TW200919589A - Isolated tri-gate transistor fabricated on bulk substrate - Google Patents
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Description
200919589 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種製造於大塊基板上的隔離三^聞極電 晶體。 【先前技術】 在積體電路裝置的製造中,隨著裝置尺寸持續縮小, 多閘極電晶體,如三閘極電晶體,已變得越來越普遍。在 傳統程序中,三閘極電晶體一般製造於大塊矽基板或絕緣 體上覆矽基板上。在這些情形中,由於大塊矽基板成本較 低,且比較不需要複雜的三閘極製造程序,因此較受歡迎 。在其他情形中,絕緣體上覆矽基板上較受歡迎,因其能 改善三閘極電晶體之短通道特性。 在大塊矽基板上,當將金屬閘極電極的底部與在電晶 體本體(亦即「鰭片」)底部的源極和汲極延伸尖端對準 時’三閘極電晶體的製程會遭遇困難。當在大塊基板上形 成三閘極電晶體時,需要適當的對準以達到最佳閘極控制 並減少短通道效應。例如,若源極和汲極延伸尖端比金屬 閘極電極更深’則會發生貫穿現象(punch through)。相 反地,若金屬閘極電極比源極和汲極延伸尖端更深,則可 能產生不希望的閘極蓋件寄生。 因此’需要一種三閘極電晶體製程,結合大塊基板提 供的製造上之簡單以及絕緣體上覆矽基板提供的改善之短 通道效應。 200919589 【發明內容及實施方式】 在此描述一種在大塊半導體基板上製造具有改善之短 通道效應的三閘極電晶體之系統及方法。在下列說明中, 將使用熟悉此項技藝人士傳達其之成果給此技藝中之其他 人士之常用的用語來描述例示性實施例的各種態樣。然而 ,對熟悉此項技藝人士而言很明顯地,本發明可僅以所述 態樣的一些加以實行。爲了說明,提出特定數字、材料及 組態,以提供例示性實施例的詳盡理解。然而,對熟悉此 項技藝人士而言很明顯地,可在無這些特定細節的情形下 實行本發明。在其他例子中,省略或簡化眾所週知的特徵 ,以不混淆例示性實施例。 將以最能幫助理解本發明的方式,依序地描述各種操 作爲多個個別的操作,然而,說明之順序不應視爲暗示這 些操作有絕對之順序關係。尤其,無需以所呈現之順序執 行這些操作。 本發明之實施例提供一種在大塊半導體基板上製造三 閘極電晶體的製程,其中三閘極電晶體完全隔離,藉此結 合大塊上三閘極之簡單的程序與絕緣體上覆矽上之較佳的 三閘極的短通道特性。根據本發明之一實施例,三閘極電 晶體的半導體本體係形成自大塊基板。此半導體本體常稱 爲三閘極電晶體的「鰭片」。接著,使用氧化程序在半導 體本體下方製造氧化層。氧化層將半導體本體與大塊基板 隔離,減少接面電容。 -6- 200919589 作爲參照用’第1圖描繪傳統三閘極電晶體1 〇〇。如 圖示,三閘極電晶體100係形成在大塊半導體基板102上 ,如大塊矽基板。三閘極電晶體1〇〇包括半導體本體104 ,亦稱爲三閘極電晶體100之鰭形結構。半導體本體104 一般由與大塊基板1 〇 2相同的材料形成。三閘極電晶體 1 〇〇亦包括由導電材料(如多晶矽或金屬)形成的金屬閘 極電極106。如所示,金屬閘極電極1〇6與半導體本體 1 〇 4的三個不同的表面相鄰,藉此形成電晶體的三個不同 的闊極。 源極區域104A及汲極區域104B形成在半導體本體 1 04中金屬閘極電極1 06的相對側上。通道區域(未標示 )形成在半導體本體104中源極與汲極區域104 A/B之間 且在金屬閘極電極106下方。如此技藝中已知,可在通道 區域中形成源極及汲極尖端延伸(未圖示)。由於半導體 本體104未與基板102隔離,在介面108,尖端延伸部之 底部與金屬閘極電極1 06的底部之對準非常重要。若尖端 延伸部往下穿透到基板1 〇2中,或若尖端延伸部沒有穿透 到半導體本體104的底部,會產生短通道效應的問題。 第2圖爲根據本發明之一實施例在大塊基板上形成隔 離的半導體本體之方法2 00。第3至10圖描繪當進行方 法2 00時所形成的結構的剖面圖。 