專利名稱：一種可在bjt和mosfet之間相互轉(zhuǎn)變的器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路領域，涉及場效應晶體管(MOSFET，Metal Oxide SiliconField Effect Transistor)和雙極結(jié)型晶體管(BJT， Bipolar Junction Transistor)制造領域。
背景技術：
盡管集成電路技術經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，并且取得了輝煌的成就，但怎樣提高芯 片的集成密度和改善電路的性能尤其是提高其工作速度依舊是當前面臨的核心問題。CMOS電路以其較低的功耗、較強的抗干擾能力、較大的輸入阻抗等眾多優(yōu)點，逐漸 在80年代之后成為了 VLSI的主導工藝，在各種電路中得到了廣泛的應用。為了解決集成電 路面臨的兩大核心問題，近年來人們嘗試著從不斷縮小器件尺寸來使集成密度提高，不斷 優(yōu)化工藝和設計來使CMOS電路的速度不斷提高。但在根本上CMOS器件仍存在一些問題， 如器件增益低，驅(qū)動電流過小，工作速度偏低。而這些不足是恰恰可以由雙極結(jié)型晶體管來 彌補的。因此在后來就出現(xiàn)了 BiCMOS電路以及與之相應的BiCMOS工藝。這種傳統(tǒng)的BiCMOS工藝與常規(guī)的外延CMOS工藝相比，除了要做埋層以外，還需要 特殊的制版等。因此，這種工藝雖然在電路性能方面可以取得較大改進，但卻增大了工藝的 復雜度、加大了制造成本。另一方面，在下一代非揮發(fā)性半導體存儲器研究中，采用阻變材料的阻變存儲器 (RRAM,Resistive RAM)因其制備簡單、各項性能優(yōu)越而成為當前研究的熱點。所謂阻變材 料就是具有電阻轉(zhuǎn)變效應的材料?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的阻變材料多種多樣，從早期的無機氧化物 (如Nb2O5，Ta2O5, TiO2, NiO, Al2O3, HfO等)到近來的有機材料，均發(fā)現(xiàn)具有阻變特性。這些 阻變材料的電阻在外界電壓的作用下可以發(fā)生很大的變化，從百十歐姆變到幾十M歐姆甚 至上G歐姆，并且在可靠性和耐久性方面也有著較好的表現(xiàn)。關于阻變材料的種類和性質(zhì) 可參考文獻“阻變存儲器及其集成技術研究進展”(微電子學2009年8月第39卷第4期 546-551)。目前對阻變材料的應用還局限于阻變存儲器領域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導體器件，該器件能夠根據(jù)需要在MOSFET和BJT之間 發(fā)生多次轉(zhuǎn)變，為電路設計帶來更大的靈活性。本發(fā)明的技術方案如下一種半導體器件，可在BJT和MOSFET之間相互轉(zhuǎn)變，包括MOSFET結(jié)構中的襯底、 柵介質(zhì)層、柵極、源區(qū)和漏區(qū)，其特征在于，源區(qū)的摻雜濃度比漏區(qū)高，且所述柵介質(zhì)層是由 阻變材料構成的阻變介質(zhì)層，作為MOSFET時該阻變介質(zhì)層處于高阻態(tài)；當在柵極與襯底之 間施加電壓使阻變介質(zhì)層由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)后，該器件由MOSFET轉(zhuǎn)變?yōu)锽JT，MOSFET的 柵極、源區(qū)和漏區(qū)對應地分別變?yōu)锽JT的基極、發(fā)射極和集電極；當在BJT的基極與襯底之 間施加電壓使得阻變介質(zhì)層由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)后，該器件又由BJT轉(zhuǎn)變?yōu)镸0SFET。
雖然現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了很多種具有變阻特性的材料(如鈣鈦礦氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、有 機物等)，但為了與CMOS工藝兼容，構成上述阻變介質(zhì)層的材料宜選取金屬氧化物，如氧化
