專利名稱：半導(dǎo)體器件和這種器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有半導(dǎo)體本體的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體本體包括用電介質(zhì)層覆蓋的高歐姆半導(dǎo)體襯底，該電介質(zhì)層含有電荷，在該電介質(zhì)層上存在包括導(dǎo)體跡線(conductor track)的一個或多個無源電子元件，并在無源元件的位置上，在半導(dǎo)體襯底和電介質(zhì)層之間的界面處存在半導(dǎo)體區(qū)，其結(jié)果是由電荷感應(yīng)的第一導(dǎo)電類型的導(dǎo)電溝道在半導(dǎo)體襯底與電介質(zhì)層間的界面處、在半導(dǎo)體區(qū)的位置處中斷。在本申請中，高歐姆半導(dǎo)體襯底尤其指的是電阻率大于或等于大約1kΩcm，并且實際上在1和10kΩcm之間的范圍內(nèi)的半導(dǎo)體襯底。導(dǎo)電溝道可以是反型溝道或積累溝道。這取決于電介質(zhì)層中的電荷和半導(dǎo)體襯底的導(dǎo)電類型，其中所述電荷實際上經(jīng)常是正的，從而形成n型溝道。在例如p型襯底的情況下，則發(fā)生反型，而在n型襯底的情況下，發(fā)生積累。本發(fā)明還涉及這種器件的制造方法。
開篇所述類型的器件和方法可以從所述公報號下、在1996年11月29日公布的日本專利說明書JP-A-08-316420中獲知。在所述文獻(xiàn)中，介紹了一種器件，其包括設(shè)有二氧化硅層形式的電介質(zhì)層的高歐姆硅襯底，在該襯底上存在布線。為了抵消由于在硅襯底和二氧化硅層之間的界面上形成反型或積累層導(dǎo)致的高頻功率損失，在所述界面存在通過利用離子注入損壞硅襯底的晶體結(jié)構(gòu)形成的多晶或非晶硅區(qū)。如此形成的區(qū)域包括電荷陷阱，該電荷陷阱在所述位置獲取形成的反型或積累溝道的電荷，由此局部地中斷所述溝道。由此，限制(高頻)功率損失。
已知器件的缺點在于實際上，有時存在對應(yīng)減少高歐姆半導(dǎo)體襯底的有效電阻的問題，這導(dǎo)致產(chǎn)生所述損失。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種在開篇所述類型的器件，其中半導(dǎo)體襯底在更多條件下呈現(xiàn)出高歐姆特性。另外的目的涉及提供一種制造這種器件的簡單方法。
為了實現(xiàn)該目的，開篇所述類型的器件的特征在于根據(jù)本發(fā)明，所述半導(dǎo)體區(qū)是單晶的，并且是與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型。本發(fā)明首先基于以下認(rèn)識尤其是在半導(dǎo)體本體中還集成了半導(dǎo)體元件的器件中將產(chǎn)生太高導(dǎo)電半導(dǎo)體襯底的問題。相伴的集成工藝有時需要，特別是在制造工藝開始時，需要相對高的溫度預(yù)算。在相對高溫下進(jìn)行熱處理使得已知器件的多晶或非晶區(qū)的結(jié)晶可以被完全或部分地恢復(fù)，使電荷陷阱的濃度減小，由此例如不希望地形成反型溝道。本發(fā)明還基于以下認(rèn)識不僅通過所謂的陷阱，而且通過提供具有與感應(yīng)的溝道的導(dǎo)電類型相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，可以中斷反型溝道。盡管襯底是高歐姆的，但是它仍然是p導(dǎo)電或n導(dǎo)電型的。這可以分別用π型襯底和v型襯底表示。在電介質(zhì)層中是正電荷的情況下，在第一種情況下，感應(yīng)的溝道將是反型溝道，而在第二種情況下是積累溝道。在這種情況下，合適的半導(dǎo)體區(qū)是p導(dǎo)電類型的，因此包括補(bǔ)償感應(yīng)的電荷的正電荷。由此，導(dǎo)電溝道的電荷總是在半導(dǎo)體區(qū)的部位被補(bǔ)償，其結(jié)果是該溝道被中斷或者至少具有高得多的歐姆值。可以引入相反導(dǎo)電類型的摻雜原子，而不使半導(dǎo)體襯底的結(jié)晶度由此被影響。所述引入例如可以通過擴(kuò)散來進(jìn)行。