專利名稱：縱向多面柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用側(cè)壁柵形式實(shí)現(xiàn)載流子縱向遷移和多面柵的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的結(jié)構(gòu)，屬于微電子器件制造的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)展迅速的集成電路近些年來(lái)越來(lái)越受到兩個(gè)方面的制約和限制其一，器件特征尺寸已十分接近其物理極限，隨之而越發(fā)顯著的各種二級(jí)效應(yīng)嚴(yán)重影響器件和電路性能；另一方面，連線電阻對(duì)集成電路速度的影響越來(lái)越嚴(yán)重。因此縱向集成即三維集成技術(shù)成為進(jìn)一步提高集成電路規(guī)模和性能的有效途徑。
縱向集成技術(shù)必須要有與之相適應(yīng)的器件才能實(shí)現(xiàn)，多面柵MOSFET正可以很好的滿足這種需求。首先多面柵的結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)MOSFET的單平面結(jié)構(gòu)，它為實(shí)現(xiàn)三維集成的立體多面引出提供了可能；其次，一定條件下的多面柵結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用了體遷移率進(jìn)行載流子的傳輸，再加上其對(duì)溝道更好的控制作用，因此包括速度、跨導(dǎo)在內(nèi)的各項(xiàng)器件性能都得到提高，各種二級(jí)效應(yīng)均能到改善和抑止。但由于多面柵結(jié)構(gòu)本身的特殊性，目前實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)一般需要SOI圓片等特殊的材料，以及諸如選擇性外延、硅硅鍵合等特殊的工藝。這必然影響了器件的可靠性、可重復(fù)性，使生產(chǎn)成本大幅增加，不利于市場(chǎng)的推廣和大規(guī)模的應(yīng)用，同時(shí)也無(wú)法滿足集成電路對(duì)器件高密度，高重復(fù)性、低失效率的基本要求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種利用側(cè)壁柵形式實(shí)現(xiàn)縱向多面柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法，應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可以解決和緩解原先實(shí)現(xiàn)多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)在材料、工藝、可靠性、可重復(fù)性和生產(chǎn)成本等諸多方面的問(wèn)題。
技術(shù)方案本發(fā)明的縱向多面柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法利用側(cè)壁柵的形式實(shí)現(xiàn)載流子的縱向遷移，自上而下分別為上源/漏區(qū)、多晶硅柵、下漏/源區(qū)的MOS三層結(jié)構(gòu)，多晶硅柵的位置位于縱向結(jié)構(gòu)上的P型硅襯底側(cè)面刻蝕出的側(cè)壁表面，為側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)；即總體結(jié)構(gòu)為在源/漏的外面設(shè)有氧化層，在源/漏極和下漏/源區(qū)之間為P型硅襯底，在P型硅襯底的側(cè)面為柵氧化層，在柵氧化層外側(cè)為多晶硅柵，P型硅襯底的下部是下漏/源區(qū)，在下漏/源區(qū)的下部是襯底。
這里給出的是NMOS結(jié)構(gòu)，PMOS結(jié)構(gòu)也類(lèi)似，不同之處在于源漏是P+摻雜區(qū)，兩個(gè)源漏區(qū)之間的襯底是N型摻雜區(qū)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)應(yīng)用不同的刻蝕版圖很容易實(shí)現(xiàn)不同的柵數(shù)目和位置，因此應(yīng)用該結(jié)構(gòu)就可以十分方便的制作出目前已有的各種單柵、雙柵、三柵和圍柵形式的器件，而且不論柵數(shù)目的多少和位置形狀如何，均通過(guò)一次光刻與刻蝕步驟確定且無(wú)多余的側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一主體結(jié)構(gòu)下的柵數(shù)目和位置形狀控制。