专利名称：单边存取装置及其制造方法
技术领域：
本发明关于一种用于4F2动态随机存取存储器的单边存取装置，特别是关于一种单边T栅极鳍式场效应晶体管(single-gate FinFET)及其制造方法,提供较佳的组件控制特性及存取驱动电流特性。
背景技术：
众所周知，动态随机存取存储器为一种随机存取存储器，其将每一位的数据存入集成电路的电容器中。一般而言，动态随机存取存储器以方形阵列排列，每存储器单元由一晶体管及一电容器所构成。晶体管作为一开关装置，包含了一栅极以及其下的一硅质沟道区域。硅质沟道区域则位于一对源/漏极区域之间的半导体衬底中，而栅极藉由控制所述硅质沟道区域使源/漏极区域电连接。
目前，垂直式双栅极鳍式场效应晶体管已发展用于下一4F2动态随机存取存储器技术世代，其中F代表光刻工艺的最小线宽。然而，在尝试制造垂直式双栅极场效应晶体管装置的庞大阵列以应用于半导体动态随机存取存储器时，维持装置的适当效能及组件特性方面却有其困难性。举例来说，随着两相邻的字符线间距持续地缩小，动态随机存取存储器制造者在缩小存储单元面积时面临到严峻挑战。对于高速操作的动态随机存取存储器应用而言，当两个排列非常靠近的字符线间距不断地缩小将容易发生电连接的问题。鉴于上述，产业上亟需一鳍式场效应晶体管结构及其制造方法以避免上述问题。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供一种单边存取装置，其包含一主动鳍式结构包含一源极区域以及一漏极区域；一绝缘层介于源极区域以及漏极区域之间；一沟渠绝缘结构设置于主动鳍式结构的一侧；一单边侧壁栅电极设置于主动鳍式结构相对于沟渠绝缘结构的另一侧，使主动鳍式结构夹置于沟渠绝缘结构以及单边侧壁栅电极之间；以及一栅极突出部自单边侧壁栅电极横向且电性延伸并嵌入于源极区域以及漏极区域之间的绝缘层下方。本发明另提供一种动态随机存取存储器阵列，包含一单边存取装置数组，其中各单边存取装置包含一主动鳍式结构包含一源极区域以及一漏极区域；一绝缘层介于源极区域以及漏极区域之间；一沟渠绝缘结构设置于主动鳍式结构的一侧；一单边侧壁栅电极设置于主动鳍式结构相对于沟渠绝缘结构的另一侧，使主动鳍式结构夹置于沟渠绝缘结构以及单边侧壁栅电极之间；以及一栅极突出部自单边侧壁栅电极横向且电性延伸并且嵌入位于源极区域以及漏极区域之间的绝缘层下方。本发明另提供一动态随机存取存储器阵列，具有上述单边存取装置的一阵列，其中动态随机存取存储器阵列包含两个镜像对称的单栅极鳍式场效应晶体管排列于动态随机存取存储器阵列的两相邻行及同一列中。
图I为根据本发明的优选实施例所绘示的部份动态随机存取存储器阵列的示意图。图2A为图I沿着切线1-1’ (参考坐标X轴方向)的单栅极鳍式场效应晶体管的横断面视图。图2B为图I沿着切线11-11’(参考坐标y轴方向)的单栅极鳍式场效应晶体管的横断面视图。图2C为图I沿着切线III-III’(参考坐标y轴方向)的单栅极鳍式场效应晶体管的横断面视图。 图3-7为根据本发明一较佳实施例所绘示的单栅极鳍式场效应晶体管的制程示意图。其中，附图标记说明如下10衬底126凹槽12a、12b、侧壁字符线150 中心面14a、14b21浅沟隔离沟渠 260 腔体22线型浅沟隔离区 302 氧化层22a衬垫层304 氮化层24沟渠绝缘结构 312 氧化硅层26绝缘区域314 氮化硅层26a、26b、28绝缘层316多晶硅硬掩膜单栅极鳍式场效100、200324 线型沟渠应晶体管101、201 主动鳍式结构 324a 衬垫层102、104、源/漏极区域330 氧化硅间隙填充物202、204106、106a、栅极介电层400 线型突起结构206C1、C2、110、210 U 形沟道行C3、C4112a、112b、栅极突出部R1、R2 列114a、114b122、124 线型沟渠126 凹槽
