專利名稱：垂直溝道場效應(yīng)晶體管及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件，它是一種具有垂直溝道結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，本發(fā)明還涉及它的制備方法。
垂直溝道場效應(yīng)晶體管(vertical FET)技術(shù)是一種新的實現(xiàn)小尺寸MOSFET的方法。它的溝道長度是由硅臺刻蝕、離子注入或者外延來決定的，而不象傳統(tǒng)的平面MOSFET那樣是通過光刻來定義的，因而無須借助于復雜的光刻手段就可以很容易的實現(xiàn)短溝道器件的制作，其工藝和平面MOSFET技術(shù)也完全兼容。垂直溝道器件被學術(shù)界和工業(yè)界認為是繼平面MOSFET之后的最有潛力的新型器件之一。目前，在ROM、DRAM等領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用。
垂直溝道場效應(yīng)晶體管從加工工藝上來分基本上可以分為兩類，一類是以硅臺的刻蝕和離子注入的形式形成垂直溝道，另一類是通過外延的技術(shù)形成垂直溝道。從結(jié)構(gòu)上來分垂直溝道場效應(yīng)晶體管則可分為環(huán)柵(surround gate)和雙柵(double gate)兩種。文獻Takato，H.etal.Electron Devices，IEEETransactions on，Volume38 Issue3，March 1991.Page(s)573-578.和文獻Schulz，.T etal.Electron Devices Meeting，2000.IEDM Technical Digest.International，2000 Page(s)61-64.中介紹的分別是典型的硅臺技術(shù)的環(huán)柵和雙柵垂直溝道器件。它們都是通過刻蝕硅臺和離子注入形成的溝道，柵電極環(huán)繞硅臺的四周或在硅臺的兩個側(cè)邊上，形成環(huán)柵或者雙柵。文獻Risch，L.et al.IEEE Transactions on，Volume43 Issue9，Sept.1996 Page(s)1495-1498.和文獻Klaes，D.et.al.Thin Solid Films Volume336，Issue1-2，December 30，1998，pp.306-308.中介紹的是典型的外延技術(shù)的垂直溝道器件。它們共同的特點是源、柵、漏端都是通過外延形成的。由于外延技術(shù)可以很好的控制外延層的厚度，因而就可以比較精確的控制溝道的長度。該技術(shù)比較復雜，對設(shè)備和工藝條件要求嚴格。
常見的硅臺工藝中，由于源端(或漏端)的引出要在硅臺的頂端，因此使得硅臺的面積比較大，相應(yīng)就需要占用較大的有源區(qū)面積。另外硅臺工藝中通常采用注入的方式形成溝道，由于注入的結(jié)深不容易控制，因而會使得溝道長度也難以控制。多晶硅技術(shù)目前已成熟應(yīng)用于雙極超高速集成電路中，利用多晶硅作發(fā)射極，是先進的雙極技術(shù)的典型特征。本發(fā)明借鑒了多晶硅技術(shù)在雙極器件中的應(yīng)用，以硅臺技術(shù)為基礎(chǔ)，利用多晶硅作垂直溝道MOSFET的源端。這樣不僅結(jié)合了硅臺技術(shù)工藝簡單和外延技術(shù)易于控制溝道長度的優(yōu)點，而且源端的引出可以在場區(qū)，這樣有源區(qū)部分的硅臺面積就可以做的很小，大大減小了有源區(qū)的面積。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一種短溝道的垂直MOSFET，有效地節(jié)省器件有源區(qū)的面積，更好地控制器件溝道長度。
并且可以雙極器件兼容，為實現(xiàn)BiCMOS打下了很好地基礎(chǔ)。
本發(fā)明的垂直溝道場效應(yīng)晶體管用多晶硅作器件的源端。
