專利名稱：多階式柵極結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多階式柵極結(jié)構(gòu)及其制備方法，特別是涉及一種通過(guò)半導(dǎo)體基板的多層階梯結(jié)構(gòu)增加晶體管的載流子通道長(zhǎng)度的多階式柵極結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
圖1為公知的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管10(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)。該晶體管10主要是由柵極20(由半導(dǎo)體基板12、柵氧化層14及金屬導(dǎo)電層16構(gòu)成)與兩個(gè)設(shè)置于該柵極20兩側(cè)的半導(dǎo)體基板12內(nèi)的摻雜區(qū)18(作為晶體管的漏極與源極)構(gòu)成。另外，該晶體管10還包含設(shè)置在該柵極20側(cè)壁的氮化硅間隙壁22，用來(lái)電氣隔離該柵極20。
雖然圖1所示的晶體管10已被廣泛地使用于集成電路之中，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的集成度不斷提高、元件尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)晶體管10的尺寸及載流子通道長(zhǎng)度也相對(duì)地縮小，導(dǎo)致上述兩個(gè)摻雜區(qū)18與一個(gè)設(shè)置在該柵極20下方的載流子通道24相互作用而影響該柵極20對(duì)該載流子通道24的開關(guān)控制能力，亦即導(dǎo)致所謂短通道效應(yīng)(short channel effect)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的是提供一種通過(guò)半導(dǎo)體基板多層階梯結(jié)構(gòu)增加晶體管載流子通道長(zhǎng)度的多階式柵極結(jié)構(gòu)及其制備方法，也可通過(guò)控制該多層階梯結(jié)構(gòu)的各階梯表面的柵氧化層厚度及各階梯下方的半導(dǎo)體基板內(nèi)的摻質(zhì)濃度與種類調(diào)整該多階式柵極結(jié)構(gòu)的啟始電壓。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提出一種多階式柵極結(jié)構(gòu)，其包含具有多層階梯結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板、設(shè)置于該多層階梯結(jié)構(gòu)上的柵氧化層以及設(shè)置在該柵氧化層上的導(dǎo)電層。較佳地，該多層階梯結(jié)構(gòu)各階梯表面的柵氧化層厚度不相同。此外，該多階式柵極結(jié)構(gòu)還包含多個(gè)摻雜濃度不同的摻雜區(qū)，設(shè)置在該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提出一種多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是包含提供半導(dǎo)體基板、形成多層階梯結(jié)構(gòu)在該半導(dǎo)體基板上、進(jìn)行熱氧化工藝以形成柵氧化層在該多層階梯結(jié)構(gòu)上以及進(jìn)行沉積工藝以形成導(dǎo)電層在該柵氧化層上。形成多層階梯結(jié)構(gòu)在該半導(dǎo)體基板上包含形成遮罩層在該半導(dǎo)體基板上以覆蓋預(yù)定區(qū)域的半導(dǎo)體基板，再利用該遮罩層為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板以形成第一凹部。之后，利用沉積及蝕刻工藝以形成第一間隙壁在該第一凹部的側(cè)壁，再利用該遮罩層及該第一間隙壁為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板以形成第二凹部。
此外，形成多層階梯結(jié)構(gòu)在該半導(dǎo)體基板上可另外包含進(jìn)行多次摻雜工藝，將摻質(zhì)注入該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中，其中該多次摻雜工藝的摻雜劑量及摻質(zhì)種類可不相同。申言之，該多次摻雜工藝的摻質(zhì)為含氮摻質(zhì)，其選自氮離子、氮?dú)怆x子、氧化亞氮離子及氧化氮離子組成的群，可抑制后續(xù)熱氧化工藝的反應(yīng)速率，亦即控制該柵氧化層的厚度。此外，該多次摻雜工藝的摻質(zhì)是含硼摻質(zhì)或含磷摻質(zhì)，可調(diào)整該多階式柵極結(jié)構(gòu)的啟始電壓。
