶體的汲極電流係為閘極勢能所改變，其視鍵結之標靶的種類與數量而定。可量測汲極電流的改變且用於決定受體與標靶生物分子或生物分子其本身之間的鍵結種類與數量。可使用如離子(ions)、酵素(enzymes)、抗體(antibodies)、配位體(ligands)、受體(receptors)、胜肽(peptides)、寡核苷酸(oligonucleotides)、器官細胞(cells of organs)、有機體(organisms)及組織的碎片(pieces of tissue)以官能化一生物場效電晶體之閘極。舉例來說，為了偵測單股DNA(ssDNA)，生物場效電晶體的閘極可具有固定化之互補單鏈DNA而官能化(functionalized)。此外，為了偵測如腫瘤標記物之蛋白質，生物場效電晶體的閘極可具有單株抗體而官能化。
生物感測器之範例之一具有一感測表面，其作為連結於生物場效電晶體之閘極之一浮置閘(floating gate)。此浮置閘係透過金屬內連導線與介層物的堆疊物(或多膜層內連物，MLI)而連結於生物場效電晶體的閘極結構。位於閘極電極之上的多個金屬層於此多膜層內連物形成時亦可能受到天線 效應(antenna effect)的毀損。於如此之生物場效電晶體中，於最後(頂部)金屬層或形成於多膜層內連物之頂部的介電表面之處產生了勢能調節反應(potential-modulating reaction)並為此生物場效電晶體所直接感測。由於多膜層內連物相關之寄生電容值因素，元件的感測度係低於其他的生物感測器。因此，通常須界定一感測板(sensing plate)尺寸，使得可於感測板之上可產生足夠被偵測量的勢能調節反應。最小之感測板尺寸便限制了生物場效電晶體密度。
於另一範例中，生物分子直接或透過位於位於生物場效電晶體之閘極或閘極介電層上之受體(receptor)而結合。此些直接結合之生物場效電晶體直接地感測標靶生物分子而與多膜層內連物之寄生電容值無關。其形成須要移除位於生物場效電晶體之上的多膜層內連物材料以形成一感測井區且露出閘極電極或閘極介電層至勢能調節表面反應產生之流體環境中。相較於浮置閘極類型，此些生物場效電晶體更為敏感但基於某些因素而導致其製作上的困難。蝕刻形成之感測井區具有高深寬比，例如30或以上，所以其通常採用高能量電漿蝕刻而施行。此高深寬比之感測井區亦限制了蝕刻形成之感測井區的輪廓。由於電荷導致毀損(charge-induced damage)情形，高能量電漿蝕刻會導致閘極電極的毀損。而降低感測井區之深寬比以使得蝕刻較易施行之一種方法則具有限制金屬層的數量至一或兩道金屬層之結果。金屬層數量的減少限制了內連繞線與元件的整合功能，例如為用於控制生物場效電晶體之電路的數量與種類。此製程對於對準(aligment)問題亦為非常敏感 的，由於誤對準情形可能會露出環繞感測井區之多膜層內連物內之金屬或造成感測表面區域較原先設計值為更為縮小。
於又一範例中，生物分子係設置於鄰近位於基板之後測(backside)之閘極處。於此範例中，閘極與感測表面係設置於通道區的後側，因此基板之後側為一流體閘極(fluidic gate)。此範例避免了須蝕刻穿過內連物之多個膜層的困難且更將生物分子設置於鄰近閘極之處，以較浮置閘極生物感測器具有更高的感測度。此類型之生物感測器係稱為後側感測生物場效電晶體(backside sensing BioFET，BSS BioFET)。本發明之多個實施例係與一種後側感測生物場效電晶體有關，其包括位於源極與汲極之間之閘極下方之主動區內之一摻質濃度梯度及/或鄰近於流體閘極之主動區表面之一表面處理(surface treanment)情形。如此之摻質濃度梯度可調整後側感測生物場效電晶體之電性特性。主動區包括鄰近於流體閘極與通道區之一經處理層(treated layer)。此摻質濃度梯度可為藉由自通道區之其餘部分處增加具有不同導電特性之摻質至通道區之一經處理層或藉由鈍化通道區內之薄的經處理層內的摻質所形成之一輕度摻雜層(lightly doped layer)或一空乏層(depleted layer)。表面處理亦包括了於氧或氫環境(oxygen or hydrogen enviroment)中的回火情形。
第1圖為一後側感測生物場效電晶體(backside sensing BioFET，BSS BioFET)100之一示意圖。此半導體裝置100包括形成於一基板114上之一閘極結構102。閘極結構102作為此後側感測生物場效電晶體100之一後閘極(back gate)之 用。基板114更包括一源極區104、一汲極區106以及設置於源極區104與汲極區106之間之一主動區108(例如包括一通道區)。閘極結構102、源極區104、汲極區106與主動區108可採用適當之互補型金氧半導體(CMOS)製程技術而形成。閘極結構102、源極區104、汲極區106以及主動區108形成了一場效電晶體(FET)。鄰近於後側的主動區108之一部為一經處理層(treated layer)107，其可為一輕度摻雜通道層(lightly doped channel layer)或一空乏層(depleted layer)。此經處理層可包括未見於主動區108之其他部分內之摻質。舉例來說，對於一NMOS而言，經處理層107可摻雜有砷或磷。對於一PMOS而言，經處理層可摻雜有硼。經處理層可包括傾向於鈍化(deactivate)摻質之中性元素(neutralizing species)，例如採用氫以鈍化硼。可藉由回火而形成經處理層107，以修復懸浮鍵(repair dangling bonds)或減輕電漿所造成缺陷。於氧氣或臭氧之氧的環境中回火可修復懸浮鍵。於氫或氘之氫的環境中回火可緩和移動離子(mobile ions)以及電漿所造成毀損之界面陷阱(interfacial traps)。
