CN109959696B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器，主要解决常规半导体生物传感器无法辨别中性生物分子，检测敏感精度低的问题，其包括：SOI衬底(1)和互连金属(9)；SOI衬底的两侧设有隔离槽(2)，SOI衬底的上表面设有源区(3)、沟道区(4)和漏区(6)；沟道区的表面设有栅介质层(5)；栅介质层的上表面设有栅极金属(7)；栅介质层的左侧设有生物填层(8)。其中，源区采用锗材料；沟道区和栅介质层均采用L形结构；沟道区采用非均匀掺杂，水平沟道区(41)用本征掺杂，垂直沟道区(42)用浓度为1017～1018cm‑3的N型掺杂。本发明能检测电中性的生物分子，提高检测敏感精度，降低实现成本。

Description

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
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及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，适用于对未知生物物质的检测。
背景技术
随着科学技术的发展和进步，人为干预和生物恐怖主义对生态系统造成了较为严重的污染，生物病原体的检测和辨别是从源头上抑制生物污染的有效办法。因此，基于场效应晶体管的半导体生物传感器被用于检测生物物质。
早期的半导体生物传感器是通过物质的带电性来判断的，典型器件为离子敏感场效应晶体管，其结构如图1所示，它包括：硅衬底、源区、沟道区、漏区、栅介质层，并用离子敏感薄膜、电解质溶液和参考电极作栅极。其中，栅介质层位于沟道表面，源区和漏区位于沟道的两侧，离子敏感薄膜位于栅介质层上，离子敏感薄膜对于待检测的生物离子具有高灵敏度，可用以识别生物物质。
然而，该传感器是通过离子敏感薄膜识别生物离子，因此它无法检测电中性的生物分子，这限制了器件的使用范围。此外，由于短沟道效应和亚阈值摆幅极限的问题，该传感器无法进一步缩小尺寸，因而无法降低制备成本和提高检测敏感度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统的半导体生物传感器的不足，提出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，以实现检测电中性的生物分子，提高对生物分子的检测精度。
为实现上述目的，本发明的本发明基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器，包括：SOI衬底和互连金属；SOI衬底的两侧设有隔离槽，SOI衬底的上表面设有源区、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，其特征在于：
所述源区，采用锗半导体材料；
所述沟道区和栅介质层，均采用L形的结构；
所述栅极金属的左侧设有生物填层。
进一步，所述SOI衬底自下而上依次由初始硅片、中间氧化物埋层和外延硅构成。
进一步，所述L形沟道区采用非均匀掺杂，且水平的沟道区采用本征掺杂，垂直的沟道区采用浓度为1017～1018cm-3的N型掺杂。
为实现上述目的，本发明基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器制备方法，包括如下步骤：
1)在硅衬底表面依次淀积厚度为10～15nm的氧化物埋层和厚度为13～15nm的外延硅；
2)在外延硅的两侧进行光刻和刻蚀，形成浅沟槽隔离区，并进行氧化物淀积，形成厚度为10～15nm隔离槽；
3)先在外延硅的左侧表面进行光刻和刻蚀，形成深度为5～6nm的源区凹槽，然后在300℃～600℃的条件下，外延淀积锗材料填充源区凹槽，同时在锗中通入硼气体进行原位掺杂，掺杂浓度为1020cm-3，形成P型源区；
4)在外延硅的中部表面进行光刻和刻蚀，形成深度为8～10nm的L形的凹槽结构，然后在L形的凹槽上外延淀积本征硅半导体，形成厚度为2nm的沟道层；
5)在源区右侧，利用光刻和刻蚀工艺暴露出垂直沟道区的图形，再用离子注入工艺在暴露的图形上注入砷离子，形成掺杂浓度为1017～1018cm-3的N型沟道区；
6)在L形的沟道层表面淀积厚度为2～3nm的栅介质层；
7)在栅介质层的右侧，采用光刻和刻蚀工艺暴露出漏区图形，利用离子注入工艺在漏区注入砷离子，形成掺杂浓度为1018cm-3的N型漏区；
8)在L形的栅介质层上，利用淀积和刻蚀工艺形成栅极和生物填充层：
8a)在栅介质层的左侧，利用外延淀积工艺淀积厚度为4～5nm的多晶硅；
8b)以纯度为98％的TiCl4和纯度为99.99％的NH3为原料，以纯度为99.99％的Ar为载气,在600℃～700℃的条件下，在多晶硅的右侧淀积氮化钛作栅极，淀积厚度与多晶硅厚度相同；
