專利名稱：縱向晶體管、存儲裝置以及用于制造縱向晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種縱向晶體管、一種存儲裝置以及一種用于制造縱向晶體管的方法。
背景技術(shù)：
由于計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，存在著對在越來越小的裝置上提供越來越大的存儲量的存儲介質(zhì)的需求。通常在大的存儲單元裝置中存儲大的數(shù)據(jù)量。例如采用可在長的時間區(qū)間中無信息損失地存儲所存儲信息的非易失存儲器作為存儲單元。例如可采用在硅芯片上的晶體管作為非易失性存儲器。
但是在進一步進展的小型化的情況下，常規(guī)的硅微電子學(xué)將遇到它的極限。尤其是在這同時每個芯片上幾億晶體管的越來越小的和越密集布置的晶體管的發(fā)展，在今后的十年中原則上將遇到物理上的問題。在低于80nm的結(jié)構(gòu)尺寸時量子效應(yīng)將干擾地影響，并在約30nm以下的尺寸時將制約位于芯片上的元件。
芯片上元件的增長的集成密度也會導(dǎo)致在位于芯片上的元件之間所不期望的串?dāng)_，并導(dǎo)致廢熱的劇烈上升。因此，借助于晶體管尺寸的持續(xù)發(fā)展的微型化來提高晶體管裝置的存儲密度是一種在不久以后將會遇到物理極限的方案。
因此人們謀求具有替代各個晶體管尺寸的逐步微型化的方案。一種用以進一步提高存儲密度的方案基于在芯片中垂直地，而不是平面地集成晶體管的基本構(gòu)思。
此時，在提高了晶體管裝置中封裝密度的情況下，用制造技術(shù)上可掌握的和物理上必要的尺寸可以制造縱向晶體管。通常將在閃蒸工藝技術(shù)中具有柵極氧化物的特定非易失性存儲單元構(gòu)成為縱向晶體管，因為這些存鍺單元需要柵極氧化物的某種厚度。其原因在于，在采用高電壓的條件下將隧道效應(yīng)用于存儲單元的編程或清除。此外，縱向晶體管在制造時提供可以自由選擇溝道長度的可能性，因此可避免在位置減小的平面晶體管上所出現(xiàn)的擊穿效應(yīng)。
然而在縱向晶體管的迄今公知的方案中基本上在芯片上僅僅垂直地制成平面晶體管結(jié)構(gòu)。因此對于公知的縱向晶體管出現(xiàn)了費事和費時的制造方法。其原因就在于，為了避免兩個晶體管主電極“源極”和“漏極”之間的擊穿效應(yīng)，溝道長度必須達到足夠大。因而這也要求晶體管控制電極“柵極”要達到足夠大的面積，以便可以可靠地控制在源極和漏極之間形成的載流子溝道。
通過具有按獨立權(quán)利要求特征的一種縱向晶體管、一種存儲裝置以及一種用于制造縱向晶體管的方法可解決所述的問題。
一種縱向晶體管具有一源區(qū)、一漏區(qū)、一柵極區(qū)、和一在源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)。源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)設(shè)置在半導(dǎo)體襯底的垂直方向上。柵極區(qū)具有一用于源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)的電絕緣。圍繞溝道區(qū)如此地設(shè)置柵極區(qū)，使得柵極區(qū)和溝道區(qū)形成一同軸結(jié)構(gòu)。
一種存儲裝置具有多個本發(fā)明的縱向晶體管，其中，在半導(dǎo)體襯底中的存儲器矩陣中彼此并列地布置縱向晶體管。
在一種用于制造縱向晶體管的方法中，首先在半導(dǎo)體襯底上形成一第一導(dǎo)電區(qū)，然后在第一導(dǎo)電區(qū)上形成一溝道區(qū)，隨后圍繞溝道區(qū)首先生成一絕緣層，并然后如此電形成一柵極區(qū)，使得一方面溝道區(qū)、絕緣層和柵極區(qū)形成一同軸結(jié)構(gòu)，而另一方面使得柵極區(qū)與第一導(dǎo)電區(qū)電絕緣。最后在溝道區(qū)上生成與柵極區(qū)電絕緣的一第二導(dǎo)電區(qū)。
下面可以看到本發(fā)明的優(yōu)點，其減小了制造方法的費事問題，同時還減小了在芯片上的本發(fā)明縱向晶體管所需要的體積。如下來實現(xiàn)這一點，基于溝道區(qū)和柵極區(qū)的同軸結(jié)構(gòu)，盡管降低了溝道長度仍然可獲得大的柵極面積。
本發(fā)明的其它優(yōu)點在于，基于同軸結(jié)構(gòu)降低了制造花費，因為可以借助對稱的處理工藝和掩膜工藝來制造同軸結(jié)構(gòu)。例如可以借助選擇性的沉淀方法、選擇性的刻蝕方法和其它自對準(zhǔn)方法來制造同軸結(jié)構(gòu)。因此可以省去制造處理過程的一部分，由此使處理費用大大降低。
