具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，對比同尺寸MOSFETs或隧穿場效應(yīng)晶體管，通過在集電結(jié)和發(fā)射結(jié)中引入低雜質(zhì)濃度的擊穿保護區(qū)以顯著提升器件在深納米尺度下的正向耐壓及反向耐壓能力；利用隧穿絕緣層阻抗與其內(nèi)部場強間極為敏感的相互關(guān)系實現(xiàn)更優(yōu)秀的開關(guān)特性；利用柵絕緣隧穿電流作為引發(fā)發(fā)射集電流的驅(qū)動電流，實現(xiàn)了更高的正向?qū)ㄌ匦?；有效抑制了半?dǎo)體帶間隧穿效應(yīng)所引起的反向泄漏電流并通過采用凹槽結(jié)構(gòu)減小單個晶體管所占芯片面積。另外本發(fā)明還提出了該晶體管的具體制造方法，因此適于推廣應(yīng)用。
【專利說明】具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及超大規(guī)模集成電路制造領(lǐng)域，涉及一種適用于高性能超高集成度集成電路制造的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管。

【背景技術(shù)】
:
[0002]當前，隨著集成度的不斷提升，集成電路單元金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)器件的源電極與溝道之間或漏電極與溝道之間在幾個納米之內(nèi)形成了陡峭突變PN結(jié)，當漏源電壓較大時，這種陡峭的突變PN結(jié)會發(fā)生擊穿效應(yīng)，從而使器件失效，隨著器件尺寸的不斷縮減，這種擊穿效應(yīng)日趨明顯。另外，溝道長度的不斷縮短導(dǎo)致了 MOSFETs器件亞閾值擺幅的增大，因此帶來了開關(guān)特性的嚴重劣化和靜態(tài)功耗的明顯增加。雖然通過改善柵電極結(jié)構(gòu)的方式可使這種器件性能的退化有所緩解，但當器件尺寸進一步縮減至20納米以下時，即便采用最優(yōu)化的柵電極結(jié)構(gòu)，器件的亞閾值擺幅也同樣會隨著器件溝道長度的進一步減小而增加，從而導(dǎo)致了器件性能的再次惡化。
[0003]隧穿場效應(yīng)晶體管(TFETs)，對比于MOSFETs器件，雖然其平均亞閾值擺幅有所提升，然而其正向?qū)娏鬟^小，雖然通過引入化合物半導(dǎo)體、鍺化硅或鍺等禁帶寬度更窄的材料來生成為隧穿場效應(yīng)晶體管的隧穿部分可增大隧穿幾率以提升轉(zhuǎn)移特性，但增加了工藝難度。此外，采用高介電常數(shù)絕緣材料作為柵極與襯底之間的絕緣介質(zhì)層，雖然能夠改善柵極對溝道電場分布的控制能力，卻不能從本質(zhì)上提高硅材料的隧穿幾率，因此對于隧穿場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性改善很有限。
[0004]此外，由于隧穿場效應(yīng)晶體管和MOSFETs器件都是通過柵電極電場效應(yīng)對柵極絕緣層及半導(dǎo)體內(nèi)部的電場、電勢及載流子分布進行控制，為了提升柵電極對半導(dǎo)體內(nèi)部的控制能力，需采用高介電常數(shù)和不斷減薄的的柵極絕緣層來加強柵電極的控制能力，但與此同時，在柵極反向偏置時會產(chǎn)生較大的柵極致漏極泄漏(GIDL)電流或柵極致源極泄漏(GISL)電流。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0005]發(fā)明目的
[0006]為在兼容現(xiàn)有基于硅工藝技術(shù)的前提下顯著提升納米級集成電路基本單元器件的開關(guān)特性；并確保器件在提升開關(guān)特性的同時具有良好的正向電流導(dǎo)通特性；大幅提升亞20納米級器件抗擊穿能力，并降低柵極反向泄漏電流，本發(fā)明提供一種適用于高性能超高集成度集成電路制造的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管及其制造方法。
[0007]技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0009]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，采用只包含單晶硅襯底I的體硅晶圓作為生成器件襯底，或采用同時包含單晶硅襯底I和晶圓絕緣層2的SOI晶圓作為生成器件的襯底；基區(qū)4位于體硅晶圓的單晶硅襯底I或SOI晶圓的晶圓絕緣層2的上方，并具有凹槽形特征；擊穿保護區(qū)6位于基區(qū)4外側(cè)壁兩側(cè)；發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5分別位于基區(qū)4兩側(cè)的擊穿保護區(qū)6的上方；發(fā)射極10位于發(fā)射區(qū)3的上方；集電極11位于集電區(qū)5的上方；導(dǎo)電層7位于基區(qū)4所形成的凹槽內(nèi)壁，被基區(qū)4三面包圍；隧穿絕緣層8位于導(dǎo)電層7的內(nèi)壁，并被導(dǎo)電層7三面包圍；柵電極9位于隧穿絕緣層8內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層12位于器件單元之間和各電極之間，對各器件單元之間和各電極之間起隔尚作用。
[0010]柵電極9與擊穿保護區(qū)6、發(fā)射區(qū)3和發(fā)射極10之間通過阻擋絕緣層12隔離；柵電極9與穿保護區(qū)6、集電區(qū)5和集電極11之間通過阻擋絕緣層12隔離；相鄰的擊穿保護區(qū)6之間通過阻擋絕緣層12隔離；相鄰的發(fā)射區(qū)3與集電區(qū)5之間通過阻擋絕緣層12隔離；發(fā)射極10與集電極11之間通過阻擋絕緣層12隔離。
[0011]為達到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0012]擊穿保護區(qū)6的雜質(zhì)濃度低于116每立方厘米。
[0013]位于基區(qū)4兩側(cè)的擊穿保護區(qū)6的頂部高于基區(qū)4、導(dǎo)電層7和隧穿絕緣層8的頂部。
