具有u形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，對(duì)比同尺寸MOSFETs或隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，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(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了更高的正向?qū)ㄌ匦?；利用發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)所形成的凹槽形幾何特征，對(duì)比于普通平面結(jié)構(gòu)，避免了發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)沿水平方向依次排列，因此節(jié)省了芯片面積，可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度。另外本發(fā)明還提出了一種具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的具體制造方法。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。
【專利說明】具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管

【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U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管。

【背景技術(shù)】
:
[0002]當(dāng)前，集成電路的基本單元MOSFETs器件溝道長(zhǎng)度的不斷縮短導(dǎo)致了器件開關(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)，器件的開關(guān)特性會(huì)重新惡化。
[0003]隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFETs)，對(duì)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(chǎng)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(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)于隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性改善很有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0004]發(fā)明目的
[0005]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(jí)集成電路基本單元器件的開關(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具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管。
[0006]技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0008]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，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(shí)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；；發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5分別位于基區(qū)4凹槽上端的兩側(cè)；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；U形導(dǎo)電層6位于基區(qū)4所形成的凹槽內(nèi)壁，具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)特征，被基區(qū)4三面包圍；U形隧穿絕緣層7位于U形導(dǎo)電層6的內(nèi)壁，同樣具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)特征，并被U形導(dǎo)電層6三面包圍；柵電極8位于U形隧穿絕緣層7內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層11位于器件單元之間和各電極之間，對(duì)各器件單元之間和各電極之間起隔離作用。
[0009]柵電極8與發(fā)射區(qū)3和發(fā)射極9之間通過阻擋絕緣層11隔離；柵電極8與集電區(qū)5和集電極10之間通過阻擋絕緣層11隔離；相鄰的基區(qū)4之間通過阻擋絕緣層11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11隔離；相鄰的發(fā)射極9與集電極10之間通過阻擋絕緣層11隔離。
[0010]為達(dá)到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0011]由發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5組成凹槽形特征，且基區(qū)4自身也具有凹槽形特征；
[0012]基區(qū)4的凹槽兩側(cè)的頂部要高于U形隧穿絕緣層7以及U形導(dǎo)電層6兩側(cè)頂部；
[0013]U形隧穿絕緣層7為用于產(chǎn)生柵電極隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極8相互接觸，其外壁與U形導(dǎo)電層6相互接觸。
[0014]U形導(dǎo)電層6的外壁與基區(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。
[0015]U形導(dǎo)電層6實(shí)質(zhì)為具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的浮動(dòng)基極，當(dāng)U形隧穿絕緣層7發(fā)生隧穿時(shí)，電流從柵電極8經(jīng)U形隧穿絕緣層7流動(dòng)到U形導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電；
[0016]柵電極8是控制U形隧穿絕緣層7產(chǎn)生隧穿效應(yīng)的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與U形導(dǎo)電層6和U形隧穿絕緣層7共同構(gòu)成U形隧穿層基極。
[0017]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。
