Soi襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管及其制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，在基區(qū)兩側(cè)和上表面同時(shí)具有絕緣隧穿結(jié)構(gòu)，在柵電極的控制作用下使絕緣隧穿效應(yīng)同時(shí)發(fā)生在基區(qū)兩側(cè)和上表面，因此提升了隧穿電流的產(chǎn)生率；對(duì)比同尺寸MOSFETs或TFETs器件，利用隧穿絕緣層阻抗與其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)間極為敏感的相互關(guān)系實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)特性；通過(guò)發(fā)射極將隧穿信號(hào)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的正向?qū)ㄌ匦?；另外本發(fā)明還提出了一種SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管單元及其陣列的具體制造方法。該晶體管顯著改善了納米級(jí)集成電路單元的工作特性，適用于推廣應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】SOI襯底折疊柵絕緣隧穿増強(qiáng)晶體管及其制造方法

【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SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的結(jié)構(gòu)及其制造方法。

【背景技術(shù)】
:
[0002]集成電路的基本單元金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)溝道長(zhǎng)度的不斷縮短導(dǎo)致了器件開(kāi)關(guān)特性的明顯下降。具體表現(xiàn)為亞閾值擺幅隨著溝道長(zhǎng)度的減小而增大、靜態(tài)功耗明顯增加。雖然通過(guò)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(dāng)器件尺寸進(jìn)一步縮減時(shí)，器件的開(kāi)關(guān)特性會(huì)繼續(xù)惡化。
[0003]對(duì)比于MOSFETs器件，近年來(lái)提出的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFETs)，雖然其平均亞閾值擺幅有所提升，然而其正向?qū)娏鬟^(guò)小，雖然通過(guò)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(lái)生成TFETs的隧穿部分可增大隧穿幾率以提升開(kāi)關(guān)特性，但增加了工藝難度。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(duì)溝道電場(chǎng)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(duì)于TFETs的正向?qū)ㄌ匦愿纳坪苡邢蕖?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0004]發(fā)明目的
[0005]為顯著提升納米級(jí)集成電路基本單元器件的開(kāi)關(guān)特性，確保器件在降低亞閾值擺幅的同時(shí)具有良好的正向電流導(dǎo)通特性，本發(fā)明提供一種適用于高性能、高集成度集成電路制造的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的結(jié)構(gòu)及其單元和陣列的制造方法。
[0006]技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0008]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，采用包含單晶硅襯底1和晶圓絕緣層2的SOI晶圓作為生成器件的襯底；發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5位于SOI晶圓的晶圓絕緣層2的上方，基區(qū)4位于發(fā)射區(qū)3與集電區(qū)5之間；發(fā)射極9位于發(fā)射區(qū)3的上方；集電極10位于集電區(qū)5的上方；折疊導(dǎo)電層6對(duì)基區(qū)4中間部分的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊隧穿絕緣層7對(duì)折疊導(dǎo)電層6的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊柵電極8對(duì)折疊隧穿絕緣層7的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；阻擋絕緣層11為絕緣介質(zhì)。
[0009]為達(dá)到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出一種SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0010]折疊導(dǎo)電層6與基區(qū)4形成歐姆接觸，折疊導(dǎo)電層6是金屬材料或者是同基區(qū)4具有相同雜質(zhì)類(lèi)型的、且摻雜濃度大于1019每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
[0011]折疊隧穿絕緣層7為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層。
[0012]折疊導(dǎo)電層6、折疊隧穿絕緣層7和折疊柵電極8均通過(guò)阻擋絕緣層11與發(fā)射區(qū)3、發(fā)射極9、集電區(qū)5和集電極10相互隔離；相鄰的發(fā)射區(qū)3與集電區(qū)5之間通過(guò)阻擋絕緣層11隔離，相鄰的發(fā)射極9與集電極10之間通過(guò)阻擋絕緣層11隔離。
[0013]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(lèi)型、且發(fā)射區(qū)3與發(fā)射極9之間形成歐姆接觸、集電區(qū)3與集電極10之間形成歐姆接觸。