於基板114之相對於閘極結構102之一相對側(opposite side)上設置有一隔離層(isolation layer)110。隔離層110可為一絕緣層上覆矽(SOI)基板之一埋設氧化物(BOX)層。隔離層110之一開口大體對準於主動區108。於主動區108之後側上之開口的底部上設置有一介電層124。此介電層124係作為用於流體閘極之一閘極介電層，並覆蓋了經處理層107之表面以及未為隔離層110所覆蓋之源極區與汲極區(106/104)。
於部分實施例中，係設置一金屬冠狀(metal crown)結構126於介電層124之上，且其至少部分覆蓋隔離層110之數個側壁。於使用時，金屬冠狀結構做為偵測生物分子或生物體之一感測表面(sensing surface)。金屬冠狀結構126之區域係大於介電層124，且因此可容納之勢能調節反應(potential modulating reactions)。於部分實施例中，此金屬冠狀結構126延伸至隔離區110內之開口的頂部邊角處且部分地覆蓋隔離層110。於特定實施例中，於金屬冠狀結構126上係鍵結(bind)有或擴增(amplify)有數個受體(receptors)，以提供偵測生物分子或生物體之數個位址(sites)。於其他實施例中，金屬冠狀結構126之表面係用於鍵結與金屬材料之間具有特殊親和性之生物分子或生物體128。用於金屬冠狀結構126之含金屬材料包括鉭、氮化鉭、鈮(niobium)、氮化鎢、氧化釕(ruthenium oxide)或其組合。亦可使用包括了金與鉑之其他金屬。依據部分實施例，金屬冠狀結構126之材料為一歐姆金屬(ohmic metal)。此半導體裝置100包括了連接源極106、汲極104、閘極結構102、及透過金屬冠狀結構126而連接閘極之數個導電接觸物(未顯示)。當未使用金屬冠狀結構126時，則可採用介電材料124作為一介面層，以提供受體之鍵結位址(binding sites)之用。
如此，傳統場效應電晶體使用一閘極接觸物以控制介於源極與汲極之間的半導體(例如通道)的電導(conductance)時，而半導體裝置100則將受體形成於場效電晶體裝置之後側以控制此電導，且閘極結構102(例如多晶矽)係作為一後側閘極(例如為習知場效電晶體內之源極基板或主體節 點)。此後側閘極無需主體基板效應(bulk substrate effect)便可控制通道之電子分佈。因此，當分子黏附至位於流體閘極上之受體時，便改變了場效電晶體通道區之電導。此兩個閘極皆可偏壓。一前側流體閘極電極係位於鄰近金屬冠狀結構之感測表面處或位於中間層之上。因此，半導體裝置100可用作為偵測為流體基板132所包括之位於分析物環境130中之一或多個特定生物分子或生物體。
生物場效電晶體100可藉由增加位於介電層124下之經處理層107內的摻質而調整其表現。依據多個實施例，當經處理層107為一輕度摻雜層或一空乏層時，生物場效電晶體100對於鍵結於受體或閘極之分子可具有更高之感測度。換句話說，相較於不具有經處理層107之一生物感測器，閘極電極之汲極電流可更為增加。於部分實施例中，經處理層107提供了較大能隙(bandgap)，以避免或降低漏電流(leak current)情形。
半導體裝置100可包括額外之被動元件，例如電阻、電容、電感、及/或熔絲，以及包括P通道場效電晶體(pFET)、N通道場效電晶體(nFET)、金氧半導體場效電晶體(MOSFET)、互補型金氧半導體(CMOS)電晶體、高壓電晶體及/或高頻電晶體之其他主動元件。可更理解的是，於其他實施例中可更增加半導體裝置100之額外構件，且可取代或取消下述之半導體裝置100之部分構件。
第2A圖為製作後側感測生物場效電晶體之一方法200之一製程流程圖。此方法200包括採用相容於典型之互補型 金氧半導體(CMOS)製程之一或多個製程步驟而形成一生物場效電晶體。可以理解的是，於方法200施行之前、之中或之後可更提供額外之步驟，且於本發明之不同實施例中可取代或刪除下述之部分步驟。再者，可以理解的是，方法200包括具有典型CMOS技術製造流程有多個特徵之數個步驟，且其於下文中僅簡單描述之。
