离子敏感场效应晶体管及其制备工艺制造技术

本发明专利技术涉及晶体管，公开了一种离子敏感场效应晶体管及其制备工艺。包含半导体衬底，栅绝缘层，通过掺杂形成的源极和漏极以及与所述源极和所述漏极掺杂类型相同的埋设沟道，埋设沟道位于半导体衬底内靠近上表面处，且埋设沟道与半导体衬底上表面不接触，源极和漏极分别位于埋设沟道两侧，栅绝缘层位于埋设沟道之上的半导体衬底上。与现有技术相比，本发明专利技术中当源极和漏极之间产生电流时，电流优先从埋设沟道流过，而不是从栅绝缘层与半导体衬底的接触界面通过，这样就避免了由于上述接触界面存在的表面缺陷而产生的测量电流的噪声，避免了因表面载流子散射降低器件的信噪比和离子测量的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
离子敏感场效应晶体管及其制备工艺
本专利技术涉及晶体管，特别涉及离子敏感场效应晶体管及其制备工艺。
技术介绍
现有技术中，离子敏感场效应晶体管ISFET器件的结构如图1所示。包含半导体衬底101，位于半导体衬底上预设区域内的栅绝缘层104′，位于上绝缘层104两侧半导体衬底101内通过掺杂形成的源极102和漏极103，位于栅绝缘层上通过掺杂形成的栅极105，位于栅极105上的金属复合层106，位于金属复合层106上的离子敏感膜107以及分别位于源极102、漏极103和半导体衬底101背面的金属硅化物接触区110。将被测溶液109注入溶液槽108，被测溶液109中的氢离子吸附在离子敏感膜107表面，在被测溶液109表面与离子敏感膜107之间形成一界面电势，这一界面电势的大小与被测溶液中的离子活度有关。界面电势一部分降落于敏感膜层，另一部分通过金属复合层106传递到栅极105，在栅绝缘层104′中产生一个从栅极105到半导体衬底101的电场，该电场能够将栅极105附近半导体衬底101中的电子（或空穴）吸引到半导体衬底101表面，当界面电势继续增大，电场继续增大，吸引电子（或空穴）的能力增强，当界面电势增大到一阈值后，电场吸引的电子（或空穴）会在栅绝缘层104′下的半导体衬底101表面形成导电沟道，此时在源极102和漏极103之间加上电压，就会形成源极102到漏极103的电流，整个离子敏感场效应晶体管与外界电路的连接是通过金属硅化物接触区110来实现的。由上述对现有技术中离子敏感场效应晶体管工作原理的叙述可知，产生的源-漏电流是通过栅绝缘层104′与半导体衬底101的接触界面从源极102流向漏极103的，由现有技术中离子敏感场效应晶体管的制备工艺可知，栅绝缘层104′一般是二氧化硅材料，半导体衬底101一般是硅材料，栅绝缘层104与半导体衬底101的接触界面之间必然会存在表面缺陷和表面粗糙的情况，载流子在这样的接触界面中流过，受到所述接触界面的散射，整个器件在测量时必然会因表面缺陷和表面粗糙产生测量电流的噪声，因而降低整个器件的信噪比，进而使整个器件的测量离子浓度的准确性和灵敏度降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种离子敏感场效应晶体管及其制备工艺，使得测量溶液中离子的灵敏度提高，电流密度增加，以及晶体管的信噪比提升。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种离子敏感场效应晶体管，包含半导体衬底，栅绝缘层，通过掺杂形成的源极和漏极以及与所述源极和所述漏极掺杂类型相同的埋设沟道；所述埋设沟道位于所述半导体衬底内靠近上表面处，且所述埋设沟道与所述半导体衬底上表面不接触；所述源极和所述漏极分别位于所述埋设沟道两侧；所述栅绝缘层位于所述埋设沟道之上的所述半导体衬底上。本专利技术还提供了一种离子敏感场效应晶体管的制备工艺，包含以下步骤：提供一半导体衬底；对所述半导体衬底中的预设区域进行掺杂，形成埋设沟道，所述埋设沟道与所述半导体衬底上表面靠近且不接触；在所述埋设沟道之上的半导体衬底上表面生成绝缘层；刻蚀掉所述绝缘层中预设区域两侧的绝缘层，形成栅绝缘层；对所述栅绝缘层两侧的所述半导体衬底进行掺杂，形成源极和漏极，且所述源极和所述漏极与所述埋设沟道的掺杂类型相同。本专利技术还提供了一种离子敏感场效应晶体管的制备工艺，包含以下步骤：提供一半导体衬底；在所述半导体衬底上掺杂生长埋设沟道；在所述埋设沟道上生长衬底延伸层；在所述衬底延伸层上生长绝缘层；刻蚀掉所述绝缘层中预设区域两侧的绝缘层，剩下所述预设区域内的绝缘层形成栅绝缘层；对所述栅绝缘层两侧的所述衬底延伸层、所述埋设沟道和所述半导体衬底进行掺杂形成源极和漏极，所述源极和所述漏极与所述埋设沟道的掺杂类型相同。