[0014]基區(qū)4具有凹槽形幾何特征。
[0015]隧穿絕緣層8為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極9相互接觸，其外壁與導(dǎo)電層7相互接觸。
[0016]導(dǎo)電層7與基區(qū)4形成歐姆接觸，是金屬材料，或者是同基區(qū)4具有相同雜質(zhì)類型的、且摻雜濃度大于119每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
[0017]導(dǎo)電層7實質(zhì)為具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的浮動基極，當隧穿絕緣層8發(fā)生隧穿時，電流從柵電極9經(jīng)隧穿絕緣層8流動到導(dǎo)電層7，并為具有凹槽結(jié)構(gòu)的基區(qū)4供電。
[0018]柵電極9是控制隧穿絕緣層8產(chǎn)生隧穿電流的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與導(dǎo)電層7和隧穿絕緣層8共同構(gòu)成具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的基極。
[0019]發(fā)射區(qū)3與基區(qū)4之間、集電區(qū)5與基區(qū)4之間具有相反雜質(zhì)類型、且發(fā)射區(qū)3與發(fā)射極10之間形成歐姆接觸、集電區(qū)3與集電極11之間形成歐姆接觸。
[0020]一種具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的制造方法的具體工藝步驟如下:
[0021]步驟一、提供一個SOI晶圓，SOI晶圓的下方為SOI晶圓的單晶硅襯底1，S0I晶圓的中間為晶圓絕緣層2，對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進行局部離子注入，初步形成基區(qū)4，未被離子注入的區(qū)域初步形成擊穿保護區(qū)6 ；
[0022]步驟二、對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜再次進行離子注入，在單晶硅薄膜的頂部形成與步驟一中的雜質(zhì)類型相反的、濃度不低于119每立方厘米的重摻雜區(qū)。
[0023]步驟三、通過光刻、刻蝕等工藝在所提供的SOI晶圓上形成長方體狀單晶硅孤島陣列區(qū)域；
[0024]步驟四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面，初步形成阻擋絕緣層12 ；
[0025]步驟五、通過刻蝕工藝，在單晶硅薄膜上刻蝕出凹槽狀區(qū)域，使基區(qū)4具有凹槽形幾何特征，并初步形成位于凹槽的頂部兩側(cè)的、具有重摻雜雜質(zhì)濃度的發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5 ；
[0026]步驟六、在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類型的重摻雜的多晶硅，使步驟五中由發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5和基區(qū)4所共同形成的凹槽內(nèi)部完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，初步形成導(dǎo)電層7 ；
[0027]步驟七、通過刻蝕工藝，對步驟六中所淀積的金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類型的重摻雜的多晶硅進行刻蝕，進一步形成具導(dǎo)電層7 ；
[0028]步驟八、在晶圓上方淀積隧穿絕緣層介質(zhì)，使步驟七中所形成的導(dǎo)電層7的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出導(dǎo)電層7，初步形成隧穿絕緣層8 ；
[0029]步驟九、通過刻蝕工藝，對步驟八中所淀積的隧穿絕緣層介質(zhì)進行刻蝕，進一步形成隧穿絕緣層8 ；
[0030]步驟十、在晶圓上方淀積金屬材料或重摻雜多晶硅，使步驟九中所形成的隧穿絕緣層8的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、導(dǎo)電層7以及隧穿絕緣層8的頂部，形成柵電極9 ；
[0031]步驟十一、在晶圓上方通過刻蝕工藝使基區(qū)4所形成的凹槽兩側(cè)的上方的一部分被刻蝕掉，使基區(qū)4的兩側(cè)頂部低于擊穿保護區(qū)6的頂部，進一步形成基區(qū)6 ；
[0032]步驟十二、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、隧穿絕緣層8以及柵電極9的頂部，進一步形成阻擋絕緣層12 ；
[0033]步驟十三、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉導(dǎo)電層7兩側(cè)上方部分，使導(dǎo)電層7的兩側(cè)頂部不高于基區(qū)4兩側(cè)的頂部，進一步形成導(dǎo)電層7 ；
[0034]步驟十四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、隧穿絕緣層8以及柵電極9的頂部，進一步形成阻擋絕緣層12 ；
[0035]步驟十五、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉隧穿絕緣層8兩側(cè)上方部分，使隧穿絕緣層8的兩側(cè)頂部不高于導(dǎo)電層7兩側(cè)的頂部，進一步形成隧穿絕緣層8 ；
[0036]步驟十六、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，使步驟十五中的隧穿絕緣層8被刻蝕掉的部分完全被絕緣介質(zhì)層填充，再將表面進行平坦化處理，進一步形成阻擋絕緣層12 ；