方法200起始於操作202，提供一基板。此基板可為一半導體基板。此半導體基板可為矽基板。或者，此基板可包括如鍺之另一元素態半導體、如碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、砷化銦及/或銻化銦之一化合物半導體、包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInP、及/或GaInAsP之一合金半導體、或其組合。於不同實施例中，此基板可為一絕緣層上覆矽(SOI)基板。此絕緣層上覆矽基板可包括藉由如佈植氧加以分離(SIMOX)製程及/或其他適當製程所形成之一埋設氧化層(BOX)。此基板可經過如P型或N型之摻雜。於此使用情形中，工件(workpiece)係指一基板以及任何接合或沉積於其上之任一材料。半導體基板(或元件基板)係指於其內之上或之內製作元件之基礎材料，且並不包括任何之沉積或接合材料。第3圖為具有一基板302之經部分製造之一生物場效電晶體300之一剖面。於如第3圖所示範例之中，基板302為包括一主體矽層(bulk silicon layer)304、氧化物層306與一主動層308之一絕緣層上覆矽(SOI)基板。氧化物層306可為一埋設氧化物(BOX)層。於一實施例中，埋設氧化物層為二氧化矽層。主動層308可包括矽。主動層308可大體摻雜有N型及/或P型之摻質。
請參照第2A圖，方法200接著進行操作204，於基板上形成一場效電晶體(FET)。此場效電晶體可為一N型場效電晶體(nFET)或一P型場效電晶體(pFET)。此場效電晶體包括一閘極結構、一源極區、一汲極區、以及介於源極區與汲極區之間之一通道區。舉例來說，依照場效應電晶體之類型，源極/汲極區可包括N型摻質或P型摻質。閘極結構包括一閘極介電層、一閘極電極層及/或其他適當之膜層。於部分實施例中，閘極電極為多晶矽。其他之閘極電極包括了金屬閘極電極，其包括如銅、鎢、鈦、鉭、鉻、鉑、金、銀之材料、如氮化鈦、氮化鉭、矽化鎳(NiSi)、矽化鈷(CoSi)之適當金屬化合物、或此些導電材料之組合。於多個實施例中，閘極介電層之材料為氧化矽。其他之閘極介電層的材料包括氮化矽、氮氧化矽、具有高介電常數之介電層及/或其組合。高介電常數介電材料的範例包括了矽酸鉿、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、五氧化二鉭、二氧化鉿-氧化鋁合金、或其組合。此場效電晶體可採用如微影、離子佈植、擴散、包括物理氣相沉積、金屬蒸鍍或濺鍍、化學氣相沉積、電漿加強型化學氣相沉積、大氣壓型化學氣相沉積、高密度電漿加強型化學氣相沉積、原子層化學氣相沉積、旋轉塗佈法之沉積、包括濕蝕刻、乾蝕刻及電漿蝕刻之蝕刻、及/或其他適當之CMOS製程之一般CMOS製程所形成。
第3圖為具有一基板302之經部分製造之一生物場效電晶體(BioFET)300之一剖面圖。此經部分製造之生物場效電晶體300包括一閘極介電層312、一閘極電極314、源極/汲極區316以及主動區319。源極區/汲極區316與主動區319可包括 相反類型之摻質(例如N型/P型)。閘極電極314係為一多晶矽閘極或一金屬閘極。閘極介電層312為一閘極氧化物層(例如為二氧化矽、二氧化鉿、或其他高介電常數之金屬氧化物)。
於形成場效電晶體於基板上之後，於基板上形成一多膜層內連(multi-layer interconnect，MLI)結構。此多膜層內連結構包括數個導線(conductive lines)、數個導電介層物(conductive vias)、及/或中間之介電膜層(例如為層間介電層)。此多膜層內連結構可提供至電晶體之實體及電性的連結。此些導線可包括銅、鋁、鎢、鉭、鈦、鎳、鈷、金屬矽化物、金屬氮化物、多晶矽、其組合、及/或包括一或多個膜層或襯層之其他材料。插入的或層間的(例如層間介電層)介電層可包括二氧化矽、氟化矽酸鹽玻璃(FGS)、SILK(DOW CHEMICAL之產品)、BLACK DIAMOND(APPLIED MATERIAL之產品)、及/或其他絕緣材料。此多膜層內連物可藉由常用於CMOS製程中之適當製程所形成，例如為化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、電鍍、旋轉塗佈及/或其他製程。
請參照第3圖之範例，設置一多膜層內連(MLI)結構318於基板302之上。此多膜層內連結構318包括了為數個導電介層物(conductive vias)或插栓(plugs)322所連結之數個導線320(conductive line)。於一實施例中，此些導線320包括鋁及/或銅。於一實施例中，此些介層物322包括鎢。於另一實施例中，介層物322包括銅。一介電層324係設置於基板302上且介於多膜層內連物318之此些導電構件之間。介電層324可為一層間介電(ILD)層或一金屬層間介電(IMD)層及/或多個層間介電 層或金屬層間介電層之次膜層(sub-layers)的組合。於一實施例中，介電層324包括了氧化矽。此多膜層內連結構318提供了至閘極314及/或源極/汲極316之電性連結情形。
