專利名稱：近環(huán)繞閘極及制造具有該閘極的矽半導(dǎo)體裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種絕緣層上有矽(SOI)半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)以及其制造方法，特別有關(guān)于一種具有近環(huán)繞閘極的SOI半導(dǎo)體裝置的結(jié)構(gòu)以及其制造方法。
上述MOSMT的操作是經(jīng)由在源極與汲極之間的通道區(qū)域通過(guò)電流。該通道區(qū)域的導(dǎo)電性是借由施加電壓于位于通道表面上方的導(dǎo)電閘極而控制。為了增加MOSFET的性能，許多研究皆朝向改良SOI MOSFET的驅(qū)動(dòng)電流速度發(fā)展，以謀求半導(dǎo)體裝置的穩(wěn)定性，同時(shí)減低電力消耗。
目前一般MOS電晶體的驅(qū)動(dòng)電流是如

圖1所示的表面反轉(zhuǎn)層(surface-inversion layer)14。其中，當(dāng)一電壓施加于閘極13時(shí)，形成于通道尾端的源極11與汲極12之間的表面反轉(zhuǎn)層14是做為驅(qū)動(dòng)電流的路徑。然而，在該表面反轉(zhuǎn)層僅能提供有限的電流的情形下，必須制造出能夠預(yù)防短通道效應(yīng)、汲極導(dǎo)致表面電位降低(drain-induced barrierlowering；DIBL)以及次門(mén)檻斜率的降低的SOI MOSFET。
此外，本發(fā)明的新穎的近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)SOI半導(dǎo)體裝置可使用現(xiàn)有的晶片以及制程。而本發(fā)明的具有近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)的MOSFET可結(jié)合傳統(tǒng)MOS制程與已廣為接受的SOI技術(shù)而制造。因此本發(fā)明的具有近環(huán)繞閘極的半導(dǎo)體裝置可以現(xiàn)有的整體(bulk)或SOI MOSFET技術(shù)，而不需額外或復(fù)雜的制程。
根據(jù)本發(fā)明的制造具有近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其包括下列步驟(a)在一半導(dǎo)體基底上經(jīng)由第一絕緣層形成一半導(dǎo)體層；(b)在該半導(dǎo)體層上形成第一氧化層；(c)在該第一氧化層上形成第一犧牲氮化物層；(d)以微影技術(shù)將該第一犧牲氮化物層、第一氧化層、以及該半導(dǎo)體層圖案化而形成島狀或長(zhǎng)條狀；(e)在該島狀或長(zhǎng)條狀的半導(dǎo)體層周?chē)纬傻诙趸瘜樱?f)剝離該第一犧牲氮化物層；(g)沉積第二犧牲氮化物層；(h)以該第二犧牲氮化物層為罩幕，以一既定距離蝕刻至該第一絕緣層，并蝕刻該第二氧化層；(i)在該半導(dǎo)體層周?chē)纬山^緣材料；(j)以該第二犧牲氮化物層為罩幕，而沉積多晶矽；(k)移除該第二犧牲氮化物層而形成一閘極；以及(l)以該閘極為罩幕在該半導(dǎo)體層植入與該半導(dǎo)體基底相反導(dǎo)電性的摻雜離子而形成源/汲極區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明，該近環(huán)繞的閘極結(jié)構(gòu)，如圖2所示主要具有第一絕緣層21，位于該第一絕緣層21上的微米厚度的半導(dǎo)體層22，該半導(dǎo)體層22具有通常是內(nèi)部的主體通道區(qū)域(bulk channel region)，閘極絕緣層23環(huán)繞該半導(dǎo)體層，以及閘極24幾乎整個(gè)圍繞該絕緣層21。
根據(jù)本發(fā)明的制造具有近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，該方法可以一個(gè)SOI結(jié)構(gòu)或一個(gè)半導(dǎo)體基底開(kāi)始，于該半導(dǎo)體基底上經(jīng)由第一絕緣層形成半導(dǎo)體層，再依序形成第一氧化層以及第一犧牲氮化物層。接著，借由微影技術(shù)將上述半導(dǎo)體層、第一氧化層以及第一犧牲氮化物層形成島狀或長(zhǎng)條狀。
