专利名称：半导体结构及半导体芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路，特别涉及一种金属氧化物半导体晶体管(metal oxide semiconductor transistor; MOS transistor)的结丰勾及其形成方》去。
技术背景当集成电路的尺寸渐縮，金属氧化物半导体场效晶体管的尺寸会大幅地 縮小，因此，现行的半导体元件在半微米区域(half-micron region)或在次 半微米区域(sub half-micron region)具有最小的尺寸。在此发展的阶段，可 使金属氧化物半导体场效晶体管的尺寸降至四分之一微米或次四分之一微 米。如上所述的小尺寸可能会因为短沟道效应(short channel effect)或热载 流子效应(hot carrier effect)，而使金属氧化物半导体场效晶体管的电学性 能变差，进而严重地影响金属氧化物半导体场效应晶体管的可靠度。另一方 面，需要高速操作及低耗电，而为了降低因短沟道效应或热载流子效应而产 生的电学性能变差的程度，同时提升驱动能力，有人提出一种具有非对称性 (asymmetric)的杂质浓度曲线的金属氧化物半导体场效应晶体管。图1为传统非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的 剖面图，此金属氧化物半导体场效应晶体管包括形成于半导体衬底2上的栅 极介电层4以及位于栅极介电层4上的栅极电极6。此金属氧化物半导体场 效应晶体管还包括源极/漏极区域10以及源极延伸区域8。在漏极侧，不形 成源极/漏极延伸区域。通常，为了形成非对称式的结构，必须形成光致抗蚀 剂以遮盖住金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极侧，然后进行离子注入以 形成源极延伸区域8。非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动电流高，而且与对称 式的金属氧化物半导体场效应晶体管相比，可进一步降低尺寸，因此，在集 成电路中，可使用非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管来取代对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管。在典型的集成电路中，可使用非对称式 的金属氧化物半导体场效应晶体管来取代大部分的对称式的金属氧化物半导 体场效应晶体管，仅有小部分的对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管无 法被取代。因此，集成电路中，必须形成混合有对称式及非对称式的金属氧 化物半导体场效应晶体管，如上所述的混合方案不仅会导致额外的掩模及离 子注入步骤，也会增加此模型的困难度及成本。发明内容因此，本技术领域亟需要一种金属氧化物半导体场效应晶体管结构及其 形成方法，其能够结合非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管，不但具 有提升性能的好处，还同时能够克服现有技术的缺点。本发明实施例提出一种半导体结构，包括对称式的金属氧化物半导体 晶体管；该对称式的金属氧化物半导体晶体管包括第一非对称式的金属氧 化物半导体晶体管，其包括第一栅极电极以及邻接于该第一栅极电极的第一 源极与第一漏极；以及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第二栅极电极以及邻接于该第二栅极电极的第二源极与第二漏极，其中该第一 栅极电极连接于该第二栅极电极，并且其中只有该第一源极以及该第一漏极 其中之一连接于对应的该第二源极及该第二漏极其中之一 。上述半导体结构中，该第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管还可包括第一源极延伸区域，邻接于该第一源极；该第二非对称式的金属氧化物半 导体晶体管还可包括第二源极延伸区域，邻接于该第二源极；并且其中该第 一及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管的漏极侧大体上无漏极延伸区 域。上述半导体结构中，该第一漏极可连接于该第二漏极，并且该第一源极 可与该第二源极不连接。上述半导体结构中，该第一源极可连接于该第二源极，并且该第一漏极 可与该第二漏极不连接。上述半导体结构中，该第一漏极可与该第二漏极形成连续的区域。上述半导体结构中，该第一漏极以及该第二漏极以惨杂区域与对应的第 一栅极介电层以及第二栅极介电层隔开，其中掺杂区域的杂质浓度小于该第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管的第一源极延伸区域以及该第二非对 称式的金属氧化物半导体晶体管的第二源极延伸区域之中的杂质浓度。