請再次參照第2A圖，於操作206中，於基板之後側(backside)形成一開口。此開口為形成於設置於基板之後側上之一或多個膜層內之一溝槽。此開口露出了此基板位於閘極下方且鄰近場效電晶體之通道區之一區。此開口可採用適當微影製程而形成，以於基板上提供一圖案，並採用蝕刻製程自後側移除材料直到露出場效電晶體之主體結構(body structure)。適當蝕刻製程包括了濕蝕刻、乾蝕刻、包括電漿乾蝕刻及/或其他適當製程。
於部分實施例中，形成開口操作之細節包括了如第2B圖之製程流程圖及如第4-10圖之剖面圖等圖內所示之數個步驟。於第2B圖之操作252中，附著一載具基板(carrier substrate)。如第4圖所示，將載具基板402附著(例如接合)於裝置基板302。此載具基板402係附著於裝置基板302之多膜層內連結構上之前側(front side)處。於一實施例中，此載具基板係接合於形成於多膜層內連結構及/或基板之層間介電層上之一保護層404。此載具基板可採用融合(fusion)、擴散(diffusion)、共晶(eutectic)、陽極化(anodic)、高分子(polymer)及/或其他適當接合方法而附著於裝置基板上。載具基板之範例包括了矽、玻璃、與石英。載具基板402可包括如內連構件、晶圓接合位置、經定義之空穴及/或其他適當構件。於後續製程中(例如於薄化之後)，則可移除此具基板。
於第2B圖之操作254中，薄化此半導體基底。裝置基板係經過倒置並採用移除半導體基板之數個部分之濕蝕刻製程、乾蝕刻製程、電漿蝕刻製程、化學機械研磨製程及/或其他適當製程而薄化之。適用於薄化基板之蝕刻劑包括了HNA(氫氟酸、硝酸、硝酸)、TMAH(氫氧化四甲基銨)、氫氧化鉀(KOH)、緩衝氧化物蝕刻劑(BOE)、及/或相容於互補型金氧半導體製程技術之其他適當蝕刻劑。
請參照第5圖，裝置基板經過薄化後使得主體矽層被移除。於其他實施例中，主體矽層與埋設氧化物層可皆被移除。此裝置基板可於數個製程步驟中被薄化，例如首先移除一絕緣層上覆矽晶圓(SOI wafer)之一主體矽層(bulk silicon)，接著移除此絕緣層上覆矽晶圓之埋設絕緣層(buried insulating layer)。於一實施例中，採用如研磨、化學機械研磨、HNA、及/或TMAH之蝕刻以施行移除塊狀矽層之第一薄化製程，並停止於埋設氧化物層上。一第二薄化製程可接著此第一薄化製程而施行，例如為一BOE濕蝕刻，其移除了埋設氧化物且停止於主動層之矽處。此薄化製程可露出基板之一主動區。於一實施例中，則露出了一通道區(例如插入於源極/汲極區與閘極結構之間之主動區)。於薄化之後，此基板可具有約為500-1500埃之一厚度。舉例來說，於一實施例中，絕緣層上覆矽基板之主動層具有介於約500-1500埃之一厚度。
於其他實施例中，裝置基板經過薄化，使得主體矽層被移除，且如第5圖所示般於基板上殘留有一部分之埋設絕緣層。主體矽層的移除可施行採用如CMP、HNA、及/或TMAH 蝕刻，且其停止於埋設絕緣層上。於薄化製程後，此基板可具有約為500-15000埃之一厚度。舉例來說，於一實施例中，一絕緣層上覆矽基板之主體區具有約介於500-1500埃之一厚度。埋設絕緣層(目前存在於基板表面)可為一隔離層(isolation layer)且具有介於約1000埃至數個微米之一厚度。
於第2B圖之操作256中，於基板上形成一溝槽，以露出與提供至多膜層內連結構之一或多個導電線路之接觸情形。此溝槽可採用微影製程形成，以接著藉由適當之濕、乾或電漿乾蝕刻而圖案化形成溝槽開口。於一實施例中，此溝槽露出多膜層內連結構(例如於閘極結構形成後而形成於多膜層內連結構內之第一金屬層)之一第一金屬層(metal one layer)之一部。請參照第6圖之範例，蝕刻形成一溝槽602，其特別地穿透了主動層308，以露出位於多膜層內連結構318之一導線320上之一著路區(landing region)。或者，此溝槽可蝕刻並穿透隔離區306(例如氧化物)。
於第2B圖內之操作258中，於基板上形成一隔離層。隔離層可包括如氧化物(oxide)或氮化物(nitride)之介電材料。於一實施例中，隔離層為氧化矽層。請參照第7A圖所示之範例，隔離層702係沉積於溝槽602之內並位於絕緣層上覆矽基板之絕緣層306上。如前所述，於部分實施例中，當於基板薄化製程中移除了絕緣層上覆矽基板之絕緣層時，並不會形成隔離層於絕緣層之上。第7B圖顯示了形成於溝槽602內以及絕緣層上覆矽基板之主動層308上之一隔離層702。以下之第8-14圖則繪示了於基板研磨製程中移除埋設氧化層306之一實施例， 其如第7B圖所示。然而，關於此些圖式之相關教示亦可應用於如第7A圖所示之殘留有全部的或一部的埋設氧化物層306(於下文中稱為絕緣層306)之實施例中。
於第2B圖之操作260中，形成一內連層(interconnect layer)於隔離層702上並圖案化之。於隔離層702內可圖案化並蝕刻形成一或多個開口，以露出下方之金屬或導電區域。此內連層可提供至多膜層內連結構之一連結情形(例如輸入/輸出連結)。此內連層可提供至電晶體之一連接情形(例如輸入/輸出連結)。內連層可包括如銅、鋁、其結合、及或其他適當導電材料之一導電材料。此內連層可提供如重分佈層(redistribution layer layer)之功能。內連層可採用金屬沉積或電鍍技術且接著圖案化而形成。請參照第8圖之範例，內連層802係設置於絕緣層702之上。內連層802可提供至生化場效電晶體之一訊號輸入/輸出，以及透過溝槽602而連結多膜層內連物。於一實施例中，內連層802包括一鋁銅合金。
