TWI361472B - Semiconductor structure and semiconductor chip - Google Patents
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1361472 = 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種積體電路,特別是有關於一種 • . 金氧半導體電晶體(metal oxide semiconductor ' transistor ; MOS transistor)的結構及其升j 成方法。 【先前技術】 當積.體電路的尺寸漸縮,金氧半導體場效電晶體的 籲尺寸會大幅地縮小,因此,現行的半導體元件在半微米 區域(half-micron region)或在次半微米區域(sub half-micron region)具有最小的尺寸。在此發展的階段, 可使金氧半導體場效電晶體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會因為短通道效應(short channel effect)或熱載子效應(hot carrier effect),而使金 氧半導體場效電晶體的電性變差,進而嚴重地影響金氧 鲁 半導體場效電晶體的可靠度。另一方面,有需要高速操 作及低耗電,而為了降低因為短通道效應或熱載子效應 而產生的電性變差的程度,同時提昇驅動能力,有人提 出的一種具有非稱性(asymmetric)的不純物濃度輪廓的 金氧半導體場效電晶體。 第1圖為傳統非對稱式的金氧半導體場效電晶體 (MOSFET)的剖面圖,此金氧半導體場效電晶體包括形成 於半導體基底2上的閘極介電層4以及位於閘極介電層4 0503-A32885TWF/Jessica 5 1361472 上的間極電極6。此金童主湛 丰導體場效電晶體更包括源極/ 極區域1〇以及源極延伸區域8。在汲極側,不形成源. 極/汲極延分,區域。通當,蛊7 π上L /成氣 π 逋吊為了形成非對稱式的結構—,必·. =成光阻_蓋住金氧半導體場效電晶體的没極侧, 然後進行離子植入以形成源極延伸區域8。 非對稱式的金氧半導體場效電晶體的流^ 而且比起對稱式的金氧半導體場效電晶體,可進一:降. 低尺寸,因此,在稽I#命,々士 — 乂耳 隹檟體电路中,可使用非對 :導體場效電晶體來取代對稱式的 電曰 體。在典型的積體電路中,可使㈣對稱式的金氧^ 雪曰妒,禮古丨都、 對式的金氧半導體場效 電曰曰體,僅有小部分㈣稱式的金 無法被取代。因此,積體—琢效電日日體 式及非對稱式的金氧半導體場效電晶體,;上二ί 合方案不僅會導致額外的罩幕及離子植人 加此模型的困難度及成本。 乂 也曰增 【發明内容】 因此,此技術領域亟需要一種金 體結構及其形成方法,其能夠結 效電晶 體r電晶體’不但具有提昇性能 服先前技術的缺點。 』夠克 本發明實施例提出一種一種半導 對稱式的金氧半導體電晶體,包括導體;構’包括:- 弟一非對稱式的 0503-A32885TWF/Jessica 6 金氧半導體電晶體,其包括一第… 該第-閘極電極的一第_源極1一二:電極以及鄰接於 非對稱式的金氧半導體電晶體,::極及-第 極以及鄰接於該第二_電極的括-仏閘極電 其中:=一閉極電極連接於該第二閑極電極,並且 八有該弟一源極以及嗲筮一 电征I且 應的該第二源極及該第二沒極其中者其中一者連接於對 本發明另-實施例提出一 半導體基底、—第M v體、··口構,包括:一 域。 '的…導體電晶體以及一共同汲極區 上=-第-非對稱式的金氧半 :閉極介電層,位於該半導體基底上;體二 Γ位Γ該第一閘極介電層上…第-源二: 延付於:!+導體基底之中’其中該第-源極延伸區域 該第-源極延伸區域,立一源極區域’鄰接於 ^ "八中第一源極區域更利用該第一 Μ ^、申$域與該第-閘極介電層分隔開。 