專利名稱：垂直式場效晶體管及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直式場效晶體管，尤其涉及一種可增加載波信道長度及寬度的垂 直式場效晶體管。
背景技術：
圖1例示 一 常規的金屬氧化物半導體場效晶體管10(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)。所述晶體管10是相當重要的一種基本電子元件，其包含一 襯底12、 一柵極氧化層14、 一金屬導電層16 (作為晶體管的柵極)、兩個設置于所述襯底 12內的摻雜區18 (作為晶體管的漏極與源極)以及一設置于所述摻雜區18之間的載波信 道22。另外，所述晶體管10另外包含一設置于所述金屬導電層16側壁的氮化硅間隙壁24 ，用以電隔離所述金屬導電層16。
所述晶體管10的載波信道22的長度等于所述金屬導電層16的寬度(W)。但是，隨著 半導體技術的集成度不斷提高、元件尺寸不斷縮小，傳統晶體管10的載波信道22的長度 及寬度也相對地縮小。縮小載波信道22的長度導致所述摻雜區18與所述載波信道22相互 作用而影響了所述金屬導電層16對所述載波信道22的開關控制能力，即導致所謂短通道 效應(short channel effect)。此外，縮小載波信道22的寬度導致漏極電流減少，降低晶體 管的驅動能力。
圖2及圖3分別例示一常規垂直式場效晶體管30的側視圖及俯視圖。所述垂直式場效 晶體管30已被廣泛采用以有效解決短通道效應，其包含一具有階梯結構34的襯底32、 一 設置于所述階梯結構34上的柵極氧化層36、 一設置于所述柵極氧化層36上的導電層38 ( 作為柵極)以及在所述導電層38兩側設置于襯底32中的兩個摻雜區40 (作為源極與漏極 )以及一在所述摻雜區40之間設置于襯底內32的載波信道42。
所述垂直式場效晶體管30的載波信道42的長度等于所述階梯結構34的寬度(Ws)及 高度(Hs)的總和，S卩，所述垂直式場效晶體管30可在不增加占用面積情況下增加所述 載波信道42的長度，其增加的長度即高度(Hs)，因此得以解決短通道效應。但是，所述 垂直式場效晶體管30的載波信道42的寬度(Wc)是相同的，沒有變化，如圖3所示。即 ，所述垂直式場效晶體管30無法解決晶體管尺寸縮小后導致載波信道42的寬度減少致使
漏極電流減少及驅動能力降低問題。
簡言之，具有階梯結構34的垂直式場效晶體管30僅可增加其載波信道42的長度而 解決短通道效應，但無法增加載波信道42的寬度，所以無法解決晶體管尺寸縮小后漏極 電流減少及驅動能力降低的問題。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種可增加載波信道長度及寬度的垂直式場效晶體管。
為達到上述目的，本發明提出一種垂直式場效晶體管，其包含一具有一階梯結構的 襯底、在所述階梯結構兩側設置于襯底中的兩個摻雜區以及在所述兩個摻雜區之間設置 于襯底中的一載波信道，其中所述階梯結構具有一斜脊且所述載波信道在所述斜脊處的 寬度大于所述兩個摻雜區的寬度。
根據上述目的，本發明提出一種垂直式場效晶體管的制備方法，其首先在一襯底上 形成一非矩形的掩膜層，再利用所述掩膜層作為蝕刻掩膜來蝕刻所述襯底以形成一階梯 結構。之后，進行至少一熱氧化工藝以在所述多層階梯結構上形成一柵極氧化層，再在 所述柵極氧化層上形成一導電層。
與常規的垂直式場效晶體管僅可增加其載波信道的長度但無法增加載波信道的寬度 相比較，本發明的垂直式場效晶體管不但可增加其載波信道的長度還可增加載波信道的 寬度。
圖l例示一常規的金屬氧化物半導體場效應晶體管；
圖2及圖3分別例示一常規垂直式場效晶體管的側視圖及俯視圖4至圖6例示本發明第一實施例的垂直式場效晶體管的結構；
圖7例示本發明第一實施例的垂直式場效晶體管與常規垂直式場效晶體管的電流-電 壓特性；
圖8及圖9例示本發明第二實施例的垂直式場效晶體管；以及 圖10至圖16例示本發明垂直式場效晶體管100的制備方法。
具體實施例方式
圖4至圖6例示本發明第一實施例的垂直式場效晶體管50的結構，其中圖6是所述垂直 式場效晶體管50的俯視示意圖。所述垂直式場效晶體管50包含一具有一階梯結構54的襯 底(例如硅襯底)52、 一設置于所述階梯結構54上的柵極氧化層56、 一設置于所述柵極 氧化層56上的導電層58、在所述階梯結構54兩側設置于襯底52中的兩個摻雜區60A、 60B
