CN102244000A - 半导体器件、变容二极管及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件、变容二极管及其形成方法，所述变容二极管包括：半导体衬底；位于所述半导体衬底内的N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；位于所述N型阱区、P型阱区上的栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述半导体衬底之间的栅介质层；位于所述N型阱区中的第一电极，位于所述P型阱区中的第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。本发明的变容二极管增加了调节电容的调节方式，其电容随栅极电压变化的规律为新规律，克服现有技术中对电容不能进行微调的缺点。

Description

半导体器件、变容二极管及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及半导体器件、变容二极管及其形成方法。

背景技术

变容二极管(Varactor Diodes)为一种特殊的二极管，当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN(正负极)接面的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。变容二极管是利用PN结之间电容可变的原理制成的半导体器件，在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。变容二极管属于反偏压二极管，改变其PN结上的反向偏压，即可改变PN结电容量。反向偏压越高，结电容则越少，反向偏压与结电容之间的关系是非线性的。

变容二极管根据其结构可以分为结式变容二极管(junction varactor)和MOS变容二极管(MOS varactor)。变容二极管通常用作模拟集成电路中的压控(voltage-variable)电容器，其需要宽调谐范围(tuning range)和高Q值。结式变容二极管的调谐范围通常比MOS变容二极管的调谐范围窄，并且随着CMOS器件的改进而不断的改进。因此，随着半导体器件的集成度越来越高，在高频集成电路中，MOS变容二极管逐渐取代了结式变容二极管。

图1为现有技术的MOS变容二极管的剖面结构示意图，参考图1，现有技术的MOS变容二极管包括：半导体衬底10；位于所述半导体衬底10内的阱区11；位于阱区11内的两个重掺杂区12，重掺杂区12中的掺杂离子与阱区11内的掺杂离子类型相同；位于所述阱区11上的栅极结构，该栅极结构包括栅极14、位于栅极14周围的侧墙15以及位于栅极14与阱区11之间的栅介质层13；两个重掺杂区12分别位于栅极结构两侧；位于重掺杂区12上的接触插栓16，位于栅极14上的接触插栓17，接触插栓16、17与栅极14、重掺杂区12电连接，通过向接触插栓16、17上施加电压向栅极14、重掺杂区12施加电压，重掺杂区12向阱区11施加电压。栅极14、栅介质层13以及阱区11构成了MOS变容二极管，栅极14作为电容的一个极板，阱区11作为电容的另一个极板，栅介质层13作为电容介质层。通过接触插栓17、16分别给栅极14、阱区11施加电压，在栅极14和阱区11之间形成电压差，通过调整电压差可以改变阱区11与栅极14之间的耗尽层，从而可以改变电容。其中，阱区11可以为P型阱区，也可以为N型阱区。当通过接触插栓17给栅极14施加电压，通过接触插栓16以及重掺杂区12给阱区11施加电压，在栅极14和阱区11之间具有电势差，根据该电势差可以控制阱区11与栅极14之间的耗尽区的宽度，根据该耗尽区的宽度变化可以使电容发生变化。

图2为阱区11为N型阱区时，阱区11的电压固定不变电容随栅极14的电压变化的曲线图，纵坐标代表电容，横坐标代表栅极电压，阱区11接地。根据图2显示的电容随栅极电压变化的曲线图获知：电容随栅极上的电压变化非常快，当栅极电压在-10.0V～-2.0V范围内电容值变化非常小，当栅极电压在-2.0V～2.0V范围内电容变化非常大，而当栅极电压在2.0V之后，电容发生变化的范围非常小。因此现有技术的这种CMOS电容二极管，对其电容值进行调节时不利于对其进行微调。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的变容二极管对其电容值进行调节时不利于进行微调。

为解决上述问题，本发明具体实施例提供一种变容二极管的形成方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；

在所述N型阱区、P型阱区上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述阱区之间的栅介质层；

在所述N型阱区中形成第一电极，在所述P型阱区中形成第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。

可选的，形成第一电极、第二电极后，还包括：在所述第一电极上形成第一接触插栓，在所述第二电极上形成第二接触插栓，在所述栅极上形成第三接触插栓。

可选的，所述在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区为分别对所述半导体衬底进行N型离子注入和P型离子注入形成N型阱区和P型阱区。

