專利名稱：一種厚膜soi場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，特別涉及一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管。
背景技術(shù)：
SOI(Silicon-on-Insulator)技術(shù)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)成為高速、低壓低功耗集成電路的優(yōu)選技術(shù)。與體硅技術(shù)相比，SOI技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)越性。SOI器件具有寄生結(jié)電容小、抗輻照性能好、抗寄生閂鎖效應(yīng)等優(yōu)點，已經(jīng)被現(xiàn)今的工業(yè)界所廣泛地采用(J.P.Coling，，2ndEdition，Kluwer Academic Pub.，2000，KeithDiefendorff，Microprocessor Report，Vol.12，No.4，August 24，1998)。但厚膜SOI器件由于硅膜部分耗盡，存在中性體區(qū)，當(dāng)漏電壓較高時，會出現(xiàn)Kink效應(yīng)，使器件的漏電流迅速地增大，影響器件的性能，大大限制了厚膜器件的應(yīng)用。人們?yōu)榱私鉀Q厚膜SOI器件固有的Kink效應(yīng)對器件性能的影響，盡量減薄硅膜厚度，使硅膜處于全耗盡狀態(tài)。薄膜全耗盡(FD)SOI器件可以消除Kink效應(yīng)，有效地抑制器件的短溝道效應(yīng)(SCE)、改善亞閾特性、提高器件的跨導(dǎo)(S.Maeda et al.，IEDM Tech.Dig.，Page(s)129-132，1996，M.J.Sheron et al.，IEEE Electron Device Letter，Volume16，Issue3，March，1995)。然而薄膜FDSOI器件的閾值電壓對硅膜厚度的變化非常敏感，隨著硅膜越來越薄，對硅膜平整度的要求也越來越苛刻，這就使得薄膜SOI器件的材料制備變得非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，既可以實現(xiàn)硅膜全耗盡，又可以克服SOI器件固有的Kink效應(yīng)，同時還能夠增加器件的驅(qū)動電流，提高速度，改善短溝性能。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，它包括源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、埋氧化層、背柵、硅膜、襯底及溝道在內(nèi)的厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的本體，在靠近所述背柵的界面設(shè)有一個相反摻雜的異型硅島。
優(yōu)化的異型硅島應(yīng)該位于硅膜的底部中央處。
所述異型硅島各參數(shù)的優(yōu)化范圍為異型硅島寬度約為所述溝道長度的五分之三；厚度等于所述硅膜厚度的一半；所述異型硅島摻雜濃度高于所述硅膜的摻雜濃度。
實現(xiàn)本發(fā)明的一種具體的優(yōu)選方案為異型硅島位于硅膜的底部中央處，溝道長度L＝1μm，硅膜厚度為tsi＝0.4μm，柵氧化層厚度tox＝20nm，源漏區(qū)摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3，硅膜摻雜濃度為Filmdoping＝1×1017cm-3，埋氧化層厚度tbox＝0.2μm，襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3，厚度tsub＝0.3μm；異型硅島摻雜濃度的變化范圍在1×1017cm-3-5×1018cm-3之間；硅島厚度T的設(shè)計范圍為0.18μm-0.28μm之間；硅島半寬度W在0.25μm-0.3μm之間。
迄今為止，尚無文獻(xiàn)報道如何實現(xiàn)厚膜SOI器件的硅膜全耗盡，以消除Kink效應(yīng)。本發(fā)明所提供的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管不僅克服了厚膜SOI場效應(yīng)晶體管所固有的Kink效應(yīng)，器件的驅(qū)動電流也大大增加，使得器件工作速度大大提高。異型硅島的設(shè)計允許其厚度、寬度、摻雜濃度以及位置有較大波動，為厚膜SOI器件提供了一個更廣闊的設(shè)計與應(yīng)用空間。


