一种无线弱能量收集用量子阱沟道MOSFET及其制备方法

一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别涉及一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其制备方法。


背景技术：

2.微波无线能量传输系统是一种将射频能量转换为直流电压的系统，其在没有传输线的情况下，也能在空间中输送电能。目前，电池是各类电子产品的主要供能源，其容量和寿命有限是制约这些产品进一步发展、应用的一个技术瓶颈。微波无线能量传输系统为目前电池供电的种种问题提供了一种很好的解决方案。
3.能量转换效率(即整流效率)标志着微波无线能量传输系统将射频能量转换为直流能量的能力。生活环境中有众多如wi
‑
fi路由器、笔记本电脑和平板电脑等无线终端，根据我国环境射频能量分布评估，2.38～2.45g频段内的射频信号为环境中的主要rf(radio frequency，射频)信号源，但实际的环境射频功率密度较低，一般低于0dbm。微波无线能量收集技术对这一部分的能量整流效率很低，从而会造成能量的“浪费”。就现有技术了解到，目前国内外对微波无线能量传输系统的研究，大多都是针对中高能量密度下整流效率的提升，对于较弱能量密度(
‑
15dbm～0dbm)工作条件下整流效率的提升仍然无实质性突破。因此，研究较弱能量密度2.45g频段无线能量收集技术，提升较低功率密度下的整流效率，从而实现效率更高的物联网传感器系统供电，已成为领域内研究的热点和重点方向之一。
4.目前，二极管形式连接的n型金属
‑
氧化物
‑
半导体场效应晶体管(n
‑
mosfet)具有与si工艺兼容的优势，因此作为了2.45g弱能量密度无线能量收集系统整流电路中的核心元件，其性能决定了整个整流系统整流效率的上限。而遗憾的是，二极管形式连接的n
‑
mosfet基2.45g弱能量密度收集系统整流效率偏低，尚无法真正实现商业应用。目前，工程师们主要通过外围电路的设计和结构优化，开展基于cmos整流电路的优化研发工作，以提升2.45g弱能量密度无线能量收集系统的整流效率，但收效甚微。因此，欲进一步提升目前2.45g弱能量密度wi
‑
fi波段无线能量收集系统整流效率，对核心n
‑
mosfet元器件予以设计优化势在必行。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其制备方法，用以解决现有技术中n
‑
mosfet 2.45g弱能量密度无线能量收集系统整流效率低的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet，包括：栅区电极、源区电极、漏区电极和衬底，源区电极和衬底之间具有源衬pn结，漏区电极和衬底之间具有漏衬pn结，源区电极为输出端，栅区电极、漏区电极以及衬底短接在一起为输入端；
7.栅区电极、源区电极、漏区电极三者和衬底之间具有应变si层，应变si层形成mosfet的量子阱沟道。
8.另一方面，本发明实施例还提供了一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet的制备方法，包括：
9.在单晶si衬底上外延形成组分渐变的sige层；
10.在组分渐变的sige层上外延形成组分固定的sige层，作为虚拟衬底；
11.在虚拟衬底上赝晶生长应变si层；
12.在应变si层上淀积本征si帽层；
13.在本征si帽层上淀积氧化铪层；
14.在氧化铪层上淀积tan层；
15.刻蚀tan层和氧化铪层，形成栅区电极；
16.在栅区电极两侧的组分渐变的sige层、虚拟衬底、应变si层和本征si帽层中进行p型离子注入，形成源漏区；
17.在栅区电极和源漏区上淀积介质层；
18.在栅区电极两侧的介质层上刻蚀两个接触孔；
19.在两个接触孔中淀积金属，分别形成源区电极和漏区电极；
20.将源区电极作为输出端，将栅区电极、漏区电极和衬底短接作为输入端。
21.在一种可能的实现方式中，在栅区电极两侧的组分渐变的sige层、虚拟衬底、应变si层和本征si帽层中进行p型离子注入，形成源漏区，包括：在栅区电极和应变si层上淀积sio2；在sio2上淀积牺牲保护层；刻蚀栅区电极以外的sio2层和牺牲保护层；在牺牲保护层上涂覆光刻胶；在光刻胶两侧的组分渐变的sige层、虚拟衬底、应变si层和本征si帽层中进行p型离子注入，形成源漏区。
22.在一种可能的实现方式中，在栅区电极和源漏区上淀积介质层之前，还包括：去除光刻胶；去除栅区电极上覆盖的牺牲保护层和sio2层。
23.在一种可能的实现方式中，在两个接触孔中淀积金属，分别形成源区电极和漏区电极，包括：在源漏区的介质层上以及两个接触孔中均淀积金属层；刻蚀除两个接触孔中金属层以外的金属层，两个接触孔中的金属层形成源区电极和漏区电极。
24.在一种可能的实现方式中，在两个接触孔中淀积金属，分别形成源区电极和漏区电极之后，还包括：在介质层、源区电极和漏区电极上淀积钝化介质层。
25.在一种可能的实现方式中，组分渐变的sige层的厚度为200