8c)利用选择性刻蚀工艺将多晶硅刻蚀掉，留出的空隙作为生物填充层；
9)在源区、漏区和栅极光刻引线窗口，淀积铜作互连线，形成源电极、漏电极和栅电极，最终完成基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器的制备。
本发明具有如下优点：
第一，本发明的源区采用锗材料，提高了器件的检测敏感度；
第二，本发明的沟道区采用非均匀掺杂，进一步提高了器件的检测敏感度；
第三，本发明的生物填充层位于栅介质层和栅极金属之间，故所填充生物分子的介电常数会显著影响器件的输出，使得器件能够检测出电中性的生物分子，可扩大了器件的检测范围；
第四，本发明的制作工艺简单易行，与现有半导体制造工艺兼容，降低了实现成本。
附图说明
图1为常规的半导体生物传感器的结构示意图；
图2为本发明器件的结构示意图；
图3为本发明制作图2器件的流程示意图；
图4和图5为本发明实施例1的计算机辅助设计软件仿真特性曲线图；
图6和图7为本发明实施例2的计算机辅助设计软件仿真特性曲线图；
图8和图9为本发明实施例3的计算机辅助设计软件仿真特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的实施例及效果进行详细描述：
2.参照图2，本发明的半导体生物传感器，包括：SOI衬底1、隔离槽2、源区3、沟道区4、栅介质层5、漏区6、栅极金属7、生物填充层8和导电层9。其中，SOI结构的衬底1由初始硅片11、中间氧化物埋层12和Si外延层13构成；隔离槽2位于Si外延层13的两侧；源区3、沟道区4和漏区6自左向右依次位于Si外延层13的上表面；沟道区由本征掺杂沟道层41和N型掺杂沟道层42构成；沟道区4的表面设有栅介质层5；栅介质层5的右侧设有生物填充层8；导电层9由源电极91、栅电极92和漏电极93构成。该源区3采用窄带隙的锗材料；沟道区4和栅介质层5均采用L形的结构；栅介质层采用高K材料二氧化铪；L形沟道区4采用非均匀掺杂，且水平的沟道区41采用本征掺杂，垂直的沟道区42采用浓度为1017～1018cm-3的N型掺杂。
参照图3，本发明制备基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器方法，给出如下三种实施例：
实施例1，制作垂直沟道区掺杂浓度为1017cm-3的半导体生物传感器。
步骤1，制作SOI衬底，如图3(a)。
1a)在初始硅片上干氧氧化，生成厚度为10nm的SiO2氧化物埋层；
1b)通过外延生长工艺在氧化物埋层上生长厚度为15nm硅作为外延层，形成SOI衬底。
步骤2，在外延硅的两侧刻蚀形成隔离槽，如图3(b)。
2a)在外延硅的表面先淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；
2b)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成浅沟槽隔离图形；
2c)利用干法刻蚀工艺在浅沟槽隔离图形处进行刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成浅沟槽隔离区；
2d)使用化学气相淀积设备，通过化学气相淀积工艺淀积二氧化硅材料填充浅沟槽隔离区，且填充二氧化硅的厚度与外延硅厚度相同；
2e)使用抛光机，对外延硅表面进行机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
步骤3，在外延硅的左侧表面形成锗基的P型源区，如图3(c)。
3a)在外延硅的表面先淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；
3b)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成源区的图形；
3c)利用干法刻蚀工艺在源区图形处进行刻蚀，形成深度为5nm的源区凹槽；
3d)在600℃的条件下利用化学气相淀积工艺在源区凹槽内填充锗材料，同时在锗中通入硼掺杂气体对源区进行原位掺杂，掺杂浓度为1020cm-3，形成P型源区；
3e)使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
步骤4，在外延硅的中部形成L形的沟道区，如图3(d)。
4a)在外延硅的表面先淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；
4b)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成L形凹槽区域的图形；
4c)利用干法刻蚀工艺在凹槽区域图形处刻蚀，形成厚度为8nm的L形凹槽；
4d)在L形的凹槽内，利用外延淀积形成厚度为2nm的沟道层；