接著，在該半導(dǎo)體層周?chē)纬傻诙趸瘜佣乖摪雽?dǎo)體層的角落圓滑，借此可改善閘極絕緣崩潰特性(gate insulator breakdowncharacteristics)，并可避免經(jīng)由閘極絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)化通道(field-enhanced tunneling through the gate dielectric)。上述形成氧化層的步驟可以一般方法進(jìn)行，例如沉積或者熱氧化。
然后，剝離該第一犧牲氮化層，再形成一第二犧牲氮化層并圖案化成圖7所示，以該第二犧牲氮化物層為罩幕以既定距離蝕刻第一絕緣層。該既定距離并無(wú)特別限制，亦可為零，也就是說(shuō)如圖3所示，蝕刻至第一絕緣層之上，較佳的范圍為10-100nm。此時(shí)，上述用來(lái)圓滑半導(dǎo)體層角落的氧化層亦被蝕刻移除。同樣的，本發(fā)明的剝離或蝕刻方法并無(wú)特別限制，可使用一般剝離/蝕刻方法。
接著，在該半導(dǎo)體周?chē)纬山^緣材料層，該絕緣材料為選自二氧化矽、氮化矽、氧氮化矽以及高介電常數(shù)(dielectric constant；K)的絕緣材料等。然后沉積閘極材料，例如多晶矽，該閘極材料并不限于多晶矽，任何傳統(tǒng)制程中所使用的閘極材料皆可。其次，可使用一平坦化技術(shù)，例如但不限于化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)或有機(jī)材料沉積或是反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，來(lái)平坦化閘極材料表面。
此時(shí)，因?yàn)檎麄€(gè)裝置的微小尺寸，從該閘極的電場(chǎng)線將結(jié)束于該裝置的后部，因而可做為一個(gè)實(shí)質(zhì)上的后閘極(back gate)。接著再移除第二犧牲氮化層。
最后，以一般制作MOSFET的方法形成源/汲極區(qū)而成。
在本發(fā)明的近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)中，該半導(dǎo)體層的厚度較佳為＜200nm，該整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本發(fā)明的近環(huán)繞閘極是形成于一SOI結(jié)構(gòu)上，較佳是在一埋藏有氧化層的整體(bulk)半導(dǎo)體基底上。根據(jù)本發(fā)明所得的MOSFET可避免短通道效應(yīng)并可提供比已知MOSFET更佳的驅(qū)動(dòng)電流。
圖1顯示傳統(tǒng)的表面反轉(zhuǎn)的SOI MOSFET；圖2顯示本發(fā)明實(shí)施例的近環(huán)繞閘極的結(jié)構(gòu)；圖3顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)；圖4至圖10顯示本發(fā)明的實(shí)施例中，制作具有近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)的SOIMOSFET的剖面圖。
圖號(hào)說(shuō)明
45-半導(dǎo)體基底；41-臺(tái)緣層；42-半導(dǎo)體層； 43-第一氧化層；43a-第一氧化層； 44-第一犧牲氮化層；71、72-第二犧牲氮化層；73-既定距離；81-絕緣材料； 91-多晶矽。
首先，如圖4所示，在一P型半導(dǎo)體基底45上經(jīng)由第一絕緣層41(SiO2)形成半導(dǎo)體層42，在該半導(dǎo)體層42上再依序形成第一氧化層43以及第一犧牲氮化層44(Si2N4)。之后以微影技術(shù)將該半導(dǎo)體層42、該第一氧化層43及該第一犧牲氮化層44，如圖5所示，形成長(zhǎng)條狀。
接著，請(qǐng)參閱圖6，在該半導(dǎo)體層42周?chē)纬傻诙趸瘜?3a，使得該半導(dǎo)體層的角落圓滑。然后剝離該第一犧牲氮化層44并形成第二犧牲氮化層71、72，而如圖7所示將其圖案化。使用該第二犧牲氮化層為罩幕，以既定距離110nm蝕刻至該第一絕緣層41。此時(shí)，第二氧化層43a亦被蝕刻移除，而使該半導(dǎo)體層42的角落圓滑。
其次，請(qǐng)參閱圖8，在該半導(dǎo)體周?chē)砸唤^緣材料氧化矽形成絕緣材料81之后，再沉積多晶矽91做為閘極材料，如圖9所示，并以CMP將多晶矽91表面平坦化。