[0018]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，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(dāng)集電極10正偏，且柵電極8處于低電位時(shí)，柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間沒有形成足夠的電勢(shì)差，此時(shí)U形隧穿絕緣層7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(dòng)具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著柵電極8電壓的逐漸升高，柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間的電勢(shì)差逐漸增大，使得位于柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之逐漸增大，當(dāng)U形隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以下時(shí)，U形隧穿絕緣層7依然保持良好的高阻狀態(tài)，柵電極和發(fā)射極之間的電勢(shì)差幾乎完全降在U形隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的電勢(shì)差極小，因此基區(qū)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(dāng)U形隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以上時(shí)，U形隧穿絕緣層7會(huì)由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流則會(huì)隨著柵電極8電勢(shì)的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得U形隧穿絕緣層7在柵電極極短的電勢(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)隧穿絕緣層7處于低阻態(tài)，此時(shí)隧穿絕緣層7在柵電極8和U形導(dǎo)電層6之間所形成的電阻要遠(yuǎn)小于U形導(dǎo)電層6和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得基區(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U形隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電流移動(dòng)，U形導(dǎo)電層6作為具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的浮動(dòng)基極，當(dāng)U形隧穿絕緣層7發(fā)生隧穿時(shí)，電流從柵電極8經(jīng)U形隧穿絕緣層7流動(dòng)到U形導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電；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)電流來驅(qū)動(dòng)具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，即器件處于開啟狀態(tài)。
[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.優(yōu)秀的開關(guān)特性
[0022]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，利用隧穿絕緣層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，通過對(duì)U形隧穿絕緣層7選取適當(dāng)?shù)乃淼澜^緣材料，并對(duì)U形隧穿絕緣層7的側(cè)壁高度、側(cè)壁及底部厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以使U形隧穿絕緣層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)秀的開關(guān)特性。
[0023]2.高正向?qū)娏?br> [0024]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，隧穿電流通過U形導(dǎo)電層6流向基區(qū)，作為引發(fā)發(fā)射集流出的大量電子電流的驅(qū)動(dòng)電流，與普通隧穿場(chǎng)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，基于上述原因，對(duì)比于普通結(jié)構(gòu)的MOSFETs、隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管或普通的雙極晶體管，具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更高的正向?qū)娏鳌?br> [0025]3.高集成度
[0026]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，基區(qū)4具有凹槽形狀的幾何特征，發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5形成于基區(qū)4凹槽兩側(cè)的上方，對(duì)比于普通平面結(jié)構(gòu)，具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，避免了發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4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(shí)現(xiàn)更高的集成度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]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；
[0028]圖2是步驟一示意圖，
[0029]圖3是步驟二示意圖，
[0030]圖4是步驟二不意圖，
[0031]圖5是步驟四示意圖，
[0032]圖6是步驟五示意圖，
[0033]圖7是步驟六示意圖，
[0034]圖8是步驟七示意圖，
[0035]圖9是步驟八示意圖，
[0036]圖10是步驟九示意圖，
[0037]圖11是步驟十示意圖，
[0038]圖12是步驟^^一示意圖，
[0039]圖13是步驟十二示意圖，
[0040]圖14是步驟十三示意圖，
[0041]圖15是步驟十四示意圖，
[0042]圖16是步驟十五示意圖。
[0043]附圖標(biāo)記說明:
[0044]1、單晶硅襯底；2、晶圓絕緣層；3、發(fā)射區(qū)；4、基區(qū)；5、集電區(qū)；6、U形導(dǎo)電層；7、U形隧穿絕緣層；8、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】
[0045]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
[0046]如圖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；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山形導(dǎo)電層6 ;U形隧穿絕緣層7 ;柵電極8 ;發(fā)射極9 ;集電極10 ;阻擋絕緣層11。