於第2B圖內之操作262中，於裝置基板上形成一保護層(passivation layer)。此保護層可覆蓋內連層之數個部分。保護層可包括數個開口，以於其處形成一連結(例如輸入/輸出連結)。於一實施例中，保護層可包括二氧化矽，然而亦可能為其他成分。保護層可用於提供如內連層之裝置的保護，使其免於受到水氣的影響。請參照第9圖之範例，保護層902係形成於基板之上，並包括位於內連層802上之部分。保護層902包括一開口904，於其處可形成連結至裝置300之一連結物。換句話說，開口904可露出一導電之輸入/輸出接墊(I/O pad)。
於第2B圖內之操作264中，於基板之後側(backside)形成一開口。此開口的形成露出了位於電晶體結構(例如通道區)下方之基板之主動區之一部。此開口大體對準於電晶體之主動區，且可對準於後側閘極結構312/314。此開口可藉由適當微影製程以及後續之如乾蝕刻、濕蝕刻、電漿蝕刻、及或其組合之一蝕刻製程所形成。於部分實施例中，此開口係形成於隔離層內。於其他實施例中，此開口係形成於埋設絕緣層中(絕緣層上覆矽基板的)。請參照第9圖，開口906係提供於隔離層702之內。此開口906露出了主動層308之一部。特別地，主動區319及源極/汲極區316之數個部分可能為露出的。
請參照第2A圖，於操作207中，處理位於開口內之一露出基板區域。此處理包括了至少佈植(implant)製程、擴散(diffuse)製程與回火(anneal)製程其中之一。佈值製程係埋設摻質進入基板的表面內。佈植之深度係藉由佈植製程之能量而控制。位於基板內之摻質濃度係與佈植劑量有關。請參照第10圖，佈植製程創造出位於開口906之底面處之一經處理表面(treated surface)1002，其較位於開口906之底面以下之主動區319之剩餘部分具有整體降低淨摻質濃度(overall lower net dopant concentration)。為了達成一整體降低淨摻質，可佈植相反於主動區319之導電類型之摻質。對於NMOS(n-type MOS)而言，可佈植砷或磷。對於PMOS(p-type MOS)而言，可佈植硼。由於此些摻質具有相反於主動區319之導電類型，故可降低於主動區319之表面處之整體淨摻質濃度(overall net dopant concentration)。相較於主動區之剩餘部分，此經處理層便為一 輕度摻雜通道層(lightly doped channel layer)。當佈植足夠量之摻質後，此經處理層將為一空乏層(depleted layer)。可使用相對低能量之佈植製程以定義此些摻質至一表面層處。舉例來說，佈植能量可少於約10KeV或少於約15KeV。當主動區319足夠厚且欲製造出較大的經處理層時，則可使用一較高能量。依據多個實施例，經處理層具有距表面約為5埃或數百埃之一峰值濃度(peak concentration)。經處理層之厚度可約為10奈米至數百奈米。
此佈植製程可直接施行於基板上或藉由一罩幕(mask)的使用而施行。首先可介由沉積一犧牲氧化層並接著圖案化之以形成用於佈植一開口而形成一佈植罩幕。此罩幕的製作可施行採用形成開口906之操作206而施行。於部分實施例中，此開口906係大於此佈植開口。舉例來說，經處理層1002可延伸至源極/汲極316之一部處或可限制於主動區319之一表面處。
於部分實施例中，絕緣層306與保護層902需能阻擋摻質，使得摻質不會埋設至生化場效電晶體之其他部分之內。於一實施例中，可施行第2B圖內之操作但不會形成開口904，以保護內連層802免於受到佈植。於此些實施例中，保護層902內之開口904、906係於佈植之後形成。
於佈植之後，此基板係經過回火以活化(activate)摻質。不同之摻質需要不同數量之回火以活化之。較低溫度之回火係於較低速率下進行活化。由於活化之回火係發生於多膜層內連結構318以及內連層802形成之後，於裝置內之金屬材料 的汙染與穩定度需與活化速率達成平衡。於部分實施例中，佈植與活化回火係早於內連層802形成之前施行。此活化回火可於約400℃、約450℃，且可少於約500°下施行。於部分實施例中，使用雷射以活化此些摻質。由於雷射能量可聚焦於基板之表面處且雷射曝光非常短時間，通常為少於千分之一秒，固可施行雷射活化而不會顯著地負面影響了更為深層的多膜層內連結構。於一實施例中，採用一雷射光束掃描一晶粒。於另一實施例中，雷射光束於經過調整後可具有足夠同時活化一晶粒之摻質之一尺寸。