本發(fā)明的制備方法包括下列步驟(1)版圖設(shè)計定義有源區(qū)；在有源區(qū)中定義一個硅臺區(qū)域，將來要在此處刻蝕出硅臺，垂直溝道就在硅臺的側(cè)壁上形成；硅臺版圖如果在有源區(qū)的里邊，則所作器件為環(huán)柵；如果硅臺版圖橫跨有源區(qū)兩端，則所作器件為雙柵器件；源漏也不是對稱的結(jié)構(gòu)，源端的引出在場區(qū)，漏端在有源區(qū)里面；多晶硅柵也要設(shè)計成不對稱的形狀，在有源區(qū)的部分較窄，要搭在硅臺的版圖上，而在體區(qū)的部分較寬，因為要在上面開引線孔；最后在源、柵、漏區(qū)開出引線孔，并設(shè)計金屬引線；另外對于襯底正面引出的器件，要在有源區(qū)的一端設(shè)計p+(對于n管)注入或n+(對于p管)注入的版圖。
(2)器件隔離；采用傳統(tǒng)的局部氧化(LOCOS)技術(shù)；(3)調(diào)節(jié)閾值注入；根據(jù)制作器件類型的不同對有源區(qū)作n型或p型注入；(4)淀積源端多晶硅；然后在多晶硅上淀積一層氧化層；(5)刻蝕硅臺；硅臺的高度可以根據(jù)所作器件溝道長度的不同而調(diào)整；(6)生長柵氧化層；
先生長犧牲氧化層，然后去掉犧牲氧化層，再生長柵氧化層；(7)淀積多晶硅，并對多晶硅進行重摻雜，接著作激活退火；(8)刻蝕多晶硅，作源漏注入；(9)對于襯底正面引出的器件，作襯底引出注入；(10)淀積低氧層，并進行退火；(11)刻蝕引線孔，淀積金屬，合金，完成各區(qū)引出。
本發(fā)明在刻蝕硅臺后還進行LDD注入。
本發(fā)明的采用多晶硅作源端的垂直溝道場效應(yīng)晶體管，有效的節(jié)省了有源區(qū)的面積，更好的控制了器件的溝道長度，工藝中降低了硅臺刻蝕的高度，避免了多晶硅刻蝕過程中因硅臺高度高而可能出現(xiàn)的斷裂，降低了工藝難度。并且采用多晶硅作源端，可以很容易和雙極器件集成，為實現(xiàn)BiCMOS提供了一個很好的途徑。附圖中

圖1(a)和圖1(b)分別是常規(guī)硅臺結(jié)構(gòu)器件(沒有采用多晶硅作源端)和采用多晶硅作源端的垂直溝道器件版圖示意圖的比較(兩版圖中各層的大小和之間的間隔都一樣)，由圖中可以清楚的看到采用多晶硅作源端后大大減小了有源區(qū)的面積。
圖3(a)示出了本發(fā)明的初始結(jié)構(gòu)。此初始結(jié)構(gòu)包括襯底118和兩層掩蔽層119和120，以及隔離氧化層111。其中119是類似SiO2一類的氧化層，120是類似Si3N4一類的氮化物。雖然本發(fā)明的附圖中描述了包含兩層材料的掩蔽層，但是并不排除也可以包含更多的材料層或者使用其它材料。
隔離層111也是氧化物層，它和掩蔽氧化層119都是用熱氧化的工藝生長，但是在厚度上存在很大差異，生長條件也不完全相同。他們和后面將要提到的同樣用來作隔離的氧化層110以及用來作柵介質(zhì)的氧化層115也不相同。氧化層110用CVD(化學氣象淀積)工藝生長，生長溫度遠比采用熱氧化工藝的119和111氧化溫度低。當然119、110也可以采用CVD的方法生長，但是最佳的方法是采用熱生長工藝。柵介質(zhì)115也是采用高溫熱氧化的方式生長的，但是和119、110的生長條件相比，氧化層115對氧化層的質(zhì)量要求最高，因而對生長條件要求更嚴格。通常，氧化層11和10的厚度最厚，在幾百nm左右。柵介質(zhì)115的最薄，通常只有幾個nm，氧化層119也比較薄，但是比115厚，大約在幾十個nm的范圍。值得一提的是，上述提到的氧化層也都可以采用其它的一些生長方式，比如原子層淀積、濺射、蒸發(fā)等一些方法。本發(fā)明中119采用1000℃生長，厚度為30nm。
氧化層111的具體生長工藝是這樣的，在依次生長完掩蔽層119和120以后，用常規(guī)的光刻和腐蝕(反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、等離子體刻蝕、離子束腐蝕等干法刻蝕工藝)將襯底上某些地方(沒有光刻膠掩蔽的地方)的氮化物層120去掉。之后進行一次離子注入，這次注入為防止場區(qū)開啟注入，注硼，劑量為1E13cm-2的量級，能量為40-80kev。然后采用常規(guī)濕法化學腐蝕(HF酸溶液、BHF溶液等)的方法去掉掩蔽層119。清除光刻膠之后用上面提到的熱氧化的方法生長隔離氧化層111。本發(fā)明中111的生長溫度為850-1000℃，厚度450-800nm。光刻膠的腐蝕方法既可以采用濕法也可以用干法，均為熟悉本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知的常規(guī)工藝。
