专利名称：双沟道积累型变容管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，具体的说是涉及一种双沟道积累型MOS变容管及其制造方法，所述双沟道积累型MOS变容管通常在射频电路中作为可变电容使用。
背景技术：
随着现代无线通信的发展，射频电路对其中的无源器件的性能要求越来越高。可变电容是射频电路系统中最重要的无源器件之一。传统的反偏PN结可变电容结构变容范围较小、品质因子较低，且工艺技术与广泛应用的MOS技术不兼容，因此人们提出了一些基于MOS技术的电容结构。这些可变电容结构比PN结电容的变容范围有了很大的提高，但由于品质因子和变容范围达到最优的条件相互矛盾，为了达到扩大变容范围的目的，常常需要以降低品质因子为代价，这在很大程度上限制了MOS变容结构的广泛应用。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的主要目的是提出了一种双沟道积累型MOS变容管(以下文中简称双沟变容管)，所述双沟变容管比传统积累型MOS可变电容(以下简称单沟变容管)变容范围有很大提高，且能保持和单沟变容管相当的品质因子。
本发明又一目的是提出了一种双沟道积累型MOS变容管的制造方法。
本发明的技术方案为一种双沟道积累型变容管，包括由衬底、下层沟道、栅氧一、多晶硅栅极、侧墙、源极、漏极组成的单沟变容管，沿单沟变容管的源极、侧墙、栅极和漏极上部淀积或者氧化一层栅氧二，在栅氧二的上部再淀积一层多晶硅，构成上层沟道；金属引出线分别从源极和漏极引出，并穿过栅氧二和上层的多晶硅，将源极、漏极和上下沟道连通起来，从而形成双沟道结构的可变电容，通过一个栅极同时控制两个沟道的状态。
一种双沟道积累型变容管的制造方法，包括按照制作单沟变容管的方法，制作下层沟道、多晶硅栅极、侧墙，注入源极、漏极，(对于短沟道情况，这里还可能进行了自对准硅化(即salicide)以减小源、漏、栅的接触电阻)，源极、漏极注入后，沿单沟变容管的源极、侧墙、栅极和漏极上部淀积或者氧化一层栅氧二；接着在栅氧二之上再淀积一层原位掺杂的多晶硅，作为上层沟道；分别在两侧开设源极、漏极引出孔，引出孔贯通栅氧二和上层多晶硅，金属引出线从引出孔中穿出构成源极、漏极，并将上层沟道和下层沟道连通起来，从而形成双沟道结构的可变电容。
所述电容结构的一组特征结构参数为横向栅长0.25-2.5um，栅宽不限(垂直纸面方向)，多晶硅栅厚0.05-0.5um，上层多晶硅沟道厚0.1-0.5um，栅氧一厚度3-20nm，栅氧二厚度3-20nm，SOI硅膜厚度0.05-0.23um，埋氧厚度0.08-0.45um，下层沟道掺杂浓度2e16-2e18cm-3，上层多晶硅沟道原位掺杂浓度2e16-2e18cm-3，源漏掺杂浓度1e19-1e21cm-3。所有这些参数都可以根据电路要求(如要求的电容大小)和工艺条件等进行调节。
本发明在单沟变容管结构的多晶硅栅上部又通过淀积一层栅极氧化物和一层原位掺杂多晶硅，形成另一沟道，利用源极和漏极的引出端将两个沟道连接，这样通过改变栅压可以同时改变两个沟道内的电荷分布状态，起到扩大变容范围的目的，在保持其品质因子与单沟变容管相当的前提下，使变容范围增大为传统单沟变容管的两倍，因此具有广阔的应用前景。
图1为本发明基于SOI衬底的N型双沟变容管结构示意图。
图2为本发明基于体硅衬底的N型双沟变容管结构示意图。
图3为本发明基于SOI衬底的P型双沟变容管结构示意图。
图4为N型SOI衬底的双沟变容管(如图1所示)和N型SOI衬底的单沟变容管的变容特性对比图。
图5为N型SOI衬底的双沟变容管(如图1所示)和N型SOI衬底的单沟变容管的品质因子随栅电压变化的特性对比图。
图6为N型体硅衬底的双沟变容管(如图2所示)和N型体硅衬底的单沟变容管的变容特性对比图。
