專利名稱：帶凹槽柵極的晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路晶體管，特別涉及金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管柵極。
用標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路制作而成的集成電路晶體管如MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)具有源極區(qū)、漏極區(qū)和柵極。每一個(gè)MOSFETs具有n型摻雜多晶硅柵極。源極區(qū)和漏極區(qū)注入到硅襯底中，在源極區(qū)和漏極區(qū)之間及柵電極之下形成溝道區(qū)。由于存在疊加電容，所以不希望源極區(qū)和漏極區(qū)之間具有柵疊加。也就是說(shuō)，在源極區(qū)和漏極區(qū)之間存在柵極疊加時(shí)，在柵極區(qū)和源極區(qū)/漏極區(qū)之間就會(huì)有疊加電容。因此希望疊加減少到最小。
控制柵極區(qū)和源極區(qū)/漏極區(qū)之間的疊加量需要對(duì)源極/漏極注入?yún)^(qū)進(jìn)行熱處理來(lái)滿足深度最小的要求來(lái)配合。用于控制源極和漏極之間注入空間的一種技術(shù)是利用附加在柵極側(cè)壁上的墊片，附加步驟是需要制作這些墊片。
由于上述原因和以下本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)后將很清楚的其他原因，在晶體管技術(shù)中，要求晶體管的疊加電容少，處理步驟簡(jiǎn)化。
本發(fā)明記載了以上提到的MOSFET的問(wèn)題和其它的問(wèn)題，通過(guò)閱讀和學(xué)習(xí)以下的說(shuō)明書(shū)將得到了解。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一個(gè)集成電路晶體管，它包括源極，漏極和柵極，其中柵極是由一個(gè)單層形成的并具有頂部區(qū)、底部區(qū)及第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁。第一和第二的垂直側(cè)壁有一個(gè)階梯狀表面，使得頂部區(qū)域的第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第一橫向間距大于底部區(qū)域的第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第二橫向間距。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)集成電路晶體管柵極包括一個(gè)由導(dǎo)電材料制成的單層。柵極具有一個(gè)頂部區(qū)，一個(gè)底部區(qū)及第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁。第一和第二的垂直側(cè)壁有一個(gè)階梯狀表面，使得頂部區(qū)的第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第一橫向間距大于底部區(qū)的第一和第二的相對(duì)垂直側(cè)壁之間的第二橫向間距。
在另一個(gè)實(shí)施例中，描述了一種集成電路晶體管的制作方法。該方法包括制作一導(dǎo)電材料層，對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行第一次蝕刻以確定柵極的第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁，對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行第二次蝕刻以在第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁上形成凹槽區(qū)。凹槽區(qū)位于第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁底部，以使柵極的橫截面近似成為一個(gè)T型。


圖1所示的是由直面柵極和氧化墊片形成的晶體管。
圖2是由多層材料形成的T型柵極。
圖3是一個(gè)集成電路晶體管的橫剖面圖。
圖4(a)-(f)是圖3中的晶體管的制作方法。
圖5是晶體管相對(duì)于蝕刻面上的晶體管漏電流圖。