就氮化層120而論，利用的是和上面生長氧化層類似的CVD工藝，將此層制作在氧化層119上面。氮化層的厚度可以變化，但是應(yīng)該比氧化層119更厚。通常，氮化層的厚度在50～200nm之間。本發(fā)明中120的厚度為100nm。本發(fā)明采用的襯底可以是任何一種常規(guī)的硅半導體材料?？梢杂迷诒景l(fā)明中的其它一些襯底材料包括但是不局限于Si、Ge、SiGe、GaP和另外所有III/V族化合物半導體。襯底也可以是Si/SiGe之類的棧狀結(jié)構(gòu)組成。本發(fā)明的襯底材料是P型(100)硅片，電阻率為5～10Ωcm。
本發(fā)明的下一個步驟如圖3(b)所示，包括首先清除掉掩蔽層120。通常采用濕法化學腐蝕的方法，具體的說就是用選擇腐蝕氮化物層而對氧化層腐蝕很小的化學溶液和氮化物層反應(yīng)，生成可以溶解的物質(zhì)，從而去掉120，常用的腐蝕液是濃磷酸H3PO4，但不僅僅局限于濃磷酸。
在去除掩蔽層120以后，采用常規(guī)的離子注入工藝對器件進行摻雜。這次注入是為了改變器件溝道區(qū)的摻雜濃度從而調(diào)節(jié)器件的閾值電壓，這是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知的常規(guī)工藝。本發(fā)明實施例中注入離子為B，注入劑量為范圍為1E13cm-2-1E14cm-2，能量為80-100kev。根據(jù)制作器件尺寸和要求的不同，注入的劑量和能量可以有所調(diào)整，注入離子也可以選擇其它p型雜質(zhì)如BF2等。在離子注入完成以后，去掉掩蔽氧化層119。去除的方法有多種，本發(fā)明中采用濕法腐蝕的方法。
本發(fā)明實施例中的下一個步驟包括生長多晶硅112，如圖3(c)所示。采用LPCVD的方法，淀積的厚度為100～300nm，這層多晶硅將來用作器件的源端。在淀積之前用稀釋的HF溶液輕漂材料的表面，以去掉自然氧化層。在淀積完多晶硅以后再淀積一層掩蔽層SiO2，厚度大約為30～50nm。此處的掩蔽層包括但是不局限于SiO2，也可以是Si3N4等其它氮化物，或者是氧化物和氮化物的復合層。
接下來的步驟如圖3(d)所示，首先是常規(guī)的光刻工藝，光刻以后在掩蔽層119上面留下光刻膠121。接下來用121作掩模去除掩蔽層119。去除的方法是用常規(guī)的RIE干法刻蝕工藝。然后采用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕如圖3(d)所示的硅臺122?？涛g分為兩部分，首先刻蝕多晶硅112，然后刻蝕硅襯底118。兩層總得厚度大約為0.2～0.5微米。這一步刻蝕工藝也可以采用RIE等其它方法，但是ICP刻蝕具有更好的選擇性，會使刻蝕出的硅臺更為陡直。刻蝕完硅臺122以后，去掉光刻膠121和掩蔽氧化層119，去光刻膠既可以采用干法，也可以采用濕法，均是本技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工藝。
接下來生長一層犧牲氧化層119，如圖3(e)所示，采用上面提到的熱生長工藝，厚度大約為30nm。這次氧化的目的是為了降低硅臺122側(cè)壁的缺陷，使其表面更光滑，同時也作為下面離子注入的掩蔽層。因為多晶硅氧化的速率比單晶硅快，因此112側(cè)壁的氧化層厚度要比122側(cè)壁的厚一些。氧化完成后進行砷(AS)離子注入，注入劑量為1E13cm-2-1E14cm-2，能量為30-60kev。注入后在襯底118的表面形成深度大約為30nm的輕摻雜區(qū)域(LDD)114，該區(qū)域的摻雜濃度要比襯底118的摻雜濃度高。和后面將要提到的源、漏端區(qū)113的注入相比，這次注入的劑量比較小，能量也比較低。在離子注入完成后，用常規(guī)的腐蝕工藝(通常采用HF溶液)去掉氧化層119和111。
