[发明专利]用于信号放大的具有双栅极生物场效应晶体管的系统和方法

说明书

优先权信息

本申请要求于2012年5月24目提交的名称为“CMOS COMPATIBLE BIOFET”的非临时专利申请13/480,161的优先权，非临时专利13/480,161要求于2011年10月31目提交的名称为“CMOS COMPATIBLE BIOFET”的申请序列号为61/553,606的临时申请的优先权。这些申请的全部内容结合与此作为参考。

技术领域

本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种用于信号放大的具有双栅极生物场效应晶体管的系统和方法。

背景技术

生物传感器是用于感测和检测生物分子的器件，并在电子、电化学、光学和力学检测原理的基础上进行操作。包括晶体管的生物传感器是在电学上感测生物实体或生物分子的电荷、光子和力学性能的传感器。可以通过检测生物实体或生物分子自身或者通过特定的反应物和生物实体/生物分子之间的相互作用和反应来进行检测。这样的生物传感器能够使用半导体工艺来制造，能够快速地转化电信号，并且能够很容易地应用于集成电路(IC)和MEMS。

BioFET(生物敏感场效应晶体管或生物有机场效应晶体管)是一种类型的包括用于电感测生物分子或生物实体的晶体管的生物传感器。虽然BioFET在许多方面是有优势的，但是例如由于在半导体制造工艺之间的兼容性问题、生物应用、对半导体制造工艺的制约和/或限制、电信号和生物应用的集成使其面临制造和/或操作方面的挑战和/或由实施大规模集成(LSI)工艺带来的其他挑战。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括：衬底，具有源极区域、沟道区域和漏极区域；第一栅极结构，设置在所述衬底的第一表面上，所述第一栅极结构包括导电层和第一介电层；以及第二栅极结构，设置在所述衬底的第二表面上，所述第二栅极结构包括第二介电层，其中，所述源极区域、所述沟道区域和所述漏极区域从所述第一表面延伸到所述第二表面。

在所述半导体器件中，与所述第一栅极结构相关的电容大于与所述第二栅极结构相关的电容。

在所述半导体器件中，所述第二栅极结构进一步包括受体材料层。

在所述半导体器件中，所述第一介电层的有效厚度小于所述第二介电层的有效厚度。

在所述半导体器件中，所述第一介电层由第一材料形成，所述第二介电层由第二材料形成。

在所述半导体器件中，所述第一介电层的介电常数大于所述第二介电层的介电常数。

在所述半导体器件中，与所述第一栅极结构相关的跨导大于与所述第二栅极结构相关的跨导。

在所述半导体器件中，与所述第一栅极结构相关的亚阈值摆幅小于与所述第二栅极结构相关的亚阈值摆幅。

在所述半导体器件中，所述半导体器件的信号放大因数由与所述第一栅极结构相关的电容和与所述第二栅极结构相关的电容的比率来控制。

在所述半导体器件中，所述源极区域的掺杂物注入浓度与所述漏极区域的掺杂物注入浓度不同。

根据本发明的另一方面，提供了一种提供半导体器件的方法，所述方法包括：掺杂衬底的前面以形成源极区域、沟道区域和漏极区域；在所述衬底的前面上且在所述沟道区域上方形成第一栅极结构，所述第一栅极结构具有第一电容；从所述衬底的背面去除材料以露出所述源极区域、所述沟道区域和所述漏极区域；以及在所述衬底的背面上的露出的所述沟道区域上方形成第二栅极结构，所述第二栅极结构具有第二电容，所述第二电容低于所述第一电容。

在所述方法中，进一步包括：在所述衬底的前面上形成多层互连件(MLI)。

在所述方法中，所述衬底包括第一半导体层和第二半导体层，绝缘层介于所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述源极区域、所述沟道区域和所述漏极区域形成在所述第一半导体层中，并且从所述衬底的背面去除材料包括去除所述第二半导体层和所述绝缘层。

在所述方法中，进一步包括：在所述衬底的第二表面上形成隔离层；以及在所述隔离层中形成开口以露出所述沟道区域。

在所述方法中，形成所述第二栅极结构进一步包括：在所述衬底的背面上方形成第二栅极介电层；在所述第二栅极介电层上方形成受体材料层，所述受体材料层包括多种生物实体受体。

在所述方法中，进一步包括：使用所述受体材料层的电荷收集性质来检测位于形成在所述衬底的背面上方的流体沟道中的流体中的目标生物实体。