專利名稱：閾值電壓穩(wěn)定的場效應晶體管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到場效應晶體管，具體涉及低閾值電壓和提高穿通電阻的短溝道長度場效應晶體管。
在包括個人通信(例如尋呼機、蜂窩電話等)和便攜式計算機的低電壓功率應用中，場效應晶體管(FET)器件已越來越重要。由于低功耗是這些應用的主要要求，及FET器件都是設計成在小于3.5V的電源電壓下工作。但諸如閾值電壓、亞閾值漏電流、源漏寄生電容和源漏穿通之類的半導體器件參數(shù)通常限制了低功率半導體器件的性能。
當源和漏的耗盡區(qū)匯合時，通常發(fā)生源到漏的穿通。當這種情況出現(xiàn)時，柵區(qū)就不能控制溝道區(qū)中的載流子。器件基本上就成為一個短路電路并被認為是無法控制的?？朔@一問題的一個先前已知的方法是用溝道注入劑來增加均勻溝道摻雜以防止穿通。但因這種方法會損失器件性能，故這種方法對于低電壓和低功率應用來說是不可取的。為了得到有效的低功率應用，器件的閾值電壓應低于0.6V。
一個可替代的方法是保持較低的溝道摻雜濃度并在源和漏二側上以雙向方式設置高摻雜區(qū)。這些區(qū)域常稱為暈圈或穿通阻擋。該方法防止了穿通同時又保持了較低的閾值電壓(例如約0.3V)。但該方法具有電容較高且驅動能力降低(即跨導降低了)的缺點，這反過來又導致較低的開關速度。
當每個器件參數(shù)對低功率應用進行優(yōu)化時，在評估低功率器件結構時有二個方面必須加以考慮。第一方面涉及到?jīng)Q定器件性能并評估全部器件參數(shù)之間相互作用的器件物理學。例如，現(xiàn)有技術中提供了幾種可用來設定半導體器件閾值電壓的方法。在用來設定閾值電壓時，每種方法都有其優(yōu)點，但還應基于對亞閾值漏電流、穿通電壓之類的所有器件參數(shù)的影響來評定該種方法。
在評估低功率器件結構時必須考慮第二個方面，它決定所提出器件的制造可行性。再者，先前已知的設定閾值電壓的任何一種方法足以在研究環(huán)境下制造一定數(shù)量的器件。在大批量需要仔細考慮成本的生產(chǎn)設施中制造千百萬只器件時，這些已知的方法就可能是沒有效益的。用來制造低功率/低電壓器件的方法必須能容許諸如溝道長度、溝道深度或柵氧化物厚度之類的器件參數(shù)的正常工藝變更。所提出的方法應足以承受這些參數(shù)的正常變更并生產(chǎn)出在所需性能條件下工作的器件。
據(jù)此，具有一種具有低的可控制的閾值電壓的、抗穿通并且表現(xiàn)良好開關特性的FET器件，是有益的。用常規(guī)技術來提供這種FET器件，使其在現(xiàn)有結構中的集成得以簡化，這是更為有利的。


圖1示出設定閾值電壓的已知方法的摻雜分布輪廓；圖2示出采用本發(fā)明一個實施例的器件的摻雜分布輪廓；圖3-8是根據(jù)本發(fā)明的FET結構在各個制造階段中的放大剖面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的FET結構第二實施例的放大剖面圖；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的FET結構第三實施例的放大剖面圖。
在設計低功率應用的器件結構和相應的制造工藝時，有幾個問題必須加以考慮。首先，考慮與器件性能和各個器件參數(shù)相互作用有關的問題。對于低功率應用，有幾個參數(shù)是關鍵的，例如閾值電壓、亞閾值漏電流、源漏寄生電容和源到漏穿通電壓。為了低電壓工件，這些參數(shù)的每一個都應優(yōu)化。
在設計低功率晶體管時，一個更為重要的問題是其制造可行性。例如，現(xiàn)有許多設定FET閾值電壓的已知的方法。它們中的每一個對設定少量樣品器件的閾值電壓來說可能都是有效的，但在大批量生產(chǎn)中就可能無效。要做到可以制造，此技術就必須足以容許所出現(xiàn)的正常工藝變化。在低功率晶體管中，更敏感的工藝參數(shù)是柵氧化物厚度、注入?yún)^(qū)的橫向和縱向擴散、柵多晶厚度和摻雜以及溝道長度。