4e)使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤5，对垂直的沟道区进行N型掺杂，掺杂浓度为1017cm-3，如图3(e)。
5a)外延硅的表面先淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；
5b)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上表面上形成垂直沟道区的图形；
5c)利用干法刻蚀工艺在垂直沟道区的图形处刻蚀，暴露出垂直的沟道
5d)在暴露的垂直沟道区上，利用离子注入工艺注入浓度为1017cm-3砷离子；
5e)利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；
5f)用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤6，利用化学气相淀积在沟道层表面淀积二氧化铪，形成厚度为2nm的栅介质层如图3(f)。
步骤7，制备掺杂浓度为1018cm-3的N型漏区，如图3(g)。
7a)在外延硅和L形栅介质的表面淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；
7b)利用光刻工艺在L形栅介质的右侧进行曝光，暴露出覆盖漏区的Si3N4保护层，再利用选择性刻蚀工艺将暴露的Si3N4保护层刻蚀掉，暴露出漏区；
7c)在暴露的漏区上，利用离子注入工艺注入浓度为1018cm-3砷离子；
7d)利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；
7e)用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅和L形栅介质表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤8，在L形栅介质上制备栅极和生物填充层，如图3(h)。
8a)在栅介质层的右侧，利用外延淀积工艺淀积厚度为4nm的多晶硅；
8b)以纯度为98％的TiCl4和纯度为99.99％的NH3为原料，纯度为99.99％的Ar为载气,在600℃的条件下，在多晶硅的右侧淀积氮化钛作栅极，淀积厚度与多晶硅厚度相同；
8c)利用选择性刻蚀工艺将多晶硅刻蚀掉，留出的空隙作为生物填充层。
步骤9，制作导电层，如图3(i)。
9a)使用化学气相淀积设备，利用化学气相淀积工艺在栅极的右侧凹槽内淀积Si3N4绝缘层；
9b)使用抛光机，机械抛光Si3N4绝缘层表面，使其光滑平整；
9c)使用光刻工艺暴露出源极、漏极和栅极接触孔的凹槽，形成引线孔；
9d)在源极、漏极和栅极接触孔的凹槽内溅射金属，直至填充引线孔，并机械抛光金属表面使其平整，形成源电极，栅电极和漏电极引线。
9e)利用选择性刻蚀工艺除去覆盖在生物填充层上Si3N4保护层，完成无掺杂的L型隧穿场效应晶体管的制作。
实施例2，制作垂直沟道区掺杂浓度为5×1017cm-3的半导体生物传感器。
步骤一，制作SOI衬底，如图3(a)。
1.1)准备好的底层初始硅片上干氧氧化，生成厚度为13nm的SiO2氧化物埋层；
1.2)通过外延生长工艺在氧化物埋层上生长厚度为14nm硅作为外延层，形成SOI衬底；
步骤二，在外延硅两侧刻蚀形成隔离槽，如图3(b)。
2.1)在外延硅的表面先淀积厚度为4nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为12nm的Si3N4作为保护层；
2.2)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成浅沟槽隔离图形；
2.3)利用干法刻蚀工艺在浅沟槽隔离图形处进行刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成浅沟槽隔离区；
2.4)使用化学气相淀积设备，通过化学气相淀积工艺淀积二氧化硅材料填充浅沟槽隔离区，且填充二氧化硅的厚度与外延硅厚度相同；
2.5)使用抛光机，对外延硅表面进行机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
步骤三，在外延硅的左侧表面形成锗基的P型源区，如图3(c)。
3.1)在外延硅的表面先淀积厚度为4nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为12nm的Si3N4作为保护层；
3.2)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成源区的图形；
3.3)利用干法刻蚀工艺在源区图形处进行刻蚀，形成深度为6nm的源区凹槽；
3.4)在400℃的温度条件下，利用化学气相淀积工艺在源区凹槽内填充锗材料，同时在锗中通入硼掺杂气体对源区进行原位掺杂，掺杂浓度为1020cm-3，形成P型源区；
