本发明专利技术公开了一种基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器，主要解决现有技术灵敏度低，制造工艺复杂的问题。其自下而上依次为衬底(1)、沟道区(4)、栅极绝缘介质层(5)、栅极铁电层(7)、栅极氮化钛层(8)、栅极金属层(9)、源区(3)、导电层(11)，该沟道区的两侧为漏区(6)，漏区两侧设有隔离槽(2)，该栅极绝缘介质层的垂直部分两侧设有生物填充层(10)，其中，沟道区采用倒T形结构；栅绝缘介质层采用对称的L形结构；栅极金属层由下层金属铪和上层金属铝构成，本发明专利技术显著提高了生物传感器的灵敏度和开态电流，能有效抑制短沟道效应和双极效应，且制造工艺简单，制造成本低，可用于无标记检测生物分子。记检测生物分子。记检测生物分子。
【技术实现步骤摘要】
基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器及制备方法
[0001]本专利技术属于半导体器件
，尤其涉及一种负电容隧穿场效应晶体管，可用于无标记检测生物分子。
技术介绍
[0002]随着科学技术的发展和进步，医学检验技术、环境监测和农业工业领域对快速检测分析的生物传感技术性能要求越来越高。特别是在医学检验领域，由于对即时检测工具的需求不断增大，亟需一种具有灵敏度高、可靠性高、低成本和低响应时间的生物传感器。
[0003]基于场效应晶体管的介电调制生物传感器是目前较优的解决方案，其不仅能够克服离子敏感生物传感器的只能检测带电荷的生物分子，而对电中性的生物分子无法检测的缺点，并且具有体积小，灵敏度高，功耗低，能与现有CMOS工艺相兼容的特点和快速筛选生物分子的优势。
[0004]但是随着半导体器件尺寸的不断缩小，基于传统MOS场效应晶体管的生物传感器，面临着短沟道效应导致功耗上升和无法突破室温下亚阈值摆幅的极限等问题，而基于隧穿场效应晶体管TFET的生物传感器虽然能够突破亚阈值摆幅的限制，但是存在有开态电流小，泄露功耗大，双极特性的劣势，这些都严重影响了传感器的灵敏度和性能。
[0005]目前，针对上述问题，研究者已提出了多种改进方案：
[0006]申请号：CN202011516842.4的专利文件公开了一种“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”方案，包括衬底、源区、纳米片堆叠区、隔离区以及漏区；该纳米片堆叠区包括平行设置的多个纳米片导电沟道层；纳米片导电沟道层与栅金属层之间形成生物分子探测腔体，上下相临的纳米片导电沟道层之间形成生物分子探测腔体。这种结构可以很好的抑制短沟道效应，其制备方法能够与现有的FinFET工艺相兼容，制造成本低，但同样存在灵敏度较低的问题；
[0007]期刊《IEEE SENSORS JOURNAL》公开发表了一种“Simulation Study of Dual Metal
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Gate Inverted T
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Shaped TFET for Label
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Free Biosensing”方案，其包括衬底，源区，漏区，沟道区，栅极和生物分子探测腔；该沟道区采用垂直结构；栅极由两种不同功函数的金属堆叠而成；生物分子探测腔设于沟道两侧。该器件制备工艺简单，但其灵敏度较低。
[0008]期刊《IEEE SENSORS JOURNAL》公开发表了一种“Design and Performance Assessment of Dielectrically Modulated Nanotube TFET Biosensor”方案，其采用纳米管结构，包括：源区，漏区，沟道区，栅区和生物分子探测腔；源区和漏区采用电荷等离子技术产生载流子；栅极金属由铬和银两种金属堆叠而成；生物分子探测腔由设于源区内部的内腔及栅极介质层上部的外腔构成。该器件虽然能够避免掺杂波动的影响，但其制造工艺较为复杂，制造成本高，且灵敏度较低。
[0009]申请号为CN201910224882.2的专利文件公开了一种“基于隧穿场效应晶体管的半
导体生物传感器及其制备方法”，如图1所示，其包括：SOI衬底和互连金属，隔离槽，源区、沟道区和漏区；沟道区的表面设有栅介质层；栅介质层的上表面设有栅极金属；栅介质层的左侧设有生物填层。其在隧穿场效应晶体管的基础上，在沟道区和栅介质层采用L形结构，该器件虽然能够克服室温下亚阈值摆幅的限制，工艺也较为简单，但其灵敏度较低。
技术实现思路
[0010]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于倒T形的负电容隧穿场效应晶体管生物传感器及其制备方法，以提高传感器的灵敏度，简化器件的制造工艺。
[0011]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0012]1.一种基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器，包括：衬底、隔离槽、源区、沟道区、栅极绝缘介质层、漏区、栅极铁电层、栅极氮化钛层、栅极金属层、生物填充层、导电层；该沟道区和漏区位于衬底的上表面；该隔离槽位于漏区的两侧；该源区位于沟道区的上部；该栅极绝缘介质层、栅极铁电层、栅极氮化钛层及栅极金属依次堆叠于沟道区的上侧；该生物填充层位栅极绝缘介质层垂直部分的左右两侧，其特征在于：
[0013]所述沟道区，采用倒T形结构，以增加生物分子的填充面积，提高灵敏度；