以及在所述兩個摻雜區60A、 60B之間設置于襯底52中的一載波信道62。特定而言，所述 摻雜區60A、 60B及所述載波信道62設置于一有源區域64內，且一淺溝道隔離結構66環繞 所述有源區域64。
所述階梯結構54具有一斜脊54'，且包含兩個梯形表面(即非矩形表面)54A、 54B以 及一連接所述梯形表面54A、 54B的矩形表面54C。所述梯形表面54A連接所述摻雜區60A ，且所述梯形表面54B連接所述摻雜區60B，而所述矩形表面54C垂直于所述梯形表面54A 、54B。所述載波信道62在所述階梯結構54處的寬度(即所述梯形表面54A的斜脊54'的長 度(W2))大于所述摻雜區60A的寬度(W》，如圖6所示。即，所述垂直式場效晶體管50 的載波信道62寬度從Wi (所述摻雜區60A的寬度)增加至W2 (所述斜脊54'的寬度)，因 而增加其漏極電流與驅動能力。
圖7例示本發明第一實施例的垂直式場效晶體管50與常規垂直式場效晶體管30的電 流-電壓特性。如圖所示，本發明的垂直式場效晶體管50的漏極電流均大于常規垂直式場 效晶體管30的漏極電流。由此可知，由于本發明的垂直式場效晶體管50的階梯結構54具 有斜脊54'，其增加載波信道62的寬度，因此提升所述垂直式場效晶體管50的漏極電流， 即增加其驅動能力。
圖8及圖9例示本發明第二實施例的垂直式場效晶體管70，其中圖9是所述垂直式場效 晶體管70的俯視示意圖。所述垂直式場效晶體管70的階梯結構74具有一斜脊74'，且包含 兩個三角形表面(即非矩形表面)54A'、 54B'以及一連接所述三角形表面54A'、 54B'的矩 形表面54C。所述三角形表面54A'連接所述摻雜區60A'，且所述三角形表面54B'連接所述 摻雜區60B，而所述矩形表面54C垂直于所述三角形表面54A'、 54B'。
與本案第一實施例的垂直式場效晶體管50可將載波信道62的寬度從Wi增加至W2相 比較，本案第二實施例的垂直式場效晶體管70可將載波信道62的寬度從Wi增加至W3，( WpW^W。。再者，與常規的垂直式場效晶體管30僅可增加其載波信道42的長度但無法 增加載波信道42的寬度相比較，本發明的垂直式場效晶體管50、 70不但可增加其載波信 道62的長度還可增加載波信道62的寬度。
圖10至圖16例示本發明垂直式場效晶體管100的制備方法。首先在一襯底132 (例如 硅襯底)上形成一掩膜層134，再利用光刻蝕刻工藝去除一預定部分的掩膜層134，而保 留的掩膜層134'則覆蓋一預定區域的襯底132。優選地，所述掩膜層134'可由與硅襯底具 有適當蝕刻選擇比的材料構成，例如氧化硅等介電材料或光致抗蝕劑材料。特定而言， 所述掩膜層134'是具有一斜脊134"的非矩形，例如梯形或三角形。之后，利用所述掩膜層
134'作為蝕刻掩膜來蝕刻所述襯底132至一預定深度以形成一第一凹部136A，如圖ll所示
參考圖12,利用沉積工藝在所述襯底132上形成一介電層140。優選地，所述第一介 電層140可由與所述襯底132具有適當蝕刻選擇比的材料構成，例如氧化硅等介電材料。 之后，進行一蝕刻工藝以部分地去除所述第一介電層140而在所述第一凹部136A的側壁形 成一第一間隙壁140'，再利用所述掩膜層134'及所述第一間隙壁140'作為蝕刻掩膜蝕刻所 述襯底132至一預定深度以形成一第二凹部136B，如圖13所示。
參考圖14，利用沉積工藝及蝕刻工藝在所述第二凹部136B的側壁形成一第二間隙壁 142'，再利用所述掩膜層34'、所述第一間隙壁40'及所述第二間隙壁142'作為蝕刻掩膜蝕 刻所述襯底132至一預定深度以形成一第三凹部36C。之后，利用蝕刻工藝去除所述掩膜 層134'、所述第一間隙壁140'及所述第二間隙壁142'，即在所述襯底132上形成一多層階梯 結構144 (由所述第一凹部136A、所述第二凹部136B及所述第三凹部136C構成)，如圖15 所示。