接下來的工藝如圖3(f)所示，首先生長氧化層115，采用熱生長的工藝，然后在15的外面制作一層多晶硅112用來作柵電極。氧化層115用來作柵介質(zhì)，厚度大約為3～10nm。需要指出的是，本發(fā)明中的115不僅可以用氧化層，還可以是其它柵介質(zhì)材料，比如SiO2\Si3N4的復合層、高K材料、摻N(氮)或者氮化的SiO2等為熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的材料，同樣也可以因不同的材料采用不同的工藝如淀積、濺射等。本發(fā)明中115在850-1000℃的溫度下生長，厚度為5nm。柵電極112的材料也不局限于多晶硅，可以是金屬或SiGe等材料。本發(fā)明實施例中的多晶硅厚度大約為250nm左右，采用LPCVD(低壓化學氣象淀積)的方法。之后緊接著對112進行摻雜，常用的方法是離子注入或者在生長多晶硅的同時進行原位摻雜。本發(fā)明實施例采用離子注入的工藝，注磷，劑量為1E15cm-2-1E16cm-2，能量為80-120kev。注入完成后進行退火，溫度在900-1100℃。
本實施例中的下一步工藝包括刻蝕多晶硅112，采用本技術(shù)領(lǐng)域中常用的RIE刻蝕工藝。在刻蝕前先進行光刻，這樣在刻蝕完成以后，在硅臺122側(cè)壁的一周留下了多晶硅側(cè)墻，其它地方的多晶硅全部被去除掉了，如圖3(g)所示。然后進行n+離子注入，形成源、漏端的接觸區(qū)113。這次注入的劑量比較大，通常選擇在1E15/cm2～1E16/cm2之間，能量為80-100kev左右；。
本實施例的下一步驟如圖3(h)所示。在器件的表面制作隔離層110，通常采用CVD的方法淀積一層氧化層。110的厚度通常在500nm左右，在制作完成后進行一次退火，用來激活上一步驟中注入的離子，同時使隔離層110更為致密，更好的起到隔離的作用。本發(fā)明中退火溫度為900-1100℃。需要指出的是，隔離層110除了可以用氧化層以外，也可以是其它任何可以MOSFET中作隔離或鈍化用的介質(zhì)，比如Al2O3以及Si3N4等，這一點也是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的。
本發(fā)明實施例的最后一步如圖3(i)所示，光刻以后腐蝕隔離層110，直到暴露出硅臺122、襯底118以及多晶硅112的表面，這樣就形成接觸孔123。最后淀積金屬，引出電極。這兩步工藝都是常規(guī)工藝，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員對此應(yīng)該非常熟悉。至此，完成了本發(fā)明實施例的所有步驟。
上述是對于本發(fā)明最佳實施例工藝步驟的詳細描述，但是很顯然，本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以根據(jù)上述的步驟作出形式和內(nèi)容方面的改變而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。因此，本發(fā)明不局限于上述準確的形式和細節(jié)，而是在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種垂直溝道場效應(yīng)晶體管，其特征在于用多晶硅作器件的源端。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述的垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其步驟包括1)版圖設(shè)計定義有源區(qū)；在有源區(qū)中定義一個硅臺區(qū)域，源端位于硅臺的上端，漏端在有源區(qū)硅臺的旁邊；柵設(shè)計成不對稱的形狀，在有源區(qū)的部分較窄，搭在硅臺的版圖上，在體區(qū)的部分較寬；在源、柵、漏區(qū)開出引線孔，并設(shè)計金屬引線；2)器件隔離；3)調(diào)節(jié)閾值注入；4)淀積源端多晶硅；5)刻蝕硅臺；6)生長柵氧化層；7)淀積多晶硅，并對多晶硅進行重摻雜，接著作激活退火；8)刻蝕多晶硅，作源漏注入；9)淀積低氧層，并進行退火；10)刻蝕引線孔，淀積金屬，合金，完成各區(qū)引出。
