CN101719496B - 一种自供电集成电路芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体公开了一种集成电路芯片及其制备方法。该集成电路芯片包括一个半导体衬底以及在衬底上的集成电路和太阳能电池。所述的集成电路包含金属-氧化物-半导体效应晶体管。该集成电路和太阳能电池在同一个半导体衬底上同时形成。形成该太阳能电池的工艺可以和形成该集成电路的工艺兼容。该集成电路可以由该太阳能电池供电，从而形成自供电的集成电路。

Description

一种自供电集成电路芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种自供电的集成电路芯片及其制备方法。

背景技术

半导体芯片是在半导体衬底上通过注入、淀积、光刻和刻蚀等工艺方法实现的具有一定功能的结构、器件或由器件组合而成的集成电路。集成电路是传统半导体芯片的主流应用，是信息技术发展的基石。

集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的硅片上制作许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成的完整的电子电路。集成电路广泛应用于生活的各个方面。其中金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)是构成集成电路的基本器件之一。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。由N型MOSFET和P型MOSFET组成的互补金属-氧化物-半导体场效应晶体管(CMOS)拥有静态功耗几乎为零、上升和下降时间处于同数量级、制作工艺简单等优点，是构成大规模集成电路的基本单元。目前几乎所有的集成电路都需要由外部的电源或电池进行供电。

太阳能是一种可再生能源，而且其资源丰富，既可以免费使用，又无需运输，对环境没有任何污染。据Dataquest的统计资料显示，目前全世界共有136个国家投入到普及应用太阳能电池的热潮中，其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发并积极生产各种相关的节能新产品。

太阳能电池主要包括晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池(主要包括非晶硅a-Si，铜铟镓硒CIGS、碲化镉CdTe电池)、III-V族半导体化合物电池(主要以砷化镓GaAs电池为代表)、染料敏化太阳能电池等。目前晶体硅电池和薄膜电池已大规模商业化，GaAs电池处于小规模示范阶段，染料敏化电池还处于实验室研究阶段。晶体硅太阳能电池主要包括P-N结型太阳能电池和金属-绝缘体-半导体(MIS)型太阳能电池，通常在单晶硅或多晶硅衬底上制备。晶体管太阳能电池制备工艺成熟，性能稳定，但是和CMOS集成电路工艺不兼容。

目前的集成电路都使用外部电源供电，这在一定程度上增加了集成电路的使用复杂度和维护成本，同时也限制了集成电路的使用范围。如果能够将太阳能电池集成到含有集成电路的半导体芯片中并为该集成电路供电，那就能降低集成电路的使用和维护成本并扩大集成电路的应用范围。自供电的集成电路特别适合于使用在室外的低功耗电子设备中，因此也正逐渐成为半导体技术的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够自供电集成电路芯片及该集成电路芯片的制备方法。

本发明提出的集成电路芯片，包括一个半导体衬底以及制备在该衬底上的集成电路和太阳能电池。所述的集成电路由所述的太阳能电池进行供电。所述的集成电路包含金属-氧化物-半导体场效应晶体管。所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管为N型金属-氧化物-半导体，或P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。所述的太阳能电池包括第一电极层、第二电极层、置于第一电极层和第二电极层之间的栅极结构、和置于第二电极层和栅极结构之间的半导体衬底，其中第一电极层具有丝网状的结构，并且其中由于从第一电极层侧入射的光而产生光电动势。

上述集成电路芯片中，所述的金属一氧化物-半导体场效应晶体管包括半导体衬底、在半导体衬底之上的栅极结构、位于栅极结构两侧半导体衬底中的源区和漏区以及栅极结构两侧的侧墙结构。

上述半导体场效应晶体管中，所述的栅极结构包括至少一个导电层和一个将导电层与半导体衬底隔离的绝缘层。

上述栅极结构中，所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、其它高K介质或它们之中几种的混合物。所述的绝缘层的厚度范围是1纳米至20纳米。