與公知技術(shù)的載流子通道的采用水平結(jié)構(gòu)且其長(zhǎng)度僅約略等于該柵極的寬度相比較，本發(fā)明多階式柵極結(jié)構(gòu)的載流子通道采用多層階梯結(jié)構(gòu)且其整體長(zhǎng)度為該多層階梯結(jié)構(gòu)的寬度(W)及高度(H)的總和，顯然比公知技術(shù)具有較長(zhǎng)的載流子通道長(zhǎng)度，可有效解決短通道效應(yīng)。再者，本發(fā)明可通過(guò)在該多層階梯結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中進(jìn)行多次具有不同摻質(zhì)及摻雜劑量的摻雜工藝，可控制該柵氧化層的厚度及該多階式柵極結(jié)構(gòu)的啟始電壓(Vth)，進(jìn)而控制晶體管的效能。


圖1為公知的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管；圖2至圖8為本發(fā)明多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法；以及圖9至圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例的多層階梯結(jié)構(gòu)的制備方法。
主要元件標(biāo)記說(shuō)明10 晶體管 12 半導(dǎo)體基板14 柵氧化層16 導(dǎo)電層18 摻雜區(qū) 20 柵極22 間隙壁 24 載流子通道30 多階式柵極結(jié)構(gòu) 32 半導(dǎo)體基板34 屏蔽層 34′屏蔽層36A 第一凹部38A 摻雜區(qū)36B 第二凹部38B 摻雜區(qū)36C 第三凹部38C 摻雜區(qū)40 介電層 40′第一間隙壁42′第二間隙壁 44 多層階梯結(jié)構(gòu)46 柵氧化層48 導(dǎo)電層50 載流子通道 52 摻雜區(qū)60 多層階梯結(jié)構(gòu)62 屏蔽層62A 預(yù)定部分62B 預(yù)定部分62′屏蔽層 62″屏蔽層64A 階梯64B 階梯具體實(shí)施方式
圖2至圖8為本發(fā)明多階式柵極結(jié)構(gòu)30的制備方法。首先形成遮罩層34在半導(dǎo)體基板32(例如硅基板)上，再利用光刻蝕刻工藝去除預(yù)定部分的遮罩層34，而保留的遮罩層34′則覆蓋預(yù)定區(qū)域的半導(dǎo)體基板32。較佳地，該遮罩層34′可由與硅基板具適當(dāng)蝕刻選擇比的材料構(gòu)成，例如氧化硅等介電材料。之后，利用該遮罩層34′為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板32至預(yù)定深度以形成第一凹部36A。較佳地，完成該第一凹部36A之后，可進(jìn)行摻雜工藝，將摻質(zhì)注入該第一凹部36A下方的半導(dǎo)體基板32中以形成摻雜區(qū)38A，如圖3所示。
參考圖4，利用沉積工藝形成介電層40在該半導(dǎo)體基板32上，再進(jìn)行蝕刻工藝以形成第一間隙壁40′在該第一凹部36A的側(cè)壁。較佳地，該第一間隙壁40′可由與硅基板具適當(dāng)蝕刻選擇比的材料構(gòu)成，例如氧化硅等介電材料。之后，利用該遮罩層34′及該第一間隙壁40′為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板32至預(yù)定深度以形成第二凹部36B，其深度D2大于該第一凹部36A的深度D1。較佳地，完成該第二凹部36B之后，可進(jìn)行摻雜工藝以將摻質(zhì)注入該第二凹部36B下方的半導(dǎo)體基板32中以形成摻雜區(qū)38B，如圖5所示。
參考圖6，利用沉積工藝及蝕刻工藝形成第二間隙壁42′在該第二凹部36B的側(cè)壁。較佳地，該第二間隙壁42′可由與硅基板具適當(dāng)蝕刻選擇比的材料構(gòu)成，例如氧化硅等介電材料。之后，利用該遮罩層34′、該第一間隙壁40′及該第二間隙壁42′為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板32至預(yù)定深度以形成第三凹部36C。較佳地，完成該第三凹部36C之后，可進(jìn)行摻雜工藝以將摻質(zhì)注入該第三凹部36C下方的半導(dǎo)體基板32中以形成摻雜區(qū)38C。
參考圖7，利用蝕刻工藝去除上述遮罩層34′、上述第一間隙壁40′及上述第二間隙壁42′，即形成多層階梯結(jié)構(gòu)44(由上述第一凹部36A、上述第二凹部36B及上述第三凹部36C構(gòu)成)在該半導(dǎo)體基板32上。之后，進(jìn)行熱氧化工藝以形成柵氧化層46在該多層階梯結(jié)構(gòu)44上，以及進(jìn)行沉積工藝以形成導(dǎo)電層48在該柵氧化層46上。接著，利用光刻蝕刻工藝去除一部分柵氧化層46及導(dǎo)電層48即完成該多階式柵極結(jié)構(gòu)30，再利用該多階式柵極結(jié)構(gòu)30為摻雜遮罩進(jìn)行另一摻雜工藝以形成兩個(gè)摻雜區(qū)52(作為源極與漏極)在該多階式柵極結(jié)構(gòu)30兩側(cè)的半導(dǎo)體基板32之中，如圖8所示。申言之，該多階式柵極結(jié)構(gòu)30的載流子通道50是在該多層階梯結(jié)構(gòu)44下方的半導(dǎo)體基板32內(nèi)，其整體長(zhǎng)度為該多層階梯結(jié)構(gòu)44的寬度(W)及高度(H)的總和。
