CN102122654B - 变容管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种变容管及其制造方法，所述变容管包括：衬底；位于所述衬底中的有源区，所述有源区包括重掺杂区；位于所述衬底上的栅极介质层；位于所述栅极介质层上的栅极层；以及，贯穿所述栅极层和栅极介质层，且暴露所述重掺杂区的贯穿孔，所述贯穿孔包括引出重掺杂区的第二连接结构；所述栅极层上还包括多个引出栅极层的第一连接结构。所述变容管可具有较高的品质因子和较大的调谐范围。制造所述变容管的方法简单、易实施。

Description

变容管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路及其制造工艺，尤其涉及一种变容管及其制造方法。

背景技术

变容管广泛应用于射频电路设计，例如可调谐压控振荡器(voltagecontrolled oscillator)。通常通过品质因子来评价变容管的质量，品质因子正比于变容管的电容与其等效串联电阻的比值，所述等效串联电阻由制造变容管的材料产生。为了得到较高的品质因子，需要降低变容管的等效串联电阻。另外，寄生电容会减小变容器的调谐范围，为了得到较大的调谐范围，需要减小寄生电容。对于变容管设计，如何减小变容管的等效串联电阻以增大品质因子，及减小寄生电容以增大调谐范围是需要考虑的因素。

参考图1，给出了现有技术中指形变容管的俯视示意图。如图1所示，变容管包括位于衬底中的有源区110，和形成于有源区110上的有源区连接结构115。变容管还包括多晶硅栅极120，和形成于栅极120上的栅极连接结构125。所述栅极120与有源区110的交叠区域及其间的电介质层(图未示)构成变容管。

同时参考图2，给出了图1所示指形变容管的局部立体示意图。如图2所示，变容管包括衬底121，栅极介质层105，及指形栅极120，重掺杂的源、漏区122、123。将源区122、漏区123和衬底121短接便可成一个MOS电容，其电容值随指形栅极120与衬底121之间的电压变化而变化。

变容管的等效串联电阻，由制造变容管的材料产生，变容管的等效串联电阻主要包括栅极电阻、源/漏区电阻。L表示指形栅极层240的长度，以X表示指形栅极层240的宽度。则L越长，则栅极层越长，其栅极层电阻变大，而X越宽，源/漏区变长，源/漏区的电阻变大，所以L越大，X越大，变容管的等效串联电阻越大，会降低变容管品质因子。所以，如果只考虑品质因子，则X和L越小越好。

另一方面，为了增加变容管的调谐范围，需要增大变容管的电容与寄生电容的比例，即需要增大指形栅极层240与有源区重叠的面积(A)与指形栅极层与源/漏区的边界长度(P)的比值。对于变容管，A/P的比值可通过公式表示为：

$\frac{\mathrm{XL}}{X+2L}=\frac{1}{\frac{1}{L}+\frac{2}{X}}---\left(1\right)$

通过公式(1)可知，只考虑寄生电容，为了增大A/P的比值，则X和L越大越好。但是X和L越大，会降低变容管的品质因子。

由此可见，很难设计一种变容管能实现较大的调谐范围和较高的品质因子。

为实现变容管的较大调谐范围和较高品质因子，现有技术提出了多种解决方案，例如在专利号为ZL03137436.0的中国专利中，公开了一种制造变容管的方法，所述方法先按照传统方法制作出变容管的下沟道、栅极介质层、栅极、源极和漏极，之后在所述变容管上又依次形成了第二栅极介质层和作为上沟道的原位掺杂的多晶硅，该方法还通过金属线将上下沟道连通起来，所述制造变容管的方法形成了双沟道的变容管，通过单栅控制两个沟道，保持品质因子的同时增大了调谐范围。虽然所述制造变容管的方法在不降低品质因子的同时增加了调谐范围，但是所述制造变容管的方法需要制作双沟道，比传统方法增加了工艺步骤，较为复杂。

发明内容

本发明解决的是变容管难以同时具有大调谐范围和高品质因子的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种变容管，所述变容管包括：衬底；位于所述衬底中的有源区，所述有源区包括重掺杂区；位于所述衬底上的栅极介质层；位于所述栅极介质层上的栅极层；以及，贯穿所述栅极层和栅极介质层，且暴露所述重掺杂区的贯穿孔，所述贯穿孔包括引出重掺杂区的第二连接结构；所述栅极层上还包括多个引出栅极层的第一连接结构。

