專利名稱：具有鰭片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體元件，且特別有關(guān)于一種具有鰭片結(jié)構(gòu)(finstructure)的半導(dǎo)體元件以及摻雜半導(dǎo)體鰭片元件的方法。
背景技術(shù)：
于超大型集成(ULSI)電路的制作中，金氧半場(chǎng)效晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor；MOSFET)的制作技術(shù)占有決定性的影響。過去數(shù)十年來，借由金氧半場(chǎng)效晶體管尺寸的縮減可提供元件的速度表現(xiàn)、電路密度以及每單位效能成本的改善。當(dāng)傳統(tǒng)塊金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極長度縮減時(shí)，源極與漏極便容易和溝道區(qū)產(chǎn)生作用而影響其內(nèi)的勢(shì)能(potential)；如此一來，具有較短?hào)艠O長度的晶體管將可能遭遇如無法控制柵極的溝道開關(guān)狀態(tài)等問題。
有關(guān)短溝道長度的晶體管所減少對(duì)柵極控制的現(xiàn)象即所謂的短溝道效應(yīng)(short-channel effects；SCE)；而增加主體摻雜濃度(body dopingconcentration)、降低柵極氧化層厚度以及超淺源極/漏極接面(ultrashallow source/drain junction)均可抑制短溝道效應(yīng)。然而，當(dāng)元件尺寸(device scaling)進(jìn)入次50納米時(shí)代(sub-50nm regime)，其主體摻雜濃度、柵極氧化層厚度以及源極/漏極摻雜輪廓(doping profile)的需求愈發(fā)難以達(dá)至理想，尤其當(dāng)傳統(tǒng)元件構(gòu)造是架構(gòu)于塊硅基底(bulksilicon substrate)上。前段制程技術(shù)的創(chuàng)新或采用非傳統(tǒng)元件的結(jié)構(gòu)可需用以維持元件縮小的歷史發(fā)展步伐。
當(dāng)元件尺寸縮小至次30納米時(shí)代，一種控制短溝道效應(yīng)的有效方法即使用一種多于一個(gè)柵極的可供選擇的晶體管結(jié)構(gòu)，例如多重柵極晶體管(multiple-gate transistor)，而該可供選擇的晶體管結(jié)構(gòu)的范例之一即為多重柵極晶體管。多重柵極晶體管的范例是包含雙重柵極晶體管(double-gate trahsistor)、三重柵極晶體管(triple-gatetransistor)、歐米茄場(chǎng)效晶體管(omega field-effect transistor)、以及環(huán)繞型柵極(surround-gate)或包裹環(huán)繞型柵極(wrap-around gate)晶體管。一種多重柵極晶體管結(jié)構(gòu)期待用于延伸互補(bǔ)型金屬氧化半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor；CMOS)技術(shù)的尺寸縮小能力，超越傳統(tǒng)塊金氧半場(chǎng)效晶體管限制并達(dá)到硅材質(zhì)的金氧半場(chǎng)效晶體管的最大極限。引進(jìn)額外柵極可改善柵極與溝道間的耦合電容(capacitance coupling)的產(chǎn)生、增加?xùn)艠O對(duì)溝道控制的潛能、幫助短溝道效應(yīng)的抑制、以及延伸金氧半晶體管的尺寸能力。
最簡(jiǎn)單的多重柵極晶體管的例子即Hu等人所獲的美國專利字號(hào)6,413,802中所述的雙重柵極晶體管。此專利中，其晶體管溝道是包含一經(jīng)蝕刻罩幕(etchant mask)所定義而成并形成于一絕緣層例如為氧化硅上的薄硅鰭片。施行一柵極氧化程序，接著再沉積柵極以及定義柵極圖案以形成一在鰭片旁的雙重柵極結(jié)構(gòu)，而源極往漏極以與柵極往柵極的方向均位于基底表面的平面上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是具有鰭片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及其制造方法，其較佳實(shí)施例即提供數(shù)種摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片以改善元件性能的方法。依照本發(fā)明的實(shí)施例，其柵極長度相較某些先前技術(shù)的布植法(implantation)具有更均勻的摻雜，因此能夠改善元件效能。
