CN102142455B - 一种可在bjt和mosfet之间相互转变的器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在BJT和MOSFET之间相互转变的器件，包括MOSFET结构中的衬底、栅介质层、栅极、源区和漏区，其中源区的掺杂浓度比漏区高，栅介质层是由阻变材料构成的阻变介质层，当该阻变介质层为高阻态时该器件为MOSFET，低阻态时则转变为BJT，MOSFET的栅极、源区和漏区对应地分别变为BJT的基极、发射极和集电极。该器件的制作工艺简单，和主流平面CMOS工艺兼容，生产成本低，根据需要在栅极(或基极)与衬底之间施加一定的电压就可以使阻变介质层的电阻发生转变，从而实现BJT和MOSFET的互变，在存储器电路和逻辑电路方面有着很好的应用潜力。

Description

一种可在BJT和MOSFET之间相互转变的器件

技术领域

本发明属于超大规模集成电路领域，涉及场效应晶体管(MOSFET，Metal Oxide SiliconField Effect Transistor)和双极结型晶体管(BJT，Bipolar Junction Transistor)制造领域。

背景技术

尽管集成电路技术经历了几十年的发展，并且取得了辉煌的成就，但怎样提高芯片的集成密度和改善电路的性能尤其是提高其工作速度依旧是当前面临的核心问题。

CMOS电路以其较低的功耗、较强的抗干扰能力、较大的输入阻抗等众多优点，逐渐在80年代之后成为了VLSI的主导工艺，在各种电路中得到了广泛的应用。为了解决集成电路面临的两大核心问题，近年来人们尝试着从不断缩小器件尺寸来使集成密度提高，不断优化工艺和设计来使CMOS电路的速度不断提高。但在根本上CMOS器件仍存在一些问题，如器件增益低，驱动电流过小，工作速度偏低。而这些不足是恰恰可以由双极结型晶体管来弥补的。因此在后来就出现了BiCMOS电路以及与之相应的BiCMOS工艺。

这种传统的BiCMOS工艺与常规的外延CMOS工艺相比，除了要做埋层以外，还需要特殊的制版等。因此，这种工艺虽然在电路性能方面可以取得较大改进，但却增大了工艺的复杂度、加大了制造成本。

另一方面，在下一代非挥发性半导体存储器研究中，采用阻变材料的阻变存储器(RRAM，Resistive RAM)因其制备简单、各项性能优越而成为当前研究的热点。所谓阻变材料就是具有电阻转变效应的材料。现在已发现的阻变材料多种多样，从早期的无机氧化物(如Nb₂O₅，Ta₂O₅，TiO₂，NiO，Al₂O₃，HfO等)到近来的有机材料，均发现具有阻变特性。这些阻变材料的电阻在外界电压的作用下可以发生很大的变化，从百十欧姆变到几十M欧姆甚至上G欧姆，并且在可靠性和耐久性方面也有着较好的表现。关于阻变材料的种类和性质可参考文献“阻变存储器及其集成技术研究进展”(微电子学2009年8月第39卷第4期546-551)。目前对阻变材料的应用还局限于阻变存储器领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体器件，该器件能够根据需要在MOSFET和BJT之间发生多次转变，为电路设计带来更大的灵活性。

本发明的技术方案如下：

一种半导体器件，可在BJT和MOSFET之间相互转变，包括MOSFET结构中的衬底、栅介质层、栅极、源区和漏区，其特征在于，源区的掺杂浓度比漏区高，且所述栅介质层是由阻变材料构成的阻变介质层，作为MOSFET时该阻变介质层处于高阻态；当在栅极与衬底之间施加电压使阻变介质层由高阻态变为低阻态后，该器件由MOSFET转变为BJT，MOSFET的栅极、源区和漏区对应地分别变为BJT的基极、发射极和集电极；当在BJT的基极与衬底之间施加电压使得阻变介质层由低阻态变为高阻态后，该器件又由BJT转变为MOSFET。

虽然现已发现了很多种具有变阻特性的材料(如钙钛矿氧化物、固态电解质、有机物等)，但为了与CMOS工艺兼容，构成上述阻变介质层的材料宜选取金属氧化物，如氧化镍、氧化锌、氧化钨等。

上述阻变介质层的厚度以10nm-100nm为宜，优选为10nm-25nm。

为实现BJT状态，MOSFET结构中所述源区的掺杂浓度在10²⁰cm^-3数量级，而漏区的掺杂浓度在10¹⁵cm^-3数量级，也就是说，源区的掺杂浓度通常是漏区的约10⁵倍。

本发明新型器件的制备工艺与CMOS工艺较好兼容，按照现有的制备MOSFET的工艺流程来实施即可。发生变化的部分在于用阻变材料替代传统的硅氧化物作为MOSFET的栅介质层，另外，对MOSFET下的源区和漏区进行非对称掺杂，使得源区的掺杂浓度较高，从而形成可在BJT和MOSFET之间相互转变的晶体管，根据阻变材料所处的电阻状态决定该晶体管工作在MOSFET状态或者BJT状态。