[0037]步驟十七、在位于發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5的上方的阻擋絕緣層12內(nèi)部刻蝕出用于形成發(fā)射極10和集電極11的通孔，并在晶圓上表面淀積金屬層，使通孔被金屬填充，再對金屬層進行刻蝕，形成發(fā)射極10和集電極11。
[0038]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，以N型為例，發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5分別為N區(qū)、P區(qū)和N區(qū)，其具體的工作原理為:當集電極11正偏，且柵電極8處于低電位時，柵電極8與導(dǎo)電層7之間沒有形成足夠的電勢差，此時隧穿絕緣層8處于高阻狀態(tài)，沒有明顯隧穿電流通過，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間無法形成足夠大的基區(qū)電流來驅(qū)動具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著柵電極9電壓的逐漸升高，柵電極9與導(dǎo)電層7之間的電勢差逐漸增大，使得位于柵電極9與導(dǎo)電層7之間隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度也隨之逐漸增大，當隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度位于臨界值以下時，隧穿絕緣層8依然保持良好的高阻狀態(tài)，柵電極9和發(fā)射極10之間的電勢差幾乎完全降在隧穿絕緣層8的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得由基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所共同組成的發(fā)射結(jié)之間的電勢差極小，因此基區(qū)4幾乎沒有電流流過，器件也因此保持良好的關(guān)斷狀態(tài)，而當隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度位于臨界值以上時，隧穿絕緣層8會由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流則會隨著柵電極9電勢的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得隧穿絕緣層8在柵電極9極短的電勢變化區(qū)間內(nèi)由高阻態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，當隧穿絕緣層8處于低阻態(tài)，此時隧穿絕緣層8在柵電極9和導(dǎo)電層7之間所形成的電阻要遠小于導(dǎo)電層7和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得由基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所共同組成的發(fā)射結(jié)兩端形成了足夠大的正偏電壓，并且在隧穿效應(yīng)的作用下，在隧穿絕緣層8的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電流移動，導(dǎo)電層7作為具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的浮動基極，當隧穿絕緣層8發(fā)生隧穿時，電流從柵電極9經(jīng)隧穿絕緣層8流動到導(dǎo)電層7，并為基區(qū)4供電；因此形成了足夠大的基區(qū)電流來驅(qū)動具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，即器件處于開啟狀態(tài)；
[0039]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用擊穿保護區(qū)6來提高器件的正向和反向耐壓特性。以N型器件為例，當集電極11相對于發(fā)射極10正偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和集電區(qū)5所組成的集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和集電區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的集電結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的正向耐壓能力；當集電極11相對于發(fā)射極10反偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所組成的發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的發(fā)射結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的反向耐壓能力；
[0040]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用隧穿絕緣層8阻抗與隧穿絕緣層8內(nèi)電場強度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過選取適當介電常數(shù)的絕緣材料，并對隧穿絕緣層8的側(cè)壁及底部厚度進行適當調(diào)節(jié)，就可以使隧穿絕緣層8在柵電極9極小的電勢變化區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此對比于普通結(jié)構(gòu)的MOSFETs、隧穿場效應(yīng)晶體管或普通的雙極晶體管，可以實現(xiàn)更好的開關(guān)特性。
[0041]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，通過絕緣隧穿層8上產(chǎn)生的遂穿電流作為集電極10電流的驅(qū)動電流，與普通隧穿場效應(yīng)晶體管只是利用少量的半導(dǎo)體帶間隧穿電流作為器件的導(dǎo)通電流相比，具有更好的正向電流導(dǎo)通特性。