鎳、氧化鋅、氧化鎢等。上述阻變介質(zhì)層的厚度以IOnm-IOOnm為宜，優(yōu)選為10nm_25nm。為實現(xiàn)BJT狀態(tài)，MOSFET結(jié)構中所述源區(qū)的摻雜濃度在102°cm_3數(shù)量級，而漏區(qū)的 摻雜濃度在IO15CnT3數(shù)量級，也就是說，源區(qū)的摻雜濃度通常是漏區(qū)的約IO5倍。本發(fā)明新型器件的制備工藝與CMOS工藝較好兼容，按照現(xiàn)有的制備MOSFET的工 藝流程來實施即可。發(fā)生變化的部分在于用阻變材料替代傳統(tǒng)的硅氧化物作為MOSFET的 柵介質(zhì)層，另外，對MOSFET下的源區(qū)和漏區(qū)進行非對稱摻雜，使得源區(qū)的摻雜濃度較高，從 而形成可在BJT和MOSFET之間相互轉(zhuǎn)變的晶體管，根據(jù)阻變材料所處的電阻狀態(tài)決定該晶 體管工作在MOSFET狀態(tài)或者BJT狀態(tài)。本發(fā)明晶體管的剖面結(jié)構示意圖如圖1所示，包括MOSFET狀態(tài)下的襯底101、柵 介質(zhì)層102(即阻變介質(zhì)層)、柵極103，以及源區(qū)104和漏區(qū)105，對應的BJT狀態(tài)下是襯 底101、基極103、發(fā)射極104和集電極105。下面具體分析這兩種晶體管之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的 過程對于柵下的阻變介質(zhì)層，可以將其等效為電容和電阻的并聯(lián)，如圖2所示。由于一般 的阻變材料在剛制得時為高阻態(tài)，所以新制得的器件都為場效應晶體管(MOSFET)。當在柵 極(G)與襯底之間施加一定的電壓就可以使阻變材料由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，則該結(jié)構器件 將表現(xiàn)為雙極結(jié)型晶體管(BJT)，此時原先MOSFET下的柵極(G)變成了 BJT時的基極(B)， 而摻雜濃度較高的源區(qū)( 則變成了發(fā)射區(qū)(E)，摻雜濃度相對較低的漏區(qū)(D)則變成了集 電區(qū)(C)，如圖3a所示；同樣的，當在BJT時的基極⑶與襯底之間施加一定的電壓就可以 使得阻變材料由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，則該結(jié)構器件表現(xiàn)為場效應晶體管(MOSFET)，此時原 先的基極(B)變?yōu)榱藮艠O(G)，發(fā)射極(E)和集電極(C)則分別變?yōu)榱嗽?S)和漏(D)，如 圖: 所示。需要說明的是，用于改變阻變材料阻值的電壓大小、極性等是依賴于所采用的阻 變材料種類及膜后等工藝參數(shù)，本領域的技術人員可以通過有限次的實驗獲得。同時，為了 使得該器件能夠正常工作，應該對阻變材料的薄膜進行控制，使發(fā)生阻變所需的電壓值不 在MOSFET和BJT正常工作的范圍之內(nèi)，以免在器件正常工作中發(fā)生誤切換。本發(fā)明首次將阻變材料引入到半導體晶體管的制備中，并不將其作為存儲單元， 而是利用其電阻可以發(fā)生變化的特點得到了可以在MOSFET和BJT之間相互轉(zhuǎn)變的晶體管。 這種基于阻變材料的可在BJT和MOSFET之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的器件在較大的程度上簡化了同時 需要MOSFET和BJT晶體管的芯片制造，實現(xiàn)了場效應晶體管和雙極結(jié)型晶體管通過同樣的 工藝步驟制備。該器件的實現(xiàn)方法與傳統(tǒng)的BiCMOS工藝相比有著很大的不同，制作工藝相 對簡單，和現(xiàn)有主流的平面CMOS工藝完全兼容，不需要額外的工藝步驟，生產(chǎn)成本較低。并 且，本發(fā)明的器件可以根據(jù)需要在兩種晶體管之間進行切換，因而在存儲器電路和邏輯電 路方面，有著很好的應用潛力。


圖1是本發(fā)明器件的剖面結(jié)構示意圖。圖2是本發(fā)明器件能在場效應晶體管和雙極結(jié)型晶體管之間轉(zhuǎn)變的電學等效結(jié)構原理示意圖。圖3a是本發(fā)明實施例中的器件在阻變介質(zhì)層為低阻態(tài)時，器件呈NPN型BJT狀態(tài) 相應的電學符號圖。圖北是本發(fā)明實施例中的器件在阻變介質(zhì)層為高阻態(tài)時，器件呈NM0SFET狀態(tài)相 應的電學符號圖。