方法200首先提供大塊基板,其上將可形成本發明的 隔離半導體本體(第2圖之202)。在本發明之一實施例 中’可從矽或矽合金形成大塊基板。在其他實施例中,大 200919589 塊基板可包括材料,如鍺、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷 化銦、砷化鎵或銻化鎵,上述任一可與矽結合。 大塊基板包括由如氮化矽(如Si3N4 )之材料所形成 的硬遮罩層。可用傳統程序來在矽大塊基板的上表面上形 成氮化矽硬遮罩層,例如化學蒸氣沈積程序。第3圖描繪 大塊基板300的剖面圖,其包括形成在其上表面上之氮化 砂層3 0 2。 可蝕刻硬遮罩層以形成圖案化硬遮罩層(204 )。此 技藝中已知的傳統程序可用來圖案化硬遮罩層,如傳統的 微影製程,如乾蝕刻或在CHF3、CH3F或cf4的電漿中之 反應性離子蝕刻。在其他實施例中,可使用其他濕蝕刻或 乾蝕刻程序。圖案化的硬遮罩層可接著作爲圖案化大塊基 板之遮罩’以形成鰭形結構(2〇6 )。此技藝中已知的傳 統程序可用來圖案化大塊基板,如使用nh4oh的濕蝕刻 程序或使用HBrCl的乾蝕刻程序。同樣地,在其他實施例 中’可使用其他濕蝕刻或乾蝕刻程序。此鰭形結構可用來 形成半導體本體。第4圖描繪在大塊基板300上之圖案化 的硬遮罩結構302A的剖面圖。第5圖描繪藉由使用圖案 化的硬遮罩結構3 0 2 A作爲遮罩鈾刻大塊基板3 〇 〇所形成 之鰭形結構500的剖面圖。 接著’在籍形結構周圍沈積淺溝槽隔離(STI )材料 (208 )。在本發明的各種實施例中,STI材料可爲絕緣 材料,如介電質材料或另一氧化材料。在一些實施例中, 可用二氧化矽或SiOF作爲STI材料。可用傳統沈積程序 200919589 沈積STI材料,如化學蒸氣沈積(CVD)、物理蒸氣沈積 (PVD )及原子層沈積(ALD )。第6圖描繪沈積在鰭形 結構500旁之STI材料600的剖面圖。 接著在STI材料中形成凹部,以暴露鰭形結構的—部 份(2 1 0 )。鰭形結構之暴露的部份最終將變成用於三閘 極裝置中之隔離半導體本體。因此,STI材料凹陷及鰭形 結構暴露出來之程度或深度對應於欲形成之隔離半導體本
體之希望的厚度或闻度。可用傳統程序來凹陷或触刻STI 材料’包括但不限於使用氟化氫(HF )之濕蝕刻程序或 使用CHF3' dF或CF4的乾蝕刻程序。在其他實施例中 ’可使用其他濕蝕刻或乾蝕刻程序。第7圖描繪STI材料 6〇〇已凹陷的剖面圖,藉此暴露出鰭形結構500的一部份 〇 接著,在鰭形結構5 00暴露的部份上形成保護氮化物 蓋件(2 1 2 )。先前鰭形結構暴露的部份現以包含在氮化 物蓋件中並受到保護不被氧化。可由與硬遮罩材料相同的 材料形成氮化物蓋件,如氮化矽(如S i 3 N 4 ),並可用傳 統程序加以形成。可使用具有如矽烷或氨的先質之如 CVD、PVD或ALD的沈積程序,在STI材料與鰭形結構 上形成氮化物層。接著可使用諸如上述的蝕刻程序蝕刻氮 化物層,以在鰭形結構上形成氮化物蓋件。第8圖描繪形 成在鰭形結構5 00上之氮化物蓋件800的剖面圖。 根據本發明之實施例,茲進行熱氧化程序,以氧化氮 化物蓋件正下方但未被其包含之鰭形結構的一部份(2 1 4 -9- 200919589 )。換言之,氧化程序消耗掉在氮化物蓋件的底部邊緣下 方之矽鰭片之未受保護的部份,藉此將矽轉變成氧化砂材 料。受到氮化物蓋件保護之鰭形結構的部份茲藉由此新形 成的氧化矽與大塊基板隔離。在本發明之實施例中’藉由 在約9 0 0 °c及約1 1 〇 〇 r之間的溫度退火基板約〇 . 5小時及 約3小時之間或更長的時期來進行熱氧化程序。熱氧化可 發生在含有〇2、H20、蒸氣及HC1之一或多者的大氣中。 第9圖描繪在藉由熱氧化程序消耗掉矽之一部份後的 鰭形結構5 00之剖面圖。如所示,受到氮化物蓋件8 00保 護之鰭形結構500的部份茲形成隔離的半導體本體900。 在隔離的半導體本體900正下方的材料爲氧化層,一般爲 二氧化矽層,其係在熱氧化程序期間形成。 在熱氧化程序之後可自隔離的半導體本體移除氮化物 蓋件(2 1 6 )。可使用傳統自矽移除氮化物之程序,如上 述之傳統的濕或乾蝕刻程序。