本发明另一实施例提出一种半导体结构，包括半导体衬底、第一非对 称式的金属氧化物半导体晶体管、第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管 以及共同漏极区域。上述第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管，包括第一栅极介电层， 位于该半导体衬底上；第一栅极电极，位于该第一栅极介电层上；第一源极 延伸区域，位于该半导体衬底之中，其中该第一源极延伸区域延伸于该第一 栅极电极下方；第一源极区域，邻接于该第一源极延伸区域，其中第一源极区域还利用该第一源极延伸区域与该第一栅极介电层分隔开。上述第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管，包括第二栅极介电层， 位于该半导体衬底上；第二栅极电极，位于该第二栅极介电层上；第二源极 延伸区域，位于该半导体衬底之中，其中该第二源极延伸区域延伸于该第二 栅极电极下方；第二源极区域，邻接于该第二源极延伸区域，其中第二源极 区域还利用该第二源极延伸区域与该第二栅极介电层分隔开。本发明又一实施例提供一种半导体芯片，包括多个金属氧化物半导体晶体管，其中该半导体芯片中所有的金属氧化物半导体晶体管为非对称性， 并且其中该多个金属氧化物半导体晶体管包括至少一对金属氧化物半导体晶体管。该对金属氧化物半导体晶体管包括第一非对称性金属氧化物半导体 晶体管，其包括第一栅极电极及第源极与邻接于该第一栅极电极的第一漏极；以及第二非对称性金属氧化物半导体晶体管，其包括第二栅极电极及第二源 极与邻接于该第二栅极电极的第二漏极，其中该第一栅极电极连接于该第二 栅极电极，并且只有该第一源极及该第一漏极其中之一连接于对应的该第二 源极及该第二漏极其中之一。上述半导体芯片中，该第一漏极可连接于该第二漏极。 上述半导体芯片中，该第一漏极及该第二漏极可形成连续的衬底区域。 上述半导体芯片中，该第一源极区域与第二源极区域可彼此连接着。 上述半导体芯片中，该第一及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管 大体上无漏极延伸区域。上述半导体芯片中，该第一栅极电极与第二栅极电极之间的距离可小于该第一栅极电极及第二栅极电极的高度的2倍。本发明仅需形成非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管，因此可降 低集成电路的制造成本，并提升集成电路的整体性能，且明显降低用于建模 的复杂度以及成本。
图1为传统非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管的剖面图。图2至图6为本发明第一实施例的制造工艺中间阶段剖面图，其中使用 非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管以形成对称式的金属氧化物半导 体场效应晶体管。图7为由非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管形成的对称式的金 属氧化物半导体场效应晶体管的符号化示意图。图8显示本发明第二实施例，其中两个非对称式的金属氧化物半导体场 效应晶体管的源极互相连接。图9显示本发明的第三实施例，其中两个非对称式的金属氧化物半导体 场效应晶体管的漏极互相连接。其中，附图标记说明如下现有技术 2 半导体衬底4 栅极介电层6~栅极电极8 源极延伸区域10~源极/漏极区域本发明实施方式100 对称式金属氧化物半导体场效应晶体管的区域200 非对称式金属氧化物半导体场效应晶体管的区域20~半导体衬底22、 122、 222 栅极叠层24、 124、 224 栅极介电层25 半导体衬底区域26、 126、 226、 78、 178、 88、 188~栅极电极30、 130、 230 源极延伸区域236~光致抗蚀剂46~衬底部分48、 148、 248-源极区域44、 144、 244 栅极间隙壁50 共同漏极区域54 衬底区域250 漏极区域60、 160、 260 金属氧化物半导体场效应晶体管 62 共同栅极28、 38 倾斜源极/漏极延伸注入步骤34 垂直源极/漏极延伸注入步骤a 倾斜角度D 栅极叠层22与122之间的距离 D' 衬底部分46的宽度70、 170、 80、 180 金属氧化物半导体场效应晶体管 76、 176、 86、 186-源极延伸区域 72、 172、 82、 182~源极区域 74、 174、 84、 184~漏极区域具体实施方式
本发明优选实施例的制造与使用的说明详述如下，然而，可以理解的是， 本发明提供许多可应用的发明概念并在特定部分进行广泛具体的说明。这些 实施例仅以特定的附图阐述本发明的制造与使用，但不用以限制本发明的范 围。本发明提供一种对称式金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor; MOS)场效应晶体管(fieldeffecttransistor; FET)，以下以