可选的，所述N型阱区和P型阱区相邻为两者接触相邻。

可选的，所述第一电极为N型重掺杂区；

所述第二电极为P型重掺杂区。

可选的，所述栅极的材料为金属或多晶硅。

可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述在所述第一电极上形成第一接触插栓，在所述第二电极上形成第二接触插栓，在所述栅极上形成第三接触插栓包括：

形成介质层，覆盖所述栅极结构、第一电极、第二电极以及半导体衬底；

在所述介质层中形成第一接触孔、第二接触孔以及第三接触孔，所述第一接触孔暴露出所述第一电极，所述第二接触孔暴露出所述第二电极，所述第三接触孔暴露出所述栅极；

在所述第一接触孔、第二接触孔、第三接触孔内填充导电材料形成第一接触插栓、第二接触插栓和第三接触插栓，所述第一接触孔对应形成第一接触插栓，第二接触孔对应形成第二接触插栓，第三接触孔对应形成第三接触插栓。

可选的，所述导电材料为铝、铜或者钨。

本发明具体实施例还提供一种变容二极管，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底内的N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；

位于所述N型阱区、P型阱区上的栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述半导体衬底之间的栅介质层；

位于所述N型阱区中的第一电极，位于所述P型阱区中的第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。

可选的，还包括：位于所述第一电极上的第一接触插栓，位于所述第二电极上的第二接触插栓，位于所述栅极上的第三接触插栓。

可选的，所述N型阱区和P型阱区相邻为两者接触相邻。

可选的，所述第一电极为N型重掺杂区；

所述第二电极为P型重掺杂区。

可选的，所述栅极的材料为金属或多晶硅。

可选的，所述栅介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述第一接触插栓、第二接触插栓以及第三接触插栓的材料为铝、铜或者钨。

本发明具体实施例还提供一种半导体器件，包括以上任一项所述的变容二极管。

与现有技术相比，本发明具体实施例具有以下优点：

本技术方案的变容二极管，在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；所述N型阱区、P型阱区上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述半导体衬底之间的栅介质层；在所述N型阱区中形成第一电极，在所述P型阱区中形成第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。其中，栅极、栅介质层和N型阱区构成了一个变容二极管，栅极、栅介质层和P型阱区构成了另一个变容二极管，两个变容二极管相当于并联连接。

在栅极和P型阱区的电压固定，通过调节N型阱区的电压来调节电容二极管的电容时，在N型阱区的电压在一定范围内时，电容范围较大且变化比较慢，在该电压范围内可以对电容进行微调，克服现有技术中对电容不能进行微调的缺点。

在栅极和N型阱区的电压固定，通过调节P型阱区的电压来调节电容二极管的电容时，在P型阱区的电压在一定范围内时，电容范围较大且变化比较慢，在该电压范围内可以对电容进行微调，克服现有技术中对电容不能进行微调的缺点。

而且本发明的变容二极管与现有技术的变容二极管相比，其调节方式增多，由原来的两端(阱区、栅极)调节变为可以进行三端(N型阱区、P型阱区、栅极)调节，增加了调节电容的调节方式。并且，在N型阱区和P型阱区的电压固定，通过调节栅极电压来调节电容时，其电容的变化规律也与现有技术的变容二极管其电容与栅极电压的变化规律不同，因此，本发明的变容二极管，其电容随栅极电压变化的规律为新规律，根据该规律可以将本发明的变容二极管应用于需要此种电容变化规律的器件中。

附图说明

图1是现有技术的MOS变容二极管的剖面结构示意图；

图2为图1所示的现有技术的MOS变容二极管的电容和栅极电压的关系曲线图；

图3为本发明具体实施例的形成变容二极管的方法的流程图；

图4～图8为本发明具体实施例的形成变容二极管的方法的剖面结构示意图；

图9为本发明具体实施例的变容二极管P型阱区电压为0V、N型阱区电压分别为0V、5V、10V时，变容二极管的电容随栅极电压变化的曲线图；

图10为本发明具体实施例的变容二极管N型阱区电压为0V、P型阱区电压分别为0V、-5V、-10V时，变容二极管的电容随栅极电压变化的曲线图；

图11为本发明具体实施例的变容二极管P型阱区电压为0、栅极电压为5V时，变容二极管的电容随N型阱区电压变化的曲线图；

图12为本发明具体实施例的变容二极管N型阱区电压为0、栅极电压为-10V时，变容二极管的电容随P型阱区电压变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员可以更好的理解本发明，下面结合附图以及具体实施例详细说明本发明的变容二极管及其形成方法。