具體實施例方式下面通過實施例，以可在NM0SFET與NPN型BJT之間互變的器件為例來進一步說 明本發(fā)明，但并不因此而限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明同樣適用于PM0SFET與PNP型BJT互變 的器件。如圖1所示，當構成阻變介質(zhì)層102的阻變材料為高阻態(tài)時，該晶體管是一個 NM0SFET，包括P型硅襯底101、柵介質(zhì)層102.、金屬柵(G) 103、源(S) 104和漏(D) 105;當 構成阻變介質(zhì)層102的阻變材料為低阻態(tài)時，該晶體管是一個NPN型BJT，包括P型硅襯底 101、基極(B) 103、發(fā)射極(E) 104和集電極(C) 105。該晶體管按照傳統(tǒng)的MOSFET制備方法 進行加工即可，只是在制備柵介質(zhì)層時使用阻變材料。該晶體管之所以能在NM0SFET與NPN型BJT之間相互轉(zhuǎn)變的原理如圖2所示， 阻變介質(zhì)層102等效為電容和電阻的并聯(lián)。當阻變介質(zhì)層為高阻態(tài)時，該晶體管表現(xiàn)為 NM0SFET，其電學符號如圖北所示；當阻變介質(zhì)層為高阻態(tài)時，該晶體管表現(xiàn)為NPN型BJT， 其電學符號如圖3a所示。
權利要求
1.一種半導體器件，可在場效應晶體管和雙極結(jié)型晶體管之間相互轉(zhuǎn)變，包括場效應 晶體管結(jié)構中的襯底、柵介質(zhì)層、柵極、源區(qū)和漏區(qū)，其特征在于，源區(qū)的摻雜濃度比漏區(qū) 高，柵介質(zhì)層是由阻變材料構成的阻變介質(zhì)層，當該阻變介質(zhì)層為高阻態(tài)時該器件為場效 應晶體管；當該阻變介質(zhì)層由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)時，該器件轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極結(jié)型晶體管，場效應 晶體管的柵極、源區(qū)和漏區(qū)對應地分別變?yōu)殡p極結(jié)型晶體管的基極、發(fā)射極和集電極。
2.如權利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述阻變材料是具有阻變特性的金 屬氧化物。
3.如權利要求2所述的半導體器件，其特征在于，所述金屬氧化物選自氧化鎳、氧化 鋅、和氧化鎢中的一種。
4.如權利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述阻變介質(zhì)層的厚度為 IOnm-IOOnm0
5.如權利要求4所述的半導體器件，其特征在于，所述阻變介質(zhì)層的厚度為 10nm_25nmo
6.如權利要求1所述的半導體器件，其特征在于，所述源區(qū)的摻雜濃度在IO2ciCnT3數(shù)量 級，而漏區(qū)的摻雜濃度在IO15CnT3數(shù)量級。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可在BJT和MOSFET之間相互轉(zhuǎn)變的器件，包括MOSFET結(jié)構中的襯底、柵介質(zhì)層、柵極、源區(qū)和漏區(qū)，其中源區(qū)的摻雜濃度比漏區(qū)高，柵介質(zhì)層是由阻變材料構成的阻變介質(zhì)層，當該阻變介質(zhì)層為高阻態(tài)時該器件為MOSFET，低阻態(tài)時則轉(zhuǎn)變?yōu)锽JT，MOSFET的柵極、源區(qū)和漏區(qū)對應地分別變?yōu)锽JT的基極、發(fā)射極和集電極。該器件的制作工藝簡單，和主流平面CMOS工藝兼容，生產(chǎn)成本低，根據(jù)需要在柵極(或基極)與襯底之間施加一定的電壓就可以使阻變介質(zhì)層的電阻發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)BJT和MOSFET的互變，在存儲器電路和邏輯電路方面有著很好的應用潛力。
文檔編號H01L29/12GK102142455SQ201010103868
公開日2011年8月3日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權日2010年1月29日
發(fā)明者唐粕人, 張麗杰, 秦石強, 蔡一茂, 黃如 申請人:北京大學