本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法。
背景技术：
1、生物传感器在医疗等领域扮演着日益重要的角色，其作用和影响力不断扩大。通过实时、精准地获取身体数据，生物传感器能够帮助医疗专业人士更好地了解病情、制定个性化治疗方案，并实现远程监测和远程医疗等新兴医疗模式。场效应晶体管(fet)生物传感器是一种新兴的的生物传感技术，其主要特点是利用生物分子的固有属性来进行检测。基于fet的无标记检测的方法有效的解决了对设备和操作的要求高，标记物的成本和制备难度大等缺陷。这类生物传感器具有低成本、体积小、灵敏度高等特点，成为了最近广受研究的生物传感器之一。
2、在基于介电调制的fet生物传感器中，纳米空腔内的生物分子的介电常数和电荷密度可以影响栅极与沟道区域的有效电容，从而造成器件在电学特性(电场、电势和能带等)上存在差异，因此可以检测中性和带电生物分子。然而随着集成电路的不断发展，器件尺寸的微型化使得常见的mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)短沟道效应越来越严重，亚阈值摆幅也原来越高。
3、隧穿场效应晶体管(tfef)的工作原理是载流子的带带隧穿而不是热注入，能够有效解决mosfet尺寸进入纳米领域带来的不利影响。栅极与沟道之间的有效电压能够使能带弯曲，降低源区和沟道之间的隧穿势垒，这种基于隧穿效应的fet具有更低的亚阈值摆幅，能够轻松地低于60mv/dec。tfet反向偏置的pn结降低了泄漏电流，产生的静态功耗要更低，同时其制造过程也与cmos工艺相兼容。
4、devi w v等人(devi w v,bhowmick b,devi p p.n+pocket doped verticaltfet based dielectric-modulated biosensor considering non-ideal hybridizationissue:a simulation study[j].ieee transactions on nanotechnology,2020,pp(99):1-1.doi:10.1109/tnano.2020.2969206.)公开了一种基于n+袋区掺杂垂直tfet(vtfet)的嵌入式纳米空腔的生物传感器，该器件在源区附近具有纳米空腔，但带电分子对于源-沟道结处的隧穿效应改善程度很低，源区发生隧穿的载流子浓度几乎不受其影响，因此在检测带电分子时具有较低的灵敏度。
5、talukdar j等人(talukdar j,rawat g,mummaneni k.dielectricallymodulated single and double gate tunnel fet based biosensors for enhancedsensitivity[j].ieee sensorsjournal,
6、2021(21-23).doi:10.1109/jsen.2021.3122582.)提出了一种带有源区扩展的隧穿场效应晶体管(estfet)结构，探讨了单栅(sg)和双栅(dg)源区扩展隧穿场效应晶体管(estfet)的比较生物传感分析；源区部分向沟道的扩展削弱了生物分子对于能带的调制作用，使得器件的转移特性在考虑不同介电常数的中性生物分子和不同电荷密度的带电生物分子时的差异很小，同时该结构的导通电流和开关电流比均比较低。
7、公开号为cn112736142a的中国发明专利申请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，该结构的隧穿结是由源区和三个竖直堆叠的纳米片构成，在靠近源端一侧刻蚀出纳米空腔；三个垂直堆叠纳米片的沟道使得该结构的泄露电流较大，存在着较高的静态功耗，并且在检测生物分子时的灵敏度也较低。
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环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，通过设置三个处于反向工作状态的pin结构，能够增大隧穿载流子浓度来提高生物传感器的电学特性和灵敏度，解决了现有技术中tfet生物传感器的导通电流低的技术问题；本发明的生物传感器具有较高的灵敏度，且制备工艺简单。
2、为了上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
3、一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器，包括三个pin结构，所述三个pin结构包括一个共用的漏区1，漏区1的顶部和水平两侧依次均设置有沟道2和源区3；位于漏区1顶部的沟道2的水平两侧均设置有l型纳米生物分子探测腔7和栅介质层6，纳米生物分子探测腔7的水平部分覆盖在位于漏区1水平两侧的沟道2上，栅介质层6覆盖在纳米生物分子探测腔7的垂直部分上；纳米生物分子探测腔7水平部分的顶部依次覆盖有水平相邻堆叠的第一金属栅4和第二金属栅5，第一金属栅4位于第二金属栅5和栅介质层6之间；漏区1的底部覆盖有漏极8，位于漏区1上方的源区3的顶部覆盖有源极9。
