專利名稱：具有凹陷溝道的晶體管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于制造半導體器件的方法，且更具體而言，涉及 一種用于制造具有凹陷溝道的金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET) 的方法。
背景技術：
典型半導體器件已采用單個器件(例如，MOSFET器件)作為開關器 件。因此，隨著半導體器件變得高度集成，MOSFET器件的尺寸已減小。 結果，在作為典型結構的具有水平溝道的MOSFET器件中，因為源于源 極與漏極之間的減小的溝道長度的短溝道效應(SCE)及漏極引發勢壘降 低(drain induced barrier lower) (DIBL)效應而變得難以進行正常操 作。因此，引入具有凹陷溝道的MOSFET器件(下文中稱為凹陷晶體管) 以克服具有水平溝道的MOSFET器件的限制。凹陷晶體管包括其中柵極 填充在形成于襯底有源區中的溝槽中的結構。即使器件的集成度增加， 但是這種凹陷晶體管可通過4吏溝道長度變長而減小SCE及DIBL效應。圖l說明典型凹陷晶體管的橫截面圖.為便于描述，本文中作為實 例而說明雙擴散金屬氧化物半導體(DMOS)的橫截面圖。典型DMOS器件包括摻雜的N+襯底(漏極)10、以低于襯底10的濃 度摻雜的N-外延層11、包括填充在溝槽中的導電多晶硅層的柵電極 13、在柵電極13下方的溝槽的內表面上形成的具有均勻厚度的柵極氧 化物層12、形成在柵電極13的兩個上側上的N+摻雜源極區域14、以及
形成在N+摻雜源極區域14下方的平坦化P-阱15。此外，進一步包括 形成以覆蓋N+摻雜源極區域14的源極金屬層16以及形成在源極金屬層 16下方以覆蓋柵電極13的介電層17。附圖標記"T1"是指形成在溝槽 的底部的柵極氧化物層12的部分的厚度"T1"。然而，在典型DM0S器件中柵極電容可能增加，因為柵極氧化物層 12在溝槽的內側壁及底部表面上形成小的均勻厚度。因此，在改進用作 開關器件的DM0S器件的切換速度方面存在限制。發明內容本發明的實施方案涉及提供一種凹陷晶體管及其制造方法，其可通 過減小柵極電容來改進器件的開關速度。根據本發明的一方面，提供一種晶體管，該晶體管包括包括溝槽 的襯底；填充一部分溝槽的絕緣層，該絕緣層在溝槽的底表面的邊緣部 分上的厚度大于其在溝槽的底表面的中間部分上的厚度；形成在溝槽的 內側壁上的柵極絕緣層，該柵極絕緣層具有小于絕緣層厚度的厚度；以 及填充在溝槽中的柵電極。根據本發明的另一方面，提供一種晶體管，包括包括溝槽的襯底； 填充一部分溝槽的絕緣層，該絕緣層具有V形形狀；形成在溝槽的內側 壁上的柵極絕緣層，該柵極絕緣層具有小于絕緣層厚度的厚度；以及填 充在溝槽中的柵電極。根據本發明的又一方面，提供一種用于制造晶體管的方法，包括 在襯底中形成溝槽；在襯底上形成多晶硅層并且填充該溝槽；蝕刻多晶 硅層以使得在溝槽中保留部分多晶硅層，所述部分多晶硅層在溝槽的底 表面的邊緣部分上的厚度大于在溝槽的底表面的中間部分上的厚度；氧 化所述保留部分的多晶硅層，以基本上同時在溝槽的底表面上形成絕緣 層并在溝槽的內側壁上形成厚度小于絕緣層的柵極絕緣層；以及在絕緣 層上形成柵電極并且填充所述溝槽。
圖1說明典型雙擴散金屬氧化物半導體(DM0S)器件的橫截面圖。
圖2說明根據本發明的實施方案的DM0S器件的橫截面圖。圖3A及圖3B說明比較圖1中所示的DM0S器件與圖2中所示的DM0S 器件的特性的圖。圖4說明根據本發明的實施方案的DM0S器件的橫截面圖。圖5A至圖5H說明根據本發明的實施方案的用于制造DM0S器件的 方法。
具體實施方式
