多重鰭狀場效應電晶體及其製作方法

2023-06-07 17:24:31

專利名稱：多重鰭狀場效應電晶體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種場效應電晶體及其製作方法，且特別是有關於一種多重 鰭狀場效應電晶體及其製作方法。
背景技術：
隨著元件的尺寸日漸縮小，為滿足集成電路產業在未來的不同應用，目
前半導體元件的電晶體型態已從平面型柵極(planar gate)結構發展到垂直型 4冊才及(vertical gate)結構。
目前，在一些專利上也有揭露關於此方面的相關技術，例如美國專利案 第2004/0227181號提出了 一種多溝道電晶體及其製造方法。上述文獻為本案 的參考資料。
然而，現有具有垂直型柵極結構的半導體元件仍存在有一些問題待解 決。舉例來說，此種元件最大的問題是有浮置基體效應(floating body effect) 產生。所謂的浮置基體效應是指，在半導體元件中，電荷會累積在溝道內， 當累積到一定程度以後，不但會影響到元件的臨界電壓，也會導致漏極區電 流突然增加。而且，浮置基體效應存在會使得在未施加電壓的情況下，元件 會自行開啟(tum on),如此一來會影響元件的可靠度與穩定性，且會造成漏 電流。
另一方面，此種元件大多會利用外延工藝(印itaxial process)來形成的。 但外延工藝需耗費較長的工藝時間，且外延層表面清潔的困難度一直無法降 低，再加上外延工藝不易控制容易會產生有平面效應(facet effect),而影響後 續工藝。

發明內容
本發明的目的就是在提供一種多重鰭狀場效應電晶體，能夠避免產生浮 置基體效應，且不會有外延工藝所造成的種種問題。
本發明的另一目的是提供一種多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，能夠 抑制浮置村底效應，以提高元件的可靠度與穩定性。
本發明提出一種多重鰭狀場效應電晶體，包括村底、氧化層、導體層、 柵氧化層以及摻雜區。其中，襯底被一溝渠環繞，預定形成柵極的區域的襯 底中真有至少二鰭狀矽層。氧化層配置於溝渠中，且氧化層的頂部表面低於 鰭狀矽層的頂部表面。導體層配置於預定形成柵極的區域中，導體層的頂部 表面高於鰭狀矽層的頂部表面。柵氧化層配置於導體層與鰭狀矽層之間，且 位於導體層與襯底之間。摻雜區配置於導體層兩側的村底中。
本發明另提出 一種多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，此方法為先提供 一襯底，具有至少一溝渠於此襯底中，且襯底的上表面覆蓋有墊層。然後， 填滿第一氧化層於溝渠中，並移除部分墊層，以形成一開口。接著，由開口
側壁交錯形成第一環形絕緣層與第二環形絕緣層。然後，於襯底上方形成掩 模層，覆蓋住部分第一環形絕緣層以及第二環形絕緣層，且暴露出預定形成 柵極的一區域。繼之，以掩模層為掩模，移除部分的第二環形絕緣層，至暴 露部分襯底的表面。然後，以掩模層與第一環形絕緣層為掩模，移除部分的 襯底，以形成二鰭狀矽層。接著，移除掩模層。之後，於二鰭狀矽層側壁及 襯底表面形成柵氧化層。繼之，於襯底上方的區域內形成導體層。隨後，移 除未被導體層覆蓋住的第 一環形絕緣層、部分第 一氧化層與第二環形絕緣 層，至暴露出襯底的表面。接著，以該導體層為掩模，於該襯底中形成一輕 摻雜區。
本發明的多重鰭狀場效應電晶體及其製造方法具有多重溝道的結構，故 可以提高元件載電量，以增加元件效能，且可避免因電荷的過度累積而產生 浮置基體效應。另外，本發明不會有現有外延工藝需耗費較長的工藝時間， 且外延層表面清潔的困難度無法降低，以及不易控制容易會產生有平面效應
(facet effect)等問題，而影響後續工藝。
為讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉多 個實施例，並配合附圖，作詳細說明如下。