特而言之，圖3、圖5及圖6所示的摻雜工藝的摻雜劑量可不相同，即該多個(gè)摻雜區(qū)38A、38B及38C的摻雜濃度不同，且摻雜工藝不限于植入各個(gè)凹部的下方，亦可為整個(gè)對(duì)應(yīng)凹部的表面。申言之，該多次摻雜工藝的摻質(zhì)可為含氮摻質(zhì)，其選自氮離子、氮?dú)怆x子、氧化亞氮離子及氧化氮離子組成的群，可抑制后續(xù)的熱氧化工藝的反應(yīng)速率，即控制該柵氧化層46的厚度。如此，不同的摻雜劑量的含氮摻質(zhì)即可導(dǎo)致該多層階梯結(jié)構(gòu)44的各階梯表面的柵氧化層46厚度不相同，而厚度不相同的柵氧化層46可控制該多階式柵極結(jié)構(gòu)30的啟始電壓。此外，該多次摻雜工藝使用的摻質(zhì)除了前述的含氮摻質(zhì)之外，亦可選用含硼摻質(zhì)或含磷摻質(zhì)，亦即該多次摻雜工藝的摻質(zhì)種類可不相同。申言之，該含硼摻質(zhì)或含磷摻質(zhì)是用以調(diào)整該多階式柵極結(jié)構(gòu)30的啟始電壓。
圖9至圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例的多層階梯結(jié)構(gòu)60的制備方法。首先形成遮罩層62在半導(dǎo)體基板32上，再利用光刻蝕刻工藝去除預(yù)定部分62A的遮罩層62，而保留遮罩層62′則覆蓋預(yù)定區(qū)域的半導(dǎo)體基板32。較佳地，該遮罩層62是光刻膠層或介電層(例如由氧化硅或氮化硅構(gòu)成)。之后，利用該遮罩層62′為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板32即可形成一層階梯64A在該半導(dǎo)體基板32上，如圖10所示。
參考圖11，利用光刻蝕刻工藝去除預(yù)定部分62B的遮罩層62′，再利用保留的遮罩層62″為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板32以形成具有二層階梯64A、64B的多層階梯結(jié)構(gòu)60在該半導(dǎo)體基板32上，如圖12所示。申言之，通過(guò)重復(fù)圖11及圖12的工藝即可形成具有不同階梯數(shù)目的多層階梯結(jié)構(gòu)。
與公知技術(shù)的載流子通道是采用水平結(jié)構(gòu)且其長(zhǎng)度僅約略等于該柵極20的寬度相比較，本發(fā)明多階式柵極結(jié)構(gòu)30的載流子通道50采用多層階梯結(jié)構(gòu)44且其整體長(zhǎng)度為該多層階梯結(jié)構(gòu)44的寬度(W)及高度(H)的總和，顯然比公知技術(shù)具有較長(zhǎng)的載流子通道長(zhǎng)度，可有效解決短通道效應(yīng)。再者，本發(fā)明可通過(guò)在該多層階梯結(jié)構(gòu)44的制備過(guò)程中進(jìn)行多次具有不同摻質(zhì)及摻雜劑量的摻雜工藝，可控制該柵氧化層46的厚度及該多階式柵極結(jié)構(gòu)30的啟始電壓，進(jìn)而控制晶體管的效能。
本發(fā)明之技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已披露如上，然而所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明之教示及披露而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明之保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所披露者，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明之替換及修飾，并為權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是包含半導(dǎo)體基板，具有多層階梯結(jié)構(gòu)，該多層階梯結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)第一凹部與一個(gè)第二凹部；柵氧化層，設(shè)置在該多層階梯結(jié)構(gòu)上；以及導(dǎo)電層，設(shè)置在該柵氧化層上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是該多層階梯結(jié)構(gòu)的各階梯表面的柵氧化層厚度不相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是該多層階梯結(jié)構(gòu)的第一凹部深度小于第二凹部深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是另外包含多個(gè)摻雜區(qū)，設(shè)置于該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是上述多個(gè)摻雜區(qū)包含第一摻雜區(qū)，設(shè)置在該第一凹部下方的半導(dǎo)體基板中；以及第二摻雜區(qū)，設(shè)置在該第二凹部下方的半導(dǎo)體基板中，其中第二摻雜區(qū)的摻雜濃度不同于第一摻雜區(qū)的摻雜濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是上述多個(gè)摻雜區(qū)的摻質(zhì)種類不相同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)，其特征是另包含載流子通道，設(shè)置在該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中。