將參考附圖詳細描述根據本發明的各種實施方案的具有凹陷溝道的晶 體管及其制造方法。而且，關于附圖，為了明確而放大所說明的層及區域 的厚度。當第一層稱為在第二層"上"或在襯底"上"時，其可意味著第 一層直接形成于第二層或襯底上，或也可意味著第三層可能存在于第一層 與第二層或襯底之間。此外，在整個本發明的各種實施例中，相同或類似 附圖標記在不同附圖中表示相同或類似元件。圖2說明根據本發明實施方案的雙擴散金屬氧化物半導體(DMOS)器 件的橫截面圖。在此實施方案中，形成在溝槽的底部的柵極氧化物層22 的厚度被選擇性地增加以克服典型限制。即，柵極氧化物層22的厚度"T2" 增加至大于圖1中所示的柵極氧化物層12的厚度"T1"的厚度。附圖標 記20、 21、 23、 24、 25、 26及27分別表示摻雜的N+襯底(漏極)20、以低 于襯底20的濃度摻雜的N -外延層21、包括填充在溝槽中的導電多晶硅 層的柵電極23、形成在柵電極23的兩個上側上的N+摻雜源極區域24、形 成在N+摻雜源極區域24下方的P -阱25、形成以覆蓋N+摻雜源極區域 24的源極金屬層26,和形成在源極金屬層26下方以覆蓋柵電極23的介電 層27。圖3A及圖3B說明比較圖1中所示的DMOS器件與圖2中所示的 DMOS器件的特性的圖。圖3A及圖3B中所示的圖根據形成在溝槽的底 部部分上的不同厚度而比較柵極氧化物層的特性。在各圖中，附圖標記"X" 表示圖1中所示的典型器件的柵極氧化物層12的特性，附圖標記"Y"表 示根據本發明實施方案的圖2中所示的器件的相f極氧化物層22的特性。參考圖3A,在與"Y，，比較時，"X"的柵極電荷(Qg)對柵極-源極電
壓(Vcs)的關系曲線在下方。參考圖3B,在與"Y"比較時，"X"的柵極-漏極電容(Cgd)對漏極-源極電壓(VDs)的關系曲線在上方。因此，隨著溝槽的底部部分上的柵極氧化物層的厚度增加，可減小柵極電容。圖4說明根據本發明的一個實施方案的凹陷晶體管的橫截面圖。在此 附圖中，為了便于說明而主要闡述DMOS器件的柵電極。根據本發明的該 實施方案的DMOS器件包括形成在溝槽的底表面上的絕緣層117B。絕緣 層117B形成為"V"形形狀，該"V"形形狀的邊緣部分厚度大于中間部 分的厚度。因此，柵電極119的底部部分也形成為"V"形形狀。附圖標 記111A及118分別表示外延圖案111A與柵極絕緣層118。柵極絕緣層118 可包括基于氧化物的層。因此，柵極絕緣層118在下文中被稱為柵極氧化 物層118。下文中，參考圖5A至圖5H來描述根據本發明的一個實施方案的用于 制造DMOS器件的方法。附圖標記"A"表示單元陣列區域，且附圖標記 "B"表示柵極總線區域。參考圖5A，在襯底110上形成N-或P-外延層111。襯底110可包括硅。參考圖5B,在外延層111上形成基于氮化物的層112及基于氧化物的 層113。基于氮化物的層112以瓦基于氧化物的層113形成為用于形成溝 槽的硬掩模。此時，基于氮化物的層112可包括氮化硅(Si3N4)或氧氮化硅 (SiON)。此外，其它基于氮化物的材料也可用作基于氮化物的層112。基 于氧化物的層113可包括高溫低壓介電(HLD)層。基于氧化物的層113可 包括高密度等離子體(HDP)、硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)、磷硅酸鹽玻璃 (PSG)、原硅酸四乙酯(TEOS)或未摻雜的硅酸鹽玻璃。同時，在形成基于氮化物的層112之前可形成緩沖氧化物層(未圖示)。 此時，緩沖氧化物層可包括二氧化硅(Si02)層.參考圖5C，在基于氧化物的層113(圖5B)上形成光刻膠圖案(未圖標)。 使用光刻膠圖案作為蝕刻掩模來蝕刻基于氧化物的層及基于氮化物的層 112(圖5B)。移除光刻膠圖案。接著使用基于氧化物的圖案113A以a于氮化物 的圖案112A作為蝕刻掩模來蝕刻外延層111(圖5B)至特定厚度。因此，溝 槽115形成在外延層111中。保留的外延層111被稱為外延圖案111A。此