图7为P型沟道、SOI衬底(如图3所示)和P型体硅衬底的双沟变容管和P型单沟道变容管的变容特性对比图。
图8为P型SOI衬底双沟变容管(如图3所示)和P型SOI衬底单沟道变容管的变容特性对比图。
具体实施例方式
本发明的创新在于在单沟变容管结构的多晶硅栅上部又通过淀积一层栅氧和一层原位掺杂多晶硅，形成一个沟道，利用源、漏引出将两个沟道连接，这样通过改变栅压，可同时改变两个沟道内的电荷分布状态。对于N型的沟道，随着栅压由负到正增大，两个沟道的状态都是由耗尽变到积累，对应的电容由小变大。而两个沟道电容是并联关系，因此整个结构的总电容由小变大。因为是两个沟道，所以变容范围比传统的积累型MOS电容有很大的增加，这一优势，在体硅衬底、SOI衬底上都有体现；而且对于N型掺杂和P型掺杂的沟道也都适用。
以下结合附图与计算机模拟结果的分析对本发明进行详细阐述。
本发明所述的双沟变容管结构示意图如图1、图2和图3所示，分别为N型SOI衬底双沟变容管结构示意图、N型体硅(bulk)衬底双沟变容管结构示意图和P型SOI衬底双沟变容管示意图。
对于图1，结构中含有传统的N型单沟变容管结构的基本单元衬底，沟道，与沟道同掺杂类型的源极、漏极、多晶硅栅极。按照传统的单沟变容管的制作方法，对硅片进行沟道注入，形成下层沟道；制作栅氧一11，多晶硅栅12；制作侧墙13，然后进行源极漏极注入，(对于短沟道情况，这里还可能进行了自对准硅化(即salicide)以减小源、漏、栅的接触电阻)，同时也对多晶硅栅实现了掺杂。本发明的特点在于在传统的单沟变容管制作完侧墙、源极漏极注入后，清洗注入保护层，然后淀积或者氧化得到栅氧二14，其厚度和栅氧一11的厚度相当，若两层栅氧厚度分别为tox1、tox2，则双沟变容管总电容的最大值可由Cmax＝A*ε0*εsio2/tox1+A*ε0*εsio2/tox2估算。理想工艺条件下，栅氧二的厚度可以和栅氧一相同，则总电容最大值Cmax＝2*Cox＝2A*ε0*εsio2/tox(公式中A为电容极板面积，ε0为真空介电常数，εsio2为SiO2的相对介电常数)。
然后在栅氧二14之上再淀积一层原位掺杂(其掺杂类型和原下层沟道的掺杂类型相同)的多晶硅16，以此作为第二个沟道；源极漏极的引出孔贯通栅氧二14，上沟道通过金属引线15和下层沟道连接起来，从而就形成了双沟道结构的可变电容。从制作工艺上来看，该结构在传统的CMOS工艺上只增加了两步，而且无特殊的对准需求，所以是与传统CMOS工艺兼容的。
需要说明的是不论在传统单沟变容管制作方法中是否进行了自对准硅化即salicide，都可以在此基础上实现双沟道结构的可变电容。所述的源极、漏极、多晶硅栅极的掺杂类型均为掺杂浓度很高的重掺杂，浓度在1e19cm-3以上。
图1的一组典型的结构参数为横向栅长0.9um，栅宽3000um(垂直纸面方向)，多晶硅栅厚0.05um，上层多晶硅沟道厚0.3um，栅氧一厚度10.5nm，栅氧二厚度10.5nm，SOI硅膜厚度0.1um，埋氧厚度0.37um，衬底掺杂浓度2e17cm-3，上层多晶硅沟道原位掺杂浓度2e17cm-3，源漏掺杂浓度1e20cm-3。
图2典型结构参数为结深0.1um，(结深的取植范围是0.05-0.5um)，其余同上。
图3为P型掺杂SOI衬底的双沟变容管结构示意图。它和N型结构的区别仅在于各处的掺杂类型都相反，都为P型掺杂。P型体硅衬底的双沟变容管结构也类似，结构参数同图1结构。
需要特别说明所有这些结构，栅电极都是在侧面引出，不在主截面上，所以并未在图1和图3中反映出来，但这并不影响下面的分析和结论。