請(qǐng)參照?qǐng)D10，此時(shí)，使用適當(dāng)?shù)奈g刻技術(shù)將第二犧牲氮化層71、72移除，再以開(kāi)極電極為罩幕，于半導(dǎo)體層形成源/汲極區(qū)后，使用例如但不限于離子植入的技術(shù)導(dǎo)入例如但不限定于砷的摻雜雜質(zhì)原子而成。
圖2所示的本發(fā)明的近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)，其中閘極電極23幾乎整個(gè)圍繞通道區(qū)域，而該通道區(qū)域明顯地大于在半導(dǎo)體表面具有表面反轉(zhuǎn)的已知電晶體，因此本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可提供的驅(qū)動(dòng)電流的確大幅增加許多。借由本發(fā)明的近環(huán)繞閘極結(jié)構(gòu)，可避免從閘極電極發(fā)出的電場(chǎng)在通道區(qū)域下方終止，而能減少短通道效應(yīng)。
雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以專利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種制造具有近環(huán)繞閘極的矽半導(dǎo)體裝置的方法，該方法包括下列步驟(a)、在一半導(dǎo)體基底上經(jīng)由第一絕緣層形成一半導(dǎo)體層；(b)、在該半導(dǎo)體層上形成第一氧化層；(c)、在該第一氧化層上形成第一犧牲氮化物層；(d)、以微影技術(shù)將該第一犧牲氮化物層、第一氧化層以及該半導(dǎo)體層圖案化而形成島狀或長(zhǎng)條狀；(e)、在該島狀或長(zhǎng)條狀的半導(dǎo)體層周?chē)纬傻诙趸瘜樱?f)、剝離該第一犧牲氮化物層；(g)、沉積第二犧牲氮化物層；(h)、以該第二犧牲氮化物層為罩幕，以一既定距離蝕刻至該第一絕緣層，并蝕刻該第二氧化層；(i)、在該半導(dǎo)體層周?chē)纬山^緣材料；(j)、以該第二犧牲氮化物層為罩幕，而沉積多晶矽；(k)、移除該第二犧牲氮化物層而形成一閘極；以及(l)、以該閘極為罩幕在該半導(dǎo)體層植入與該半導(dǎo)體基底相反導(dǎo)電性的摻雜離子而形成源/汲極區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該矽半導(dǎo)體裝置為N通道MOSFET裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該矽半導(dǎo)體裝置為P通道MOSFET裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(1)還包括以離子植入法形成源/汲極延伸區(qū)。
5.一種近環(huán)繞的閘極結(jié)構(gòu)，其包括第一絕緣層；微米厚度的半導(dǎo)體層，位于該第一絕緣層上，且該半導(dǎo)體層圖案化為一島狀或長(zhǎng)條狀；閘極絕緣層，圍繞該島狀或長(zhǎng)條狀的半導(dǎo)體層；以及閘極，包圍該閘極絕緣層并延伸至該第一絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種制造具有近環(huán)繞(quasi－surrounding)閘極的絕緣層上有矽(SOI)的半導(dǎo)體裝置的方法;根據(jù)本發(fā)明的方法,可得到一種MOSFET半導(dǎo)體裝置,其閘極電極幾乎包圍整個(gè)通道區(qū)域,而達(dá)到體積反轉(zhuǎn)(Volume－inversion)的效果,可大幅增加該半導(dǎo)體裝置的單位電流亦可控制短通道效應(yīng)(SCE)的發(fā)生,而減少次臨限漏電(sub－threshold leakage);此外,本發(fā)明的方法可以傳統(tǒng)方式制造不同閘極長(zhǎng)度的裝置。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1368756SQ0210172
公開(kāi)日2002年9月11日 申請(qǐng)日期2002年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月17日
發(fā)明者卡羅斯, 金皮爾·柯林吉 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司