時，溝槽115具有在大約1.2 ji in至大約2.0 |n m范圍內的深度。例如， 溝槽115的深度可大約為1.7 p m。溝槽115具有在大約0.38 ji m至大約 0.47 Mm范圍內的寬度。例如，溝槽115的寬度可大約為0.4 |Lioi。同時， 雖然圖示說明溝槽115為似乎該溝槽115被隔離，但是溝槽115實際上彼 此連接。為了便于說明而如此圖示說明溝槽115。參看圖5D，實施氧化過程以在溝槽115的暴露的內表面上形成笫一犧 牲氧化物層(未圖示)。此時，氧化過程包括干式氧化過程。通過供應氧(O。氣到維持在大約i，ooox:至大約1，20ox:范圍內溫度的腔室中，然后添加氮(N2)氣到該腔室中而實施干式氧化過程，直到第一犧牲氧化物層達到在大約150A至大約250A范圍內的厚度。例如，第一犧牲氧化物層的厚度可為大約200 A，且所述溫度可為大約i，ioon。在干式氧化過程期間添加N2氣以降低在氧化過程期間的氧化速率，使得氧化時間增加，從而產生具有高密度的基于氧化物的層。移除第一犧牲氧化物層，形成第二犧牲氧化物層116。第二犧牲氧化 物層116可通過與第一犧牲氧化物層的形成方法基本上相同的方法而形 成。參考圖5E,在所得結構上形成未摻雜的多晶硅層117并且填充溝槽 U5(圖5C)。未摻雜的多晶硅層117包括絕緣材料且并未摻雜雜質。此時， 以一定的方式形成未摻雜的多晶硅層117，以使得未摻雜多晶硅層117在 溝槽115的中間部分而不是在溝槽115的邊緣部分上具有下陷"D"。溝槽 115的中間部分上形成的下陷"D"可由溝槽115的高度差自然地產生。若 下陷"D"并非自然產生，則可通過控制工藝^來人工形成下陷"D"。參考圖5F，實施回蝕刻過程以蝕刻未摻雜的多晶硅層117(圖5E)。因 此，填充層117A填充溝槽115(圖5C)至一定深度。填充層117A具有"V" 形形狀，該"V"形形狀的邊緣部分厚度大于中間部分的厚度。例如，填 充層117A可具有在大約2,000A至大約3,000A范圍內的厚度。此時，以 一定的方式實施回蝕刻過程，使得填充層117A獲得"V "形形狀。因此， 回蝕刻過程包括實施具有平直度(straightness)的各向異性蝕刻過程，使 得形成在溝槽115的中間部分上的下陷"D"(圖5E)得以保持。例如，使用六氟化硫(SF6)氣體在大約50ox:至大約80ot:范圍內的溫度下以在大約0.4 Pa至大約0.6 Pa范圍內的壓力下實施回蝕刻過程。壓力可為大約0.5
Pa，且溫度可為大約650匸。參考圖5G，移除第二犧牲氧化物層116。接著實施氧化過程以氧化填 充層117A，使得形成絕緣層117B。而且，基本上同時在溝槽115(圖5C) 的內側壁上形成柵極氧化物層118。氧化過程在大約l,OOO"C至大約1,200 "C范圍內的溫度下4吏用具有大約20:4(SLPM)的比率的N2氣與02氣。例如， 可在大約1,050匸的溫度下實施氧化過程。參考圖5H，形成多晶硅層作為柵極導電層以填充溝槽115(圖5C)。接 著蝕刻多晶硅層以形成柵電極119。可從本發明的實施方案獲得以下益處。根據本發明的實施方案，可通 過以"V"形形狀形成絕緣層來減小柵極電容，該V形形狀在溝槽的底表 面的邊緣部分上具有較大厚度(當與中間部分上的厚度比較時)。因此，可 改進器件的切換速度。才艮據本發明的實施方案，可通過以"V"形形狀形成絕緣層來減小漏 電流，該V形形狀在溝槽的底表面的邊緣部分上具有較大厚度(當與中間 部分上的厚度比較時)。在典型器件中由于在溝槽的底表面的邊緣部分上形 成小厚度的絕緣層，因此通常會產生漏電流。才艮據本發明的實施方案，通過形成多晶硅層以填充一部分溝槽并且接 著氧化多晶硅層以形成具有"V"形形狀的絕緣層，可以不需要昂貴設備， 例如，高密度等離子體化學氣相沉積(HDP-CVD)設備。因此，可降低制造 成本。雖然相對于例示性實施方案描述了本發明的上述技術概念，但所示實 施方案是為了說明而非限制。雖然本發明的實施方案已說明作為實例的 DMOS器件，但本發明可應用于具有凹陷溝道(溝槽結構)的其它晶體管。 可進行各種變化和修改而不背離如在所附權利要求范圍中界定的本發明 的精神及范圍，i^于本領域技術人員而言是顯而易見的。
權利要求
1.一種晶體管，包括包括溝槽的襯底；填充所述溝槽的一部分的絕緣層，所述絕緣層在所述溝槽的底表面的邊緣部分上的厚度大于所述絕緣層在所述溝槽的底表面的中間部分上的厚度；形成在所述溝槽的內側壁上的柵極絕緣層，所述柵極絕緣層具有小于所述絕緣層厚度的厚度；和填充在所述溝槽中的柵電極。
