一种基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器及其制备方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器及其制备方法。

背景技术：

1、自20世纪60年代出现的第一个用酶作为电极的生物传感器起，生命科学、化学、物理、材料、仿生等多学科原理和技术纷纷融入，使生物传感发展成为一门典型的汇聚技术。它被赋予若干特征——简便、灵敏、快速、准确，因而在生命科学研究、疾病预先感知、诊断与居家监护、生物过程控制、生物安全与生物安保等领域展现出广阔的应用前景，生物传感器本身这一技术也得到了业界的广泛关注。此外，更灵敏的性质，体积小，超低功耗和成本效益使mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为低功耗生物传感器成为商业化的优秀器件。基于场效应晶体管(fet)的生物传感器之所以具有较高的灵敏度，是因为金属薄膜表面吸附的生物分子导致了金属和栅极功函数的调制。

2、然而现如今，mosfet器件技术的缩放限制使其难以遵循摩尔定律，因此需要新的器件结构来增加栅极可控性并抑制短通道效应。在超尺度器件(即32nm以下)中，诸如亚阈值摆幅退化、源漏漏电流问题、更大的漏极引起势垒降低、阈值电压滚降以及随机掺杂波动引起的阈值电压失配等限制了进一步的缩放。短通道效应的增加主要是因为栅极可控性的降低。

3、公开号为cn112736142a的中国专利申请文件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，三个竖直堆叠的纳米片构成沟道，在靠近源端一侧刻蚀出纳米空腔；该结构在一定程度上克服了短沟道效应，但缺点是灵敏度较低。

4、ajay kuma等人(a.kumar,d.sen and s.sinha,"performance assessment ofin单晶硅double gate stack-oxide mosfet based phosphine gas sensor:a catalyticmetal gate approach,"2022ieee vlsidevice circuit and system(vlsidcs),kolkata,india,2022,pp.24-27,doi:10.1109/vlsidcs53788.2022.9811478.)公开发表了一种基于in单晶硅双栅堆叠-氧化物mosfet的磷化氢气体传感器性能评估：一种催化金属栅极方法，采用单独的环形全包栅极结构，并且栅极与沟道采用无结接触；该结构在一定程度上克服了短沟道效应，但是该制备工艺复杂，传感器的灵敏度最高仅111.1，灵敏度较低。

5、jae-hyuk ahn等人(jae-hyuk ahn,jee-yeon kim,myeong-lok seol,davidj.baek,zheng guo,chang-hoon kim,sung-jin choi,yang-kyu choi；a ph sensor witha double-gate silicon nanowire field-effect transistor.appl.phys.lett.25february 2013；102(8):083701.https://doi.org/10.1063/1.4793655)公开发表了一种带双栅硅纳米线场效应晶体管的ph传感器，采用双栅结构，并每个栅极被独立控制，但该传感器的灵敏度较低。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中的缺点，本发明的目的在于提供一种基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，通过设置环形结构的栅介质层和栅金属层(栅极)，能够增大栅极的面积体积比，使得生物传感器具有更高的栅控能力，从而可以很好的抑制短沟道效应；本发明的栅极采用低k介质材料和高k介质材料，高k介质材料能够有效地克服电子遂穿，而低k介质材料能够有效地降低寄生电阻和信号延迟，提高生物传感器的工作性能，从而提高生物传感器的灵敏度；与现有技术中的mosfet器件相比，本发明制备的生物传感器，具有灵敏度高和栅控能力高的特点，且制备工艺简单，工艺成本较低。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器，包括圆柱型结构的沟道1，沟道1的两侧分别设置有源区2和漏区3，源区2和漏区3的外端分别覆盖有源电极21和漏电极31；沟道1靠近源区2和漏区3的两侧段分别环设有第一低k栅介质层41和第二低k栅介质层42；第一低k栅介质层41和第二低k栅介质层42上分别覆盖有第一高k栅介质层51和第二高k栅介质层52，第一高k栅介质层51和第二高k栅介质层52上分别覆盖有第一栅金属层61和第二栅金属层62。

4、所述沟道1为p型掺杂，掺杂浓度为5×1016-5×1018cm-3，源区2和漏区3均为n型掺杂，掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3。