具体实施例方式下述提供多个实施例以能更充分了解本发明，但在本领域具有通常知识者亦可经由本发明的精神实施本发明而未必使用到这些实施例中的细节。为使本发明不至于艰涩难懂，一些已为本领域所知悉的系统结构及制造步骤将不再于文中赘述。同样地，图示所表示为实施例中的装置示意图，但并非用以限定装置的尺寸，特别是，为使本发明可更清晰地呈现，部分组件的尺寸系可能放大呈现于图中。为使说明更清晰易懂，在这些实施例中的相同构件将以相同符号表不。此外，本说明书所指的「水平」定义为一平面，其与公知半导体衬底的主要平面或表面平行，而不论及其方向。本说明书所指的「垂直」是指垂直于「水平」的方向。其它像是「上」、「下」、「底部」、「顶部」、「侧面」、「高于」、「低于」等等皆是相较于水平面来定义。请参阅图I及图2A-2C。图I为根据本发明的优选实施例所绘示的部份动态随机存取存储器阵列的示意图。图2A为图I沿着切线1-1’(参考坐标X轴方向)的单栅极鳍式场效应晶体管的横断面视图。图2B为图I沿着切线11-11’(参考坐标y轴方向)的单栅 极鳍式场效应晶体管的横断面视图。图2C为图I沿着切线III-III’(参考坐标X轴方向)的单栅极鳍式场效应晶体管的横断面视图。如图I及图2A所示，动态随机存取存储器阵列的图标部分包含八个单栅极鳍式场效应晶体管，排列成四行(Cl C4)以及两列(Rl R2)的阵列，其可包含排列于同一列(Rl)以及两相邻行(C2以及C3)中的单栅极鳍式场效应晶体管100以及单栅极鳍式场效应晶体管200。单栅极鳍式场效应晶体管100及200分别形成于主动鳍式结构101及201中，其中单栅极鳍式场效应晶体管100及200在图中由虚线标示且彼此紧邻排列。根据本发明一实施例，一单栅极鳍式场效应晶体管以及一对应的电容组件(未绘示)可组成一具有4F2甚至更小组件面积的动态随机存取存储单元。沿着I轴延伸的侧壁字符线12a、12b、14a、14b紧邻各行晶体管设置。单栅极鳍式场效应晶体管100及单栅极鳍式场效应晶体管200以中心面150彼此呈现镜像对称。单栅极鳍式场效应晶体管100透过沿着y轴延伸的线型沟渠绝缘结构24与单栅极鳍式场效应晶体管200电性绝缘。沟渠绝缘结构24设置于主动鳍式结构101或201相对于侧壁字符线12a或14a的另一边。如图2B所示的11-11’横断面，各主动鳍式结构，例如主动鳍式结构101，为一音叉形硅质岛状结构，具有一绝缘层26b介于源/漏极区域102及104之间。侧壁字符线12a及12b埋在或嵌入在线型沟渠122中且设置于线型沟渠122的两相对侧壁。侧壁字符线14a及14b埋在或嵌入在线型沟渠124中且设置于线型沟渠124的两相对侧壁。侧壁字符线12a经过主动鳍式结构101以作为单栅极鳍式场效应晶体管管100的单边侧壁栅电极，而侧壁字符线14a经过主动鳍式结构201以作为单栅极鳍式场效应晶体管200的单边侧壁栅电极。线型沟渠122及124可由绝缘层28填满，其中绝缘层28例如为氧化硅或其它相似材料。如图I及图2C所示，侧壁字符线12a、12b、14a、14b还个别包含多个栅极突出部112a、112b、114a、114b，其中栅极突出部 112a、112b、114a、114b 自各侧壁字符线 12a、12b、14a、14b的单边横向延伸，且由图I中虚线标示的栅极突出部112a、112b、114a、114b与侧壁字符线12a、12b、14a、14b为一体成型。各栅极突出部112a、112b、114a、114b与其对应的侧壁字符线12a、12b、14a、14b形成各单栅极鳍式场效应晶体管的一 T形栅极，如此可改善单栅极鳍式场效应晶体管的存取驱动电流及关闭状态时漏电流的问题。本发明的特色为各栅极突出部112a、112b、114a、114b是嵌入在各单栅鳍式极场效应晶体管的源极区域以及漏极区域之间的凹槽126的下半部，且被绝缘层26b盖住，例如等离子体增强化学气相沉积(HDPCVD)氧化层，其填满凹槽126的上部，如图2B的11-11’横断面所示。