本發(fā)明的一實(shí)施例是提供一種摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法。首先提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含復(fù)數(shù)個(gè)半導(dǎo)體鰭片在一絕緣層(insulator layer)上，一柵極介電質(zhì)(gate dielectric)在部分該些半導(dǎo)體鰭片上，以及一閘電極(gate electrode)在該柵極介電質(zhì)之上。上述任一半導(dǎo)體鰭片均具有一上表面、一第一側(cè)壁表面以及一第二側(cè)壁表面；摻雜物離子(dopant ions)與該些半導(dǎo)體鰭片上表面的法線呈一第一角度(大于7°)植入以摻雜該些半導(dǎo)體鰭片的第一側(cè)壁表面以及上表面，此外摻雜物離子與該些半導(dǎo)體鰭片上表面的法線呈一第二角度植入以摻雜該些半導(dǎo)體鰭片的第二側(cè)壁表面以及上表面。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是提供一種以不同方位摻雜半導(dǎo)體鰭片的方法。此實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體鰭片于一大角度下植入摻雜物離子時(shí)，一第一罩幕覆蓋于第二半導(dǎo)體鰭片上；同樣地，當(dāng)?shù)诙雽?dǎo)體鰭片于一大角度下植入摻雜物離子時(shí)，一第二罩幕覆蓋于第一半導(dǎo)體鰭片上。
本發(fā)明同樣包含結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，例如絕緣層上有半導(dǎo)體(semiconductor-on-insulator)的晶片(chip)，其包括復(fù)數(shù)個(gè)多重柵極晶體管形成于一絕緣層之上，且上述任一多重柵極晶體管包括具有一方位的一半導(dǎo)體鰭片以及具有一柵極長度小于30納米的閘電極；該些多重柵極晶體管的任一晶體管方位均相同。其它方法與結(jié)構(gòu)也同樣于本發(fā)明中揭示。
一種絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其包括復(fù)數(shù)個(gè)多重柵極晶體管形成于一絕緣層之上，且上述任一多重柵極晶體管包括具有一方位的一半導(dǎo)體鰭片以及具有一柵極長度相當(dāng)于最小特征尺寸(feature size)的閘電極，而該些多重柵極晶體管的該方位則均為相同。


圖1a所示為一種雙重柵極元件的結(jié)構(gòu)；圖1b所示為一種三重柵極元件的結(jié)構(gòu)；圖1c所示為一種歐米茄場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)；圖2所示為一種多重柵極晶體管的平面圖；圖3a所示為一種三重柵極晶體管的立體透視圖；圖3b所示為歐米茄場(chǎng)效晶體管的立體透視圖；圖4a是沿圖2中B-B’線的剖面圖；圖4b是沿圖2中C-C’線的剖面圖；圖5a、圖5b及圖5c是顯示以一大植入角度摻雜一半導(dǎo)體鰭片的剖面圖；圖6a所示為半導(dǎo)體鰭片的上部及側(cè)壁表面所接收的離子劑量與植入角度的函數(shù)關(guān)系圖；圖6b所示為該鰭片上部區(qū)域劑量對(duì)一側(cè)壁表面區(qū)域劑量的比例與植入角度的函數(shù)關(guān)系圖；圖7a為本發(fā)明的半導(dǎo)體鰭片元件的平面圖示；圖7b為本發(fā)明的半導(dǎo)體鰭片元件的剖面圖示；圖8a是顯示當(dāng)摻雜第一晶體管的源極與漏極區(qū)時(shí)，其第二晶體管是處于一遮蔽的狀態(tài)；圖8b是顯示當(dāng)摻雜第二晶體管的源極與漏極區(qū)時(shí)，其第一晶體管是處于一遮蔽的狀態(tài)；圖9所示為本發(fā)明的一種n-型晶體管。
符號(hào)說明100～雙重柵極晶體管102～三重柵極晶體管104～歐米茄場(chǎng)效晶體管110～閘電極
112～硅體、鰭片114、115～鰭片的(第一、第二)側(cè)壁116～絕緣層118～硅基底120～柵極介電質(zhì)122～罩幕124～鰭片的上表面126～源極區(qū)128～漏極區(qū)130～柵極于鰭片下的延伸或侵入132～鰭片上表面摻雜區(qū)域134～鰭片側(cè)壁表面摻雜區(qū)域136～溝道區(qū)140～第一離子布植步驟142～第二離子布植步驟144～上方的摻雜區(qū)域146、148～側(cè)壁的摻雜區(qū)域150～第一罩幕材料152～第二罩幕材料w～鰭片寬度h～鰭片高度e～柵極的侵入延伸l～鰭片溝道長度α、β～離子植入角度
具體實(shí)施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下本發(fā)明的較佳實(shí)施例是有關(guān)于半導(dǎo)體元件領(lǐng)域，且特別有關(guān)于一種具有鰭片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件。本發(fā)明是具有鰭片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及其制造方法，其提供數(shù)個(gè)用以摻雜一多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法。
另一多重柵極晶體管的范例為一三重柵極晶體管102。三重柵極晶體管結(jié)構(gòu)102的剖面圖是于圖1b中顯示，而三重柵極結(jié)構(gòu)的平面圖是與雙重柵極結(jié)構(gòu)相同并且于圖2中顯示。三重柵極晶體管結(jié)構(gòu)具有一形成三個(gè)柵極的閘電極110其中一柵極位于硅體/鰭片112的上表面124，而另外兩個(gè)柵極則位于硅體/鰭片112的側(cè)壁114。三重柵極晶體管較雙重柵極晶體管多出一位于硅鰭片上表面的柵極，故可具有優(yōu)于雙重柵極晶體管對(duì)柵極溝道的控制能力。一三重柵極晶體管102的立體圖示是于圖3a中顯示；圖3a顯示源極區(qū)126與漏極區(qū)128是分別形成于相對(duì)溝道區(qū)兩側(cè)的硅體112上。
