专利名称：垂直式场效晶体管及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直式场效晶体管，尤其涉及一种可增加载波信道长度及宽度的垂 直式场效晶体管。
背景技术：
图1例示 一 常规的金属氧化物半导体场效晶体管10(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)。所述晶体管10是相当重要的一种基本电子元件，其包含一 衬底12、 一栅极氧化层14、 一金属导电层16 (作为晶体管的栅极)、两个设置于所述衬底 12内的掺杂区18 (作为晶体管的漏极与源极)以及一设置于所述掺杂区18之间的载波信 道22。另外，所述晶体管10另外包含一设置于所述金属导电层16侧壁的氮化硅间隙壁24 ，用以电隔离所述金属导电层16。
所述晶体管10的载波信道22的长度等于所述金属导电层16的宽度(W)。但是，随着 半导体技术的集成度不断提高、元件尺寸不断縮小，传统晶体管10的载波信道22的长度 及宽度也相对地縮小。縮小载波信道22的长度导致所述掺杂区18与所述载波信道22相互 作用而影响了所述金属导电层16对所述载波信道22的开关控制能力，即导致所谓短通道 效应(short channel effect)。此外，縮小载波信道22的宽度导致漏极电流减少，降低晶体 管的驱动能力。
图2及图3分别例示一常规垂直式场效晶体管30的侧视图及俯视图。所述垂直式场效 晶体管30已被广泛采用以有效解决短通道效应，其包含一具有阶梯结构34的衬底32、 一 设置于所述阶梯结构34上的栅极氧化层36、 一设置于所述栅极氧化层36上的导电层38 ( 作为栅极)以及在所述导电层38两侧设置于衬底32中的两个掺杂区40 (作为源极与漏极 )以及一在所述掺杂区40之间设置于衬底内32的载波信道42。
所述垂直式场效晶体管30的载波信道42的长度等于所述阶梯结构34的宽度(Ws)及 高度(Hs)的总和，S卩，所述垂直式场效晶体管30可在不增加占用面积情况下增加所述 载波信道42的长度，其增加的长度即高度(Hs)，因此得以解决短通道效应。但是，所述 垂直式场效晶体管30的载波信道42的宽度(Wc)是相同的，没有变化，如图3所示。即 ，所述垂直式场效晶体管30无法解决晶体管尺寸縮小后导致载波信道42的宽度减少致使
漏极电流减少及驱动能力降低问题。
简言之，具有阶梯结构34的垂直式场效晶体管30仅可增加其载波信道42的长度而 解决短通道效应，但无法增加载波信道42的宽度，所以无法解决晶体管尺寸縮小后漏极 电流减少及驱动能力降低的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可增加载波信道长度及宽度的垂直式场效晶体管。
为达到上述目的，本发明提出一种垂直式场效晶体管，其包含一具有一阶梯结构的 衬底、在所述阶梯结构两侧设置于衬底中的两个掺杂区以及在所述两个掺杂区之间设置 于衬底中的一载波信道，其中所述阶梯结构具有一斜脊且所述载波信道在所述斜脊处的 宽度大于所述两个掺杂区的宽度。
根据上述目的，本发明提出一种垂直式场效晶体管的制备方法，其首先在一衬底上 形成一非矩形的掩膜层，再利用所述掩膜层作为蚀刻掩膜来蚀刻所述衬底以形成一阶梯 结构。之后，进行至少一热氧化工艺以在所述多层阶梯结构上形成一栅极氧化层，再在 所述栅极氧化层上形成一导电层。
与常规的垂直式场效晶体管仅可增加其载波信道的长度但无法增加载波信道的宽度 相比较，本发明的垂直式场效晶体管不但可增加其载波信道的长度还可增加载波信道的 宽度。
图l例示一常规的金属氧化物半导体场效应晶体管；
图2及图3分别例示一常规垂直式场效晶体管的侧视图及俯视图4至图6例示本发明第一实施例的垂直式场效晶体管的结构；
图7例示本发明第一实施例的垂直式场效晶体管与常规垂直式场效晶体管的电流-电 压特性；
图8及图9例示本发明第二实施例的垂直式场效晶体管；以及 图10至图16例示本发明垂直式场效晶体管100的制备方法。
具体实施例方式
图4至图6例示本发明第一实施例的垂直式场效晶体管50的结构，其中图6是所述垂直 式场效晶体管50的俯视示意图。所述垂直式场效晶体管50包含一具有一阶梯结构54的衬 底(例如硅衬底)52、 一设置于所述阶梯结构54上的栅极氧化层56、 一设置于所述栅极 氧化层56上的导电层58、在所述阶梯结构54两侧设置于衬底52中的两个掺杂区60A、 60B