實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的具體方法為(以NMOS為例)1、選擇P型硅襯底；2、下源/漏區(qū)制作進(jìn)行整平面的底部源/漏光刻和摻雜，對(duì)應(yīng)雙極工藝中的埋層制作，采用低擴(kuò)散系數(shù)的雜質(zhì)摻雜；3、上層半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)進(jìn)行N型外延生長(zhǎng)，厚度2～2.5μm；4、器件溝道區(qū)襯底制作進(jìn)行基區(qū)硼擴(kuò)散，作為器件的溝道區(qū)，結(jié)深Xj＝1.8～2.2μm；5、下源/漏區(qū)引出區(qū)制作進(jìn)行引出底部漏/源的深磷擴(kuò)散光刻和摻雜；6、上源/漏區(qū)制作進(jìn)行頂部漏/源光刻和注入，選用磷作為摻雜雜質(zhì)，對(duì)應(yīng)發(fā)射區(qū)的摻雜；7、雜質(zhì)分布和缺陷修復(fù)低溫退火處理；8、側(cè)壁形成加工進(jìn)行深槽光刻，刻蝕深度為1.6～1.7μm；9、側(cè)壁表面處理進(jìn)行刻蝕表面的拋光處理；10、柵區(qū)加工處理柵區(qū)光刻；11、生長(zhǎng)柵氧化層?xùn)叛趸?，柵氧化層厚?0～50nm；12、柵材料制作和處理連續(xù)進(jìn)行兩次多晶硅淀積和摻雜；13、電極引出加工制作光刻引線孔，淀積鋁并反刻；14、形成歐姆接觸和保護(hù)合金化、鈍化。
縱向結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)多面柵器件和柵數(shù)目位置的控制，而且不論柵數(shù)目的多少和位置形狀如何均通過(guò)一次光刻與刻蝕步驟即可確定且無(wú)多余的側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)；縱向多面柵MOSFET的制作工藝與主流的CMOS、BiCMOS等工藝相兼容；縱向多面柵MOSFET的溝道長(zhǎng)度不依賴于工藝線的光刻精度，而由器件的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝過(guò)程所決定。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下(a)漏/源-柵-漏/源三層縱向排列的MOS結(jié)構(gòu)，載流子實(shí)現(xiàn)縱向遷移。(b)柵的位置位于在(a)中所述縱向結(jié)構(gòu)上刻蝕出的側(cè)壁表面，為側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)。(c)不論柵數(shù)目的多少和位置形狀如何，整個(gè)側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)只需通過(guò)一次光刻與刻蝕步驟確定，且無(wú)多余的側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)。
滿足以上三個(gè)條件的結(jié)構(gòu)即應(yīng)視為該縱向多面柵MOSFET的結(jié)構(gòu)。
除此之外，整個(gè)技術(shù)方案中還需注意一些問(wèn)題，其中包括底層源/漏雜質(zhì)的反擴(kuò)散控制和計(jì)算，這對(duì)于整體器件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)、溝道長(zhǎng)度的精確定制都是具有十分重要的意義；刻蝕方法以及速率和深度的選擇，這決定了刻蝕表面的粗糙程度以及柵與底部源/漏之間的覆蓋長(zhǎng)度；刻蝕表面拋光方法的選擇，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，這要在工藝線的可超作性和拋光效果之間做一折中；硅島光刻的圖形可以是一條或是幾條邊或是圓弧，還可以是正方形、矩形、圓形或是橢圓形等各種圖形；多晶和鋁的淀積需考慮其爬越深槽的問(wèn)題，防止出現(xiàn)斷裂。
整個(gè)實(shí)現(xiàn)該縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)的工藝過(guò)程，完全與主流的CMOS、BiCMOS工藝相兼容。
有益效果長(zhǎng)期以來(lái)由于多面柵MOSFET的結(jié)構(gòu)特殊性，對(duì)該類(lèi)器件的研究開(kāi)發(fā)僅局限于科研領(lǐng)域。多面柵結(jié)構(gòu)應(yīng)用于集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)存在著與主流工藝不兼容、可重復(fù)性與可靠性差、生產(chǎn)成本高等一系列障礙。本發(fā)明中的縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)多面柵結(jié)構(gòu)和工藝的思維限制，尋找到了基于主流CMOS、BiCMOS工藝的實(shí)現(xiàn)方法，可重復(fù)性可靠性都有較大的提高，生產(chǎn)成本大幅降低。同時(shí)，縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)能夠較以往方法更方便的實(shí)現(xiàn)各種多面柵，包括單柵，雙柵，三柵，矩形或者圓形圍柵等，而且實(shí)現(xiàn)所有類(lèi)型柵的數(shù)目和位置的確定僅需一次光刻步驟，真正實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一主體結(jié)構(gòu)下柵數(shù)目和位置的方便有效控制。