或者，經處理層1002可藉由添加傾向於鈍化(deactivate)主動區319內主要摻質之一摻質所形成。於一NMOS範例中，由於氫可鈍化硼，故可添加氫以製造出一經處理層1002。氫可如同砷、磷與硼般進行佈植。氫亦可藉由一擴散製程而添加。此擴散製程牽涉到於一氫的環境(氫/氘氣體或形成氣體)中的回火或施加氫電漿至表面處。另一擴散製程則牽涉到沉積一輕度摻雜介電層於位於主動區319上之開口906內，以及接著回火以將摻雜之氫擴散至矽內。此輕度摻雜介電層可為氧化矽或氮化矽層。於擴散回火後，則移除此介電層。
除了採用佈植及擴散方法以形成經處理層1002之外，經處理層1002可介由於一氧氣或臭氧之氧的環境中進行回火而形成。此回火修復了因電漿製程所造成之懸浮鍵(dangling bonds)。於氧氣或臭氧之氧環境中的回火修復了此懸浮鍵。亦可藉由於一氫氣環境中之回火以形成經處理層1002。於氫或氘之氫環境中的回火緩和了游離電荷(mobile ions)免於受到電漿 引起毀損。用於緩和游離電荷的回火係於較前述之擴散回火之一較低溫度下施行，且可結合於一步驟中。
經處理層1002可允許此後側感測生物場效電晶體(backside sensing BioFET，BSS BioFET)的電子特性調整。當經處理層1002為一輕度摻雜層或一空乏層時，可使得此後側感測生物場效電晶體製作針對接合於受體之分子為更加敏感的，以改善後側感測生物場效電晶體之跨導(transconductance)。換句話說，相較於沒有經處理層1002的後側感測生物場效電晶體，可增加其閘極電壓之汲極電流。於部分實施例中，此經處理層1002可提供較大能隙，其可避免或降低漏電流。於部分實施例中，相較於未處理膜層，此經處理層1002包括較少之缺陷且可減少來自於游離電荷(mobile ions)與界面電荷(interfacial charges)之裝置噪音(device noise)。位於同一裝置上之數個生物場效電晶體可藉由改變行程經處理層之製程而調整，因而對於相同或不同之生物體具有不同感測度。舉例來說，部分之生物場效電晶體可具有第一濃度之第一摻質之一經處理層，而其他的生物場效電晶體可具有一第二濃度之一第二摻質之一經處理層。此些不同之處理膜層使得此生物場效電晶體可偵測不同的目標物。藉由採用不同遮罩以及個別的微影步驟，可於一裝置上形成一種以上之經處理層。
請參照第2A圖，於操作208中，於開口內形成一介電層。此介電層形成於位於場效電晶體之閘極結構之下方之露出基板上，並覆蓋位於經處理層1002上之開口906之整個底部。介電材料之範例包括了高介電常數介電層、金屬氧化物、 及/或其他之適當材料。介電材料之特定範例包括了二氧化鉿(HfO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氧化銅(Au2O3)、鉑、鈦、鋁及銅的氧化物、以及如二氧化矽、氮化矽、氧化鋁、二氧化鈦、氮化鈦、氧化錫、二氧化錫等材料。介電材料可採用如化學氣相沉積、電漿加強型化學氣相沉積、大氣壓型化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、高密度電漿化學氣相沉積或原子層化學氣相沉積。於部分實施例中，此介電層包括數個膜層。例如，介電層可包括位於氧化鋁或氧化鈦層上之二氧化鉿層。於第11圖之範例中，介電層1102係設置於主動層319上以及源極與汲極316之一部上。可圖案化此介電層1102，以對準於閘極結構(例如其經沉積與圖案化而僅殘留於開口906之內)。
請再次參照第2A圖，於操作210內沉積一金屬層。此金屬層可為元素態金屬、金屬合金、或導電金屬化合物。適當元素態金屬包括了鉭、鈮、鎢、釕、鋁、鋯、釩、鈦、鈷、鉬、鋨、鉻、銠、金、鈀、錸、鎳、或常用於半導體製程內之其他過渡金屬。金屬化合物包括了導電氮化物、矽化物與過渡金屬之氧化物。舉例來說，例如為氮化鎢、氮化鉭、或氧化釕。金屬層可為兩個或兩個以上膜層之一複合層。舉例來說，金屬層可包括氮化鎢與氧化釕。
金屬層係順應地沉積於基板之上以及開口內，以覆蓋介面層。金屬層可採用物理氣相沉積(濺鍍)、金屬化學氣相沉積法(MCVD)、原子層化學氣相沉積(ALCVD)、採用晶種層之電化學沉積、或無電電鍍沉積。於部分實施例中，可使用一離子束沉積，以選擇性地沉積金屬層於開口及其周圍內。
於操作212中，圖案化金屬層以形成一金屬冠狀結構(metal crown structure)。於部分之實施例中，圖案化係藉由蝕刻移除於操作210中所沉積形成之金屬層的非必要部分。先沉積一蝕刻罩幕並圖案化之。此蝕刻罩幕為可為微影製程所圖案化之一光阻或一硬罩幕。於其他實施例中，先形成與圖案化光阻材料於基板上，而於金屬層沉積之後移除之。光阻材料的剝離(lifting off)亦可移除其上之任何金屬層。當牽涉到電漿之乾蝕刻以移除金屬圖案會造成其他露出金屬表面的不期望之數個電漿毀損情形時，亦可使用此剝離技術。由於剝離製程中光阻僅可為濕蝕刻或包括低功率電漿之蝕刻所移除，故其有時較金屬圖案製程受到歡迎。然而，由於剝離製程可能產生較多之污染物，且最終形成之金屬冠狀結構可能具有凹凸邊緣(jagged edges)。