3.5)使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
步骤四，在外延硅的中部形成L形的沟道区，如图3(d)。
4.1)在外延硅的表面先淀积厚度为4nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为12nm的Si3N4作为保护层；
4.2)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成L形凹槽区域的图形；
4.3)利用干法刻蚀工艺在凹槽区域图形处刻蚀，形成厚度为9nm的L形凹槽；
4.4)在L形的凹槽内，利用外延淀积形成厚度为2nm的沟道层；
4.5)使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤五，对垂直的沟道区进行N型掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3，如图3(e)。
5.1)外延硅的表面先淀积厚度为4nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为12nm的Si3N4作为保护层；
5.2)使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上表面上形成垂直沟道区的图形；
5.3)利用干法刻蚀工艺在垂直沟道区的图形处刻蚀，暴露出垂直的沟道；
5.4)在暴露的垂直沟道区上，利用离子注入工艺注入浓度为5×1017cm-3砷离子；
5.5)利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；
5.6)用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤六，利用化学气相淀积在沟道层表面淀积二氧化铪，形成厚度为2nm的栅介质层，如图3(f)。
步骤七，制备掺杂浓度为1018cm-3的N型漏区，如图3(g)。
7.1)在外延硅和L形栅介质的表面淀积厚度为4nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为12nm的Si3N4作为保护层；
7.2)利用光刻工艺在L形栅介质的右侧进行曝光，暴露出覆盖漏区的Si3N4保护层，再利用选择性刻蚀工艺将暴露的Si3N4保护层刻蚀掉，暴露出漏区；
7.3)在暴露的漏区上，利用离子注入工艺注入浓度为1018cm-3砷离子；
7.4)利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；
7.5)使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅和L形栅介质表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
步骤八，在L形栅介质上制备栅极和生物填充层，如图3(h)。
8.1)在栅介质层的右侧，利用外延淀积工艺淀积厚度为5nm的多晶硅；
8.2)以纯度为98％的TiCl4和纯度为99.99％的NH3为原料，纯度为99.99％的Ar为载气,在600℃的条件下，在多晶硅的右侧淀积氮化钛作栅极，淀积厚度与多晶硅厚度相同；
8.3)利用选择性刻蚀工艺将多晶硅刻蚀掉，留出的空隙作为生物填充层。
步骤九，制作导电层，如图3(i)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤9相同。
实施例3，制作垂直沟道区掺杂浓度为1018cm-3的半导体生物传感器。
第一步，制作SOI衬底，如图3(a)。
首先在准备好的底层初始硅片上干氧氧化，生成厚度为15nm的SiO2氧化物埋层；再通过外延生长工艺在氧化物埋层上生长厚度为13nm硅作为外延层，形成SOI衬底。
第二步，在外延硅的两侧刻蚀形成隔离槽，如图3(b)。
首先，在外延硅的表面先淀积厚度为5nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为10nm的Si3N4作为保护层；再使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成浅沟槽隔离图形；再利用干法刻蚀工艺在浅沟槽隔离图形处进行刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成浅沟槽隔离区；再使用化学气相淀积设备，通过化学气相淀积工艺淀积二氧化硅材料填充浅沟槽隔离区，且填充二氧化硅的厚度与外延硅厚度相同；最后，使用抛光机，对外延硅表面进行机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