笛二非對稱式的金氧半導體電晶體,包括:-了⑷電層,位於該半導體基底上;一第二閘極電 於該第二閘極介電層上;—第二源極延伸區域, 半導體基底之中’其中該第二源極延伸區域延伸 ㈣弟二閘極電極下方;—第二源極區域,鄰接於該第 -源極延伸區域,其中第二源極區域更利用該第二源極 0503-A32885TWF/Jessica 1361472 延伸區域與該第二閘極介電層分隔開。 本發明又一實施例提供一種半導體晶片, 數個金氧半導體電晶體,其中該半導體晶片中所^ ίίϊΐΓ非對稱性並且其中該複數個金氧半 V體電曰曰體包括至少,對金氧半導體電晶體。該 半導體電晶體包括:ϋ對稱性金氧半導體電曰 體,其包括第-閘極.電極及―第—源極與鄰接於二 閑極電極的一第一汲極;以及第二非對稱性金氧‘ ,曰曰體’其包括第二閘極電極及—第二源極與鄰接於該 第二閘極電極的-第二汲極’其中該第-閘極電極連: 於該第二閘極電極,並且只有該第—源極及該第一及極 其中一者連接於對應的該第二源極及該第二汲極其中一 者0 【實施方式】 本發明較佳實施例的製造與使用的說明詳述如下, 然而,可以理解的是,本發明提供許多可應用的發明概 念並於特定的内文中廣泛地具體說明。這些實施例僅以 特定的圖式闡述本發明的製造與使用,但不用以限制本 發明的範圍。 本發明提供一種對稱式金氧半導體(metal 〇xide SemiC0nduct0r ; M〇s)場效電晶體咐⑽t碰仏⑽; FET),以下以圖式說明本發明較佳實施例的中間階段製 釭,再者,以下說明各種不同的較佳實施例,.本發明各 〇503-A328S5TWF/Jessica 8 1361472 種不同的實施例中,相同的符號代表相同的元件。 施例中,半導體基底20 (silicon-on-insulator ; SOI)結構, 埋入式氧化層(圖未顯示)上方。」 第2圖至第6圖顯示本發明第—實施例之中間階段 剖面示意圖。請參閱第2圖,形成閘極疊層22、及 222於半.導體基底20上方。在一實施例中,半導體基底 20是由例如矽的塊狀材形成。耷另二實 緣體上覆 具有絕緣體上覆矽 此結構包含矽層形成於
半導體基底20也可包括 半導體基底20包括用 來形成對稱式金氧半導體場效電晶體的區域1〇〇以及用 來成非對稱式金氧半導體場效電晶體的區域2〇〇,上述區 域1〇〇的對稱式金氧半導體場效電晶體是由非對稱式^ 金乳半導體%效電晶體形成。 問極疊層22、m及222分別包括閘極介電層24與 閘極電極26、閘極介電層124與閘極電極126以及閘極 φ 介電層224與閘極電極226。閘極介電層24、124及224 可包括常用的介電材料,例如氧化矽、氮化矽、氮氧矽 化合物、高介電常數以值)材料或其組合,上述高介電常 數材料例如為HfA10、Hf〇2、ThO5、Zr〇2或類似的材料。 閘極電極26、126及226可包括多晶矽、金屬矽化合物、 金屬氮化物或其組合。如熟悉此技術領域之人士所知, 形成閘極疊層22、122及222的方式為,以沈積方式形 成閘極電極層於閘極介電層上’接下來圖案化上述閘極 電極層以及閘極介電層,而沈積的方法例如電漿加強型 〇503-Aj2885TWF/Jessica 9 1^61472 化學氣相沈積法、低壓化學氣相沈積法、常壓化學氣相 L積法或類似的方法。在一具體實·,施例中,閘極疊層22、 122 Μ 〇 〇 〇 ^ 22的高度η大約介於.600: Α以及1〇〇〇 Α之間。 田較佳者’閘極疊層22閘極疊.層...122彼此緊鄰著,閘 立層22及122之間的距離d最好足夠小,使得在後續 源極及極延伸區域(s〇urce/drain extension,· SDE)以傾斜 植入方式導入的不純物,不會植入介於閘極 U2
