具有u形管狀溝道的無pn結(jié)晶體管的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，在SOI晶圓表面的晶圓氧化層上方形成具有三維幾何特征的U形管狀溝道的硅體、U形管狀溝道的硅體的表面形成的具有三維幾何特征的二氧化硅絕緣層、絕緣層表面形成的具有三維幾何特征的柵電極、以及在U形管狀溝道的硅體兩端的垂直溝道部分的上表面形成源電極和漏電極。由于U形管狀溝道的硅體的內(nèi)部具有統(tǒng)一的摻雜類型，因而無需形成PN結(jié)。從晶圓表面俯視觀看，柵電極呈漢字“日”字型。本實(shí)用新型具有集成度高、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，適合于深納米級(jí)集成電路的制造，適于推廣應(yīng)用。
【專利說明】具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超大規(guī)模集成電路制造領(lǐng)域，涉及一種適用于超高集成度集成電路制造的一種具有三維U形管狀溝道的基于SOI晶圓的無PN結(jié)型絕緣柵場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)MOSFETs器件當(dāng)溝道長度減小至100納米以下時(shí)，所引發(fā)的短溝道效應(yīng)對(duì)其工作性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。而基于多柵結(jié)構(gòu)的MOSFET器件，因其柵電極作用于溝道區(qū)域的多個(gè)方向，使得自由電荷數(shù)量被更有效的加以控制，因而對(duì)比傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)，更好地控制源/漏電場向溝道區(qū)的穿透，部分抑制了由于柵極長度減小所帶來的短溝道效應(yīng)。同時(shí)，由尺寸減小所帶來的另一負(fù)面效應(yīng)，是對(duì)于短溝道器件需要極陡的源極和漏極結(jié)的形成，這使得在幾個(gè)納米的距離內(nèi)要實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)量級(jí)的濃度差，這樣的濃度梯度對(duì)于摻雜和熱處理工藝有極高的要求。通過在SOI晶圓上制成的無源/漏PN結(jié)的場效應(yīng)晶體管可有效解決上述問題，其采用多子導(dǎo)通，器件的阻斷是通過柵極的控制，由于硅薄膜足夠薄，可通過對(duì)柵極加反向偏壓，將溝道區(qū)域的多子耗盡，從而實(shí)現(xiàn)器件的阻斷狀態(tài)。隨著柵極偏壓的增大，溝道區(qū)域的多子耗盡解除，并在界面處形成多子積累以實(shí)現(xiàn)器件的開啟。為提高這種無PN結(jié)場效應(yīng)晶體管的工作特性，一方面需要將這種晶體管的硅體薄膜厚度做得足夠薄以使得溝道區(qū)域的多子易于被耗盡，另一方面需要柵極對(duì)溝道電勢具有更強(qiáng)的控制能力以實(shí)現(xiàn)更好的轉(zhuǎn)移特性。綜上，多柵極技術(shù)和無PN結(jié)技術(shù)改善了亞100納米級(jí)MOSFETs器件的性能和工藝。然而，當(dāng)物理溝道長度進(jìn)一步縮減至20nm以下時(shí)，多柵結(jié)構(gòu)的MOSFETs器件克服短溝道效應(yīng)的能力也會(huì)明顯下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的
[0004]本實(shí)用新型涉及一種具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，其目的是提供一種適用于高性能、深納米級(jí)高集成度集成電路的具有三維U形管狀溝道的基于SOI晶圓的無PN結(jié)型絕緣柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。
[0005]技術(shù)方案
[0006]本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，包括晶圓氧化層，其特征在于:S0I晶圓的晶圓氧化層上方為具有U形管狀溝道的硅體，具有U形管狀溝道的硅體的表面為二氧化硅絕緣層，二氧化硅絕緣層表面為柵電極，在具有U形管狀溝道的硅體的兩端分別為源電極和漏電極。
[0008]與源電極和漏電極歐姆接觸的具有U形管狀溝道的硅體的兩端、以及具有U形管狀溝道的硅體的內(nèi)部具有統(tǒng)一的摻雜類型，而無需形成PN結(jié)。
[0009]柵電極包圍具有U形管狀溝道的硅體的全周，柵電極的結(jié)構(gòu)呈漢字“日”字型。[0010]優(yōu)點(diǎn)及效果