本發(fā)明提供了半導體器件的實施例，這種器件不僅對低功率/低電壓應用進行了優(yōu)化，而且還對大批量生產(chǎn)進行了優(yōu)化。對于低功率應用，一個更關鍵的器件參數(shù)是閾值電壓。隨著器件尺寸的進一步減小，閾值電壓變得依賴于晶體管源/漏和溝道區(qū)周圍的摻雜分布輪廓。溝道長度和注入?yún)^(qū)外擴散的稍許變化將極大地影響摻雜分布輪廓從而導致閾值電壓的變化。本發(fā)明提供了不僅設定閾值電壓，而且在正常工藝變化范圍內能提供穩(wěn)定的閾值電壓的實施例。
閾值電壓定被確為在連接源區(qū)和漏區(qū)的溝道區(qū)中形成載流子導電區(qū)時所要求的柵端電壓。為了使閾值電壓設定到可預定的數(shù)值，在本技術領域中通常是用與源區(qū)導電類型相反的摻雜劑均勻地注入溝道區(qū)。但額外摻雜劑原子在溝道區(qū)中存在會降低溝道中載流子的遷移率，這就會降低晶體管的性能，使其對于低功率/低電壓應用來說不可取。若不采用均勻溝道摻雜來設定閾值電壓，則溝道區(qū)的一個關鍵因素是源區(qū)終止而溝道區(qū)開始處的面積。這一過渡區(qū)中的摻雜分布輪廓和濃度可在決定亞微米器件閾值電壓偏離的過程中起關鍵性作用。
本發(fā)明借助于在源注入附近形成一個相反導電類型的摻雜分布輪廓，提供了一種低功率/低電壓晶體管，能夠容許源注入?yún)^(qū)中的變化。此摻雜分布輪廓在柵結構下方與源區(qū)交界面附近故意做成具有恒定的摻雜濃度。鑒此，源區(qū)邊界位置的任何變化所得到的器件仍然具有可預定的和恒定的源摻雜到溝道摻雜過渡。
圖1示出了已知的設定閾值電壓方法的典型摻雜分布輪廓并用來顯示對工藝變更的敏感性。Y軸是摻雜分布輪廓的對數(shù)，單位為每立厘米摻雜劑原子數(shù)。X軸是橫向距離，從X軸原點處柵邊緣(靠近源)開始并向右伸入溝道區(qū)。借助于描出向右延伸進入溝道區(qū)的源區(qū)10的以及閾值設定區(qū)11的濃度，可預計源區(qū)10中的變化對閾值電壓的影響。在決定低功率器件制造可行性的過程中，源區(qū)10與閾值設定區(qū)11的交點12是關鍵的。由于正常工藝變化，源區(qū)10可能進一步伸入溝道區(qū)。這一變化結果是源區(qū)10同閾值設定區(qū)11之間的交點12在圖1中進一步右移。因此，這二個區(qū)過渡處的摻雜濃度會更高。這二個區(qū)交點12的變化就是引起器件閾值電壓標準偏離高的原因。
在本發(fā)明中，形成了一個恒定的摻雜分布輪廓，使源區(qū)位置的任何變化都導致相同濃度分布輪廓的過渡區(qū)。這一恒定的摻雜分布輪廓是用形成在源區(qū)附近的多個注入?yún)^(qū)來實現(xiàn)的。在后續(xù)的熱處理之后，多個注入?yún)^(qū)的摻雜劑將重疊以形成一個在溝道區(qū)中源邊緣即交點12處基本恒定的摻雜分布輪廓。
圖2示出了采用本發(fā)明一個實施例的晶體管的摻雜分布輪廓。在此例中，二個導電類型與源區(qū)相反的暈圈注入被用來形成恒定的橫向摻雜分布輪廓。與第一暈圈注入濃度15和第二暈圈注入濃度14一起繪出源注入濃度13。在后續(xù)的熱處理之后，第一暈圈注入濃度15和第二暈圈注入濃度14在靠近源區(qū)的過渡點18處形成一個平坦的摻雜分布輪廓。源注入濃度13和平坦摻雜分布輪廓17的交點18，使源注入13的濃度和橫向位置可以變化但仍能提供恒定的可預見的過濾濃度18。
現(xiàn)在提供本發(fā)明制造P溝道結構的方法。本領域技術人員理解，這不是一種限制，借助于將P型區(qū)轉換成n型區(qū)和將n型區(qū)轉換成P型區(qū)而得到n溝結構。前面本發(fā)明討論了在源區(qū)附近形成一個恒定摻雜分布輪廓。這通常稱之為單向(unilateral)器件。應該承認，在靠近漏區(qū)的溝道區(qū)中也可形成恒定摻雜分布輪廓。處在漏與溝道交界面處的第二摻雜分布輪廓有可能改善器件的穿通電阻，但也可能增加溝道中的摻雜濃度，這會降低載流子的遷移率和器件的開關速度。在源區(qū)和漏區(qū)周圍都有摻雜分布輪廓的器件稱為雙向器件。本發(fā)明的另一實施例提供了這種器件。
