TW550735B - Structure of metal oxide semiconductor type field effect transistor - Google Patents

Description

550735 五、發明說明（1) 5-1發明領域： 本發明係為一種金氧半場效電晶體之結構，特別是有 關於一種將閘極與間隙壁製作在一渠溝内之金氧半場效電 晶體結構。本發明利用在底材内之渠溝内形成閘極與間隙 壁所製作的金氧半場效電晶體以降低源極/汲極的接合深 度，並降低汲極電壓導致源極與通道間電位能下降與貫穿 漏電流的效應，避免在後續製程中發生針型漏電流的缺陷 « 5 - 2發明背景： 半導體積體電路（semiconductor integrated c i r c u i t)的製造技術已經不斷的改進，當個別元件的尺寸 已經顯著地縮小時，安裝在半導體晶片上的元件數量已經 大量地增加。在現今的製造程序中，半導體元件的尺寸已 經縮小到次微米（sub-m i cron )的領域。在如此高密度的晶 片上，為了要獲得良好的電性，每一個元件必須被適當的 縮小，以減少縮小體積的半導體元件所發生之缺陷。 參照第一圖所示，傳統之金氧半場效電晶體的結構為 先在一底材1 0上形成一閘極2 0，此閘極2 0至少包含一閘極 氧化層22(gate oxide layer)與一石夕層24。參照第二圖所

550735 五、發明說明（2) 示，接下來利用離子植入之方式將製程所需N型離子或是P 型離子植入閘極兩侧之底材内以形成輕摻雜汲極（1 i g h 11 y doped drain; LDD) 3 0之區域。參照第三圖所示，在閘極 2 0的側壁上形成間隙壁4 0，此間隙壁4 0的材質大部分通常 為一絕緣材質，諸如：氮化矽等。間隙壁4 0主要的功能為 減少閘極2 0發生漏電流的缺陷。參照第四圖所示，利用離 子植入之方式將製程所需N型離子或是P型離子植入底材1 0 内以形成源極/汲極5 0之區域。此源極/汲極5 0之區域位於 輕摻雜汲極3 0區域之兩側。參照第五圖所示，利用自對準 金屬矽化物（s a 1 i c i d e )的製程在閘極2 0與源極/汲極5 0區 域上形成一層金屬石夕化物（s i 1 i c i d e ) 6 0，隨即完成傳統結 構之金氧半場效電晶體。 當半導體的體積縮小後，半導體各部位元件的體積也 將隨之縮小。而當金氧半場效電晶體的體積需要縮小時， 金氧半場效電晶體各部位之元件也將雖之縮小，諸如：閘 極、間隙壁或是源極/汲極等。當源極/汲極之區域縮小時 ，源極/沒極的深度也會隨著縮小。但是在傳統結構的金 氧半場效電晶體中，若源極/汲極的接合深度太淺，則在 後續形成金屬矽化物的製程之後，金氧半電晶體會發生針 _ 型漏電流的缺陷，且會發生換位（t r a d e 〇 f 〇的問題。若 源極/汲極的接合深度太深，則容易造成汲極電壓導致源 極與通道間電位能下降與貫穿漏電流的缺陷。因此，在半 導體元件的體積越來越小的趨勢下，若仍舊採用傳統結構

第5頁 550735 五、發明說明（3) 率 良 及 質 品 之 件 元 體 導 半 低 降 會 則 體 晶 電 效 場 半 氧 金 之 本 成 之 產 生 加 增 並 5 - 3發明目的及概述： 體一 作了 製供 法提 無明 構發 結本 的。 統體 傳晶 用電 利效 ，場 中半 景氧 背金 明之 發好 的良 述能 上效 於且 鑑小 較 積 作通 製與 所極 壁源 隙致 間導 與壓 極電 閘極 成汲 形少 内減 溝以 渠’ 之構。 内結陷 材體缺 底晶的 在電降 用效下 利場能 ，半位 構氧電 結金間 項的道 閘電 成漏 形穿 内貫 溝少 渠減 之以 内， 材體 底晶 在電 用效 利場 為半 的氧 目金 個的 二作 第製 的所 明壁 。 發隙陷 本間缺 與的 極流 閘電 成漏 形¾ 内針 溝少 渠減 之以 内， 材體 底晶 在電 用效 利場 為半 的氧 目金 個的 三作 第製 的所 明壁 。 發隙陷 本間缺 與的 極流 閘缺 成的 形位 内換 溝少 渠減 之以 内， 材體 底晶 在電 用效 利場 為半 的氧 目金 個的 四作 第製 的所 明壁 發隙 本間 與。 極陷