4、所述漏区1、沟道2和源区3的掺杂浓度分别为1×1018～1×1019cm-3、1×1015～1×1017cm-3和1×1019～1×1020cm-3；漏区1和沟道2均为n型掺杂，源区3为p型掺杂。
5、所述漏区1、沟道2和源区3的材质均为硅，栅极介质层6的材质为hfo2、sio2或al3o2，第一金属栅4的材质为金属铪、金属铬或金属钛，第二金属栅5的材质为金属铝、金属银或金属铂，漏极8和源极9的材质均为多晶硅。
6、所述漏区1、沟道2和源区3的厚度和长度均相同，厚度均为10-20nm，长度均为20-40nm；纳米生物分子探测腔7的厚度为3-6nm，栅极介质层6的厚度为3-5nm，第一金属栅4、第二金属栅5、栅极介质层6以及位于漏区1顶部的沟道2的顶部在水平方向对齐；第一金属栅4与第二金属栅5的长度比为(2-2.3)：3。
7、根据上述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
8、步骤1：采用外延生长工艺沿n型重掺杂半导体硅片的水平两侧和顶部外延生长n型硅层，形成n型轻掺杂硅外延层；然后在600-1000℃热退火30-60min；
9、步骤2：采用干法刻蚀工艺对步骤1形成的n型轻掺杂硅外延层进行部分刻蚀，形成倒t型沟漏区，即漏区1和沟道2；
10、步骤3：采用外延生长工艺沿步骤2形成的倒t型沟漏区的水平部分两侧和垂直部分顶部外延生长p型硅层，形成p型硅外延层，即源区3；
11、步骤4：采用原子层沉积工艺对步骤2形成的倒t型沟漏区水平部分的顶部沉积hfo2、sio2或al3o2，形成预刻蚀区；
12、步骤5：采用干法刻蚀工艺对步骤4形成的预刻蚀区进行刻蚀，分别形成栅极介质层6以及位于栅极介质层6底部的l型纳米生物分子探测腔7；
13、步骤6：采用反应溅射工艺在步骤5形成的纳米生物分子探测腔7的水平部分上先沉积金属铪、金属铬或金属钛形成第一金属栅4；在纳米生物分子探测腔7上且第一金属栅4的一侧继续沉积金属铝、金属银或金属铂形成第二金属栅5；
14、步骤7：采用化学气相沉积工艺对漏区1的底部和位于漏区1上方的源区3的顶部均沉积多晶硅，然后在500-800℃下热退火20-40min，分别形成漏极8和源极9，最终形成环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器。
15、所述步骤1中n型重掺杂半导体硅片的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，n型轻掺杂硅外延层的掺杂浓度为1×1015～1×1017cm-3；所述步骤3中p型硅外延层的掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3。
16、所述步骤1和步骤3的外延生长工艺参数如下：生长温度为1100-1300℃，生长气体为氢气和硅烷，硅源的气体流速为20-30sccm，作为载气的氢气流速为200-240sccm，腔室压力90-100pa；在生长过程中，引入适量的掺杂剂气体，所述步骤1中掺杂剂气体为磷化氢(ph3)，步骤3中掺杂剂气体为二甲基硼胂(b2h6)。
17、所述步骤2的干法刻蚀工艺参数如下：刻蚀气体为氟化氢(hf)，刻蚀气体流量为25-35sccm；稀释气体为氟化氩(arf)，稀释气体流量为50-60sccm；刻蚀温度为20-30℃，刻蚀压力为80-85mtorr，射频功率为400-700w，刻蚀频率为13.56mhz；
18、所述步骤5的干法刻蚀工艺参数如下：刻蚀气体为氟化氢(hf)，刻蚀气体流量为50-65sccm，反应室压力为50-70mtorr，射频功率为500-700w，刻蚀频率为13.56mhz。
19、所述步骤4中原子层沉积工艺参数如下：沉积hfo2的前驱体为三甲氧基铪，沉积sio2的前驱体为氧化二甲基硅，沉积al3o2的前驱体为三甲氧基铝；温度控制在200-400℃，环境压力保持在2-10torr，每个循环增加的厚度为5-20埃；
20、所述步骤7中化学气相沉积工艺参数如下：cvd反应室的预热温度为500-700℃，室内压强为102-103torr；硅源气体为二甲基硅烷(sih2(ch3)2)，气体流量为5-10sccm；稀释剂气体为氢气，气体流量为50-80sccm。
21、所述步骤6中反应溅射工艺参数如下：靶材料温度为300-600℃，基板温度为100-300℃，溅射室的压强为10-8-10-6torr，第一金属栅4的靶材料溅射功率为50-200w，第二金属栅5的靶材料溅射功率为30-150w。
22、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
23、(1)本发明通过设置三个反向的pin结构，这三个反向的pin结构同时发生隧穿增大了生物传感器的导通电流，使得生物传感器具有更低的亚阈值摆幅，响应速度更快；这三个反向的pin结构共用一个漏区，更大程度的降低了生物传感器的尺寸，简化了制造过程。