圖3示出了部分完成了的根據(jù)本發(fā)明的FET結構20的局部放大部面圖。結構20包含一個第一導電類型的帶有主表面22的半導體材料本體即襯底區(qū)21。n型導電類型的雜質阱23從主表面22伸入到半導體襯底21中。制作雜質阱23的方法在本技術領域中是眾所周知的。作為例子，襯底21是一個電阻率范圍為～6Ωcm-～22Ωcm的P型襯底。雜質阱23的表面雜質濃度通常約為2.0×1016原子/cm3，而伸入襯底21的深度約為2-3μm。
在主表面22上制作一個柵介電層24。柵介電層24最好包含厚度范圍為～50A-～250A的氧化硅。在部分柵介電層24上制作一個柵層26。柵層26通常包含一個多晶硅層之類的多晶半導體層，而且作為例子，柵層26的厚度約為3000A。柵層26同主表面22和柵電極26之間的柵介電層24一起，構成一個柵結構27。柵結構27有一個代表器件源側的第一邊緣37和一個代表器件漏側的第二邊緣38。柵結構27被制作成提供溝道長度為～0.25μm-～30μm的器件。在后續(xù)熱處理過程中，在柵結構27上制作一個氧化層28。
圖4示出了進一步加工之后部分完成的FET結構20的局部放大剖面圖。在器件20的源側上制作了一個源側擴展區(qū)、摻雜區(qū)、暈圈區(qū)、穿通阻擋或單向擴展區(qū)33。圖4示出了結構20，它帶有一個形成在主表面22和部分柵結構27上以暴露源區(qū)的第一掩蔽層32。第一掩蔽層32是例如一個厚度的(例如1.0μm)光抗蝕劑層、一個介電層等。在制作掩蔽層32之后，用向主表面22中最好以0度角(即襯底21垂直于離子束)離子注入諸如砷或磷的n型摻雜劑的方法來制作n型暈圈區(qū)33。大約5.0×1012原子/cm2-1.0×1014原子/cm2的磷劑量和～30Kev-90Kev的注入能量適合于提供峰值濃度為1.0×1017原子/cm2-1.0×1018原子/cm2的n型注入?yún)^(qū)33。在將低壓單向場效應晶體管20暴露于提高了的溫度下以便將摻雜劑驅入溝道區(qū)之前，可清除掩蔽層32。例如，將襯底21加熱到～950℃-～1100℃停留～15-～60分鐘。
圖5示出了制造后期的低功率場效應晶體管20。具體地說，圖示出了結構20，它帶有一個制作在主表面22和部分柵結構27上以暴露源側37的第二掩蔽層34。掩蔽層34是例如一個厚的(例如1.0μm)光抗蝕劑層、一個介電層之類。在制作掩蔽層34之后，在第一暈圈區(qū)33之下制作第二暈圈區(qū)36。用向主表面22最好以0度角(即襯底21垂直于離子束)離子注入諸如砷或磷的n型摻雜劑的方法來制作第二注入?yún)^(qū)36。大約5.0×1012原子/cm2-1.0×1412原子/cm2的磷劑量和～30Kev-150Kev的注入能量適合于提供峰值濃度為1.0×1017原子/cm2-1.0×1018原子/cm2的n型注入?yún)^(qū)36。可執(zhí)行第二退火步驟以獲得所需的摻雜分布輪廓深度并激活注入的摻雜劑。
圖6示出了進一步加工之后的部分完成的FET結構20的局部放大剖面圖。在柵結構27附近制作了一個第二導電類型的源區(qū)29和漏區(qū)31。源區(qū)29和漏區(qū)31是用向主表面22最好以0度角(即襯底21垂直于離子束)注入諸如硼或BF2的P型摻雜劑的方法來制作的。大約1.0×1013原子/cm2-5.0×1015原子/cm2的注入劑量和 50Kev的注入能量是合適的。圖4、5和6所示的工藝步驟也可以按其它的順序進行。
圖7示出了進一步加工之后的部分完成的FET結構20的局部放大剖面圖。然后將FET結構20暴露于快速熱退火(RTA)系統(tǒng)中的高溫下。例如，襯底21被加熱到～1000℃-～1100℃停留～15-～60秒鐘。累積的熱處理將把圖6的源區(qū)29、漏區(qū)31、第一暈圈區(qū)33和第二暈圈區(qū)36驅入襯底21并激活被注入的摻雜劑。圖7示出了這一熱處理之后這些注入?yún)^(qū)的相對位置。圖6的源區(qū)29和漏區(qū)31將分別變成圖7中的源區(qū)41和漏區(qū)40，并具有進入溝道區(qū)39的第一橫向距離和低于主表面的第一縱向距離。圖6的第一暈圈區(qū)33將變成圖7中的第一暈圈區(qū)42，并具有進入溝道區(qū)39的第二橫向距離和低于主表面的第二縱向距離。圖6的第二暈區(qū)36將變成圖7中的第二暈圈區(qū)43，并具有進入溝道區(qū)39的第三橫向距離和低于主表面的第三縱向距離。