第三步，在外延硅的左侧表面形成锗基的P型源区，如图3(c)。
首先在外延硅的表面先淀积厚度为5nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为10nm的Si3N4作为保护层；再使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成源区的图形；接着利用干法刻蚀工艺在源区图形处进行刻蚀，形成深度为5nm的源区凹槽；然后在300℃的温度条件下，利用化学气相淀积工艺在源区凹槽内填充锗材料，同时在锗中通入硼掺杂气体对源区进行原位掺杂，掺杂浓度为1020cm-3，形成P型源区；最后使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整，形成隔离槽。
第四步，在外延硅的中部形成L形的沟道区，如图3(d)。
首先，在外延硅的表面先淀积厚度为5nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为10nm的Si3N4作为保护层；再使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成L形凹槽区域的图形；接着利用干法刻蚀工艺在凹槽区域图形处刻蚀，形成厚度为10nm的L形凹槽；然后利用外延淀积工艺在L形的凹槽内形成厚度为2nm的沟道层；最后使用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
第五步，对垂直的沟道区进行N型掺杂，掺杂浓度为1018cm-3，如图3(e)。
先再外延硅的表面先淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，然后在该层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；再使用光刻机，利用光刻工艺在Si3N4保护层上表面上形成垂直沟道区的图形；接着利用干法刻蚀工艺在垂直沟道区的图形处刻蚀，暴露出垂直的沟道；然后在暴露的垂直沟道区上，利用离子注入工艺注入浓度为1018cm-3砷离子；再利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；最后用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
第六步，利用化学气相淀积在沟道层表面淀积二氧化铪，形成厚度为3nm的栅介质层，如图3(f)。
第七步，制备掺杂浓度为1018cm-3的N型漏区，如图3(g)。
先在外延硅和L形栅介质的表面淀积厚度为2nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为15nm的Si3N4作为保护层；再利用光刻工艺在L形栅介质的右侧进行曝光，暴露出覆盖漏区的Si3N4保护层，再利用选择性刻蚀工艺将暴露的Si3N4保护层刻蚀掉，暴露出漏区；接着在暴露的漏区上，利用离子注入工艺注入浓度为1018cm-3砷离子；再利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区；最后用抛光机，对外延硅表面机械抛光，去掉外延硅和L形栅介质表面多余的SiO2和Si3N4，使外延硅表面平整。
第八步，在L形栅介质上制备栅极和生物填充层，如图3(h)。
先在栅介质层的右侧，利用外延淀积工艺淀积厚度为5nm的多晶硅；然后以纯度为98％的TiCl4和纯度为99.99％的NH3为原料，纯度为99.99％的Ar为载气，在700℃的条件下，在多晶硅的右侧淀积氮化钛作栅极，淀积厚度与多晶硅厚度相同；最后利用选择性刻蚀工艺将多晶硅刻蚀掉，留出的空隙作为生物填充层。
第九步，制作导电层，如图3(i)。
本步骤的具体实施与实施例1的步骤9相同。
本发明的特征和效果可以通过以下仿真实验进一步说明，
实验内容：
实验1，通过计算机辅助设计软件对本发明实施例1的隧穿晶体管在不同介电常数下进行仿真计算，结果如图3，对仿真结果按照如下公式计算输出电流敏感度sdrain：
Figure BDA0002004867430000091
其中，
Figure BDA0002004867430000092
为无生物填充情况下的输出电流，
Figure BDA0002004867430000093
为有生物填充情况下的输出电流，得到不同介电常数下的输出电流敏感度，结果如图4。
实验2，通过计算机辅助设计软件对本发明实施例2的隧穿晶体管在不同介电常数下进行仿真计算，结果如图5。根据仿真结果，计算得到输出电流敏感度sdrain，结果如图6。
实验3，通过计算机辅助设计软件对本发明实施例3的隧穿晶体管在不同介电常数下进行仿真计算，结果如图7。根据仿真结果，计算得到输出电流敏感度sdrain，结果如图8。
