一種半導體結型二極管器件及其制造方法

專利名稱：一種半導體結型二極管器件及其制造方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體器件及其制造方法，具體來說，涉及一種可集成于柵極替代工藝中的半導體結型二極管器件及其制造方法。
背景技術：
在VLSI (Very Large Scale Integrated Circuits，超大規模集成電路設計)以及模擬電路設計中，二極管器件的應用是非常必要的，比如靜電放電(ESD，Electr0 Static Discharge)和肖特基二極管(Schottkey diode)等應用。目前，傳統的二極管器件主要是利用MOSFET的源極/漏極(101)來充當二極管的陰極/陽極，如圖1所示，由于這種結構的二極管的電學特性受到MOSFET器件離子注入條件的限制，若需要改變二極管的電學特性需要增加額外的掩膜來實現不同于MOSFET器件的源極/漏極注入條件，這樣會增加額外的工藝和預算，此外，這種結構也需要較大的面積來實現。因此，需要提出一種更利于工藝集成且面積小的二極管器件結構。

發明內容
本發明提供了一種制造半導體結型二極管器件結構的方法，所述方法包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底內形成具有第一類型摻雜的第一摻雜區；直接覆蓋所述第一摻雜區所在的襯底以形成柵極，并在所述半導體襯底內形成PN結；在所述柵極上形成第一接觸，以及在所述柵極兩側的半導體襯底上形成第二接觸，所述第一和第二接觸分別定義為二極管器件的兩極。所述柵極由半導體或半導體化合物材料形成。本發明還提供了一種由上述方法形成的半導體結型二極管器件結構，所述器件結構包括半導體襯底；形成于半導體襯底內的具有第一類型摻雜的第一摻雜區；直接覆蓋所述第一摻雜區所在的襯底形成的柵極，以及在所述襯底內形成的PN結；形成于所述柵極上的第一接觸，以及形成于所述柵極兩側的半導體襯底上的第二接觸，所述第一和第二接觸分別定義為二極管器件的兩極。所述柵極由半導體或半導體化合物材料形成。通過采用本發明所述的二極管器件結構，有效的減小了器件的面積，增加了工藝的自由度，此外，所述二極管器件的制造方法可以有效的集成于柵極替代工藝中，更便于工藝集成。


圖1示出了現有的二極管器件結構的俯視圖；圖2示出了本發明第一實施例的二極管器件結構一個制造階段的俯視圖；圖2A示出了圖2中的AA，向視圖；圖2B示出了圖2中的BB，向視3示出了本發明第一實施例的二極管器件結構另一個制造階段的俯視圖；圖3A示出了圖3中的AA，向視圖3C示出了圖3中的CC’向視圖；圖4示出了本發明第二實施例的二極管器件結構一個制造階段的俯視圖；圖4A示出了圖4中的AA，向視圖；圖4B示出了圖4中的BB’向視圖；圖5示出了本發明第二實施例的二極管器件結構另一個制造階段的俯視圖；圖5A示出了圖5中的AA，向視圖；圖5C示出了圖5中的CC’向視圖。
具體實施例方式本發明通常涉及半導體器件及其制造方法，具體來說，可集成于后柵工藝的半導體結型二極管器件結構及其制造方法。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。 當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。以下將根據本發明實施例的各個步驟以及由此得到的半導體器件予以詳細說明。第一實施例在步驟S01，提供半導體襯底200，參考圖2A。在本實施例中，襯底200包括位于晶體結構中的硅襯底(例如晶片)，還可以包括其他基本半導體或化合物半導體，例如Ge、 GeSi.GaAs.InP.SiC或金剛石等。根據現有技術公知的設計要求(例如ρ型襯底或者η型襯底)，襯底200可以包括各種摻雜配置。此外，襯底200可以可選地包括外延層，可以被應力改變以增強性能，以及可以包括絕緣體上硅(SOI)結構。在步驟S02，在所述半導體襯底200內形成具有第一類型摻雜的第一摻雜區202， 所述第一摻雜區202可以通過傳統工藝中的阱摻雜來實現，使第一摻雜區202具有η型或 P型的摻雜，所述第一摻雜區202的摻雜為第一類型摻雜，參考圖2Α。在步驟S03，直接覆蓋所述第一摻雜區所在的半導體襯底200以形成柵極204，并半導體襯底內形成PN結，如圖2(俯視圖)、圖2Α(ΑΑ’向視圖)、圖2Β(ΒΒ’向視圖)所示。