[0011]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0012]本實(shí)用新型提出一種具有三維U形管狀溝道的基于SOI晶圓的無PN結(jié)型絕緣柵場效應(yīng)晶體管，在不降低器件工作特性的前提下，實(shí)現(xiàn)器件水平方向物理柵極長度可進(jìn)一步減小。所實(shí)用新型的U形管狀溝道結(jié)構(gòu)，在不占用更多芯片面積的前提下，有效延長溝道的實(shí)際長度，并在縱向空間上利用源、漏極電極的下方的幾何空間生成控制U形管狀溝道的垂直溝道部分的柵電極。因此可以實(shí)現(xiàn)適用于具有高性能的深納米級(jí)高集成電路單元。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型三維立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是本實(shí)用新型的三維立體半剖面圖；
[0015]圖3是剝離柵電極之后的三維立體半剖面圖；
[0016]圖4是本實(shí)用新型的二維平面俯視圖；
[0017]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一的流程圖；
[0018]圖6-圖10是本發(fā)明實(shí)施例一各步驟器件結(jié)構(gòu)圖，其中:
[0019]圖6為步驟一的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖7為步驟二的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖8為步驟三的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖9為步驟四的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖10是步驟五的器件結(jié)構(gòu)圖。
[0024]附圖標(biāo)記說:
[0025]1、晶圓氧化層；2、具有U形管狀溝道的硅體；3、二氧化硅絕緣層；4、柵電極；5、源電極；6、漏電極。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本實(shí)用新型是一種具有三維U形管狀溝道的無PN結(jié)絕緣柵晶體管，在不降低器件工作特性的前提下，實(shí)現(xiàn)器件水平方向物理柵極長度可進(jìn)一步減小。所實(shí)用新型的U形管狀溝道結(jié)構(gòu)，在不占用更多芯片面積的前提下，有效延長溝道的實(shí)際長度，并在縱向空間上利用源、漏極電極的下方的幾何空間生成控制U形管狀溝道的垂直溝道部分的柵電極。因此可以實(shí)現(xiàn)適用于具有高性能的深納米級(jí)高集成電路單元。
[0027]本實(shí)用新型所述的這種具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，包括晶圓氧化層1，SOI晶圓的晶圓氧化層I上方為具有U形管狀溝道的硅體2，具有U形管狀溝道的硅體2的表面附有二氧化硅絕緣層3，二氧化硅絕緣層3表面附有柵電極4，在具有U形管狀溝道的娃體2的兩端分別為源電極5和漏電極6。
[0028]與源電極5或漏電極6歐姆接觸的具有U形管狀溝道的硅體2的兩端，以及具有U形管狀溝道的硅體2的內(nèi)部具有統(tǒng)一的摻雜類型，而無需形成PN結(jié)。
[0029]二氧化硅絕緣層3表面形成的柵電極4包圍具有U形管狀溝道的硅體2的全周，從晶圓表面俯視，柵電極4的結(jié)構(gòu)呈漢字“日”字型。
[0030]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明:[0031]以N型摻雜的具有三維U形管狀溝道的基于SOI晶圓的無PN結(jié)型絕緣柵場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示，在SOI晶圓的晶圓氧化層I的上方的硅薄膜層上通過刻蝕等工藝，在晶圓的垂直方向上形成具有U形管狀溝道的硅體2，并在具有U形管狀溝道的硅體2的周圍及表面形成二氧化硅絕緣層3，再在二氧化硅絕緣層3的表面淀積多晶硅生成柵電極4，具有U形管狀溝道的硅體2兩端的上表面分別生成源電極5和漏電極6。圖2和圖3分別為用于進(jìn)一步說明具本實(shí)用新型晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維立體半剖面圖和剝離柵電極之后的三維立體半剖面圖。從圖2和圖3可以清楚地看到位于柵電極4下方的具有U形管狀溝道的硅體2的具體結(jié)構(gòu)樣式，從圖3可以更清楚地看到在具有U形管狀溝道的硅體2的表面周圍所生成的二氧化硅絕緣層3的具體樣式。圖4為本實(shí)用新型的二維平面俯視圖。從圖4可以看出，對(duì)比于傳統(tǒng)MOSFETs器件，所提出的新型器件并沒有額外地增加芯片面積，其水平方向的柵極部分長度和傳統(tǒng)平面MOSFETs器件相當(dāng)，但由于其在源電極5及漏電極6所在位置增加了垂直于芯片平面方向的溝道部分，并采用四周包圍的管狀結(jié)構(gòu)的柵電極4對(duì)其加以控制，使得其對(duì)比傳統(tǒng)MOSFETs器件在占用同樣芯片面積的前提下，具有更長的物理溝道和更強(qiáng)的柵控能力。