於第12圖所示之範例中，於位於開口之內與為開口環繞之介電層1102上設置一金屬冠狀(metal crown)結構1202。如圖所示，金屬冠狀結構1202包括覆蓋隔離層702一部之一唇部(lip)。於部分實施例中，所有的金屬冠狀結構1202係位於第11圖之開口906之內。於其他實施例中，介電層1102與金屬冠狀結構1202則占據了如第12圖所示之開口的體積。
請再次參照第2A圖，於操作214中，於裝置基板上設置一微流體通道(microfluidic)或井區(well)。此流體通道定義出位於金屬冠狀結構之上為分析物所流過之一區域。此流體通道可藉由微影方法並利用SU-8(一種環氧樹脂負型光阻)、晶圓接合技術、及/或其他適當方法所形成。請參照第13圖所示 範例，流體通道1302係設置於基板之上。流體通道1302提供了位於金屬冠狀結構1202上之一井區1304。
請再次參照第2A圖，於操作216中，於金屬冠狀結構上設置一受體(receptor)或施行一膜層處理(film treatment)。此受體可包括酵素(enzymes)、抗體(antibodies)、配位體(ligands)、蛋白質(protein)、胜肽(peptides)、核苷酸(nucleotides)、以及上述受體之數個部分。此受體可為一天然蛋白質或酵素之一修飾型態(modify form)之一端，以檢測一特定分析物。此受體之另一端則經過配置而鍵結於金屬冠狀結構或已鍵結於金屬冠狀結構上之另一分子/薄膜處理。如第14圖所示，於金屬冠狀結構1202上設置有數個受體1402。藉由金屬冠狀結構的使用，此些受體可具有用於接合之較大表面且因此可提供用於生物分子或生物體檢測之更多據點(site)。當沒有使用金屬冠狀結構時，此些受體則直接地或透過其他分子或膜層處理而設置於介電層1102上。於部分實施例中，可早於操作214之前先可施行操作216。
第2B圖之實施例係屬於本發明之一目的，其中用於生物場效電晶體裝置之電性連結與流體連結係形成於基板之同一側上。本發明係關於當生物場效電晶體裝置之電性連結與流體連結係設置於基板之相對側之上。於此些實施例中，早於載具基板連接與薄化裝置基板之前，先形成了連結位於基板之前側的多膜層內連結構之數個電極與接墊。而於後側，則並沒有形成有溝槽602。
於生物場效電晶體裝置之操作中，可提供包含標 靶分子(target molecules)之溶液至流體通道中。此生物場效電晶體裝置可包括用於處裡標靶分子之數個不同區域。部分之生物材料可經過分解(lysed)、分離(seperated)、染色(dyed)，且採用化學、電子或光學裝置而測試或分析之。舉例來說，可將一滴血置入一入口且藉由電漿與細胞種類而初步地分離。於血滴內之部分細胞可經過分解。分解物(lysate)內之部分之巨分子(macromolecules)可於流體通道內更經過分解以應用於下游分析中。可藉由酵素反應(enzyme reaction)、限制酶(restriction)或剪切(shearing)等方式將DNA分子片段化(fragment)成為標靶股(target strands)。
將生物材料處理成為標靶(targets)之後，可使其流經包括此些生物場效電晶體之微流體通道與井區以偵測此些標靶。可使用介電層1102或金屬冠狀結構1202作為生物場效電晶體之感測表面。上述流動經過控制，使得標靶可於反應時間之內於感測表面上存在有長滯留時間。於部分實施例中，可改變一或多個閘極偏壓(gate bias)，以收集流經生物場效電晶體之電流值。可收集並分析此生物場效電晶體之電性資料。
於多個實施例中，CMOS製造工廠(例如晶圓廠)可依據多個實施例而施行此方法而形成具有流體通道之相關裝置。於一實施例中，則可藉由一後續使用者以提供表面處理技術、離子化溶液、受體及相似物等。
簡言之，本發明所揭示之方法與裝置提供了採用CMOS及/或CMOS相容製程所製造出之一種生物場效電晶體。本發明所揭示之生物場效電晶體之部分實施例可用於生物及/ 或醫學應用中，包括了牽涉到液體、生物體、及/或試劑。在此描述之部分實施例中之一種檢測機制包括了起因於目標生物分子或生物體與流體閘極結構或設置(固定化)於一裝置之流體閘極結構上之受體分子的結合情形之生物場效電晶體之場效應電晶體之電導調變情形。
此生物場效電晶體之部分實施例中係按照陣列物型態設置。閘極結構可形成於絕緣層上覆矽基板上。於部分實施例中，此實施情形具有於更高速度下操作及/或消耗更少功率等優點。形成於一絕緣層上覆矽基板上之倒置電晶體可達到較佳之製程均勻度、具有較佳製程控制、以及增加生物場效電晶體之密度。部分實施例可提供了較佳之短通道效應，例如基於形成於絕緣層上覆矽基板的因素。其他特徵包括了較低漏電流、較低功率消耗、以及免於放射製程(irradiation process)之較少裝置噪音情形。
因此，可以理解的是於一實施例中，本發明描述了一種生物場效電晶體元件，包括：一基板；一電晶體結構，位於該基板內，具有位於一源極區、一汲極區與一主動區上之一閘極結構，該主動區包括一通道區以及一經處理層；一隔離層，位於該基板相對於該閘極結構之一側，該隔離層具有位於該電晶體結構之該主動區處之一開口；以及一介電層，位於該開口內。