‑
300nm，其沿靠近单晶si衬底的方向ge组分比例逐渐降低，ge的最高组分比例为15％，sige的p型掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
17
cm
‑3。
26.在一种可能的实现方式中，组分固定的sige层中ge的组分比例为15％，组分固定的sige层厚度为400
‑
500nm，p型掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
17
cm
‑3。
27.在一种可能的实现方式中，应变si层的厚度为10nm，应变si层的晶格常数与组分固定的sige层的晶格常数相同。
28.本发明中的一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其制备方法，具有以下优点：
29.在n
‑
mosfet中引入高电子迁移率应变量子阱沟道，同时采用近零阈值电压和新的接线方式，使n
‑
mosfet在2.45g微波无线弱能量收集系统应用时，具有整流效率高、器件集成度高、工艺成本低的显著优势。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例提供的一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其接线的正向偏置电流示意图；
32.图2为本发明实施例提供的一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其接线的反向泄露电流示意图；
33.图3为本发明实施例提供的mosfet的制备方法流程示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.图1和图2为本发明实施例提供的一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet及其接线示意图。本发明实施例提供了一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet，包括：栅区电极、源区电极、漏区电极和衬底，源区电极和衬底之间具有源衬pn结，漏区电极和衬底之间具有漏衬pn结，源区电极为输出端，栅区电极、漏区电极以及衬底短接在一起为输入端；
36.栅区电极、源区电极、漏区电极三者和衬底之间具有应变si层，应变si层形成mosfet的量子阱沟道。
37.示例性地，在本发明提供的n
‑
mosfet及其接线方式下，漏衬pn结被短接，源衬pn结起作用。
38.不仅如此，本发明提出的接线方式改变了n
‑
mosfet的体连接，使得源衬之间的偏置电压v
sb
不为零，因而存在公式(1)所示的衬底偏置效应。
[0039][0040]
式中，γ为取决于沟道掺杂的体效应系数，v
sb
是源衬电势差，φ
f
是半导体内的费米势，与掺杂浓度和温度有关，v
th
和v
th0
分别是mos管的实际阈值电压和零衬偏条件下的理想阈值电压。
[0041]
同时，根据bsim3晶体管模型提取的电流如公式(2)所示，本发明提出的接线方式下，外加正向电压时v
sb
<0，这使得正向开启电压有效降低，且正向偏置电流大大提高；外加反向电压时v
sb
>0，从而极大程度地降低了反向泄露电流，这些物理特性都非常利于消除低阈值电压器件反向泄露电流高，以及量子阱沟道亚阈电流大的问题，从而有效提升n
‑
mosfet整流电路效率的提升。
[0042][0043]
式中，v
t
＝kt/q称为热电压，v
d
是加在mos管漏源两端的输入电压，λ是沟道长度调制系数，μ
n
是电子迁移率，ε
si
是si的介电常数，n
ch
为沟道掺杂浓度，是表面势。
[0044]
在2.45g弱能量密度rf信号收集系统中，信号的输入功率往往很低，
‑
10dbm的射频输入功率在50ω阻抗下的等效输入振幅仅为100mv。因此，对于2.45g弱能量密度wi
‑
fi波段无线能量，保证mosfet器件正常开启工作至关重要。为此，本发明通过优化设计器件各部分层结构材料的物理参数，尤其是功函数，显著降低n
‑
mosfet的阈值电压，甚至达到近零阈值电压，以利于器件在2.45g弱能量密度收集的开启应用。
[0045]
同时，为实现高的能量转换效率，理想的整流器件i
‑
v特性还应同时呈现较大的正向偏置电流与极小的反向泄露电流。为了提高整流正向电流密度，本发明在器件设计时引入应变量子阱沟道，利用应变量子阱沟道无表面粗糙度散射、离化杂质散射以及应变致电子迁移增强的共同效果，显著提升器件在弱能量整流应用时的正向偏置电流。与此同时，为避免低阈值电压器件通常反向泄露电流高，以及量子阱沟道亚阈电流大的问题，本发明进一步引入衬底，利用衬底偏置效应以及新的接线方式，以克服该问题。
[0046]
本发明实施例还提供了一种无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet的其制备方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：