圖1A為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應電晶體的俯視
圖1B為繪示圖1A中沿剖面線I-I，的剖面示意圖1C為繪示圖1A中沿剖面線II-n，的剖面示意圖iD為依照本發明的另一實施例所繪示的圖iA中沿剖面線n-n，的剖
面示意圖2A至圖9C為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應電晶體 的製作方法的流程示意圖。其中，子圖A是繪示俯視示意圖，子圖B是繪 示沿剖面線A-A，的剖面示意圖，子圖C是繪示沿剖面線B-B，的剖面示意圖IOA至圖14C為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應晶體 管的環形氮化層與環形氧化層的製作方法的流程示意圖。其中，子圖A是繪 示俯視示意圖，子圖B是繪示沿剖面線C-C，的剖面示意圖，子圖C是繪示 沿剖面線D-D'的剖面示意圖。
附圖標記說明100、250:多重鰭狀場效應
102、200:襯底
104、212、 221:氧化層
106、208:襯氧化層
亂210:襯氮化層
110、228:導體層
112、226:柵氧化層
114:摻雜區
114a、230:輕摻雜區
114b.234:重摻雜區
116、232:間隙壁
118、236:金屬矽化物層
120、202:溝渠
122、123、 225:鰭狀矽層
130、131:溝道區
140、222:區域
204:墊氧化層
206:墊氮化層
214:開口
216:氮化材料層
218a、 218b、 218c、 218d:多不形氮4t層 220a、 220b、 220c、 220d:環形氧化層 224:掩模層
具體實施例方式
圖1A為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應電晶體的俯視示 意圖。圖1B為繪示圖IA中沿剖面線I-I，的剖面示意圖。圖IC為繪示圖1A 中沿剖面線II-II，的剖面示意圖。圖ID為依照本發明的另一實施例所繪示的
圖iA中沿剖面線n-n，的剖面示意圖。
請同時參照圖1A、圖1B與圖1C，本實施例的多重鰭狀場效應電晶體 100包括襯底102、氧化層104、導體層110、柵氧化層112以及摻雜區114。 其中，襯底102例如是矽襯底，襯底102被溝渠120圍繞的區域形成為一晶 體管的有源區域，且預定形成柵極的區域140的村底102中具有至少二鰭狀 矽層122。氧化層104配置於溝渠120中，且氧化層104的頂部表面低於鰭 狀矽層122的頂部表面。
請繼續同時參照圖1A、圖IB與圖1C，導體層110配置於襯底102的 區域140中，導體層IIO填滿鰭狀矽層122之間的間隙，且導體層110的頂 部表面高於鰭狀矽層122的頂部表面。導體層110的材料例如是多晶矽或摻 雜多晶矽。另外，柵氧化層112配置於導體層IIO與鰭狀矽層122之間，且 位於導體層110與襯底102之間，柵氧化層112的材質例如是氧化矽。摻雜 區114配置於導體層IIO兩側的襯底102中，摻雜區114包括輕摻雜區114a 與重摻雜區114b。
在一實施例中，多重鰭狀場效應電晶體IOO還包括有襯氧化層106以及 襯氮化層108。其中，襯氧化層106配置於溝渠120側壁的襯底102表面， 而襯氮化層108則配置於氧化層104與襯氧化層106之間。在另一實施例中， 多重鰭狀場效應電晶體IOO還包括有間隙壁116，其配置於導體層110兩側 的襯底102上，且覆蓋住部分摻雜區114。間隙壁116的材料例如是氧化矽 或氮化矽。
在又一實施例中，多重鰭狀場效應電晶體100還包括有金屬矽化物層 118，其配置於導體層110以及摻雜區114的表面。金屬矽化物層118的材 料例如是矽化鈷、矽化鈦、矽化鴒、矽化鉭、矽化鉬或矽化鎳。