550735 五、發明說明（4) 本發明之再一個目的為利用在底材内之渠溝内形成閘 極與間隙壁所製作的金氧半場效電晶體，以提高半導體元 件之品質及良率。 根據以上所述之目的，本發明提供了一項結構，利用 在底材内之渠溝内形成閘極與間隙壁所製作的金氧半場效 電晶體，以避免縮小體積後之金氧半場效電晶體因為源極 /汲極的接合深度太深或是太淺，所造成汲極電壓導致源 極與通道間電位能下降及貫穿漏電流的缺陷。本發明也可 避免因為源極/汲極的接合深度太深或是太淺所造成針型 漏電流及換位的缺陷。本發明更可提高半導體元件之品質 及良率。 5 - 4發明詳細說明： 本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了詳 細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且 本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。 本發明為將閘極與間隙壁形成於底材之一渠溝内以製 作金氧半場效電晶體。參照第六圖所示，首先提供一晶圓 ，此晶圓至少包含一底材1 0 0。接下來移除部分的底材1 0 0 ，以在底材1 0 0内形成一渠溝1 2 0，此渠溝1 2 0之寬度及深 111 I!

550735 五、發明說明（5) 度隨著製程所需而不同。移除的方式大部分使用蝕刻的方 法，而底材1 0 0所使用之材質大部分為一矽底材。參照第 七圖所示，在渠溝1 2 0之底部形成一閘極2 0 0，此閘極至少 包含一閘極氧化層2 2 0與一矽層2 4 0。閘極氧化層2 2 0位於 渠溝1 2 0底部的底材1 0 0上，矽層2 4 0則位於閘極氧化層2 2 0 上。渠溝1 2 0的深度範圍約為閘極2 0 0厚度的5 0至8 0%，而 渠溝120之寬度範圍約為0· 2// m至0· 35/ζ πι。隨著半導體元 件體積的縮小，渠溝1 2 0之深度與寬度將會越來越小。閘 極2 0 0的體積隨者金乳半場效電晶體的縮小而縮小。蒼照 第八圖所示，接下來在閘極2 0 0與底材1 0 0上形成一間隙壁 層3 0 0，並填滿整個渠溝1 2 0。通常採用絕緣物質作為間隙 壁層3 0 0之材質，諸如：氮化矽等。 參照第九圖所示，移除部分之間隙壁層3 0 0，以在閘 極2 0 0的兩側形成間隙壁3 1 0。此間隙壁3 1 0的功能為防止 閘極2 0 0發生漏電流之缺陷且其位於閘極2 0 0之側壁並填滿 整個渠溝1 2 0。通常採用蝕刻之方式以移除部分之間隙壁 層3 0 0。參照第十圖所示，接下來將製程所需之N型離子或 是P型離子植入間隙壁兩側的底材内，以在底材1 0 0内製作 源極/汲極區域4 0 0。傳統製作金氧半場效電晶體的方式，· 大部分採用輕摻雜汲極的方式以避免金氧半場效電晶體發 生短通道效應之缺陷。但是在金氧半場效電晶體體積縮小 之後，輕摻雜汲極區域也將隨之縮小。在輕摻雜汲極的製 程中，雖然可以控制輕摻雜汲極區域之大小，但是在後續