圖1為本發(fā)明厚膜SOI場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意2(a)為硅島半寬度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性的影響圖2(b)為硅島半寬度的變化對異型硅島SOI器件的轉(zhuǎn)移特性的影響圖3(a)為硅島厚度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性的影響圖3(b)為硅島厚度的變化對異型硅島SOI器件的轉(zhuǎn)移特性的影響圖4(a)為硅島摻雜濃度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性的影響圖4(b)為硅島摻雜濃度的變化對異型硅島SOI器件的轉(zhuǎn)移特性的影響圖5(a)為硅島濃度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性的影響圖5(b)為硅島濃度的變化對異型硅島SOI器件的轉(zhuǎn)移特性的影響圖5(c)為硅島濃度的變化對異型硅島SOI器件的溝道電勢分布的影響圖6(a)為優(yōu)化的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管與常規(guī)厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的輸入輸出特性的比較結(jié)果圖6(b)為優(yōu)化的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管與常規(guī)厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的反向器的速度特性的比較結(jié)果圖6(c)為優(yōu)化的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管與常規(guī)厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的器件的短溝道特性的比較結(jié)果具體實施方式
為了說明本發(fā)明所提供的器件的性能，用二維器件模擬軟件DESSIS ISE(6.0版本)對異型硅島場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。并與常規(guī)結(jié)構(gòu)(即厚膜部分耗盡)場效應(yīng)晶體管的特性進(jìn)行對比。如圖1所示，本發(fā)明厚膜SOI場效應(yīng)晶體管包括源區(qū)1、漏區(qū)2、柵氧化層3、埋氧化層4、背柵5、硅膜6、襯底7及溝道8在內(nèi)的厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的本體，在靠近所述背柵的界面設(shè)有一個相反摻雜的異型硅島9。模擬中器件的參數(shù)如下溝道長度L＝1μm，硅膜厚度為tsi＝0.4μm，柵氧化層厚度tox＝20nm，源漏區(qū)摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3，硅膜摻雜濃度為Filmdoping＝1×1017cm-3，埋氧化層厚度tbox＝0.2μm，襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3，厚度tsub＝0.3μm。模擬中采用流體動力學(xué)和量子效應(yīng)模型；復(fù)合模型采用了SRH、Auger、Band2band和Avalanche模型；遷移率模型采用了doping Dependence、High fieldsaturation、Enormal和PhuMob模型。
實施例1異型硅島SOI器件硅島半寬度的變化對輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響(硅島位于溝道底部中央)圖2(a)(b)分別給出了硅島半寬度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響。其中，硅島厚度T＝0.2μm，Doping＝5×1017cm-3。由圖2(a)可知，當(dāng)硅島半寬度W＝0.25μm時，厚膜SOI器件的Kink效應(yīng)消除，溝道內(nèi)部已經(jīng)全耗盡，器件的驅(qū)動電流增加；隨硅島半寬度不斷增加，驅(qū)動電流也不斷增大；而硅島半寬度W＝0.3μm是一個比較敏感的值，當(dāng)硅島半寬度W＞0.3μm時，管子就變得非常容易擊穿。其原因可以從圖2(b)中得到解釋?？梢钥闯觯?dāng)硅島半寬度W＞0.3μm后，器件的閾值電壓發(fā)生顯著漂移，硅島的結(jié)耗盡層使溝道內(nèi)部全部耗盡，但當(dāng)硅島寬度過大時，就會使器件的源端勢壘降低，閾值電壓減小，過飽和電壓(VG-VT)增大，管子變得更容易開啟，飽和驅(qū)動電流更大，從而，器件更容易擊穿。所以可知，當(dāng)硅島厚度T＝0.2μm，Doping＝5×1017cm-3時，理想的硅島半寬度W在0.25μm-0.3μm之間。硅島半寬度在此范圍內(nèi)的SOI器件一方面可以消除厚膜全耗盡器件的Kink效應(yīng)，另一方面器件的飽和驅(qū)動電流增大，泄漏電流很小，同時管子的擊穿電壓也較高。