上述栅极结构中，所述的导电层为多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或金属硅化物。

上述太阳能电池中，所述的半导体衬底为单一的N型或单一的P型。或者所述的半导体衬底层同时具有由杂质掺杂形成的N型和P型区域，并且它们之间形成一个P-N结。

上述太阳能电池中，所述的半导体衬底层为单晶硅、多晶硅、硅锗、锗或其它三五族半导体材料。

上述太阳能电池中，所述的栅极结构包括至少拥有一个导电层和一个将导电层与半导体衬底隔离的绝缘层。

上述栅极结构中，所述的导电层是多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或金属硅化物。所述的导电层厚度是10纳米至100纳米。

上述栅极结构中，所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、其它高K介质或它们之间的混合物。所述的绝缘层的厚度范围是0.5纳米至3纳米。

本发明提供的上述集成电路芯片的制备方法，包括在同一个半导体衬底上同时形成集成电路和太阳能电池，该集成电路主要包含金属-氧化物-半导体场效应晶体管，而且该太阳能电池的制备工艺和集成电路制备工艺兼容。它包括下列步骤：

提供一个半导体衬底，该衬底包含用来形成集成电路的区域和太阳能电池的区域；

在半导体衬底的集成电路区域中形成浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构；

在所述的衬底上通过薄膜淀积、光刻和刻蚀等工艺形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管和太阳能电池的栅极结构；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧的半导体衬底中形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源和漏延伸区；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧形成侧墙结构，同时形成太阳能电池区域的保护层；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧的半导体衬底中形成源区和漏区；

对半导体衬底进行退火；

通过自对准的金属硅化物工艺形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管的电极；

通过对金属-氧化物-半导体场效应晶体管进行互联形成集成电路；

去除太阳能电池部分保护层；

在太阳能部分的正面形成丝网状第一电极层；

在半导体衬底背面形成第二电极层。

上述制备方法中，所述的栅极结构的制备方法包括在半导体衬底表面形成一个绝缘层；在该绝缘层上淀积一层导电层；对绝缘层和导电层进行图形刻蚀；且所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的绝缘层和太阳能电池栅极结构中的绝缘层同时形成。

上述制备方法中，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的绝缘层和太阳能电池栅极结构中的绝缘层为同种材料，是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、其它高K介质或者它们之中几种的混合物。

所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的导电层和所述的太阳能电池栅极结构中的导电层同时形成。

上述制备方法中，所述的绝缘层是通过热生长、湿法化学方法或者淀积形成。

所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的导电层和太阳能电池栅极结构中的导电层为同种材料，是多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或者金属硅化物。

本发明的显著优点是本发明结构及其制备方法不仅能够实现集成电路和太阳能电池的集成，而且可以实现太阳能电池工艺和金属-氧化物-半导体场效应晶体管工艺的兼容，从而提供一种具有新型用途的自供电集成电路。

这些目标以及本发明的内容和特点，将经过下面的附图说明进行详细的讲解。

附图说明

图1是表示本发明制备一种自供电集成电路的基本步骤的流程示意图。

图2-a至图2-h是表示本发明按顺序制备一个自供电集成电路实例流程中各步骤的衬底截面示意图。

图3是表示本发明的自供电集成电路的又一个实例的衬底截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。在后面的描述中，相同的附图标记表示相同的组件，对其重复描述将省略。

在后面的参考附图中，为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以所示大小并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状，比如制造引起的偏差。例如刻蚀得到的曲线通常具有弯曲或圆润的特点，但在本发明实施例中，均以矩形表示，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。

图1表示本发明制备一种自供电集成电路的基本步骤的流程示意图。

第一步100，提供一个半导体衬底(硅片)，该衬底包含用来形成集成电路的区域和太阳能电池的区域。

第二步102，在所提供的半导体衬底的集成电路区域中形成浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构。

第三步104，在半导体衬底表面形成栅极结构。包括先在半导体衬底表面形成一个绝缘层，接着在该绝缘层上淀积一个导电层形成太阳能电池的栅极结构。然后通过光刻、刻蚀工艺形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管。该绝缘层可以是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、其它高K介质或者它们之中几种的混合物。该导电层为金属-氧化物-半导体场效应晶体管和太阳能电池的栅电极。