[0042]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，由于柵電極9與發(fā)射區(qū)3或集電區(qū)5之間的距離均取決于隧穿絕緣層8、導(dǎo)電層7、基區(qū)4凹槽兩側(cè)側(cè)壁厚度的總和，使柵電極9遠離發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，因此有助于抑制由于柵電極邊緣電場效應(yīng)所導(dǎo)致的發(fā)生在發(fā)射結(jié)或集電結(jié)附近的由于半導(dǎo)體帶間隧穿效應(yīng)所引起的反向泄漏電流。
[0043]優(yōu)點及效果
[0044]本發(fā)明具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0045]1.具有正反向抗擊穿保護功能
[0046]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用擊穿保護區(qū)6來提高器件的正向和反向耐壓特性。以N型器件為例，當集電極11相對于發(fā)射極10正偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和集電區(qū)5所組成的集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和集電區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的集電結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的正向耐壓能力；當集電極11相對于發(fā)射極10反偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所組成的發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的發(fā)射結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的反向耐壓能力；
[0047]2.優(yōu)秀的開關(guān)特性
[0048]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用隧穿絕緣層8阻抗與隧穿絕緣層8內(nèi)電場強度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過選取適當介電常數(shù)的絕緣材料，并對隧穿絕緣層8的側(cè)壁及底部厚度進行適當調(diào)節(jié)，就可以使隧穿絕緣層8在柵電極9極小的電勢變化區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此對比于普通結(jié)構(gòu)的MOSFETs、隧穿場效應(yīng)晶體管或普通的雙極晶體管，可以實現(xiàn)更好的開關(guān)特性。
[0049]3.高正向?qū)娏魈匦?br> [0050]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，通過絕緣隧穿層8上產(chǎn)生的遂穿電流作為集電極10電流的驅(qū)動電流，與普通隧穿場效應(yīng)晶體管只是利用少量的半導(dǎo)體帶間隧穿電流作為器件的導(dǎo)通電流相比，具有更好的正向電流導(dǎo)通特性。
[0051]4.低反向泄漏電流特性
[0052]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，由于柵電極9與發(fā)射區(qū)3或集電區(qū)5之間的距離均取決于隧穿絕緣層8、導(dǎo)電層7、基區(qū)4凹槽兩側(cè)側(cè)壁厚度的總和，使柵電極9遠離發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，因此有助于抑制由于柵電極邊緣電場效應(yīng)所導(dǎo)致的發(fā)生在發(fā)射結(jié)或集電結(jié)附近的由于半導(dǎo)體帶間隧穿效應(yīng)所引起的反向泄漏電流。
[0053]5.高集成度
[0054]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5形成于擊穿保護區(qū)6的上方，對比于普通平面結(jié)構(gòu)，具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，避免了發(fā)射區(qū)3、擊穿保護區(qū)6、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和集電區(qū)5沿水平方向依次排列，因此節(jié)省了芯片面積，可以實現(xiàn)更高的集成度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0055]圖1為本發(fā)明具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管在SOI襯底上形成的二維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖2是步驟一示意圖，
[0057]圖3是步驟二示意圖，
[0058]圖4是步驟二不意圖，
[0059]圖5是步驟四示意圖，
[0060]圖6是步驟五示意圖，
[0061]圖7是步驟六示意圖，
[0062]圖8是步驟七示意圖，
[0063]圖9是步驟八示意圖，
[0064]圖10是步驟九示意圖，
[0065]圖11是步驟十示意圖，
[0066]圖12是步驟^^一示意圖，
[0067]圖13是步驟十二示意圖，
[0068]圖14是步驟十二不意圖，
[0069]圖15是步驟十四示意圖，
[0070]圖16是步驟十五示意圖，
[0071]圖17是步驟十六示意圖，
[0072]圖18是步驟十七示意圖。
[0073]附圖標記說明:
[0074]1、單晶娃襯底；2、晶圓絕緣層；3、發(fā)射區(qū)；4、基區(qū)；5、集電區(qū)；6、擊穿保護區(qū)；7、導(dǎo)電層；8、隧穿絕緣層；9、柵電極；10、發(fā)射極；11、集電極；12、阻擋絕緣層。