可选的，所述变容管还包括位于栅极层上的层间介质层，所述层间介质层包围所述第一连接结构和第二连接结构。

可选的，所述第一连接结构连接有第一电极，所述第二连接结构连接有第二电极。

可选的，所述贯穿孔是正方形。

可选的，所述贯穿孔的周长小于0.3μm，所述贯穿孔间的间距小于0.5μm。

可选的，所述贯穿孔的周长小于0.3μm，所述贯穿孔间的间距小于0.13μm。

可选的，所述栅极介质层的厚度是5nm～100nm。

相应地，本发明还提供一种制造变容管的方法，所述方法包括：提供衬底；在所述衬底中形成有源区；在所述有源区上形成栅极介质层；在所述栅极介质层上形成栅极层；图形化所述栅极层和栅极介质层，在栅极层和栅极介质层中形成暴露出有源区的贯穿孔；通过所述贯穿孔向有源区掺杂，形成重掺杂区；形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构。

可选的，所述形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构的步骤包括：在栅极层上形成层间介质层，所述层间介质层填满所述贯穿孔；图形化所述层间介质层，形成至所述栅极层的第一通孔和暴露出所述重掺杂区的第二通孔；填充所述第一通孔和所述第二通孔，分别形成与所述栅极层连接的第一连接结构和与所述重掺杂区连接的第二连接结构。

可选的，向有源区掺杂通过离子注入的方法，所述离子注入剂量为1×10¹⁵/cm²～5×10¹⁵/cm²。

可选的，还包括：在第一连接结构上形成第一电极，以及在第二连接结构上形成第二电极。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述变容管的栅极层和栅极介质层包括多个贯穿孔，所述贯穿孔所暴露的有源区是重掺杂区，通过减小贯穿孔的开口尺寸减小等效串联电阻，可以增加变容管品质因子；通过减小贯穿孔间距减小寄生电容，可以增大调谐范围，因此所述变容管可简单通过减小贯穿孔尺寸及减小贯穿孔间距来获得较大的调谐范围和较高的品质因子。

本发明提供的制造变容管的方法简单、易实施。

附图说明

图1是现有技术中指型变容管的俯视示意图；

图2是图1所示指型变容管的局部立体示意图；

图3是本发明变容管一个实施例的局部示意图；

图4是图3所示变容管的俯视示意图；

图5是本发明制造变容管方法的一种实施方式流程图；

图6是图5所示制造变容管方法的一种实施方式中形成第一和第二连接结构的流程图；

图7至图16本发明制造变容管的一个实施例的示意图。

具体实施方式

参考图3本发明变容管一个实施例的局部示意图。所述变容管包括多个电容单元，所述电容单元包括：衬底305；位于所述衬底305中的有源区310，所述有源区310包括重掺杂区330；位于所述有源区310上的栅极介质层315；位于所述栅极介质层315上的栅极层320；贯穿所述栅极层320和栅极介质层315，且暴露所述重掺杂区330的贯穿孔。所述变容管还包括位于所述栅极层320上的层间介质层360，所述层间介质层360填满所述贯穿孔，所述层间介质层360中包围连接至栅极层320的第一连接结构322和位于所述贯穿孔内、连接至重掺杂区330的第二连接结构340。

其中，所述衬底305是诸如硅晶圆或者绝缘体上硅(SOI，Silicon-On-Insulator)的半导体。所述有源区310与衬底305导电型不同，例如，衬底305是P型硅衬底，有源区310是N型；所述栅极介质层315的材料可以是氧化硅，氮化硅或者氮氧化硅，对应于不同的工作电压，栅极介质层315的厚度不同，较佳地，栅极介质层315的厚度可以是5nm-100nm。所述栅极层320可以是多晶硅薄膜；所述贯穿孔可以是圆形、正方形或其他多边形。所述第一连接结构322和第二连接结构340是插塞结构，所述插塞结构的材料是铝、钨或者多晶硅；所述变容管还包括与第一连接结构322连接的第一电极366和与第二连接结构330连接的第二电极367。

参考图4，示出了上述变容管的俯视示意图。下面分析变容管的寄生电容，本实施例中栅极层320和栅极介质层315中的贯穿孔为正方形，所述正方形边长为a，所述贯穿孔间距为b；分析图中点线框处的一个电容单元，栅极层320与重掺杂区330的边界长度为4a，栅极层320与有源区310重叠的面积为(a+b)²-a²，那么，对于变容管，A/P的比值可表示为：

$\frac{{(a+b)}^2-a^2}{4a}=\frac{(2\mathrm{ab}+b^2)}{4a}=\frac{b}{2}+\frac{b^2}{4a}---\left(2\right)$