2. 如權利要求l的晶體管，其中所述絕緣層包含基于氧化物的材料。
3. 如權利要求l的晶體管，其中所述絕緣層形成為大約2000 A至大約 3000 A的厚度。
4. 如權利要求l的晶體管，其中所述襯底包括珪襯底；和形成在所述硅襯底上的外延層。
5. 如權利要求4的晶體管，其中所述溝槽形成在所述外延層中。
6. 如權利要求l的晶體管，其中所述溝槽具有大約1.2um至大約2.0 nm的深度以及大約0. 38nm至大約0.47ym的寬度。
7. —種晶體管，包括包括溝槽的襯底；填充所述溝槽的一部分的絕緣層，所述絕緣層具有V形形狀；形成在所述溝槽的內側壁上的柵極絕緣層，所述柵極絕緣層具有小 于所述絕緣層厚度的厚度；和填充在所述溝槽中的柵電極。
8. 如權利要求7的晶體管，其中所述絕緣層包含基于氧化物的材料。
9. 如權利要求7的晶體管，其中所述絕緣層形成為大約2000 A至大約 3000 A的厚度。
10. 如權利要求7的晶體管，其中所述襯底包括珪襯底；和形成在所述硅襯底上的外延層。
11. 如權利要求10的晶體管，其中所述溝槽形成在所述外延層中。
12. 如權利要求7的晶體管，其中所述溝槽具有大約1.2pm至大約2.0 ym的深度以及大約0. 38nm至大約0. 47pm的寬度。
13. —種用于制造晶體管的方法，包括在襯底中形成溝槽；在所述襯底上形成多晶硅層并填充所述溝槽；蝕刻所述多晶硅層，以使得在所述溝槽中保留所述多晶硅層的一部 分，所述多晶硅層的所述部分在所述溝槽的底表面的邊緣部分上的厚度 大于在所述溝槽的底表面的中間部分上的厚度；氧化所述多晶硅層的保留部分，以基本上同時在所述溝槽的底表面 上形成絕緣層和在所述溝槽的內側壁上形成厚度小于所述絕緣層的柵 極絕緣層；和在所述絕緣層上形成柵電極并填充所述溝槽。
14. 如權利要求13的方法，其中形成所述多晶硅層包括形成沒有摻雜雜 質離子的未摻雜的多晶硅層。
15. 如權利要求13的方法，其中形成所述多晶硅層包括形成所述多晶硅 層以4吏得在所述溝槽的中間部分上產生下陷。
16. 如權利要求13的方法，其中蝕刻所述多晶硅層以使得在所述溝槽中 保留所述多晶硅層的一部分包括實施回蝕刻過程。
17. 如權利要求16的方法，其中所述回蝕刻過程包括使用六氟化硫(SF6) 氣體在大約5001C至大約8001C的溫度下在大約0.4Pa至大約0. 6Pa的 壓力下來實施所述回蝕刻過程。
18. 如權利要求13的方法，其中氧化所述多晶硅層的保留部分以形成所 述絕緣層和在所述溝槽的內側壁上形成所述柵極絕緣層包括在大約 IOOOIC至大約1200X:的溫度下使用以大約20:4(SLPM)的比率混合的氮 (N2)氣與氧(02)氣。
19. 如權利要求13的方法，還包括，在形成所述溝槽之后氧化所述溝槽的內表面以形成第 一犧牲氧化物層； 移除所述第一犧牲氧化物層；和 形成第二犧牲氧化物層。
20. 如權利要求19的方法，還包括在蝕刻所述多晶硅層以使得在所述 溝槽中保留所述多晶硅層的一部分之后，移除所述第二犧牲氧化物層。
21. 如權利要求13的方法，其中所述絕緣層具有大約2000 A至大約3000 A的厚度。
22. 如權利要求13的方法，其中所述襯底包括珪襯底；和形成在所述硅襯底上的外延層。
全文摘要
本發明涉及一種具有凹陷溝道的晶體管及其制造方法。一種晶體管包括包括溝槽的襯底；填充該溝槽的一部分的絕緣層，該絕緣層在該溝槽的底表面的邊緣部分上的厚度大于在該溝槽的底表面的中間部分上的厚度；形成在該溝槽的內側壁上的柵極絕緣層，該柵極絕緣層具有小于該絕緣層厚度的厚度；及填充在該溝槽中的柵電極。
文檔編號H01L29/78GK101211977SQ20071019524
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月4日 優先權日2006年12月26日
發明者趙哲晧 申請人:美格納半導體有限會社