具有金屬氮氧化物有源溝道的集成功率器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在CMOS或雙極CMOS芯片上具有金屬氮氧化物有源溝道的集成功率晶體管和功率晶體管電路，其可用于功率開關(guān)或者放大電信號:包括電壓信號，電流信號，頻段在500MHz?10GHz之間的高頻微波和毫米波信號，頻段在1KHz?IGHz之間的低頻無線充電電波信號。
【背景技術(shù)】
[0002][A]集成RF功率放大器的無線應(yīng)用:
無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一是用于發(fā)射的RF功率放大器和用于接收的RF低噪聲放大器，微波頻率范圍為500MHz?100GHz。對手機(jī)來說，工作頻率通常低于5GHz。這些放大器必須符合嚴(yán)格的性能規(guī)格、輸出功率、噪聲和線性度，以使無線系統(tǒng)能滿足性能要求和規(guī)定。為增加當(dāng)前技術(shù)下的電池使用時(shí)間，功率附加效率(PAE)和工作電壓必須足夠高。此夕卜，該放大器應(yīng)滿足耐用性，物理尺寸，可靠性和成本的要求。大多數(shù)用于手持電話或者移動(dòng)電話的放大器有不同的調(diào)制格式。因此，針對不同的應(yīng)用，對RF放大器的規(guī)格要求也會不同。例如，手持設(shè)備有GSM，DCS, CDMA和WCDMA制式或者頻率范圍。
[0003]為減少成本和尺寸，最好采用一個(gè)集成無線電架構(gòu)。集成無線電架構(gòu)(100)的框圖如圖1所示,主要組件有:
1、RF前端110，包括T/R開關(guān)112和功率放大器PAl 14，RF前端的輸入/輸出信號由天線150接收并與其相連；對于RF前端來說，除了用于GHz或幾十GHz的工作要求，對于高功率也有重要要求。為了實(shí)現(xiàn)高功率工作，最好選取能承受和處理T/R開關(guān)和PA高電壓的晶體管。
[0004]2,RF集成電路120，包括低噪聲放大器LNA122、接收混頻器124、發(fā)射混頻器128、用于接收和發(fā)射的RF合成器126 ；RF集成電路可通過先進(jìn)的CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)并以GHz或幾十GHz頻率工作。
[0005]3、基帶單元130，包括的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC132，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC134，鎖相環(huán)PLL136和基帶處理器138，其中ADC，DAC和PLL用于將信號從RF轉(zhuǎn)換成基帶頻率或?qū)⒒鶐ьl率轉(zhuǎn)換成RF，另外基帶單元通常采用先進(jìn)的硅基CMOS工藝實(shí)現(xiàn)；
4、應(yīng)用程序處理器140，包括了用戶接口和數(shù)據(jù)存儲處理的特定模塊，常用先進(jìn)的CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。此外，應(yīng)用程序處理器也可稱為邏輯與控制電路芯片。
[0006]然而，硅基CMOS工藝的無線收發(fā)器的設(shè)計(jì)和制造有一些難度。使用CMOS工藝設(shè)計(jì)和制造功率放大器的難度如下:
[I]深亞微米技術(shù)的低擊穿電壓限制了柵-漏極間的最大電壓和輸出功率。這是因?yàn)樵诰w管漏極的輸出電壓通常是B類和F類電源電壓的2倍，約是E類工作電壓的3倍。因此，晶體管必須在較低的電壓下工作，以提供低功率。[2]與II1-V族器件相比，CMOS工藝具有較低的電流驅(qū)動(dòng)和fmax，這意味著由一個(gè)單級提供的增益太低，因而需要多級增益。[3]硅CMOS通常使用摻雜導(dǎo)電性基板。這導(dǎo)致RF信號與基板相互作用引起高集成CMOS集成電路泄漏。集成功率放大器的泄漏會影響例如在收發(fā)器鏈的壓控振蕩器VCO的穩(wěn)定性。
[0007][B]用于功率開關(guān)和電源管理的集成模塊:
除了 RF功率放大器的無線應(yīng)用，還有智能功率開關(guān)或電源管理的低頻應(yīng)用。頻率的范圍是從直流到100MHz。在該低頻電源管理的電力電子電路中，電力器件要有能夠處理高電壓，大電流和高功率的能力。用于電力電子的兩個(gè)主要類別:分立功率器件和功率集成電路。分立功率器件包括PIN碼形式的電源整流器，功率MOS，IGBT，可控硅，LDMOS和超結(jié)MOS0這些分立器件主要是基于單體硅或SOI。由于少數(shù)載流子的存儲或積累，雙極型功率器件的開關(guān)速度低，通常低于1MHz。