基于本發(fā)明縱向晶體管的同軸結(jié)構(gòu)，可獲得在平行于半導(dǎo)體襯底表面方向上減小縱向晶體管位置需求的優(yōu)點。因此可以在具有多個本發(fā)明縱向晶體管的存儲裝置中獲得一種高的封裝密度。因此基于具有多個本發(fā)明縱向晶體管的存儲裝置的未來的存儲模塊可以存儲直至一個Gbit的數(shù)據(jù)量。
在按本發(fā)明的縱向晶體管中，最好借助可施加到柵極區(qū)上的電位，使在溝道區(qū)中的源區(qū)和漏區(qū)之間構(gòu)成的載流子溝道是可同軸收縮的。這具有的優(yōu)點在于，可以精確地控制載流子溝道的位置，以及在載流子溝道中所傳輸?shù)妮d流子，并因而可以精確地控制載流子溝道中流動的電流。此外，基于同軸收縮的同軸結(jié)構(gòu)保證了在源區(qū)和漏區(qū)之間分布的載流子溝道的可靠控制。因此可以避免在源區(qū)和漏區(qū)之間所不期望的載流子擊穿。
按照本發(fā)明縱向晶體管的一個實施例，在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的電絕緣具有一由電絕緣層組成的層序列，所述的層序列具有一由兩邊界層界定的中間層。由此，設(shè)置了用于存儲電載流子的中間層。此時，電絕緣層最好是一種由一第一氧化物層、一氮化物層和一第二氧化物層組成的氧化物-氮化物-氧化物層序列。
最好在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間電絕緣的中間層的一定區(qū)域中存儲電載流子。在一種氧化物-氮化物-氧化物層序列中，則可以在氮化物層的一定區(qū)域中存儲電載流子。
在按照本發(fā)明方法的一種優(yōu)選實施形式中，可獲得一種由電絕緣層組成的層序列作為溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的絕緣層。最好在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的絕緣層的一定區(qū)域中存儲電載流子。
在按照本發(fā)明方法的一種優(yōu)選的改進方案中，在溝道區(qū)中的第一導(dǎo)電區(qū)和第二導(dǎo)電區(qū)之間構(gòu)成一種可以借助可施加到柵極區(qū)上的電位來同軸收縮的載流子溝道。
最好獲得一種由一第一氧化物層、一氮化物層和一第二氧化物層組成的氧化物-氮化物-氧化物層序列作為溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的絕緣層。然后在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的氮化物層的一定區(qū)域中存儲電載流子。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。其中，相同的參考符號表示相同的部分。
附圖中圖1表示按本發(fā)明實施例的縱向晶體管的垂直截面圖；圖2表示按本發(fā)明實施例的縱向晶體管的水平截面圖；圖3表示按本發(fā)明實施例在制造期間第一時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖4表示按本發(fā)明實施例在制造期間第二時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖5表示按本發(fā)明實施例的制造期間第三時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖6表示按本發(fā)明實施例的制造期間第四時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖7表示按本發(fā)明實施例的制造期間第五時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖8表示按本發(fā)明實施例的制造期間第六時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖9表示按本發(fā)明實施例的制造期間第七時刻的縱向晶體管的垂直截面圖；圖10表示一種具有多個按本發(fā)明實施例的縱向晶體管的存儲裝置的水平截面圖。
具體實施例方式
附圖1表示按本發(fā)明實施例的縱向晶體管100的垂直截面圖。