[0047]
s200，如图3中(a)，选取单晶si衬底(001)；
[0048]
s201，如图3中(b)，在单晶si衬底(001)上使用rpcvd(减压化学气相沉积)技术外延一层ge组分渐变的sige层(002)，厚度为200～300nm，组分渐变的sige层(002)沿靠近单晶si衬底(001)的方向ge组分比例逐渐降低，最顶层(即ge组分比例最高的位置)的ge组分为15％，p型掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
17
cm
‑3；
[0049]
s202，如图3中(c)，组分渐变的sige层(002)上使用rpcvd技术外延生长一层ge组分比例固定为15％的si
0.85
ge
0.15
层(003)作为虚拟衬底，厚度为400～500nm，p型掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
17
cm
‑3；
[0050]
s203，如图3中(d)，在步骤s502形成的虚拟衬底表面上赝晶生长一层应变si层(004)，厚度为10nm。由于si和sige的晶格常数差异，通过控制工艺条件，赝晶生长的应变si层(004)与下面的组分固定的sige层(003)晶格常数保持一致，因此应变si层(004)中引入了张应变，引入张应变降低了电子的有效质量，从而提高了电子的迁移率；同时也降低了si的禁带宽度，从而与sige层形成深δe
c
导带偏异质结，有利于形成量子阱沟道；
[0051]
s204，如图3中(e)，在真空环境下，利用mbe工艺在应变si层(004)上淀积厚度为4～6nm的本征si帽层(005)，其与应变si层(004)形成深δe
c
导带偏异质结；
[0052]
s205，如图3中(f)，在250℃～300℃条件下，利用原子层淀积法淀积3nm厚的氧化铪(hfo2)层(006)，反应前体为[(ch3)(c2h5)n]4hf，氧化剂为h2o；
[0053]
s206，如图3中(g)，采用反应溅射系统淀积110nm厚的氮化钽(tan)层(007)；
[0054]
s207，如图3中(h)，利用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的氮化钽(tan)层(007)
和氧化铪层(006)形成nmos栅区电极，具体来说是刻蚀掉中央区域以外的两侧区域；
[0055]
s208，如图3中(i)，在栅区电极以及应变si层(004)表面淀积一薄层sio2层(008)，厚度约为10nm；
[0056]
s209，如图3中(j)，用cvd(化学气相沉积)方法淀积厚度为20～30nm的si3n4层作为牺牲保护层(009)，其作用是在源漏区刻蚀过程中保护栅区电极不受损害，另外不影响源漏离子注入的自对准工艺；
[0057]
s210，如图3中(k)，刻蚀除栅区电极之外的sio2层(008)和牺牲保护层(009)；
[0058]
s211，如图3中(l)，光刻，涂胶并选择区域曝光。在中心保留区域的光刻胶(010)，并将四周的光刻胶刻蚀掉；
[0059]
s212，如图3中(m)，采用自对准工艺，对组分渐变的sige层、虚拟衬底、应变si层和本征si帽层中进行p型离子注入，在250～300℃温度下，在氮气环境下快速退火，形成nmos源漏区(011)；
[0060]
s213，如图3中(n)，去除光刻胶并采用湿法刻蚀方式去除栅区电极覆盖的牺牲保护层和sio2层；
[0061]
s214，如图3中(o)，淀积介质层(012)，采用cvd方法淀积20～30nm的bpsg(硼磷硅玻璃)，形成介质层(pmd)。bpsg能俘获移动离子，以防止它们扩散到栅区电极而损害器件性能；
[0062]
s215，如图3中(p)，刻蚀接触孔。用硝酸和氢氟酸刻蚀bpsg形成源漏接触孔；
[0063]
s216，如图3中(q)，淀积金属。利用电子束蒸发淀积10～20nm厚的金属镍ni层(012)，以便形成良好的欧姆接触；
[0064]
s217，如图3中(r)，利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉接触孔以外的金属ni层，形成源区电极和漏区电极；
[0065]
s218，如图3中(s)，利用cvd工艺在介质层、源区电极和漏区电极上淀积厚度为20～30nm的sin材料(013)，用于钝化电介质，最终形成应变si层量子阱沟道mosfet。
[0066]
s219，如图3中(t)和(u)，为无线弱能量收集用量子阱沟道mosfet的二极管接线方式，在正向偏置条件下源衬pn结导通，沟道电流起作用，能够提供正向导通电流。在反向偏置条件下源衬pn结截止，有极低的反向饱和电流。
[0067]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0068]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。