TWI302745B - A high-voltage metal-oxide-semiconductor device and a double- diffused -drain metal-oxide-semiconductor device - Google Patents

Description

1302745 ★九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種金屬氧化半導體(M〇s)元件，特 別的是有關於一種具有一懸浮非絕緣間隙物的雙擴散没 極金屬氧化半導體(DDDMOS)元件。 【先前技術】 在許多電源元件應用領域廣泛使用的高電麗（HV)金 屬氧化半導體場效電晶體中，雙擴散汲極 (double-diffused_drain，DDD)通常作為〆 擴散汲極結構為一高電壓金屬氧化半導雜潘效電晶體提 供一較高的崩潰電壓，且預防造成半導體裝置，損的靜 電放電現象。雙擴散汲極金屬氧化半導體装置是一種普

遍的電源元件，用以維持較高的操作電壓’例如10〜20 伏的操作電壓。熱載子引發的免疫力下降现^ ’在雙擴 散汲極金屬氧化半導體裝置中被認為是〆雜嚴重的可靠 性問題。在一般習知的雙擴散汲極金屬氧化半導體裝置 中，在多晶矽閘極的侧壁形成絕緣間隙物（例如氧化石夕或 氮化矽>，此熱載子效應在元件傳輸電導(Gm)及飽和汲極 電流(Idsat)引起嚴重的衰退現象。因為在微米及次微米η 型通道元件中有較高通道電場及電子衝擊離子速率，因 此，在縮小的η型通道金屬氧化半導體電晶體中，熱載 子效應被認為是最重要的限制因素。 【發明内容】 0503-Α31930TWF/yungchieh 5 1302745 本發明之實施例包括一種具有懸浮非絕緣間隙物的 雙擴散汲極金屬氧化半導體（double-diffused-drain metal_oxide-semiconductor，DDDM0S)元件，以改善熱載 子引發之免疫力下降的現象。 本發明之一目的係提供一高電壓金屬氧化半導體 (M0S)元件，一閘極結構形成於一半導體基底上。一對絕 緣間隙物分別形成於此閘極結構的侧壁上，一對懸浮非 絕緣間隙物分別欲入上述絕緣間隙壁中。藉由各絕緣間 隙壁使每一懸浮非絕緣間隙壁與閘極結構及半導體基底 隔離。 本發明之另一目的係提供一雙擴散汲極金屬氧化半 導體(DDDM0S)元件。一源極區域及一汲極區域形成於一 半導體基底且彼此相互隔開。一閘極結構形成於此半導 體基底上方，且介於此源極區域及没極區域間。一對絕 緣間隙物分別形成於此閘極結構的側壁上，一對懸浮多 晶矽間隙物分別嵌入上述絕緣間隙壁中。一輕摻雜汲極 (light doped drain, LDD)區域形成於此半導體基底中，且 從上述源極區域平行地延伸至閘極結構的一側壁。一擴 散延伸區域形成於此半導體基底中，且圍繞著此汲極區 域。 本發明之再一目的係提供一雙擴散汲極金屬氧化半 導體(DDDMOS)元件，一源極區域及一汲極區域形成於一 半導體基底中，且彼此相互隔開。一閘極結構形成於此 半導體基底上方，且介於此源極區域及汲極區域間。一 0503-A31930TWF/yungchieh 6 1302745 對絕緣間隙物分別形成於此閘極結構的側壁上，一對懸 浮多晶矽間隙物分別嵌入上述絕緣間隙壁中。一第一擴 散延伸區域形成於一半導體基底中，鄰接於上述閘極結 構的一側壁，且圍繞著源極區域。一第二擴散延伸區域 形成一半導體基底中，鄰接於上述閘極結構的另一侧 壁，且圍繞著汲極區域。 