如果通過對晶體結(jié)構(gòu)帶來損害的注入形成相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，在根據(jù)本發(fā)明的措施的有利效果沒有損失的情況下，可以通過熱處理故意地或非故意地恢復(fù)結(jié)晶度。本發(fā)明最后基于以下認(rèn)識盡管摻雜的半導(dǎo)體區(qū)本身可以具有相對低的電阻，但是實際上所述電阻值可以如此低，以使得這沒有任何副面影響。這可以通過選擇半導(dǎo)體區(qū)的尺寸為足夠小和通過選擇其摻雜濃度來實現(xiàn)，所述摻雜濃度不高于用于中斷溝道所需的濃度。在上述基礎(chǔ)上，很清楚為了在根據(jù)本發(fā)明的器件的半導(dǎo)體本體中形成集成半導(dǎo)體元件的高熱預(yù)算的可能需要將不會帶來難題。
在根據(jù)本發(fā)明的器件的優(yōu)選實施例中，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)包括大量相互平行的條狀子區(qū)，這些子區(qū)在半導(dǎo)體襯底中凹入。所述條狀子區(qū)優(yōu)選延伸，即垂直于向襯底中引入電壓梯度的方向。大量條狀子區(qū)使得該效應(yīng)在平行于所述條狀子區(qū)延伸的導(dǎo)體跡線的現(xiàn)有圖案上被優(yōu)化。在沒有問題的情況下，可以施加更大量的條狀子區(qū)，這是由于子區(qū)的尺寸可以做得非常小。通過使該區(qū)或子區(qū)凹入到半導(dǎo)體襯底中，可以采用離子注入來形成。這種技術(shù)允許最小可行的尺寸。除此之外，在本實施例中，實現(xiàn)了最好的電荷補(bǔ)償，因為所述電荷主要位于半導(dǎo)體襯底和電介質(zhì)層之間的界面處。優(yōu)選地，條狀子區(qū)在它們端部附近互連。
在有利的改型中，條狀子區(qū)形成彼此垂直交叉的兩組子區(qū)。由此，半導(dǎo)體區(qū)對于互相垂直的導(dǎo)體跡線是有效的，優(yōu)選每個導(dǎo)體跡線平行于這兩組中的一組延伸。
另一實施例的特征在于條狀子區(qū)形成規(guī)則六邊形的網(wǎng)絡(luò)。這使得該效應(yīng)對于導(dǎo)體跡線被優(yōu)化，所述導(dǎo)體跡線垂直于六邊形的刻面之一延伸，并且互相地包括大約60度的角度。
在另一實施例中，半導(dǎo)體本體具有包括集成在其中的一個或多個半導(dǎo)體元件的另外的半導(dǎo)體區(qū)。這使得器件除了無源元件和導(dǎo)體跡線以外還包括例如IC(集成電路)。從投影觀察，無源元件優(yōu)選位于具有半導(dǎo)體元件的另外半導(dǎo)體區(qū)以外的器件的另一部分。
如上所述，半導(dǎo)體區(qū)的尺寸和摻雜濃度優(yōu)選足夠大，以便中斷在操作期間產(chǎn)生的反型或積累溝道，但是也足夠小以便基本上不減少襯底的方塊電阻。
具有半導(dǎo)體本體的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中含有電荷的電介質(zhì)層形成在高歐姆半導(dǎo)體襯底上，在該電介質(zhì)層上設(shè)置一個或多個無源電子元件，包括導(dǎo)體跡線，并且其中在無源元件的部位，在半導(dǎo)體襯底和電介質(zhì)層之間的界面處形成半導(dǎo)體區(qū)，其結(jié)果是在半導(dǎo)體襯底與電介質(zhì)層界面、在半導(dǎo)體區(qū)的位置處中斷了由電荷感應(yīng)的第一導(dǎo)電類型的導(dǎo)電溝道，根據(jù)本發(fā)明該方法的特征在于半導(dǎo)體區(qū)呈現(xiàn)單晶并具有第二導(dǎo)電類型，該第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反。由此獲得根據(jù)本發(fā)明的器件。優(yōu)選地，半導(dǎo)體區(qū)是通過離子注入形成的。用于n型襯底的合適離子是硼離子，而用于p型襯底的合適離子是砷或銻離子。
本發(fā)明的這些和其它方案可以從下面所述實施例中看出并且將參照下述實施例進(jìn)行說明。
在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件在垂直于厚度方向上的示意剖面圖，圖2-5是圖1所示器件的半導(dǎo)體區(qū)的結(jié)構(gòu)的大量不同可能性的示意平面圖，圖6作為導(dǎo)體跡線上的電壓的函數(shù)，并對于半導(dǎo)體區(qū)中的不同摻雜濃度示出了圖1所示器件的襯底的方塊電阻，以及圖7示出圖1所示器件的襯底的等效電路圖。