【具體實施方式】
[0075]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明:
[0076]如圖1為本發(fā)明具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管在SOI襯底上形成的二維結(jié)構(gòu)示意圖；具體包括單晶硅襯底I ;晶圓絕緣層2 ;發(fā)射區(qū)3 ;基區(qū)4 ;集電區(qū)5 ;擊穿保護區(qū)6 ;導(dǎo)電層7 ;隧穿絕緣層8 ;柵電極9 ;發(fā)射極10 ;集電極11 ;阻擋絕緣層12。
[0077]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，采用只包含單晶硅襯底I的體硅晶圓作為生成器件襯底，或采用同時包含單晶硅襯底I和晶圓絕緣層2的SOI晶圓作為生成器件的襯底；基區(qū)4位于體硅晶圓的單晶硅襯底I或SOI晶圓的晶圓絕緣層2的上方，并具有凹槽形特征；擊穿保護區(qū)6位于基區(qū)4外側(cè)壁兩側(cè)；發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5分別位于基區(qū)4兩側(cè)的擊穿保護區(qū)6的上方；發(fā)射極10位于發(fā)射區(qū)3的上方；集電極11位于集電區(qū)5的上方；導(dǎo)電層7位于基區(qū)4所形成的凹槽內(nèi)壁，被基區(qū)4三面包圍；隧穿絕緣層8位于導(dǎo)電層7的內(nèi)壁，并被導(dǎo)電層7三面包圍；柵電極9位于隧穿絕緣層8內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層12位于器件單元之間和各電極之間，對各器件單元之間和各電極之間起隔尚作用。
[0078]為達到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0079]擊穿保護區(qū)6的雜質(zhì)濃度低于116每立方厘米。
[0080]位于基區(qū)4兩側(cè)的擊穿保護區(qū)6的頂部高于基區(qū)4、導(dǎo)電層7和隧穿絕緣層8的頂部。
[0081]基區(qū)4具有凹槽形幾何特征。
[0082]隧穿絕緣層8為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極9相互接觸，其外壁與導(dǎo)電層7相互接觸。
[0083]導(dǎo)電層7與基區(qū)4形成歐姆接觸，是金屬材料，或者是同基區(qū)4具有相同雜質(zhì)類型的、且摻雜濃度大于119每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
[0084]導(dǎo)電層7實質(zhì)為具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的浮動基極，當隧穿絕緣層8發(fā)生隧穿時，電流從柵電極9經(jīng)隧穿絕緣層8流動到導(dǎo)電層7，并為具有凹槽結(jié)構(gòu)的基區(qū)4供電；
[0085]柵電極9是控制隧穿絕緣層8產(chǎn)生隧穿電流的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與導(dǎo)電層7和隧穿絕緣層8共同構(gòu)成具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的基極。
[0086]發(fā)射區(qū)3與基區(qū)4之間、集電區(qū)5與基區(qū)4之間具有相反雜質(zhì)類型、且發(fā)射區(qū)3與發(fā)射極10之間形成歐姆接觸、集電區(qū)3與集電極11之間形成歐姆接觸。
[0087]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，以N型為例，發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5分別為N區(qū)、P區(qū)和N區(qū)，其具體的工作原理為:當集電極11正偏，且柵電極8處于低電位時，柵電極8與導(dǎo)電層7之間沒有形成足夠的電勢差，此時隧穿絕緣層8處于高阻狀態(tài)，沒有明顯隧穿電流通過，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間無法形成足夠大的基區(qū)電流來驅(qū)動具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著柵電極9電壓的逐漸升高，柵電極9與導(dǎo)電層7之間的電勢差逐漸增大，使得位于柵電極9與導(dǎo)電層7之間隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度也隨之逐漸增大，當隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度位于臨界值以下時，隧穿絕緣層8依然保持良好的高阻狀態(tài)，柵電極9和發(fā)射極10之間的電勢差幾乎完全降在隧穿絕緣層8的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得由基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所共同組成的發(fā)射結(jié)之間的電勢差極小，因此基區(qū)4幾乎沒有電流流過，器件也因此保持良好的關(guān)斷狀態(tài)，而當隧穿絕緣層8內(nèi)的電場強度位于臨界值以上時，隧穿絕緣層8會由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流則會隨著柵電極9電勢的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得隧穿絕緣層8在柵電極9極短的電勢變化區(qū)間內(nèi)由高阻態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)，當隧穿絕緣層8處于低阻態(tài)，此時隧穿絕緣層8在柵電極9和導(dǎo)電層7之間所形成的電阻要遠