本發明之一目的係關於包括生物場效電晶體之陣列物之一種半導體裝置。於該陣列物內之複數個第一與第二生物場效電晶體包括了位於一源極區與一汲極區之間且位於一 閘極結構之下之一主動區。該主動區包括鄰近該閘極結構之一通道區以及一經處理層。於該些第一生物場效應電晶體內之該經處理層包括一第一濃度之一第一摻質。於該些第二生物場效應電晶體內之該經處理層包括一第二濃度之一第二摻質。該些第一與第二生物場效應電晶體液包括一介電層，設置於相對於該通道區之該經處理層之一側上。
本發明之另一目的係關於一種生物場效電晶體之製造方法，包括：形成一電晶體於一半導體基板上，其中該電晶體包括形成於該半導體基板之一側上之一閘極結構與位於一源極區與一汲極區之間之一主動區；於設置於該半導體基板之一第二側之一隔離層內蝕刻形成一開口，其中該開口露出了該電晶體之該主動區；埋設一摻質穿透該開口之該底部至該電晶體之主動區內以形成一經處理層；以及沉積一介電層於該經處理層上。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
300‧‧‧生物場效電晶體
308‧‧‧主動層
312‧‧‧閘極介電層
314‧‧‧閘極電極
316‧‧‧源極/汲極區
318‧‧‧多膜層內連結構
319‧‧‧主動區
320‧‧‧導線
322‧‧‧介層物
324‧‧‧介電層
402‧‧‧載具基板
404‧‧‧保護層
702‧‧‧隔離層
802‧‧‧內連層
902‧‧‧保護層
904‧‧‧開口
1002‧‧‧經處理層
1102‧‧‧介電層
1202‧‧‧金屬冠狀結構
1302‧‧‧流體通道
1304‧‧‧井區
1402‧‧‧受體

Claims (10)

  1. 一種生物場效電晶體元件，包括：一基板；一電晶體結構，位於該基板內，具有位於一源極區、一汲極區與一主動區上之一閘極結構，該主動區包括一通道區以及一經處理層；一隔離層，位於該基板相對於該閘極結構之一側，該隔離層具有位於該電晶體結構之該主動區處之一開口；以及一介電層，位於該開口內。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物場效電晶體元件，更包括一金屬冠狀結構，位於該隔離層上且至少部分地覆蓋了該開口之數個側壁。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生物場效電晶體元件，更包括一流體通道，設置於該隔離層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物場效電晶體元件，更包括一多膜層內連物，設置於該基板內並位於相同於該閘極結構之該基板之一側。
  5. 一種生物場效電晶體元件之製造方法，包括：形成一電晶體於一半導體基板上，其中該電晶體包括形成於該半導體基板之一側上之一閘極結構與位於一源極區與一汲極區之間之一主動區；於設置於該半導體基板之一第二側之一隔離層內蝕刻形成一開口，其中該開口露出了該電晶體之該主動區；埋設一摻質穿透該開口之該底部至該電晶體之主動區內以 形成一經處理層；以及沉積一介電層於該經處理層上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之生物場效電晶體元件之製造方法，更包括：薄化該半導體基板；以及沉積一隔離層於該半導體基板之一第二側上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之生物場效電晶體元件之製造方法，其中該半導體基板為一絕緣層上覆矽基板，而該薄化至少部分地移除了一埋設氧化物層。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之生物場效電晶體元件之製造方法，更包括：形成一金屬冠狀結構於該介電層上，其中該金屬冠狀結構覆蓋了該隔離層之一部；以及接合一受體至該金屬冠狀結構上，其中該受體係擇自由酵素、抗體、配位體、胜肽、核苷酸、器官之細胞、有機體或組織的片段。
  9. 一種半導體裝置，包括：複數個第一生物場效電晶體，分別包括：一主動區，位於一源極區與一汲極區之間且位於一閘極結構之下，該主動區包括一通道區以及一第一經處理層，且其中該通道區鄰近該閘極結構；一介電層，設置於該第一經處理層之相對於該通道區之一側，其中該第一經處理層包括一第一濃度之一第一摻質；以及 複數個第二生物場效電晶體，分別包括：一主動區，位於一源極區與一汲極區之間且位於一閘極結構之下，該主動區包括一通道區以及一第二經處理層，且其中該通道區鄰近該閘極結構；以及一介電層，設置於該第二經處理層之相對於該通道區之一側，其中該第二經處理層包括一第二濃度之一第二摻質。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體裝置，其中該第一生物場效電晶體為一N型電晶體，且該第一摻質為氫，而其中該第二生物場效電晶體為一P型電晶體，且該第二摻質為硼。
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