專利名稱：柵極結(jié)構(gòu)及其制造方法及具此柵極結(jié)構(gòu)的金氧半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種晶體管及其制造方法，特別涉及一種金屬氧化半導(dǎo)體晶體管及其制造方法。


圖1a-1c所示是已知的制造柵極的步驟流程圖。
請(qǐng)參考圖1a，首先，提供一半導(dǎo)體基底101，半導(dǎo)體基底101形成有隔離區(qū)102，隔離區(qū)102用以在半導(dǎo)體基底101上隔離出一主動(dòng)區(qū)。于半導(dǎo)體基底101上的主動(dòng)區(qū)依序形成一氧化層103及一多晶硅層104，并對(duì)多晶硅層104進(jìn)行離子植入以形成P型或N型的導(dǎo)電層。其中，隔離區(qū)102可是淺溝槽隔離層；氧化層103可是二氧化硅，用以作為柵極氧化層；離子植入可以砷(As)離子或硼(B)離子來進(jìn)行植入。
請(qǐng)參考圖1b，對(duì)多晶硅層104進(jìn)行離子植入后，于導(dǎo)電層104上形成一圖案化光阻105，圖案化光阻105會(huì)覆蓋半導(dǎo)體基底101的主動(dòng)區(qū)上欲形成柵極的部分。
請(qǐng)參考圖1c，接著，以圖案化光阻105為罩幕，非等向性蝕刻多晶硅層104及氧化層103以形成柵極104a與柵極氧化層103a。后續(xù)如對(duì)柵極104a兩側(cè)的半導(dǎo)體基底101進(jìn)行離子植入，則會(huì)形成源漏極區(qū)(未顯示)，此包含柵極及源漏極區(qū)即成為一般所謂的晶體管結(jié)構(gòu)。
多晶體是一種由多種結(jié)晶體所共構(gòu)的現(xiàn)象，是由多種堆積方向面均不同的硅晶粒所組成，在半導(dǎo)體工業(yè)常用來制造柵極的多晶硅即為一種多晶體，呈柱狀結(jié)構(gòu)排列。因?yàn)槎嗑Ч鑼咏Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，當(dāng)在半導(dǎo)體基底上形成多晶硅層以作為柵極時(shí)，多晶硅層與半導(dǎo)體基底接觸的表面會(huì)粗糙而不平滑。后續(xù)在柵極104a上施加電壓以使電子自源極經(jīng)由柵極104a下方的通道到達(dá)漏極時(shí)，柵極104a與半導(dǎo)體基底101之間的不平滑界面所造成的不平均電場(chǎng)會(huì)使通道中的電子受到影響，導(dǎo)致電子的行進(jìn)路徑變長(zhǎng)，并使晶體管的電特性降低。
同時(shí)，為了提高元件的密集度，元件的尺寸會(huì)盡量縮小以增加元件個(gè)數(shù)；然而當(dāng)元件尺寸被縮小時(shí)，多晶硅柵極空乏效應(yīng)(poly gate depletioneffect，PED)會(huì)變得嚴(yán)重。所謂的多晶硅柵極空乏效應(yīng)就是當(dāng)元件尺寸被縮小時(shí)，金屬層與氧化層之間產(chǎn)生空乏區(qū)的比例會(huì)增加而影響電子前進(jìn)的速度，如此一來，元件的操作速度就會(huì)被降低。
本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題在于提供一包含上述柵極結(jié)構(gòu)的金氧半導(dǎo)體(metal oxide semiconductor)元件，此元件具有低多晶硅柵極空乏效應(yīng)及高載子活性的特性。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種柵極結(jié)構(gòu)，形成于一半導(dǎo)體基底上，包括一第一部分多晶硅層，用以作為底層；一多晶硅層，形成于第一部分多晶硅層上；及一第二部分多晶硅層，形成于多晶硅層上，用以作為頂層。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明再提供一種金氧半導(dǎo)體，包括一半導(dǎo)體基底；一柵極氧化層，形成于半導(dǎo)體基底上；及一多層結(jié)構(gòu)柵極，包括部分多晶硅底層、多晶硅中間層、及部分多晶硅頂層。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明更提供一種柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，半導(dǎo)體基底上形成有一介層；于具有氫氣的環(huán)境中對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以形成一第一部分多晶硅層；對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在第一部分多晶硅層上形成一多晶硅層；及在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在多晶硅層上形成一第二部分多晶硅層。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明另提供一種柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，于半導(dǎo)體基底上形成一介層，其中半導(dǎo)體基底具有源漏極；在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以形成一第一部分多晶硅層；對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在第一部分多晶硅層上形成一多晶硅層；在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在多晶硅層上形成一第二部分多晶硅層；對(duì)第一部分多晶硅層、多晶硅層及第二部分多晶硅層進(jìn)行離子植入、步驟；于第二部分多晶硅層上形成一圖案化光阻，以圖案化光阻為罩幕，蝕刻第一部分多晶硅層、多晶硅層及第二部分多晶硅層以形成一柵極；及去除圖案化光阻。