本發(fā)明中的縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)MOSFET載流子水平輸運(yùn)的模式，該結(jié)構(gòu)利用側(cè)壁柵的形式實(shí)現(xiàn)載流子的縱向遷移，至上而下分別為源/漏-柵-漏/源的MOS三層結(jié)構(gòu)。相比而言，縱向多面柵MOSFET具有以下主要特點(diǎn)一、縱向結(jié)構(gòu)較水平結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)多面柵器件和柵數(shù)目的控制；二、縱向多面柵MOSFET的制作無(wú)需特殊的材料并且其工藝與主流的CMOS、BiCMOS等工藝相兼容；三、縱向多面柵MOSFET的溝道長(zhǎng)度不依賴于工藝線的光刻精度，而由器件的結(jié)構(gòu)尺寸和工藝過(guò)程所決定。
基于以上縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很明顯的可以看出本發(fā)明很好的解決了上文中提及的非縱向多面柵MOSFET所遇到的各種問(wèn)題，使多面柵結(jié)構(gòu)的制造不再因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的特殊性而困難，并易于實(shí)現(xiàn)器件的高可靠性、高重復(fù)性、低生產(chǎn)成本，很好的滿足集成電路對(duì)器件的基本要求。因此，縱向多面柵MOSFET的結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)潛力。
縱向多面柵MOSFET的結(jié)構(gòu)為真正實(shí)現(xiàn)多面柵MOSFET在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了支持和保證。


圖1是縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是基于雙極工藝實(shí)現(xiàn)的縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是基于雙極工藝實(shí)現(xiàn)的縱向多面柵MOSFET輸出特性圖。
具體實(shí)施方案對(duì)于本發(fā)明的縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了完整的基于雙極工藝的實(shí)現(xiàn)方案，并且已經(jīng)通過(guò)流水實(shí)驗(yàn)成功制造出應(yīng)用該方案的縱向結(jié)構(gòu)的單柵、雙柵、圍柵等器件而且測(cè)試出了較好的特性?；陔p極工藝實(shí)現(xiàn)縱向多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)方案的具體如下該晶體管的結(jié)構(gòu)利用側(cè)壁柵的形式實(shí)現(xiàn)載流子的縱向遷移，自上而下分別為上源/漏區(qū)1、多晶硅柵4、下漏/源區(qū)3的MOS三層結(jié)構(gòu)，多晶硅柵4的位置位于縱向結(jié)構(gòu)上的P型硅襯底2側(cè)面刻蝕出的側(cè)壁表面，為側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)；即總體結(jié)構(gòu)為在源/漏1的外面設(shè)有氧化層11，在源/漏極1和下漏/源區(qū)3之間為P型硅襯底2，在P型硅襯底2的側(cè)面為柵氧化層21，在柵氧化層21外側(cè)為多晶硅柵4，P型硅襯底2的下部是下漏/源區(qū)3，在下漏/源區(qū)3的下部是襯底5。
工藝步驟和參數(shù)如下1、選擇P型硅襯底；2、下源/漏區(qū)制作進(jìn)行整平面的底部源/漏光刻和摻雜，對(duì)應(yīng)雙極工藝中的埋層制作，采用低擴(kuò)散系數(shù)的雜質(zhì)摻雜；在P型硅襯底上進(jìn)行底部漏/源的光刻和摻雜，具體的摻雜圖形可選用整平面圖形或是雙側(cè)圖形，選用的雜質(zhì)需具有低反擴(kuò)散系數(shù)，以便于溝道長(zhǎng)度的控制，3、上層半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)進(jìn)行N型外延生長(zhǎng)，厚度2～2.5μm；在原襯底上進(jìn)行N外延生長(zhǎng)，濃度和厚度由具體的設(shè)計(jì)方案確定，4、器件溝道區(qū)襯底制作進(jìn)行基區(qū)硼擴(kuò)散，作為器件的溝道區(qū)，結(jié)深Xj＝1.8～2.2μm；5、下源/漏區(qū)引出區(qū)制作進(jìn)行引出底部漏/源的深磷擴(kuò)散光刻和摻雜；對(duì)整個(gè)外延層進(jìn)行P型雜質(zhì)摻雜，形成溝道區(qū)，6、上源/漏區(qū)制作進(jìn)行頂部漏/源光刻和注入，選用磷作為摻雜雜質(zhì)，對(duì)應(yīng)發(fā)射區(qū)的摻雜；在外延層上進(jìn)行頂部漏/源的光刻和摻雜，摻雜的方式、濃度和結(jié)深等工藝參量由具體設(shè)計(jì)方案確定，