由公式(2)可知，可以通过减小a或增大b来增大A/P的比值，以减小寄生电容，以获得较大的调谐范围。与现有技术比，如果a与L相同，b与X相同，公式(2)的值大于公式(1)的值，即本发明变容管300与现有技术中变容管100的品质因子相同时，变容管300比变容管100的寄生电容要小，调谐范围更大。

对于等效串联电阻，减小a和减小b可以减小栅极电阻，减小b还可以减小源/漏区电阻，因此通过减小b可以更有效地降低变容管的等效串联电阻，以增加品质因子。

综上，对于本实施例的变容管，可以通过减小正方形贯穿孔的边长，即开口尺寸，增大调谐范围；可以通过减小贯穿孔间距减小寄生电容，增加变容管品质因子。所以，本实施例的变容管，可同时满足较大的调谐范围和较高的品质因子。

由于所述贯穿孔可以是其它多边形，开口尺寸难以概括贯穿孔的尺寸特性。而在公式(2)中，位于分母上的4a是栅极层与重掺杂区的边界长度，即所述贯穿孔的周长。由于任意形状的贯穿孔均具有确定的周长值，所以设计时通常考虑贯穿孔的周长。设计变容管时，可以根据既定品质因子和调谐范围的规格值，计算出变容管的贯穿孔周长和贯穿孔间距，并根据变容管的尺寸计算出贯穿孔的数量。例如，贯穿孔的周长小于0.3μm，而贯穿孔间距小于0.5μm；或者对于需要较大调谐范围的变容管，贯穿孔的周长小于0.3μm，而贯穿孔间距小于0.13μm。

图5是本发明变容管制造方法的一种实施方式流程示意图，所述方法包括：

步骤1，提供衬底；

步骤2，在所述衬底中形成有源区；

步骤3，在所述有源区上形成栅极介质层；

步骤4，在所述栅极介质层上形成栅极层；

步骤5，图形化所述栅极层和栅极介质层，在栅极层和栅极介质层中形成暴露出有源区的贯穿孔；

步骤6，通过所述贯穿孔向有源区掺杂，形成重掺杂区；

步骤7，形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构。

步骤8，在第一连接结构上形成第一电极，以及在第二连接结构上形成第二电极。

以下结合附图对上述变容管制造方法进一步举例说明。

参考图7，执行步骤1，提供衬底305。所述衬底305是半导体衬底，例如硅晶圆或者绝缘体上硅。

参考图8，执行步骤2，在所述衬底305中形成有源区310。所述有源区310与衬底305的导电类型不同。例如衬底305是P型，在P形衬底中通过掺杂砷、磷等杂质形成N型有源区，或者，衬底305是N型，在N型衬底中通过掺杂硼等杂质形成P型有源区。

参考图9，执行步骤3，在所述有源区310上形成栅极介质层315。所述栅极介质层315的材料可以是氧化物，氮化物或者氮氧化硅。形成栅极介质层时通常采用热氧化处理，以避免产生空隙。对应于不同的工作电压，栅极介质层315的厚度不同，例如，栅极介质层315的厚度可以是5nm～100nm。

参考图10，执行步骤4，在所述栅极介质层315上形成栅极层320。所述栅极层320可以是多晶硅薄膜。所述多晶硅薄膜通常使用杂质掺杂以提供更佳的导电特性，例如，可以使用磷化氢的磷基杂质的掺杂。所述多晶硅薄膜可以是单层或多层。

参考图11，执行步骤5，图形化所述栅极层320和栅极介质层315，在栅极层320和栅极介质层315中形成暴露出有源区310的贯穿孔316。可采用光刻胶作为掩膜，并采用反应离子刻蚀实现图形化步骤。执行步骤5之前，预先设定贯穿孔316的周长以及贯穿孔316间的间距，所述贯穿孔316的周长和贯穿孔316间间距可以实现预定的变容管的品质因子和调谐范围。例如，设定贯穿孔316周长小于0.3μm，而贯穿孔316间距小于0.13μm，或者，贯穿孔316周长小于0.3μm，而贯穿孔316间距小于0.5μm。所述贯穿孔316的形状可以是正方形。依照具体实施例，贯穿孔可以是圆的或者多边形。当然存在其他的变形，修改和替代。

参考图12，执行步骤6，通过所述贯穿孔316向有源区310掺杂，形成重掺杂区330。具体地说，通过离子注入的方法，向有源区310注入与有源区310相同导电性的杂质形成重掺杂区330，以增加贯穿孔316对应的有源区的导电性。例如，N型杂质注入到N型有源区内，P型杂质注入到P型有源区内。注入剂量范围可以是：1×10¹⁵/cm²～5×10¹⁵/cm²。