以下關(guān)于本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明需參照作為說(shuō)明書(shū)一部分的、以圖解及實(shí)施本發(fā)明的特定實(shí)施例方式給出的相關(guān)附圖。在幾個(gè)附圖中，用相同的標(biāo)號(hào)來(lái)描述基本相同的部件。還可以應(yīng)用其它的實(shí)施例，在不背離本發(fā)明范圍的情況下，結(jié)構(gòu)、邏輯及電氣方面都可以改變。在以下的說(shuō)明書(shū)中，所用的術(shù)語(yǔ)薄膜(Wafer)和襯底包括具有形成本發(fā)明的集成電路(IC)的暴露面的所有結(jié)構(gòu)。下述的詳細(xì)說(shuō)明不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效范圍進(jìn)行限定。
在此所描述的晶體管有一個(gè)帶凹槽的柵極。凹槽形成在源極區(qū)和漏極區(qū)的上面以控制源極擴(kuò)展區(qū)和漏極擴(kuò)展區(qū)的起始注入位置。帶有凹槽的多晶硅柵極能使其從柵多晶硅層的邊緣延伸到柵氧化層結(jié)，此偏移量帶來(lái)了足夠的橫向擴(kuò)散距離從而能柵極下面不發(fā)生橫向擴(kuò)散的情況下進(jìn)行退火操作。
為了更全面地理解帶有凹槽的柵極，參照附圖1，圖1給出了由正面柵極102和氧化墊片104形成的晶體管100。首先在襯底上形成一個(gè)柵氧化層106，然后在柵氧化層上沉淀一個(gè)柵多晶硅層，再在柵多晶硅層上進(jìn)行掩摸和蝕刻即可形成柵電極102。值得注意的是，柵多晶硅層的側(cè)邊108和110是直的。然后在柵多晶硅的上面制作一個(gè)氧化層。氧化層被成型和蝕刻形成墊片104，墊片附著在柵多晶硅的直邊上。源極區(qū)112和漏極區(qū)114利用氧化墊片形成襯底從而在結(jié)區(qū)或摻雜質(zhì)區(qū)之間形成橫向擴(kuò)散。然后進(jìn)行退火操作以進(jìn)一步垂直地?cái)U(kuò)散源極區(qū)/漏極區(qū)。退火操作也會(huì)導(dǎo)致柵多晶硅下?lián)诫s劑的橫向擴(kuò)散，可以推測(cè)的是，對(duì)氧化墊片進(jìn)行沉淀、掩摸和蝕刻將會(huì)導(dǎo)致在多晶硅邊緣和襯底邊緣之間的距離發(fā)生變化。擴(kuò)展區(qū)的橫向擴(kuò)散也因此經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致柵極無(wú)法控制的重疊現(xiàn)象，這種重疊將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊加電容而導(dǎo)致晶體管性能的降低。另外，不希望有形成氧化襯底的額外處理步驟。
在圖2中描述了一個(gè)有互換柵極的晶體管。柵極的橫截面近似成“T”型。也就是說(shuō)，柵極的頂部比底部寬。晶體管柵極不是由單層導(dǎo)電材料形成的，而是需要沉淀、定型和蝕刻第二個(gè)多晶硅層116。雖然此晶體管提供了一個(gè)較大的互連導(dǎo)體，但是形成氧化墊片需要多個(gè)步驟，需要另外的柵多晶硅沉淀、定型和蝕刻來(lái)形成電極的頂部。
為了減少疊加電容，同時(shí)使處理步驟最少。在此描述了由單層導(dǎo)體材料形成的帶凹槽的柵極。參照?qǐng)D3，給出并描述了所制作的集成電路晶體管200的橫剖面圖。晶體管包括一個(gè)帶有凹槽204的柵極202。柵極通過(guò)一個(gè)柵氧化層208與襯底250分開(kāi)。源極區(qū)和漏極區(qū)212形成襯底(例如通過(guò)離子注入法)。源極區(qū)和漏極區(qū)包括擴(kuò)展區(qū)210。擴(kuò)展區(qū)之間及柵極下面的區(qū)域稱作為晶體管體或者溝道區(qū)。凹槽204能使擴(kuò)展區(qū)從凹槽的垂直表面擴(kuò)散可控距離，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)這是可以理解的。也就是說(shuō)，凹槽的深度限定了在柵極的底部和源極區(qū)/漏極區(qū)之間不會(huì)產(chǎn)生水平疊加的退火過(guò)程期間所用的橫向擴(kuò)散距離。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是可以理解的，圖3中所示的晶體管是不完整的，它還必須與源極區(qū)/漏極區(qū)和柵極進(jìn)行電氣連接。為了充分說(shuō)明本發(fā)明的要點(diǎn)，沒(méi)有給出本發(fā)明的其他特征。