三重柵極晶體管的結(jié)構(gòu)可經(jīng)修飾以改善柵極控制能力，如圖1c所示。由于閘電極110的剖面圖具一omega(Ω)外型，因此結(jié)構(gòu)104也如同習(xí)知的歐米茄場(chǎng)效晶體管(omega field-effect transistor；簡(jiǎn)稱omega-FET)。閘電極110于半導(dǎo)體鰭片或硅體112下的侵入形成一具有omega(Ω)外型的柵極結(jié)構(gòu)，它具有近似于柵極圍繞(Gate-All-Around；GAA)晶體管般突出的尺寸能力，并使用一種類似雙重柵極晶體管或三重柵極晶體管而稍加改變的制造方法。歐米茄場(chǎng)效晶體管具一上柵極(毗連于表面124)，兩個(gè)側(cè)壁的柵極(毗鄰于表面114)，以及于該似鰭片(fin-like)的半導(dǎo)體本體下所延伸或侵入130的特殊柵極。
因此歐米茄場(chǎng)效晶體管是為一具有一幾乎纏繞于整個(gè)本體112的柵極110的場(chǎng)效晶體管。事實(shí)上，當(dāng)柵極的延伸130愈長，例如侵入范圍e越大，則該晶體管結(jié)構(gòu)與柵極圍繞晶體管的結(jié)構(gòu)愈接近或相似；一具有凹處絕緣層的三重柵極晶體管或歐米茄場(chǎng)效晶體管的立體圖是于圖3b中概要說明。閘電極110于硅體112下的侵入有助于溝道避開來自漏極128的電場(chǎng)線(electric field lines)并改善柵極對(duì)溝道的控制能力(gate-to channel controllability)，如此可減緩因漏極電壓所造成的能障降低效應(yīng)(drain-induced barrier lowering effect；DIBL)并改善短信道的性能。
圖1a至圖1c所示的多重柵極晶體管結(jié)構(gòu)剖面圖是用于說明本發(fā)明，然并非受限于上述的結(jié)構(gòu)。且鰭片的角隅是可為圓潤，而并非如圖1a至圖1c所示的陡峭邊角。
所述的多重柵極晶體管結(jié)構(gòu)，例如雙重柵極晶體管100、三重柵極晶體管102以及歐米茄場(chǎng)效晶體管104均具一共同特征似鰭片的半導(dǎo)體主動(dòng)區(qū)域112。在摻雜半導(dǎo)體鰭片的源極區(qū)126與漏極區(qū)128的過程中，先前技術(shù)是使用一習(xí)知的源極與漏極離子布植程序，離子經(jīng)與晶片或基底的法線成一小角度布植；習(xí)知的源極與漏極布植程序中常采用一小角度如7度或更小的角度，例如沿圖2B-B’線而得的圖4a所示。
使用如此的離子布植條件將導(dǎo)致多數(shù)植入的摻雜物到達(dá)鰭片112的上表面124，因而產(chǎn)生一濃摻雜(high-doped)的上表面區(qū)132，而僅有少數(shù)摻雜物能有效植入側(cè)壁表面114，形成一淡摻雜(lightly doped)的側(cè)壁表面區(qū)134。欲引入一顯著摻雜量于源極/漏極區(qū)126/128的側(cè)壁可能需要一段長時(shí)間的離子布植。此外，由于少數(shù)摻雜物會(huì)到達(dá)部分鰭片的底部，因此源極126與漏極128于部分鰭片底部的離子摻雜度較低，并可能導(dǎo)致部分鰭片的底部溝道長度l的底部較部分鰭片的上部溝道長度大。
圖4b所示為沿圖2C-C’線而得的剖面圖。在鰭片112中的溝道136的長度變異，例如部分鰭片底部具有一較大的溝道長度，結(jié)果導(dǎo)致一位于部分鰭片底部的縮減電流，由源極通往漏極的非均勻的電流分布。因此當(dāng)使用一般的源極與漏極的摻雜程序，該半導(dǎo)體鰭片元件的性能乃未暨完美。
本發(fā)明的實(shí)施例可借由使用任一些多重柵極晶體管而執(zhí)行，而晶體管的三個(gè)范例是根據(jù)圖1a至圖4b所描繪，且其中任何結(jié)構(gòu)也同其它結(jié)構(gòu)般可利用本發(fā)明的內(nèi)容。如圖1a中的剖面圖示說明，一雙重柵極晶體管100具有一閘電極110橫跨于溝道或似鰭片的硅本體112，并因此形成一雙重柵極的結(jié)構(gòu)兩個(gè)柵極，其分別位于硅鰭片112的任一側(cè)壁114，如圖1a所示。該雙重柵極結(jié)構(gòu)的平面圖是于圖2中表示，而圖1a(以及圖1b和圖1c)是沿圖2中的A-A’線而成。硅鰭片112形成于硅基底118上的絕緣層116上，該硅體112借由一沿著側(cè)壁114的柵極介電質(zhì)120以及一沿著鰭片的上表面124的罩幕122與閘電極110分隔。
多重柵極晶體管例如為雙重柵極晶體管、三重柵極晶體管以及歐米茄場(chǎng)效晶體管，此類晶體管的共同特征在于具有似鰭片的半導(dǎo)體主動(dòng)區(qū)域。是以此類的元件也即為習(xí)知的半導(dǎo)體鰭片元件，且半導(dǎo)體鰭片元件具有一預(yù)設(shè)的鰭片高度h以及一預(yù)設(shè)的鰭片寬度w。另一多重柵極晶體管的共同特征為半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁表面是用于電流傳導(dǎo)，例如多重柵極晶體管上一顯著量源極通往漏極的電流是沿側(cè)壁表面?zhèn)鲗?dǎo)。