执行步骤7，形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构。参考图6，示出了形成所述第一连接结构和第二连接结构的流程图，所述步骤7包括：

步骤71，在栅极层上形成层间介质层，所述层间介质层还填满所述贯穿孔；

步骤72，图形化所述层间介质层，形成至所述栅极层的第一通孔和暴露出所述重掺杂区的第二通孔；

步骤73，填充所述第一通孔和所述第二通孔，分别形成与所述栅极层连接的第一连接结构和与所述重掺杂区连接的第二连接结构。

参考图13，执行步骤71，在栅极层上320形成层间介质层360，所述层间介质层360还填满所述贯穿孔316。所述层间电介质层360可以是氧化硅、氮化硅等介质材料，通常采用化学气相沉积(CVD)或高密度等离子体(HighDensity Plasma，HDP)形成所述层间介质层。

参考图14，步骤72，图形化所述层间介质层360，形成至所述栅极层320的第一通孔314和暴露出所述重掺杂区330的第二通孔317。具体地说，通过光刻和刻蚀图形化所述层间介质层360，形成暴露出栅极层的第一通孔314，以及暴露出重掺杂区的第二通孔317。

参考图15，执行步骤73，填充所述第一通孔314和所述第二通孔317，分别形成与所述栅极层320连接的第一连接结构340和与所述重掺杂区330连接的第二连接结构322。所述第一连接结构340用于连接重掺杂区330和后续生成的第一电极，所述第二连接结构322用于连接栅极层320和后续生成的第二电极。具体地说，采用增加黏性降低接触电阻的导电材料填充第一通孔314和第二通孔317，以形成与所述重掺杂区330连接的第一连接结构340和与所述栅极层320连接的第二连接结构322。所述第一连接结构322和第二连接结构340是插塞结构，所述插塞结构的材料可以是铝、钨或者多晶硅。

参考图16，执行步骤8，在第一连接结构340上形成第一电极366，以及在第二连接结构322上形成第二电极367。具体地说，通过形成导电层和图形化所述导电层形成第一电极366和第二电极367。所述导电层可以是诸如铝，钨，铜或其它金属及其硅化物。

本发明提供的制造MOS的方法，无需制造双沟道，制造方法简单，容易实施。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种变容管，其特征在于，所述变容管包括：

衬底；

位于所述衬底中的有源区，所述有源区包括重掺杂区；

位于所述衬底上的栅极介质层；

位于所述栅极介质层上的栅极层；

以及，贯穿所述栅极层和栅极介质层，且暴露所述重掺杂区的贯穿孔，所述贯穿孔的周长小于0.3μm，所述贯穿孔间的间距小于0.5μm；

穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构；

所述栅极层上还包括多个引出栅极层的第一连接结构。

2.如权利要求1所述的变容管，其特征在于，所述变容管还包括位于栅极层上的层间介质层，所述层间介质层包围所述第一连接结构和第二连接结构。

3.如权利要求1所述的变容管，其特征在于，所述第一连接结构连接有第一电极，所述第二连接结构连接有第二电极。

4.如权利要求1所述的变容管，其特征在于，所述贯穿孔是正方形。

5.如权利要求1所述的变容管，其特征在于，所述贯穿孔的周长小于0.3μm，

所述贯穿孔间的间距小于0.13μm。

6.如权利要求1所述的变容管，其特征在于，所述栅极介质层的厚度是5nm~100nm。

7.一种制造变容管的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底中形成有源区；

在所述有源区上形成栅极介质层；

在所述栅极介质层上形成栅极层；

图形化所述栅极层和栅极介质层，在栅极层和栅极介质层中形成暴露出有源 区的贯穿孔；

通过所述贯穿孔向有源区掺杂，形成重掺杂区；

形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构。

8.如权利要求7所述的制造变容管的方法，其特征在于，所述形成连接到栅极层的第一连接结构，形成穿过所述贯穿孔连接到重掺杂区的第二连接结构的步骤包括：

在栅极层上形成层间介质层，所述层间介质层填满所述贯穿孔；

图形化所述层间介质层，形成至所述栅极层的第一通孔和暴露出所述重掺杂区的第二通孔；

填充所述第一通孔和所述第二通孔，分别形成与所述栅极层连接的第一连接结构和与所述重掺杂区连接的第二连接结构。

9.如权利要求7所述的制造变容管的方法，其特征在于，向有源区掺杂通过离子注入的方法，所述离子注入剂量为1×10¹⁵/cm²~5×10¹⁵/cm²。

10.如权利要求7所述的制造变容管的方法，其特征在于，还包括：在第一连接结构上形成第一电极，以及在第二连接结构上形成第二电极。 

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