以及在所述两个掺杂区60A、 60B之间设置于衬底52中的一载波信道62。特定而言，所述 掺杂区60A、 60B及所述载波信道62设置于一有源区域64内，且一浅沟道隔离结构66环绕 所述有源区域64。
所述阶梯结构54具有一斜脊54'，且包含两个梯形表面(即非矩形表面)54A、 54B以 及一连接所述梯形表面54A、 54B的矩形表面54C。所述梯形表面54A连接所述掺杂区60A ，且所述梯形表面54B连接所述掺杂区60B，而所述矩形表面54C垂直于所述梯形表面54A 、54B。所述载波信道62在所述阶梯结构54处的宽度(即所述梯形表面54A的斜脊54'的长 度(W2))大于所述掺杂区60A的宽度(W》，如图6所示。即，所述垂直式场效晶体管50 的载波信道62宽度从Wi (所述掺杂区60A的宽度)增加至W2 (所述斜脊54'的宽度)，因 而增加其漏极电流与驱动能力。
图7例示本发明第一实施例的垂直式场效晶体管50与常规垂直式场效晶体管30的电 流-电压特性。如图所示，本发明的垂直式场效晶体管50的漏极电流均大于常规垂直式场 效晶体管30的漏极电流。由此可知，由于本发明的垂直式场效晶体管50的阶梯结构54具 有斜脊54'，其增加载波信道62的宽度，因此提升所述垂直式场效晶体管50的漏极电流， 即增加其驱动能力。
图8及图9例示本发明第二实施例的垂直式场效晶体管70，其中图9是所述垂直式场效 晶体管70的俯视示意图。所述垂直式场效晶体管70的阶梯结构74具有一斜脊74'，且包含 两个三角形表面(即非矩形表面)54A'、 54B'以及一连接所述三角形表面54A'、 54B'的矩 形表面54C。所述三角形表面54A'连接所述掺杂区60A'，且所述三角形表面54B'连接所述 掺杂区60B，而所述矩形表面54C垂直于所述三角形表面54A'、 54B'。
与本案第一实施例的垂直式场效晶体管50可将载波信道62的宽度从Wi增加至W2相 比较，本案第二实施例的垂直式场效晶体管70可将载波信道62的宽度从Wi增加至W3，( WpW^W。。再者，与常规的垂直式场效晶体管30仅可增加其载波信道42的长度但无法 增加载波信道42的宽度相比较，本发明的垂直式场效晶体管50、 70不但可增加其载波信 道62的长度还可增加载波信道62的宽度。
图10至图16例示本发明垂直式场效晶体管100的制备方法。首先在一衬底132 (例如 硅衬底)上形成一掩膜层134，再利用光刻蚀刻工艺去除一预定部分的掩膜层134，而保 留的掩膜层134'则覆盖一预定区域的衬底132。优选地，所述掩膜层134'可由与硅衬底具 有适当蚀刻选择比的材料构成，例如氧化硅等介电材料或光致抗蚀剂材料。特定而言， 所述掩膜层134'是具有一斜脊134"的非矩形，例如梯形或三角形。之后，利用所述掩膜层
134'作为蚀刻掩膜来蚀刻所述衬底132至一预定深度以形成一第一凹部136A，如图ll所示
参考图12,利用沉积工艺在所述衬底132上形成一介电层140。优选地，所述第一介 电层140可由与所述衬底132具有适当蚀刻选择比的材料构成，例如氧化硅等介电材料。 之后，进行一蚀刻工艺以部分地去除所述第一介电层140而在所述第一凹部136A的侧壁形 成一第一间隙壁140'，再利用所述掩膜层134'及所述第一间隙壁140'作为蚀刻掩膜蚀刻所 述衬底132至一预定深度以形成一第二凹部136B，如图13所示。
参考图14，利用沉积工艺及蚀刻工艺在所述第二凹部136B的侧壁形成一第二间隙壁 142'，再利用所述掩膜层34'、所述第一间隙壁40'及所述第二间隙壁142'作为蚀刻掩膜蚀 刻所述衬底132至一预定深度以形成一第三凹部36C。之后，利用蚀刻工艺去除所述掩膜 层134'、所述第一间隙壁140'及所述第二间隙壁142'，即在所述衬底132上形成一多层阶梯 结构144 (由所述第一凹部136A、所述第二凹部136B及所述第三凹部136C构成)，如图15 所示。