第四步106，进行离子注入，对于在集成电路区域中的金属-氧化物-半导体场效应晶体管部分，在其栅极结构两侧、半导体衬底中形成源和漏延伸区。

第五步108，淀积绝缘介质层。该介质层可以是氧化硅、氮化硅或者它们之间的混合物。利用光刻、刻蚀工艺对集成电路区域中的该绝缘介质层进行各向异性刻蚀，刻蚀之后剩下的绝缘介质层沿着栅极结构在竖直方向形成侧墙结构。太阳能电池区域中的该绝缘介质层由于受到光刻胶的保护而被保留下来，用来在后续工艺中对太阳能电池部分进行保护。

第六步110，进行离子注入，形成属-氧化物-半导体场效应晶体管的源区和漏区。对半导体衬底进行退火，使注入的离子激活。

第七步112，用自对准工艺在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅电极区、源区和漏区形成金属硅化物。然后进行后道互连工艺处理，形成集成电路。

第八步114，去除太阳能电池部分的保护层。

第九步116，在太阳能电池部分在正面形成丝网状电极，以及在半导体衬底背面形成背面电极。

图2-a至图2-h是表示本发明按顺序制备一种自供电集成电路流程中各步骤的器件截面示意图。

现参照附图2-a至2-h对本发明的自供电集成电路制备方法的一个实例加以说明。

参照附图2-a，提供半导体衬底120。该衬底包含用来形成集成电路的区域120a和太阳能电池的区域120b。所述半导体衬底120可以为硅、锗、硅锗或者其他半导体材料。半导体衬底120可以为p型，比如用硼(B)或铟(In)等进行掺杂，也可以为n型，比如用磷(P)、砷(As)或锑(Sb)等进行掺杂。通过浅沟槽隔离(STI)或者局部氧化硅(LOCOS)工艺技术在半导体衬底中的集成电路区域形成器件之间的隔离结构，包含隔离槽绝缘介质层121。所述半导体衬底120中的集成电路区域120a还包括通过离子注入形成的各种阱(well)结构以及靠近衬底表面的阈值电压调制层。一般而言，形成阱结构的离子掺杂导电类型与阈值电压调制层离子掺杂导电类型相同，但注入的离子的能量较高，从而使注入的离子的深度超过隔离结构中绝缘介质层121的深度。半导体衬底120中的太阳能电池区域120b可以不进行离子注入掺杂，也可以和集成电路区域同时进行杂质离子注入。这样，形成的太阳能电池区域中的半导体衬底120b可以只包含单一类型(n型或p型)杂质掺杂的区域，也可以形成为p-n结的结构。为了简化，此处仅以空白半导体衬底120a和120b表示。

参照附图2-b，在半导体衬底120a上形成绝缘层122和导电层124。在半导体衬底120b上形成绝缘层123和导电层125。绝缘层122和绝缘层123可以同时形成，也可以独立形成，其厚度可以相同，也可以不同。绝缘层122作为集成电路金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅绝缘层，其厚度范围可以为1纳米至20纳米。绝缘层123作为金属-绝缘层-半导体型太阳能电池的超薄介质层，可以减少太阳能电池在光照时产生的暗电流并增加太阳能电池的开路电压，从而提高太阳能电池的效率。但是绝缘层123不能太厚，否则会使光生载流子的遂穿几率下降，从而导致光生电流降低并使太阳能电池效率下降，一般其厚度范围为0.5纳米至3纳米。绝缘层122和绝缘层123的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氧化铝或其它高K介质。

导电层124和导电层125同时通过淀积形成。通过额外的刻蚀工艺，可以让导电层124和导电层125拥有不同的厚度。导电层124用来作为集成电路区域中的金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅电极，其厚度范围可以在50到300纳米之间。而导电层125用来作为太阳能电池的栅电极，为了尽量减少光在其中的损耗以及保持一定的导电率，其厚度范围一般为10到100纳米之间。当太阳能电池区域中的半导体衬底120b为单一掺杂时，形成的导电层125应该拥有合适的功函数，从而可以在衬底表面形成反型式的p-n结，这样在光照时能通过该p-n结产生光生载流子，形成光电转换。当太阳能电池区域中的半导体衬底120b为不同掺杂形成的p-n结时，形成的导电层125也需要拥有合适的功函数，从而不破坏衬底中已经存在的p-n结。导电层124和导电层125的材料可以是多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属、金属硅化物或者它们之间的混合物。