實(shí)質(zhì)上，多重柵極晶體管的有效元件寬度是為鰭片高度h的函數(shù)(如圖1a所示)。于雙重柵極晶體管中，元件的寬度為鰭片高度的兩倍，例如為2h。而于三重柵極晶體管中，元件的寬度則為(2h+w)(如圖1a及圖1b所示)。如圖3a及圖3b所示，半導(dǎo)體鰭片112的部分側(cè)壁經(jīng)摻雜而形成源極區(qū)126與漏極區(qū)128，因此于制造半導(dǎo)體鰭片元件或多重柵極晶體管的過程中是牽涉了半導(dǎo)體鰭片的摻雜，尤其是半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁表面。在半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁表面作有效以及足夠的摻雜可用以最佳化晶體管的特性，一方面來說，本發(fā)明是提供了生產(chǎn)制程中摻雜半導(dǎo)體鰭片側(cè)壁的改善方法。
根據(jù)本發(fā)明的特點(diǎn)，在半導(dǎo)體鰭片元件的摻雜中，其源極與漏極的離子植入角度α是大以最佳化元件的效能?，F(xiàn)參照?qǐng)D5a至圖5c離子布植的圖解，其中離子布植是至少經(jīng)由兩個(gè)離子布植步驟而完成。如圖5a所示，一半導(dǎo)體鰭片112是在一絕緣層116上，該絕緣層116可如圖1c所示的歐米茄場(chǎng)效晶體管范例般具有一凹處，且該絕緣層厚度可于范圍100埃至2000埃。為求方便說明，將該半導(dǎo)體鰭片112視為一三重柵極晶體管102。
于較佳實(shí)施例中，半導(dǎo)體鰭片112是由硅構(gòu)成，且所布植的離子為p-型摻雜物離子，例如為硼(boron)和/或銦(indium)；或者為n-型摻雜物離子，例如為磷(phosphorus)、砷(arsenic)和/或銻(antimony)。如圖5b所示，于第一離子布植步驟中執(zhí)行一角度植入(以箭頭符號(hào)140表示)，其與晶片上表面124的法線于z-x平面呈一角度α。源極126與漏極128的離子布植劑量約為總摻雜物劑量I(每單位晶片表面面積中所含摻雜物單位)之半，而源極與漏極離子布植的總劑量I通常介于每平方公分含有約1×1013至1×1016摻雜物的范圍。經(jīng)第一離子布植步驟140后是產(chǎn)生一上方的摻雜區(qū)域144以及側(cè)壁的摻雜區(qū)域146。
關(guān)于鰭片上表面124的入射角，離子以一與鰭片上表面124的法線成角度α到達(dá)鰭片上表面，而鰭片上表面124的法線通常是與晶片的法線平行。而關(guān)于鰭片側(cè)壁表面114的入射角，離子以一與鰭片側(cè)壁表面114的法線呈角度(90-α)到達(dá)鰭片側(cè)壁的表面，而角度α與(90-α)是依照與該側(cè)壁表面114正交的平面而定。
第一離子布植步驟中，鰭片的第一側(cè)壁114約接收(I/2)·sin(α)的劑量，而鰭片上表面124則約接收(I/2)·cos(α)的劑量，此時(shí)該鰭片的第二側(cè)壁表面115基本上并無接收摻雜物。
第二離子布植步驟中，元件102經(jīng)沿法線旋轉(zhuǎn)180度后，其第二的半劑量是于z-x平面上與晶片的法線成一角度α布植，如圖5c所示。于該第二離子布植(以箭頭符號(hào)142表示)步驟中，鰭片的第二側(cè)壁表面115約接收(I/2)·sin(α)的劑量，而鰭片上表面124則約接收(I/2)·cos(α)的另外劑量，于此鰭片的第一例壁表面114基本上并無接收摻雜物。因此，在第一及第二離子布植步驟之后，其鰭片上表面所接收的總離子劑量為I·cos(α)，而該任一側(cè)壁表面所接收的總離子劑量則為(I/2)·sin(α)。圖5c說明了側(cè)壁的摻雜區(qū)域148的形成。
于圖5b及圖5c中所闡明的實(shí)施例，其中的離子布植步驟140及142是均以一角度α執(zhí)行，值得注意的是第一離子布植步驟的角度并非必須與第二離子布植步驟的角度相同，該角度接近是為理想(但并非必須)以便維持側(cè)壁摻雜區(qū)域146與148具有較一致的操作性質(zhì)。
圖6a中，鰭片112的上表面摻雜區(qū)域144與側(cè)壁表面摻雜區(qū)域146(或148)所接收的每單位表面積的摻雜物劑量是依植入角度α為函數(shù)標(biāo)繪。假設(shè)角度α為0，則(I/2)·sin(α)變?yōu)?，亦即沒有摻雜物可到達(dá)鰭片側(cè)壁表面；此時(shí)I·cos(α)變成I，表示鰭片上表面將摻雜一劑量I。假設(shè)植入角度為0度，其位于多重柵極晶體管的鰭片側(cè)壁114與115的源極區(qū)126與漏極區(qū)128自然無法有效形成。一般源極與漏極離子布植條件常使用一小角度例如為7度，如此可理解任一鰭片側(cè)壁每單位的表面積所接收的離子劑量將少于其上表面所接收的每單位表面積離子劑量的十分之一；在此例中，鰭片側(cè)壁表面需要一較高劑量與較長時(shí)間的離子布植以獲得一基本量的摻雜。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例是指示離子布植角度應(yīng)大以足夠鰭片側(cè)壁表面114與115獲得一基本量的摻雜。事實(shí)上，若離子布植角度為60度，則鰭片112的上部以及側(cè)壁表面將具有相當(dāng)?shù)膭┝慷鴮?dǎo)致相近的摻雜濃度。