【實施方式】 本發明之實施例係提供一利用懸浮非絕緣間隙物的 雙擴散汲極金屬氧化半導體裝置（double-diffused-drain metal-oxide-semiconductor，DDDM0S)，以改善熱載子 (hot-carrier)所引發的降低免疫力現象，進而改善元件傳 輸電導（transconductance，Gm)、飽合没極電流（Idsat)以及具 有縮短元件通道長度的優點。於本發明中普遍使用的 “懸浮非絕緣間隙物“係指以非絕緣材料嵌入於雙擴散 汲極金屬氧化半導體裝置之閘極結構側壁的絕緣間隙物 中，上述非絕緣材料包括多晶石夕、金屬、導電材料或半 導體材料，以上僅為與例並不限制本發明。此具有上述 懸浮非絕緣間隙物的DDMO S元件係使用於高電壓元件 的應用領域。於本發明中普遍使用的“高電壓元件“係 指一金屬氧化半導體電晶體以一電源供應大於5伏的電 壓下操作，一般高電壓元件的操作電屋範圍為1〇〜8〇 伏。本發明在許多製造業、工廢及工業上具有很廣泛的 應用’包括積體電路製作、微電子製作以及光學電子穿』 0503-A31930TWF/yungchieh 7 1302745 作等i、有夕數個ν電髮元件的應用，例如液晶顯示器 的编動ic、電源處理元件、電源供應器、非揮發性記憶 ，、通w迴路及控㈣路等。本發明也可適用於局部石夕 氧化(Li^COS)隔離技術或淺溝渠隔離(STI)技術以製作不 對稱型面電壓雙擴散汲極金屬氧化半導體電晶體或對稱 型尚電壓雙擴散汲極金屬氧化半導體電晶體。雖然本發 明的實施方式在此是以雙擴散汲極金屬氧化半導體裝置 _ 來說明’但本發明亦可適用於與雙擴散汲極金屬氧化半 導體類似用途的元件’例如一平行擴散金屬氧化半導體 裝 置（later diffused metal_oxide_semiconductor5 LDMOS)、一垂直擴散金屬氧化半導體裝置（vertical diffused metal-oxide-semiconductor，VDMOS)、一 延伸汲 極金屬氧化半導體裝置、以及經修飾後或未修飾之習知 該技術者所知悉的半導體裝置。 接下來，為詳細了解本發明的具體實施方式，將配 i 合圖式舉例說明本發明。在圖式及說明中相同或相似的

I 部位係使用相同的元件標號。在圖式中實施例的形狀及 厚度為了清楚及方便起見可以是以放大的方式表示。本 說明將特別地針對元件形成之部份或依據本發明與元件 直接配合的裝置。可以了解的是，本發明所提及之元件 並不侷限於所顯示或說明的内容，當然也可以是習知該 領域者所知悉之不同型式的元件。再者’當敘述一層係 位於一基材或是另一層上時，此層可直接位於基材或是 另一層上，或是其間亦可以有中介層。 0503-A31930TWF/yungchieh 1302745 於此’第1圖之一与丨而囬^ 一 雙擴散汲極金屬氣化二圖係顯不一非對稱型高電壓 擴散汲極金屬氧化半^體裝置。此非對稱型高電壓雙 形成於一半導體基導體裝置包含兩個隔離區12a，12b 區域。上述半導&義广〇中，以定義此高電壓元件的主動 層上有矽鍺或其組4'合^〇包括矽、絕緣層上有矽、絕緣 12a,12b例如以普遍★朵但不以此為限。此隔離區域 所製作的場氧化曰區域0悉之局部矽氧化(L0C0S)隔離技藝 • 閉極結構包含1 =此不加以贅述。 於半導體基底10的電層14及一閘電極層16形成 沉積、微影圖案化及;:主動區上方，其中可利用一般 14可由氧切、氮氧化:刻的方式製作。上述閘介電層 之介電材料、過渡金氮化石夕、高介電常數(k.4.〇) 且利用-般的方式^錢缺稀土金屬氧化物組成， (CVD)。此閘介電層14 如馬溫氧化及化學氣相沉積 需求決定。上述閘電極^厚度係由此高電壓元件的尺寸 摻雜多晶矽、鍺多晶矽、 ^ 、叙她々一 金屬或其組合物組成，且使用 CVD、濺鍍或局溫氧化方式製作。 