[0008]圖2是一個(gè)智能功率開關(guān)模塊200的示意圖。具有一個(gè)CMOS或雙極CMOS工藝的邏輯與控制電路芯片210，一個(gè)電源220，一個(gè)功率開關(guān)230。邏輯與控制電路芯片210從外部系統(tǒng)接收指令輸入212，由此產(chǎn)生了控制功率開關(guān)230的第一控制信號214，和控制電源220以調(diào)節(jié)功率供給222至功率開關(guān)230的第二控制信號215。功率開關(guān)230連接在外部電源240和負(fù)載250之間。
[0009]但是應(yīng)當(dāng)注意的是，功率開關(guān)器和邏輯與控制電路芯片的要求是完全不同的，大多數(shù)不容易使用CMOS和雙極CMOS工藝集成。這是因?yàn)楣β书_關(guān)或功率放大器需要能夠處理高功率和高電壓。在CMOS工藝中，器件的線寬值從微米到幾十納米以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能和降低功耗。為了適應(yīng)降低了的器件線寬，形成MOSFET的pn結(jié)深度和柵極氧化物的厚度也需要相應(yīng)減少。例如，結(jié)深度從“2微米技術(shù)”的0.5微米減少至“45納米CMOS工藝”的20納米，而柵氧化層的厚度由100納米下降至2納米。由于線寬值、柵氧化層的厚度和結(jié)深度的減少，晶體管器件的擊穿電壓也會降低，但這就限制了 MOSFET的工作電壓。對于當(dāng)前的CMOS工藝，柵氧化層厚度和工作電壓與柵極長度的變化幾乎是線性的。當(dāng)柵極長度由0.6微米減小到0.05微米時(shí)，柵氧化層厚度由12納米減小至5納米，而工作電壓從4.5伏降低到約I伏。柵極長度為0.13微米的CMOS工藝，柵極氧化層厚度約為4納米而且工作電壓為1.5伏。因此，傳統(tǒng)MOSFET功率處理能力是不夠用于轉(zhuǎn)換高壓電力或者產(chǎn)生高功率的微波或毫米波。
[0010]理想的情況是具有高功率處理能力的晶體管可以直接集成在CMOS邏輯與控制電路上，以形成聞功率或聞?lì)l率應(yīng)用的開關(guān)電路或放大電路。然而，結(jié)深度減小的結(jié)果，以及為了保證MOSFET的性能特性而保持摻雜雜質(zhì)分布等原因，在CMOS邏輯與控制電路制造后，可用于制程(process)的熱預(yù)算有限。熱預(yù)算這種限制也是由于需要保持已形成在CMOS邏輯與控制電路中的金屬線的完整性。例如，在CMOS芯片上集成功率開關(guān)或功率放大器所需要的在45納米節(jié)點(diǎn)的post-CMOS制程熱預(yù)算是在700°C保持30分鐘(考慮雜質(zhì)分布的偏移和維持氧化物的厚度)，再在500°C保持30分鐘(考慮金屬線的完整性)。關(guān)于上述用于post-CMOS制程的熱預(yù)算估值見圖3。
[0011]該估值是基于雜質(zhì)偏移和雜質(zhì)活化的考慮作出。虛線Dl表示活化50%摻雜硼原子所需的退火溫度及退火時(shí)間的變化曲線。實(shí)線Si表示制造功率晶體管、功率開關(guān)、功率放大器及組件的POSt-CMOS制程的退火時(shí)間與退火溫度的變化曲線，該退火方法會導(dǎo)致在摻雜活化后已形成的I納米結(jié)上出現(xiàn)雜質(zhì)分布的轉(zhuǎn)移或偏移。而實(shí)線S2表示制造功率晶體管、功率開關(guān)、功率放大器及其組件的post-CMOS制程的退火時(shí)間與退火溫度的變化曲線，這種退火會導(dǎo)致在經(jīng)過摻雜活化后已形成的20納米結(jié)上出現(xiàn)雜質(zhì)分布的轉(zhuǎn)移或偏移。這些曲線計(jì)算公式是{4D(T)x t}1/2?！綪.J，特馬斯，SP泰伊，Z.奈也，熱預(yù)算的減少驅(qū)動(dòng)RTP超越45納米節(jié)點(diǎn)，固態(tài)技術(shù)，2005年2月；45，2，p26】。這里D(T)是給定溫度T下?lián)诫s棚原子的擴(kuò)散系數(shù)，T是退火時(shí)間。