本发明 优选实施例的中间阶段工艺，此外，以下说明各种不同的优选实施例，本发 明各种不同的实施例中，相同的符号代表相同的元件。图2至图6显示本发明第一实施例的中间阶段剖面示意图。请参阅图2， 形成栅极叠层22、 122及222于半导体衬底20上方。在一实施例中，半导体 衬底20是由例如硅的块状材料(bulk material)形成。在另一实施例中，半 导体衬底20具有绝缘体上硅(silicon-on-insulator; SOI)结构，此结构包含 形成于埋入式氧化层(图中未示)上方的硅层。半导体衬底20也可包括III 族、VI族或V族元素。此外，半导体衬底20包括用来形成对称式金属氧化 物半导体场效应晶体管的区域100以及用来成非对称式金属氧化物半导体场 效应晶体管的区域200，上述区域100的对称式金属氧化物半导体场效应晶 体管是由非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管形成的。栅极叠层22、 122及222分别包括栅极介电层24与栅极电极26、栅极 介电层124与栅极电极126以及栅极介电层224与栅极电极226。栅极介电 层24、 124及224可包括常用的介电材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧硅化 合物、高介电常数(k值)材料或其组合，上述高介电常数材料例如为HfAlO、 Hf02、 Ta205、 Zr02或类似的材料。栅极电极26、 126及226可包括多晶硅、 金属硅化合物、金属氮化物或其组合。如本领域技术人员所知，形成栅极叠 层22、 122及222的方式为，以沉积方式在栅极介电层上形成栅极电极层， 接下来将上述栅极电极层以及栅极介电层图案化，而沉积的方法例如为等离 子体加强型化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、常压化学气相沉积法或 类似的方法。在一具体实施例中，栅极叠层22、 122及222的高度H大约介于600 A与iooo A之间。优选地，栅极叠层22栅极叠层122彼此紧邻，栅极叠层22与122之间 的距离D最好足够小，使得在后续源极/漏极延伸区域(source/drain extension; SDE)以倾斜注入方式导入的杂质，不会注入介于栅极叠层22与122之间的 半导体衬底区域25。另一方面，距离D最好足够大，使得在栅极叠层22及 122的侧壁形成间隙壁之后，位于栅极叠层22上的间隙壁与位于栅极叠层122 上的间隙壁之间仍有间距，而制造细节会在后面的段落叙述。在一具体实施 例中，距离D优选为小于2000A、更优选为介于1400A与2000A之间，然 而，本领域技术人员可理解，上述距离D以及本说明书中提及用来形成集成 电路的其他尺寸会随着元件縮小而改变。如图3所示，接着进行倾斜注入步骤以形成源极延伸区域30以及230，上述倾斜注入步骤又称为源极/漏极延伸(SDE)注入步骤，图3中以箭头28 来表示倾斜源极/漏极延伸注入步骤，注入杂质的种类是依照想要得到的金属 氧化物半导体场效应晶体管的型式来选择注入的，例如为砷和/或磷的n型杂 质或者例如为硼等p型杂质。源极延伸区域30以及230设于金属氧化物半导 体场效应晶体管的源极侧。在一实施例中，进入倾斜注入步骤时，在区域200 不形成掩模，并且由于栅极电极226的遮盖，如果形成漏极延伸区域232的 话，此漏极延伸区域会水平地与栅极叠层及222隔开。另一实施例中，可形 成掩模(图中未示)，以遮盖住区域200的金属氧化物半导体场效应晶体管 的漏极侧。优选的倾斜角度a可以根据栅极叠层22及122的高度H以及栅极叠层 22与122之间的距离D来约略地计算，倾斜角度a最好足够大，使得半导体 衬底区域25被栅极叠层22遮蔽而免于被注入杂质。在一具体实施例中，倾 斜角度a为大于10度，优选地，介于大约10度与大约30度之间。可以理 解的是，优选的倾斜角度a与距离D以及高度H有关。因此，距离D以及 高度H的比例优选为小于大约2，更优选为小于大约0.5。同样地，使用倾斜注入方式来注入与倾斜源极/漏极延伸注入步骤所导入 的杂质导电型式不同的杂质，从而形成袋状区域(图中未示)。用来形成袋 状区域的角度最好也足够大，使得大体上没有杂质注入半导体衬底区域25。在一实施例中，除了倾斜源极/漏极延伸注入步骤以外，可视需要选择性 地进行垂直源极/漏极延伸注入步骤，此步骤以箭头34来表示(图3)。垂 直源极/漏极延伸注入步骤使用的剂量(dosage)大体上低于倾斜源极/漏极延 伸注入步骤使用的剂量，在一具体实施例中，垂直源极/漏极延伸注入步骤 34的剂量小于倾斜源极/漏极延伸注入步骤28的剂量的大约10%。在另一实 施例中，省略垂直源极/漏极延伸注入步骤34。垂直源极/漏极延伸注入步骤 34的剂量与倾斜源极/漏极延伸注入步骤28的剂量的最理想比例可以通过实 验来获得。图4显示源极延伸区域130的形成，在一实施例中，形成光致抗蚀剂236 以遮盖住整个区域200。在另一实施例中，光致抗蚀剂仅覆盖住区域200的金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极侧。