[發(fā)明專利]基于負電容的場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810007579.2
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108231901A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高安然;韓清華;趙蘭天;趙清太;李鐵;王躍林
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L21/336;G01N27/414
• 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)明提供一種基于負電容的場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及制備方法，場效應(yīng)晶體管的制備包括：提供半導體襯底，包括底層硅、埋氧層以及頂層硅；定義出溝道圖形及連接于兩端的源區(qū)圖形和漏區(qū)圖形；向所述源區(qū)圖形及所述漏區(qū)圖形對應(yīng)的位置進行性離子注入，形成溝道區(qū)以及源區(qū)和漏區(qū)；于溝道區(qū)的表面形成介質(zhì)層；于介質(zhì)層表面形成導電層，于導電層表面形成鐵電摻雜的鐵電性材料層；制作源電極、漏電極以及柵電極。通過上述方案，本發(fā)明將傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管與鐵電負電容集成，降低器件的亞閾值擺幅，提高傳感靈敏度和響應(yīng)速度，利于器件功率的降低，另外，本發(fā)明采用鐵電摻雜的氧化鉿作為鐵電負電容介質(zhì)，解決了無機鐵電材料難以與CMOS工藝兼容的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導體器件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于負電容的場效應(yīng)晶體管、生物傳感器及制備方法。

背景技術(shù)

21世紀的今天，科學技術(shù)已有了長足的發(fā)展，但是環(huán)境污染、食品污染、惡性疾病等依然嚴重威脅著人類的健康和生存。生化分子傳感技術(shù)能夠捕捉環(huán)境、食品和生物體內(nèi)的信息，為環(huán)境監(jiān)測、食品分析、臨床醫(yī)學診斷、生物醫(yī)學研究等提供技術(shù)支持。

半導體場效應(yīng)晶體管作為一種新型的半導體傳感技術(shù)，具有靈敏度高、易于集成、成本低等優(yōu)勢，為生化分子的快速靈敏檢測開辟一個全的途徑。亞閾值擺幅(Sub-threshold Swing，SS)是半導體場效應(yīng)晶體管傳感器的一項重要指標，與器件的靈敏度，響應(yīng)速度和功率直接相關(guān)，希望其越小越好。傳統(tǒng)的MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor)的SS受基本的物理原理限制，開關(guān)速率被限制在柵電壓每變化60mV電流變化一個數(shù)量級，即普遍所說的60mV/dec的亞閾值擺幅限制。

為解決上述問題，研究人員提出了基于不同工作原理的多種新型器件，一種是電流機制與溫度沒有直接依賴特性的器件，另外一種是通過反饋或增益機制方法增強放大特性的器件。這兩類器件可以分別稱為以隧穿效應(yīng)為基礎(chǔ)的器件和以放大機制為基礎(chǔ)的器件。

但是，目前它們大多存在一定的應(yīng)用性問題：以隧穿機制為基礎(chǔ)的器件有肖特基勢壘MOSFET、FN隧穿晶體管和直接隧穿晶體管，肖特基勢壘MOSFET和FN隧穿晶體管有非常差的漏電流特性；而直接隧穿晶體管由于需要足夠薄的介質(zhì)層以使源漏之間發(fā)生載流子隧穿，目前還無法實現(xiàn)實物器件的制備；以放大機制為基礎(chǔ)的器件主要有部分耗盡的SOI晶體管，碰撞電離晶體管等，部分耗盡的SOI晶體管有回滯效應(yīng)，即體內(nèi)積累的空穴降低了器件的閾值電壓，需要很長的時間才能復合掉這些空穴使器件回復到原來的閾值電壓，碰撞電離晶體管的閾值電壓不穩(wěn)定，可靠性差，且需要很高的漏源電壓。

因此，如何提供一種基于負電容的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、生物傳感器及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述問題以及亞閾值擺幅高、靈敏度及響應(yīng)速度低以及器件功率高的問題實屬必要。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于負電容的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、生物傳感器及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中亞閾值擺幅高、靈敏度及響應(yīng)速度低以及器件功率高等問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于負電容的場效應(yīng)晶體管的制備方法，包括如下步驟：

1)提供一半導體襯底，所述半導體襯底包括底層硅、埋氧層以及頂層硅；

2)采用光刻工藝定義出溝道圖形及連接于所述溝道圖形兩端的源區(qū)圖形和漏區(qū)圖形；

3)將所述溝道圖形、源區(qū)圖形以及漏區(qū)圖形轉(zhuǎn)移至所述頂層硅上，并向所述源區(qū)圖形及所述漏區(qū)圖形對應(yīng)的位置進行性離子注入，以形成溝道區(qū)以及分別連接于所述溝道區(qū)兩端的源區(qū)和漏區(qū)；

4)于所述溝道區(qū)的表面形成介質(zhì)層；

5)于所述介質(zhì)層表面形成導電層，于所述導電層表面形成鐵電摻雜的鐵電性材料層；