CN101777565B - 一种自供电低功耗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，具体公开了一种自供电低功耗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低功耗集成电路和太阳能电池。所述的低功耗集成电路包含隧穿场效应晶体管。该低功耗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低功耗集成电路的工艺兼容。该低功耗集成电路可以由该太阳能电池供电，从而形成自供电的低功耗集成电路。

Description

一种自供电低功耗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低功耗集成电路芯片及其制备方法。

背景技术

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。但是随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管的尺寸越做越小，在优化材料、工艺和流程上所花费的成本越来越高。随着栅极长度减少到接近源极和漏极的耗尽层的宽度时晶体管的短沟道效应会显著恶化，导致晶体管漏电流上升，为了降低短沟道效应，一般会采用通过提高通道区掺杂的方法，但是这就会导致电子迁移率降低、速度减慢、发生电子雪崩击穿的危险加大等问题。同时，为了保持对MOSFET短通道的栅控制，需要引入和采用新材料(例如高K介质)。如何将这些新材料与传统工艺整合在一起，也是CMOS加工技术的一个巨大的挑战。

解决上述问题的方案之一就是采用隧穿场效应晶体管(TFET)结构。隧穿场效应晶体管的工作原理和MOSFET不同，隧穿场效应晶体管具有低漏电流，低亚阈值摆幅，低供电电压等优点。因此，隧穿场效应晶体管可以工作在超低供电电压的超低功耗模式下。所以，隧穿晶体管特别适合用作超低功耗集成电路的核心器件。

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，但是和隧穿场效应晶体管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，尤其是低功耗的集成电路，特别适合于使用在室外免人工维护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。但是和通常的外接电池相比，在面积受到限制的一般半导体太阳能电池在光照的条件下产生的功率较小，不能驱动大功耗的集成电路。因此，对自供电的集成电路来说，如何降低集成电路的功耗是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够自供电的低功耗集成电路芯片及该集成电路芯片的制备方法。

本发明提出的自供电低功耗集成电路芯片，包括一个半导体衬底以及制备在该衬底上的低功耗集成电路和太阳能电池。所述的低功耗集成电路由所述的太阳能电池进行供电。所述的低功耗集成电路包含隧穿场效应晶体管。

本发明提供的上述自供电低功耗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低功耗集成电路和太阳能电池，该低功耗集成电路主要包含隧穿场效应晶体管，而且该太阳能电池的制备工艺和该低功耗集成电路制备工艺兼容。

上述低功耗集成电路芯片中，所述的隧穿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。

上述隧穿场效应晶体管中，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。

上述集成电路芯片中，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介质或它们之中几种的混合物。所述的绝缘层的厚度范围是0.5纳米至3纳米。

本发明提出的上述集成电路芯片的制备方法，其中太阳能电池的制备工艺可以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；

在所述的衬底上形成隧穿场效应晶体管和太阳能电池的栅叠层结构；

对栅叠层结构进行光刻和刻蚀，形成第一个开口和第二个开口；

淀积一层牺牲介质层，然后对其进行各向异性刻蚀，对太阳能电池部分，用光刻胶对该牺牲介质层进行保护；

注入离子进行第一种掺杂；

去除太阳能电池部分的光刻胶，去除集成电路部分和太阳能电池部分的牺牲介质层。

形成新的牺牲介质层，对太阳能电池部分，用光刻胶对该牺牲介质层进行保护；然后对其进行各向异性刻蚀形成侧墙结构；

注入离子进行第二种掺杂从而形成器件的P-N结源漏区；

通过自对准金属硅化物工艺形成隧穿场效应管电极；

对隧穿场效应晶体管进行互连，形成集成电路；

在和隧穿场效应晶体管同时形成的太阳能电池正面形成丝网状第一电极层，并在其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；所述的隧穿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可以同时形成。

上述制备方法中，所述的隧穿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。

所述的隧穿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。所述的隧穿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成可以同时形成。

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低功耗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隧穿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低功耗集成电路。

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-a至图1-i是表示本发明按顺序制备一个自供电低功耗集成电路实例流程中各步骤的衬底截面示意图。

图2是表示本发明自供电低功耗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-a至图1-i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1-a至1-i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1-a，提供半导体衬底100。该衬底包含用来形成集成电路的区域101a和太阳能电池的区域101b。所述半导体衬底100可以为硅、锗、硅锗或者其他半导体材料。半导体衬底100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101a形成器件之间的隔离结构，包含隔离槽绝缘介质层102。半导体衬底100中的太阳能电池区域101b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101b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101a和101b表示。

参照图1-b，在半导体衬底101a上形成绝缘层103，导电层104和光阻层105，在半导体衬底101b上形成绝缘层106，导电层107和光阻层108。绝缘层103和绝缘层106可以同时形成，也可以分别形成。其厚度可以相同，也可以不同。绝缘层103是隧道场效应晶体管的栅绝缘层，其厚度可以为1纳米至20纳米。绝缘层106是金属-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。但是该绝缘层不能太厚，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103和绝缘层106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104和导电层107同时通过淀积形成。通过额外的刻蚀工艺，可以让导电层104和导电层107拥有不同的厚度。导电层104用来作为集成电路区域中的隧穿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107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101b为单一掺杂时，形成的导电层107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101b为不同掺杂形成的P-N结时，形成的导电层107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104和导电层107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。

光阻层105和光阻层108是光刻保护层，用来形成光刻图形。光阻层105和光阻层108同时形成。

参照图1-c，通过光刻和刻蚀工艺，对集成电路区域进行光刻，形成第一个开口S1和第二个开口S2，需要注意的是，开口S2所表示的包含但不限于图中所示的范围，开口S2的范围可以是扩展至右侧紧邻开口S2的栅齿的靠近开口S2那一侧的边缘(在图中未显示)。