依據(jù)圖6b，鰭片上表面124所接收的離子劑量對(duì)一鰭片側(cè)壁表面114(或115)所接收的離子劑量的比例是依植入角度α為函數(shù)標(biāo)繪，而該比例也可詮釋為鰭片上表面區(qū)域144摻雜濃度對(duì)鰭片側(cè)壁表面區(qū)域146(或148)摻雜濃度的比例。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，較佳比例為約小于8，而該所對(duì)應(yīng)的離子植入角度約大于15度。本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，該比例是介于范圍約1至4之間，且其對(duì)應(yīng)的離子植入角度為介于范圍約26至63度之間，而鰭片上表面摻雜區(qū)域144與側(cè)壁表面摻雜區(qū)域146及148的較佳摻雜濃度為大于每立方公分約含1×1020摻雜物。
依據(jù)本發(fā)明的指示，使用一大植入角度α具有一些優(yōu)點(diǎn)。首先，以一大角度執(zhí)行離子布植可使晶體管側(cè)壁表面的源極126與漏極區(qū)128能更有效率地引入更多摻雜物，因而可避免以一小角度執(zhí)行離子布植所伴隨的長時(shí)間布植的問題產(chǎn)生。其次，以一大角度執(zhí)行離子布植將使鰭片的源極與漏極區(qū)的上表面124以及側(cè)壁表面114及115的摻雜量更相當(dāng)，因此多重柵極晶體管的溝道長度不管于鰭片的上方或下方部分均可維持相同。
然而，隨著使用大角度的離子布植所衍生出潛在的問題，而本發(fā)明則提供該問題的解決方法?，F(xiàn)參照?qǐng)D7a，其圖中顯示兩多重柵極晶體管102a與102b的平面圖，其中兩晶體管102a與102b具有相互垂直的源極往漏極方向，亦即其所含半導(dǎo)體鰭片112是朝向相互垂直的方向；而換句話說，該半導(dǎo)體鰭片是相互正交。圖7a中，第一晶體管102a的源極往漏極方向是位于y-方向上，而第二晶體管102b的源極往漏極方向則位于x-方向上，x-y軸是于圖7a右下方角落顯示。
兩晶體管的閘電極110a與110b所朝的方位也同樣呈相互垂直。如圖7a所示，該兩晶體管可相互非常接近或遠(yuǎn)離，例如位于一集成電路晶粒(integrated circuit die)的兩最末端。圖7a所示的多重柵極晶體管可為一雙重柵極晶體管、三重柵極晶體管或歐米茄場(chǎng)效晶體管，而為求說明方便，是將該多重柵極晶體管視為一三重柵極晶體管。
圖7b是顯示三重柵極晶體管102a與102b沿圖7a中A-A’線而得的剖面圖示。圖7a的A-A’線是橫切第一晶體管102a的源極區(qū)126a以及第二晶體管102b的源極區(qū)126b、溝道區(qū)136b及漏極區(qū)128b。一般而言在制造多重柵極晶體管的過程中，半導(dǎo)體鰭片112是在一絕緣層116上，而沉積一柵極介電層120之后再接著形成閘電極110。
柵極介電層的材質(zhì)可包含氧化硅(silicon oxide)或氮氧化硅(silicon oxynitride)，或可包含高介電常數(shù)(high permittivity)介電質(zhì)例如為氧化鑭(lanthanum oxide；La2O3)、氧化鋁(aluminum oxide；Al2O3)、氧化鉿(hafnium oxid；HfO2)、氮氧化鉿(hafnium oxynitride；HfON)、氧化鋯(zirconium oxide；ZrO2)等或其組合，而高介電常數(shù)介電質(zhì)通常具有一大于5的相對(duì)電容率。閘電極的材質(zhì)可包含一導(dǎo)電性材料，而導(dǎo)電性材料的范例是包含已摻雜的多晶硅(doped poly-crystallinesilicon)、已摻雜的多晶硅-鍺(poly-crystalline silicon-germanium)、金屬或金屬硅化物(metal silicide)。此時(shí)，在形成源極區(qū)126與漏極區(qū)128前，半導(dǎo)體鰭片112上的溝道區(qū)136可為已摻雜或未摻雜。
接著的制造過程步驟中可能牽涉借由摻雜適當(dāng)部分的半導(dǎo)體鰭片112而形成源極區(qū)126以及漏極區(qū)128。假設(shè)使用一位于z-x平面的大植入角度α以摻雜第一晶體管102a的半導(dǎo)體鰭片第一側(cè)壁114a，則第二晶體管102b的溝道區(qū)136b將同樣接收到源極與漏極的摻雜物，進(jìn)而導(dǎo)致第二晶體管102b的效能削減，而同樣問題則發(fā)生于使用一大植入角度以摻雜第一晶體管102a的第二側(cè)壁115a時(shí)。
通常當(dāng)提供足夠的摻雜量于具有一第一源極往漏極方位的晶體管的源極區(qū)與漏極區(qū)，例如朝y方向的源極往漏極方向，其大角度的植入步驟將同樣把源極/漏極的摻雜物摻雜至具有一第二垂直的源極往漏極方位的晶體管溝道區(qū)，例如朝x方向的源極往漏極方向。此乃因?yàn)楫?dāng)以一大植入角度α(例如為30度)執(zhí)行源極與漏極的布植140時(shí)，其具有一角度與暈布植(halo implant)角度相近，并可因此摻雜至第二晶體管的溝道區(qū)136b。然而一般習(xí)知的暈布植是使用與源極126與漏極128相反型態(tài)的摻雜物用以摻雜溝道區(qū)136以控制短溝道效應(yīng)(short channeleffect)，當(dāng)本欲摻雜源極區(qū)126a與漏極區(qū)128a時(shí)，而使得第二晶體管102b的溝道區(qū)136b也一并受摻雜時(shí)，第二晶體管102b的短溝道效應(yīng)可能惡化，并甚至可能使源極126b與漏極128b間短路(electrical short)而導(dǎo)致失效。