首先，在所述第一摻雜區202所在的半導體襯底200上形成具有第一類型摻雜的柵極204，參考圖2(俯視圖)、圖2Β(ΒΒ’向視圖)。可以通過在所述半導體襯底200上沉積柵極204，并選擇與第一摻雜區相同的摻雜對柵極204進行離子注入來形成，還可以通過選擇與第一摻雜區202相同的摻雜進行含雜外延生長(in-situ doped epitaxy)來形成。 所述柵極204可以選用半導體或半導體化合物材料形成，例如Si、Ge、GeSi、GaAS、InP, SiC 或金剛石等。優選地，還可以在柵極204上進一步形成帽層，并將柵極204與帽層圖形化， 所述帽層可以保護柵極204和充當刻蝕停止層，在本發明實施例中，帽層包括第一氧化物帽層206和第二氮化物帽層208，所述氧化物帽層206可以為氧化物材料，如SW2等，所述
5第二氮化物帽層208可以為氮化物材料，如SiN等。而后，形成PN結，可以通過后柵工藝中形成半導體器件的傳統工藝如注入來形成 PN結，先在所述柵極204側壁形成第一側墻210-1，并進行淺結的摻雜離子注入，通常淺結區的注入包括源/漏延伸和/或halo區的離子注入，而后形成第二側墻210-2，并進行源 /漏摻雜離子注入，所述淺結及源/漏離子注入均為第二類型摻雜的注入，從而形成了具有第二類型摻雜的第二摻雜區214，在另外的實施例中，所述第二摻雜區214可以只通過淺結區的摻雜或源/漏摻雜來形成，所述摻雜類型為第二類型摻雜，進行擴散后，在第一摻雜區 202與具有第二類型摻雜的第二摻雜區214的交界處形成了如圖2A所示的PN結，所述第二類型摻雜是與第一類型摻雜相反類型的摻雜。而后，覆蓋所述器件形成絕緣介電層216，所述絕緣介電層216可以通過先在所述器件上沉積(如PECVD)絕緣介電層216，而后對所述絕緣介電層216平坦化處理來形成，所述絕緣介電層216可以是但不限于例如未摻雜的氧化硅(Si02)、摻雜的氧化硅(如硼硅玻
璃、硼磷硅玻璃等)等。在步驟S04，在所述柵極204上形成第一接觸220，以及在所述柵極204兩側的半導體襯底200上形成第二接觸218，所述第一 220和第二接觸218分別定義為二極管器件的兩極，如圖3(俯視圖)、圖3A(AA’向視圖)和圖3C(CC’向視圖)所示。所述工藝步驟與 CMOS后柵工藝的偽柵去除(dummy-gate removal)兼容，其中在CMOS器件中，所述柵極204 作為偽柵將被去除。優選地，在形成源漏接觸218和體接觸220之前，可在源漏接觸218與源漏接觸 218下方的襯底200之間以及體接觸220與柵極204之間形成金屬硅化物層217，如圖7 (AA’ 向視圖)和圖8(CC’向視圖)所示。首先，在絕緣介電層216上形成第二絕緣介質層219， 所述第二絕緣介質層219可以是但不限于例如未摻雜的氧化硅(SiO2)、摻雜的氧化硅(如硼硅玻璃、硼磷硅玻璃等)等。而后，進行選擇性蝕刻，分別在源極區和漏極區214柵極204 兩側的第二摻雜區的半導體襯底上以及柵極204上形成接觸孔，優選地，可以并同時進行金屬硅化，去除未反應的金屬，以形成金屬硅化物層217，以減小接觸電阻，提高導電性，所述金屬硅化的材料可以是，例如Co、Ni、Mo、Pt和W等。而后，用金屬材料，如W，填滿接觸孔，以形成源漏第二接觸218和體第一接觸220，如圖63 (俯視圖)、圖73A(AA’向視圖)和圖83C(CC’向視圖)所示，其中體接觸第一 220充當二極管器件的陽極或陰極，源漏第二接觸218充當二極管器件的陰極或陽極。第二實施例在第二實施例中，二極管器件結構的PN結與第一實施例的形成方式有所不同，下面將僅就第二實施例區別于第一實施例的方面進行闡述。未描述的部分應當認為與第一實施例采用了相同的步驟、方法或者工藝來進行，因此在此不再贅述。在步驟S03，直接覆蓋所述第一摻雜區所在的半導體襯底200以形成柵極204，并在半導體襯底內形成PN結，如圖4 (俯視圖)、圖4A(AA’向視圖)、圖4B (BB’向視圖)所示。首先，在所述第一摻雜區所在的半導體襯底上形成具有第二類型摻雜的柵極，可以通過在所述半導體襯底200上沉積柵極204，參考圖4A(AA’向視圖)，并選擇與第一摻雜區相反的摻雜對柵極204進行離子注入來形成，還可以通過選擇與第一摻雜區相反的摻雜進行含雜外延生長(in-situdoped epitaxy)來形成，而后進行擴散，在具有第二類型摻雜的柵極與位于柵極下方的具有第一類型摻雜的第一摻雜區之間形成了如圖所4A示的PN 結。