具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管制造技术

本发明专利技术涉及一种具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，对比同尺寸MOSFETs或隧穿场效应晶体管，通过在集电结和发射结中引入低杂质浓度的击穿保护区以显著提升器件在深纳米尺度下的正向耐压及反向耐压能力；利用隧穿绝缘层阻抗与其内部场强间极为敏感的相互关系实现更优秀的开关特性；利用栅绝缘隧穿电流作为引发发射集电流的驱动电流，实现了更高的正向导通特性；有效抑制了半导体带间隧穿效应所引起的反向泄漏电流并通过采用凹槽结构减小单个晶体管所占芯片面积。另外本发明专利技术还提出了该晶体管的具体制造方法，因此适于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术涉及超大规模集成电路制造领域，涉及一种适用于高性能超高集成度集成电路制造的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管。
技术介绍
：当前，随着集成度的不断提升，集成电路单元金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)器件的源电极与沟道之间或漏电极与沟道之间在几个纳米之内形成了陡峭突变PN结，当漏源电压较大时，这种陡峭的突变PN结会发生击穿效应，从而使器件失效，随着器件尺寸的不断缩减，这种击穿效应日趋明显。另外，沟道长度的不断缩短导致了MOSFETs器件亚阈值摆幅的增大，因此带来了开关特性的严重劣化和静态功耗的明显增加。虽然通过改善栅电极结构的方式可使这种器件性能的退化有所缓解，但当器件尺寸进一步缩减至20纳米以下时，即便采用最优化的栅电极结构，器件的亚阈值摆幅也同样会随着器件沟道长度的进一步减小而增加，从而导致了器件性能的再次恶化。隧穿场效应晶体管(TFETs),对比于MOSFETs器件，虽然其平均亚阈值摆幅有所提升，然而其正向导通电流过小，虽然通过引入化合物半导体、锗化硅或锗等禁带宽度更窄的材料来生成为隧穿场效应晶体管的隧穿部分可增大隧穿几率以提升转移特性，但增加了工艺难度。此外，采用高介电常数绝缘材料作为栅极与衬底之间的绝缘介质层，虽然能够改善栅极对沟道电场分布的控制能力，却不能从本质上提高硅材料的隧穿几率，因此对于隧穿场效应晶体管的转移特性改善很有限。此外，由于隧穿场效应晶体管和MOSFETs器件都是通过栅电极电场效应对栅极绝缘层及半导体内部的电场、电势及载流子分布进行控制，为了提升栅电极对半导体内部的控制能力，需采用高介电常数和不断减薄的的栅极绝缘层来加强栅电极的控制能力，但与此同时，在栅极反向偏置时会产生较大的栅极致漏极泄漏(GIDL)电流或栅极致源极泄漏(GISL)电流。
技术实现思路
：专利技术目的为在兼容现有基于硅工艺技术的前提下显著提升纳米级集成电路基本单元器件的开关特性；并确保器件在提升开关特性的同时具有良好的正向电流导通特性；大幅提升亚20纳米级器件抗击穿能力，并降低栅极反向泄漏电流，本发明提供一种适用于高性能超高集成度集成电路制造的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管及其制造方法。技术方案本专利技术是通过以下技术方案来实现的：具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，采用只包含单晶硅衬底1的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶硅衬底1和晶圆绝缘层2的SOI晶圆作为生成器件的衬底；基区4位于体硅晶圆的单晶硅衬底1或SOI晶圆的晶圆绝缘层2的上方，并具有凹槽形特征；击穿保护区6位于基区4外侧壁两侧；发射区3和集电区5分别位于基区4两侧的击穿保护区6的上方；发射极10位于发射区3的上方；集电极11位于集电区5的上方；导电层7位于基区4所形成的凹槽内壁，被基区4三面包围；隧穿绝缘层8位于导电层7的内壁，并被导电层7三面包围；栅电极9位于隧穿绝缘层8内壁底部的上方；阻挡绝缘层12位于器件单元之间和各电极之间，对各器件单元之间和各电极之间起隔离作用。栅电极9与击穿保护区6、发射区3和发射极10之间通过阻挡绝缘层12隔离；栅电极9与穿保护区6、集电区5和集电极11之间通过阻挡绝缘层12隔离；相邻的击穿保护区6之间通过阻挡绝缘层12隔离；相邻的发射区3与集电区5之间通过阻挡绝缘层12隔离；发射极10与集电极11之间通过阻挡绝缘层12隔离。为达到本专利技术所述的器件功能，本专利技术提出具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，其核心结构特征为：击穿保护区6的杂质浓度低于1016每立方厘米。位于基区4两侧的击穿保护区6的顶部高于基区4、导电层7和隧穿绝缘层8的顶部。基区4具有凹槽形几何特征。隧穿绝缘层8为用于产生隧穿电流的绝缘材料层，其内壁与栅电极9相互接触，其外壁与导电层7相互接触。导电层7与基区4形成欧姆接触，是金属材料，或者是同基区4具有相同杂质类型的、且掺杂浓度大于1019每立方厘米的半导体材料。导电层7实质为具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管的浮动基极，当隧穿绝缘层8发生隧穿时，电流从栅电极9经隧穿绝缘层8流动到导电层7，并为具有凹槽结构的基区4供电。栅电极9是控制隧穿绝缘层8产生隧穿电流的电极，是控制器件开启和关断的电极，并与导电层7和隧穿绝缘层8共同构成具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管的基极。发射区3与基区4之间、集电区5与基区4之间具有相反杂质类型、且发射区3与发射极10之间形成欧姆接触、集电区3与集电极11之间形成欧姆接触。一种具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管的制造方法的具体工艺步骤如下：步骤一、提供一个SOI晶圆，SOI晶圆的下方为SOI晶圆的单晶硅衬底1，SOI晶圆的中间为晶圆绝缘层2，对SOI晶圆上方的单晶硅薄膜进行局部离子注入，初步形成基区4，未被离子注入的区域初步形成击穿保护区6；步骤二、对SOI晶圆上方的单晶硅薄膜再次进行离子注入，在单晶硅薄膜的顶部形成与步骤一中的杂质类型相反的、浓度不低于1019每立方厘米的重掺杂区。