现有技术中，从源极流向漏极的电流是从栅绝缘层与半导体衬底的接触界面通过，由于栅绝缘层与半导体衬底的接触界面是两种不同材料的接触面，必然会存在表面缺陷和一定的表面粗糙度，载流子在这样的接触界面中流过，这些表面缺陷和表面粗糙度将引起载流子散射机制增强，载流子散射机制增强会导致载流子迁移率下降，整个器件在测量时必然会因表面缺陷和表面粗糙产生测量电流的噪声，因而降低整个器件的信噪比，同时还降低了电流密度，进而使整个器件的测量离子浓度的准确性和灵敏度降低。而本专利技术中的晶体管在源极和漏极之间的半导体衬底内部用掺杂的方式形成与源极和漏极掺杂类型相同的埋设沟道，当源极和漏极之间产生电流时，电流势必优先从这个埋设沟道流过，而不是从栅绝缘层与半导体衬底的接触界面流过，由于这个埋设沟道位于半导体衬底内部，与半导体衬底为一体，这样就避免了由于接触界面的表面缺陷和表面粗糙对离子测量精度与器件信噪比的影响。有电流通过埋设沟道时，相对于在栅绝缘层与半导体衬底接触界面，载流子迁移率升高，所以电流密度升高，进而提高了整个器件测量的准确性。优选地，所述埋设沟道的掺杂方式为原位掺杂或外延掺杂。埋设沟道可以通过原位掺杂如离子注入掺杂形成，也可以通过外延生长时掺杂形成，形成方式多变，工艺成熟。优选地，所述埋设沟道为原位掺杂时，若所述半导体衬底为P型硅衬底，则所述源极和所述漏极为N型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为N型低掺杂硅；若所述半导体衬底为N型硅衬底，则所述源极和所述漏极为P型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为P型低掺杂硅。埋设沟道由原位掺杂形成，掺杂类型与源极和漏极相同，这样才能保证源极和漏极有电流形成时，电流优先通过埋设沟道流过，并且载流子在埋设沟道内流动时，载流子迁移率才会比较高，进而电流密度比较高，提高了整个器件测量的准确性。优选地，所述埋设沟道为原位掺杂时，所述埋设沟道为掺杂浓度峰值处所在的半导体衬底区域。原位掺杂是从半导体衬底表面向内部掺杂，而埋设沟道是位于半导体衬底内部掺杂浓度峰值处所在的区域，这个掺杂浓度峰值处所在的区域被控制在半导体衬底内部并与半导体衬底表面有一定的距离，即与半导体衬底表面不接触，这样就保证了绝大多数源极向漏极的电流不会从半导体衬底表面流过，而是从半导体衬底内部的埋设沟道流过，避免了从表面流过时半导体衬底表面与栅绝缘层的接触面存在表面缺陷和表面粗糙对离子测量精度与器件信噪比的影响。优选地，所述埋设沟道为外延掺杂时，所述半导体衬底为N型硅衬底，所述源极和所述漏极为P型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为外延生长的P型低掺杂锗化硅SiGe层。埋设沟道也可以通过外延生长时进行掺杂形成，外延掺杂时，半导体衬底为N型，源极和漏极为P型，埋设沟道为P型的SiGe层，Si和SiGe的能带的导带位置比较接近，并且SiGe相较于硅有更小的禁带宽度，因此空穴就会汇聚到SiGe层的价带。当源极和漏极之间产生电流时，电流优先从禁带宽度较小的SiGe里流过，而不是从硅材料的半导体衬底与栅绝缘层的接触界面流过，电流在SiGe中的电流密度相较于在硅中的电流密度也会有所升高，整个器件测量离子浓度的灵敏度和准确性都会提升。优选地，所述埋设沟道的厚度小于10nm。理论上说，埋设沟道的厚度越小越好。因为，如果埋设沟道厚度太大，大于埋设沟道与半导体衬底形成的p-n结的最大耗尽区宽度，器件就无法通过栅极关闭，器件失效。埋设沟道也不能距离衬底表面太远，如果太远的话，栅极无法控制埋设沟道的耗尽与开启，器件也会失效。优选地，所述埋设沟道的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子敏感场效应晶体管，其特征在于，包含半导体衬底，栅绝缘层，通过掺杂形成的源极和漏极以及与所述源极和所述漏极掺杂类型相同的埋设沟道；所述埋设沟道位于所述半导体衬底内靠近上表面处，且所述埋设沟道与所述半导体衬底上表面不接触；所述源极和所述漏极分别位于所述埋设沟道两侧；所述栅绝缘层位于所述埋设沟道之上的所述半导体衬底上。

【技术特征摘要】