柵極202由一單層形成，并且具有頂部區(qū)203，底部區(qū)205，第一垂直側(cè)壁207和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁209。第一和第二的垂直側(cè)壁有一個(gè)階梯狀表面，從而頂部區(qū)的第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第一橫向間距Y大于底部區(qū)的第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第二橫向間距X。在一個(gè)實(shí)施例中，距離Y比距離X大約大20納米，可以知道，Y和X之間的差值在包括但不限于10-40納米之間的一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化。晶體管的橫截面成T型，以插入源極區(qū)和漏極區(qū)。
參照?qǐng)D4(a)-4(f)，下面給出了帶有凹槽柵極的晶體管的制作方法。圖4(a)示出了半導(dǎo)體襯底250、柵氧化層208和材料層如摻雜多晶硅層252的橫剖面。晶體管區(qū)的襯底與相鄰的電路絕緣和根據(jù)晶體管的需要摻雜質(zhì)是可以理解的，而且是已有技術(shù)。摻雜多晶硅層252被掩摸和大容量蝕刻以限定柵極254的垂直側(cè)壁的上邊緣，如圖4(b)所示。一旦進(jìn)入柵氧化層，便在柵極的底部進(jìn)行有選擇地蝕刻以形成凹槽204，如圖4(c)所示。第二次蝕刻需要高度細(xì)致地進(jìn)行選擇，不能除去太多的柵氧化層208。這樣才能不穿透柵氧化層。在柵氧化層拐角的多晶硅層處有選擇性地進(jìn)行蝕刻以消除鈍化現(xiàn)象，從而橫向蝕刻多晶硅柵極以形成凹槽204。在選擇蝕刻過(guò)程中，橫向蝕刻速度接近飽和以便能夠統(tǒng)一控制橫向蝕槽。這樣凹槽的形成接近于自我控制。對(duì)大容量多晶硅進(jìn)行選擇蝕刻的過(guò)程中，因?yàn)槲g刻控制參數(shù)的變化，所以可以認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的步驟。選擇性蝕刻是一個(gè)低壓力高功率的蝕刻，所持續(xù)時(shí)間大約等于大容量多晶硅蝕刻的持續(xù)時(shí)間，大約需要20-40秒的時(shí)間。
在一個(gè)實(shí)施例中，選擇性的蝕刻使用的是商業(yè)上可買(mǎi)得到的日立M511等離子蝕刻機(jī)，生產(chǎn)中的工序是按照表1中的設(shè)置進(jìn)行的。
表1
第一次蝕刻過(guò)程或者穿透蝕刻過(guò)程除去表面上的氧化物。大容量蝕刻除去柵氧化層的多晶硅。當(dāng)除去所有的多晶硅后，通過(guò)測(cè)量蝕刻容器中的化學(xué)氣體來(lái)確定蝕刻的終點(diǎn)(EP)。蝕刻步驟1使多晶硅的側(cè)面變平，同上面所限定的凹槽一起形成最終的形狀?？蛇x的蝕刻步驟2用來(lái)除去蝕刻步驟1之后多晶硅上的任何殘留物。
參照?qǐng)D4(d)，形成多晶硅柵極凹槽的外形以后，進(jìn)行淺注入操作以形成源極區(qū)和漏極區(qū)的擴(kuò)展區(qū)。注入操作從柵極的底部被橫向地隔開(kāi)。也就是，柵極頂部通過(guò)限定橫向邊界來(lái)規(guī)定淺注入?yún)^(qū)的形狀，以使注入?yún)^(qū)不會(huì)擴(kuò)展到柵極的下邊。因此注入?yún)^(qū)基本不會(huì)擴(kuò)展到柵極以下及利用柵極的頂部區(qū)域203的側(cè)壁表面限定的垂直平面257和258之外。
源極區(qū)和漏極區(qū)的擴(kuò)展區(qū)必須垂直延伸進(jìn)襯底最小的深度以減少電流擴(kuò)散電阻。因此可對(duì)淺注入物進(jìn)行熱處理，或者進(jìn)行退火處理，進(jìn)一步擴(kuò)散垂直注入?yún)^(qū)，圖4(e)所示。退火操作也會(huì)使注入?yún)^(qū)橫向擴(kuò)散。通過(guò)控制退火操作，橫向擴(kuò)散距離能夠被修整而與凹槽的深度相一致。這樣，能夠減少柵極和源極區(qū)/漏極區(qū)之間的疊加度。經(jīng)過(guò)熱處理之后，源極區(qū)和漏極區(qū)210在柵極的下邊延伸到垂直平面257和258以外。然而源極區(qū)和漏極區(qū)210不能在柵極的下邊延伸到由凹槽204的內(nèi)表面限定的垂直平面以外。最后進(jìn)行深層注入形成完整的源極區(qū)和漏極區(qū)。可以知道，進(jìn)行深層注入將會(huì)提供一個(gè)低電阻觸點(diǎn)。在晶體管元件和區(qū)域中摻雜質(zhì)的技術(shù)是已有技術(shù)，在這里就不再進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