图3为本发明具体实施例的形成变容二极管的方法的流程图，参考图3，本发明具体实施例的形成变容二极管的方法包括：

步骤S31，提供半导体衬底；

步骤S32，在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；

步骤S33，在所述N型阱区、P型阱区上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述半导体衬底之间的栅介质层；

步骤S34，在所述N型阱区中形成第一电极，在所述P型阱区中形成第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。

图4～图8为本发明具体实施例的形成变容二极管的方法的剖面结构示意图，结合参考图3以及图4～图8详细说明本发明具体实施例的形成变容二极管的方法。

结合参考图3和图4，执行步骤S31，提供半导体衬底30；在本发明具体实施例中，半导体衬底30可以为可以是单晶硅或硅锗；或者还可以包括其它的材料，例如砷化镓等III-V族化合物。

结合参考图3和图5，步骤S32，在所述半导体衬底30内形成N型阱区31和P型阱区32，所述N型阱区31和P型阱区32相邻。N型阱区31和P型阱区32相邻可以为两者接触相邻，可以为两者间隔相邻。这里接触相邻意思是说，N型阱区31和P型阱区32两者紧挨，中间没有其他的物质。间隔相邻意思是说，N型阱区31和P型阱区32两者没有接触，中间通过其他的物质隔开，例如通过两者中间的衬底隔开。

在所述半导体衬底30内形成N型阱区31和P型阱区32可以分别对所述半导体衬底30进行N型离子注入和P型离子注入形成N型阱区31和P型阱区32。可以先形成N型阱区31，再形成P型阱区32，也可以先形成P型阱区32，再形成N型阱区31。下面以先形成N型阱区31，再形成P型阱区32为例说明形成N型阱区31、P型阱区32的方法：在所述半导体衬底30上形成第一图形化的掩膜层(未示出)，定义出N型阱区31的位置，以该第一图形化的掩膜层为掩膜对半导体衬底30进行N型离子注入形成N型阱区31，该N型离子可以为磷(P)离子，也可以为本领域技术人员公知的其他N型离子；之后，去除第一图形化的掩膜层，在半导体衬底30上形成第二图形化的掩膜层(未示出)，定义出P型阱区32的位置，以该第二图形化的掩膜层为掩膜对半导体衬底30进行P型离子注入形成P型阱区32，该P型离子可以为硼(B)离子，也可以为本领域技术人员公知的其他P型离子。其中，第一图形化的掩膜层、第二图形化的掩膜层的材料可以为光刻胶。

结合参考图3和图6，执行步骤S33，在所述N型阱区31、P型阱区32上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极34、位于所述栅极34周围的侧墙35以及位于栅极34和所述N型阱区31、P型阱区32之间的栅介质层33。本发明具体实施例中，栅介质层33的材料为氧化硅，但不限于氧化硅，其厚度根据实际情况确定。栅极34的材料为多晶硅，但不限于多晶硅，可以为其他的导电材料，例如金属铝。侧墙35可以为单层结构，例如氧化硅侧墙，也可以为叠层结构，例如氧化硅和氮化硅的叠层结构。形成栅极结构的方法为：在N型阱区31、P型阱区32以及半导体衬底30形成的表面上形成介质层，在介质层上形成导电层，利用光刻、刻蚀工艺图形化介质层和导电层形成栅极34和栅介质层33；之后，形成介质层(未示出)，覆盖所述栅极34、栅介质层33、N型阱区31、P型阱区32以及半导体衬底30，该介质层可以为单层结构也可以为叠层结构，之后回刻该介质层形成侧墙35。

结合参考图3和图7，执行步骤S34，在所述N型阱区31中形成第一电极36，在所述P型阱区32中形成第二电极37，所述第一电极36、第二电极37位于所述栅极结构的两侧。在本发明具体实施例中，第一电极36、第二电极37的上表面均暴露于外界，与半导体衬底30的上表面相平。第一电极36为N型重掺杂区，第二电极37为P型重掺杂区。以栅极结构为掩膜对N型阱区31、P型阱区32进行重离子掺杂形成N型重掺杂区、P型重掺杂区。可以先对P型阱区32进行P型离子重掺杂形成P型重掺杂区作为第二电极37，之后，对N型阱区31进行N型离子重掺杂形成N型重掺杂区作为第一电极36；也可以先对N型阱区31进行N型离子重掺杂形成N型重掺杂区作为第一电极36，之后，对P型阱区32进行P型离子重掺杂形成P型重掺杂区作为第二电极37。在本发明中，第一电极36不限于N型重掺杂区，第二电极37不限于P型重掺杂区，也可以为其他的导电电极，例如可以在N型阱区31、P型阱区32中形成沟槽，然后在沟槽中填充导电材料形成第一电极36、第二电极37。