在一些實施例中,可使用利 用磷酸之濕蝕刻程序,因其對氧化物及矽具有高選擇性。 隔離的半導體本體900茲可用來形成相較於形成在大塊基 板上之三閘極電晶體有改善之短通道效應的三閘極電晶體 〇 第10圖描繪在移除氮化物蓋件800後隔離的半導體 本體900。半導體本體900係與大塊基板300隔離,茲用 爲三閘極電晶體的半導體本體。此後可使用傳統三閘極製 程。 第1 1圖爲根據本發明之一實施例的形成隔離半導體 -10- 200919589 本體之一替代方法1100。方法1100與方法200有相同的 程序’直到形成氮化物蓋件(亦即方法1 1 0 0包括第2圖 之程序202到212 )。 一旦形成氮化物蓋件,執行STI材料之第二凹陷(方 法1100的1102)。在此實施例中’第二次在STI材料中 形成凹部’以暴露出在氮化物蓋件下方將會轉變成氧化物 之繪形結構的一部份。因此,s TI材料凹陷的程度將取決 於形成來隔離半導體本體之氧化層所希望的厚度。可使用 利用氫氟酸的濕蝕刻程序或可使用緩衝的氧化物濕蝕刻來 在S TI材料中形成凹部。第1 2圖描繪在經過第二次凹陷 後之STI材料6〇〇的剖面圖,藉此暴露出氮化物蓋件8〇〇 下方的鰭形結構5 0 0之一部份。 根據本發明之實施例,茲進行熱氧化程序,以氧化在 第二STI凹陷期間暴露出來的鰭形結構之部份(j ! 04 )。 氧化程序消耗掉在暴露出來未受氮化物蓋件保護的矽,藉 此將矽轉變成氧化矽材料。在此,熱氧化程序對矽具有較 快速的氧化速率,因爲矽暴露出來,產生較薄且較佳控制 的氧化物。受到氮化物蓋件保護之鰭形結構的部份茲藉由 此新形成的氧化矽與大塊基板隔離。如前述,藉由在約 9〇〇°C及約1100°C之間的溫度退火基板約0.5小時及約3 小時之間或更長的時期來進行熱氧化程序。熱氧化可發生 在含有02、H20、蒸氣及HC1之一或多者的大氣中。 第1 3圖描繪在藉由熱氧化程序消耗掉矽之暴露的部 份之後形成氧化層1 3 00之鰭形結構5 00的剖面圖。如所 -11 - 200919589 示,受到氮化物蓋件800保護的鰭形結構5 00之部份茲形 成隔離的半導體本體900。在隔離的半導體本體900正下 方的材料爲氧化層1300’ 一般爲二氧化砂層’其係在熱 氧化程序期間形成。 在熱氧化程序之後可自隔離的半導體本體移除氮化物 蓋件(1 1 06 )。可使用傳統自矽移除氮化物之程序,如上 述。隔離的半導體本體900茲可用來形成相較於形成在大 塊塞板上之三閘極電晶體有改善之短通道效應的三閘極電 晶體。第14圖描繪在移除氮化物蓋件8 00後隔離的半導 體本體900。同樣地,此後可使用傳統之三閘極製程。 因此,已描述在大塊基板上形成隔離半導體本體之方 法。根據本發明之實施例,在半導體本體下方形成氧化層 提供閘極與源極/汲極的尖端延伸部之自行對準,以達到 最佳閘極控制。額外的優點包括源極與汲極尖端延伸部所 需之工程的簡化、源極與汲極接面電容之減少及在主動三 閘極裝置下較薄之隔離層的產生,其提供比使用較厚的隔 離層之標準絕緣體上覆矽裝置有更好的短通道免除性。此 外,本發明之完全隔離的半導體本體可致能其他絕緣體上 覆矽類型的應用,如具有浮體之單一裝置記憶體,即使起 始晶圓爲大塊政。 上述本發明之例示性實施例的說明,包括發明摘要的 部份,並非意圖爲窮舉或限制本發明於所揭露的精確形式 。雖爲了說明而在此描述本發明之特定實施例及範例,可 有落入本發明之範疇的熟悉此項技藝人士所知之各種等效 -12- 200919589 變更。 可在閱讀上述詳細說明後對本發明做出這些變更。在 所附之申請專利範圍中所用的用詞不應視爲將本發明限制 於說明書及申請專利範圍中所揭露的特定實施例。確切而 言’本發明之範疇將完全由所附之申請專利範圍而定,其 應依照既定之申請專利範圍釋義原則加以解釋。 【圖式簡單說明】 第1圖描繪傳統三閘極裝置。 第2圖爲根據本發明之一實施例的之形成隔離之半導 體本體的方法。 第3至1 0圖描繪當進行第2圖的程序時所形成的結 構。 第11圖爲根據本發明之另一實施例的形成隔離之半 導體本體的方法。 第1 2至1 4圖描繪當進行第i 1圖的程序時所形成的 結構。 【主要元件符號說明】 100 :三閘極電晶體 102 :大塊半導體基板 104 :半導體本體 104A :源極區域 104B :汲極區域 -13- 200919589 1 0 6 :金屬閘極電極 1 0 8 :介面 3 0 0 :大塊基板 3 0 2 :氮化矽層 3 0 2 A :硬遮罩結構 5 00 :鰭形結構 600 :淺溝槽隔離材料 800 :氮化物蓋件 900 :隔離的半導體本體 1 3 0 0 :氧化層 -14-