所述柵極204可以選用半導體或半導體化合物材料形成，例如SLG^GeSLGaAsJnP、 SiC或金剛石等。優選地，還可以在柵極204上進一步形成帽層，并將柵極204與帽層圖形化，所述帽層可以保護柵極204和充當刻蝕停止層，在本發明實施例中，帽層包括第一氧化物帽層 206和第二氮化物帽層208，所述氧化物帽層206可以為氧化物材料，如SiO2等，所述第二氮化物帽層208可以為氮化物材料，如SiN等。而后，可以根據需要進一步形成側墻，而后，優選地，還可以在進行第一類型摻雜的源/漏離子注入時，對所述器件進行注入，從而在柵極204的兩側的半導體內形成濃度不同于第一摻雜區202的第二摻雜區214，由于摻雜類型與第一摻雜區相同，所以在圖中未示出，這樣在之后步驟中在其上形成接觸時，可以減小接觸電阻，提高導電性能。而后，覆蓋所述器件形成絕緣介電層216。在步驟S04，在所述柵極204上形成第一接觸220，以及在所述柵極204兩側的半導體襯底200上形成第二接觸218，所述第一 220和第二接觸218分別定義為二極管器件的兩極，如圖5(俯視圖)、圖5A(AA’向視圖)和圖5C(CC’向視圖)所示。其實現步驟同第一實施例，不再贅述。本發明還提供了根據上述制造方法形成的二極管器件結構，參考圖3 (俯視圖)、 圖3A(AA’向視圖)、圖3C(CC’向視圖)以及圖5 (俯視圖)、圖5A(AA’向視圖)和圖5C(CC’ 向視圖)，所述結構包括半導體襯底200 ；形成于半導體襯底內的具有第一類型摻雜的第一摻雜區202 ；直接覆蓋所述第一摻雜區所在的襯底200形成的柵極204，以及在所述半導體襯底202內形成的PN結；形成于所述柵極204上的第一接觸220，以及形成于所述柵極 204兩側的半導體襯底上的第二接觸218，所述第一 220和第二接觸218分別定義為二極管器件的兩極。所述柵極204可以由半導體或半導體化合物材料形成，所述半導體或半導體化合物材料包括Ge、GeSi、GaAs、hP、SiC、Si、金剛石及其組合。在一個實施例中，所述柵極204具有第一類型摻雜，所述PN結由所述第一摻雜區 202與位于柵極204兩側的半導體襯底內的、具有第二類型摻雜的第二摻雜區214形成。在另一個實施例中，所述柵極204具有第二類型摻雜，所述PN結由所述柵極與和柵極交界的襯底處的第一摻雜區200/202形成，優選地，還可以包括形成于所述第二接觸下方的半導體襯底內、具有第一摻雜類型的第二摻雜區，以減小接觸電阻。優選地，還包括形成于所述柵極204上的帽層206、208。優選地，還包括形成于所述第二摻雜區與第二接觸下方的襯底之間以及第一接觸與柵極之間的金屬硅化物層217。以上對半導體結型二極管器件結構及其制造方法進行了描述，通過本發明，在襯底上直接形成柵極，且在柵極之上形成第二接觸，在柵極兩側的摻雜區上形成第一接觸，第一、第二接觸充當二極管器件的兩極，這種結構減小了器件面積，而且在MOSFET器件的柵極替代工藝中，在MOSFET器件的區域，柵極作為MOSFET器件的偽柵，將被去除并形成替代柵，因此，本發明所述的二極管器件的形成能有效集成于MOSFET器件的柵極替代工藝中， 減少了制造工藝的成本，提高了工藝的集成度。雖然關于示例實施例及其優點已經詳細說明，應當理解在不脫離本發明的精神和所附權利要求限定的保護范圍的情況下，可以對這些實施例進行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領域的普通技術人員應當容易理解在保持本發明保護范圍內的同時，工藝步驟的次序可以變化。 此外，本發明的應用范圍不局限于說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法及步驟。從本發明的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發出的工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本發明描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本發明可以對它們進行應用。因此，本發明所附權利要求旨在將這些工藝、機構、制造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護范圍內。