接下来，进行倾斜源极/漏极延伸 注入步骤38，优选地，倾斜源极/漏极延伸注入步骤38使用与倾斜源极/漏极延伸注入步骤28 (请参考图3)大体上相同的倾斜角度a以及大体上相同的 剂量来进行，在另一实施例中，倾斜源极/漏极延伸注入步骤38与倾斜源极/ 漏极延伸注入步骤28的倾斜角度a以及剂量可以是不同的。倾斜源极/漏极 延伸注入步骤38会形成源极延伸区域130。与图3所示情况类似，半导体衬 底区域25会被栅极叠层122遮蔽而免于注入杂质，因此在半导体衬底区域 25大体上不会形成漏极延伸区域。图5显示栅极间隙壁(gate spacer) 44、 144、 244的形成。如本领域技 术人员所知，为了形成栅极间隙壁，会形成栅极间隙壁层(图中未示)，栅 极间隙壁层可包括单一一层或两层以上，包括氧化层、氮化硅层、氮氧硅化 合物层和/或其他介电材料。然后蚀刻此栅极间隙壁层水平的部分，而留下栅 极间隙壁44、 144、 244。相邻的栅极间隙壁44与144彼此隔开，使得衬底 部分46露出来。在一具体实施例中，衬底部分46的宽度D'优选小于大约 IOOOA，更优选地，介于400A至800A之间，也可以采用更大或更小的宽度。图6显示源极/漏极区域48、 50、 148、 248以及250的形成，如本领域 技术人员所知，可通过注入想要的n型或p型杂质以形成源极/漏极区域48、 50、 148、 248以及250，杂质的导电型式与注入源极延伸区域30、 130及230 的导电型式相同。注入步骤优选以垂直的角度进行，而得到的区域48、 148 及248分别为非对称式金属氧化物半导体场效应晶体管60、 160及260的源 极区域，区域250为金属氧化物半导体场效应晶体管260的漏极区域，而区 域50为金属氧化物半导体场效应晶体管60及160的共同漏极区域。经由垂 直源极/漏极延伸注入步骤34以及由共同漏极区域50扩散后，衬底区域54 具有低杂质浓度，此浓度大体上低于源极延伸区域30及230的杂质浓度。接着，形成金属硅化物区域、接触蚀刻停止层(contact etch stop layer; CESL)以及接触插塞。然后优选通过在金属化层(图中未示)中形成的金属 导线将栅极电极26以及126彼此连接。形成金属硅化物区域、接触蚀刻停止 层以及金属化层的方式为常用的方式，在此不重复叙述。栅极电极26与126 之间连接会形成共同栅极62，因此，具有彼此连接的栅极电极26及126的 非对称式金属氧化物半导体场效应晶体管60、 160在组合之后，就成为对称 式的金属氧化物半导体场效应晶体管，将此金属氧化物半导体场效应晶体管 连接于集成电路时，彼此连接的栅极电极26、 126可成为对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极，而源极区域48、 148则成为对称式的金属氧 化物半导体场效应晶体管的源极以及漏极。图7为由非对称式的金属氧化物 半导体场效应晶体管形成的对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管的符号 化示意图，而金属氧化物半导体场效应晶体管260仍为非对称式的金属氧化 物半导体场效应晶体管。图8显示本发明第二实施例，其中两个非对称式的金属氧化物半导体场 效应晶体管70与170的源极互相连接。金属氧化物半导体场效应晶体管70 包括源极延伸区域76、源极区域72以及漏极区域74，金属氧化物半导体场 效应晶体管170包括源极延伸区域176、源极区域172以及漏极区域174。可 使用大致上与形成金属氧化物半导体场效应晶体管260 (请参考图6)相同的 方式，来形成金属氧化物半导体场效应晶体管70以及170。源极区域72与 源极区域172彼此连接，并且优选为浮接。栅极电极78与栅极电极178彼此 连接。因此，金属氧化物半导体场效应晶体管70及170结合后成为对称式的 金属氧化物半导体场效应晶体管，而漏极区域74及174则成为对称式的金属 氧化物半导体场效应晶体管的源极及漏极。图9显示本发明的第三实施例，其中两个非对称式的金属氧化物半导体 场效应晶体管80、 180的漏极互相连接。金属氧化物半导体场效应晶体管80 包括源极延伸区域86、源极区域82以及漏极区域84，金属氧化物半导体场 效应晶体管180包括源极延伸区域186、源极区域182以及漏极区域184。可 使用大致上与形成金属氧化物半导体场效应晶体管260 (请参考图6)相同的 方式，来形成金属氧化物半导体场效应晶体管80以及180。漏极区域84与 漏极区域184彼此连接，并且优选为浮接。栅极电极88与栅极电极188彼此 连接。因此，金属氧化物半导体场效应晶体管80及180结合后成为对称式的 金属氧化物半导体场效应晶体管，而源极区域82及182则成为对称式的金属 氧化物半导体场效应晶体管的源极及漏极。本发明实施例具有数个有益的特征，通过使用非对称式的金属氧化物半 导体场效应晶体管形成对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管，不论是否 集成电路具有对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管，仅需要形成非对称 式的金属氧化物半导体场效应晶体管，可降低集成电路的制造成本，并且可 提升集成电路的整体性能。另外，只需要模拟非对称式的金氧半导体场效电晶体从而以此建模(modeling)，即可明显地降低用于建模的复杂度以及成 本。虽然本发明己以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任 何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应可做改动与修改， 因此本发明的保护范围应以所附权利要求范围为准。