源區(qū)41和漏區(qū)40通常伸入雜質阱23一個約為0.2μm-約0.3μm的結深度，并具有約為1.0×1020原子/cm3的表面摻雜劑濃度。第一注入?yún)^(qū)42通常具有～1.0×1017原子/cm3-～1.0×1018原子/cm3的第一峰值濃度，并在柵結構27之下伸入溝道區(qū)0.05μm-0.25μm，且在主表面22下的深度為～0.3μm-0.6μm。第二注入?yún)^(qū)43通常具有～1.0×1017原子/cm3-～1.0×1018原子/cm3的第二峰值濃度，并在柵結構27之下伸入溝道區(qū)0.05μm-0.20μm，且在主表面22下的深度為～0.3μm-0.6μm。利用上述工藝，第一注入?yún)^(qū)42在表面22處將比第二注入?yún)^(qū)43更深地伸入溝道區(qū)39。由于第二注入?yún)^(qū)43具有峰值濃度比第一注入?yún)^(qū)42更低于表面22，故二個注入?yún)^(qū)將重疊并形成一個靠近源區(qū)41的平坦摻雜分布輪廓。
圖8示出了接近制造結束的結構20。利用本技術領域熟知的技術，沿氧化層28制作介電隔板46，使柵層26的側面變整齊。隔板46包含例如氮化硅之類。制作電極以提供對源區(qū)41、漏區(qū)40和柵層26的接觸。例如，用熟知的技術在源區(qū)41、漏區(qū)40和柵層26中制作硅化物44。也可能在圖7所示退火步驟之前制作介電隔板46。
在結構20上，亦即在源區(qū)41、漏區(qū)40和柵層26上，制作一個隔離層47。然后在隔離層47中制作多個窗口(未示出)以暴露源區(qū)41、漏區(qū)40和柵層26中的部分硅化物44。用熟知的技術制作源和漏電極48和51以及柵電極49以分別連接源區(qū)41、漏區(qū)40中和柵層26上的硅化物44。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的FET結構第二實施例的放大剖面圖。結構20包含一個第二源區(qū)52和一個第二漏區(qū)53，它們是用向主表面22最好以0度角(亦即襯度21垂直于離子束)離子注入諸如硼或BF2之類的P型摻雜劑而制作的。大約1.0×1014原子/cm2-～5.0×1015原子/cm2的注入劑量和 60Kev的注入能量適合于制作第三摻雜區(qū)。第二源區(qū)52和漏區(qū)53通常伸入雜質阱23一個～0.2μm-～0.4μm的結深度，且表面濃度約為1.0×1020原子/cm3。圖9所示的附加源區(qū)52和漏區(qū)53可減小FET 20的源漏電容。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的FET結構第三實施例的放大剖面圖。在前面的討論中，借助于限制暈圈區(qū)42和43只在源區(qū)52周圍形成而制作了單向器件。本領域技術人員清楚，在漏區(qū)53周圍制作暈圈區(qū)54和56也是可能的，因而也可制作圖10所示的雙向器件。暈圈區(qū)54和56通常分別在制作暈圈區(qū)42和43的相同工序中制作，并具有相似的摻雜分布和濃度。
至此應承認，本發(fā)明提供了一種FET結構及其制造方法，此方法更能容許生產(chǎn)環(huán)境中所遇到的正常工藝變化。源與溝道區(qū)之間過渡區(qū)中的摻雜濃度對控制閾值電壓來說是關鍵的。借助于在鄰接于源區(qū)的溝道區(qū)中形成一個恒定摻雜分布，器件可容許源注入?yún)^(qū)中的偏移，而仍然具有基本上相同的閾值電壓。本發(fā)明還提供了制作第二源和漏注入以進一步降低結漏和結電容的實施例。
權利要求
1.一種具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征是一個第一導電類型半導體材料并帶有一個表面(22)的襯底區(qū)(21)；一個形成在襯底區(qū)(21)中并鄰接于溝道區(qū)(39)的第二導電類型的源區(qū)(29)；一個排列在襯底區(qū)(21)中的第一注入?yún)^(qū)(33)，使第一注入?yún)^(qū)(33)在表面(22)處與源區(qū)(29)連接，且在襯底區(qū)(21)的表面(22)之下伸入溝道區(qū)(39)，此第一注入?yún)^(qū)(33)具有第一導電類型的第一濃度；以及一個排列在源區(qū)(29)和第一注入?yún)^(qū)(33)之間的、在表面(22)處伸過第一注入?yún)^(qū)(33)且進入溝道區(qū)(39)的第二注入?yún)^(qū)(36)，其中的第一注入?yún)^(qū)(33)和第二注入?yún)^(qū)(36)在與源區(qū)(29)的交點處形成一個恒定摻雜分布輪廓區(qū)，第二注入?yún)^(qū)(36)具有第一導電類型的第二濃度。