5、所述沟道1、源区2和漏区3的材质均为单晶硅；源电极21和漏电极31的材质均为二硅化钨；第一低k栅介质层41和第二低k栅介质层42的材质均为低k介质材料，第一高k栅介质层51和第二高k栅介质层52的材质均为高k介质材料；第一栅金属层61和第二栅金属层62的材质均为金、铝或者铜。

6、所述第一低k栅介质层41和第二低k栅介质层42的材质均为二氧化硅或者三氧化二铝；第一高k栅介质层51和第二高k栅介质层52的材质均为二氧化铪、二氧化锆或者二氧化钛。

7、所述第一低k栅介质层41和第二低k栅介质层42的厚度均为5-15nm，第一高k栅介质层51和第二高k栅介质层52的厚度均为5-20nm，第一栅金属层61和第二栅金属层62的厚度均为5-10nm。

8、所述沟道1、源区2、漏区3、源电极21和漏电极31的直径均为50-150nm，沟道1的长度为237.5-350nm，源区2和漏区3的长度均为25-75nm，源电极21和漏电极31的长度均为2.5-20nm；第一低k栅介质层41、第二低k栅介质层42、第一高k栅介质层51、第二高k栅介质层52、第一栅金属层61和第二栅金属层62的长度均为50-112.5nm。

9、一种基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器的制备方法，包括如下步骤：

10、步骤1：对单晶硅薄膜进行刻蚀，得到圆柱型的硅纳米线；

11、步骤2：对步骤1得到的硅纳米线的中间区域进行p型掺杂，形成p型掺杂区，即沟道1；再对硅纳米线的其余区域进行n型掺杂，形成n型掺杂区，即源区2和漏区3；然后对掺杂后的硅纳米线进行退火；

12、步骤3：在步骤2形成的沟道1表面沉积二氧化硅或者三氧化二铝，形成低k栅介质层；然后在低k栅介质层上沉积二氧化铪、二氧化锆或者二氧化钛，形成高k栅介质层；

13、步骤4：对步骤3形成的高k栅介质层的进行刻蚀，直至低k栅介质层外露，然后对低k栅介质层进行刻蚀，直至p型掺杂区外露，形成两个平行的环形低k栅介质层以及覆盖在低k栅介质层外周的高k栅介质层，即第一低k栅介质层41、第二低k栅介质层42、第一高k栅介质层51以及第二高k栅介质层52；

14、步骤5：在步骤2形成的源区2和漏区3的外侧分别沉积二硅化钨，形成源电极21和漏电极31；

15、步骤6：在步骤4形成的高k栅介质层外周上沉积金属金、铝或者铜，形成第一栅金属层61和第二栅金属层62，得到基于圆柱型平行双环栅场效应晶体管的生物传感器。

16、所述步骤2中n型掺杂区的掺杂浓度为5×1016-5×1018cm-3，p型掺杂区的掺杂浓度为1×1018-1×1019cm-3。

17、所述步骤3中低k栅介质层的厚度为5-15nm，高k栅介质层的厚度为5-20nm；所述步骤5中沉积二硅化钨的厚度为2.5-20nm；所述步骤6中沉积金属金、铝或者铜的厚度为2.5-10nm。

18、所述步骤2中掺杂操作为离子注入工艺；步骤4中高k栅介质层的刻蚀操作为反应离子刻蚀工艺，低k栅介质层的刻蚀操作为干法刻蚀工艺；步骤2和步骤5中的沉积操作均为低压化学气相沉积法；步骤6中的沉积操作为物理气相沉积工艺。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

20、与传统的mosfet器件结构相比，本发明通过设置环形结构的栅介质层和栅金属层(栅极)，增大了栅极的面积体积比，使得生物传感器具有更高的栅控能力，从而可以很好的抑制短沟道效应；与单环栅介质层相比，本发明通过设置平行双环栅介质层，提高了栅极对沟道的控制能力，更好的驱动漏端电流，从而提高了灵敏度；本发明的栅极采用低k介质材料和高k介质材料，高k介质材料克服了电子遂穿，而低k介质材料降低了寄生电阻和信号延迟，提高了生物传感器的工作性能，提高了生物传感器的灵敏度；本发明制备的生物传感器，具有灵敏度高和栅控能力高的特点，且制备工艺简单，工艺成本较低。