[0014]折疊導(dǎo)電層6、折疊隧穿絕緣層7和折疊柵電極8共同組成了 SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的隧穿基極，當(dāng)折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8的控制下發(fā)生隧穿時(shí)，電流從折疊柵電極8經(jīng)折疊隧穿絕緣層7流動(dòng)到折疊導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電。
[0015]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)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(dāng)集電極10正偏，且折疊柵電極8處于低電位時(shí)，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間沒(méi)有形成足夠的電勢(shì)差，此時(shí)折疊隧穿絕緣層7處于高阻狀態(tài)，與M0SFET的柵極絕緣層相似，沒(méi)有明顯隧穿電流通過(guò)，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間無(wú)法形成足夠大的基區(qū)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著折疊柵電極8電壓的逐漸升高，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間的電勢(shì)差逐漸增大，使得位于折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間的折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之逐漸增大，當(dāng)折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以下時(shí)，折疊隧穿絕緣層7始終保持良好的高阻狀態(tài)，折疊柵電極8和發(fā)射極9之間的電勢(shì)差幾乎完全降在折疊隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間的電勢(shì)差極小，因此基區(qū)幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，器件也因此保持良好的關(guān)斷狀態(tài)，而當(dāng)折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)并超過(guò)臨界值時(shí)，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間會(huì)通過(guò)折疊隧穿絕緣層7發(fā)生載流子的隧穿，折疊隧穿絕緣層7會(huì)由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流會(huì)隨著折疊柵電極8電勢(shì)的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8極短的電勢(shì)變化區(qū)間內(nèi)由高阻態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)；當(dāng)折疊隧穿絕緣層7處于低阻態(tài)，此時(shí)折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8和折疊導(dǎo)電層6之間所形成的電阻要遠(yuǎn)小于折疊導(dǎo)電層6和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得折疊柵電極8和發(fā)射極9之間的電勢(shì)差幾乎完全降落在基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間，形成了足夠大的正偏電壓，并且在隧穿效應(yīng)的作用下，在折疊隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電子移動(dòng)，即為基區(qū)4提供電流源，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間形成了足夠大的基區(qū)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，即器件處于開(kāi)啟狀態(tài)。
[0016]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，在基區(qū)4中間部分的兩側(cè)和上表面同時(shí)具有絕緣隧穿結(jié)構(gòu)，在折疊柵電極8的控制作用下使絕緣隧穿效應(yīng)同時(shí)發(fā)生在基區(qū)兩側(cè)和上表面，因此大幅提升了隧穿電流的產(chǎn)生率。
[0017]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，利用折疊隧穿絕緣層7阻抗與隧穿絕緣層內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過(guò)對(duì)折疊隧穿絕緣層7選取適當(dāng)?shù)乃淼澜^緣材料，并對(duì)折疊隧穿絕緣層7的側(cè)壁高度、側(cè)壁厚度、頂部厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以使折疊隧穿絕緣層7在極小的柵電極電勢(shì)變化區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)特性。
[0018]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，柵絕緣隧穿電流通過(guò)折疊導(dǎo)電層6流向基區(qū)4，并經(jīng)過(guò)發(fā)射區(qū)3進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，與普通TFETs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，基于上述原因，對(duì)比于普通TFETs器件，SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管管可以實(shí)現(xiàn)更高的正向?qū)娏鳌?br> [0019]優(yōu)點(diǎn)及效果