550735 五、發明說明（6) --~— 的高溫製程中’輕摻雜區域中的離子將很容易藉由滲透及 擴散之作用移至其他區域，使輕摻雜汲極之區域擴大而發 生短通道效應的缺陷。因此在本發明中，直接植入製程^ 需之離子以形成源極/汲極區域4 0 〇。接下來再施以一第— 快速加熱製程作為回火（anneal )之製程。經由控制離子植 入的深度與製程的溫度使得植入之離子經由擴散或是滲透 之作用移至適當之位置，以取代輕摻雜汲極區域之功能。 此區域通常稱為源極/汲極之延伸區域（s 〇 u r c e / d r a i n extended region) 4 2 0。此源極/汲極之延伸區域42 〇位於 間隙壁3 1 0下方之區域且與源極/汲極區域相鄰。此第一快 速加熱製程之溫度大約為9 5 (TC至1 0 5 。 、 參照第Η 圖所示，在閘極2 0 0、間隙壁3 1 0與源極/ 沒極區域4 0 0上形成一金屬層5 0 0。大部分使用化學氣相沉 積（chemical vapor deposition; CVD)法或是磁控直流 電錢鍍(direct current magnetron sputtering)法來沉 積此金屬層5 〇 〇。接下來，將晶圓送入反應室中進行第二 快速加熱製程，使金屬層5 0 0與接觸處之矽反應，以形成 金屬石夕化物（s i 1 i c i d e )層5 1 0。第二快速加熱製程的溫度 大約為5 0 0至7 0 0°C。此時的金屬矽化物的結構主要是電阻 值較高之C-49相的結構。參照第十二圖所示，利用RCA清 洗的方式來去除未參與反應或反應後所殘留的金屬層500 ，而將金屬矽化合物層5 1 0留在閘择2 0 〇與源極/汲極區域 4 0 0上。最後再執行第三快速加熱製程，將C - 4 9相之金屬

550735 五、發明說明（7) 石夕化物結構轉換成電阻值較低的C - 5 4相之結構。第三快速 加熱製程的溫度大約為7 5 0至8 5 (TC。此金屬層5 0 0的材質 可為鈦、鈷及白金等，通常使用鈦為此金屬層5 0 0的材質 鈦是現在自對準金屬石夕化物製程中最常使用的金屬材 料。基本上，鈦是一種氧吸能力（oxygen getter ing)不錯 的金屬材料，在適當的溫度下，鈦極易與金氧半電晶體上 的沒極/源極和閘極上的石夕因交互擴散而形成一電阻率很 低的鈦石夕化合物（titanium silicide; TiSi2)。 藉由本發明所製作而成的金氧半場效電晶體結構，可 較精確地控制源極/汲極區域的接合深度，且源極/汲極區 域之接合深度的誤差允許範圍也較大，因此不會由於源極 /汲極的接合深度太深，而發生汲極電壓導致源極與通道 間電位能下降與貫穿漏電流的缺陷。藉由本發明之結構， 也可以避免源極/汲極的接合度太淺，而在後續形成自對 準金屬矽化物製程後發生針型漏電流及換位的缺陷。利用 本發明之結構，可順利縮小半導體元件之體積，而不會影 響其效能，因此可提高半導體元件之品質與良率。 綜合上述，本發明提供了一項結構，利用在底材内之 渠溝内形成閘極與間隙壁所製作的金氧半場效電晶體，以 避免縮小體積後之金氧半場效電晶體因為源極/汲極的接

第10頁 550735 五、發明說明（8) 合深度太深或是太淺，所造成汲極電壓導致源極與通道間 電位能下降及貫穿漏電流的缺陷。本發明也可避免因為源 極/汲極的接合深度太深或是太淺，所造成針型漏電流及 換位的缺陷。本發明更可提高半導體元件之品質及良率， 不僅具有實用功效外，並且為前所未見之設計，具有功效 性與進步性之增進，故已符合專利法之要件，爰依法具文 申請之。為此，謹貴 審查委員詳予審查，並祈早曰賜准 專利，至感德便。 以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，此實施例僅 係用來說明而非用以限定本發明之申請專利範圍。在不脫 離本發明之實質内容的範疇内仍可予以變化而加以實施， 此等變化應仍屬本發明之範圍。因此，本發明之範疇係由 以下之申請專利範圍所界定。 550735 圖式簡單說明 第一圖為在晶圓底材上形成一閘極之示意圖； 第二圖為形成在底材内輕摻雜汲極之示意圖； 第三圖為在閘極之側壁上形成間隙壁之示意圖； 第四圖為在底材内形成源極/汲極區域之示意圖； 第五圖為形成一金屬矽化物層於閘極與源極/汲極區 域上之不意圖， 第六圖為在底材内形成一渠溝之示意圖； 第七圖為在渠溝之底部形成一閘極之示意圖； 第八圖為在底材與閘極上形成一間隙壁層並填滿渠溝 之示意圖； 第九圖為在閘極兩側之側壁形成間隙壁並填滿渠溝之 示意圖； 第十圖為在底材内形成源極/汲極區域與源極/汲極延 伸區域之示意圖；