权利要求
1. 一种半导体结构，包括对称式的金属氧化物半导体晶体管，包括第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第一栅极电极以及邻接于该第一栅极电极的第一源极与第一漏极；以及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第二栅极电极以及邻接于该第二栅极电极的第二源极与第二漏极，其中该第一栅极电极连接于该第二栅极电极，并且其中只有该第一源极以及该第一漏极其中之一连接于对应的该第二源极及该第二漏极其中之一。
2. 如权利要求1所述的半导体结构，其中该第一非对称式的金属氧化物 半导体晶体管还包括第一源极延伸区域，邻接于该第一源极；该第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管还包括第二源极延伸区域，邻接于该第二源极； 并且其中该第一及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管的漏极侧大体上 无漏极延伸区域。
3. 如权利要求1所述的半导体结构，其中该第一漏极连接于该第二漏极， 并且该第一源极与该第二源极不连接。
4. 如权利要求1所述的半导体结构，其中该第一源极连接于该第二源极， 并且该第一漏极与该第二漏极不连接。
5. 如权利要求4所述的半导体结构，其中该第一漏极与该第二漏极形成 连续的区域。
6. 如权利要求5所述的半导体结构，其中该第一漏极以及该第二漏极以 掺杂区域与对应的第一栅极介电层以及第二栅极介电层隔开，其中掺杂区域 的杂质浓度小于该第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管的第一源极延伸 区域以及该第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管的第二源极延伸区域之 中的杂质浓度。
7. —种半导体芯片，包括-多个金属氧化物半导体晶体管，其中该半导体芯片中所有的金属氧化物 半导体晶体管为非对称性的，并且其中该多个金属氧化物半导体晶体管包括至少一对金属氧化物半导体晶体管，该对金属氧化物半导体晶体管包括第一非对称性金属氧化物半导体晶体管，其包括第一栅极电极及第 一源极与邻接于该第一栅极电极的第一漏极；第二非对称性金属氧化物半导体晶体管，其包括第二栅极电极及第 二源极与邻接于该第二栅极电极的第二漏极，其中该第一栅极电极连接于该 第二栅极电极，并且只有该第一源极及该第一漏极其中之一连接于对应的该 第二源极及该第二漏极其中之一。
8. 如权利要求7所述的半导体芯片，其中该第一漏极连接于该第二漏极。
9. 如权利要求7所述的半导体芯片，其中该第一漏极及该第二漏极形成 连续的衬底区域。
10. 如权利要求7所述的半导体芯片，其中该第一源极区域与第二源极区 域彼此连接着。
11. 如权利要求7所述的半导体芯片，其中该第一及第二非对称式的金属 氧化物半导体晶体管大体上无漏极延伸区域。
12. 如权利要求7所述的半导体芯片,其中该第一栅极电极与第二栅极电 极之间的距离小于该第一栅极电极及第二栅极电极的高度的2倍。
全文摘要
本发明提供一种半导体结构及半导体芯片，此半导体结构包括对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第一非对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第一栅极电极以及邻接于该第一栅极电极的第一源极与第一漏极；以及第二非对称式的金属氧化物半导体晶体管，其包括第二栅极电极以及邻接于该第二栅极电极的第二源极与第二漏极，其中该第一栅极电极连接于该第二栅极电极，并且其中只有该第一源极以及该第一漏极其中之一连接于对应的该第二源极及该第二漏极其中之一。本发明仅需形成非对称式的金属氧化物半导体场效应晶体管，因此可降低集成电路的制造成本，并提升集成电路的整体性能，且明显降低用于建模的复杂度以及成本。
文档编号H01L27/088GK101232018SQ20071012709
公开日2008年7月30日 申请日期2007年7月4日 优先权日2007年1月25日
发明者冯家馨 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司