[发明专利]一种可在BJT和MOSFET之间相互转变的器件

说明书

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。