Claims (1)
- 200919589 十、申請專利範圍 1. 一種形成隔離半導體本體之方法,包含: 圖案化大塊基板以形成籍形結_ ; 在該鰭形結構周圍沈積絕綠材料; 在該絕緣材料中形成凹部’以暴露該鰭形結構之〜部 份; 將氮化物蓋件沈積於該鰭形結構之該暴露的部份上, 以保護該鰭形結構之該暴露的部份; 進行熱氧化程序,以氧化在該氮化物蓋件下的該鰭形 結構之未受保護的部份,藉此將該鰭形結構之該受保護的 部份與該大塊基板隔離;以及 移除該氮化物蓋件。 2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該絕緣材料 之該沈積包含使用選自由磊晶生長、CVD、PVD及ALD 所組成之群組的程序來沈積二氧化矽。 3. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該絕緣材料 凹陷之深度對應於該隔離半導體本體所希望之高度。 4. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該氮化物蓋 件包含氮化矽。 5. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該熱氧化程 序包含在約900 °C及約11〇〇 °C之間的溫度退火該基板約 0.5小時及約3小時之間的時期。 6. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該大塊基板 包含大塊矽基板。 •15- 200919589 7. 如申請專利範圍第1項之方法’其中在該絕緣材 料中形成凹部包含使用蝕刻程序來移除該絕緣材料的一部 份。 8. 一種形成隔離半導體本體之方法,包含: 圖案化大塊基板以形成鰭形結構; 在該鰭形結構周圍沈積絕緣材料; 第一次在該絕緣材料中形成凹部,以暴露該鰭形結構 之第一部份; 將保護氮化物蓋件沈積於該鰭形結構之該第一部份上 > 第二次在該絕緣材料中形成凹部,以暴露在該保護氮 化物蓋件下的該鰭形結構之第二部份; 熱氧化該鰭形結構之該第二部份,藉此將該鰭形結構 之該第一部份與該大塊基板隔離;以及 移除該氮化物蓋件。 9. 如申請專利範圍第8項之方法,其中該絕緣材料 之該沈積包含使用選自由磊晶生長、CVD、PVD及ald 所組成之群組的程序來沈積二氧化矽。 10. 如申請專利範圍第8項之方法,其中該絕緣材料 第一次凹陷之深度對應於該隔離半導體本體所希望之高度 〇 11. 如申請專利範圍第8項之方法,其中該氮化物蓋 件包含氮化矽。 12. 如申請專利範圍第8項之方法,其中該熱氧化程 -16- 200919589 序包含在約900°c及約1 1 oo°c之間的溫度退火該基板約 0 · 5小時及約3小時之間的時期。 13_如申請專利範圍第8項之方法,其中該大塊基板 包含大塊矽基板。 14. 一種設備,包含: 大塊基板; 半導體本體’其係藉由自該大塊基板圖案化鰭形結構 而形成;以及 氧化層’將該半導體本體與該大塊基板隔離,其中藉 由熱氧化自該大塊基板圖案化之鰭形結構的一部份,形成 該氧化層。 1 5 如申請專利範圍第1 4項之設備,其中該大塊基 板及該半導體本體係由相同材料所形成。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之設備,其中該材料包 含砂。 1 7 .如申請專利範圍第1 5項之設備,其中該材料包 含與弟一材料合金之矽,該第二材料選自由鍺、銻化銦、 締化錯、碑化銦、磷化銦、砷化鎵及銻化鎵所組成之群組 〇 1 8 ·如申請專利範圍第1 4項之設備,其中該氧化層 包含二氧化矽。 -17-
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