制作帶凹槽的晶體管柵極帶來(lái)了許多好處。第一個(gè)好處是提供了定型的多晶硅層。隨著晶體管尺寸的減小，處理層的成型變得比較困難。本發(fā)明的晶體管柵極能用柵極頂部的較大區(qū)域來(lái)定型多晶硅，而提供一個(gè)較小的柵氧化層接口表面。第二個(gè)好處是如上所述晶體管的疊加電容減少了。圖5是晶體管電路性能相對(duì)于凹槽深度的曲線圖。此圖所示的是使用凹槽晶體管的環(huán)行振蕩器的振蕩頻率的增長(zhǎng)百分比，利用增加蝕刻時(shí)間而形成凹槽的深度，第一個(gè)采樣點(diǎn)(a)沒(méi)有包含凹槽，而其它采樣點(diǎn)的凹槽深度不斷增加，采樣點(diǎn)(e)的槽口深度大約有15-20納米，采樣點(diǎn)(i)的凹槽深度大約有20-25納米。當(dāng)其他變量不變時(shí)，環(huán)行振蕩器晶體管提高了晶體管減少的電容的性能。同時(shí)也可以看到，隨著凹槽深度的增加，振蕩器的性能也在提高，性能的提高有一個(gè)限度，隨著凹槽深度的不斷增加，晶體管的性能將有一個(gè)穩(wěn)定或者下降的狀態(tài)，于是，最后的一個(gè)采樣點(diǎn)(j)的性能由于擴(kuò)展區(qū)之間的阻抗未達(dá)到多晶硅柵極(負(fù)重疊)而開(kāi)始下降。
本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)了一種減少晶體管集成電路中疊加電容的方法，該方法包括利用蝕刻過(guò)程由材料單層形成具有T型截面晶體管柵極的步驟。在一個(gè)實(shí)施例中，進(jìn)行兩次蝕刻以形成帶凹槽面的側(cè)壁。這個(gè)凹槽允許插入源極區(qū)和漏極區(qū)并進(jìn)行熱處理，而不會(huì)產(chǎn)生額外的疊加電容。疊加電容的減少提高了晶體管的操作性能。
盡管給出了具體的實(shí)施例并對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以用那些能達(dá)到同樣目的結(jié)構(gòu)來(lái)代替給出的具體實(shí)施例。本申請(qǐng)期望覆蓋本發(fā)明的任何改進(jìn)和變化方案，因此，本發(fā)明僅由權(quán)利要求書(shū)及同等范圍的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種集成電路晶體管，它包括一源極；一漏極；和一柵極，該柵極由一導(dǎo)電層形成并具有一頂部區(qū)，一底部區(qū)和第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁，第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁有一階梯狀表面，使得頂部區(qū)第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第一橫向間距大于底部區(qū)第一和第二的垂直側(cè)壁之間的第二橫向間距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路晶體管，其中源極在柵極的下邊橫向延伸，超出由頂部區(qū)的第一垂直側(cè)表面限定的垂直平面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成電路晶體管，其中源極注入到襯底中，使其不能在柵極的下邊橫向延伸到由頂部區(qū)的第一垂直側(cè)表面限定的垂直平面以外。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成電路晶體管，其中源極注入之后對(duì)其進(jìn)行熱處理，使其在柵極下邊橫向擴(kuò)散至由頂部區(qū)的第一垂直側(cè)表面限定的垂直平面以外。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路晶體管，其中漏極在柵極的下面橫向延伸至由頂部區(qū)的第二垂直側(cè)表面限定的垂直平面以外。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成電路晶體管，其中漏極注入襯底，使得漏極在柵極的下邊不會(huì)橫向延伸到由頂部區(qū)的第二垂直側(cè)表面所限定的垂直平面之外。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成電路晶體管，其中漏極注入之后進(jìn)行熱處理，以便在柵極下邊橫向延伸至由頂部區(qū)的第二垂直側(cè)表面所限定的垂直平面以外。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路晶體管，其中柵極是利用大容量蝕刻和選擇性蝕刻處理之后由單層形成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路晶體管，其中第一橫向間距比第二橫向間距大約大20納米。