8.一種多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是包含下列步驟提供半導(dǎo)體基板；形成多層階梯結(jié)構(gòu)在該半導(dǎo)體基板上；進(jìn)行至少一個(gè)熱氧化工藝，形成柵氧化層在該多層階梯結(jié)構(gòu)上；以及形成導(dǎo)電層于該柵氧化層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是形成多層階梯結(jié)構(gòu)在該半導(dǎo)體基板上包含進(jìn)行多次摻雜工藝，將摻質(zhì)注入該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是上述多次摻雜工藝的摻雜劑量不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是上述多次摻雜工藝的摻質(zhì)種類不同。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是上述多次摻雜工藝的摻質(zhì)是選自氮離子、氮?dú)怆x子、氧化亞氮離子及氧化氮離子組成的群。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是該多次摻雜工藝的摻質(zhì)是含硼摻質(zhì)或含磷摻質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是形成多層階梯結(jié)構(gòu)于該半導(dǎo)體基板上包含形成遮罩層在該半導(dǎo)體基板上，該遮罩層覆蓋預(yù)定區(qū)域的半導(dǎo)體基板；利用該遮罩層為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板以形成第一凹部；形成第一間隙壁在該第一凹部的側(cè)壁；以及利用該遮罩層及該第一間隙壁為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板以形成第二凹部。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是在形成該第一間隙壁之前，另包含進(jìn)行摻雜工藝以將摻質(zhì)注入該第一凹部下方的半導(dǎo)體基板中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是還包含進(jìn)行摻雜工藝以將摻質(zhì)注入該第二凹部下方的半導(dǎo)體基板中。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是還包含下列步驟形成第二間隙壁在該第二凹部的側(cè)壁；以及利用該遮罩層、該第一間隙壁及該第二間隙壁為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板以形成第三凹部。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是形成多層階梯結(jié)構(gòu)于該半導(dǎo)體基板上包含形成遮罩層于該半導(dǎo)體基板上；利用該遮罩層為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板；去除預(yù)定部分的遮罩層；以及利用該遮罩層為蝕刻遮罩，蝕刻該半導(dǎo)體基板。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的多階式柵極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是該遮罩層是光刻膠層或介電層。
全文摘要
一種多階式柵極結(jié)構(gòu)包含具有多層階梯結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板、設(shè)置在該多層階梯結(jié)構(gòu)上的柵氧化層以及設(shè)置于該柵氧化層上的導(dǎo)電層。較佳地，該多層階梯結(jié)構(gòu)各階梯表面的柵氧化層厚度不相同。此外，該多階式柵極結(jié)構(gòu)另包含多個(gè)摻雜濃度不同的摻雜區(qū)，設(shè)置在該多層階梯結(jié)構(gòu)下方的半導(dǎo)體基板中。該各階梯下?lián)诫s區(qū)的制備是采用不同摻質(zhì)及摻雜劑量，可控制該柵氧化層的厚度及該多階式柵極結(jié)構(gòu)的啟始電壓。該多階式柵極結(jié)構(gòu)的載流子通道的整體長(zhǎng)度為該多層階梯結(jié)構(gòu)的寬度(W)及高度(H)的總和，可有效解決短通道效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101051650SQ20061007268
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者王廷熏 申請(qǐng)人:茂德科技股份有限公司