7、雜質(zhì)分布和缺陷修復(fù)低溫退火處理；8、側(cè)壁形成加工進(jìn)行深槽光刻，刻蝕深度為1.6～1.7μm；在頂部漏/源的四周進(jìn)行深槽刻蝕，可選用RIE(reactive ion etching)或者別的方法進(jìn)行刻蝕，刻蝕的速率、深度由具體設(shè)計(jì)方案決定，9、側(cè)壁表面處理進(jìn)行刻蝕表面的拋光處理；對(duì)刻蝕表面進(jìn)行拋光和表面態(tài)密度降低處理，目前可選取的方法有(1)CMP(chemical-mechanical polishing)技術(shù)(2)側(cè)壁氧化再去除技術(shù)(3)在含氫氣氛或是惰性氣體中進(jìn)行退火處理10、柵區(qū)加工處理柵區(qū)光刻；進(jìn)行硅島光刻，確定出柵的位置和數(shù)目，11、生長(zhǎng)柵氧化層?xùn)叛趸?，柵氧化層厚?0～50nm；12、柵材料制作和處理連續(xù)進(jìn)行兩次多晶硅淀積和摻雜；多晶淀積，刻引線孔，淀積鋁并反刻鋁，13、電極引出加工制作光刻引線孔，淀積鋁并反刻；14、形成歐姆接觸和保護(hù)合金化、鈍化。
應(yīng)用該工藝步驟，我們已經(jīng)制作出了多種縱向多面柵MOSFET器件，并測(cè)試獲得了較好的特性。
權(quán)利要求
1.一種縱向多面柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于該晶體管的結(jié)構(gòu)利用側(cè)壁柵的形式實(shí)現(xiàn)載流子的縱向遷移，自上而下分別為上源/漏區(qū)(1)、多晶硅柵(4)、下漏/源區(qū)(3)的MOS三層結(jié)構(gòu)，多晶硅柵(4)的位置位于縱向結(jié)構(gòu)上的P型硅襯底(2)側(cè)面刻蝕出的側(cè)壁表面，為側(cè)壁柵結(jié)構(gòu)；即總體結(jié)構(gòu)為在源/漏(1)的外面設(shè)有氧化層(11)，在源/漏極(1)和下漏/源區(qū)(3)之間為P型硅襯底(2)，在P型硅襯底(2)的側(cè)面為柵氧化層(21)，在柵氧化層(21)外側(cè)為多晶硅柵(4)，P型硅襯底(2)的下部是下漏/源區(qū)(3)，在下漏/源區(qū)(3)的下部是襯底(5)。
2.一種如權(quán)利1所述的縱向多面柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法，其特征在于利用基于雙極工藝的實(shí)現(xiàn)方法，采用下述步驟制作器件1)選擇P型硅襯底；2)下源/漏區(qū)制作進(jìn)行整平面的底部源/漏光刻和摻雜，對(duì)應(yīng)雙極工藝中的埋層制作，采用低擴(kuò)散系數(shù)的雜質(zhì)摻雜；3)上層半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)進(jìn)行N型外延生長(zhǎng)，厚度2～2.5μm；4)器件溝道區(qū)襯底制作進(jìn)行基區(qū)硼擴(kuò)散，作為器件的溝道區(qū)，結(jié)深Xj＝1.8～2.2μm；5)下源/漏區(qū)引出區(qū)制作進(jìn)行引出底部漏/源的深磷擴(kuò)散光刻和摻雜；6)上源/漏區(qū)制作進(jìn)行頂部漏/源光刻和注入，選用磷作為摻雜雜質(zhì)，對(duì)應(yīng)發(fā)射區(qū)的摻雜；7)雜質(zhì)分布和缺陷修復(fù)低溫退火處理；8)側(cè)壁形成加工進(jìn)行深槽光刻，刻蝕深度為1.6～1.7μm；9)側(cè)壁表面處理進(jìn)行刻蝕表面的拋光處理；10)柵區(qū)加工處理柵區(qū)光刻；11)生長(zhǎng)柵氧化層?xùn)叛趸?，柵氧化層厚?0～50nm；12)柵材料制作和處理連續(xù)進(jìn)行兩次多晶硅淀積和摻雜；13)電極引出加工制作光刻引線孔，淀積鋁并反刻；14)形成歐姆接觸和保護(hù)合金化、鈍化。
全文摘要
縱向多面柵金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法是一種利用側(cè)壁柵形式實(shí)現(xiàn)載流子縱向遷移和多面柵MOSFET的結(jié)構(gòu)，該晶體管利用側(cè)壁柵的形式實(shí)現(xiàn)載流子的縱向遷移，自上而下分別為上源/漏區(qū)1、多晶硅柵4、下漏/源區(qū)3的MOS三層結(jié)構(gòu)，多晶硅柵的位置位于縱向結(jié)構(gòu)上的P型硅襯底2側(cè)面刻蝕出的側(cè)壁表面；即總體結(jié)構(gòu)為在源/漏的外面設(shè)有氧化層11，在源/漏極和下漏/源區(qū)之間為P型硅襯底，在P型硅襯底的側(cè)面為柵氧化層21，在柵氧化層外側(cè)為多晶硅柵，P型硅襯底的下部是下漏/源區(qū)，在下漏/源區(qū)的下部是襯底5。它解決了原先實(shí)現(xiàn)多面柵MOSFET結(jié)構(gòu)在材料、工藝、可靠性、可重復(fù)性和生產(chǎn)成本等諸多方面的問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1556547SQ20041001380
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2004年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月5日
發(fā)明者李偉華, 方圓, 錢(qián)莉, 李榮強(qiáng) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)