基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法；该生物传感器包括衬底、源区、纳米片堆叠区、隔离区以及漏区；纳米片堆叠区靠近隔离区的一侧被环形的栅金属层包围形成沟道区，另一侧与源区相接触形成源接触区；纳米片堆叠区包括平行设置的多个纳米片导电沟道层；最上层的纳米片导电沟道层与栅金属层之间、每两个上下相近的纳米片导电沟道层之间，以及最下层的纳米片导电沟道层与栅金属层之间均形成腔体；每个腔体靠近隔离区一端的空间内填充有栅介质，另一端未填充栅介质的空间形成生物分子填充腔；生物分子填充腔的入口位于源接触区；本发明专利技术提供了一种高敏感度、能够克服短沟效应、工艺制造难度低且性能稳定的生物传感器。

【技术实现步骤摘要】
基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法
本专利技术属于半导体
，具体涉及一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法。
技术介绍
随着科学技术的不断进步，环境监测和人体医学领域对能够实现准确识别不同生物分子的传感技术的要求也越来越高。这类传感技术可以帮助技术人员精准把握环境中小分子污染源的种类或人体中的致病菌的种类，对保护生态系统和治疗人体疾病有着重要意义。基于场效应晶体管的生物传感器具有微型化、高灵敏度、与现有CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容的特点，因而被广泛应用于生物分子识别领域。随着半导体工艺节点的不断缩小，传统MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,金氧半场效晶体管)的生物传感器因短沟效应导致的功耗问题和低敏感度问题也随之而来。目前，基于TFET(TunnelingField-EffectTransistor，隧穿场效应晶体管)的生物传感器能够部分缓解短沟效应带来的功耗问题，同时也在一定程度上提高了敏感度。然而，基于TFET的生物传感器的工艺制造难度高，且成品器件容易受到工艺波动的影响，使得器件性能不稳定。
技术实现思路
为了得到一种高敏感度、能够克服短沟效应、工艺制造难度低且性能稳定的生物传感器，本专利技术提供了一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：第一方面，本专利技术提供了一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器，包括：衬底、源区、纳米片堆叠区、隔离区以及漏区；其中，所述源区、所述纳米片堆叠区、所述隔离区以及所述漏区沿水平方向依次设置于所述衬底之上；所述纳米片堆叠区靠近所述隔离区的一侧被环形的栅金属层包围形成沟道区，另一侧与所述源区相接触形成源接触区；所述纳米片堆叠区包括平行设置的多个纳米片导电沟道层；其中，最上层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间、每两个上下相近的纳米片导电沟道层之间，以及最下层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间均形成腔体；每个所述腔体靠近所述隔离区一端的空间内填充有栅介质，另一端未填充栅介质的空间形成生物分子填充腔；所述生物分子填充腔的入口位于所述源接触区；所述源区上表面设有源电极、所述漏区上表面设有漏电极、所述栅金属层的表面设有栅电极。在一个实施例中，所述纳米片导电沟道层的数量为3～5个。在一个实施例中，所述纳米片导电沟道层的长度为20纳米～40纳米，宽度为20纳米～30纳米；所述生物分子填充腔的宽度与所述纳米片导电沟道层的宽度相等。在一个实施例中，所述栅介质的材质包括：二氧化铪。在一个实施例中，所述纳米片导电沟道层的材质为P型掺杂的硅材料。第二方面，本专利技术提供了一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器的制备方法，包括：步骤1：在衬底上制作堆叠层；所述堆叠层由多层锗硅和多层硅交叉堆叠而成，每层硅的厚度为纳米级别；步骤2：在所述堆叠层中段的外表面淀积多晶硅绝缘层；步骤3：刻蚀掉所述堆叠层的两端，以在所述衬底上形成两部分预留空间；步骤4：针对所述堆叠层，移除未被所述多晶硅绝缘层覆盖区域下的各层锗硅，并对未被所述多晶硅绝缘层覆盖区域下的各层硅进行N型掺杂；步骤5：部分移除被所述多晶硅绝缘层覆盖区域下的各层锗硅，形成多个凹槽，并利用栅介质填充所述凹槽；步骤6：在所述两部分预留空间上分别制作源区和漏区，并在所述漏区和所述堆叠层之间制作隔离区；步骤7：移除所述多晶硅绝缘层，并基于所述多晶硅绝缘层被刻蚀掉的区域制作环状的栅金属层，形成环栅结构；步骤8：移除所述堆叠层中剩余的锗硅；被移除的锗硅所占据的空间形成生物分子填充腔；步骤9：在所述源区的上表面制作源电极，在所述漏区的上表面制作漏电极，并在所述栅金属层的表面制作栅电极；其中，所述堆叠层中的各层硅形成为多个纳米片导电沟道层；所述多个纳米片导电沟道层形成纳米片堆叠区；所述源区、所述纳米片堆叠区、所述隔离区以及所述漏区沿水平方向依次设置于所述衬底之上；所述纳米片堆叠区中，被所述栅金属层覆盖的区域为沟道区，未被所述栅金属层覆盖的区域为源接触区；所述生物分子填充腔的入口位于所述源接触区。在一个实施例中，所述方法还包括：在步骤4执行完毕时，打磨所述堆叠层中当前暴露出的各层硅，以及，在步骤8执行完毕时，打磨所述堆叠层中的各层硅。在一个实施例中，所述在衬底上制作堆叠层，包括：制作衬底；在所述衬底上从下往上交替淀积锗硅层和硅层；其中，在每淀积一层锗硅并淀积一层硅后，均对当前的样品执行热退火、固相再结晶以及离子注入掺杂工艺。在一个实施例中，所述纳米片导电沟道层的数量为3～5个。