為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，詳細(xì)說明如下。
請(qǐng)參考圖2a，首先，提供一半導(dǎo)體基底201，半導(dǎo)體基底201具有隔離區(qū)202，隔離區(qū)202用以在半導(dǎo)體基底201上隔離出一主動(dòng)區(qū)。在半導(dǎo)體基底201上的主動(dòng)區(qū)形成一氧化層203，并在具有氫氣(H2)及硅烷(SiH4)的處理室中對(duì)半導(dǎo)體基底201進(jìn)行沉積步驟。其中，隔離區(qū)202可是淺溝糟隔離層；氧化層203可是二氧化硅，用以作為柵極氧化層。
請(qǐng)參考圖2b，在具有氫氣(H2)及硅烷(SiH4)的處理室中對(duì)半導(dǎo)體基底201進(jìn)行沉積步驟后，氧化層203上會(huì)形成一第一部分多晶硅層204；其中，第一部份多晶硅層204由多晶硅及非晶硅所共同組成。因?yàn)榈谝徊糠侄嗑Ч鑼?04進(jìn)行再結(jié)晶的緣故，第一部分多晶硅層204與半導(dǎo)體基底201之間的界面會(huì)呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使表面平滑，因此能與半導(dǎo)體基底201緊密結(jié)合；其中，沉積的方法為化學(xué)氣相沉積(vapor deposition)，例如是LPCVD或PECVD；且氫氣的流量大于硅烷。
請(qǐng)參考圖2c，僅在處理室中提供硅烷(SiH4)而不提供氫氣(H2)，然后對(duì)形成有第一部分多晶硅層204的半導(dǎo)體基底201進(jìn)行沉積步驟，以在第一部分多晶硅層204上形成一多晶硅層205。其中，沉積的方法可是電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)；多晶硅層205的晶粒呈柱狀排列，且厚度大于第一部分多晶硅層204。接著，對(duì)僅有硅烷(SiH4)的處理室提供氫氣(H2)，并對(duì)半導(dǎo)體基底201進(jìn)行沉積步驟。
請(qǐng)參考圖2d，在具有氫氣(H2)及硅烷(SiH4)的處理室中對(duì)半導(dǎo)體基底201進(jìn)行沉積步驟后，多晶硅層205上會(huì)形成一第二部分多晶硅層206。其中，沉積步驟例如是電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)；多晶硅層205的厚度大于第二部分多晶硅層206。
因?yàn)榈诙糠侄嗑Ч鑼?06會(huì)進(jìn)行再結(jié)晶的緣故，所以第二部分多晶硅層206露出的部分會(huì)呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使表面平滑。然后，對(duì)第二部分多晶硅層206、多晶硅層205及第一部分多晶硅層204進(jìn)行離子植入以形成P型或N型的導(dǎo)電層。其中，進(jìn)行離子植入的離子例如是砷離子(As)或硼(B)離子。
請(qǐng)參考圖2e，接著，在第二部分多晶硅層206表面上形成一圖案化光阻207，圖案化光阻207會(huì)將半導(dǎo)體基底201的主動(dòng)區(qū)上欲形成柵極的部分遮蔽住。
請(qǐng)參考圖2f，然后，以圖案化光阻207為罩幕依序蝕刻第二部分多晶硅層206、多晶硅層205、第一部分多晶硅層204及氧化層203，以形成柵極208與柵極氧化層203a。其中，柵極208由二部分多晶硅層206a、多晶硅層205a、第一部分多晶硅層204a所構(gòu)成。
后續(xù)還可接著進(jìn)行淺摻雜步驟、形成間隙壁步驟、離子植入以形成源/漏極步驟等，以形成一完整的金氧半導(dǎo)體晶體管。
已知技術(shù)在進(jìn)行多晶硅層的沉積時(shí)，通常需要施加高溫來分解硅烷以使硅沉積；而形成部分再結(jié)晶硅層的沉積時(shí)，處理的溫度則可較低；因此，如果要在同一處理室形成不同的多晶硅層時(shí)，一般都需要調(diào)整處理室的溫度來達(dá)到沉積不同結(jié)構(gòu)的多晶硅層的目的。在本發(fā)明所提供的柵極的制造方法中，是利用硅烷在高溫下會(huì)分解的反應(yīng)式，在處理室中不提供氫氣或提供氬氣來作為沉積多晶硅層或部分多晶硅層的環(huán)境，如此一來，只要在相同溫度下的處理室中，選擇加入或不加入氫氣即可進(jìn)行多晶硅層或部分多晶硅層的沉積。
部分多晶硅層具有高載子活性(high carrier mobility)、平滑的表面粗糙度(smooth surface roughness)、阻值平均分布以及低硼穿透(1essBoron penetration)等優(yōu)點(diǎn)，但是如果整個(gè)柵極都用部分多晶硅層來制作的話，則會(huì)降低柵極的活性(lower poly activation)，并且在氧化過程中會(huì)使柵極氧化層的厚度變厚。而本發(fā)明所制造的柵極是利用部分多晶硅層作為頂層及底層，所以不會(huì)與已知利用多晶硅來作為柵極的構(gòu)造一樣有粗糙表面，因此本發(fā)明所提供的柵極不論是與半導(dǎo)體基底接觸的表面或是露出的柵極表面都具有平滑的表面粗糙度且同樣具有低硼穿透的優(yōu)點(diǎn)；進(jìn)行離子植入后，更可利用部分多晶硅層的高載子活性及多晶硅層的好的柵極活性來使植入的離子可均勻分布。
