SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管及制造方法技术

本发明专利技术涉及一种SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，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耐压的正向及反向耐压能力；在基区两侧同时具有绝缘隧穿结构，在栅电极的控制作用下使绝缘隧穿效应同时发生在基区两侧，提升了隧穿电流的产生率；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优秀的开关特性；通过发射极将隧穿信号增强实现了优秀的正向导通特性；另外本发明专利技术还提出了一种SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管的具体制造方法。该晶体管显著改善了纳米级集成电路单元的工作特性，适用于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管及制造方法
: 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SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管及其制造方法。
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。
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亚20纳米级器件抗击穿能力；显著提升纳米级集成电路基本单元器件的开关特性；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，本专利技术提供一种适用于高性能超高集成度集成电路制造的SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强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: SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，采用包含单晶硅衬底I和晶圆绝缘层2的SOI晶圆作为生成器件的衬底；发射区3、基区4、集电区5和击穿保护区12位于晶圆绝缘层2的上方，基区4和击穿保护区12位于发射区3与集电区5之间，击穿保护区12位于基区4的两侧；发射极9位于发射区3的上方；集电极10位于集电区5的上方；导电层6、隧穿绝缘层7和栅电极8在基区4的两侧共同形成夹层结构；阻挡绝缘层11为绝缘介质。 为达到本专利技术所述的器件功能，本专利技术提出SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其核心结构特征为: 击穿保护区12的杂质浓度低于116每立方厘米。 基区4的杂质浓度不低于117每立方厘米，基区4两侧与导电层6相接触并形成欧姆接触。 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9之间形成欧姆接触、集电区3与集电极10之间形成欧姆接触。 导电层6形成于基区4的两侧，导电层6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119每立方厘米的半导体材料。 隧穿绝缘层7为用于产生隧穿电流的绝缘材料层，具有两个独立部分，每一部分形成于基区4两侧导电层6的与基区4相接触一侧的另一侧。 栅电极8是控制隧穿绝缘层7产生隧穿效应的电极，是控制器件开启和关断的电极，与隧穿绝缘层7的两个独立部分的与导电层6相接触一侧的另一侧相接触。 导电层6、隧穿绝缘层7和栅电极8均通过阻挡绝缘层11与发射区3、发射极9、集电区5和集电极10相互隔离。 导电层6、隧穿绝缘层7和栅电极8共同组成了 SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管的隧穿基极，当隧穿绝缘层7在栅电极8的控制下发生隧穿时，电流从栅电极8经隧穿绝缘层7流动到导电层6，并为基区4供电； SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，以N型为例，发射区3、基区4和集电区5分别为N区、P区和N区，其具体的工作原理为:当集电极10正偏，且栅电极8处于低电位时，栅电极8与导电层6之间没有形成足够的电势差，此时隧穿绝缘层7处于高阻状态，没有明显隧穿电流通过，因此使得基区4和发射区3之间无法形成足够大的基区电流来驱动SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，即器件处于关断状态；随着栅电极8电压的逐渐升高，栅电极8与导电层6之间的电势差逐渐增大，使得位于栅电极8与导电层6之间隧穿绝缘层7内的电场强度也随之逐渐增大，当隧穿绝缘层7内的电场强度位于临界值以下时，隧穿绝缘层7依然保持良好的高阻状态，栅电极和发射极之间的电势差几乎完全降在隧穿绝缘层7的内壁和外壁两侧之间，也就使得基区和发射区之间的电势差极小，因此基区几乎没有电流流过，器件也因此保持良好的关断状态，而当隧穿绝缘层7内的电场强度位于临界值以上时，隧穿绝缘层7会由于隧穿效应而产生明显的隧穿电流，并且隧穿电流则会随着栅电极8电势的增大以极快的速度陡峭上升，这就使得隧穿绝缘层7在栅电极极短的电势变化区间内由高阻态迅速转换为低阻态，当隧穿绝缘层7处于低阻态，此时隧穿绝缘层7在栅电极8和导电层6之间所形成的电阻要远小于导电层6和发射极3之间所形成的电阻，这就使得基区4和发射区3之间形成了足够大的正偏电压，并且在隧穿效应的作用下，在隧穿绝缘层7的内壁和外壁之间产生大量电流移动，导电层6、隧穿绝缘层7和栅电极8共同组成了 SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管的隧穿基极，当隧穿绝缘层7在栅电极8的控制下发生隧穿时，电流从栅电极8经隧穿绝缘层7流动到导电层6，并为基区4供电；基区4电流经发射区3增强后由集电极流出，此时器件处于开启状态。 一种SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管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，通过离子注入或扩散工艺，对SOI晶圆上方的单晶硅薄膜进行掺杂，初步形成基区4; 步骤二、再次通过离子注入或扩散工艺，对SOI晶圆上方的单晶硅薄膜进行掺杂，在步骤一所形成的基区4的两侧形成与步骤一中的杂质类型相反的、浓度不低于119每立方厘米的重掺杂区，该重掺杂区用于进一步形成发射区3和集电区5，该重掺杂区与基区之间留有未经掺杂的区域，该未经掺杂的区域用于形成击穿保护区12 ； 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队列，使每一个单元内依次排列有发射区3、击穿保护区12、基区4、击穿保护区12和集电区5 ； 步骤四、在晶圆上方淀积绝缘介质后平坦化表面至露出发射区3、基区4、集电区5和击穿保护区12，初步形成阻挡绝缘层11 ； 步骤五、进一步通过光刻、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，使步骤三所形成的每一个单晶硅孤岛队列分割为多个彼此独立的单元； 步骤六、在晶圆上方淀积绝缘介质，使步骤五中被刻蚀掉的部分充分被填充，并平坦化表面至露出发射区3、基区4、集电区5和击穿保护区12，进一步形成阻挡绝缘层11 ； 步骤七、通过刻蚀工艺，对晶圆表面每个单元的基区4两侧的阻挡绝缘层11进行刻蚀至露出晶圆绝缘层2; 步骤八、在晶圆上方淀积金属或具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
SOI衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于：采用包含单晶硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的SOI晶圆作为生成器件的衬底；发射区(3)、基区(4)、集电区(5)和击穿保护区(12)位于晶圆绝缘层(2)的上方，基区(4)和击穿保护区(12)位于发射区(3)与集电区(5)之间，击穿保护区(12)位于基区(4)的两侧；发射极(9)位于发射区(3)的上方；集电极(10)位于集电区(5)的上方；导电层(6)、隧穿绝缘层(7)和栅电极(8)在基区(4)的两侧共同形成夹层结构；阻挡绝缘层(11)为绝缘介质。