在由硅制的半導(dǎo)體襯底100中，在縱向晶體管的范圍中形成源區(qū)103的第一位線設(shè)置在主側(cè)面102上。按該實施例采用將低歐姆的摻雜原子注入到半導(dǎo)體襯底100中而制成源區(qū)103。按該實施例將砷原子或磷原子用作為摻雜原子。在存儲矩陣中的具有多個縱向晶體管100的裝置上，可以將源區(qū)103作為所有縱向晶體管100而埋入的貫通源區(qū)103。
一種圓柱對稱地圍繞垂直于主側(cè)面102取向的對稱軸布置(未示出)的溝道區(qū)104位于源區(qū)103上。按本發(fā)明所示實施例，溝道區(qū)104具有數(shù)量級為150nm的直徑，并具有最小為150nm的垂直于主側(cè)面102方向的尺寸。溝道區(qū)104的垂直于主側(cè)面102方向的尺寸也稱為溝道長度。
由一第一氧化物層105、一氮化物層106和一第二氧化物層107組成的層序列，以及一柵極區(qū)108平行于主側(cè)面102地包圍溝道區(qū)104。借助層序列105，106，107將柵極區(qū)108與溝道區(qū)104以及與半導(dǎo)體襯底101，尤其是與源區(qū)103電絕緣。溝道區(qū)104、層序列105，106，107和柵極區(qū)108一起形成一種同軸結(jié)構(gòu)。由此，同軸結(jié)構(gòu)具有平行于主側(cè)面102方向，并徑向地對準(zhǔn)溝道區(qū)104對稱軸的同軸方向。
向上平行于主側(cè)面102所界定溝道區(qū)104的漏區(qū)109位于溝道區(qū)104上。所述的漏區(qū)109與第二位線(未表示的)電連接，并與柵極區(qū)108電絕緣。在源區(qū)103和漏區(qū)109之間可以將電壓施加在兩個位線上而在溝道區(qū)104中構(gòu)成一載流子溝道。
為了控制載流子溝道，可以借助電的場效應(yīng)影響溝道區(qū)104的電位而施加到柵極區(qū)108上。另外，可以在層序列105，106，107的氮化物層106中存儲載流子，由此在氮化物層106中產(chǎn)生一存儲有載流子110的環(huán)。不僅存儲有載流子110的環(huán)，而且施加到柵極區(qū)108上的電位均會導(dǎo)致同軸收縮，并因此對溝道區(qū)104中載流子溝道實施控制。
在一種合適的徑向重疊的同軸溝道收縮111上，可以完全抑制源區(qū)103和漏區(qū)109之間的載流子流，即縱向晶體管100中電流是不再可能有了。以這種方式盡管短的溝道長度，也仍然可以避免縱向晶體管100中所不期望的擊穿效應(yīng)。
在氮化物層106中用所述效應(yīng)的“溝道熱電子注入”代替通常的Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)來生成所存儲載流子110的環(huán)。由此，將是很迅速的，而因此熱的載流子從源區(qū)103出發(fā)經(jīng)溝道區(qū)106注入氮化物層106中。在那里載流子會被收集并存儲在電絕緣層之間，特別是在兩種起絕緣邊緣層作用的氧化物層105，107之間。
附圖2中示出了按本發(fā)明實施例的縱向晶體管100的水平截面圖。
在該圖中示出了溝道區(qū)104、層序列105，106，107和柵極區(qū)108的同軸結(jié)構(gòu)。此外，在半導(dǎo)體襯底101的主側(cè)面102上可以看見在縱向晶體管100的區(qū)中用作為源區(qū)103的第一位線201。第二位線(未表示的)和漏區(qū)109的情況相似于第一位線201和源區(qū)103。在該實施例中，兩根字線202電連接在柵極區(qū)108上。在縱向晶體管100之外，第一位線201和字線202用以將縱向晶體管100連接到一電子電路上。
下面將按步驟說明一種用于制造縱向晶體管100的方法。
附圖3表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第一時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
首先借助將砷原子或磷原子注入到硅制的半導(dǎo)體襯底100中形成一源極層301和一漏極層302，另外，也可選擇地借助鍵合不同的層結(jié)構(gòu)來生成源極層301和漏極層302。按本發(fā)明該實施例，源極層301具有如下的特性，使得它伸出縱向晶體管100的范圍，并在以后承擔(dān)第一位線201的功能。另外，也可選擇地設(shè)置源極層301作為局部埋入的源極接點。
附圖4表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第二時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