本發(fā)明是提供了一種方法，其可利用大植入角度以摻雜具有一第一源極往漏極方位的第一晶體管102a的源極區(qū)126a與漏極區(qū)128a，且未摻雜至具有一第二垂直的源極往漏極方位的第二晶體管102b的溝道區(qū)136b。在源極與漏極植入前，沉積一罩幕材料150(mask material)于晶片上以覆蓋第一晶體管102a以及第二晶體管102b。該罩幕材料經(jīng)由圖案化例如借由光學(xué)微影技術(shù)(optical lithography)，移除覆蓋于第一晶體管102a的部分罩幕材料150以形成一第一罩幕150，如圖8a所示。該第一罩幕150覆蓋于第二晶體管102b上，于摻雜第一晶體管102a源極126a與漏極區(qū)128a時(shí)遮蔽溝道區(qū)136b。
源極126a與漏極區(qū)128a的摻雜可如上所述經(jīng)由兩離子布植步驟執(zhí)行。其中乃進(jìn)行半劑量的角度植入(half-dose angled implant)以摻雜第一側(cè)壁114a以及第一晶體管102a的鰭片112a上表面124a，接著再執(zhí)行另一半劑量的角度植入以摻雜第二側(cè)壁115a以及上表面124a。摻雜源極126a以及漏極區(qū)128a后，可將第一罩幕150移除。
接著是形成覆蓋于第一晶體管102a的第二罩幕152以暴露第二晶體管102b。而欲摻雜第二晶體管102b的源極126a與漏極區(qū)128a時(shí)，則至少需執(zhí)行兩個(gè)離子布植步驟。第一晶體管102a的溝道區(qū)136a被第二罩幕152遮蔽而不受該離子布植程序影響。而用以摻雜第二晶體管102b的源極126b與漏極區(qū)128b的離子布植步驟的植入角度是以z-y平面的角度β執(zhí)行。位于z-y平面的角度β，與該第二晶體管的半導(dǎo)體鰭片112b的側(cè)壁114b所在的平面垂直。圖8b中，y軸的正向是為進(jìn)入紙面的方向，而y軸的負(fù)向則為凸出紙面的方向(因此難以于圖面上明白標(biāo)示角度β)。
之后可將該第二罩幕移除，并執(zhí)行一高溫回火(annealing)步驟以活化半導(dǎo)體鰭片112a與112b中所布植的摻雜物。該回火步驟可為一快速回火制程(spike anneal process)，其水溫可急速升至一峰值溫度(peaktemperature)攝氏1050度，接著再急速冷卻水溫，或者其它的任何回火技術(shù)，例如為一般習(xí)知且先前技術(shù)已使用的快速熱退火(rapid thermalanneal)技術(shù)。
由上所述方法的實(shí)施例中，可理解欲將晶體管的源極126與漏極區(qū)128摻雜成同型，例如n-型或n-溝道，其需牽涉使用一額外罩幕圖案化的步驟，引入一額外光罩有時(shí)可能因成本昂貴而為商業(yè)所禁用。因此，基于上述實(shí)施例，更進(jìn)一步的改善乃將所有于一預(yù)定范圍柵極長度內(nèi)的同型多重柵極晶體管排列為同方向，以容許使用大角度植入而不需使用一額外光罩，此乃于本發(fā)明的另一實(shí)施例中所述。
根據(jù)此實(shí)施例，所有相同導(dǎo)電型(conductivity type)以及具有小于或等于一預(yù)設(shè)柵極長度的多重柵極晶體管均朝向同一方向。本文中，所有的晶體管是指設(shè)計(jì)以具備最理想特性的操作而可實(shí)用(functional)或操作(operational)的晶體管，例如不包含虛擬晶體管(dummy transistor)或其它未于晶片操作電路上的晶體管。預(yù)設(shè)的柵極長度是根據(jù)短溝道效應(yīng)(short-channel effect)的影響度決定，晶體管所具的柵極長度愈短則愈易受到短溝道效應(yīng)影響。預(yù)設(shè)的柵極長度可例如為30納米，而另一范例中，該預(yù)設(shè)的柵極長度可能為最小的柵極長度。
由于以大植入角度摻雜具有第一源極往漏極方位的晶體管的源極126與漏極區(qū)128可降低具有其它源極往漏極方向的晶體管的短溝道效應(yīng)，因此所有易受嚴(yán)重短溝道效應(yīng)影響的晶體管均應(yīng)具有相同的源極往漏極方向。例如，所有柵極長度小于30納米的n-型多重柵極晶體管均應(yīng)具有朝x方向的源極通往漏極方向。圖9中是顯示了柵極長度lg，a及l(fā)g，b小于預(yù)設(shè)柵極長度，例如為30納米，而lg，c及l(fā)g，d則大于預(yù)設(shè)柵極長度。圖9的晶體管102a及晶體管102b分別具有柵極長度lg，a與lg，b，且具有大體相同的源極往漏極方位(亦即源極往漏極的電流路徑大體平行)，而晶體管102c與晶體管102d則分別具有l(wèi)g，c及l(fā)g，d的柵極長度，且其可為任何的源極往漏極方向。