在一个实施例中，所述纳米片导电沟道层的长度为20纳米～40纳米，宽度为20纳米～30纳米；所述生物分子填充腔的宽度与所述纳米片导电沟道层的宽度相等。相比于传统的生物传感器，本专利技术提供的基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器具有多个可以填充生物分子的腔体，允许更多的生物分子落位，从而可以提高检测几率和敏感度。本专利技术中，纳米片导电沟道层的宽度越宽，填充生物分子的腔体进一步扩大，生物分子对器件特性造成的影响也更大，使得生物传感器的敏感程度越高；也就是说，通过调节该纳米片导电沟道层的宽度，可以实现调节整个生物传感器的敏感度。并且，本专利技术提供的生物传感器具有环形栅，提高了栅极对沟道的控制能力，从而可以很好的抑制短沟道效应。该生物传感器可以基于现有的Finfet(FinField-EffectTransistor，鳍式场效应晶体管)制造工艺来制造，容易量产出性能稳定的器件，制造成本低。综上，本专利技术提供了一种高敏感度、能够克服短沟效应、工艺制造难度低且性能稳定的生物传感器。以下将结合附图及对本专利技术做进一步详细说明。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器的结构示意图；图2是将图1所示生物传感器沿横向一分为二后的左侧视图；图3是本专利技术实施例提供的基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器的制备方法的流程示意图；图4至图12示出了本专利技术实施例中制备生物传感器的过程。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。为了得到一种高敏感度、能够克服短沟效应、工艺制造难度低且性能稳定的生物传感器，本专利技术实施例提供了一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法。首先，对本专利技术实施例提供的基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器进行详细说明，如图1所示，该生物传感器包括：衬底1、源区2、纳米片堆叠区、隔离区5以及漏区4。其中，源区2、纳米片堆叠区、隔离区5以及漏区4沿水平方向依次设置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器，其特征在于，包括：衬底、源区、纳米片堆叠区、隔离区以及漏区；其中，/n所述源区、所述纳米片堆叠区、所述隔离区以及所述漏区沿水平方向依次设置于所述衬底之上；/n所述纳米片堆叠区靠近所述隔离区的一侧被环形的栅金属层包围形成沟道区，另一侧与所述源区相接触形成源接触区；所述纳米片堆叠区包括平行设置的多个纳米片导电沟道层；其中，最上层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间、每两个上下相近的纳米片导电沟道层之间，以及最下层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间均形成腔体；每个所述腔体靠近所述隔离区一端的空间内填充有栅介质，另一端未填充栅介质的空间形成生物分子填充腔；所述生物分子填充腔的入口位于所述源接触区；/n所述源区上表面设有源电极、所述漏区上表面设有漏电极、所述栅金属层的表面设有栅电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器，其特征在于，包括：衬底、源区、纳米片堆叠区、隔离区以及漏区；其中，
所述源区、所述纳米片堆叠区、所述隔离区以及所述漏区沿水平方向依次设置于所述衬底之上；
所述纳米片堆叠区靠近所述隔离区的一侧被环形的栅金属层包围形成沟道区，另一侧与所述源区相接触形成源接触区；所述纳米片堆叠区包括平行设置的多个纳米片导电沟道层；其中，最上层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间、每两个上下相近的纳米片导电沟道层之间，以及最下层的纳米片导电沟道层与所述栅金属层之间均形成腔体；每个所述腔体靠近所述隔离区一端的空间内填充有栅介质，另一端未填充栅介质的空间形成生物分子填充腔；所述生物分子填充腔的入口位于所述源接触区；
所述源区上表面设有源电极、所述漏区上表面设有漏电极、所述栅金属层的表面设有栅电极。


2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述纳米片导电沟道层的数量为3～5个。


3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述纳米片导电沟道层的长度为20纳米～40纳米，宽度为20纳米～30纳米；
所述生物分子填充腔的宽度与所述纳米片导电沟道层的宽度相等。


4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述栅介质的材质包括：二氧化铪。


5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述纳米片导电沟道层的材质为P型掺杂的硅材料。


6.一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：在衬底上制作堆叠层；所述堆叠层由多层锗硅和多层硅交叉堆叠而成，每层硅的厚度为纳米级别；
步骤2：在所述堆叠层中段的外表面淀积多晶硅绝缘层；
步骤3：刻蚀掉所述堆叠层的两端，以在所述衬底上形成两部分预留空间；
步骤4：针对所述堆叠层，移除未被所述多晶硅绝缘层覆盖区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘飞辰，
申请(专利权)人：西安国微半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61