特別要說明的是，鰭狀矽層122位於摻雜區114之間的襯底102中，其 兩側的側壁皆可感應導體層110所造成的電場，因此在鰭狀矽層122的兩側 會產生兩個溝道區130,如此可增加元4牛的開啟電流。
本發明的多重鰭狀場效應電晶體是利用多個溝道區的設計提高元件栽 電量，以增加元件效能，且可避免電荷的過度累積，而產生浮置基體效應 (floating body effect),進而影響元件的可靠度與穩定性。
上述實施例中僅繪示出二鰭狀矽層(如圖1C的122所示)，然本發明並 不限於此，在預定形成柵極的區域的襯底中還可具有二個以上的鰭狀矽層。 請參照圖1D，其為依照本發明的另一實施例繪示圖lA中沿剖面線n-II，的 剖面示意圖。圖1D中是繪示有六個鰭狀矽層123，而其可產生十二個溝道 區131。當然，本發明並不對鰭狀矽層的數目做任何限制，其可視實際需要 而定。
接下來，列舉一實施例以說明本發明的多重鰭狀場效應電晶體的製造方 法。下述的實施例是以本發明的多重鰭狀場效應電晶體具有八個鰭狀矽層為 例做說明。
圖2A至圖9C為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應電晶體 的製作方法的流程示意圖。其中，子圖A是繪示俯視示意圖，子圖B是繪 示沿剖面線A-A，的剖面示意圖，子圖C是繪示沿剖面線B-B，的剖面示意圖。
首先，請同時參照圖2A、圖2B與圖2C，提供一襯底200,襯底200 中具有至少一溝渠202，且襯底200的上表面覆蓋有墊層。在一實施例中， 墊層例如是包括墊氧化層204以及墊氮化層206。上述的提供村底200，襯 底200中具有至少一溝渠202，且襯底200的上表面覆蓋有墊層的方法例如 是，提供一襯底200，於襯底200上依序形成墊氧化層204、墊氮化層206 與圖案化光致抗蝕劑層(未繪示)。接著，移除未被圖案化光致抗蝕劑層覆 蓋住的墊氮化層206、墊氧化層204以及部分襯底200，以形成溝渠202。然 後，移除圖案化光致抗蝕劑層。
然後，請同時參照圖3A、圖3B與圖3C，於溝渠202側壁的襯底200 表面上依序形成襯氧化層208與襯氮化層210。之後，於襯底200上方形成 氧化層212，且氧化層212填滿整個溝渠202。氧化層212的形成方法例如 是，以矽酸四乙酯(TEOS)為主要氣體源，進行一化學氣相沉積法，接著進行 退火處理，並進行化學機械研磨法(CMP)，直至暴露出墊氮化層206,以形
成之。繼之，移除墊氮化層206，以形成暴露出墊氧化層204表面的開口 214, 其移除方法例如是以磷酸為蝕刻液，進行溼式蝕刻工藝。
之後，請同時參照圖4A、圖4B與圖4C,由開口 214側壁交錯形成第 一環形絕緣層與第二環形絕緣層。在一實施例中，第一環形絕緣層為氮化矽 層，第二環形絕緣層為氧化矽層。上述，在開口 214側壁交錯所形成的第一 環形絕緣層與第二環形絕緣層依序包括，環形氮化層218a、環形氧化層220a、 環形氮化層218b、環形氧化層220b、環形氮化層218c、環形氧化層220c、 環形氮化層218d以及氧化層221,其形成方法例如是如下述的圖IOA至圖 14C所示。
圖IOA至圖14C為依照本發明一實施例所繪示的多重鰭狀場效應晶體 管的環形氮化層與環形氧化層的製作方法的流程示意圖。其中，子圖A是繪 示俯視示意圖，子圖B是繪示沿剖面線C-C，的剖面示意圖，子圖C是繪示 沿剖面線D-D，的剖面示意圖。
請同時參照圖IOA、圖IOB與圖IOC，於襯底200上方順應性地形成氮 化材料層216,以覆蓋開口 214表面以及氧化層212表面。氮化材料層216 的形成方法例如是化學氣相沉積法。
隨後，請同時參照圖IIA、圖IIB與圖11C,進行一非等向性蝕刻工藝， 移除部分氮化材料層216，至暴露出氧化層212與墊氧化層204的表面，以 形成環形氮化層218a。
繼之，請同時參照圖12A、圖12B與圖12C，形成一氧化材料層(未繪 示)，以順應性地覆蓋住氧化層212、環形氮化層218a以及墊氧化層204。接 著，進行一非等向性蝕刻工藝，移除部分氧化材料層，至暴露出氧化層212 與部分墊氧化層204的表面，以形成環形氧化層220a。