之間的半導體基底區域25。另一方面,距灕D最好足夠 大,使得,閘極疊層22及122的側壁形成間隙壁之後, 位於閘極S層22上的間隙壁以及位於閘極疊層122上的 間隙壁之間仍具有—間距,而製造細節會在後面的段落 敘述。在一具體實施例中,距離D較佳為小於2〇〇〇人、 =為介们4〇从與2_入之間’然而,此技術領域之 了理解,上述距離D以及說明書中提及时形成積 體電路的其他尺寸會隨著元件料而改變。 =3圖所示,接著進行傾斜植入步驟以形成源極 品^ 3G以及23G ’上述傾斜植人步驟又稱為源極/ =極延伸(SM)植人步驟,第3圖是以箭頭U來表示傾 斜源極/汲極延伸植人步驟’植人不純物的種類是依照想 f仔到的錢半導體場效電晶體㈣絲聊植入例如 =/=1n型不純物或者例靖p型不純物。源極 = 是設於金氧半導體場效電㈣ 不形成罩幕’並且由於閑極電極果 ζ 〇503-A32885TWF/Jessica 1361472 門k伸2域232的話,會水平地與閘極疊層及222隔 二。另—實施例.中.,可形成罩幕(圖未顯示),以遮蓋住區 - 00之金氧丰導體場效電晶體的汲極側。 較佳的傾斜角度α可以根據閘極疊層22及122的高 :Η以及閘極疊.暑22及122之間的距離d來約略地計
,斜角度α最好足夠大,使得半導體基底區域Μ被 甲1宜層22遮蔽而免於被植入不純物。在一具體實施例 中,傾斜角度α為大於10度,較佳者’介於大約1〇度 =大約30度之間。可.以理解的是,較佳的傾斜角度α 疋”距離D以及高度11有關。因此,距離〇以及高度η 的比例較佳為小於大約2,更佳為小於大約〇 5。 同樣地’❹傾斜植人方式以植人與傾斜源極/沒極 L、植人步驟導人的不純物不同導電型式的不純物,而 $成袋狀區域(圖未顯示)。用來形絲狀區域的角度最好 =足夠大,使得大體上沒有我物植人半導體基底區域
、貝麵例中,除了傾斜源極/沒極延伸植入步驟以 ,可視需要選擇性地進行垂直源極/汲極延伸植入步 :伸Si::::頭Μ表示(第3圖)。垂直源極/汲極 、及似“由始 ’劑量(d〇Sage)大體上低於傾斜源極/ ^極延伸植人㈣使用的劑量,在—具體實施例中,垂 延伸植人步驟34的劑量小於傾斜源極/汲極 „、令植入卜驟28的劑量的大約1〇%。在另—實施例中, 痛略垂直源錄極延伸植人步驟34。垂直源極/汲極延伸 0503-A32885TWF/Jessica 丄P01472 y驟34的劑i與傾斜源極/沒極延伸植入步驟μ白勺 .劑量的最理想比例可以透過實驗來獲得。乂驟 • Λ - 第4圖顯示源極延伸區域130的形成,在—實施例 冲」形成光阻236以遮蓋住整個區域2〇〇。在另—實施例 中光阻僅覆盍住區域200的金氧半導體場效電晶體的 汲,側。接下來,進行傾斜源極/汲極延伸植入步驟38, 較佳者,傾斜源極/汲極延伸植入步驟38使用與傾斜源極 • /汲極延伸植入步驟28(請參考第3圖)大體上相同的傾斜 角度α以及大體上相同的劑量來進行,在另一實施例 中,傾斜祕/¾極延伸植人步驟38以及傾斜源極/沒極 延伸植入步驟28的傾斜角度α以及劑量可以不同。傾斜 ,極/汲極延伸植入步驟38會形成源極延伸區域13〇。與 第^圖類似的情況,半導體基底區域25會被閑極疊層IK 遮敝而免於植入不純物,以致於在半導體基底區域25大 體上不會形成汲極延伸區域。 9 第5圖顯示閘極間隙壁(gate spacer)44、144、244的 形成如热悉此技術領域之人士所知,為了形成閘極間 隙壁’會形成閘極間隙壁層(圖未顯示),問極間隙壁層可 ^括單-層或兩層以上,其各包括氧化層、氮化石夕層、 氮氧石夕化合物層及/或其他介電材料。然後㈣此閉極間 隙壁層水平的部分,而留下閘極間隙壁44、144、%。 相鄰的閘極間隙壁4 4與⑷彼此隔開,使得基底部分4 6 露出來。在一具體實施例中,基底部分46的寬度D,較佳 J、於大約ιοοοΑ ’更佳者’介於4〇〇入至.8〇〇A之間,也 〇503-A32885TWF/Jessica 12 1361472 可以採用較大或較小的寬度。 