[0047]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，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(shí)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；；發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5分別位于基區(qū)4凹槽上端的兩側(cè)；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；U形導(dǎo)電層6位于基區(qū)4所形成的凹槽內(nèi)壁，具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)特征，被基區(qū)4三面包圍；U形隧穿絕緣層7位于U形導(dǎo)電層6的內(nèi)壁，同樣具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)特征，并被U形導(dǎo)電層6三面包圍；柵電極8位于U形隧穿絕緣層7內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層11位于器件單元之間和各電極之間，對(duì)各器件單元之間和各電極之間起隔離作用。
[0048]為達(dá)到本發(fā)明所述的器件功能，本發(fā)明提出具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其核心結(jié)構(gòu)特征為:
[0049]由發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4和集電區(qū)5組成凹槽形特征，且基區(qū)4自身也具有凹槽形特征；
[0050]基區(qū)4的凹槽兩側(cè)的頂部要高于U形隧穿絕緣層7以及U形導(dǎo)電層6兩側(cè)頂部；
[0051]U形隧穿絕緣層7為用于產(chǎn)生柵電極隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極8相互接觸，其外壁與U形導(dǎo)電層6相互接觸。
[0052]U形導(dǎo)電層6的外壁與基區(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。
[0053]U形導(dǎo)電層6實(shí)質(zhì)為具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的浮動(dòng)基極，當(dāng)U形隧穿絕緣層7發(fā)生隧穿時(shí)，電流從柵電極8經(jīng)U形隧穿絕緣層7流動(dòng)到U形導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電；
[0054]柵電極8是控制U形隧穿絕緣層7產(chǎn)生隧穿效應(yīng)的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與U形導(dǎo)電層6和U形隧穿絕緣層7共同構(gòu)成U形隧穿層基極。
[0055]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。
[0056]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，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(dāng)集電極10正偏，且柵電極8處于低電位時(shí)，柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間沒有形成足夠的電勢(shì)差，此時(shí)U形隧穿絕緣層7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(dòng)具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，即器件處于關(guān)斷狀態(tài)；隨著柵電極8電壓的逐漸升高，柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間的電勢(shì)差逐漸增大，使得位于柵電極8與U形導(dǎo)電層6之間隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨之逐漸增大，當(dāng)U形隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以下時(shí)，U形隧穿絕緣層7依然保持良好的高阻狀態(tài)，柵電極和發(fā)射極之間的電勢(shì)差幾乎完全降在U形隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁兩側(cè)之間，也就使得基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的電勢(shì)差極小，因此基區(qū)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(dāng)U形隧穿絕緣層7內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度位于臨界值以上時(shí)，U形隧穿絕緣層7會(huì)由于隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生明顯的隧穿電流，并且隧穿電流則會(huì)隨著柵電極8電勢(shì)的增大以極快的速度陡峭上升，這就使得U形隧穿絕緣層7在柵電極極短的電勢(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)隧穿絕緣層7處于低阻態(tài)，此時(shí)隧穿絕緣層7在柵電極8和U形導(dǎo)電層6之間所形成的電阻要遠(yuǎn)小于U形導(dǎo)電層6和發(fā)射極3之間所形成的電阻，這就使得基區(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U形隧穿絕緣層7的內(nèi)壁和外壁之間產(chǎn)生大量電流移動(dòng)，U形導(dǎo)電層6作為具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的浮動(dòng)基極，當(dāng)U形隧穿絕緣層7發(fā)生隧穿時(shí)，電流從柵電極8經(jīng)U形隧穿絕緣層7流動(dòng)到U形導(dǎo)電層6，并為基區(qū)4供電；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)電流來驅(qū)動(dòng)具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，即器件處于開啟狀態(tài)；
[0057]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，利用隧穿絕緣層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，通過對(duì)U形隧穿絕緣層7選取適當(dāng)?shù)乃淼澜^緣材料，并對(duì)U形隧穿絕緣層7的側(cè)壁高度、側(cè)壁及底部厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，就可以使U形隧穿絕緣層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)秀的開關(guān)特性。