借助刻蝕過程去除漏極層302以及源極層301上半導(dǎo)體襯底101的部分，借助刻蝕方法如此地結(jié)構(gòu)化源極層301，使得在余下的半導(dǎo)體襯底101上剩下具有集成的源區(qū)103的第一位線201。在刻蝕過程之后，使圓柱形的中央?yún)^(qū)401位于源區(qū)103上，該源區(qū)103相對于對稱軸402是圓柱對稱的。由現(xiàn)在形成漏區(qū)109的漏極層302的殘余物平行于源區(qū)103界定圓柱形的中央?yún)^(qū)401。
隨后將硼原子擴散到圓柱形的中央?yún)^(qū)中，并借助退火過程嵌入現(xiàn)有硅晶格中，因而在圓柱形的中央?yún)^(qū)401中形成能夠?qū)щ娸d流子的溝道區(qū)104。
圖5表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第三時刻的縱向晶體管的垂直截面圖。
在溝道區(qū)104上以及在漏區(qū)109和第一位線201上，形成由一第一氧化物層105、一氮化物層106和一第二氧化物層107組成的層序列。此時，選擇二氧化硅(SiO2)為兩種氧化物層105，107的材料，而選擇氮化硅(Si3N4)為氮化物層106的材料。由此，層序列105，106，107對于溝道區(qū)104起電絕緣層的作用。
附圖6中表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第四時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
在層序列105，106，107上整個析出多晶硅用于形成一種字線層601。另外也可選擇地采用其他導(dǎo)電材料用以形成字線層601。例如可以在層序列105，106，107上首先析出一層薄的多晶硅層。隨后在薄的多晶硅層上設(shè)置一硅化物層，即由金屬硅化合物制的層，其中，薄的多晶硅層然后與硅化物層一起形成字線層601。
附圖7表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第五時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
刻蝕字線層601，用于形成柵極區(qū)108以及連接在其上的字線202。此時，在縱向晶體管100的區(qū)域中，在光刻過程中結(jié)構(gòu)化的掩膜如此圓形地覆蓋字線層601，使得在刻蝕過程期間圓柱對稱地圍繞對稱軸402形成柵極區(qū)108。刻蝕過程在暴露出第一位線201表面的瞬間終止。因此也將平行于第一位線201的層序列105，106，107限制在由掩膜規(guī)定的直徑上。此外，在漏區(qū)109以上局部地去除字線層601以及層序列105，106，107，用于暴露出漏區(qū)109。
附圖8表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第六時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
在所產(chǎn)生的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成一整體電絕緣801。該電絕緣801既防止在縱向晶體管100之內(nèi)的，也防止由縱向晶體管100向周圍環(huán)境的電串?dāng)_。
附圖9表示在按本發(fā)明實施例的制造期間第七時刻的縱向晶體管100的垂直截面圖。
在電絕緣801中刻蝕接觸孔901，直到暴露出漏區(qū)109部分時為止。隨后在電絕緣801上和接觸孔901上形成一金屬化平面。借助接觸孔901與漏區(qū)109的電接觸，使第二位線902分布在金屬化平面中。
附圖10表示一種具有多個按本發(fā)明實施例的縱向晶體管的存儲裝置的水平截面圖。
該圖與圖2所示不同之處在于，在半導(dǎo)體襯底100上設(shè)置具有多個縱向晶體管100的存儲裝置1000來代替單一的縱向晶體管100。對于ONO層序列1001的詳細情況清參閱附圖1和附圖2。
由此制成的存儲裝置1000，使得可以列和行布置縱向晶體管100。此時，由一貫通字線1002彼此電連接一列之內(nèi)的縱向晶體管100的柵極區(qū)108。由一貫通位線1003彼此電連接一行之內(nèi)的縱向晶體管100的源區(qū)103。也由一其它(未表示的)貫通位線彼此電連接多個縱向晶體管100的漏區(qū)109。
權(quán)利要求