參考圖16，進行一熱氧化工藝以在所述多層階梯結構144上形成一柵極氧化層146， 再進行一沉積工藝以在所述柵極氧化層146上形成一導電層148 (作為柵極)。之后，利用 光刻蝕刻工藝去除一部分的柵極氧化層146及導電層148，再利用所述導電層148作為摻雜 掩膜進行另一摻雜工藝以在所述多層階梯結構144兩側的襯底132中形成兩個摻雜區152 (作為源極與漏極)而完成所述垂直式場效晶體管IOO,如圖16所示。
本發明的技術內容及技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術人員仍可能基于本 發明的教示及揭示而做種種不脫離本發明精神的替換及修改。因此，本發明的保護范圍 應不限于實施例所揭示的內容，而應包括各種不脫離本發明的替換及修改，并為隨附的 權利要求書所涵蓋。
權利要求
1.一種垂直式場效晶體管，其特征在于包含具有階梯結構的襯底，其中所述階梯結構具有斜脊；兩個摻雜區，其在所述階梯結構兩側設置于襯底中；以及載波信道，其在所述兩個摻雜區之間設置于襯底中，其中所述載波信道在所述斜脊處的寬度大于所述摻雜區的寬度。
2. 根據權利要求l所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述階梯結構包含兩個非矩 形表面以及一連接所述非矩形表面的矩形表面。
3. 根據權利要求2所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述非矩形表面連接所述摻 雜區。
4. 根據權利要求2所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述矩形表面垂直于所述非 矩形表面。
5. 根據權利要求2所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述非矩形表面是梯形表面 或三角形表面。
6. 根據權利要求l所述的垂直式場效晶體管，其特征在于另外包含設置于所述階梯結 構上的柵極氧化層。
7. 根據權利要求l所述的垂直式場效晶體管，其特征在于另外包含設置于所述柵極氧 化層上的導電層。
8. 根據權利要求l所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述兩個摻雜區及所述載波 信道設置于有源區域中。
9. 根據權利要求8所述的垂直式場效晶體管，其特征在于另外包含環繞所述有源區域 的淺溝道隔離結構。
10. 根據權利要求l所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述階梯結構具有多個階梯。
11. 一種垂直式場效晶體管的制備方法，其特征在于包含下列步驟在襯底上形成掩膜層，所述掩膜層呈非矩形； 利用所述掩膜層作為蝕刻掩膜，蝕刻所述襯底以形成階梯結構； 進行至少一熱氧化工藝，在所述多層階梯結構上形成柵極氧化層；以及 在所述柵極氧化層上形成導電層。
12. 根據權利要求ll所述的垂直式場效晶體管的制備方法，其特征在于形成所述階梯結 構包含下列步驟利用所述掩膜層作為蝕刻掩膜，蝕刻所述襯底以形成第一凹部； 在所述第一凹部的側壁形成第一間隙壁；以及利用所述掩膜層及所述第一間隙壁作為蝕刻掩膜，蝕刻所述襯底以形成第二凹 部。
13. 根據權利要求12所述的垂直式場效晶體管的制備方法，其特征在于另外包含下列步 驟在所述第二凹部的側壁形成第二間隙壁；以及利用所述掩膜層、所述第一間隙壁及所述第二間隙壁作為蝕刻掩膜，蝕刻所述襯 底以形成第三凹部。
14. 根據權利要求12所述的垂直式場效晶體管的制備方法，其特征在于所述掩膜層是光 致抗蝕劑層或介電層。
15. 根據權利要求ll所述的垂直式場效晶體管，其特征在于所述非矩形是梯形或三角形。
全文摘要
本發明揭示一種垂直式場效晶體管及其制備方法，其中所述垂直式場效晶體管包含具有階梯結構的襯底、在所述階梯結構兩側設置于襯底中的兩個摻雜區以及在所述兩個摻雜區之間設置于襯底中的載波信道，其中所述階梯結構具有斜脊且所述載波信道在所述斜脊處的寬度大于所述摻雜區的寬度。所述階梯結構包含兩個非矩形表面(例如梯形或三角形表面)以及一矩形表面。所述非矩形表面連接到所述摻雜區，且所述矩形表面垂直于所述非矩形表面。
文檔編號H01L29/06GK101345256SQ20071012808
公開日2009年1月14日 申請日期2007年7月9日 優先權日2007年7月9日
發明者銘 湯, 陳緒全 申請人:茂德科技股份有限公司