當(dāng)改變摻雜源極區(qū)126與漏極區(qū)128的離子布植條件時(shí)，晶體管102c與晶體管102d可能具有不同電性(electrical characteristics)或?qū)Χ虦系佬?yīng)的弱點(diǎn)，例如該x方向可為一晶向(crystallographicdirection)，例如為[100]方向。此例中，n-溝道多重柵極晶體管的側(cè)壁表面是為(100)表面，而具有(100)側(cè)壁表面的n-溝道多重柵極晶體管則會(huì)具有最佳的電子遷移率(electron mobility)。另一范例中，所有具有柵極長度小于30納米的p-型多重柵極晶體管可能具有朝晶向[110]的源極往漏極的方向。而此時(shí)，p-溝道多重柵極晶體管的側(cè)壁表面是為(110)表面，而具有(110)側(cè)壁表面的p-溝道多重柵極晶體管會(huì)具有最佳的電洞遷移率(hole mobility)。
另一方法的實(shí)施例中，半導(dǎo)體鰭片112可經(jīng)固態(tài)擴(kuò)散源(solid-source diffusion)取代如其它方法實(shí)施例中所述的離子布植。于固態(tài)擴(kuò)散源的技術(shù)中，將一含摻雜物的材料(固態(tài)擴(kuò)散源；solid source)沉積于欲摻雜的半導(dǎo)體鰭片上，之后執(zhí)行一升溫處理以提供含摻雜物材料或固態(tài)擴(kuò)散源的摻雜物擴(kuò)散至半導(dǎo)體鰭片中。含摻雜物材料的范例是包含硼硅玻璃(boron-silicate glass；BSG)、摻磷硅玻璃(phosphor-silicate glass；PSG)以及摻鍺(doped germanium)等。有關(guān)圖9的討論是同樣適用于此實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其包括下列步驟提供一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)半導(dǎo)體鰭片在一絕緣層上，一柵極介電質(zhì)在部分該半導(dǎo)體鰭片上，以及一閘電極在該柵極介電質(zhì)上，而該每一半導(dǎo)體鰭片均具有一上表面、一第一側(cè)壁表面以及一第二側(cè)壁表面；與上述半導(dǎo)體鰭片上表面法線成一角度α植入摻雜物離子以摻雜上述半導(dǎo)體鰭片的第一側(cè)壁表面及上表面，該角度α是大于7度；以及與上述半導(dǎo)體鰭片上表面法線成一角度β植入摻雜物離子以摻雜上述半導(dǎo)體鰭片的第二側(cè)壁表面及上表面，該角度β是大于7度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α的大小等于該角度β。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法更包括施行一回火程序以活化該布植的摻雜物離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該半導(dǎo)體鰭片是朝同方向排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該半導(dǎo)體鰭片是包含硅鰭片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該第一及第二側(cè)壁的表面(110)為結(jié)晶面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)更包括一蝕刻罩幕在該半導(dǎo)體鰭片上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該絕緣層是凹陷以致該半導(dǎo)體鰭片的基部具有一凹口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該半導(dǎo)體鰭片上表面區(qū)域的摻雜濃度對(duì)該半導(dǎo)體鰭片第一側(cè)壁區(qū)域的摻雜濃度的比例介于1至4之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α大于15度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α介于26度至63度之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該第一及第二側(cè)壁區(qū)域的摻雜濃度是摻雜至一大于每立方公分1×1020。
13.一種摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其包括下列步驟在一絕緣層上提供一具有第一方位的第一半導(dǎo)體鰭片以及一具有第二方位的第二半導(dǎo)體鰭片，該任一的第一及第二半導(dǎo)體鰭片具有一上表面與兩側(cè)壁表面；遮蔽該第二半導(dǎo)體鰭片；以一大植入角度α布植摻雜物離子以摻雜該第一半導(dǎo)體鰭片；遮蔽該第一半導(dǎo)體鰭片；以一大植入角度β布植摻雜物離子以摻雜該第二半導(dǎo)體鰭片。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該第一方位與第二方位是相互垂直。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α是位于一與該第一半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁表面垂直的平面上，而該角度β則位于一與該第二半導(dǎo)體鰭片的側(cè)壁表面垂直的平面上。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法更包括施行一回火程序以活化該布植的摻雜物離子。