實施例2硅島厚度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響(硅島位于溝道底部中央)圖3(a)(b)分別給出了硅島厚度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響(硅島位于溝道底部中央)。其中，硅島半寬度W＝0.3μm，Doping＝5×1017cm-3。由圖3(a)可以看出，當(dāng)硅島厚度T＝0.2μm，也即硅膜厚度的一半處時，輸出曲線的Kink現(xiàn)象基本消除，溝道內(nèi)部實現(xiàn)了全耗盡。當(dāng)硅島厚度進(jìn)一步增加時，器件的飽和驅(qū)動電流則進(jìn)一步增大，尤其是當(dāng)硅島厚度從T＝0.3μm變化到T＝0.35μm時，器件的驅(qū)動電流急劇增加。硅島厚度的增加，使得SOI器件的飽和區(qū)與擊穿區(qū)之間的電壓寬度也逐漸變小，管子變得易于擊穿。圖3.5(b)亦顯示，當(dāng)硅島厚度T＞0.25μm時，器件的閾值電壓發(fā)生顯著漂移。硅島厚度T＞0.3μm時，漏電流已經(jīng)變得不能忽視。此時，源端勢壘受異型硅島的影響，已經(jīng)變得很低，小的柵壓就可以實現(xiàn)管子的開啟。在相同的柵壓與漏壓下，硅島厚度增加導(dǎo)致的源端勢壘降低，使得更多的源端載流子可以非常容易的越過勢壘，進(jìn)入溝道，從而形成很大的輸出電流，此即圖3(a)第6條曲線所顯示的情況。所以，當(dāng)異型硅島的半寬度W＝0.3μm，摻雜濃度Doping＝5×1017cm-3時，硅島厚度T的設(shè)計范圍為O.18μm-0.28μm之間。在此厚度范圍內(nèi)，異型硅島SOI器件不僅可以消除厚膜SOI器件的Kink效應(yīng)，而且可以較大地提高器件的驅(qū)動能力，同時保持較小的泄漏電流。
實施例3硅島摻雜濃度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響(硅島位于溝道底部中央)圖4(a)(b)分別給出了硅島摻雜濃度的變化對異型硅島SOI器件的輸入輸出特性和轉(zhuǎn)移特性的影響(硅島位于溝道底部中央)。其中，硅島半寬度W＝0.3μm，硅島厚度T＝0.2μm。當(dāng)異型硅島的摻雜濃度Doping很低時，硅島對厚膜器件的特性基本沒有影響，硅島摻雜濃度較低使硅島與溝道之間的pn結(jié)耗盡層主要分布在硅島一側(cè)。但當(dāng)硅島的摻雜濃度可以與溝道摻雜濃度相比擬時，厚膜器件特性就發(fā)生了顯著的變化，如圖4(a)所示。當(dāng)硅島的摻雜濃度Doping大于硅膜雜質(zhì)濃度Filmdoping(即1×1017cm-3)時，利用pn結(jié)原理可知，n型硅島的摻雜濃度越高，P型溝道區(qū)的耗盡層展寬的就越多，就越容易實現(xiàn)溝道的全耗盡，從而消除了厚膜SOI器件的Kink效應(yīng)。與此同時，隨著硅島摻雜濃度的增大，器件的驅(qū)動電流也逐漸增加。但由圖4(b)可知，由于閾值電壓漂移和泄漏電流的影響，異型硅島摻雜濃度的變化范圍應(yīng)在1×1017cm-3-5×1018cm-3之間。
實施例4硅島位于溝道頂部中央時，硅島濃度的變化對器件的輸入輸出特性、轉(zhuǎn)移特性及溝道電勢分布的影響圖5(a)(b)(c)分別給出了硅島濃度的變化對器件的輸入輸出特性、轉(zhuǎn)移特性及溝道電勢分布的影響。其中硅島半寬度W＝0.3μm，厚度T＝0.2μm。由圖5(a)可知，當(dāng)硅島的摻雜濃度超過溝道的摻雜濃度時，雖然也可以克服厚膜器件所固有的Kink效應(yīng)，并且驅(qū)動電流也隨著硅島摻雜濃度的增加而增大，但是由圖5(b)又可知，器件的閾值電壓發(fā)生了很大的漂移，且器件的亞閾值斜率非常大，使器件的泄漏電流大大增加，器件性能嚴(yán)重退化。這是由于當(dāng)硅島位于溝道頂部中央處時，對溝道的表面勢產(chǎn)生了很大的影響，如圖5(c)所示。圖中比較了當(dāng)硅島分別位于溝道底部與溝道頂部時的溝道電勢分布情況(器件的其它參數(shù)均相同)?？梢钥闯觯?dāng)硅島位于溝道頂部中央處(曲線2)時，溝道的表面電勢比硅島位于溝道底部中央處(曲線1)的電勢低200mV左右，更容易受到漏端電勢的影響，從而器件的短溝道效應(yīng)更加顯著。
由上所述，優(yōu)化的異型硅島應(yīng)該位于硅膜的底部中央處，如圖1所示。且硅島各參數(shù)的優(yōu)化范圍為寬度約為溝道長度的五分之三，厚度大約等于硅膜厚度的一半，摻雜濃度只要高出硅膜的摻雜濃度即可。
實施例5優(yōu)化的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管與常規(guī)厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的輸入輸出特性、反向器的速度特性及器件的短溝道特性的比較圖6(a)(b)(c)分別給出了優(yōu)化的異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管與常規(guī)厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的輸入輸出特性、反向器的速度特性及器件的短溝道特性的比較結(jié)果。