以图1结构为例说明本发明可变电容结构的工作方式和原理电容工作时，源极(S)，漏极(D)，衬底极(B)都接同一电位，并以它们为电压参考点。通过改变栅极(G)电压来改变电容。当栅极电位为较大正值时，栅极发出的电力线吸引电子，可变电容的两个沟道表面都积累电子(即处于积累状态)，两个沟道对应的电容都为栅氧电容Cox，这两个电容是并联关系，因此总电容应为2Cox(而传统单沟道MOS电容，最大电容仅为Cox)。随着栅极电位降低，吸引电子的能力降低，两个沟道的表面都逐渐由积累变为耗尽状态，因此相当于在各自的栅氧电容上串联了一个耗尽层电容，所以其总电容降低。栅极电位越小，其耗尽层宽度越宽，电容越小。当两个沟道都达到全耗尽时，耗尽层宽度不再随栅电压变化，则电容保持最小不再变化。
本发明的特点在于形成了单栅控制的双沟道，因此可以在相同的面积上，增大了可实现的最大电容Cmax(作为结果，其最小电容Cmin也增大)，从而增大可变电容的变容范围(Cmax-Cmin)。
用器件模拟器ISE8.0中的AC分析(交流分析)对该双沟道结构和传统的单沟道结构进行了模拟，下面对这些模拟的提取结果进行分析比较图4为SOI衬底，N型掺杂双沟变容管(如图1所示)和其对应的单沟变容管的变容范围特性比较，即栅电容随栅电压的变化的特性比较。其中符号sc(Single Channel)代表单沟道结构，dc(Double Channel)代表双沟道结构(以下同)。该结果显示，单沟变容管结构在栅电压最大时具有最大电容值，约为Cox(可根据Cox＝A*ε0*εsio2/tox估算)。而双沟变容管结构的最大电容则略大于2Cox，这因为模拟中侧墙的厚度较薄，接近栅氧厚度，多晶硅栅通过侧墙和两侧的淀积多晶硅构成了寄生电容，使得电容增大。采用Cmax-Cmin定义的变容范围，双沟道结构比单沟道结构的变容范围增大了108％。
从图5的N型掺杂单沟道、双沟道变容管品质因子对比图，看到在变容范围增大的同时，双沟道结构仍然保持了和单沟道结构大致相当的品质因子特性。具体来说，在电压较小时，双沟道品质因子较高；当电压较大时，单沟道结构品质因子较高。如果取有效变容范围内的平均值，则二者相近。
图6为体硅衬底的双沟变容管(如图2所示)和常规单沟变容管结构的变容特性对比图。可见其结果和SOI衬底的对比图相似。双沟道结构的最大电容Cmax、Cmin都比单沟道结构大，总变容范围增大了114％。
图7为P型掺杂的SOI衬底、体硅衬底，单沟变容管和双沟变容管电容特性对比。P型掺杂双沟变容管的工作原理与N型情况相同，不同的是，当栅电压较小时，两个沟道表面处于积累状态，电容较大，随电压增大，沟道耗尽，总电容变小，其电容随电压的变化趋势与N型掺杂的相反。图7显示，双沟道结构比传统单沟道结构的变容范围，都增大了一倍略多。
图8为P型掺杂SOI衬底双沟变容管和单沟变容管的品质因子对比图，和N型对比结果相同，两者的品质因子也是在同一水平。考虑到实际工艺中侧墙比模拟中侧墙取值要厚得多，因此实际工艺中双沟变容管的最大电容将约为2Cox，因此预期的变容范围为传统单沟变容管的两倍。
综上，本发明双沟道积累型MOS可变电容，可以在与传统单沟变容管保持品质因子相当的情况下，很大程度地提高变容范围，而且具有很好的工艺兼容性。这些优势对于SOI衬底、体硅衬底，对于N型掺杂沟道和P型掺杂沟道都成立。各结构参数也都可以根据实际需要和工艺水平调节，具有很大的灵活性。在应用于射频电路时，有取代反偏PN结二极管电容和传统的单沟MOS电容的趋势，具有非常广阔的应用前景。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种双沟道积累型变容管，包括由衬底、下层沟道、栅氧一、多晶硅栅极、侧墙、源极、漏极组成的单沟变容管，其特征在于，沿单沟变容管的源极、侧墙、栅极和漏极上部淀积或者氧化一层栅氧二，在栅氧二的上部再淀积一层多晶硅，构成上层沟道；金属引出线分别从源极和漏极引出，并穿过栅氧二和上层的多晶硅，将源极、漏极和上下沟道连通起来，从而形成双沟道结构的可变电容。