本发明具体实例中的变容二极管需要与其他器件电连接，因此结合参考图3和图8，本发明具体实施例中，形成变容二极管的方法还包括：步骤S35，形成第一电极36、第二电极37后，在所述第一电极36上形成第一接触插栓41，在所述第二电极37上形成第二接触插栓42，在所述栅极34上形成第三接触插栓43。第一接触插栓41、第二接触插栓42、第三接触插栓43用来与其他器件电连接。在所述第一电极36上形成第一接触插栓41，在所述第二电极37上形成第二接触插栓42，在所述栅极34上形成第三接触插栓43包括：形成介质层40，覆盖所述栅极结构、第一电极36、第二电极37；在所述介质层40中形成第一接触孔、第二接触孔以及第三接触孔，所述第一接触孔暴露出所述第一电极36，所述第二接触孔暴露出所述第二电极37，所述第三接触孔暴露出所述栅极34；在所述第一接触孔、第二接触孔、第三接触孔内填充导电材料形成第一接触插栓41、第二接触插栓42和第三接触插栓43，所述第一接触孔对应形成第一接触插栓41，第二接触孔对应形成第二接触插栓42，第三接触孔对应形成第三接触插栓43。所述导电材料为铝、铜或者钨。

参考图8，本发明具体实施例的变容二极管，包括：半导体衬底30；位于所述半导体衬底30内的N型阱区31和P型阱区32，所述N型阱区31和P型阱区32相邻；位于所述N型阱区31、P型阱区32上的栅极结构，所述栅极结构包括栅极34、位于所述栅极34周围的侧墙35以及位于栅极34和所述N型阱区31、P型阱区32之间的栅介质层33；位于所述N型阱区31中的第一电极36，位于所述P型阱区32中的第二电极37，所述第一电极36、第二电极37位于所述栅极结构的两侧。本发明具体实施例中，变容二极管还包括位于所述第一电极36上的第一接触插栓41，位于所述第二电极37上的第二接触插栓42，位于所述栅极34上的第三接触插栓43。所述N型阱区31和P型阱区32相邻为两者接触相邻或者间隔相邻。

以上所述形成变容二极管的方法中描述的相关细节，可以应用该变容二极管中，例如，所述第一电极36为N型重掺杂区；所述第二电极37为P型重掺杂区。所述栅极34的材料为金属或多晶硅。所述栅介质层33的材料为氧化硅。所述第一接触插栓41、第二接触插栓42以及第三接触插栓43的材料为铝、铜或者钨。

本技术方案的变容二极管，在所述半导体衬底内形成N型阱区31和P型阱区32，所述N型阱区31和P型阱区32相邻；所述N型阱区31、P型阱区32上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极34、位于所述栅极34周围的侧墙35以及位于栅极34和所述半导体衬底30之间的栅介质层33；在所述N型阱区31中形成第一电极36，在所述P型阱区32中形成第二电极37，所述第一电极36、第二电极37位于所述栅极结构的两侧。其中，栅极34、栅介质层33和N型阱区31构成了一个变容二极管，栅极34、栅介质层33和P型阱区32构成了另一个变容二极管，两个变容二极管相当于并联连接。

图9为P型阱区32电压为0V、N型阱区31电压分别为0V、5V、10V时，变容二极管的电容随栅极电压变化的曲线图，纵坐标代表电容，横坐标代表栅极电压。图10为N型阱区31电压为0V、P型阱区32电压分别为0V、-5V、-10V时，变容二极管的电容随栅极电压变化的曲线图，纵坐标代表电容，横坐标代表栅极电压。结合参考图9和图10，本发明的变容二极管与现有技术的变容二极管相比，其调节方式增多，由原来的两端(阱区、栅极)调节变为可以进行三端(N型阱区、P型阱区、栅极)调节，增加了调节电容的调节方式。在N型阱区和P型阱区的电压固定，通过调节栅极电压来调节电容时，其电容的变化规律也与现有技术的变容二极管其电容与栅极电压的变化规律不同，因此，本发明的变容二极管，其电容随栅极电压变化的规律为新规律，根据该规律可以将本发明的变容二极管应用于需要此种电容变化规律的器件中。