[0058]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，隧穿電流通過U形導(dǎo)電層6流向基區(qū)，作為引發(fā)發(fā)射集流出的大量電子電流的驅(qū)動(dòng)電流，與普通隧穿場(chǎng)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，基于上述原因，對(duì)比于普通結(jié)構(gòu)的MOSFETs、隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管或普通的雙極晶體管，具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，可以實(shí)現(xiàn)更高的正向?qū)娏鳌?br> [0059]具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，基區(qū)4具有凹槽形狀的幾何特征，發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5形成于基區(qū)4凹槽兩側(cè)的上方，對(duì)比于普通平面結(jié)構(gòu)，具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，避免了發(fā)射區(qū)3、基區(qū)4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(shí)現(xiàn)更高的集成度。
[0060]本發(fā)明所提出的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽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:
[0061]步驟一、如圖2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，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進(jìn)行離子注入，形成雜質(zhì)層;
[0062]步驟二、如圖3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，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜再次進(jìn)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?fù)诫s區(qū)。
[0063]步驟三、如圖4所示，通過光刻、刻蝕等工藝在所提供的SOI晶圓上形成如圖2所示的長(zhǎng)方體狀單晶硅孤島陣列區(qū)域。
[0064]步驟四、如圖5所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)后拋平表面，初步形成阻擋絕緣層
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[0065]步驟五、如圖6所示，通過刻蝕工藝，在基區(qū)單晶硅薄膜上刻蝕出凹槽狀區(qū)域，其中凹槽的頂部?jī)蓚?cè)的重?fù)诫s區(qū)分別為發(fā)射區(qū)3和集電區(qū)5，剩余部分為基區(qū)4。
[0066]步驟六、如圖7所示，在晶圓上方淀積金屬或具有和基區(qū)4相同雜質(zhì)類型的重?fù)诫s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U形導(dǎo)電層6。
[0067]步驟七、如圖8所示，通過刻蝕工藝，對(duì)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?fù)诫s的多晶硅進(jìn)行刻蝕，進(jìn)一步形成具有U形幾何特征的U形導(dǎo)電層6。
[0068]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U形導(dǎo)電層6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U形導(dǎo)電層6，初步形成隧穿絕緣層7。
[0069]步驟九、如圖10所示，通過刻蝕工藝，對(duì)步驟八中所淀積的隧穿絕緣層介質(zhì)進(jìn)行刻蝕，進(jìn)一步形成具有U形幾何特征的U形隧穿絕緣層7。
[0070]步驟十、如圖11所示，在晶圓上方淀積金屬材料或重?fù)诫s多晶硅，使步驟九中所形成的U形隧穿絕緣層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發(fā)射區(qū)3、集電區(qū)5、U形導(dǎo)電層6以及U形隧穿絕緣層7的頂部，形成柵電極8。
[0071]步驟^^一、如圖12所示，在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉U形導(dǎo)電層6兩側(cè)上方部分，使U形導(dǎo)電層6的兩側(cè)頂部低于基區(qū)4兩側(cè)的頂部，進(jìn)一步形成U形導(dǎo)電層6。
[0072]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、U形隧穿絕緣層7以及柵電極8的頂部，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層11。
[0073]步驟十三、如圖14所示，在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉U形隧穿絕緣層7兩側(cè)上方部分，使U形隧穿絕緣層7的兩側(cè)頂部低于基區(qū)4兩側(cè)的頂部，進(jìn)一步形成U形隧穿絕緣層7。
[0074]步驟十四、如圖15所示，在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，使步驟十三中的U形隧穿絕緣層7被刻蝕掉的部分完全被絕緣介質(zhì)層填充，再將表面進(jìn)行平坦化處理，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層11。
[0075]步驟十五、如圖16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11內(nèi)部刻蝕出用于形成發(fā)射極9和集電極10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(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕，形成發(fā)射極9和集電極10。
【權(quán)利要求】
1.具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，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(shí)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；發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)分別位于基區(qū)(4)凹槽上端的兩側(cè)；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)的上方山形導(dǎo)電層(6)位于基區(qū)(4)所形成的凹槽內(nèi)壁，具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)，被基區(qū)(4)三面包圍；U形隧穿絕緣層(7)位于U形導(dǎo)電層(6)的內(nèi)壁，具有英文大寫字母“U”形結(jié)構(gòu)，并被U形導(dǎo)電層(6)三面包圍；柵電極(8)位于U形隧穿絕緣層(7)內(nèi)壁底部的上方；阻擋絕緣層(11)位于具