防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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反向防击穿能力；在基区两侧和上表面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和上表面，因此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防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管单元及其阵列的具体制造方法。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】

：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防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管的结构，防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管阵列的具体制造方法。
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纳米级器件防止击穿的能力；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、高集成度集成电路制造的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管的结构及其单元和阵列的制造方法。技术方案本专利技术是通过以下技术方案来实现的：防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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SOI晶圆的晶圆绝缘层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；折叠导电层6对基区4的上表面和两侧形成三面包围；折叠隧穿绝缘层7对折叠导电层6的上表面和两侧形成三面包围；折叠栅电极8对折叠隧穿绝缘层7的上表面和两侧形成三面包围；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，本专利技术提出一种防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，其核心结构特征为：击穿保护区12的杂质浓度低于1016每立方厘米。基区4的杂质浓度不低于1017每立方厘米，基区4两侧和上表面与折叠导电层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。折叠导电层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1019每立方厘米的半导体材料。折叠隧穿绝缘层7为用于产生隧穿电流的绝缘材料层。折叠导电层6、折叠隧穿绝缘层7和折叠栅电极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；相邻的发射区3与集电区5之间通过阻挡绝缘层11隔离，相邻的发射极9与集电极10之间通过阻挡绝缘层11隔离。折叠导电层6、折叠隧穿绝缘层7和折叠栅电极8共同组成了防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管的隧穿基极，当折叠隧穿绝缘层7在折叠栅电极8的控制下发生隧穿时，电流从折叠栅电极8经折叠隧穿绝缘层7流动到折叠导电层6，并为基区4供电。防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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，且折叠栅电极8处于低电位时，折叠栅电极8与折叠导电层6之间没有形成足够的电势差，此时折叠隧穿绝缘层7处于高阻状态，与MOSFET的栅极绝缘层相似，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防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，即器件处于关断状态；随着折叠栅电极8电压的逐渐升高，折叠栅电极8与折叠导电层6之间的电势差逐渐增大，使得位于折叠栅电极8与折叠导电层6之间的折叠隧穿绝缘层7内的电场强度也随之逐渐增大，当折叠隧穿绝缘层7内的电场强度位于临界值以下时，折叠隧穿绝缘层7始终保持良好的高阻状态，折叠栅电极8和发射极9之间的电势差几乎完全降在折叠隧穿绝缘层7的内壁和外壁两侧之间，也就使得基区4和发射区3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，而当折叠隧穿绝缘层7内的电场强度达并超过临界值时，折叠栅电极8与折叠导电层6之间会通过折叠隧穿绝缘层7发生载流子的隧穿，折叠隧穿绝缘层7会由于隧穿效应而产生明显的隧穿电流，并且隧穿电流会随着折叠栅电极8电势的增大以极快的速度陡峭上升，这就使得折叠隧穿绝缘层7在折叠栅电极8极短的电势变化区间内由高阻态迅速转换为低阻态；当折叠隧穿绝缘层7处于低阻态，此时折叠隧穿绝缘层7在折叠栅电极8和折叠导电层6之间所形成的电阻要远小于折叠导电层6和发射极3之间所形成的电阻，这就使得折叠栅电极8和发射极9之间的电势差几乎完全降落在基区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，在折叠隧穿绝缘层7的内壁和外壁之间产生大量电子移动，即为基区4提供电流源，因此使得基区4和发射区3之间形成了足够大的基区电流来驱动防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，即器件处于开启状态。防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，通过击穿保护区12防止器件的正反向击穿。以N型器件为例，当集电极10相对于发射极9正偏时，由折叠导电层6、基区4、击穿保护区12和集电区5所组成的集电结处于反偏状态，位于基区4和集电区5之间的击穿保护区12对于反偏的集电结具有抗击穿保护作用，因此可显著提升器件的正向耐压能力；当集电极10相对于发射极9反偏时，由折叠导电层6、基区4、击穿保护区12和发射区3所组成的发射结处于反偏状态，位于基区4和发射区3之间的击穿保护区12对于反偏的发射结具有抗击穿保护作用，因此可显著提升器件的反向耐压能力；防击穿SOI折本文档来自技高网...

【技术保护点】
防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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SOI晶圆的晶圆绝缘层(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；折叠导电层(6)对基区(4)的上表面和两侧形成三面包围；折叠隧穿绝缘层(7)对折叠导电层(6)的上表面和两侧形成三面包围；折叠栅电极(8)对折叠隧穿绝缘层(7)的上表面和两侧形成三面包围；阻挡绝缘层(11)为绝缘介质。

【技术特征摘要】
1.防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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SOI晶圆的晶圆绝缘层(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；折叠导电层(6)对基区(4)的上表面
和两侧形成三面包围；折叠隧穿绝缘层(7)对折叠导电层(6)的上表面和两
侧形成三面包围；折叠栅电极(8)对折叠隧穿绝缘层(7)的上表面和两侧形
成三面包围；阻挡绝缘层(11)为绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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)两侧和上表面
与折叠导电层(6)相接触并形成欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，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(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所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，其特征
在于：折叠导电层(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1019每立方厘米的半导体材料。
6.根据权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，其特征
在于：折叠隧穿绝缘层(7)为用于产生隧穿电流的绝缘材料层。
7.根据权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，其特征
在于：折叠导电层(6)、折叠隧穿绝缘层(7)和折叠栅电极(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；相邻的发射区(3)与集电区(5)之间通过阻挡绝缘层(11)隔离，相邻
的发射极(9)与集电极(10)之间通过阻挡绝缘层(11)隔离。
8.根据权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管，其特征
在于：折叠导电层(6)、折叠隧穿绝缘层(7)和折叠栅电极(8)共同组成了
防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管的隧穿基极，当折叠隧穿绝缘层(7)在
折叠栅电极(8)的控制下发生隧穿时，电流从折叠栅电极(8)经折叠隧穿绝
缘层(7)流动到折叠导电层(6)，并为基区(4)供电。
9.一种如权利要求1所述的防击穿SOI折叠栅绝缘隧穿双极晶体管的单元
及其阵列的制造方法，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(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...

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