附圖沒有按照比例繪制，并且為了清楚起見，將有些尺寸如厚度方向的尺寸放大了。不同附圖中的相應(yīng)區(qū)域或部分盡可能地用相同的陰影部分或相同的附圖標(biāo)記來表示。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件在垂直于厚度方向的示意剖面圖，圖2-4是圖1所示器件的半導(dǎo)體區(qū)的結(jié)構(gòu)的不同可能性的示意平面圖。器件10包括半導(dǎo)體本體1，半導(dǎo)體本體1具有p導(dǎo)電類型的高歐姆硅半導(dǎo)體襯底2，在這種情況下，其電阻率在5和10kΩcm之間。器件10的表面用二氧化硅的電介質(zhì)層3覆蓋。在操作期間感應(yīng)的導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電類型是n導(dǎo)電類型，因為電介質(zhì)層含有在例如1×1011cm-2和2×1012cm-2之間范圍內(nèi)的正電荷。本例的半導(dǎo)體器件10包括兩個子區(qū)A、B，它們分別位于線I-I的右側(cè)和左側(cè)。右側(cè)部分A包括p導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)5，該半導(dǎo)體區(qū)5凹入到器件的表面中。這個半導(dǎo)體區(qū)平行于導(dǎo)體跡線4形式的無源元件4延伸。通過半導(dǎo)體區(qū)5，在器件操作期間，在半導(dǎo)體襯底2和電介質(zhì)層3的界面處、在半導(dǎo)體區(qū)5的位置處中斷了反型溝道。由此，器件10呈現(xiàn)出非常有限的(高頻)損失。
器件10的左側(cè)部分B包括另外的半導(dǎo)體區(qū)6，其中集成了半導(dǎo)體元件7。應(yīng)該注意的是，半導(dǎo)體元件7可包括例如雙極和/或MOS晶體管的集成電路。無源元件4可包括用于電連接一個或多個半導(dǎo)體元件7的導(dǎo)體跡線圖形。此外，無源元件4可包括一個或多個電容器和/或電阻器和/或線圈。
在圖1中，半導(dǎo)體區(qū)5呈現(xiàn)為垂直于圖的平面延伸的單個條狀區(qū)5。優(yōu)選地，半導(dǎo)體區(qū)5包括更大量的條狀子區(qū)。這些子區(qū)可以在半導(dǎo)體本體2中以許多不同的結(jié)構(gòu)形成。
圖2中示出了這種結(jié)構(gòu)的例子。在所述圖中所示的半導(dǎo)體區(qū)5包括更大量的互相平行的、間隔開的子區(qū)5A，這些子區(qū)5A平行于導(dǎo)體跡線4延伸。在圖3中，條狀子區(qū)5A在它們的端部附近互連。圖4示出了半導(dǎo)體區(qū)5包括兩組子區(qū)5A和5B，它們彼此垂直交叉設(shè)置。特別是，如果導(dǎo)體跡線4也大致在電介質(zhì)層3的表面上的兩個互相垂直方向延伸，則這種結(jié)構(gòu)是合適的。半導(dǎo)體區(qū)5的條狀子區(qū)5C的另一結(jié)構(gòu)示于圖5中。這個圖中所示的六邊形圖形在導(dǎo)體跡線4在兩個以上方向延伸的情況下是非常合適的。
圖6作為導(dǎo)體跡線上的電壓(Vg)的函數(shù)、并且對于半導(dǎo)體區(qū)中的不同摻雜濃度示出了圖1所示器件的襯底的方塊電阻(Rsh)。這是基于假設(shè)電介質(zhì)層3中+2×1012cm-2的固定正電荷。線50對應(yīng)可接受的方塊電阻的水平。曲線51、52、53、54、55分別對應(yīng)半導(dǎo)體區(qū)5的摻雜濃度，即2×1018、6×1017、4×1017、2×1017、2×1016at/cm3。根據(jù)在特殊情況下對于導(dǎo)體跡線4存在的電壓范圍，半導(dǎo)體區(qū)5所需的摻雜濃度可以借助圖7讀取。對于30V的最大電壓Vg，大約6×1017at/cm3的最小摻雜濃度是合適的。實際上，優(yōu)選選擇摻雜濃度盡可能地低，因為這可以盡可能大地選擇半導(dǎo)體區(qū)5的表面。如果電介質(zhì)層中的電荷低于上述值，則可以允許在上述值以下的摻雜濃度。在最佳工藝中，這種電荷可以比上述值低10倍。半導(dǎo)體區(qū)5的最小尺寸對于I線光刻和DUV(深紫外線)光刻分別為大約0.4μm-250nm。半導(dǎo)體區(qū)5的相對小的深度例如為100nm，這可以使用目前可獲得的技術(shù)來實現(xiàn)。條狀半導(dǎo)體區(qū)5優(yōu)選制成為技術(shù)所允許的那樣窄和那樣厚。