24、(2)本发明通过采用l型的纳米生物分子探测腔，增加了生物生物传感器捕获生物分子的区域，使得生物传感器对于生物分子的检测更加灵敏。
25、(3)本发明通在纳米生物分子探测腔上设置水平相邻堆叠的双金属栅结构，靠近漏区的第一金属栅能够影响施加反向电压时漏区向沟道隧穿的载流子浓度，抑制了生物传感器的双极特性，靠近源区的第二金属栅能够影响施加正向电压时源区向沟道隧穿的载流子浓度，提升了生物传感器的电学特性；相对于单金属栅结构，本发明通过双金属栅结构综合了两个不同功函数的单金属栅时的电学特性，改善了生物传感器的双极特性，使得在反向偏置时也具有较低的双极电流，提高了生物传感器的灵敏度，扩大了生物传感器在低功耗领域的应用范围。
26、(4)本发明基于传统的水平双栅tfet结构，制备过程简单，有助于降低制造成本和提高生产效率。
1.一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器，其特征在于，包括三个pin结构，所述三个pin结构包括一个共用的漏区(1)，漏区(1)的顶部和水平两侧依次均设置有沟道(2)和源区(3)；位于漏区(1)顶部的沟道(2)的水平两侧均设置有l型纳米生物分子探测腔(7)和栅介质层(6)，纳米生物分子探测腔(7)的水平部分覆盖在位于漏区(1)水平两侧的沟道(2)上，栅介质层(6)覆盖在纳米生物分子探测腔(7)的垂直部分上；纳米生物分子探测腔(7)水平部分的顶部依次覆盖有水平相邻堆叠的第一金属栅(4)和第二金属栅(5)，第一金属栅(4)位于第二金属栅(5)和栅介质层(6)之间；漏区(1)的底部覆盖有漏极(8)，位于漏区(1)上方的源区(3)的顶部覆盖有源极(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器，其特征在于：所述漏区(1)、沟道(2)和源区(3)的掺杂浓度分别为1×1018～1×1019cm-3、1×1015～1×1017cm-3和1×1019～1×1020cm-3；漏区(1)和沟道(2)均为n型掺杂，源区(3)为p型掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器，其特征在于：所述漏区(1)、沟道(2)和源区(3)的材质均为硅，栅极介质层(6)的材质为hfo2、sio2或al3o2，第一金属栅(4)的材质为金属铪、金属铬或金属钛，第二金属栅(5)的材质为金属铝、金属银或金属铂，漏极(8)和源极(9)的材质均为多晶硅。
4.根据权利要求1所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器，其特征在于：所述漏区(1)、沟道(2)和源区(3)的厚度和长度均相同，厚度均为10-20nm，长度均为20-40nm；纳米生物分子探测腔(7)的厚度为3-6nm，栅极介质层(6)的厚度为3-5nm，第一金属栅(4)、第二金属栅(5)、栅极介质层(6)以及位于漏区(1)顶部的沟道(2)的顶部在水平方向对齐；第一金属栅(4)与第二金属栅(5)的长度比为(2-2.3)：3。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中n型重掺杂半导体硅片的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，n型轻掺杂硅外延层的掺杂浓度为1×1015～1×1017cm-3；所述步骤3中p型硅外延层的掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3。
7.根据权利要求5所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤3的外延生长工艺参数如下：生长温度为1100-1300℃，生长气体为氢气和硅烷，硅源的气体流速为20-30sccm，作为载气的氢气流速为200-240sccm，腔室压力90-100pa；在生长过程中，引入适量的掺杂剂气体，所述步骤1中掺杂剂气体为磷化氢(ph3)，步骤3中掺杂剂气体为二甲基硼胂(b2h6)。
8.根据权利要求5所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，
9.根据权利要求5所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，
10.根据权利要求5所述的一种基于环漏区双金属栅隧穿场效应晶体管的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤6中反应溅射工艺参数如下：靶材料温度为300-600℃，基板温度为100-300℃，溅射室的压强为10-8-10-6torr，第一金属栅4的靶材料溅射功率为50-200w，第二金属栅5的靶材料溅射功率为30-150w。