3.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于2)中采用LOCOS技術(shù)作器件隔離。
4.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于在刻蝕硅臺后進行LDD注入。
5.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于所述第7)步為先生長犧牲氧化層，然后去掉犧牲氧化層，再生長柵氧化層。
6.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于3)所述調(diào)解閾值注入注硼，注入的劑量在1E13cm-2～1E14cm-2范圍內(nèi)，能量在80-100kev之間。
7.如權(quán)利要求4所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于所述LDD注入注砷，注入的劑量在1E13cm-2～1E14cm-2范圍內(nèi)，能量為30-60kev之間。
8.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于在版圖設(shè)計1)中，對于正面引出襯底的器件，對于n管，在有源區(qū)的一端設(shè)計p+注入的版圖；對于p管，在有源區(qū)的一端設(shè)計n+注入的版圖。
9.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于1)所述柵為多晶硅柵。
10.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于7)所述重摻雜為離子注入的工藝，注磷，劑量為1E15cm-2-1E16cm-2，能量為80-100kev左右；注入完成后在900-1100℃下進行快速退火。
11.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于8)所述源漏注入的劑量在1E15/cm2～1E16/cm2之間，注入的峰值位置大于LDD注入。
12.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于10)所述低氧層厚400-800nm左右；注入完成后在900-1100℃下進行快速退火。
13.如權(quán)利要求2所述的制備垂直溝道場效應(yīng)晶體管的方法，其特征在于在淀積完源端多晶硅以后再淀積一層掩蔽層，厚度大約為30～50nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多晶硅作源端的具有垂直溝道結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)晶體管，及它的制備方法。本發(fā)明的垂直溝道場效應(yīng)晶體管，其特征在于用多晶硅作器件的源端。有效的節(jié)省了有源區(qū)的面積，更好的控制了器件的溝道長度，工藝中降低了硅臺刻蝕的高度，避免了多晶硅刻蝕過程中因硅臺高度高而可能出現(xiàn)的斷裂，降低了工藝難度。并且采用多晶硅作源端，可以很容易和雙極器件集成，為實現(xiàn)BiCMOS提供了一個很好的途徑?？勺鳛榘雽w器件廣泛應(yīng)用于集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號H01L21/02GK1399349SQ0212938
公開日2003年2月26日 申請日期2002年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月9日
發(fā)明者劉金華, 劉文安, 黃如, 張興 申請人:北京大學