之用 一輕摻雜離子植入窠 導體基底10中，以製作=不同的摻雜離子植入半 輕掺雜汲極區域18的邊=摻雜汲極(LDD)區域18。此 逯緣係大體上對準上述閘極結構的 一側壁。上述輕摻雜離 範圍約WOOKev，植製作可以是以離子搶能量 ―2的方式實施。㈣量範圍約ΐοχίο13〜be， 0503-A31930TWF/yungchieh 1302745 接下來，進一步以沉積、微影、遮罩技藝及乾姓刻 製程沿著閘極結構的側壁形成複合式間隙物結構20。每 一複合式間隙物結構20包括一絕緣間隙物22及嵌入此 絕緣間隙物22中的一懸浮非絕緣間隙物24。也就是說， 此懸浮非絕緣間隙物24是一懸浮結構，此懸浮非絕緣間 隙物24是藉由此絕緣間隙物22與閘極結構及下方之擴 散區域隔離。上述懸浮非絕緣結構24可以是由多晶矽、 非晶矽、摻雜多晶矽、多晶矽鍺、金屬、其它導電材料 ® 或半導體材料等組成。上述絕緣間隙物22可以是由氧化 矽、氮化矽、氮氧化矽層、氧化矽及氮化矽的交替物或 其組合物。 接著，以複合式間隙物20作為一遮罩，並實施一重 摻雜離子植入製程以植入不同種類離子於此半導體基底 10中，製作完成之重摻雜區域係作為一源極區域26及一 汲極區域28於此半導體基底10中。此源極區域26的邊 緣大體上對準上述複合式間隙物20侧壁的外表面，此汲 ® 極區域28與閘極結構的汲極侧相隔適當的距離。此重摻 雜離子植入製程可以是以一離子槍能量範圍约1〜100 Kev，植入劑量範圍約5xl013〜lxlO16 ions/cm2的方式實 施。 鄰接此閘極結構的汲極侧的擴散延伸區域30，圍繞 著此汲極區域28以構成一雙擴散汲極(DDD)區域。此擴 散延伸區域30具有相對較大的區域及相對較輕的離子劑 量，而沒極區域28具有相對較小的區域及相對較重的離 0503-A31930TWF/yungchieh 10 1302745 子劑量。其中此電晶體是NMOS或是PMOS係根據此半 導體基底及源/汲區域的導電型式決定。例如一 NMOS電 晶體，上述擴散延伸區域30是離子劑量範圍約6xl012〜 9xl012 ions/cm2的一 N型區域，没極區域28及源極區域 26是離子劑量範圍約5xl013〜IxlO16 ions/cm2的一 N+型 區域。而PMOS電晶體，上述擴散延伸區域30例如是離 子劑量範圍約6xl012〜9xl012 ions/cm2的一 P型區域，汲 極區域28及源極區域26是離子劑量範圍約5xl013 ⑩ 〜lxlO16 ions/cm2的一 P+型區域。 一選擇性製作的金屬矽化層，此金屬矽化層使用一 耐火金屬，例如鈷、鎢、鈦、鎳或其相似物，可形成於 閘電極層16、源極區域26及汲極區域28的表面上，以 降低其阻值。其中為了更清楚及簡便說明本發明此金屬 矽化層在圖式中並未繪出。 在非對稱型雙擴散汲極金屬氧化半導體（DDMOS)元 件中，藉由使用一懸浮非絕緣間隙物24，最大電場的位 § 置將從閘介電層14的邊緣（例如鄰接於絕緣間隙物22的 部份)移動至閘介電層14的底部（例如從邊緣部份遠離而 朝向閘電極層16中心的部份），因此，熱載子造成免疫力 下降可以很明顯的改善。相較於習知具有絕緣間隙物的 雙擴散汲極N型金屬氧化半導體裝置，本發明實施例中 具有懸浮非絕緣間隙物的雙擴散汲極N型金屬氧化半導 體裝置，藉由實驗的方式處理一應力時間（約5分鐘）後， 元件傳輸電導（Gm)下降現象會從1.8%改善至0.95%，且 0503-A31930TWF/yungchieh 11 1302745 ，飽和汲極電流⑴…)下降現象也會從15%改善至8%。 第2圖係顯示依據本發明之對稱型高電壓雙擴散汲 極金屬氧化半導體裝置的實施例，其中與第i圖相似或 相同的元件在此不加以贅述。