步骤三、通过光刻、刻蚀等工艺在所提供的SOI晶圆上形成长方体状单晶硅孤岛阵列区域；步骤四、在晶圆上方淀积绝缘介质后平坦化表面，初步形成阻挡绝缘层12；步骤五、通过刻蚀工艺，在单晶硅薄膜上刻蚀出凹槽状区域，使基区4具有凹槽形几何特征，并初步形成位于凹槽的顶部两侧的、具有重掺杂杂质浓度的发射区3和集电区5；步骤六、在晶圆上方淀积金属或具有和基区4相同杂质类型的重掺杂的多晶硅，使步骤五中由发射区3、集电区5和基区4所共同形成的凹槽内部完全被填充，再将表面平坦化至露出发射区3和集电区5，初步形成导电层7；步骤七、通过刻蚀工艺，对步骤六中所淀积的金属或具有和基区4相同杂质类型的重掺杂的多晶硅进行刻蚀，进一步形成具导电层7；步骤八、在晶圆上方淀积隧穿绝缘层介质，使步骤七中所形成的导电层7的内壁三面所包围的区域完全被填充，再将表面平坦化至露出导电层7，初步形成隧穿绝缘层8；步骤九、通过刻蚀工艺，对步骤八中所淀积的隧穿绝缘层介质进行刻蚀，进一步形成隧穿绝缘层8；步骤十、在晶圆上方淀积金属材料或重掺杂多晶硅，使步骤九中所形成的隧穿绝缘层8的内壁三面所包围的区域完全被填充，再将表面平坦化至露出发射区3、集电区5、导电层7以及隧穿绝缘层8的顶本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，其特征在于：采用只包含单晶硅衬底(1)的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的SOI晶圆作为生成器件的衬底；基区(4)位于体硅晶圆的单晶硅衬底(1)或SOI晶圆的晶圆绝缘层(2)的上方，并具有凹槽；击穿保护区(6)位于基区(4)外侧壁两侧；发射区(3)和集电区(5)分别位于基区(4)两侧的击穿保护区(6)的上方；发射极(10)位于发射区(3)的上方；集电极(11)位于集电区(5)的上方；导电层(7)位于基区(4)所形成的凹槽内壁，被基区(4)三面包围；隧穿绝缘层(8)位于导电层(7)的内壁，并被导电层(7)三面包围；栅电极(9)位于隧穿绝缘层(8)内壁底部的上方；阻挡绝缘层(12)位于具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管单元之间和单个具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管的上方。

【技术特征摘要】
1.具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，其特征在于：采
用只包含单晶硅衬底(1)的体硅晶圆作为生成器件衬底，或采用同时包含单晶
硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的SOI晶圆作为生成器件的衬底；基区(4)位
于体硅晶圆的单晶硅衬底(1)或SOI晶圆的晶圆绝缘层(2)的上方，并具有
凹槽；击穿保护区(6)位于基区(4)外侧壁两侧；发射区(3)和集电区(5)
分别位于基区(4)两侧的击穿保护区(6)的上方；发射极(10)位于发射区
(3)的上方；集电极(11)位于集电区(5)的上方；导电层(7)位于基区(4)
所形成的凹槽内壁，被基区(4)三面包围；隧穿绝缘层(8)位于导电层(7)
的内壁，并被导电层(7)三面包围；栅电极(9)位于隧穿绝缘层(8)内壁底
部的上方；阻挡绝缘层(12)位于具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双
极晶体管单元之间和单个具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管
的上方。
2.具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管，其特征在于：击
穿保护区(6)的杂质浓度低于1016每立方厘米。
3.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：位于基区(4)两侧的击穿保护区(6)的顶部高于基区(4)、
导电层(7)和隧穿绝缘层(8)的顶部。
4.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：栅电极(9)一部分位于隧穿绝缘层(8)的凹槽内，一部
分高于隧穿绝缘层(8)的顶部。
5.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：隧穿绝缘层(8)为用于产生隧穿电流的绝缘材料层，其内
壁与栅电极(9)相互接触，其外壁与导电层(7)相互接触。
6.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：导电层(7)与基区(4)形成欧姆接触，导电层(7)是金
属材料或者是同基区(4)具有相同杂质类型的、且掺杂浓度大于1019每立方厘
米的半导体材料。
7.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：导电层(7)实质为具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基
区双极晶体管的浮动基极，当隧穿绝缘层(8)发生隧穿时，电流从栅电极(9)
经隧穿绝缘层(8)流动到导电层(7)，并为具有凹槽结构的基区(4)供电。
8.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：栅电极(9)是控制隧穿绝缘层(8)产生隧穿电流的电极，
是控制器件开启和关断的电极，并与导电层(7)和隧穿绝缘层(8)共同构成
具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶体管的基极。
9.根据权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双极晶
体管，其特征在于：发射区(3)与基区(4)之间、集电区(5)与基区(4)
之间具有相反杂质类型，且发射区(3)与发射极(10)之间形成欧姆接触，集
电区(3)与集电极(11)之间形成欧姆接触。
10.一种如权利要求1所述的具有击穿保护功能的栅绝缘隧穿凹槽基区双
极晶体管的制造方法，其特征在于：该工艺步骤如下：
步骤一、提供一个SOI晶圆，SOI晶圆的下方为SOI晶圆的单晶硅衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳晓诗，刘溪，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21