具体而言，从结构上来看，形成于主动鳍式结构101中的单栅极鳍式场效应晶体管100包含两个彼此间隔的源/漏极区域102及104、在两个源/漏极区域102及104下方的一凹入式U形沟道110、字符线12a作为一栅极电极、一位于U形沟道110以及字符线12a之间的栅极介电层106、字符线12a的栅极突出部112a、以及位于栅极突出部112a以及U形通道110之间的一栅极介电层106a。同样地，制造于主动鳍式结构201中的单栅极鳍式场效应晶体管200包含两个彼此间隔的源/漏极区域202及204、位于两个源/漏极区域202及204下方的一凹入式U形沟道210、字符线14a作为一栅极电极、位于U形沟道210以及字符线14a之间的一栅极介电层206、字符线14a的栅极突出部114a、以及位于栅 极突出部114a以及U形沟道210之间的一栅极介电层(未绘示)。图3-7为根据本发明的优选实施例所绘示的单栅极鳍式场效应晶体管的制作流程示意图，其中相同的符号标示相同的物质层、区域及组件。如图3所示，首先提供一衬底10，其中衬底10可为硅衬底、具有磊晶层的硅衬底、硅锗衬底、硅覆绝缘衬底、砷化镓衬底、磷砷化镓衬底、磷化铟衬底、砷铝化镓衬底或者磷化铟镓衬底等半导体衬底，但本发明并不以此为限。一氧化层302以及一氮化层304可形成于衬底10上。实施一浅沟渠隔离(STI)工艺以形成嵌入基底10中的线型浅沟隔离区22，以使相邻列的装置之间电性绝缘。根据本发明一实施例，各线型浅沟隔离区22沿着参考坐标X轴方向延伸，其可由旋涂介电层(spin-on-dielectric, S0D)间隙填充法形成。一衬垫层22a可形成于浅沟隔离沟渠21中，其中衬垫层22a可包含氧化硅、氮化硅或其组合。较佳者，衬垫层22a可包含形成于浅沟隔离沟渠21内表面的一氧化硅层(未明确绘示)以及位于此氧化硅层上的氮化硅层(未明确绘示)。如此，衬垫层22a可避免旋涂介电层间隙填充材料消耗衬底10。接着，线型凹槽126形成于源/漏极区域之间的基底10中。凹槽126在两个浅沟隔离沟渠21之间的沿着X轴方向延伸。于凹槽126形成后，牺牲层26a可以旋涂介电层间隙填充法形成，其中牺牲层26a例如为低质量氧化层。具体而言，可利用低覆盖层以及在相对低温((400°C )下压缩的方法实施旋涂介电层间隙填充工艺以形成牺牲层26a。如此，只会有20-30埃(angstroms)的氧化层形成于凹槽126中。之后，实施旋涂介电层凹槽工艺以移除凹槽126中旋涂介电层填充物的上半部份，其中旋涂介电层凹槽工艺可为湿蚀刻或干蚀刻工艺。以此，剩余的旋涂介电层填充物将少于或等于凹槽高度的50%。牺牲层26a可例如由氮化钛等导电材料所组成,其可在栅极氧化之前透过标准清洗工艺(StandardClean 1，SCI)移除。在一实施例中，牺牲层26a由类似于氮化钛的导电材料所组成，其必须在前栅极氧化清洗工艺中移除且不会蚀刻到其它材料，例如硅、氮化物或氧化物。在形成牺牲层26a之后，将一绝缘层26b，例如高质量氧化层，利用高密度电等离子体增强化学气相沉积法(HDPCVD)沈积于凹槽126剩余的空间中。之后，将衬底10的一整个表面进行例如化学机械研磨工艺(CMP)等抛光工艺，并移除氧化层302及氮化层304。在本发明一实施例中，牺牲层26a的蚀刻速率高于绝缘层26b的蚀刻速率，其中亦可利用其它两步骤间隙填充工艺以形成前述堆栈结构，其包含具有不同氧化硅质量及蚀刻速率的牺牲层26a及绝缘层26b。如图4所示，在移除氧化层302及氮化层304后，一氧化硅层312、一氮化硅层314以及一多晶硅硬屏蔽316形成于衬底10的已平坦化的表面上。接着，实施一光刻工艺及干蚀刻工艺以形成沿着y轴方向延伸的线型凹槽324，而线型浅沟隔离区22以及绝缘区域26贯穿线型沟渠324。如图5所示，一衬垫层324a形成于线型沟渠324的内表面，此内表面包括线型沟渠324的侧壁及底面。