第6圖顯示源極/沒極區域48、50、148、248以及 250的形成,如熟悉此技術領域之人士所知,可藉由植入 想要的n型或P型不純物以:形成源極/汲極區域48、50、 148、248以及250,不純物的導電型式與植入源極延伸 區域30、130及230的導電型式相同。植入步驟較佳為 垂直的角度,而得到的區域48、148及248分別為非對 稱式金氧半導體場效電晶體及260的源極區域, 區域250為金氧半導體場效電晶體26〇的汲極區域,而 區域50為金氧半導體場效電晶體6〇及16〇的共同汲極 區域。經由垂直源極/汲極延伸植入步驟34以及由共同汲 ,區域5G擴散後’基底區域54具有低不純物濃度,此 ;辰度大體上低於源極延伸區域3〇及23〇的不純物濃度。 接著’形成金屬矽化物區域、接觸蝕刻停止層(c〇n^ct etch stop layer ; CESL)以及接觸插塞。然後較佳藉由形成 於金屬化層(圖未顯示)的金屬導線將閘極電極26以及 126彼此連接。形成金屬矽化物區域、接觸蝕刻停止声以 及金屬化層的方式為常用的方式,在此不重複敘述:閘 極電極26及126之間連接會形成共同閑極62,因此,且 有閘極電極26及126彼此連接之非對稱式金氧半導體場 效電晶體60、16G組合後會成為對稱式的金氧半導. 效電晶體’將域接於㈣電路時,彼此連接 = Γ6並:成f對稱式的金 極’並且源極區域48、148則成為對稱式的金氧半導體 0503-A32885TWF/Jessica 13 丄361472 場效Jb日日體的源極以及祕。第7圖為由非對稱式的金 氧半導體場.效電晶體形成的對稱式的金氧半導體場效電 • 晶體的符號.’·而金氧半導體場效電晶體260仍為非對^ 式的金氧半.導.體場效電晶體。 每 . r. . 第.8圖顯示本發明第二實施例,其中兩個非對稱式的' 金氡半導體場效電晶體70與170的源極互相連接。金氧 半導體場效電晶體70包括源極延伸區域76、源極區域 鲁 72以及汲極區域74,金氧半導體場效電晶體17〇包括源 極延伸區域176、源極區域172以及汲極區域174。金氧 半V體%效電晶體70以及170可使用大致上與形成金氧 半導體場效電晶體260(請參考第6圖)相同的方式來形 成。源極區域72以及172彼此連接,並且較佳為浮接: 閘極電極78及178彼此連接。因此,金氧半導體場效電 晶體70及170結合後成為對稱式的金氧半導體場效電晶 體,並且汲極區域74及174則成為對稱式的金氧半導體 φ 場效電晶體的源極及汲極。 苐9圖顯示本發明的第三實施例,其中兩個非對稱气 的金氧半導體場效電晶體80、180的汲極互相連接。^ 氧半導體場效電晶體80包括源極延伸區域86、源極區域 82以及汲極區域84,金氧半導體場效電晶體18〇包括源 極延伸區域186、源極區域182以及汲極區域ι84。金氧 半導體場效電晶體80以及180可使用大致上與形成金氧 半導體場效電晶體260(请爹考第6圖)相同的方式來开3 成。汲極區域84以及184彼此連接,並且較佳為.浮接。 〇5〇3-A32885TWF/Jessica 14 ^61472
閘極電極88及188彼此連接。因此,
晶體80及180結合後成為對稱式的氧體场效電 體,並且源㈣域82及182則成騎^導體場效電晶 場效電晶體的源極及汲極。為對%式的金氧半導體 本發明實施例具有數個有錢特徵,藉由 晶體形成對稱式:金氧半導體 琢效電曰曰Μ不确疋否積體電路具有對稱式的金 體場效電晶體,僅需要形成非對稱式的金氧半導體場效 降低積體電路的製造成本,並且可提昇積體 2的整體性能。再者,只需要模擬非對稱式的金氧半 導體场效電晶體於此模型(modeling) ’此明顯地降低用於 此模型的複雜度以及成本。 ' 、雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用 以限定本發明’任何熟悉此項技藝者,在不脫離本發明 之精神和範圍内’當可做些許更動與潤飾,因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 0503-A32885TWF/Jessica 15 【圖式簡單說明】 第1圖為傳統非對稱式的金氧半導體場效電晶體 (MOSFET)的剖面圖。 八立第2圖至第6圖為本發明第一實施例之製程中間階 段d面圖,其中使用非對稱式的金氧半導體場效電晶體 以形成對稱式的金氧半導體場效電晶體。 第7圖為由非對稱式的金氧半導體場效電晶體形成 的對稱式的金氧半導體場效電晶體的符號。 第8圖顯示本發明第二實施例,其中兩個非對稱式 的金氧半導體場效電晶體的源極互相連接。 第9圖顯示本發明的第三實施例,其中兩個非對稱 式的金氧半導體場效電晶體的汲極互相連接。 【主要元件符號說明】 先前技術: 4〜閘極介電層; 8〜源極延伸區域; 2〜半導體基底; 6〜閘極電極; 10〜源極/汲極區域 本發明實施方式: 100〜對稱式金氧半導體場效電晶體的區域; 200〜非對稱式金氧半導體場效電晶體的區域; 2〇〜半導體基底; —’ 22、122、222〜閘極疊層; °5〇3-A32885TWF/Jessica 16 1361472 24、124、224〜閘極介電層; 25 <半導體基底區域, 26、126、226、78、178、88、188〜閘極電極; 30、130、230〜源極延伸區域; 23 6〜光阻; 46〜基底·部分; 48、148.、248〜源 區;^, 44、144、244〜閘極間隙壁; 50〜共同汲極區域; 54〜基底區域; 2 5 0〜〉及極區域, 60、160、260〜金氧半導體場效電晶體; 62〜共同閘極; 28、38〜傾斜源極/汲極延伸植入步驟; 34〜垂直源極/汲極延伸植入步驟; α〜傾斜角度; D〜閘極疊層22及122之間的距離; D’〜基底部分46的寬度; 70、170、80、180〜金氧半導體場效電晶體; 76、176、86、186〜源極延伸區域; 72、172、82、182〜源極區域; 74、174、84、184〜汲極區域。 0503-A32885TWF/Jessica 17
Claims (1)
- I36H72 修正曰期·· 99.10.1 第96118318號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍: 1. 種半導體結構,包括: —對稱式的金財導體電晶體,包括: -第-非對稱式的金氧半導體電晶體, 一閘極電極以及鄰接於 m 括弟 一第—閘極電極的—第—源極與 -第二非對稱式的金氧半導體電晶體,t包括 一閘極電極以及鄰接於該第二 ^ 一第搞卄丄 甲j性电極的一第二源極與 電第一及第二非對稱式的金氧半導體 極連接於該第二閘極電極極電 及該第-汲極其中一者連接 庙/、有該弟一源極以 二汲極其i者 賴於對應的”二源極及該第 第-請專利範圍第1項所述之半導體結構,其中該 子稱式的金氧半導體電晶體更包括-第—沔炼Λ 伸區域,鄰接於琴笼 弟源極延 導體電:m極=二非對稱式的金氧半 源極。 括弟—賴延伸於該第二 3·如申請專利範圍第j項所述之 第一汲極連接於_ m 一 等體、、,D構,其中該 源極不連^以―錄’並且該第—源極與該第二 4.如申請專利範圍第!項所述之 第一源極連接於芎第_ . n 體、,、°構,其中該 沒極不連接 祕,並且該第1極與該第二 0503-A32885TWFi/jeff 18 1361472 第961_號申請專利範圍修正本 紅日期:侧 \如申請專利範圍第4項所述之半導體結構,其中該 第一汲極與該第二汲極形成一連續的區域。 