图11为P型阱区32电压为0、栅极34的电压为5V时，变容二极管的电容随N型阱区31电压变化的曲线图，纵坐标代表电容，横坐标代表N型阱电压。参考图11，在栅极和P型阱区的电压固定，通过调节N型阱区的电压来调节电容二极管的电容时，在N型阱区的电压在0.0V～5.0V范围内时，电容范围大而且变化比较快，在该电压范围内可以对电容进行粗调；在N型阱区的电压在5.0V～20.0V范围内时，电容范围比较大且变化比较慢，在该电压范围内可以对电容进行微调，克服现有技术中对电容不能进行微调的缺点。

图12为N型阱区31电压为0、栅极34的电压为-10V时，变容二极管的电容随P型阱区32电压变化的曲线图，纵坐标代表电容，横坐标代表N型阱电压。参考图12，P型阱区的电压在-10.0V～-6.0V范围内时，电容范围大而且变化比较快，在该电压范围内可以对电容进行粗调；在P型阱区的电压在-6.0V～0.0V范围内时，电容范围比较大且变化比较慢，在该电压范围内可以对电容进行微调，克服现有技术中对电容不能进行微调的缺点。

基于以上所述的变容二极管，本发明还提供一种半导体器件，包括以上所述的变容二极管。

以上所述仅为本发明的具体实施例，为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种变容二极管的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；

在所述N型阱区、P型阱区上形成栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述阱区之间的栅介质层；

在所述N型阱区中形成第一电极，在所述P型阱区中形成第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。

2.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，形成第一电极、第二电极后，还包括：在所述第一电极上形成第一接触插栓，在所述第二电极上形成第二接触插栓，在所述栅极上形成第三接触插栓。

3.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述在所述半导体衬底内形成N型阱区和P型阱区为分别对所述半导体衬底进行N型离子注入和P型离子注入形成N型阱区和P型阱区。

4.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述N型阱区和P型阱区相邻为两者接触相邻。

5.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述第一电极为N型重掺杂区；

所述第二电极为P型重掺杂区。

6.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述栅极的材料为金属或多晶硅。

7.如权利要求1所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述栅介质层的材料为氧化硅。

8.如权利要求2所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述在所述第一电极上形成第一接触插栓，在所述第二电极上形成第二接触插栓，在所述栅极上形成第三接触插栓包括：

形成介质层，覆盖所述栅极结构、第一电极、第二电极以及半导体衬底；

在所述介质层中形成第一接触孔、第二接触孔以及第三接触孔，所述第一接触孔暴露出所述第一电极，所述第二接触孔暴露出所述第二电极，所述第三接触孔暴露出所述栅极；

在所述第一接触孔、第二接触孔、第三接触孔内填充导电材料形成第一接触插栓、第二接触插栓和第三接触插栓，所述第一接触孔对应形成第一接触插栓，第二接触孔对应形成第二接触插栓，第三接触孔对应形成第三接触插栓。

9.如权利要求8所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述导电材料为铝、铜或者钨。

10.一种变容二极管，其特征在于，包括：

半导体衬底；

位于所述半导体衬底内的N型阱区和P型阱区，所述N型阱区和P型阱区相邻；

位于所述N型阱区、P型阱区上的栅极结构，所述栅极结构包括栅极、位于所述栅极周围的侧墙以及位于栅极和所述半导体衬底之间的栅介质层；

位于所述N型阱区中的第一电极，位于所述P型阱区中的第二电极，所述第一电极、第二电极位于所述栅极结构的两侧。

11.如权利要求10所述的变容二极管，其特征在于，还包括：位于所述第一电极上的第一接触插栓，位于所述第二电极上的第二接触插栓，位于所述栅极上的第三接触插栓。

12.如权利要求10所述的变容二极管，其特征在于，所述N型阱区和P型阱区相邻为两者接触相邻。

13.如权利要求10所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述第一电极为N型重掺杂区；

所述第二电极为P型重掺杂区。

14.如权利要求10所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述栅极的材料为金属或多晶硅。

15.如权利要求10所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述栅介质层的材料为氧化硅。

16.如权利要求11所述的变容二极管的形成方法，其特征在于，所述第一接触插栓、第二接触插栓以及第三接触插栓的材料为铝、铜或者钨。

17.一种半导体器件，其特征在于，包括权利要求10～16任一项所述的变容二极管。

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