小于導(dǎo)電層7和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得由基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所共同組成的發(fā)射結(jié)兩端形成了足夠大的正偏電壓，并且在隧穿效應(yīng)的作用下，在隧穿絕緣層8的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電流移動，導(dǎo)電層7作為具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的浮動基極，當隧穿絕緣層8發(fā)生隧穿時，電流從柵電極9經(jīng)隧穿絕緣層8流動到導(dǎo)電層7，并為基區(qū)4供電；因此形成了足夠大的基區(qū)電流來驅(qū)動具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，即器件處于開啟狀態(tài)；
[0088]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用擊穿保護區(qū)6來提高器件的正向和反向耐壓特性。以N型器件為例，當集電極11相對于發(fā)射極10正偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和集電區(qū)5所組成的集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和集電區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的集電結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的正向耐壓能力；當集電極11相對于發(fā)射極10反偏時，由導(dǎo)電層7、基區(qū)4、擊穿保護區(qū)6和發(fā)射區(qū)3所組成的發(fā)射結(jié)處于反偏狀態(tài)，位于基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間的擊穿保護區(qū)6對于反偏的發(fā)射結(jié)具有抗擊穿保護作用，因此可顯著提升器件的反向耐壓能力；
[0089]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，利用隧穿絕緣層8阻抗與隧穿絕緣層8內(nèi)電場強度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過選取適當介電常數(shù)的絕緣材料，并對隧穿絕緣層8的側(cè)壁及底部厚度進行適當調(diào)節(jié)，就可以使隧穿絕緣層8在柵電極9極小的電勢變化區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此對比于普通結(jié)構(gòu)的MOSFETs、隧穿場效應(yīng)晶體管或普通的雙極晶體管，可以實現(xiàn)更好的開關(guān)特性。
[0090]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，通過絕緣隧穿層8上產(chǎn)生的遂穿電流作為集電極10電流的驅(qū)動電流，與普通隧穿場效應(yīng)晶體管只是利用少量的半導(dǎo)體帶間隧穿電流作為器件的導(dǎo)通電流相比，具有更好的正向電流導(dǎo)通特性。
[0091]具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，由于柵電極9與發(fā)射區(qū)3或集電區(qū)5之間的距離均取決于隧穿絕緣層8、導(dǎo)電層7、基區(qū)4凹槽兩側(cè)側(cè)壁厚度的總和，使柵電極9遠離發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，因此有助于抑制由于柵電極邊緣電場效應(yīng)所導(dǎo)致的發(fā)生在發(fā)射結(jié)或集電結(jié)附近的由于半導(dǎo)體帶間隧穿效應(yīng)所引起的反向泄漏電流。
[0092]本發(fā)明所提出的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的單元及陣列在SOI晶圓上的具體制造工藝步驟如下:
[0093]步驟一、如圖2所不,提供一個SOI晶圓，SOI晶圓的下方為SOI晶圓的單晶娃襯底1，S0I晶圓的中間為晶圓絕緣層2，對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進行局部離子注入，初步形成基區(qū)4，未被離子注入的區(qū)域初步形成擊穿保護區(qū)6。
[0094]步驟二、如圖3所示，對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜再次進行離子注入，在單晶硅薄膜的頂部形成與步驟一中的雜質(zhì)類型相反的、濃度不低于119每立方厘米的重摻雜區(qū)。
[0095]步驟三、如圖4所示，通過光刻、刻蝕等工藝在所提供的SOI晶圓上形成長方體狀單晶硅孤島陣列區(qū)域。
[0096]步驟四、如圖5所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面，初步形成阻擋絕緣層12。
[0097]步驟五、如圖6所示，通過刻蝕工藝，在單晶硅薄膜上刻蝕出凹槽狀區(qū)域，使基區(qū)4具有凹槽形幾何特征，并初步形成位于凹槽的頂部兩側(cè)的、具有重摻雜雜質(zhì)濃度的發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5。
[0098]步驟/K、如圖7所不，在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類型的重慘雜的多晶硅，使步驟五中由發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5和基區(qū)4所共同形成的凹槽內(nèi)部完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，初步形成導(dǎo)電層7。