之後，請同時參照圖13A、圖13B與圖13C，以相同的方法依序形成環 形氮化層218b、環形氧化層220b、環形氮化層218c、環形氧化層220c以及 環形氮化層218d。
接著，請同時參照圖14A、圖14B與圖14C,形成一氧化材料(未繪示)， 以覆蓋氧化層212、墊氧化層204、環形氮化層218a、環形氧化層220a、環 形氮化層218b、環形氧化層220b、環形氮化層218c、環形氧化層220c以及 環形氮化層218d。之後，進行一化學機械研磨工藝(CMP)，以平坦化上述材 料層，即可完成。
隨後，接續圖4A、圖4B與圖4C, i青同時參照圖5A、圖5B與圖5C， 於襯底200上方形成掩模層224,覆蓋住部分的環形氮化層218a、 218b、 218c 與218d、環形氧化層220a、 220b與220c以及氧化層221,且暴露出預定形 成柵極的一區域222。然後，以掩^t層224為掩模，移除部分的氧化層212、 環形氮化層218a、 218b、 218c與218d、環形氧化層220a、 220b與220c以 及墊氧化層204,以暴露部分襯底200的表面。上述膜層的移除方法例如是 將未被掩才莫層224覆蓋的環形氧化層220a、 220b與220c以及氧化層221完 全移除，其方法例如是蝕刻法。當進行此步驟時，同時也會一併移除未被掩 模層224及環形氮化層218a、 218b、 218c與218d覆蓋的墊氧化層204。此 外，未淨皮掩4莫層224覆蓋的氧化層212以及環形氮化層218a、 218b、 218c 與218d亦會有部分在此步驟中被移除。
接著，請同時參照圖6A、圖6B與圖6C，以掩模層224與環形氮化層 218a、 218b、 218c與218d為掩模，移除部分的襯底200與氧化層212，以 形成八個鰭狀矽層225。之後，再移除掩模層224。
在一實施例中，在鰭狀矽層225形成之後，還可移除部分的襯氮化層210 與村氧化層208,至暴露出鰭狀矽層225表面，其移除方法例如是溼式蝕刻 法。
隨後，請同時參照圖7A、圖7B與圖7C,於鰭狀矽層225的側壁及所 暴露出的襯底200表面形成柵氧化層226。繼之，於襯底200上方的區域222 內形成導體層228。導體層228的形成方法例如是，先於襯底200上方形成 導體材料層(未繪示)，且導體材料層填滿各個鰭狀矽層225之間的空隙。接 著，利用一化學機械研磨法，移除部分導體材料層。
在一實施例中，在柵氧化層226形成之後，以及形成導體層228之前， 還可例如是移除區域222中的環形氮化層218a、 218b、 218c與218d。
然後，請同時參照圖8A、圖8B與圖8C,移除未被導體層228覆蓋住 的環形氮化層218a、 218b、 218c與218d、部分氧化層212、環形氧化層220a、 220b與220c以及氧化層221，至暴露出襯底200的表面。上述膜層的移除 方法例如是，先移除暴露的環形氮化層218,其方法例如是以磷酸為蝕刻液 進行溼式蝕刻工藝。接著，移除暴露的環形氧化層220以及氧化層221，其 方法例如是以緩衝氫氟酸(BHF)為蝕刻液，進行溼式蝕刻工藝。而當移除環 形氧化層220以及氧化層221時，亦會移除部分氧化層212。
接著，請同時參照圖9A、圖9B與圖9C，以導體層228為掩模，於襯 底200中形成輕摻雜區230。在一實施例中，還包括於輕摻雜區230形成之 後，於導體層228的兩側的襯底200上形成間隙壁232。之後，以導體層228 與間隙壁232為掩模，於襯底200中形成重摻雜區234,以完成多重鰭狀場 效應電晶體250的製作。上述輕摻雜區230、間隙壁232與重摻雜區234的 形成方法為此領域中普通技術人員所熟知，故於此不再贅述。