[0020]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0021]1.高隧穿電流產(chǎn)生率
[0022]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，在基區(qū)4中間部分的兩側(cè)和上表面同時(shí)具有絕緣隧穿結(jié)構(gòu)，在折疊柵電極8的控制作用下使絕緣隧穿效應(yīng)同時(shí)發(fā)生在基區(qū)兩側(cè)和上表面，因此大幅提升了隧穿電流的產(chǎn)生率。
[0023]2.更好的開(kāi)關(guān)特性
[0024]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，利用折疊隧穿絕緣層7阻抗與隧穿絕緣層內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過(guò)對(duì)折疊隧穿絕緣層7選取適當(dāng)?shù)乃淼澜^緣材料，并對(duì)折疊隧穿絕緣層7的側(cè)壁高度、側(cè)壁厚度、頂部厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以使折疊隧穿絕緣層7在極小的柵電極電勢(shì)變化區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)特性。
[0025]3.更好的正向?qū)ㄌ匦?br> [0026]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，柵絕緣隧穿電流通過(guò)折疊導(dǎo)電層6流向基區(qū)4，并經(jīng)過(guò)發(fā)射區(qū)3進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，與普通TFETs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，基于上述原因，對(duì)比于普通TFETs器件，SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管管可以實(shí)現(xiàn)更高的正向?qū)娏鳌?br>
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管在SOI襯底上形成的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管沿圖1中A平面切割后得到的二維剖面圖；
[0029]圖3為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管沿圖1中B平面切割后得到的二維剖面圖；
[0030]圖4為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了阻擋絕緣層11后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖5為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10和阻擋絕緣層11之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖6為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11和折疊柵電極8之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖7為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11、折疊柵電極8和折疊隧穿絕緣層7之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖8為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11、折疊柵電極8、折疊隧穿絕緣層7和折疊導(dǎo)電層6之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖9是步驟一的俯視示意圖，
[0036]圖10是圖9沿切線(xiàn)A切割得到的剖面示意圖，
[0037]圖11是步驟二的俯視示意圖，
[0038]圖12是圖11沿切線(xiàn)A切割得到的步驟二的剖面示意圖，
[0039]圖13是步驟三的俯視示意圖，
[0040]圖14是圖13沿切線(xiàn)A切割得到的步驟三的剖面示意圖，
[0041]圖15是步驟四的俯視示意圖，
[0042]圖16是圖15沿切線(xiàn)A切割得到的步驟四的剖面示意圖，
[0043]圖17是步驟五的俯視不意圖，
[0044]圖18是圖17沿切線(xiàn)B切割得到的步驟五的剖面示意圖，
[0045]圖19是步驟六的俯視示意圖，
[0046]圖20是圖19沿切線(xiàn)B切割得到的步驟六的剖面示意圖，
[0047]圖21是步驟七的俯視示意圖，
[0048]圖22是圖21沿切線(xiàn)B切割得到的步驟七的剖面示意圖，
[0049]圖23是步驟八的俯視示意圖，
[0050]圖24是圖23沿切線(xiàn)A切割得到的步驟八的剖面示意圖，
[0051]圖25是圖23沿切線(xiàn)B切割得到的步驟八的剖面示意圖，
[0052]圖26是步驟九的俯視示意圖，
[0053]圖27是圖26沿切線(xiàn)A切割得到的步驟九的剖面示意圖，
[0054]圖28是圖26沿切線(xiàn)B切割得到的步驟九的剖面示意圖，
[0055]圖29是步驟十的俯視示意圖，
[0056]圖30是圖29沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十的剖面示意圖，
[0057]圖31是圖29沿切線(xiàn)B切割得到的步驟十的剖面示意圖，
[0058]圖32是步驟^^一的俯視示意圖，
[0059]圖33是圖32沿切線(xiàn)A切割得到的步驟i^一的剖面示意圖，
[0060]圖34是圖32沿切線(xiàn)B切割得到的步驟i^一的剖面示意圖，
[0061]圖35是步驟十二的俯視示意圖，
[0062]圖36是圖35沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十二的剖面示意圖，
[0063]圖37是圖35沿切線(xiàn)B切割得到的步驟十二的剖面示意圖，
[0064]圖38是步驟十三的俯視示意圖，
