[发明专利]具有背侧体区连接的绝缘体上半导体

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月15日提交的美国临时专利No.61/225,914的权益。通过引用将美国临时专利No.61/225,914并入本文。

技术领域

所描述的本发明总体上涉及绝缘体上半导体器件及处理，更具体地涉及绝缘体上半导体器件中的浮体效应(floating-body effect)。

背景技术

绝缘体上半导体(SOI)技术最早在20世纪90年代后期被商业化。SOI技术的特色特征在于其中形成了电路的半导体区域通过电绝缘层与主体基板隔开。该绝缘层通常是二氧化硅。选择二氧化硅的原因是，可以通过使晶圆氧化而在硅晶圆上形成二氧化硅，由此适合于进行有效制造。SOI技术的有利方面直接源于绝缘层将有源层与主体基板进行电子隔离的能力。当在此处以及所附权利要求中使用时，SOI结构上的形成有信号处理电路的区域指的是SOI结构的有源层。

SOI技术由于引入对SOI结构中的有源器件进行隔离(这改进了有源器件的电特性)的绝缘层而表现出对传统主体基板技术的改进。例如，希望晶体管的阈值电压统一，并且大体上由晶体管栅极下的半导体材料的特性设定晶体管的阈值。如果该材料区域是隔离的，则进一步的处理将影响该区域并改变器件阈值电压的可能性很小。由于SOI结构的使用而得到的其它电特性改进包括：更小的短沟道效益、针对更高速度的降低的电容、以及器件作为开关时的更低的插入损耗。此外，绝缘层可用来对有源器件与有害辐射进行屏蔽。这对于用于地球大气之外的有害离子辐射盛行的空间中的集成电路是特别重要的。

图1示出了一个SOI晶圆100。晶圆包括基板层101、绝缘层102以及有源层103。基板通常是诸如硅之类的半导体材料。绝缘层102是介电的，并且通常是通过对基板层101进行氧化而形成的二氧化硅。有源层103包括在已经在其中形成了电路104之后出现的掺杂物、电介质、多晶硅、金属层、钝化物以及其它层的组合。电路104可包括：金属布线，诸如电阻器、电容器和电感器之类的无源器件，以及诸如晶体管之类的有源器件。当在此处以及所附权利要求中使用时，SOI晶圆100的“顶部”指的是顶部表面105，而SOI晶圆100的“底部”指的是底部表面106。定位方案不考虑SOI晶圆100相对于其它参考系的相对定位、以及从SOI晶圆100去除层或向SOI晶圆100添加层。因此，有源层103总是处于绝缘层102“上方”。此外，从有源层103中央起始并向底部表面106延伸的矢量总是指向SOI结构的“背侧”方向，而不考虑SOI晶圆100相对于其它参考系的相对定位、、以及从SOI晶圆100去除层或向SOI晶圆100添加层。

半导体器件可能承受被称为浮体效应的现象。绝缘体上半导体尤其容易受这一效应影响。出于示例的目的，将描述其中浮体效应通过N型场效应晶体管(NFET)呈现的情况，但是许多其它有源器件也可呈现浮体效应。图1B显示了NFET 108的侧视图。NFET 108是SOI器件，因此布置在绝缘层102上。由于体区109中的过剩载流子的存在而引起浮体效应。通过经由热或光的方式随机产生电子空穴对、通过高速电子在沟道110中的散射、通过源极111或漏极112的泄漏、通过能带至能带的隧穿、或通过沟道110中的雪崩击穿，可在体区109中建立载流子。因此，在所有半导体器件中过剩载流子的存在都是无法避免的。但是，与体区是主体基板的一部分的器件相比，在SOI器件中，体区109被隔离及限制。因此，需要远远更少的过剩载流子来改变有源器件的特性。

浮体效应对有源器件的特性造成的由于SOI结构而恶化的两个变化是扭曲效应(kink effect)以及断开状态下的有源器件所呈现的非线性电容。由于源极111和漏极112上施加的高电势所引起的雪崩击穿而在体区109中引入过剩载流子将具有显著地增大流经沟道110的电流的效应。该效应被称为扭曲效应，原因在于沟道电流相对漏源电势的曲线的相对平坦的部分将在该效应发生的点处具有向上的扭曲。曲线的相对平坦部分位于电流——对于一些应用而言——期望由栅极113处的电压所主导性地设定的区域中。该效应可能会造成问题，原因是某些模拟电路应用依赖于在该区域中工作时独立于漏-源电势的有源器件的电流。