1.縱向晶體管·具有一源區(qū)，·具有一漏區(qū)，·具有一柵極區(qū)，和·具有一在源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)，·其中，在半導(dǎo)體襯底中的垂直方向上設(shè)置源區(qū)、溝道區(qū)和漏區(qū)，·其中，柵極區(qū)具有對源區(qū)、對漏區(qū)和對溝道區(qū)的電絕緣，和·其中，柵極區(qū)(104)是如此地圍繞溝道區(qū)布置的，使得柵極區(qū)和溝道區(qū)(104)形成一種同軸結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1的縱向晶體管，其中，溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的所述的電絕緣是由電絕緣層組成的層序列。
3.按權(quán)利要求1或2的縱向晶體管，其中，借助一種可施加到柵極區(qū)上的電位可以同軸收縮在溝道區(qū)中的源區(qū)和漏區(qū)之間構(gòu)成的電載流子溝道。
4.按權(quán)利要求1至3之一的縱向晶體管，其中，在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的所述電絕緣的一定區(qū)域中可以存儲電載流子。
5.按權(quán)利要求1至4之一的縱向晶體管，其中，溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的所述的電絕緣是一由一第一氧化物層、一氮化物層和一第二氧化物層組成的氧化物-氮化物-氧化物層序列。
6.按權(quán)利要求5的縱向晶體管，其中，在氮化物層的一定區(qū)域中可以存儲電載流子。
7.具有多個按權(quán)利要求1至6之一的縱向晶體管的存儲裝置，其中，在半導(dǎo)體襯底中的存儲器矩陣中彼此并列地布置了所述的縱向晶體管。
8.一種用于制造縱向晶體管的方法，·其中，在一半導(dǎo)體襯底上生成一第一導(dǎo)電區(qū)，·其中，在所述的第一導(dǎo)電區(qū)上生成一溝道區(qū)，·其中，圍繞所述的溝道區(qū)首先如此地生成一絕緣層，并且然后如地此生成一種柵極區(qū)，使得所述的溝道區(qū)、所述的絕緣層和所述的柵極區(qū)形成一同軸結(jié)構(gòu)，并使得所述的柵極區(qū)與所述的第一導(dǎo)電區(qū)電絕緣，和·其中，在所述的溝道區(qū)上生成一與所述的柵極區(qū)電絕緣的第二導(dǎo)電區(qū)。
9.按權(quán)利要求8的方法，其中，生成一由電絕緣層組成的層序列作為溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的絕緣層。
10.按權(quán)利要求8或9的方法，其中，在所述的溝道區(qū)中的第一導(dǎo)電區(qū)和第二導(dǎo)電區(qū)之間，構(gòu)成借助可施加到所述溝道區(qū)上的電位可以同軸收縮的載流子溝道。
11.按權(quán)利要求8至10之一的方法，其中，在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的所述絕緣層的一定區(qū)域中存儲電載流子。
12.按權(quán)利要求8至11之一的方法，其中，生成一由一第一氧化物層、一氮化物層和一第二氧化物層組成的氧化物-氮化物-氧化物層序列作為在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的絕緣層。
13.按權(quán)利要求12的方法，其中，在溝道區(qū)和柵極區(qū)之間的所述氮化物層的一定區(qū)域中存儲電載流子。
全文摘要
一種縱向晶體管(100)，具有設(shè)置在半導(dǎo)體襯底(101)中的垂直方向上的一源區(qū)(103)、一漏區(qū)(109)、一柵極區(qū)(108)、和一在源區(qū)(103)與漏區(qū)(109)之間的溝道區(qū)(104)，其中，柵極區(qū)(104)具有對源區(qū)(103)、對漏區(qū)(109)、和對溝道區(qū)(104)的電絕緣，并且是如此地圍繞溝道區(qū)(104)設(shè)置的，使得柵極區(qū)(108)和溝道區(qū)(104)形成一同軸結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L21/28GK1400669SQ0213151
公開日2003年3月5日 申請日期2002年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者P·哈格梅耶 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司