[0065]圖39是圖38沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十三的剖面示意圖，
[0066]圖40是圖38沿切線(xiàn)B切割得到的步驟十三的剖面示意圖，
[0067]圖41是步驟十四的俯視示意圖，
[0068]圖42是圖41沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十四的剖面示意圖，
[0069]圖43是圖41沿切線(xiàn)B切割得到的步驟十四的剖面示意圖，
[0070]圖44是步驟十五的俯視示意圖，
[0071]圖45是圖44沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十五的剖面示意圖，
[0072]圖46是圖44沿切線(xiàn)B切割得到的步驟十五的剖面示意圖，
[0073]圖47是步驟十六的俯視示意圖，
[0074]圖48是圖47沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十六的剖面示意圖，
[0075]圖49是步驟十七的俯視示意圖，
[0076]圖50是圖49沿切線(xiàn)A切割得到的步驟十七的剖面示意圖。
[0077]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0078]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、折萱導(dǎo)電層；7、折疊隧穿絕緣層；8、折疊柵電極；9、發(fā)射極；10、集電極；11、阻擋絕緣層。

【具體實(shí)施方式】
[0079]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明:圖1為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管在SOI襯底上形成的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管沿圖1中A平面切割后得到的二維剖面圖；圖3為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管沿圖1中B平面切割后得到的二維剖面圖；圖4為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了阻擋絕緣層11后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10和阻擋絕緣層11之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11和折疊柵電極8之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11、折疊柵電極8和折疊隧穿絕緣層7之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管剝離了發(fā)射極9、集電極10、阻擋絕緣層11、折疊柵電極8、折疊隧穿絕緣層7和折疊導(dǎo)電層6之后的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0080]具體包括單晶娃襯底1 ;晶圓絕緣層2 ;發(fā)射區(qū)3 ;基區(qū)4 ;集電區(qū)5 ;折萱導(dǎo)電層6 ；折疊隧穿絕緣層7 ;折疊柵電極8 ;發(fā)射極9 ;集電極10 ;阻擋絕緣層11。
[0081]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，采用包含單晶硅襯底1和晶圓絕緣層2的SOI晶圓作為生成器件的襯底；發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5位于SOI晶圓的晶圓絕緣層2的上方；發(fā)射極9位于發(fā)射區(qū)3的上方；集電極10位于集電區(qū)5的上方；折疊導(dǎo)電層6對(duì)基區(qū)4中間部分的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊隧穿絕緣層7對(duì)折疊導(dǎo)電層6的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊柵電極8對(duì)折疊隧穿絕緣層7的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；阻擋絕緣層11為絕緣介質(zhì)。
[0082]為達(dá)到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出一種SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0083]折疊導(dǎo)電層6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(lèi)型的、且摻雜濃度大于1019每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
[0084]折疊隧穿絕緣層7為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層。
[0085]折疊導(dǎo)電層6、折疊隧穿絕緣層7和折疊柵電極8均通過(guò)阻擋絕緣層11與發(fā)射區(qū)3、發(fā)射極9、集電區(qū)5和集電極10相互隔離。
[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(lèi)型、且發(fā)射區(qū)3與發(fā)射極9之間形成歐姆接觸、集電區(qū)3與集電極10之間形成歐姆接觸。
[0087]折疊導(dǎo)電層6、折疊隧穿絕緣層7和折疊柵電極8共同組成了 SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的隧穿基極，當(dāng)折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8的控制下發(fā)生隧穿時(shí)，電流從折疊柵電極8經(jīng)折疊隧穿絕緣層7流動(dòng)到折疊導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電。