从图3、图5和图7结果可见，不同的介电常数会引起器件输出电流的显著变化，使得器件可以检测电中性的生物材料。从图4、图6和图8的对比结果可见，相比于常规的半导体生物传感器，本发明具有更高的检测敏感精度，可以更准确的分辨生物材料。此外，当垂直沟道区的掺杂浓度从1017cm-3增加至1018cm-3，器件能表现出更高的输出电流，更强的检测敏感精度。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于隧穿场效应晶体管的半导体生物传感器制备方法，所述传感器包括SOI衬底(1)和互连金属(9)；SOI衬底(1)的两侧设有隔离槽(2)，SOI衬底(1)的上表面设有源区(3)、沟道区(4)和漏区(6)；沟道区(4)的表面设有栅介质层(5)；栅介质层(5)的上表面设有栅极金属(7)；其特征在于，包括以下步骤：
1)在硅衬底表面依次淀积厚度为10～15nm的氧化物埋层和厚度为13～15nm的外延硅；
2)在外延硅的两侧进行光刻和刻蚀，形成浅沟槽隔离区，并进行氧化物淀积，形成厚度为10～15nm隔离槽；
3)先在外延硅的左侧表面进行光刻和刻蚀，形成深度为5～6nm的源区凹槽，然后在300℃～600℃的条件下，外延淀积锗材料填充源区凹槽，同时在锗中通入硼气体进行原位掺杂，掺杂浓度为1020cm-3，形成P型源区；
4)在外延硅的中部表面进行光刻和刻蚀，形成深度为8～10nm的L形凹槽结构，然后在L形凹槽上外延淀积本征硅半导体，形成厚度为2nm的沟道层；
5)在源区右侧，利用光刻和刻蚀工艺暴露出垂直沟道区的图形，再用离子注入工艺在暴露的图形上注入砷离子，形成掺杂浓度为1017～1018cm-3的N型沟道区；
6)在L形的沟道层表面淀积厚度为2～3nm的栅介质层；
7)在栅介质层的右侧，采用光刻和刻蚀工艺暴露出漏区图形，利用离子注入工艺在漏区注入砷离子，形成掺杂浓度为1018cm-3的N型漏区；
8)在L形的栅介质层上，利用淀积和刻蚀工艺形成栅极和生物填充层：
8a)在栅介质层的右侧，利用外延淀积工艺淀积厚度为4～5nm的多晶硅；
8b)以纯度为98％的TiCl4和纯度为99.99％的NH3为原料，纯度为99.99％的Ar为载气,在600℃～700℃的条件下，在多晶硅的右侧淀积氮化钛作栅极，淀积厚度与多晶硅厚度相同；
8c)利用选择性刻蚀工艺将多晶硅刻蚀掉，留出的空隙作为生物填充层；
9)在源区、漏区和栅极光刻引线窗口，淀积铜作互连线，形成源电极、漏电极和栅电极，最终完成半导体生物传感器的制备。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中在外延硅的两侧进行光刻和刻蚀，形成浅沟槽隔离区，按如下步骤实现：
2a)在外延硅表面淀积厚度为2～5nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为10～15nm的Si3N4作为保护层；
2b)利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成浅沟槽隔离区图形；
2c)利用干法刻蚀工艺在浅沟槽隔离区图形处刻蚀，刻蚀到氧化物埋层停止，形成深度为10～15nm的浅沟槽隔离区。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中在外延硅的左侧表面进行光刻和刻蚀，形成源区凹槽，按如下步骤实现：
3a)在外延硅表面淀积厚度为2～5nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为10～15nm的Si3N4作为保护层；
3b)利用光刻工艺在Si3N4保护层上形成源区图形；
3c)利用干法刻蚀工艺在源区图形处刻蚀，形成深度5～6nm的源区凹槽。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中利用离子注入形成N型掺杂的垂直沟道区，是先在刻蚀好垂直沟道区的图形上，利用离子注入工艺注入浓度为1017～1018cm-3砷离子；再利用快速热退火工艺，激活已掺杂的砷离子杂质，形成N型掺杂的垂直沟道区。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤7)中在栅介质层的右侧采用光刻和刻蚀工艺暴露出漏区的图形，按如下步骤实现：
7a)在外延硅和L形栅介质的表面淀积厚度为2～5nm的SiO2作为垫底氧化层，再在该氧化层表面淀积厚度为10～15nm的Si3N4作为保护层；
7b)利用光刻工艺在L形栅介质的右侧进行曝光，暴露出覆盖漏区的Si3N4保护层，再利用选择性刻蚀工艺将暴露的Si3N4保护层刻蚀掉，暴露出漏区的图形。
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