[0099]步驟七、如圖8所示，通過刻蝕工藝，對步驟六中所淀積的金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類型的重摻雜的多晶硅進行刻蝕，進一步形成具導(dǎo)電層7。
[0100]步驟八、如圖9所示，在晶圓上方淀積隧穿絕緣層介質(zhì)，使步驟七中所形成的導(dǎo)電層7的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出導(dǎo)電層7，初步形成隧穿絕緣層8。
[0101]步驟九、如圖10所示，通過刻蝕工藝，對步驟八中所淀積的隧穿絕緣層介質(zhì)進行刻蝕，進一步形成隧穿絕緣層8。
[0102]步驟十、如圖11所示，在晶圓上方淀積金屬材料或重摻雜多晶硅，使步驟九中所形成的隧穿絕緣層8的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、導(dǎo)電層7以及隧穿絕緣層8的頂部，形成柵電極9。
[0103]步驟十一、如圖12所示，在晶圓上方通過刻蝕工藝使基區(qū)4所形成的凹槽兩側(cè)的上方的一部分被刻蝕掉，使基區(qū)4的兩側(cè)頂部低于擊穿保護區(qū)6的頂部，進一步形成基區(qū)6。
[0104]步驟十二、如圖13所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、隧穿絕緣層8以及柵電極9的頂部，進一步形成阻擋絕緣層12。
[0105]步驟十三、如圖14所示，在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉導(dǎo)電層7兩側(cè)上方部分，使導(dǎo)電層7的兩側(cè)頂部不高于基區(qū)4兩側(cè)的頂部，進一步形成導(dǎo)電層7。
[0106]步驟十四、如圖15所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、隧穿絕緣層8以及柵電極9的頂部，進一步形成阻擋絕緣層12。
[0107]步驟十五、如圖16所示，在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉隧穿絕緣層8兩側(cè)上方部分，使隧穿絕緣層8的兩側(cè)頂部不高于導(dǎo)電層7兩側(cè)的頂部，進一步形成隧穿絕緣層8。
[0108]步驟十六、如圖17所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，使步驟十五中的隧穿絕緣層8被刻蝕掉的部分完全被絕緣介質(zhì)層填充，再將表面進行平坦化處理，進一步形成阻擋絕緣層12。
[0109]步驟十七、如圖18所示，在位于發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5的上方的阻擋絕緣層12內(nèi)部刻蝕出用于形成發(fā)射極10和集電極11的通孔，并在晶圓上表面淀積金屬層，使通孔被金屬填充，再對金屬層進行刻蝕，形成發(fā)射極10和集電極11。
【權(quán)利要求】
1.具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:采用只包含單晶硅襯底(I)的體硅晶圓作為生成器件襯底，或采用同時包含單晶硅襯底(I)和晶圓絕緣層(2)的SOI晶圓作為生成器件的襯底；基區(qū)(4)位于體硅晶圓的單晶硅襯底(I)或SOI晶圓的晶圓絕緣層(2)的上方，并具有凹槽；擊穿保護區(qū)(6)位于基區(qū)(4)外側(cè)壁兩側(cè)；發(fā)射區(qū)⑶和集電區(qū)(5)分別位于基區(qū)⑷兩側(cè)的擊穿保護區(qū)(6)的上方；發(fā)射極(10)位于發(fā)射區(qū)⑶的上方；集電極(11)位于集電區(qū)(5)的上方；導(dǎo)電層(7)位于基區(qū)⑷所形成的凹槽內(nèi)壁，被基區(qū)⑷三面包圍；隧穿絕緣層⑶位于導(dǎo)電層⑵的內(nèi)壁，并被導(dǎo)電層(7)三面包圍；柵電極(9)位于隧穿絕緣層(8)內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層(12)位于具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管單元之間和單個具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的上方。
2.具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:擊穿保護區(qū)(6)的雜質(zhì)濃度低于116每立方厘米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:位于基區(qū)(4)兩側(cè)的擊穿保護區(qū)(6)的頂部高于基區(qū)(4)、導(dǎo)電層(7)和隧穿絕緣層⑶的頂部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:柵電極(9) 一部分位于隧穿絕緣層(8)的凹槽內(nèi)，一部分高于隧穿絕緣層(8)的頂部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:隧穿絕緣層(8)為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極(9)相互接觸，其外壁與導(dǎo)電層(X)相互接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:導(dǎo)電層(7)與基區(qū)(4)形成歐姆接觸，導(dǎo)電層(7)是金屬材料或者是同基區(qū)(4)具有相同雜質(zhì)類型的、且摻雜濃度大于119每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:導(dǎo)電層(7)實質(zhì)為具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的浮動基極，當隧穿絕緣層(8)發(fā)生隧穿時，電流從柵電極(9)經(jīng)隧穿絕緣層(8)流動到