参照图1-d，去除光阻层105和光阻层108后，淀积牺牲介质层109，牺牲介质层109的厚度需大于S1/2并且小于S2/2。对于太阳能区域，形成光阻层110来保护牺牲介质层109。

参照图1-e，利用各向异性刻蚀对牺牲介质层109进行刻蚀，然后进行p型或者n型离子注入形成器件的源极或漏极(若该侧形成的是源极，则另外一侧需形成漏极，反之亦然)，112为注入离子后形成的掺杂区。对于太阳能电池区域，由于有光阻层110保护牺牲介质层109，因此不受到刻蚀工艺的影响。

参照图1-f，去除太阳能电池部分的光阻层110。去除掉牺牲介质层109，然后在集成电路部分和太阳能电池部分同时淀积形成新的介质层113，并对集成电路部分的介质层113进行各向异性刻蚀形成侧墙结构。对于太阳能电池部分，用光阻层111对介质层113进行保护，使其在对介质层113的各向异性刻蚀工艺中不受影响。在对集成电路部分介质层113的各向异性刻蚀工艺完成后，去除太阳能部分的光阻层111。

进行n型或者p型离子注入形成器件的漏极或者源极。114为注入离子后形成的掺杂区。然后进行退火处理从而对源区和漏区的杂质离子进行激活。需要指出的是，该退火处理也可以在注入离子之后的其他工艺步骤之间进行。该次注入离子的类型需与图1-e所示的离子注入步骤中离子的类型相反，其离子注入的能量和剂量需要仔细选择，以保证激活后不改变图1-e中形成的掺杂区112(源极或漏极)的掺杂类型。杂质经过激活后，源和漏之间就形成了P-N结。

参照图1-g，用自对准金属硅化物形成工艺在隧穿场效应晶体管源区和漏区形成金属硅化物115。如果栅极结构导电层104为多晶硅时，则在导电层的表面也同时形成金属硅化物115。如果栅极结构导电层104的材料是氮化钛、氮化钽、钨金属或金属硅化物，那么此自对准金属硅化物工艺在栅极结构上并不形成金属硅化物115。所述金属硅化物115可以为镍化硅、硅化钛、钴化硅或其他金属硅化物。

参照附图1-h，在半导体衬底中的集成电路区域101a进行后道互连工艺处理，形成低功耗集成电路。附图所示的116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1-i，去除太阳能电池部分的介质层113，并在正面形成丝网状金属电极117。为了简化工艺流程和制作成本，丝网状电极117可以利用光刻和刻蚀工艺和集成电路区域101a的后道工艺中最后一层金属同时形成。在半导体衬底100背面形成背面电极118。其中集成电路区域101a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1-i所示的第一个实例，包括：位于半导体衬底100上的集成电路和太阳能电池。所述集成电路包含隧穿场效应晶体管。所述隧穿场效应晶体管结构包括半导体衬底101a，半导体衬底101a上的栅极结构和位于栅极结构两侧、半导体衬底101a中的源区(112或114)和漏区(114或112)。所述太阳能电池包括半导体衬底101b，位于半导体衬底上的绝缘层106和导电层107，以及正面丝网状电极117和半导体衬底背面电极118。其中半导体衬底102b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101b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100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隧穿场效应晶体管和由其组成的低功耗集成电路供电。这样，一个自供电的低功耗集成电路就形成了。

图2表示本发明的自供电低功耗集成电路的又一个实例的截面示意图。继如图2-h所示的步骤之后，去除太阳能电池部分的介质层113，并在正面形成丝网状金属电极117。和图1-i不同的是，在形成丝网状电极117的同时，导电层107没有被电极117保护的区域被除去。和图1-i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102b表面形成连续的反型层，半导体衬底102b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 (21)

1.一种自供电低功耗集成电路芯片，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低功耗集成电路和太阳能电池；所述的低功耗集成电路由所述的太阳能电池进行供电；所述的低功耗集成电路包含隧穿场效应晶体管；

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，所述的隧穿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，隧穿场效应晶体管中，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，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、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所述的低功耗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低功耗集成电路和太阳能电池，所述的低功耗集成电路包含隧穿场效应晶体管；具体包括如下步骤：

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隧穿场效应晶体管和太阳能电池的栅叠层结构；

对隧穿场效应晶体管的栅叠层结构进行光刻和刻蚀，在场效应晶体管栅电极的两侧形成第一个开口和第二个开口；

淀积一层牺牲介质层，然后对其进行各向异性刻蚀，对太阳能电池部分，用光阻层对该牺牲介质层进行保护；

注入杂质离子进行第一种掺杂；

去除太阳能电池部分的光刻胶，去除集成电路部分和太阳能电池部分的牺牲介质层；

形成新的牺牲介质层，对太阳能电池部分，用光阻层对该新的牺牲介质层进行保护；

然后对其进行各向异性刻蚀形成侧墙结构；

注入杂质离子进行第二种掺杂从而形成器件的P-N结源漏区；

通过自对准金属硅化物工艺形成隧穿场效应晶体管的电极；

通过对隧穿场效应晶体管进行互连形成集成电路；

去除太阳能电池部分保护层；

在和隧穿场效应晶体管同时形成的太阳能电池正面形成丝网状第一电极层，并在其背面形成第二电极层。

15.如权利要求14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。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述的隧穿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。

17.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述的隧穿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。

18.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述的隧穿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。

19.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述的隧穿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。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的第一个开口的宽度比第二个开口的宽度要小。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述的第一种掺杂为n型，第二种掺杂为p型；或者，所述的第一种掺杂为p型，第二种掺杂为n型。

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