[發(fā)明專利]基于垂直隧穿的場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及其制備方法

在審

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• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108074979A
• 公開（公告）日: 2018-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高安然;趙蘭天;趙清太;李鐵;王躍林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L29/739
• 分類號: H01L29/739;H01L21/331;H01L29/10;G01N27/00
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 佟婷婷

本發(fā)明提供一種基于垂直遂穿的場效應(yīng)晶體管及生物傳感器及制備，晶體管制備包括：提供SOI襯底；減薄頂層硅，定義出硅納米線溝道圖形及連接于兩端的源區(qū)圖形及漏區(qū)圖形；將上述圖形轉(zhuǎn)移至頂層硅上，并進(jìn)行離子注入形成硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)；減薄源區(qū)，并于部分源區(qū)表面及納米線溝道表面形成介質(zhì)層；于源區(qū)的表面制作源電極，于所述漏區(qū)表面制作漏電極，并于底層硅或埋氧層上制作柵電極。通過上述方案，本發(fā)明的晶體管基于垂直隧穿，包含點(diǎn)隧穿和線隧穿，具有更低的亞閾值斜率，可用于高靈敏的生化分子檢測；具有雙極特性，可對雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，保證檢測的準(zhǔn)確性；采用高K介質(zhì)層材料，增強(qiáng)檢測的穩(wěn)定性并提高對生物分子的響應(yīng)能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及各自的制備方法。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體生物傳感器是生物分子識別器件(生物敏感膜)與半導(dǎo)體器件結(jié)合構(gòu)成的傳感器，基于半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(field effect transistor，F(xiàn)ET)的生物傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單，成本低，便于批量生產(chǎn)；機(jī)械性能好，抗震性能好，壽命長；輸出阻抗低，便于與后續(xù)電路匹配；可在同一芯片上集成多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)多功能、多參數(shù)的檢測等優(yōu)勢，半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管生物傳感器被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的器件之一。

其中，基于硅納米結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管傳感器具有極大的比表面積，溝道內(nèi)載流子對溝道表面電荷分布極其敏感，具有高靈敏度、高特異性、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，利于生物分子傳感。而隨著半導(dǎo)體MOSFET器件的特征尺寸進(jìn)入納米尺度，短溝道效應(yīng)對傳統(tǒng)MOSFET器件的性能造成了嚴(yán)重影響，通過尺寸縮小來獲得性能提升的方法變得越來越困難。

近年來，一種基于量子隧穿機(jī)理的場效應(yīng)器件隧穿場效應(yīng)晶體管(tunnelingfield-effect transistor，TFET)被提出，理論上，TFET不僅可以有效抑制短溝道效應(yīng)，還能突破傳統(tǒng)MOSFET亞閾值擺幅(Sub-threshold Swing)不能低于60mV/dec的限制，從而大幅度降低器件的開關(guān)功耗，并在很大程度上提高器件的檢測靈敏度。實(shí)際上，隧穿場效應(yīng)晶體管是一種基于載流子的隧道效應(yīng)工作的器件，由于源漏的結(jié)構(gòu)對稱，當(dāng)所加?xùn)艍悍聪驎r，載流子也可以在漏區(qū)一側(cè)發(fā)生隧穿，產(chǎn)生泄露電流的大小幾乎與導(dǎo)通電流相當(dāng)，因此具有雙極特性。利用這一特性，采用同一器件將雙向檢測結(jié)果進(jìn)行對照，可以避免假陽(陰)性信號，保證檢測的準(zhǔn)確性，為器件的穩(wěn)定應(yīng)用提供保障，特別適于生化分子檢測的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的器件結(jié)構(gòu)中，隧穿多為結(jié)處的點(diǎn)隧穿，且源區(qū)電場較弱，器件的亞閾值擺幅仍然不能很好的得以降低，還存在器件的功耗難以得到降低，靈敏度難以得到提高等問題。

因此，提供一種場效應(yīng)晶體管及基于其的生物傳感器以及各自的制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的器件靈敏度低、功耗高、可靠性差以及檢測準(zhǔn)確性差等問題實(shí)屬必要。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及各自的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中器件結(jié)構(gòu)靈敏度低、功耗高、可靠性差以及檢測準(zhǔn)確性差等問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于垂直隧穿的場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟：

1)提供一SOI襯底，所述SOI襯底包括底層硅、埋氧層以及頂層硅；

2)減薄所述頂層硅至第一厚度，并采用光刻工藝定義出硅納米線溝道圖形以及連接于所述硅納米線溝道圖形兩端的源區(qū)圖形及漏區(qū)圖形；

3)采用刻蝕工藝將所述硅納米線溝道圖形、源區(qū)圖形及漏區(qū)圖形轉(zhuǎn)移至所述頂層硅上，并向所述源區(qū)圖形對應(yīng)的位置進(jìn)行第一導(dǎo)電類型的離子注入，向所述漏區(qū)圖形對應(yīng)的位置進(jìn)行第二導(dǎo)電類型的離子注入，以形成硅納米線溝道、源區(qū)及漏區(qū)；

4)減薄所述源區(qū)至第二厚度，并于部分所述源區(qū)的表面以及所述納米線溝道的表面形成一層連續(xù)的介質(zhì)層；以及