圖7示出了圖1所示器件的襯底的等效電路圖。如果根據(jù)本發(fā)明的器件的襯底的方塊阻抗(ZsH)的模量作為頻率f的函數(shù)繪制成曲線，則可以觀察到具有高頻部分和低頻部分的曲線，這兩部分可以通過用于低頻部分的恒定值和用于高頻部分的1/f相關(guān)性來區(qū)別。由于這里與阻抗相關(guān)，高頻部分對應(yīng)電容的特性性能。使用圖7的等效電路可以再現(xiàn)相似的曲線。就是說，該特性對應(yīng)平行于電容62設(shè)置的電阻61的特性。
由于與電容62的阻抗(1/jωC)相比，用于更高頻率(1GHz或更高)的電阻61一般非常高，因此僅需考慮電容62的阻抗。模擬已經(jīng)表明具有單個(p型)條狀區(qū)的襯底中的摻雜濃度對電容62基本沒有影響(曲線的高頻部分)。通過串聯(lián)連接更大量(n)條狀子區(qū)，將可實現(xiàn)C/n的有效電容。當(dāng)然，數(shù)量(n)受到可獲得的空間、條狀子區(qū)的最小寬度的限制，并受到以下事實的限制條狀子區(qū)的密度太高將有害地影響襯底的導(dǎo)電性，即增加所述導(dǎo)電性。
使用根據(jù)本發(fā)明的方法如下制造器件10。對于原始材料，使用(見圖1)高歐姆、這里為n型的半導(dǎo)體襯底2，在其上通過熱氧化提供薄電介質(zhì)層。通過旋涂將光刻膠層涂到所述電介質(zhì)層上。接著，設(shè)置對應(yīng)待形成的半導(dǎo)體區(qū)5的所希望的圖形的掩模，并通過光刻對光刻膠層進(jìn)行構(gòu)圖。接著，在這種情況下，使用離子注入，以形成p型半導(dǎo)體區(qū)5，這種情況下是借助硼離子。由于穿過電介質(zhì)層進(jìn)行注入，因此半導(dǎo)體區(qū)5的厚度可以盡可能地小。離子注入的量選擇成符合半導(dǎo)體區(qū)5的所希望的摻雜濃度。其它區(qū)域和部分，包括器件10的部分B中的另外半導(dǎo)體區(qū)6和有源元件7，通過通常的IC技術(shù)設(shè)置在半導(dǎo)體本體1中。這對于器件10的部分A中的導(dǎo)體跡線4和/或其他無源元件也是一樣。
本發(fā)明不限于這里所述的示例性實施例，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出很多的變形和修改。例如，可以制造具有不同幾何形狀和/或不同尺寸的器件。
應(yīng)該注意的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以選擇使用這些例子中所述的以外的材料。而且其他淀積技術(shù)也可用于上述或其他材料，如外延、CVD(＝化學(xué)汽相淀積)、濺射和汽化。代替濕化學(xué)刻蝕方法，可以使用“干法”刻蝕方法，如等離子體刻蝕，反之亦然。
還應(yīng)該注意的是，在無源元件的位置上，該器件還可以包括安裝在電介質(zhì)層上的分立的有源元件。
權(quán)利要求
1.一種具有半導(dǎo)體本體(1)的半導(dǎo)體器件(10)，所述半導(dǎo)體本體包括用電介質(zhì)層(3)覆蓋的高歐姆半導(dǎo)體襯底(2)，該電介質(zhì)層含有電荷，在該電介質(zhì)層上存在一個或多個無源電子元件(4)，包括導(dǎo)體跡線(4)，并在所述無源元件(4)的位置處，在該半導(dǎo)體襯底(2)和該電介質(zhì)層(3)之間的界面處存在半導(dǎo)體區(qū)(5)，其結(jié)果是由所述電荷感應(yīng)的第一導(dǎo)電類型的導(dǎo)電溝道在所述半導(dǎo)體襯底(2)與所述電介質(zhì)層(3)間的界面處、在所述半導(dǎo)體區(qū)(5)的位置處中斷，該半導(dǎo)體器件(10)的特征在于所述半導(dǎo)體區(qū)(5)是單晶的，并且是與該第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)(5)包括大量互相平行的條狀子區(qū)(5A、5B)，所述子區(qū)(5A、5B)在所述半導(dǎo)體襯底(2)中凹入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述條狀子區(qū)(5A、5B)在它們的端部附近互連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述條狀子區(qū)(5A、5B)包括彼此垂直交叉的兩組子區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述條狀子區(qū)(5C)形成規(guī)則六邊形的網(wǎng)絡(luò)。