[0088]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)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(dāng)集電極10正偏，且折疊柵電極8處于低電位時(shí)，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間沒(méi)有形成足夠的電勢(shì)差，此時(shí)折疊隧穿絕緣層7處于高阻狀態(tài)，與MOSFET的柵極絕緣層相似，沒(méi)有明顯隧穿電流通過(guò)，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間無(wú)法形成足夠大的基區(qū)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著折疊柵電極8電壓的逐漸升高，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間的電勢(shì)差逐漸增大，使得位于折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間的折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之逐漸增大，當(dāng)折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以下時(shí)，折疊隧穿絕緣層7始終保持良好的高阻狀態(tài)，折疊柵電極8和發(fā)射極9之間的電勢(shì)差幾乎完全降在折疊隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間的電勢(shì)差極小，因此基區(qū)幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，器件也因此保持良好的關(guān)斷狀態(tài)，而當(dāng)折疊隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)并超過(guò)臨界值時(shí)，折疊柵電極8與折疊導(dǎo)電層6之間會(huì)通過(guò)折疊隧穿絕緣層7發(fā)生載流子的隧穿，折疊隧穿絕緣層7會(huì)由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流會(huì)隨著折疊柵電極8電勢(shì)的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8極短的電勢(shì)變化區(qū)間內(nèi)由高阻態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為低阻態(tài)；當(dāng)折疊隧穿絕緣層7處于低阻態(tài)，此時(shí)折疊隧穿絕緣層7在折疊柵電極8和折疊導(dǎo)電層6之間所形成的電阻要遠(yuǎn)小于折疊導(dǎo)電層6和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得折疊柵電極8和發(fā)射極9之間的電勢(shì)差幾乎完全降落在基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間，形成了足夠大的正偏電壓，并且在隧穿效應(yīng)的作用下，在折疊隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電子移動(dòng)，即為基區(qū)4提供電流源，因此使得基區(qū)4和發(fā)射區(qū)3之間形成了足夠大的基區(qū)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，即器件處于開(kāi)啟狀態(tài)。
[0089]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，在基區(qū)4中間部分的兩側(cè)和上表面同時(shí)具有絕緣隧穿結(jié)構(gòu)，在折疊柵電極8的控制作用下使絕緣隧穿效應(yīng)同時(shí)發(fā)生在基區(qū)兩側(cè)和上表面，因此大幅提升了隧穿電流的產(chǎn)生率。
[0090]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，利用折疊隧穿絕緣層7阻抗與隧穿絕緣層內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度之間極為敏感的相互關(guān)系，通過(guò)對(duì)折疊隧穿絕緣層7選取適當(dāng)?shù)乃淼澜^緣材料，并對(duì)折疊隧穿絕緣層7的側(cè)壁高度、側(cè)壁厚度、頂部厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以使折疊隧穿絕緣層7在極小的柵電極電勢(shì)變化區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)特性。
[0091]SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，柵絕緣隧穿電流通過(guò)折疊導(dǎo)電層6流向基區(qū)4，并經(jīng)過(guò)發(fā)射區(qū)3進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)，與普通TFETs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，基于上述原因，對(duì)比于普通TFETs器件，SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管管可以實(shí)現(xiàn)更高的正向?qū)娏鳌?br> [0092]本發(fā)明所提出的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的單元在SOI晶圓上的具體制造工藝步驟如下:
[0093]步驟一、如圖9至圖10所示，提供一個(gè)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，通過(guò)離子注入或擴(kuò)散工藝，對(duì)SOI晶圓上方的單晶娃薄膜進(jìn)行摻雜，初步形成基區(qū)4。
[0094]步驟二、如圖11至圖12所示，再次通過(guò)離子注入或擴(kuò)散工藝，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進(jìn)行摻雜，在晶圓上表面形成與步驟一中的雜質(zhì)類(lèi)型相反的、濃度不低于1019每立方厘米的重?fù)诫s區(qū)。