導(dǎo)電層(7)，并為具有凹槽結(jié)構(gòu)的基區(qū)(4)供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:柵電極(9)是控制隧穿絕緣層(8)產(chǎn)生隧穿電流的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與導(dǎo)電層(7)和隧穿絕緣層(8)共同構(gòu)成具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的基極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管，其特征在于:發(fā)射區(qū)(3)與基區(qū)(4)之間、集電區(qū)(5)與基區(qū)(4)之間具有相反雜質(zhì)類型，且發(fā)射區(qū)(3)與發(fā)射極(10)之間形成歐姆接觸，集電區(qū)(3)與集電極(11)之間形成歐姆接觸。
10.一種如權(quán)利要求1所述的具有擊穿保護功能的柵絕緣隧穿凹槽基區(qū)雙極晶體管的制造方法，其特征在于:該工藝步驟如下: 步驟一、提供一個SOI晶圓，SOI晶圓的下方為SOI晶圓的單晶硅襯底(1)，SOI晶圓的中間為晶圓絕緣層(2)，對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進行局部離子注入，初步形成基區(qū)(4)，未被離子注入的區(qū)域初步形成擊穿保護區(qū)(6)； 步驟二、對SOI晶圓上方的單晶硅薄膜再次進行離子注入，在單晶硅薄膜的頂部形成與步驟一中的雜質(zhì)類型相反的、濃度不低于119每立方厘米的重摻雜區(qū)； 步驟三、通過光刻、刻蝕工藝在所提供的SOI晶圓上形成長方體狀單晶硅孤島陣列區(qū)域； 步驟四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面，初步形成阻擋絕緣層(12)； 步驟五、通過刻蝕工藝，在單晶硅薄膜上刻蝕出凹槽狀區(qū)域，使基區(qū)(4)具有凹槽形幾何特征，并初步形成位于凹槽的頂部兩側(cè)的、具有重摻雜雜質(zhì)濃度的發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)； 步驟六、在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)(4)相同雜質(zhì)類型的重摻雜的多晶硅，使步驟五中由發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)和基區(qū)(4)所共同形成的凹槽內(nèi)部完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)，初步形成導(dǎo)電層(7)； 步驟七、通過刻蝕工藝，對步驟六中所淀積的金屬或具有和基區(qū)(4)相同雜質(zhì)類型的重摻雜的多晶硅進行刻蝕，進一步形成具導(dǎo)電層(7)； 步驟八、在晶圓上方淀積隧穿絕緣層介質(zhì)，使步驟七中所形成的導(dǎo)電層(7)的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出導(dǎo)電層(7)，初步形成隧穿絕緣層(8)； 步驟九、通過刻蝕工藝，對步驟八中所淀積的隧穿絕緣層介質(zhì)進行刻蝕，進一步形成隧穿絕緣層⑶； 步驟十、在晶圓上方淀積金屬材料或重摻雜多晶硅，使步驟九中所形成的隧穿絕緣層(8)的內(nèi)壁三面所包圍的區(qū)域完全被填充，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)、導(dǎo)電層(7)以及隧穿絕緣層⑶的頂部，形成柵電極(9)； 步驟十一、在晶圓上方通過刻蝕工藝使基區(qū)(4)所形成的凹槽兩側(cè)的上方的一部分被刻蝕掉，使基區(qū)(4)的兩側(cè)頂部低于擊穿保護區(qū)￠)的頂部，進一步形成基區(qū)(6)； 步驟十二、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)、隧穿絕緣層⑶以及柵電極(9)的頂部，進一步形成阻擋絕緣層(12)； 步驟十三、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉導(dǎo)電層(7)兩側(cè)上方部分，使導(dǎo)電層(7)的兩側(cè)頂部不高于基區(qū)(4)兩側(cè)的頂部，進一步形成導(dǎo)電層(7)； 步驟十四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，再將表面平坦化至露出發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)、隧穿絕緣層(8)以及柵電極(9)的頂部，進一步形成阻擋絕緣層(12)； 步驟十五、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉隧穿絕緣層(8)兩側(cè)上方部分，使隧穿絕緣層(8)的兩側(cè)頂部不高于導(dǎo)電層(7)兩側(cè)的頂部，進一步形成隧穿絕緣層(8)； 步驟十六、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，使步驟十五中的隧穿絕緣層(8)被刻蝕掉的部分完全被絕緣介質(zhì)層填充，再將表面進行平坦化處理，進一步形成阻擋絕緣層(12)； 步驟十七、在位于發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)的上方的阻擋絕緣層(12)內(nèi)部刻蝕出用于形成發(fā)射極(10)和集電極(11)的通孔，并在晶圓上表面淀積金屬層，使通孔被金屬填充，再對金屬層進行刻蝕，形成發(fā)射極(10)和集電極(11)。
【文檔編號】H01L21/336GK104393033SQ201410742969
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】靳曉詩, 劉溪 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)