在本发明一实施例中，衬垫层324a可包含氧化硅、氮化硅、氧化硅及氮化硅的复合物、或其它材质。接着，以一旋涂介电层间隙填充物(未绘示)旋涂衬底10并填满线型沟渠324，其中旋涂布介电层间隙填充物可包含以聚硅氮烷为前驱物所形成者， 但本发明并不以此为限。再者，实施一固化或致密化工艺以将旋涂介电层间隙填充物转化成氧化硅间隙填充物330。在一实施例中，可在含蒸汽的高温(例如800-1000°C )环境中实施前述固化工艺。之后，实施一化学研磨工艺(CMP)以移除超出线型沟渠324的氧化硅间隙填充物330。在形成沟渠绝缘结构324之后，可由衬底10表面移除多晶硅硬掩膜316。实施一非等向性的干蚀刻工艺以蚀除部分氮化硅314、氧化硅312及基底10，以形成一线型突起结构400以及在线型突起结构400相对两侧的线型凹槽122及124，其中线型突起结构400沿着参考坐标y轴方向延伸，其中主动鳍式结构101及201形成于线型突起结构400中。更进一步而言，线型突起结构400沿着y轴方向延伸，其包含主动鳍式结构101及201、主动鳍式结构101及201之间的氧化硅间隙填充物330、衬垫层324a、介于源极区域102或202以及栅极区域104或204之间的牺牲层26a及26b，以及线型浅沟隔离区22。如图6所示，在形成线型沟渠122及124之后，实施一栅极氧化预清洗工艺以将原生氧化物及残余物自硅基表面移除。在此同时，牺牲层26a亦可选择性地移除，进而在绝缘层26b下方形成一腔体260。上述栅极氧化预清洗工艺可利用稀释的氢氟酸(DHF)或是任何适合的清洗方法。由于牺牲层26a的蚀刻率高于绝缘层26b，故上方的绝缘层26b在栅极氧化预清洗工艺期间仍大致保持完整。此时，可暴露出沟渠绝缘结构24的部分衬垫层324a。如图7所示，一栅极介电层106以及一栅极介电层206形成于线型突起结构400的两相对侧壁。一栅极介电层106a形成于腔体260中。栅极介电层106、栅极介电层106a以与栅极介电层206可以原位蒸汽成长法(ISSG)或其它本领域所习用的适合方法形成。接着，侧壁字符线12a及14a可形成于线型突起结构400的两相对侧壁，并填充腔体260以在绝缘层26b下方形成栅极突出部(未明确绘示于图7)，其中侧壁字符线12a及14a可由氮化钛、多晶硅或其它适合的导电材质所组成。之后，线型沟渠122及124可以绝缘介电材质填充并使之平坦化。最后，实施源/漏极离子注入工艺以掺杂源/漏极区102、104、202及204。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种单边存取装置，其特征在于，包含 一主动鳍式结构，具有一源极区域以及一栅极区域； 一绝缘层，介于所述源极区域以及所述漏极区域之间； 一沟渠绝缘结构，设置于所述主动鳍式结构的一侧； 一单边侧壁栅电极，设置于所述主动鳍式结构相对于所述沟渠绝缘结构的另一侧，使所述主动鳍式结构夹置于所述沟渠绝缘结构以及所述单边侧壁栅电极之间；以及 一栅极突出部，自所述单边侧壁栅电极横向且电性延伸并嵌入于所述源极区域以及所述漏极区域之间的所述绝缘层下方。
2.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，所述栅极突出部与所述单边侧壁栅电极为一体成型。
3.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，更包含一U形沟道位于所述源极区域以及所述漏极区域之间。
4.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，更包含一第一栅极介电层位于所述单边侧壁栅电极以及所述主动鳍式结构之间。
5.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，更包含一第二栅极介电层位于所述栅极突出部以及所述主动鳍式结构之间。