[0095]步驟三、如圖13至圖14所示，通過(guò)光刻、刻蝕等工藝在所提供的SOI晶圓上形成長(zhǎng)方體狀單晶硅孤島隊(duì)列。
[0096]步驟四、如圖15至圖16所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面至露出單晶硅薄膜，初步形成阻擋絕緣層11。
[0097]步驟五、如圖17至圖18所示，進(jìn)一步通過(guò)光刻、刻蝕工藝在所提供的SOI晶圓上形成長(zhǎng)方體狀單晶硅孤島陣列。
[0098]步驟六、如圖19至圖20所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面至露出發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層11。
[0099]步驟七、如圖21至圖22所示，通過(guò)刻蝕工藝，對(duì)晶圓表面基區(qū)兩側(cè)中間部分的阻擋絕緣層11進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層2。
[0100]步驟八、如圖23至圖25所示，在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類(lèi)型的重?fù)诫s的多晶硅，使步驟七中被刻蝕掉的阻擋絕緣層11完全被填充，平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊導(dǎo)電層6以外的部分，露出發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、阻擋絕緣層11和基區(qū)4鄰近發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5的兩端，形成折疊導(dǎo)電層6。
[0101]步驟九、如圖26至圖28所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，再將表面平坦化至露出折疊導(dǎo)電層6的上表面，再通過(guò)刻蝕工藝分別在基區(qū)兩側(cè)的隧穿絕緣層7的遠(yuǎn)離基區(qū)的一側(cè)對(duì)阻擋絕緣層11進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層2。
[0102]步驟十、如圖29至圖31所示，在晶圓上方淀積隧穿絕緣層介質(zhì)，使步驟九中被刻蝕掉的阻擋絕緣層11完全被填充，平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊隧穿絕緣層7以外部分至露出阻擋絕緣層11，形成折疊隧穿絕緣層7。
[0103]步驟十一、如圖32至圖34所示，分別在基區(qū)兩側(cè)的折疊隧穿絕緣層7的遠(yuǎn)離基區(qū)的一側(cè)對(duì)阻擋絕緣層11進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層2。
[0104]步驟十二、如圖35至圖37所示，在晶圓上方淀積金屬或重?fù)诫s的多晶硅，使步驟十一中被刻蝕掉的阻擋絕緣層11被完全填充；平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊柵電極8以外部分至露出阻擋絕緣層11，初步形成折疊柵電極8。
[0105]步驟十三、如圖38至圖40所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，再將表面平坦化至露出步驟十二當(dāng)中形成的折疊柵電極8的上表面。
[0106]步驟十四、如圖41至圖43所示，在晶圓上方淀積金屬或重?fù)诫s的多晶硅，并刻蝕掉用于形成器件單元之間走線(xiàn)部分以外的部分，進(jìn)一步形成折疊柵電極8。
[0107]步驟十五、如圖44至圖46所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，將表面平坦化。
[0108]步驟十六、如圖47至圖48所示，通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉位于發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5的上方的阻擋絕緣層11，形成發(fā)射極9和集電極10的通孔。
[0109]步驟十七、如圖49至圖50所示，在晶圓上方淀積金屬，使步驟十六中所形成的發(fā)射極9和集電極10的通孔被完全填充，并通過(guò)刻蝕工藝形成發(fā)射極9和集電極10。
【權(quán)利要求】
1.SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:采用包含單晶硅襯底(1)和晶圓絕緣層⑵的SOI晶圓作為生成器件的襯底；發(fā)射區(qū)(3)、基區(qū)⑷和集電區(qū)(5)位于SOI晶圓的晶圓絕緣層(2)的上方，基區(qū)(4)位于發(fā)射區(qū)(3)與集電區(qū)(5)之間；發(fā)射極(9)位于發(fā)射區(qū)⑶的上方；集電極(10)位于集電區(qū)(5)的上方；折疊導(dǎo)電層(6)對(duì)基區(qū)⑷中間部分的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊隧穿絕緣層(7)對(duì)折疊導(dǎo)電層￠)的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；折疊柵電極(8)對(duì)折疊隧穿絕緣層(7)的上表面和兩側(cè)形成三面包圍；阻擋絕緣層(11)為絕緣介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:折疊導(dǎo)電層(6)與基區(qū)(4)形成歐姆接觸，折疊導(dǎo)電層(6)是金屬材料，或者是同基區(qū)(4)具有相同雜質(zhì)類(lèi)型的、且摻雜濃度大于1019每立方厘米的半導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:折疊隧穿絕緣層(7)為用于產(chǎn)生隧穿電流的絕緣材料層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:折疊導(dǎo)電層(6)、折疊隧穿絕緣層(7)和折疊柵電極⑶均通過(guò)阻擋絕緣層(11)與發(fā)射區(qū)(3)、發(fā)射極(9)、集電區(qū)(5)和集電極(10)相互隔離；相鄰的發(fā)射區(qū)(3)與集電區(qū)(5)之間通過(guò)阻擋絕緣層(11)隔離，相鄰的發(fā)射極(9)與集電極(10)之間通過(guò)阻擋絕緣層(11)隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:發(fā)射區(qū)(3)與基區(qū)⑷之間、集電區(qū)(5)與基區(qū)(4)之間具有相反雜質(zhì)類(lèi)型，且發(fā)射區(qū)(3)與發(fā)射極(9)之間形成歐姆接觸，集電區(qū)(5)與集電極(10)之間形成歐姆接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管，其特征在于:折疊導(dǎo)電層(6)、折疊隧穿絕緣層(7)和折疊柵電極(8)共同組成了 SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的隧穿基極，當(dāng)折疊隧穿絕緣層(7)在折疊柵電極(8)的控制下發(fā)生隧穿時(shí)，電流從折疊柵電極(8)經(jīng)折疊隧穿絕緣層(7)流動(dòng)到折疊導(dǎo)電層￠)，并為基區(qū)(4)供電。
7.一種如權(quán)利要求1所述的SOI襯底折疊柵絕緣隧穿增強(qiáng)晶體管的單元及其陣列的制造方法，其特征在于:該工藝步驟如下: 步驟一、提供一個(gè)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)，通過(guò)離子注入或擴(kuò)散工藝，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進(jìn)行摻雜，初步形成基區(qū)⑷； 步驟二、再次通過(guò)離子注入或擴(kuò)散工藝，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進(jìn)行摻雜，在晶圓上表面形成與步驟一中的雜質(zhì)類(lèi)型相反的、濃度不低于1019每立方厘米的重?fù)诫s區(qū)； 步驟三、通過(guò)光刻、刻蝕工藝在所提供的SOI晶圓上形成長(zhǎng)方體狀單晶硅孤島隊(duì)列； 步驟四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面至露出單晶硅薄膜，初步形成阻擋絕緣層(11); 步驟五、進(jìn)一步通過(guò)光刻、刻蝕工藝在所提供的SOI晶圓上形成長(zhǎng)方體狀單晶硅孤島陣列； 步驟六、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后平坦化表面至露出發(fā)射區(qū)(3)、基區(qū)(4)和集電區(qū)(5)，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層(11); 步驟七、通過(guò)刻蝕工藝，對(duì)晶圓表面基區(qū)兩側(cè)中間部分的阻擋絕緣層(11)進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層⑵； 步驟八、在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)(4)相同雜質(zhì)類(lèi)型的重?fù)诫s的多晶硅，使步驟七中被刻蝕掉的阻擋絕緣層(11)完全被填充，平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊導(dǎo)電層(6)以外的部分，露出發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)、阻擋絕緣層(11)和基區(qū)⑷鄰近發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)的兩端，形成折疊導(dǎo)電層(6); 步驟九、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，再將表面平坦化至露出折疊導(dǎo)電層￠)的上表面，再通過(guò)刻蝕工藝分別在基區(qū)兩側(cè)的隧穿絕緣層(7)的遠(yuǎn)離基區(qū)的一側(cè)對(duì)阻擋絕緣層(11)進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層(2); 步驟十、在晶圓上方淀積隧穿絕緣層介質(zhì)，使步驟九中被刻蝕掉的阻擋絕緣層(11)完全被填充，平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊隧穿絕緣層(7)以外部分至露出阻擋絕緣層(11)，形成折疊隧穿絕緣層(7); 步驟十一、分別在基區(qū)兩側(cè)的折疊隧穿絕緣層(7)的遠(yuǎn)離基區(qū)的一側(cè)對(duì)阻擋絕緣層(11)進(jìn)行刻蝕至露出晶圓絕緣層(2); 步驟十二、在晶圓上方淀積金屬或重?fù)诫s的多晶硅，使步驟十一中被刻蝕掉的阻擋絕緣層(11)被完全填充；平坦化表面后再通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉用于生成折疊柵電極(8)以外部分至露出阻擋絕緣層(11)，初步形成折疊柵電極(8); 步驟十三、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，再將表面平坦化至露出步驟十二當(dāng)中形成的折疊柵電極⑶的上表面； 步驟十四、在晶圓上方淀積金屬或重?fù)诫s的多晶硅，并刻蝕掉用于形成器件單元之間走線(xiàn)部分以外的部分，進(jìn)一步形成折疊柵電極(8); 步驟十五、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)，將表面平坦化； 步驟十六、通過(guò)刻蝕工藝刻蝕掉位于發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)的上方的阻擋絕緣層(11)，形成發(fā)射極(9)和集電極(10)的通孔； 步驟十七、在晶圓上方淀積金屬，使步驟十六中所形成的發(fā)射極(9)和集電極(10)的通孔被完全填充，并通過(guò)刻蝕工藝形成發(fā)射極(9)和集電極(10)。
【文檔編號(hào)】H01L21/331GK104485354SQ201410742784
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)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(shī), 吳美樂(lè), 劉溪, 揣榮巖 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)