相較於非對稱型雙擴散汲 極金屬氧化半導體裝置，此第2圖所顯示之對稱型雙擴 散没極金屬氧化半導體裝置包含兩個分離的擴散延伸區 域30a，30b形成於兩隔離區域12a，12b之間。上述擴散延 伸區域30a，鄰接於閘極結構的源極側，且圍繞著源極區 春域26 ’以構成一雙擴散源極區域。在上述擴散延伸區域 30a的對稱邊形成一擴散延伸區域30b，其鄰接閘極結構 的汲極侧並圍繞著汲極區域28，以構成一雙擴散汲極區 域。值得注意的是，懸浮#絕緣間隙物24嵌入絕緣間隙 物22中，最大電場的位置玎從閘介電層邊緣移動至閘電 極底部，因此，熱載子造成免疫力下降現象可明顯的改 善，進而改善元件傳輸電導（Gm)及飽和及極電流（Idsat)下 降現象。 鲁 雖然本發明已以較佳實施例揭如上，然其並非用以 限定本發明、，任何熟習此技藝者’在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之 保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。 0503-A31930TWF/yungchieh 12 1302745 【圖式簡單說明】 參閱之後依據本發明較佳實例的說明及配合圖式 下，以更加了解前述本發明的目的、特徵及優點，其中： 第1圖係顯示一非對稱型高電壓雙擴散汲極金屬氧 化半導體裝置的實施例剖面圖；以及 第2圖係顯示一對稱型高電壓雙擴散汲極金屬氧化 半導體裝置的實施例剖面圖。 • 【主要元件符號說明】 10〜半導體基底； 12a〜隔離區域； 12b〜隔離區域； 14〜閘介層層； 16〜閘電極層； 18〜輕摻雜區域； 20〜複合式間隙物結構；22〜絕緣間隙物； 24〜懸浮非絕緣間隙物；26〜源極區域； 28〜汲極區域； 30〜擴散延伸區域； 30a〜第一擴散延伸區域； ® 30b〜第二擴散延伸區域。 0503-A31930TWF/yungchieh 13

Claims (1)

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修正日期：97.5.12 -第95120351號申請專利範圍修正本 十、申請專利範圍： 1·一種高電壓金屬氧化半導體裝置，包含： 一閘極結構，設置於一半導體基底上方； 一對絕緣間隙物，分別地設置於該閘極結構的侧壁 上； 一、懸浮非絕緣間隙物，分別嵌入於該絕緣間隙物 中’其中各该懸浮非絕緣間隙物藉由該絕緣間隙物與該 問極結構及該半導體基底隔離； 源極區域及一汲極區域，形成於該半導體基底 中，且彼此相互隔開，其中該閘極結構設置於該源極及 該汲極之間； 弟-擴散延伸區域’形成於該半導體基底中，鄰接 於该閘極結構的一側壁，且圍繞著該汲極區域。 導辦壯要申明專利㈣第1項所述之高電壓金屬氧化半 ¥體衣置，其中該懸浮非絕緣間隙物包含-多晶矽。 導1 _叙高電壓金屬氧化半 —篮I置，其中該靜漆韭绍拉 料、半導體材料或其組合物。θ^物包含金屬、導電材 導=如置申1項所述之高電壓金屬氧化半 氧::;其=絕緣，^ Η 0503-A31930TWFlyungchieh 1302745 ；第95120351號申請專利範圍修正本 修正日期：97.5J2 一輕摻雜汲極區域，形成於該半導體基底中，且從 该源極區域平行地延伸至該閘極結構的另一侧壁。 、6·如申凊專利範圍第5項所述之高電壓金屬氧化半 導體裝置，其中該汲極區域及該第—擴散延伸區域具有 相同V電型式，且該汲極區域的離子摻雜劑量大於該第 一擴散延伸區域的劑量。 ^ 如申清專利範圍第5項所述之高電壓金屬氧化半 ‘肢衣置，更包括兩隔離區域形成於該半導體基底中， 其中該源極區域、該没極區域及該第—擴散延伸區域形 成於該兩隔離區域之間。 