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該側(cè)壁表面為(110)結(jié)晶面。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該任一半導(dǎo)體鰭片更包括一蝕刻罩幕在該半導(dǎo)體鰭片上。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該絕緣層是凹陷以致該半導(dǎo)體鰭片的基部具有一凹口。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該半導(dǎo)體鰭片上表面區(qū)域的摻雜濃度對(duì)該半導(dǎo)體鰭片的第一側(cè)壁區(qū)域的摻雜濃度的比例是介于1至4之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α及β是各大于15度。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該角度α及β是各介于26度至63度之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的摻雜多重柵極晶體管的半導(dǎo)體鰭片的方法，其中該第一及第二側(cè)壁區(qū)域的摻雜濃度是摻雜至一大于每立方公分1×1020。
24.一種絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于所述絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片是包含多個(gè)多重柵極晶體管形成于一絕緣層之上；至少一個(gè)該多重柵極晶體管包括一具有朝第一方位排列的半導(dǎo)體鰭片；一閘電極形成于鄰近該半導(dǎo)體鰭片的一溝道區(qū)部分上，該閘電極具有一小于30納米的柵極長度；一源極區(qū)與一漏極區(qū)位于該半導(dǎo)體鰭片中，使該溝道區(qū)處于該源極區(qū)與漏極區(qū)之間，其中該溝道區(qū)經(jīng)摻雜以形成一第一導(dǎo)電型，而該源極區(qū)與漏極區(qū)則經(jīng)摻雜以形成一異于第一導(dǎo)電型的第二導(dǎo)電型；其中至少一個(gè)該多重柵極晶體管是包括所有位于該絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片上具有一小于30納米的柵極長度以及一具有第一導(dǎo)電型的溝道區(qū)的多重柵極晶體管。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于該半導(dǎo)體鰭片的材質(zhì)包含硅。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于該半導(dǎo)體鰭片更包括一蝕刻罩幕在該半導(dǎo)體鰭片上。
27.一種絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于所述絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片包含多個(gè)多重柵極晶體管形成于一絕緣層之上，該每多重柵極晶體管是包括具有一方位的一半導(dǎo)體鰭片以及具有一柵極長度相當(dāng)于最小特征尺寸的一閘電極；以及其中每一多重柵極晶體管是朝同方位排列，該多重柵極晶體管是包含所有位于絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片上的具功能性的多重柵極晶體管。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于該半導(dǎo)體鰭片的材質(zhì)包含硅。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的絕緣層上有半導(dǎo)體的晶片，其特征在于該半導(dǎo)體鰭片更包括一蝕刻罩幕在該半導(dǎo)體鰭片上。
全文摘要
本發(fā)明是具有鰭片結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及其制造方法。所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括復(fù)數(shù)個(gè)半導(dǎo)體鰭片在一絕緣層上，一柵極介電質(zhì)在部分該些半導(dǎo)體鰭片上，以及一閘電極在該柵極介電質(zhì)上。上述任一半導(dǎo)體鰭片均具有一上表面、一第一側(cè)壁表面以及一第二側(cè)壁表面；摻雜物離子以一與上述半導(dǎo)體鰭片上表面的法線成一第一角度(例如大于約7°)植入以摻雜該些半導(dǎo)體鰭片的第一側(cè)壁表面及上表面，接著摻雜物離子再以一與上述半導(dǎo)體鰭片上表面的法線成一第二角度植入該些半導(dǎo)體鰭片的第二側(cè)壁表面以及上表面。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1542930SQ200410037529
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月29日
發(fā)明者楊育佳, 王屏薇, 陳豪育, 楊富量, 胡正明 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司