参照附图2-c，通过光刻和刻蚀工艺对集成电路区域中的导电层124和绝缘层122进行刻蚀，形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构。在集成电路区域120b中的金属-氧化物-半导体场效应晶体管部分进行离子注入，从而在其栅极结构两侧、半导体衬底120中形成源和漏延伸区126。注入的离子可以为磷(P)或砷(As)等n型杂质，因此形成的源和漏延伸区126的导电类型为n型，可以用来形成n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。源和漏延伸区注入的离子也可以为硼(B)、BF₂或铟(In)等p型杂质，相应形成的源和漏延伸区126的导电类型为p型，可以用来形成P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

参照附图2-d，淀积绝缘介质层。该介质层可以是氧化硅、氮化硅或者它们之间的混合物。对于金属-氧化物-半导体场效应晶体管部分，利用光刻、刻蚀工艺对集成电路区域中的该绝缘介质层进行各向异性刻蚀，刻蚀之后剩下的绝缘介质层沿着栅极结构在竖直方向形成侧墙结构128。对于太阳能电池区域中的该绝缘介质层127由于受到光刻胶的保护而被保留下来，用来在后续的集成电路工艺中对太阳能电池部分进行保护。

参照附图2-e，在半导体衬底中的集成电路区域120a中进行离子注入，形成源区和漏区129。形成的源区和漏区129可以为n型，即源和漏区注入的离子为磷(P)离子或砷(As)等n型杂质离子，用来形成n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。形成的源区和漏区129的导电类型也可为p型，即源和漏区注入的离子为硼(B)、BF₂或铟(In)等p型杂质离子，用来形成p型金属-氧化物-半导体场效应晶体管。对半导体衬底120进行退火，使注入的各种离子激活。

参照附图2-f，用自对准工艺金属硅化物形成工艺在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅电极区、源区和漏区形成金属硅化物130。所述金属硅化物130可以为镍化硅、硅化钛、钴化硅或其他金属硅化物。

参照附图2-g，在半导体衬底中的集成电路区域120a进行后道互连工艺处理，形成集成电路。附图所示的131包含后道互连的不同材料如金属层和绝缘介质层等，在这里为了简化图示，只用一层表示。

参照附图2-h，去除太阳能电池部分的保护层127，并在正面形成丝网状金属电极132。为了简化工艺流程和制作成本，丝网状电极132可以利用光刻和刻蚀工艺和集成电路区域120a的后道工艺中最后一层金属同时形成。在半导体衬底120背面形成背面电极133。其中集成电路区域120a金属-氧化物-半导体场效应晶体管部分的衬底背面电极不为必需。

基于上述工艺，形成本发明如图2-h所示的第一个实例，包括：位于半导体衬底120上的集成电路和太阳能电池。所述集成电路包含金属-氧化物-半导体场效应晶体管。所述金属-氧化物-半导体场效应晶体管结构包括栅极结构，半导体衬底120a和位于栅极结构两侧、半导体衬底120a中的源区和漏区129。所述太阳能电池包括半导体衬底120b，位于半导体衬底上的绝缘层123和导电层125，以及正面丝网状电极132和半导体衬底背面电极133。其中半导体衬底120b可以由单一类型杂质掺杂，通过栅极在衬底表面形成反型并形成金属-绝缘层-半导体(MIS)表面反型式p-n结太阳能电池。半导体衬底120b也可以由不同的掺杂而形成p-n结，从而形成金属-绝缘层-半导体(MIS)p-n结型太阳能电池。半导体衬底120上形成的上述的太阳能电池可以在光照条件下通过光电转换产生电力，并可以为在同一个衬底上形成的MOSFET和由其组成的集成电路供电。这样，一个自供电的集成电路就形成了。

图3表示本发明的自供电集成电路的又一个实例的截面示意图。继如图2-g所示的步骤之后，去除太阳能电池部分的保护层127，并在正面形成丝网状金属电极132。和图2-h不同的是，在形成丝网状电极132的同时，导电层125没有被电极132保护的区域被除去。和图2-h中的实例相比，该实例中的太阳能电池拥有比较低的入射光的损耗，但是由于不能在半导体衬底120b表面形成连续的反型层，半导体衬底120b必须包含有由不同掺杂杂质形成的p-n结。