、、· 〇 δ月專利範圍帛1 J貝所述之高電壓金屬氧化半 導體裝置，更包括·· 、 一第二擴散延伸區域，形成於該半導體基底中，鄰 接於該閘極結構的另—侧壁n繞著該源極區域。 導體㈣8項職之高電壓金屬氧化半 i 目同導電型式，且該源極區域有-離子摻雜劑量大= 第一擴散延伸區域的離子摻雜劑量。 Λ 10·如申料·圍第8項所述之高電屢金屬氧化半 :其中該汲極區域及該第-擴散延伸區域具有 第’二:该沒極區域有一離子摻雜劑量大於該 弟一擴散延伸區域的離子摻雜劑量。 11.如申請專利範圍第8項所述之高 導體裝置，更包括兩隔離區域於該半導體基底=二 15 0503-Α31930TWFlyungchieh 1302745 . 第95120351號申請專利範圍修正本 修正日期：97.5.12 遠源極區域、該及極區域、該弟一擴散延伸區域及該第 一擴散延伸區域形成於該兩隔離區域之間。 12 · —種雙擴散没極金屬乳化半導體裝置，包括： 一源極區域及一、;及極區域’形成於一半導體基底 中，且彼此相互隔開； 一閘極結構，形成於該半導體基底上方，且介於該 源極區域及汲極區域之間； 一對絕緣間隙物，分別地設置於該閘極結構的侧壁 _上； 土 對懸浮多晶石夕間隙物，分別嵌入於該絕緣間隙物 中； ’、 —程诊濉汷極區域，形成於該半導體基底中，且 該源極區域平行地延伸至該閘極結構的一側壁；以及 -擴散延伸區域，形成於該半導 著該汲極區域。 -τ 产13.如申請專利範圍第12項所述之雙擴散汲極全 ”+導體裳置’該絕緣間隙物包含 氮氧化矽或其組合物。 鼠化夕 14·如申請專利範圍第、 氧化半導«置，其巾該W、、叙雙擴散汲極金 有相同導電型式，且該汲^域及該擴散延伸區域 該擴散延伸區域的離子摻雜有料摻雜劑量大; 15·如申請專利範圍第 氧化半導體裝置，更^ 、述之雙擴散汲極金J “隔離區域於該半導體基万 ^^-A31930TWFlyungchieh 16 1302745 卜 弟95120351號申请專利範圍修正本 修正日期：97 5 12 ’ 中，其中該源極區域、該汲極區域及該擴散延伸區域形 成於δ亥兩隔離區域之間。 16· —種雙擴散汲極金屬氧化半導體裝置，包含·· 一源極區域及一汲極區域，形成於對半導體基底 中，且彼此相互對應； 一閘極結構，形成於該半導體基底上方，且介於該 源極區域及汲極區域間； • 一對絕緣間隙物，分別地設置於該閘極結構的側壁 •上； 土 對懸浮多晶石夕間隙物，分別嵌入於該絕緣間隙物 中； ’、 一第一擴散延伸區域，形成於該半導體基底中，鄰 接於該閘極結構的一侧壁，且圍繞著該源極區域；以及 一第二擴散延伸區域，形成於該半導體基底中，鄰 接於該閘極結構的另—側壁，且圍繞著該沒極區域。

"17·如中請專利範圍第16項所述之雙擴散汲極金屬 =半導體裝置，該絕緣間隙物包含氧切、氮化石夕、 氮氧化;5夕或其組合物。 氧二第16項所述之雙擴散汲極金屬 找呈^ ’其中該源極區域及該第—擴散延伸區 ，具有相同導電型式，且該源極區域有-離子摻雜劑量 大於该弟一擴散延伸區域的離子摻雜劑量。 置，其㈣崎區軌該擴散延伸區域具 0503韻 930TWFlyungchieh 17 Ί302745 . - 第95120351號申請專利範圍修正本 修正日期：97.5.12 " 有相同導電型式，且該汲極區域有一離子摻雜劑量濃度 大於該第二擴散延伸區域的離子摻雜劑量。 20.如申請專利範圍第16項所述之雙擴散汲極金屬 氧化半導體裝置，更包括兩隔離區域於該半導體基底 中，其中該源極區域、該没極區域、該第一擴散延伸區 域及該第二擴散延伸區域形成於該兩隔離區域之間。

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