550735 圖式簡單說明 第十一圖為在閘極、間隙壁與源極/沒極區域上形成 一金屬層之示意圖；及 第十二圖為在閘極與源極/汲極區域上形成金屬矽化 物層之示意圖。 主要部份之代表符號： 10底材 2 0閘極 2 2閘極氧化層 3 0輕摻雜沒極區域 4 0間隙壁 5 0源極/>及極區域 6 0金屬石夕化物層 1 0 0底材 12 0渠溝 2 0 0閘極 2 2 0閘極氧化層 2 4 0矽層 3 0 0間隙壁層 31 0間隙壁 4 0 0源極/沒極區域 4 2 0源極/汲極延伸區域 5 0 0金屬層

第13頁 550735 圖式簡單說明 5 1 0金屬碎化物層 i

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Claims (1)

1. 550735 六、申請專利範圍 1. 一種金氧半場效電晶體的結構，其中該結構至少包含： 一晶圓，其中上述之晶圓至少包含一底材； 一渠溝，其中上述之渠溝位於該底材内； 一閘極，其中上述之閘極位於該渠溝之一底部； 一間隙壁，其中上述之間隙壁位於該閘極之一側壁且 填滿該渠溝； 一源極/汲極區域，其中上述之源極/汲極區域位於該 底材内且位於該間隙壁之一側； 一源極/汲極延伸區域，其中上述之源極/汲極延伸區 域位於該間隙壁之一底部且相鄰於該源極/汲極區域；及 一金屬矽化物層，其中上述之金屬矽化物層位於該閘 極與該源極/汲極區域上方。 2. 如申請專利範圍第1項的結構，其中該閘極至少包含一 閘極氧化層。 3. 如申請專利範圍第1項的結構，其中該閘極至少包含一 矽層。 4. 如申請專利範圍第1項的結構，其中該渠溝的一深度為 該閘極之一厚度的5 0至8 0%。 5. 如申請專利範圍第1項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為鈦。

   第15頁 550735 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為録。 7. 如申請專利範圍第1項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為白金。 8. —種金氧半場效電晶體的結構，其中該結構至少包含： 一晶圓，其中上述之晶圓至少包含一底材； 一渠溝，其中上述之渠溝位於該底材内； 一閘極，其中上述之閘極位於該渠溝之一底部且至少· 包含一閘極氧化層與一石夕層； 一間隙壁，其中上述之間隙壁位於該閘極之一側壁且 填滿該渠溝， 一源極/汲極區域，其中上述之源極/汲極區域位於該 底材内且位於該間隙壁之一側； 一源極/沒極延伸區域，其中上述之源極/沒極延伸區 域位於該間隙壁之一底部且相鄰於該源極/汲極區域；及 一金屬矽化物層，其中上述之金屬矽化物層位於該閘 極與該源極/汲極區域上方。 __ 9. 如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之渠溝的一深 度為該閘極之一厚度的5 0至8 0%。

   第16頁 550735 六、申請專利範圍 1 0 ·如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為欽。 1 1 ·如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為钻。 1 2 .如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之金屬層之一 材料為白金。 1 3 .如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之間隙壁之一 材料為氮化矽。 1 4 .如申請專利範圍第8項的結構，其中上述之渠溝之寬度 約為0 . 2〆m至0 · 3 5 // m。 m

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