[0012]先進(jìn)的CMOS制程技術(shù)中，pn結(jié)的深度為30納米。因此，這里以結(jié)深度為30納米的CMOS工藝制造的邏輯與控制電路為例。在后續(xù)功率晶體管及其組件的post-CMOS制程中，如果按照實(shí)線S2所示的熱預(yù)算制程則會使結(jié)深度從原來的30納米增加到50納米。這將引起漏極注入?yún)^(qū)和源極注入?yún)^(qū)之間的距離減小，其結(jié)果會導(dǎo)致MOSFET輸出特性的顯著變化因而影響邏輯與控制電路的輸出特性。為了最大限度地減少M(fèi)OSFET和邏輯與控制電路的輸出特性的變化，功率開關(guān)或功率晶體管的post-CMOS制程中，如實(shí)線SI所描述的減少熱預(yù)算是必要的，這樣才能讓30納米結(jié)深度中的雜質(zhì)分布轉(zhuǎn)移或偏移保持I納米內(nèi)。
[0013]因此，在目前的硅微加工技術(shù)中，源極-漏極注入后的制程熱預(yù)算應(yīng)越小越好。從圖3可見，為保持雜質(zhì)硼分布在I納米內(nèi)，在源極-漏極注入制程和活化退火后，積累的熱預(yù)算總量應(yīng)保持低于800°Cxl02秒=80000 0Co另一種流行的摻雜雜質(zhì)磷，其分布趨勢和熱預(yù)算也類似。因此，在后續(xù)功率晶體管及其組件的post-CMOS制程中，制程時(shí)間應(yīng)基本上保持在1000°C且不大于I秒或更好的是在900°C保持I秒。如果集成智能功率開關(guān)電路和集成智能射頻放大器可以直接在高級CMOS邏輯與控制電路芯片上使用某種材料來制造，該材料可以在低的熱預(yù)算中被沉積和處理，這將是最理想的。
[0014]因此，使用具有高載流子遷移率和高擊穿電場材料，在硅CMOS邏輯與控制電路芯片上直接集成用于功率開關(guān)和微波放大的功率晶體管是非常有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的之一是提供一種集成功率晶體管器件結(jié)構(gòu)，其具有低熱預(yù)算的金屬氮氧化物作為CMOS邏輯與控制電路的有源溝道，以形成用于功率開關(guān)的集成智能功率開關(guān)豐吳塊。
[0016]本發(fā)明的目的之二是提供一種集成功率放大器晶體管器件結(jié)構(gòu)，直接在CMOS邏輯與控制電路芯片上集成含有低熱預(yù)算的金屬氮氧化物晶體管，以形成一個(gè)可用于放大電信號(包括電壓信號，電流信號，頻段在500MHz?100GHz之間的高頻微波和毫米波信號，頻段在1KHz?IGHz之間的低頻無線充電電波信號)的集成智能功率放大器。
[0017]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的第一個(gè)技術(shù)方案如下所述:
一種用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物第一有源溝道層的功率晶體管器件，其特征在于:還包含了一個(gè)邏輯與控制電路芯片、具有第一芯片鈍化層厚度的第一芯片鈍化層、具有第一柵極層厚度的第一柵極層、具有第一柵極絕緣層厚度和第一柵極絕緣層固定電荷類型的第一柵極絕緣層、具有第一有源溝道層厚度的第一有源溝道層、漏極、源極、具有第一表面鈍化層厚度的第一表面鈍化層；所述第一有源溝道層具有第一有源溝道層能隙，所述功率晶體管器件接收所述邏輯與控制電路芯片的控制信號。
[0018]所述的用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物第一有源溝道層的功率晶體管器件，其中所述邏輯與控制電路芯片是一個(gè)硅基CMOS工藝芯片。
[0019]所述的用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物第一有源溝道層的功率晶體管器件，其中所述第一有源溝道層的材料選自以下材料組:氮氧化銦，氮氮化鎵，氮氧化鋅，氮氧化鈦，氮氧化鎘，氮氧化鍺，氮氧化鋁，氮氧化錫，氮氧化硅及它們的混合物。
[0020]所述的用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物第一有源溝道層的功率晶體管器件，其中所述第一柵極絕緣層的材料選自以下材料組:二氧化硅，氮化硅，氧化鋁，氮化鋁，氧化鉿，鈦酸鍶及它們的混合物。
[0021]所述的用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物第一有源溝道層的功率晶體管器件，還包括具有第一接地金屬層厚度的第一接地金屬層，具有第二芯片鈍化層厚度的第二芯片鈍化層，所述第一接地金屬層夾在所述第一芯片鈍化層和第二芯片鈍化層之間，以減少所述功率晶體管器件和邏輯與控制電路芯片之間的干擾。
[0022]所述的用于功率開關(guān)的集成智能型電力電子電路芯片，包含至少一個(gè)具有低溫金屬氮氧化物