6.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，所述绝缘层包含等离子体增强化学气相沉积氧化层。
7.如权利要求I所述的单边存取装置，其特征在于，所述单边侧壁栅电极沿着一第一方向延伸。
8.如权利要求7所述的单边存取装置，其特征在于，所述沟渠绝缘结构为一线形绝缘结构并沿着所述第一方向延伸。
9.如权利要求7所述的单边存取装置，其特征在于，所述栅极突出部沿着一第二方向延伸，而所述第二方向不平行于所述第一方向。
10.如权利要求9所述的单边存取装置，其特征在于，所述第一方向垂直于所述第二方向。
11.一种动态随机存取存储器阵列，其特征在于，包含 一单边存取装置阵列，其中各所述单边存取装置包含 一主动鳍式结构，具有一源极区域以及一漏极区域； 一绝缘层，介于所述源极区域以及所述漏极区域之间； 一沟渠绝缘结构，设置于所述主动鳍式结构的一侧； 一单边侧壁栅电极，设置于所述主动鳍式结构相对于所述沟渠绝缘结构的另一侧，因而所述主动鳍式结构夹置于沟渠绝缘结构以及所述单边侧壁栅电极之间；以及 一栅极突出部，自所述单边侧壁栅电极横向且电性延伸并且嵌入位于所述源极区域以及所述漏极区域之间的所述绝缘层下方。
12.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述栅极突出部与所述单边侧壁栅电极为一体成型。
13.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，更包含一U形沟道位于所述源极区域以及所述漏极区域之间。
14.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，更包含一第一栅极介电层位于所述单边侧壁栅电极以及所述主动鳍式结构之间。
15.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，更包含一第二栅极介电层位于所述栅极突出部以及所述主动鳍式结构之间。
16.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述绝缘层包含等离子体增强化学气相沉积氧化层。
17.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述单边侧壁栅电极沿着一第一方向延伸。
18.如权利要求17所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述沟渠绝缘结构为一线形绝缘结构并沿着所述第一方向延伸。
19.如权利要求17所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，所述栅极突出部沿着一第二方向延伸，而所述第二方向大致垂直于所述第一方向。
20.如权利要求11所述的动态随机存取存储器阵列，其特征在于，更包含两个镜像对称的单栅极鳍式场效应晶体管，排列于所述动态随机存取存储器阵列的两相邻行及同一列中。
全文摘要
本发明公开了一种单边存取装置，包含包含有一源极区域以及一漏极区域的主动鳍式结构；介于源极区域以及漏极区域之间的绝缘层；设置在主动鳍式结构一侧的沟渠绝缘结构；设置在主动鳍式结构相对于沟渠绝缘结构另一侧的单边侧壁栅电极，使主动鳍式结构夹置在沟渠绝缘结构以及单边侧壁栅电极之间；以及自单边侧壁栅电极横向且电性延伸并嵌入在源极区域以及漏极区域之间的绝缘层下方的栅极突出部。
文档编号H01L27/108GK102738235SQ201210045598
公开日2012年10月17日 申请日期2012年2月27日 优先权日2011年4月11日
发明者希亚姆·苏尔氏, 杨胜威 申请人:南亚科技股份有限公司