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述半導(dǎo)體本體(1)具有另外的半導(dǎo)體區(qū)(6)，該另外的半導(dǎo)體區(qū)(6)包括集成在其中的一個或多個半導(dǎo)體元件(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于從投影方向觀看，所述無源元件(4)位于所述器件(10)的部分(A)中，而具有所述半導(dǎo)體元件(7)的所述另外的半導(dǎo)體區(qū)(6)位于所述器件(10)的另一部分(B)中。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件(10)，其特征在于所述半導(dǎo)體區(qū)(5)的尺寸和摻雜濃度足夠大，以便中斷在操作期間產(chǎn)生的反型或積累溝道，但是也足夠小以便基本上不減少所述襯底(2)的方塊電阻。
9.一種具有半導(dǎo)體本體(1)的半導(dǎo)體器件(10)的制造方法，其中含有電荷的電介質(zhì)層(3)形成在高歐姆半導(dǎo)體襯底(2)上，在該電介質(zhì)層(3)上設(shè)置包括導(dǎo)體跡線(4)的一個或多個無源電子元件(4)，并且其中在所述無源元件(4)的位置，在該半導(dǎo)體襯底(2)和該電介質(zhì)層(3)之間的界面處存在半導(dǎo)體區(qū)(5)，其結(jié)果是在所述半導(dǎo)體襯底(2)與所述電介質(zhì)層(3)的界面處、在所述半導(dǎo)體區(qū)(5)的位置處中斷了由所述電荷感應(yīng)的第一導(dǎo)電類型的導(dǎo)電溝道，該方法的特征在于使所述半導(dǎo)體區(qū)(5)為單晶并具有與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述半導(dǎo)體區(qū)(5)是通過離子注入形成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有半導(dǎo)體本體(1)的半導(dǎo)體器件(10)，所述半導(dǎo)體本體包括用電介質(zhì)層(3)覆蓋的高歐姆半導(dǎo)體襯底(2)，該電介質(zhì)層含有電荷，在該電介質(zhì)層上存在包括導(dǎo)體跡線(4)的一個或多個無源電子元件(4)，并在無源元件(4)的位置，在半導(dǎo)體襯底(2)和電介質(zhì)層(3、4)之間的界面處存在半導(dǎo)體區(qū)(5)，通過半導(dǎo)體區(qū)(5)、并且在半導(dǎo)體區(qū)(5)的位置中斷由電荷在半導(dǎo)體襯底(2)中感應(yīng)的第一導(dǎo)電類型的導(dǎo)電溝道。根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體區(qū)(5)是單晶的，并且是與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型。通過這種方式，感應(yīng)溝道的電荷局部地被半導(dǎo)體區(qū)(5)的電荷補(bǔ)償。器件(10)具有非常低的高頻功率損失，因為反型溝道在半導(dǎo)體區(qū)(5)的位置被中斷。器件(10)還允許更高的熱預(yù)算，因此允許用于將有源半導(dǎo)體元件(8)集成到半導(dǎo)體本體(1)中。優(yōu)選地，半導(dǎo)體區(qū)(5)包括大量條狀子區(qū)(5A、5B、5C)。
文檔編號H01L27/08GK1947257SQ200580012979
公開日2007年4月11日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者韋伯·D.·范諾爾特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司