權利要求
1.一種半導體結型二極管器件結構的形成方法，所述方法包括A、提供半導體襯底；B、在所述半導體襯底內形成具有第一類型摻雜的第一摻雜區；C、直接覆蓋所述第一摻雜區所在的襯底以形成柵極，并在所述半導體襯底內形成PN結；D、在所述柵極上形成第一接觸，以及在所述柵極兩側的半導體襯底上形成第二接觸， 所述第一和第二接觸分別定義為二極管器件的兩極。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述柵極由半導體或半導體化合物材料形成。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述半導體或半導體化合物材料包括Ge、GeSi, GaAs, InP, SiC、Si、金剛石及其組合。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟C包括在所述第一摻雜區的半導體襯底上形成具有第一類型摻雜的柵極，以及在所述柵極兩側的半導體襯底內形成具有第二類型摻雜的第二摻雜區，以在所述襯底內的第一摻雜區與第二摻雜區間形成PN結。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述第二摻雜區由形成源/漏區和/或淺結區的摻雜形成。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述步驟C包括在所述第一摻雜區的半導體襯底上形成具有第二類型摻雜的柵極，以在所述柵極與位于所述柵極下的第一摻雜區間形成PN結。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述步驟C還包括在所述柵極兩側的半導體襯底內形成具有第一類型摻雜的第二摻雜區。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述第二摻雜區由形成源/漏和/或淺結區的摻雜形成。
9.根據權利要求1所述的方法，在步驟C和步驟D之間還包括在所述第二接觸與其下方的襯底之間以及第一接觸與柵極之間形成金屬硅化物層。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的方法，還包括在所述柵極上形成柵帽。
11.一種半導體結型二極管器件結構，所述器件結構包括 半導體襯底；形成于半導體襯底內的具有第一類型摻雜的第一摻雜區；直接覆蓋所述第一摻雜區所在的襯底形成的柵極，以及在所述襯底內形成的PN結； 形成于所述柵極上的第一接觸，以及形成于所述柵極兩側的半導體襯底上的第二接觸，所述第一和第二接觸分別定義為二極管器件的兩極。
12.根據權利要求11所述的器件結構，其中所述柵極由半導體或半導體化合物材料形成。
13.根據權利要求12所述的器件結構，其中所述半導體或半導體化合物材料包括Ge、 GeSi、GaAs、InP, SiC、Si、金剛石及其組合。
14.根據權利要求11所述的器件結構，其中所述柵極具有第一類型摻雜。
15.根據權利要求14所述的器件結構，其中所述器件結構還包括位于柵極兩側的半導體襯底內的、具有第二類型摻雜的第二摻雜區，所述PN結由第二摻雜區與第一摻雜區形成。
16.根據權利要求11所述的器件結構，其中所述柵極具有第二類型摻雜。
17.根據權利要求16所述的器件結構，還包括形成于所述第二接觸下方的半導體襯底內、具有第一類型摻雜的第二摻雜區。
18.根據權利要求16所述的器件結構，其中所述PN結由所述柵極與和柵極交界的襯底處的第一摻雜區形成。
全文摘要
一種半導體結型二極管器件結構及其制造方法，所述二極管器件結構的柵極直接形成于襯底上，在半導體襯底內形成PN結，并在柵極上形成第一接觸，在柵極兩側的摻雜區上形成第二接觸，所述第一和第二接觸充當二極管器件的兩極，這種結構的二極管器件所用的面積小，而且其形成工藝可以集成于MOSFET器件的后柵集成工藝中，不需要額外的掩膜和費用，具有很高的集成度。
文檔編號H01L21/28GK102254818SQ20101018344
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月19日 優先權日2010年5月19日
發明者朱慧瓏, 梁擎擎, 鐘匯才 申請人:中國科學院微電子研究所