应当注意的是在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (20)

1.一种集成电路芯片，其特征在于，该芯片包括一个半导体衬底以及在该衬底上的集成电路和太阳能电池；所述的集成电路由所述的太阳能电池进行供电；

所述的集成电路包含金属-氧化物-半导体场效应晶体管；所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管为N型金属-氧化物-半导体，或P型金属-氧化物-半导体场效应晶体管；

所述的太阳能电池包括第一电极层、第二电极层、置于第一电极层和第二电极层之间的栅极结构、和置于第二电极层和栅极结构之间的半导体衬底，其中第一电极层具有丝网状的结构，并且其中由于从第一电极层侧入射的光而产生光电动势。

2.如权利要求1所述的集成电路芯片，其特征在于，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管包括半导体衬底、在半导体衬底之上的栅极结构、位于栅极结构两侧半导体衬底中的源区和漏区以及栅极结构两侧的侧墙结构。

3.如权利要求2所述的集成电路芯片，其特征在于，半导体场效应晶体管中，所述的栅极结构包括至少一个导电层和一个将导电层与半导体衬底隔离的绝缘层。

4.如权利要求3所述的集成电路芯片结构，其特征在于所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪或它们之中几种的混合物。

5.如权利要求3所述的集成电路芯片，其特征在于所述的绝缘层的厚度范围是1纳米至20纳米。

6.如权利要求3所述的集成电路芯片，其特征在于所述的导电层为多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或金属硅化物。

7.如权利要求1所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的半导体衬底为由杂质掺杂形成的单一的N型、由杂质掺杂形成的单一的P型或者同时具有由杂质掺杂形成的N型和P型区域并且它们之间形成一个P-N结。

8.如权利要求1所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的半导体衬底层为单晶硅、多晶硅、硅锗或锗。

9.如权利要求1所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的栅极结构包括至少拥有一个导电层和一个将导电层与半导体衬底隔离的绝缘层。

10.如权利要求9所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的导电层是多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或金属硅化物。

11.如权利要求9所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪，或它们之中几种的混合物。

12.如权利要求9所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的绝缘层的厚度范围是0.5纳米至3纳米。

13.如权利要求9所述的集成电路芯片，其特征在于在太阳能电池中，所述的导电层厚度是10纳米至100纳米。

14.一种如权利要求1所述的集成电路芯片的制备方法，其特征在于，在一个半导体衬底上同时形成集成电路和太阳能电池，所述集成电路包含金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

提供一个用来同时形成集成电路区域和太阳能电池区域的半导体衬底；

在半导体衬底的集成电路区域中形成浅沟槽隔离结构或者局部氧化硅隔离结构；

在所述的衬底上形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管和太阳能电池的栅极结构；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧的半导体衬底中形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管的源和漏延伸区；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧形成侧墙结构，同时形成太阳能电池区域的保护层；

在金属-氧化物-半导体场效应晶体管的栅极结构两侧的半导体衬底中形成源区和漏区；

对半导体衬底进行退火；

通过自对准的金属硅化物工艺形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管的电极；

通过对金属-氧化物-半导体场效应晶体管进行互联形成集成电路；

去除太阳能电池区域的保护层；

在太阳能部分的正面形成丝网状第一电极层；

在半导体衬底背面形成第二电极层。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述的栅极结构的制备方法包括在半导体衬底表面形成一个绝缘层；在该绝缘层上淀积一层导电层；对绝缘层和导电层进行图形刻蚀。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的绝缘层和太阳能电池栅极结构中的绝缘层同时形成。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的绝缘层和太阳能电池栅极结构中的绝缘层为同种材料，是二氧化硅、氮化硅、氧化铝或氧化铪，或者它们之中几种的混合物。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的导电层和所述的太阳能电池栅极结构中的导电层同时形成。

20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的金属-氧化物-半导体场效应晶体管栅极结构中的导电层和太阳能电池栅极结构中的导电层为同种材料，是多晶硅、氮化钛、氮化钽、钨金属或者金属硅化物。

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