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管單元之間和單個(gè)具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:柵電極⑶與發(fā)射區(qū)⑶和發(fā)射極(9)之間通過阻擋絕緣層(11)隔離；柵電極(8)與集電區(qū)(5)和集電極(10)之間通過阻擋絕緣層(11)隔離；相鄰的基區(qū)⑷之間通過阻擋絕緣層(11)隔離；相鄰的發(fā)射區(qū)⑶與集電區(qū)(5)之間通過阻擋絕緣層(11)隔離；相鄰的發(fā)射極(9)與集電極(10)之間通過阻擋絕緣層(11)隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:由發(fā)射區(qū)(3)、基區(qū)(4)和集電區(qū)(5)組成凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:基區(qū)(4)的凹槽兩側(cè)的頂部要高于U形隧穿絕緣層(7)以及U形導(dǎo)電層(6)兩側(cè)頂部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:U形隧穿絕緣層(7)為用于產(chǎn)生柵電極隧穿電流的絕緣材料層，其內(nèi)壁與柵電極(8)相互接觸，其外壁與U形導(dǎo)電層(6)相互接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:U形導(dǎo)電層(6)的外壁與基區(qū)(4)形成歐姆接觸，U形導(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U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:U形導(dǎo)電層(6)實(shí)質(zhì)為具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管的浮動(dòng)基極，當(dāng)U形隧穿絕緣層(7)發(fā)生隧穿時(shí)，電流從柵電極(8)經(jīng)U形隧穿絕緣層(7)流動(dòng)到U形導(dǎo)電層(6)，并為基區(qū)(4)供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:柵電極(8)是控制U形隧穿絕緣層(7)產(chǎn)生隧穿效應(yīng)的電極，是控制器件開啟和關(guān)斷的電極，并與U形導(dǎo)電層(6)和U形隧穿絕緣層(7)共同構(gòu)成U形隧穿層基極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽雙極晶體管，其特征在于:發(fā)射區(qū)⑶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。
10.一種如權(quán)利要求1所述的具有U形隧穿層基極的柵絕緣隧穿凹槽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(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)，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜進(jìn)行離子注入，形成雜質(zhì)層； 步驟二、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)，對(duì)SOI晶圓上方的單晶硅薄膜再次進(jìn)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?fù)诫s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(zhǎng)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)后拋平表面，初步形成阻擋絕緣層(11); 步驟五、通過刻蝕工藝，在基區(qū)單晶硅薄膜上刻蝕出凹槽狀區(qū)域，其中凹槽的頂部?jī)蓚?cè)的重?fù)诫s區(qū)分別為發(fā)射區(qū)(3)和集電區(qū)(5)，剩余部分為基區(qū)(4); 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?fù)诫s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)⑶和集電區(qū)(5)，初步形成U形導(dǎo)電層(6); 步驟七、通過刻蝕工藝，對(duì)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?fù)诫s的多晶硅進(jìn)行刻蝕，進(jìn)一步形成具有U形幾何特征的U形導(dǎo)電層(6); 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U形導(dǎo)電層(6)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U形導(dǎo)電層￠)，初步形成隧穿絕緣層⑵； 步驟九、通過刻蝕工藝，對(duì)步驟八中所淀積的隧穿絕緣層介質(zhì)進(jìn)行刻蝕，進(jìn)一步形成具有U形幾何特征的U形隧穿絕緣層(7); 步驟十、在晶圓上方淀積金屬材料或重?fù)诫s多晶硅，使步驟九中所形成的U形隧穿絕緣層(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發(fā)射區(qū)(3)、集電區(qū)(5)、U形導(dǎo)電層(6)以及U形隧穿絕緣層(7)的頂部，形成柵電極⑶； 步驟十一、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉U形導(dǎo)電層(6)兩側(cè)上方部分，使U形導(dǎo)電層(6)的兩側(cè)頂部低于基區(qū)(4)兩側(cè)的頂部，進(jìn)一步形成U形導(dǎo)電層(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)、U形隧穿絕緣層(7)以及柵電極(8)的頂部，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層(11); 步驟十三、在晶圓上方通過刻蝕工藝刻蝕掉U形隧穿絕緣層(7)兩側(cè)上方部分，使U形隧穿絕緣層(7)的兩側(cè)頂部低于基區(qū)(4)兩側(cè)的頂部，進(jìn)一步形成U形隧穿絕緣層(7); 步驟十四、在晶圓上方淀積絕緣介質(zhì)層，使步驟十三中的U形隧穿絕緣層(7)被刻蝕掉的部分完全被絕緣介質(zhì)層填充，再將表面進(jìn)行平坦化處理，進(jìn)一步形成阻擋絕緣層(11); 步驟十五、在位于發(fā)射區(qū)⑶和集電區(qū)(5)的上方的阻擋絕緣層(11)內(nèi)部刻蝕出用于形成發(fā)射極(9)和集電極(10)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(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕，形成發(fā)射極(9)和集電極(10)。
【文檔編號(hào)】H01L29/10GK104465731SQ201410747342
【公開日】2015年3月25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】劉溪, 靳曉詩 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)