2.權利要求1的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第一濃度約為1×1017原子/cm3-1×1018原子/cm3。
3.權利要求1的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第二濃度約為1×1017原子/cm3-1×1018原子/cm3。
4.權利要求1的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，排列在源區(qū)(29)和第二注入?yún)^(qū)(36)之間的第三注入?yún)^(qū)(52)，此第三注入?yún)^(qū)(52)是第二導電類型的。
5.權利要求4的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第三注入?yún)^(qū)(52)的表面濃度約為1×1020原子/cm3。
6.權利要求1的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于一個制作在襯底區(qū)中的第二導電類型的漏區(qū)(31)；一個排列在漏區(qū)之下且延伸到漏區(qū)(31)的溝道側中的第四注入?yún)^(qū)(54)，此第四注入?yún)^(qū)(54)具有第一導電類型的第四濃度；以及一個排列在漏區(qū)(31)和第四注入?yún)^(qū)(54)之間且伸入漏區(qū)(31)的溝道側的第五注入?yún)^(qū)(56)，其中的第四和第五注入?yún)^(qū)(54、56)在同漏區(qū)相交處形成一個恒定摻雜的第二摻雜分布輪廓區(qū)，此第五注入?yún)^(qū)(56)具有第一導電類型的第五濃度。
7.權利要求6的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第四濃度約為1×1017原子/cm3-1×1018原子/cm3。
8.權利要求6的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第五濃度約為1×1017原子/cm3-1×1018原子/cm3。
9.權利要求6的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，一個排列在漏區(qū)(31)和第五注入?yún)^(qū)(56)之間的第六注入?yún)^(qū)(53)，此第六注入?yún)^(qū)(53)是第二導電類型的。
10.權利要求9的具有穩(wěn)定的閾值電壓的場效應晶體管(20)，其特征在于，第六注入?yún)^(qū)(53)的表面濃度約為1×1020原子/cm3。
全文摘要
低電壓場效應晶體管結構(20)其閾值電壓容許源注入?yún)^(qū)(41)的位置發(fā)生改變的工藝變化。源區(qū)(41)附近形成第一和第二暈圈區(qū)(33、36)，在后續(xù)熱處理之后在鄰近源區(qū)(41)的溝道區(qū)(23)形成導電類型與源區(qū)(41)相反的恒定摻雜分布輪廓。實施例只在源區(qū)(41)附近形成得到單向器件也可在源區(qū)(41)和漏區(qū)(40)附近形成摻雜分布輪廓以得到雙向器件。另一實施例在源區(qū)(41)形成第二注入?yún)^(qū)以減小結漏和電容。
文檔編號H01L29/08GK1141509SQ9610819
公開日1997年1月29日 申請日期1996年7月2日 優(yōu)先權日1995年7月7日
發(fā)明者韋達·伊爾德勒姆, 米切爾·H·卡內施洛, 迪安·道 申請人:摩托羅拉公司