[0014]所述栅绝缘介质层，采用对称的L形结构，且位于在沟道区的两侧；
[0015]所述栅极铁电层，堆叠于栅绝缘介质层的水平部分之上；
[0016]所述栅极金属层，设为上下两层，且上层采用金属铝，下层采用金属铪。
[0017]进一步，所述倒T形沟道区，其水平部分长度与垂直部分长度之比1.8:1～2:1。
[0018]进一步，所述栅绝缘介质层，采用对称的L形结构，其水平部分长度为与垂直部分长度之比为0.7:1～1:1。
[0019]进一步，所述栅极铁电层，采用氧化锆铁电材料，其厚度为5.5nm～10.5nm。
[0020]进一步，所述上下两层栅极金属层，其上层与下层金属厚度之比为1:0.6～1:1。
[0021]进一步，所述衬底，采用底层硅，氧化物埋层和顶层硅三层结构。
[0022]进一步，所述源区，采用锗半导体材料。
[0023]进一步，所述沟道区和漏区，均采用硅半导体材料。
[0024]2.一种基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0025]1)选用本征底层硅衬底，在其表面依次淀积氧化物埋层和顶层硅，形成SOI衬底；
[0026]2)在顶层硅的两侧进行光刻和刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成浅槽隔离区，进行氧化物淀积，形成隔离槽，并将其表面打磨平整；
[0027]3)在顶层硅表面的中部位置进行光刻和刻蚀，形成源区的凹槽，利用化学气相外延淀积工艺在该凹槽内淀积锗，再在锗中通入硼掺杂气体进行原位掺杂，形成P型源区；
[0028]4)在源区的两侧进行光刻和刻蚀，形成两个对称的L形的凹槽结构，利用化学气相外延淀积工艺在L形凹槽表面淀积二氧化硅，形成栅绝缘介质层；
[0029]5)在靠近隔离槽的栅绝缘介质层表面采用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉部分二氧化硅，露出硅表面，以形成对称的漏区图形，利用离子注入工艺在漏区注入砷离子，再退火激活杂质，形成N型漏区；
[0030]6)在栅绝缘介质层上，利用化学气相外延淀积工艺淀积多晶硅假栅；
[0031]7)采用离子刻蚀工艺刻蚀L形栅介质层水平部分上的多晶硅假栅，保留L形栅介质层上垂直部分的多晶硅假栅，利用原子层淀积法ALD在L形栅介质层水平部分表面淀积氧化锆，并采用快速热处理RTA的方法，处理铁电层，形成栅极铁电层；
[0032]8)在栅极铁电层上，利用化学气相外延淀积工艺淀积导电材料氮化钛，形成栅极氮化钛层；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器，包括：衬底(1)、隔离槽(2)、源区(3)、沟道区(4)、栅极绝缘介质层(5)、漏区(6)、栅极铁电层(7)、栅极氮化钛层(8)、栅极金属层(9)、生物填充层(10)、导电层(11)；该沟道区(4)和漏区(6)位于衬底(1)的上表面；该隔离槽(2)位于漏区(6)的两侧；该源区(3)位于沟道区(4)的上部；该栅绝缘介质层(5)、栅极铁电层(7)、栅极氮化钛层(8)及栅极金属(9)依次堆叠于沟道区(4)的上侧；该生物填充层(10)位于栅极绝缘介质层(5)垂直部分的左右两侧，其特征在于：所述沟道区(4)，采用倒T形结构，以增加生物分子的填充面积，提高灵敏度；所述栅绝缘介质层(5)，采用对称的L形结构，且位于在沟道区(4)的两侧；所述栅极铁电层(7)，堆叠于栅绝缘介质层(5)的水平部分之上；所述栅极金属层(9)，设为上下两层，且上层采用金属铝，下层采用金属铪。2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述倒T形沟道区，其水平部分长度与垂直部分长度之比为1.8:1～2:1。3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述栅绝缘介质层，采用对称的L形结构，其水平部分长度为与垂直部分长度之比为0.7:1～1:1。4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述栅极铁电层，采用HZO铁电材料，其厚度为5.5nm～10.5nm。5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述上下两层栅极金属层，其上层与下层金属厚度之比为1:0.6～1:1。6.权利要求1所述的生物传感器，其特征在于：所述衬底，采用底层硅、氧化物埋层和顶层硅中三层结构；所述源区，采用锗半导体材料；所述沟道区和漏区，均采用硅半导体材料。7.一种基于倒T形负电容隧穿场效应晶体管的生物传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选用本征底层硅衬底，在其表面依次淀积氧化物埋层和顶层硅，形成SOI衬底(1)；2)在顶层硅的两侧进行光刻和刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成浅槽隔离区，进行氧化物淀积，形成隔离槽(2)，并将其表面打磨平整；3)在顶层硅表面的中部位置进行光刻和刻蚀，形成源区的凹槽，利用化学气相外延淀积工艺在该凹槽内淀积锗，再在锗中通入硼掺杂气体进行原位掺杂，形成P型源区(3)；4)在源区(3)的两侧进行光刻和刻蚀，形成两个对称的L形的凹槽结构，利用化学气相外延淀积工艺在L形凹槽表面淀积二氧化硅，形成栅绝缘介质层(5)；5)在靠近...
【专利技术属性】
技术研发人员：李聪，罗迪，王云奇，李欧文，邝丰玉，游海龙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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