其中，兩種結(jié)構(gòu)器件的溝道長度L＝1μm，硅膜厚度tsi＝0.4μm，摻雜濃度Filmdoping＝1×1017cm-3；異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管的硅島半寬度W＝0.3μm，厚度T＝0.2μm，摻雜濃度Doping＝5×1017cm-3。由圖6(a)可知，厚膜SOI器件由于異型硅島的存在，不僅僅克服了其所固有的Kink效應(yīng)，而且器件的驅(qū)動電流也大大增加。這也使得器件工作速度大大提高，如圖6(b)所示。在相同的輸入波形下，由異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的反相器的速度要比常規(guī)SOI場效應(yīng)晶體管構(gòu)成反相器的速度更快。圖6(c)比較了兩種結(jié)構(gòu)器件的短溝道效應(yīng)。當(dāng)溝道長度從1μm縮小到0.1μm時，異型硅島SOI厚膜全耗盡器件的閾值電壓漂移明顯小于常規(guī)結(jié)構(gòu)。當(dāng)溝道長度L＝0.1μm時，異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管的閾值電壓漂移比常規(guī)SOI器件的小60mV左右。所以，異型硅島SOI場效應(yīng)晶體管為小尺寸SOI器件的一個較好的選擇。
權(quán)利要求
1.一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，它包括源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、埋氧化層、背柵、硅膜、襯底及溝道在內(nèi)的厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的本體，其特征為在靠近所述背柵的界面設(shè)有一個相反摻雜的異型硅島。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島位于硅膜的底部中央處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島寬度約為所述溝道長度的五分之三。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島厚度等于所述硅膜厚度的一半。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島寬度約為所述溝道長度的五分之三，厚度等于所述硅膜厚度的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島摻雜濃度高于所述硅膜的摻雜濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述溝道長度L＝1μm，硅膜厚度為tsi＝0.4μm，柵氧化層厚度tox＝20nm，源漏區(qū)摻雜濃度Nn+＝1×1020cm-3，硅膜摻雜濃度為Filmdoping＝1×1017cm-3，埋氧化層厚度tbox＝0.2μm，襯底摻雜濃度Np-＝5×1016cm-3，厚度tsub＝0.3μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述異型硅島摻雜濃度的變化范圍在1×1017cm-3-5×1018cm-3之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述硅島厚度T的設(shè)計范圍為0.18μm-0.28μm之間；
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，其特征在于所述硅島半寬度W在0.25μm-0.3μm之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，目的是提供一種既可以實現(xiàn)硅膜全耗盡，又可以克服SOI器件固有的Kink效應(yīng)，同時還能夠增加器件的驅(qū)動電流，提高速度，改善短溝性能的厚膜SOI場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種厚膜SOI場效應(yīng)晶體管，它包括源區(qū)、漏區(qū)、柵氧化層、埋氧化層、背柵、硅膜、襯底及溝道在內(nèi)的厚膜SOI場效應(yīng)晶體管的本體，在靠近所述背柵的界面設(shè)有一個相反摻雜的異型硅島。本發(fā)明不僅克服了厚膜SOI場效應(yīng)晶體管所固有的Kink效應(yīng)，器件的驅(qū)動電流也大大增加，使得器件工作速度大大提高。異型硅島的設(shè)計允許其厚度、寬度、摻雜濃度以及位置有較大波動，為厚膜SOI器件提供了一個更廣闊的設(shè)計空間。
文檔編號H01L29/786GK1523678SQ0310466
公開日2004年8月25日 申請日期2003年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者楊勝齊, 何進(jìn), 黃如, 王文平, 張興, 王陽元 申請人:北京大學(xué)