1.一种离子敏感场效应晶体管，其特征在于，包含半导体衬底，栅绝缘层，通过掺杂形成的源极和漏极以及与所述源极和所述漏极掺杂类型相同的埋设沟道；所述埋设沟道位于所述半导体衬底内靠近上表面处，且所述埋设沟道与所述半导体衬底上表面不接触；所述源极和所述漏极分别位于所述埋设沟道两侧；所述栅绝缘层位于所述埋设沟道之上的所述半导体衬底上。2.根据权利要求1所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道的掺杂方式为原位掺杂或外延掺杂。3.根据权利要求2所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道为原位掺杂时，若所述半导体衬底为P型硅衬底，则所述源极和所述漏极为N型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为N型低掺杂硅；若所述半导体衬底为N型硅衬底，则所述源极和所述漏极为P型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为P型低掺杂硅。4.根据权利要求2所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道为原位掺杂时，所述埋设沟道为掺杂浓度峰值处所在的半导体衬底区域。5.根据权利要求2所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道为外延掺杂时，所述半导体衬底为N型硅衬底，所述源极和所述漏极为P型原位高掺杂硅，所述埋设沟道为外延生长的P型低掺杂锗化硅SiGe层。6.根据权利要求1所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道的厚度小于10nm。7.根据权利要求1所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述埋设沟道的掺杂浓度小于或等于5×1015/cm3。8.根据权利要求5所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，还包含栅极，所述栅极位于所述栅绝缘层上表面，且所述栅极为N型外延高掺杂硅，掺杂浓度大于1016/cm3。9.根据权利要求1所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的材料为二氧化硅SiO2。10.根据权利要求1所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，还包含栅极，金属复合层，离子敏感膜和三个金属硅化物接触区；所述栅极位于所述栅绝缘层上表面；所述金属复合层位于所述栅极上表面；所述离子敏感膜位于所述金属复合层上表面；所述三个金属硅化物接触区分别位于所述源极、所述漏极和所述半导体衬底背面的设定区域内。11.根据权利要求10所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述离子敏感膜为单层绝缘介质层，所述离子敏感膜的材料为以下任意一种：二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5。12.根据权利要求10所述的离子敏感场效应晶体管，其特征在于，所述离子敏感膜为具有至少两层的绝缘介质层，与所述金属复合层接触的层采用的材料为二氧化硅SiO2，最表面的层采用的材料为以下任意一种：氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5。13.一种离子敏感场效应晶体管的制备工艺，其特征在于，包含以下步骤：提供一半导体衬底；对所述半导体衬底进行掺杂，形成埋设沟道，所述埋设沟道与所述半导体衬底上表面靠近且不接触；在所述半导体衬底上表面生成绝缘层；刻蚀掉所述绝缘层中预设区域两侧的绝缘层，形成栅绝缘层；对所述栅绝缘层两侧的所述半导体衬底进行掺杂，形成源极和漏极，且所述源极和所述漏极与所述埋设沟道的掺杂类型相同。14.根据权利要求13所述的离子敏感场效应晶体管的制备工艺，其特征在于，若所述半导体衬底为P型硅衬底，则所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴东平，曾瑞雪，文宸宇，张世理，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31