卜6·如申請專利範圍第5項所述之半導體結構,其中該 第一汲極以及該第二汲極以一摻雜區域與對應的第 極介電層以及第二閘極介電層隔開,其中摻雜區域二 純物濃度小於該第—非對稱式的金氧半導體電晶體 =-源極延伸區域以及該第二非對稱式的金氧半導 甜體的-第二源極延伸區域之中的不純物漠度。 〜 7·一種半導體結構,包括: 一半導體基底,· 二第-非對稱式的金氧半導體電晶體,包括. 二第1極介電層,位於該半導體基底上; 二工二閘極電極,位於該第一閘極介電層上; 其 其 閘 第—源極延伸區.域,位於該半 中該第-源極延伸區域,延伸於該第—閘=之中 一第—源極區域,鄰接於竑笼 电搜卜万, 中第-源極區域更利用該第二==延伸區: 極介電層分隔開; 、 申區域與該第_ 一稱式的金氧半導體電晶體,包括. 第一閘極介雷®,/ 匕枯· 於該半導體基底上; -第二源極延伸區域,二一閘極)1電層上; 其 尹該第,源極延伸區域延伸於該該一+導體基底之尹 其 -第二源極區域’鄰接 =電極下方,· 衣罘一源極延伸區域, 05〇3'A3288STWFl/jefT 19 第96118318號申請專利範圍修正本 ,_ 修正日期:99.10.1 中第二源極區域更利用該第二 極介電層分隔開;以及 I伸&域與該弟二閘 介,介於並鄰接於該第-及第二閘極 電晶體大體上無汲極延伸區域弟r非對稱式的金氧半導體 第-範圍第7項所述之半導體結構,其中該 弟 及弟一閘極電極之ρ η &花— Φ 電極的高度的2倍。1的距離小於該第—及第二閉極 9.如申凊專利範圍第7 第一及笛-+導體結構’其中該 弟及弟一閘極電極的距離小於2〇〇〇Α。 以及 括:U).如申請專利範圍第7項所述之半導體結構,更包 第一間極間隙壁’位於該第-開極電極的側壁; 1中間隙壁,位於該第:祕電極的側壁, 八μ弟及弟一閘極間隙壁位於一該 電極之間的空間,並且1 及弟-閘極 間距小於1GGGA。 ' 及第-閘極間隙壁的 請專·圍第7項所述之半導體結構,並中 ^同^極以及該第1極電極之間具有—第導 基底區域,該共同沒極 ¥體 有一篱-主道μ甘— 次該弟一閘極電極之間具 Ld 域,並且其中該第-及第二半導 f基底區域與該第—及第二源 相同,並且其中該第:U的不純物 及弟一+導體基底區域的不純物 〇503-A32885TWFl/jeff 20 1361472 第96118318號申請專利範圍修正本 :曾疮Ac从4 修正日期:99.10.1 第二源極延伸區域的不純物漠度。 12. 如申請相範圍第7項料之 該第一懸電極電性連接於該第二閘極電Γ 13. —種半導體晶片,包括: 複數個金氧半導體電晶體,其中 有的金氧半導體電晶體為非對稱性,並且= 錢㈣電晶體包括至少一對金氧半導體數;固 對金氧半導體電晶體包括: 〜 一第一非對稱性金氧半導體電晶體,其包括 極電極及n極與鄰接於該第—間 ? 汲極;以及 〜弟一 第二非對稱性金氧半導體電晶體,其包括第二閉極 包極及一第二源極與鄰接於該第二閘極電極的一第二汲 其中該第—及第二非對稱式的金氧半導體電晶^ 及極側大體上無汲極延伸區域,該第—閘極電極連接於 該第二閘極電極,並且只有該第一源極及該第一汲極豆 :一者連接於對應的該第二源極及該第二汲極其中二 产14.如申請專利範圍第13項所述之半導體晶片,其中 該第一汲極連接於該第二汲極。 15.如申請專利範圍第14項所述之半導體晶片,其中 該第一汲極及該第二汲極形成一連續的基底區域。/、 如申請專利範圍第13項所述之半導體晶片,其 中該弟一及第二源極區域彼此連接著。 〇503-A32885TWFl/jeff 21 1361472 修正日期:99.10.1 第96118318號申請專利範圍修正本 17.如f請專利範圍第13項所述之半導體晶片,其 中該第一及第二閘極電極之間的距離小於該第一及第二 閘極電極的高度的2倍。0503-A32885TWFl/jeff 22
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