本发明晶体管的剖面结构示意图如图1所示，包括MOSFET状态下的衬底101、栅介质层102(即阻变介质层)、栅极103，以及源区104和漏区105，对应的BJT状态下是衬底101、基极103、发射极104和集电极105。下面具体分析这两种晶体管之间发生转换的过程：对于栅下的阻变介质层，可以将其等效为电容和电阻的并联，如图2所示。由于一般的阻变材料在刚制得时为高阻态，所以新制得的器件都为场效应晶体管(MOSFET)。当在栅极(G)与衬底之间施加一定的电压就可以使阻变材料由高阻态变为低阻态，则该结构器件将表现为双极结型晶体管(BJT)，此时原先MOSFET下的栅极(G)变成了BJT时的基极(B)，而掺杂浓度较高的源区(S)则变成了发射区(E)，掺杂浓度相对较低的漏区(D)则变成了集电区(C)，如图3a所示；同样的，当在BJT时的基极(B)与衬底之间施加一定的电压就可以使得阻变材料由低阻态变为高阻态，则该结构器件表现为场效应晶体管(MOSFET)，此时原先的基极(B)变为了栅极(G)，发射极(E)和集电极(C)则分别变为了源(S)和漏(D)，如图3b所示。

需要说明的是，用于改变阻变材料阻值的电压大小、极性等是依赖于所采用的阻变材料种类及膜后等工艺参数，本领域的技术人员可以通过有限次的实验获得。同时，为了使得该器件能够正常工作，应该对阻变材料的薄膜进行控制，使发生阻变所需的电压值不在MOSFET和BJT正常工作的范围之内，以免在器件正常工作中发生误切换。

本发明首次将阻变材料引入到半导体晶体管的制备中，并不将其作为存储单元，而是利用其电阻可以发生变化的特点得到了可以在MOSFET和BJT之间相互转变的晶体管。这种基于阻变材料的可在BJT和MOSFET之间发生转换的器件在较大的程度上简化了同时需要MOSFET和BJT晶体管的芯片制造，实现了场效应晶体管和双极结型晶体管通过同样的工艺步骤制备。该器件的实现方法与传统的BiCMOS工艺相比有着很大的不同，制作工艺相对简单，和现有主流的平面CMOS工艺完全兼容，不需要额外的工艺步骤，生产成本较低。并且，本发明的器件可以根据需要在两种晶体管之间进行切换，因而在存储器电路和逻辑电路方面，有着很好的应用潜力。

附图说明

图1是本发明器件的剖面结构示意图。

图2是本发明器件能在场效应晶体管和双极结型晶体管之间转变的电学等效结构原理示意图。

图3a是本发明实施例中的器件在阻变介质层为低阻态时，器件呈NPN型BJT状态相应的电学符号图。

图3b是本发明实施例中的器件在阻变介质层为高阻态时，器件呈NMOSFET状态相应的电学符号图。

具体实施方式

下面通过实施例，以可在NMOSFET与NPN型BJT之间互变的器件为例来进一步说明本发明，但并不因此而限制本发明的范围，本发明同样适用于PMOSFET与PNP型BJT互变的器件。

如图1所示，当构成阻变介质层102的阻变材料为高阻态时，该晶体管是一个NMOSFET，包括P型硅衬底101、栅介质层102.、金属栅(G)103、源(S)104和漏(D)105；当构成阻变介质层102的阻变材料为低阻态时，该晶体管是一个NPN型BJT，包括P型硅衬底101、基极(B)103、发射极(E)104和集电极(C)105。该晶体管按照传统的MOSFET制备方法进行加工即可，只是在制备栅介质层时使用阻变材料。

该晶体管之所以能在NMOSFET与NPN型BJT之间相互转变的原理如图2所示，阻变介质层102等效为电容和电阻的并联。当阻变介质层为高阻态时，该晶体管表现为NMOSFET，其电学符号如图3b所示；当阻变介质层为高阻态时，该晶体管表现为NPN型BJT，其电学符号如图3a所示。

Claims (4)

1.一种半导体器件，可在场效应晶体管和双极结型晶体管之间相互转变，包括场效应晶体管结构中的衬底、栅介质层、栅极、源区和漏区，其特征在于，源区的掺杂浓度比漏区高，栅介质层是由阻变材料构成的阻变介质层，当该阻变介质层为高阻态时该器件为场效应晶体管；当该阻变介质层由高阻态变为低阻态时，该器件转变为双极结型晶体管，场效应晶体管的栅极、源区和漏区对应地分别变为双极结型晶体管的基极、发射极和集电极。

2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述阻变材料是具有阻变特性的金属氧化物。

3.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述金属氧化物选自氧化镍、氧化锌、和氧化钨中的一种。

4.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述源区的掺杂浓度在10²⁰cm^-3数量级，而漏区的掺杂浓度在10¹⁵cm^-3数量级。

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