参考图16，进行一热氧化工艺以在所述多层阶梯结构144上形成一栅极氧化层146， 再进行一沉积工艺以在所述栅极氧化层146上形成一导电层148 (作为栅极)。之后，利用 光刻蚀刻工艺去除一部分的栅极氧化层146及导电层148，再利用所述导电层148作为掺杂 掩膜进行另一掺杂工艺以在所述多层阶梯结构144两侧的衬底132中形成两个掺杂区152 (作为源极与漏极)而完成所述垂直式场效晶体管IOO,如图16所示。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本 发明的教示及揭示而做种种不脱离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围 应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不脱离本发明的替换及修改，并为随附的 权利要求书所涵盖。
权利要求
1.一种垂直式场效晶体管，其特征在于包含具有阶梯结构的衬底，其中所述阶梯结构具有斜脊；两个掺杂区，其在所述阶梯结构两侧设置于衬底中；以及载波信道，其在所述两个掺杂区之间设置于衬底中，其中所述载波信道在所述斜脊处的宽度大于所述掺杂区的宽度。
2. 根据权利要求l所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述阶梯结构包含两个非矩 形表面以及一连接所述非矩形表面的矩形表面。
3. 根据权利要求2所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述非矩形表面连接所述掺 杂区。
4. 根据权利要求2所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述矩形表面垂直于所述非 矩形表面。
5. 根据权利要求2所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述非矩形表面是梯形表面 或三角形表面。
6. 根据权利要求l所述的垂直式场效晶体管，其特征在于另外包含设置于所述阶梯结 构上的栅极氧化层。
7. 根据权利要求l所述的垂直式场效晶体管，其特征在于另外包含设置于所述栅极氧 化层上的导电层。
8. 根据权利要求l所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述两个掺杂区及所述载波 信道设置于有源区域中。
9. 根据权利要求8所述的垂直式场效晶体管，其特征在于另外包含环绕所述有源区域 的浅沟道隔离结构。
10. 根据权利要求l所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述阶梯结构具有多个阶梯。
11. 一种垂直式场效晶体管的制备方法，其特征在于包含下列步骤在衬底上形成掩膜层，所述掩膜层呈非矩形； 利用所述掩膜层作为蚀刻掩膜，蚀刻所述衬底以形成阶梯结构； 进行至少一热氧化工艺，在所述多层阶梯结构上形成栅极氧化层；以及 在所述栅极氧化层上形成导电层。
12. 根据权利要求ll所述的垂直式场效晶体管的制备方法，其特征在于形成所述阶梯结 构包含下列步骤利用所述掩膜层作为蚀刻掩膜，蚀刻所述衬底以形成第一凹部； 在所述第一凹部的侧壁形成第一间隙壁；以及利用所述掩膜层及所述第一间隙壁作为蚀刻掩膜，蚀刻所述衬底以形成第二凹 部。
13. 根据权利要求12所述的垂直式场效晶体管的制备方法，其特征在于另外包含下列步 骤在所述第二凹部的侧壁形成第二间隙壁；以及利用所述掩膜层、所述第一间隙壁及所述第二间隙壁作为蚀刻掩膜，蚀刻所述衬 底以形成第三凹部。
14. 根据权利要求12所述的垂直式场效晶体管的制备方法，其特征在于所述掩膜层是光 致抗蚀剂层或介电层。
15. 根据权利要求ll所述的垂直式场效晶体管，其特征在于所述非矩形是梯形或三角形。
全文摘要
本发明揭示一种垂直式场效晶体管及其制备方法，其中所述垂直式场效晶体管包含具有阶梯结构的衬底、在所述阶梯结构两侧设置于衬底中的两个掺杂区以及在所述两个掺杂区之间设置于衬底中的载波信道，其中所述阶梯结构具有斜脊且所述载波信道在所述斜脊处的宽度大于所述掺杂区的宽度。所述阶梯结构包含两个非矩形表面(例如梯形或三角形表面)以及一矩形表面。所述非矩形表面连接到所述掺杂区，且所述矩形表面垂直于所述非矩形表面。
文档编号H01L29/06GK101345256SQ20071012808
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月9日 优先权日2007年7月9日
发明者铭 汤, 陈绪全 申请人:茂德科技股份有限公司