[0032]具有U形管狀溝道的硅體2，其溝道由兩條垂直于硅片的部分及類似于傳統(tǒng)MOSFETs晶體管的水平溝道部分所組成。其優(yōu)點(diǎn)在于由于其兩條垂直于硅片的溝道部分分別置于源電極5和漏電極6的下方，因此不額外占用更多的芯片面積，同時(shí)有效地延長了溝道的長度。對(duì)于水平溝道部分，硅薄膜厚度及寬度均應(yīng)設(shè)置在25nm以下，這樣較易實(shí)現(xiàn)載流子耗盡。水平溝道的長度，即源電極5和漏電極6之間的距離可以設(shè)置在IOnm以下。位于源電極5和漏電極6以下的兩條晶圓垂直方向上的溝道，其溝道長度可以設(shè)置在IOnm或以上，這樣可以保證有效溝道長度至少在20nm以上，垂直溝道的寬度或厚度和水平溝道部分一致，應(yīng)設(shè)置在25nm以下，這樣易于實(shí)現(xiàn)晶體管關(guān)斷狀態(tài)下載流子的耗盡。位于源電極5和漏電極6下方，即具有U形管狀溝道的硅體2兩端的上表面附近的區(qū)域，用于形成源漏歐姆接觸，其摻雜濃度應(yīng)設(shè)置在I X IO20 Cm-3以上。除此之外具有U形管狀溝道的硅體2的其它部分其摻雜濃度范圍可設(shè)置在I X IO15 cm_3?5 X IO19 cm_3之間。摻雜濃度的大小可對(duì)器件的開啟電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0033]二氧化硅絕緣層3處于具有U形管狀溝道的硅體2和柵電極4之間，厚度可設(shè)置在0.5nm?1.5nm之間。由于二氧化硅絕緣層3生成在具有U形管狀溝道的硅體2的垂直于SOI晶圓的垂直溝道部分的四周以及平行于SOI晶圓的水平溝道部分的四分之三表面，使得淀積于其表面的柵電極4對(duì)溝道電勢分布具有極好的控制效果，從而有利于器件在阻斷狀態(tài)下有效排除載流子。
[0034]如圖5所示，是本實(shí)用新型具有U形管狀溝道的無PN結(jié)型絕緣柵晶體管的制造方法流程圖。
[0035]上述具有U形管狀溝道的無PN結(jié)型絕緣柵晶體管的制造方法，是以N型溝道為例進(jìn)行說明的，步驟如下:
[0036]步驟一、如圖6所示，首先提供一雜質(zhì)濃度在I X IO15 cm_3?5 X IO19 cm_3之間的N型SOI晶圓。對(duì)N型SOI硅片的表面硅薄膜厚度進(jìn)行減薄。
[0037]步驟二、刻蝕出如圖7所示的硅薄膜樣式，其中兩個(gè)凸起部分用以形成垂直溝道區(qū)域。[0038]步驟三、進(jìn)一步刻蝕出如圖8所示具有三維結(jié)構(gòu)特征的具有U形管狀溝道的硅體2，從步驟二到步驟三，被刻蝕掉部分為后續(xù)步驟生成的二氧化硅絕緣層3、柵電極4及器件單元之間的阻擋介質(zhì)層的形成預(yù)留出空間。
[0039]步驟四、通過氧化，在具有U形管狀溝道的硅體2表面形成二氧化硅層，形成如圖9所示結(jié)構(gòu)。此時(shí)步驟三所形成的具有U形管狀溝道的硅體2完全被二氧化硅層所包裹。
[0040]步驟五、在步驟四的基礎(chǔ)上淀積多晶硅，通過拋平表面去掉位于具有U形管狀溝道的硅體2的垂直溝道部分的上表面以上所形成的二氧化硅層和多晶硅層，使具有U形管狀溝道的硅體2和二氧化硅絕緣層3露出如圖10所示的上表面。并去掉位于器件周圍的部分多晶硅層，為器件單元之間的阻擋介質(zhì)層預(yù)留空間。通過磷或砷的低能條件下的離子注入，在垂直溝道兩端表面形成高濃度的N型區(qū)域，使其濃度值為I X IO20 cm-3或更高，通過以上步驟生成如圖10所示結(jié)構(gòu)。
[0041]步驟六、淀積絕緣介質(zhì)，包覆柵電極4并形成器件單元之間阻擋介質(zhì)層；形成源、漏接觸孔并注入金屬以形成源電極5和漏電極6 ;最終生成器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
【權(quán)利要求】
1.一種具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，包括晶圓氧化層(1)，其特征在于:SOI晶圓的晶圓氧化層(I)上方為具有U形管狀溝道的硅體(2)，具有U形管狀溝道的硅體(2)的表面為二氧化硅絕緣層(3)，二氧化硅絕緣層(3)表面為柵電極(4)，在具有U形管狀溝道的硅體(2)的兩端分別為源電極(5)和漏電極(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，其特征在于:與源電極(5)和漏電極(6)歐姆接觸的具有U形管狀溝道的硅體(2)的兩端、以及具有U形管狀溝道的硅體(2 )的內(nèi)部具有統(tǒng)一的摻雜類型，而無需形成PN結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有U形管狀溝道的無PN結(jié)晶體管，其特征在于:柵電極(4)包圍具有U形管狀溝道的硅體(2)的全周，柵電極(4)的結(jié)構(gòu)呈漢字“日”字型。
【文檔編號(hào)】H01L29/78GK203521428SQ201320628698
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】靳曉詩, 劉溪, 揣榮巖 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)