在另一實施例中，還可於導體層228與重摻雜區234的表面形成金屬矽 化物層236。金屬矽化物層236的材料例如是矽化鈷、矽化鈦、矽化鴒、矽 化鉭、矽化鉬或矽化鎳。金屬矽化物層236的形成方法例如是，先於導體層 228與重摻雜區234的表面形成一金屬層(未繪示)，金屬層的材料例如是鈷、 鈦、鴒、鉭、鉬或鎳等金屬。接著，再於金屬層的表面形成保護層(未繪示)， 保護層的材料例如是氮化鈦或其它合適材料。然後，進行一熱工藝，使金屬 層矽化，以形成金屬矽化物層236。之後，移除保護層與未矽化的金屬層。
本發明的多重鰭狀場效應電晶體及其製造方法具有多重溝道的結構，故 可以提高元件載電量，以增加元件效能，且可避免因電荷的過度累積而產生 浮置基體效應。另外，本發明並沒有使用外延工藝，因此不會有現有需耗費 較長的工藝時間，且外延層表面清潔的困難度無法降低，以及不易控制容易 會產生有平面效應(facet effect)等問題，而影響後續工藝。
雖然本發明已以優選實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何 本領域內的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動 與潤飾，因此本發明的保護範圍當視所附的權利要求書所界定者為準。
權利要求
1.一種多重鰭狀場效應電晶體，包括一襯底，該襯底被一溝渠環繞，其中預定形成柵極的一區域的該襯底中具有至少二鰭狀矽層；一氧化層，配置於該溝渠中，且該氧化層的頂部表面低於該些鰭狀矽層的頂部表面；一導體層，配置於該襯底的該區域中，該導體層的頂部表面高於該些鰭狀矽層的頂部表面；一柵氧化層，配置於該導體層與該些鰭狀矽層之間，且位於該導體層與該襯底之間；以及一摻雜區，配置於該導體層兩側的該襯底中。
2. 如權利要求1所述的多重鰭狀場效應電晶體，更包括一金屬矽化物 層，配置於該導體層與該摻雜區的表面。
3. 如權利要求2所述的多重鰭狀場效應電晶體，其中該金屬矽化物層的 材料包括矽化鈷、矽化鈦、矽化鵠、矽化鉭、矽化鉬或矽化鎳。
4. 如權利要求1所述的多重鰭狀場效應電晶體，更包括一襯氧化層，配 置於該溝渠側壁的該襯底表面；以及一襯氮化層，配置於該氧化層與該襯氧 化層之間。
5. 如權利要求1所述的多重鰭狀場效應電晶體，其中該摻雜區包括一輕 摻雜區與一重摻雜區。
6. 如權利要求1所述的多重鰭狀場效應電晶體，更包括一間隙壁，配置 於該導體層兩側的該襯底上，且覆蓋住部分該摻雜區，其中該間隙壁的材料 包括氧化矽或氮化矽。
7. 如權利要求1所述的多重鰭狀場效應電晶體，其中該導體層的材料包 括多晶矽或摻雜多晶矽。
8. —種多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，包括提供一襯底，具有至少一溝渠於該襯底中，且該襯底的上表面覆蓋一墊層；填滿一第一氧化層於該溝渠中，其中該第一氧化層的頂部高度高於該襯 底的上表面，並移除部分該墊層，以形成一開口； 由該開口側壁交^l普形成一第 一環形絕緣層與 一第二環形絕緣層； 於該襯底上方形成一掩模層，覆蓋住部分的該第一環形絕緣層以及該第二環形絕緣層，且暴露出預定形成柵極的一區域；以該掩模層為掩模，移除部分的該第二環形絕緣層，至暴露部分該村底的表面；以該掩模層與該第一環形絕緣層為掩模，移除部分的該襯底，以形成二 鰭狀矽層；移除該掩模層；於該二鰭狀矽層側壁及該村底表面形成一柵氧化層； 於該襯底上方的該區域內形成一導體層；移除未被該導體層覆蓋住的該第 一環形絕緣層、部分該第 一氧化層以及 該第二環形絕緣層，至暴露出該襯底的表面；以及以該導體層為掩模，於該襯底中形成一輕摻雜區。
9. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中提供一 襯底，具有至少一溝渠於該襯底中，且該襯底的上表面覆蓋一墊層的方法包 括提供一襯底，於該襯底上依序形成有一墊層與 一 圖案化光致抗蝕劑層； 移除未被該圖案化光致抗蝕劑層覆蓋住的該墊層以及部分該襯底，以形 成一溝渠；以及移除該圖案化光致抗蝕劑層。
10. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中填滿 該第 一氧化層於該溝渠之前，更包括於該溝渠側壁的該襯底表面上依序形成 一襯氧化層與一襯氮化層。
11. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，更包括 於該導體層兩側的該襯底上形成一間隙壁；以及以該導體層與該間隙壁為掩模，於該襯底中形成一重摻雜區。
12. 如權利要求11所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中於該 重摻雜區形成之後，更包括於該導體層與該重摻雜區的表面形成一金屬矽化 物層。
13. 如權利要求12所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中該金 屬矽化物層的材料包括矽化鈷、矽化鈦、矽化鴒、矽化鉭、矽化鉬或矽化鎳。
14. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中由該開口側壁交錯形成該第 一環形絕緣層以及該第二環形絕緣層的方法，包括於該襯底上方順應性地形成一第一絕緣材料層； 進行一非等向性蝕刻工藝，移除部分該第一絕緣材料層，至形成一第一環形絕緣間隙壁；於該襯底上方順應性形成一第二絕緣材料層；進行一非等向性蝕刻工藝，移除部分該第二絕緣材料層，至形成一第二 環形絕緣間隙壁；以及進行一化學機械研磨工藝，移除部分的該第一環形絕緣間隙壁、該第二 環形絕緣間隙壁以及該第 一 氧化層。
15. 如權利要求14所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中進行 該化學機械研磨工藝前，包括於該襯底上方以該第 一環形絕緣材料或該第二環形絕緣材料填滿該開cr 。
16. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中該第 一環形絕緣層為 一氮化矽層，該第二環形絕緣層為 一氧化矽層。
17. 如權利要求IO所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中於該 二鰭狀矽層形成之後，更包括移除部分的該襯氮化層以及該村氧化層，至暴 露出該二鰭狀矽層表面。
18. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中該墊 層包括一墊氧化層與一墊氮化層。
19. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中該第 一氧化層的形成方法包括以矽酸四乙酯為氣體源，進行一沉積工藝。
20. 如權利要求8所述的多重鰭狀場效應電晶體的製作方法，其中於該 柵氧化層形成之後，以及該導體層形成之前，更包括移除該區域的該第一環 形絕緣層。
全文摘要
一種多重鰭狀場效應電晶體，包括襯底、氧化層、導體層、柵氧化層以及摻雜區。襯底被溝渠環繞，且預定形成柵極的區域的襯底中具有至少二鰭狀矽層。氧化層配置於溝渠中，且氧化層的頂部表面低於鰭狀矽層的頂部表面。導體層配置於預定形成柵極的區域中，導體層的頂部表面高於鰭狀矽層的頂部表面。柵氧化層配置於導體層與鰭狀矽層之間，且位於導體層與襯底之間。摻雜區配置於導體層兩側的襯底中。本發明還提供多重鰭狀場效應電晶體的製作方法。本發明能夠避免產生浮置基體效應，且不會有外延工藝所造成的種種問題。
文檔編號H01L21/336GK101097952SQ20061009086
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月26日 優先權日2006年6月26日
發明者吳孝哲 申請人:茂德科技股份有限公司