10.一種集成電路晶體管柵極包括一導(dǎo)電材料單層，該柵極具有有一個(gè)頂部區(qū)，一個(gè)底部區(qū)和第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁，第一和第二的垂直側(cè)壁有一個(gè)階梯狀表面，從而使頂部區(qū)第一和第二垂直側(cè)壁之間的第一橫向間距大于底部區(qū)第一和第二垂直側(cè)壁之間的第二橫向間距。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集成電路晶體管柵極，其中柵極是利用大容量蝕刻和選擇性蝕刻處理由單層形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集成電路晶體管，其中第一橫向間距比第二橫向間距大約大20納米。
13.一種集成電路晶體管的制作方法，該方法包括制作一個(gè)導(dǎo)電材料層；對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行第一次蝕刻以限定柵極的第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁；對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行第二次蝕刻以便在第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁處形成凹槽區(qū)，凹槽區(qū)位于第一和第二相反對(duì)置的垂直側(cè)壁的底部，這樣可使柵極的橫截面基本上成一T型。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法還包括將源極區(qū)和漏極區(qū)注入位于導(dǎo)電材料層下面的襯底上，柵極的頂部限定了源極區(qū)和漏極區(qū)的橫向邊界使得源極區(qū)和漏極區(qū)不會(huì)在柵極的下邊進(jìn)行注入。
15.根據(jù)權(quán)利要求14中所述的方法還包括對(duì)源極區(qū)和漏極區(qū)進(jìn)行熱處理，在柵極的凹槽區(qū)的下邊可以橫向擴(kuò)散該源極區(qū)和漏極區(qū)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15中所述的方法，其中第一次蝕刻去掉了導(dǎo)電材料，從而露出下面的氧化層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15中所述的方法，還包括進(jìn)行第三次蝕刻以去掉第二次蝕刻之后剩余的導(dǎo)電材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求13中所述的方法，其中凹槽區(qū)有一個(gè)5-20納米的橫向深度。
19.一種減少集成電路晶體管中疊加電容的方法，該方法包括利用蝕刻處理從一導(dǎo)電材料單層形成晶體管柵極，該柵極的橫截面呈T型；將源極區(qū)和漏極區(qū)注入位于柵極下邊的襯底中，柵極的頂部限定了源極區(qū)和漏極區(qū)的橫向邊界，使得源極區(qū)和漏極區(qū)不會(huì)在柵極的下邊注入；和對(duì)注入的源極區(qū)和漏極區(qū)進(jìn)行熱處理，使源極區(qū)和漏極區(qū)在柵極的凹槽區(qū)的下邊橫向擴(kuò)散。
20.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的方法，其中柵極底部橫截面的寬度比頂部橫截面的寬度大約小20納米。
21.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的方法，其中晶體管柵極是經(jīng)過(guò)有選擇的蝕刻后再進(jìn)行大容量蝕刻形成晶體管柵極底部側(cè)壁凹槽后而形成的。
22.根據(jù)權(quán)利要求19中所述的方法，其中導(dǎo)電材料單層是多晶硅層。
全文摘要
利用蝕刻過(guò)程由導(dǎo)電材料單層來(lái)制作出一個(gè)具有T型橫截面柵極的晶體管。經(jīng)過(guò)兩次蝕刻之后形成具有凹槽型面的側(cè)壁。凹槽使源極區(qū)和漏極區(qū)能被注入進(jìn)襯底,并且可以在不生成柵極額外疊加電容的情況下進(jìn)行熱處理。減少疊加電容能提高晶體管的操作性能包括驅(qū)動(dòng)電流。
文檔編號(hào)H01L21/302GK1378705SQ99814159
公開(kāi)日2002年11月6日 申請(qǐng)日期1999年12月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月7日
發(fā)明者C·楚, T·A·萊特森 申請(qǐng)人:英特爾公司