2.根据权利要求1所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述的上层多晶硅为原位掺杂的多晶硅，其掺杂类型与原下层沟道的类型相同。
3.根据权利要求1或2所述的双沟道积累型变容管，其特征在于上层沟道的掺杂浓度和原下层沟道的掺杂浓度相当，掺杂浓度范围为2e16-2e18cm-3。
4.根据权利要求1或2所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述上层栅氧二的厚度与原栅氧一的厚度相当，厚度范围为0.003-0.02um。
5.根据权利要求1所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述衬底，其类型为SOI衬底，或体硅衬底。
6.根据权利要求1所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述沟道的掺杂类型，包括源极、漏极、多晶硅栅极的掺杂类型为N型或者P型。
7.根据权利要求1所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述的源极、漏极、多晶硅栅极的掺杂类型均为重掺杂，浓度在1e19cm-3以上。
8.根据权利要求5所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述基于SOI衬底的变容管，其一组典型的结构参数为横向栅长0.25-2.5um，栅宽不限，多晶硅栅厚0.05-0.5um，上层多晶硅沟道厚0.1-0.5um，栅氧一厚度3-20nm，栅氧二厚度3-20nm，SOI硅膜厚度0.05-0.23um，埋氧厚度0.08-0.45um，下层沟道掺杂浓度2e16-2e18cm-3，上层多晶硅沟道原位掺杂浓度2e16-2e18cm-3，源漏掺杂浓度1e19-1e21cm-3。
9.根据权利要求5所述的双沟道积累型变容管，其特征在于所述的基于体硅衬底的变容管，其一组典型的结构参数为横向栅长0.25-2.5um，栅宽不限，多晶硅栅厚0.05-0.5um，上层多晶硅沟道厚0.1-0.5um，栅氧一厚度3-20nm，栅氧二厚度3-20nm，下层沟道掺杂浓度2e17cm-3，上层多晶硅沟道原位掺杂浓度2e17cm-3，源漏掺杂浓度1e19-1e21cm-3，结深0.05-0.5um。
10.一种双沟道积累型变容管的制造方法，包括按照制作单沟变容管的方法，制作下层沟道、栅氧一、多晶硅栅极、侧墙，注入源极、漏极，其特征在于源极、漏极注入后，沿单沟变容管的源极、侧墙、栅极和漏极上部淀积或者氧化一层栅氧二；接着在栅氧二之上再淀积一层原位掺杂的多晶硅，作为上层沟道；分别在两侧开设源极、漏极引出孔，引出孔贯通栅氧二和上层多晶硅，金属引出线从引出孔中穿出构成源极、漏极，并将上层沟道和下层沟道连通起来，从而形成双沟道结构的可变电容。
全文摘要
本发明公开了一种双沟道积累型变容管及其制造方法，所述的方法包括按照制作单沟变容管的方法，制作下层沟道、栅氧一、栅极、侧墙、源极、漏极，源漏注入后，沿单沟变容管的源极、侧墙、栅极和漏极上部淀积或者氧化一层栅氧二；接着在栅氧二之上再淀积一层原位掺杂的多晶硅，作为上层沟道；分别在两侧开设源极、漏极引出孔，引出孔贯通栅氧二和上层多晶硅，金属引出线从引出孔中穿出，通过它将上层沟道和下层沟道连通起来，从而形成双沟道结构的可变电容。本发明通过单栅同时控制两个沟道，在保持其品质因子与单沟变容管相当的前提下，使变容范围增大为传统单沟变容管的两倍，具有广阔的应用前景。
文档编号H01L29/66GK1567596SQ0313743
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者延涛, 张国艳, 黄如, 张兴 申请人:北京大学