【技术特征摘要】
1.801衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:采用包含单晶硅衬底(1)和晶圆绝缘层(2)的301晶圆作为生成器件的衬底；发射区(3)、基区(4)、集电区(5)和击穿保护区(12)位于晶圆绝缘层(2)的上方，基区(4)和击穿保护区(12)位于发射区⑶与集电区⑶之间，击穿保护区(12)位于基区⑷的两侧；发射极(9)位于发射区⑶的上方；集电极(10)位于集电区(5)的上方；导电层(6)、隧穿绝缘层⑵和栅电极(8)在基区(4)的两侧共同形成夹层结构；阻挡绝缘层(11)为绝缘介质。2.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:击穿保护区(12)的杂质浓度低于1016每立方厘米。3.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:基区(4)的杂质浓度不低于1017每立方厘米，基区(4)两侧与导电层(6)相接触并形成欧姆接触。4.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:发射区⑶与基区⑷之间、集电区⑶与基区⑷之间具有相反杂质类型，且发射区(3)与发射极(9)之间形成欧姆接触，集电区(3)与集电极(10)之间形成欧姆接触。5.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:导电层(6)形成于基区⑷的两侧，导电层(6)是金属材料或者是同基区⑷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。6.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:隧穿绝缘层(7)为用于产生隧穿电流的绝缘材料层，具有两个独立部分，每一部分形成于基区⑷两侧的导电层(6)与基区⑷相接触一侧的另一侧。7.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:栅电极(8)是控制隧穿绝缘层(7)产生隧穿效应的电极，是控制器件开启和关断的电极，与隧穿绝缘层(7)的两个独立部分的与导电层(6)相接触一侧的另一侧相接触。8.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:导电层(6)、隧穿绝缘层⑵和栅电极⑶均通过阻挡绝缘层(11)与发射区⑶、发射极(9)、集电区(5)和集电极(10)相互隔离。9.根据权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管，其特征在于:导电层(6)、隧穿绝缘层(7)和栅电极(8)共同组成了 301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管的隧穿基极，当隧穿绝缘层⑵在栅电极⑶的控制下发生隧穿时，电流从栅电极⑶经隧穿绝缘层⑵流动到导电层(6),并为基区⑷供电。10.一种如权利要求1所述的301衬底双向击穿保护双栅绝缘隧穿增强晶体管的制造方法，其特征在于:该工艺步骤如下: 步骤一、提供一个301晶圆，301晶圆的下方为301晶圆的单晶硅衬底(1), 801晶圆的中间为晶圆绝缘层(2),通过离子注入或扩散工艺，对301晶圆上方的单晶硅薄膜进行掺杂，初步形成基区⑷； 步骤二、再次通过离子注入或扩散工艺，对301晶圆上方的单晶硅薄膜进行掺杂，在步骤一所形成的基区...

【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