利用本發(fā)明所提供的柵極的制造方法，可制造出同時(shí)具有多晶硅的高柵極活性及部分多晶硅的表面平滑，且具有低多晶硅柵極空乏效應(yīng)及高載子活性等優(yōu)點(diǎn)的晶體管，有效改善晶體管的電特性。同時(shí)，只要借由在處理室中選擇加入或不加入氫氣，即具有與調(diào)整處理室溫度同樣的效果，來控制形成部分多晶硅層或形成多晶硅層，方法簡(jiǎn)單且成本低，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)量的目的。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書的內(nèi)容為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種柵極結(jié)構(gòu)，形成于一半導(dǎo)體基底上，包括，至少一第一部分多晶硅層，用以作為底層；至少一多晶硅層，形成于該第一部分多晶硅層上；及至少一第二部分多晶硅層，形成于該多晶硅層上，用以作為頂層。
2.如權(quán)利要求1所述的柵極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第一部分多晶硅層于具有氫氣的處理室中形成。
3.如權(quán)利要求1所述的柵極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第二部分多晶硅層于具有氫氣的處理室中形成。
4.如權(quán)利要求1所述的柵極結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的多晶硅層的厚度大于該第一部分多晶硅層及該第二部分多晶硅層。
5.一種金氧半導(dǎo)體，包括一半導(dǎo)體基底；一柵極氧化層，形成于該半導(dǎo)體基底上；及一多層結(jié)構(gòu)柵極，包括部分多晶硅底層、多晶硅中間層、及部分多晶硅頂層。
6.如權(quán)利要求5所述的金氧半導(dǎo)體，其特征在于所述的部分多晶硅底層于具有氫氣的處理室中形成。
7.如權(quán)利要求5所述的金氧半導(dǎo)體，其特征在于所述的部分多晶硅頂層于具有氫氣的處理室中形成。
8.如權(quán)利要求5所述的金氧半導(dǎo)體，其特征在于所述的多晶硅層的厚度大于該部分多晶硅底層及該部分多晶硅頂層的厚度。
9.一種柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，該半導(dǎo)體基底上形成有一介層；于具有氫氣的環(huán)境中對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以形成一第一部分多晶硅層；對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在該第一部分多晶硅層上形成一多晶硅層；及在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在該多晶硅層上形成一第二部分多晶硅層。
10.如權(quán)利要求9所述的柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的介層為柵極氧化層。
11.如權(quán)利要求9所述的柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的多晶硅層的厚度大于該第一部分多晶硅層及該第二部分多晶硅層。
12.一種柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基底，于該半導(dǎo)體基底上形成一介層；在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以形成一第一部分多晶硅層；對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在該第一部分多晶硅層上形成一多晶硅層；在具有氫氣的環(huán)境中對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積以在該多晶硅層上形成一第二部分多晶硅層；對(duì)該第一部分多晶硅層、該多晶硅層及該第二部分多晶硅層進(jìn)行離子植入步驟；于該第二部分多晶硅層上形成一圖案化光阻，以該圖案化光阻為罩幕，蝕刻該第一部分多晶硅層、該多晶硅層及該第二部分多晶硅層以形成一柵極；及去除該圖案化光阻。
13.如權(quán)利要求12所述的柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的介層為柵極氧化層。
14.如權(quán)利要求12所述的柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的多晶硅層的厚度大于該第一部分多晶硅層及該第二部分多晶硅層。
15.如權(quán)利要求12所述的柵極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于所述的離子植入步驟的離子為砷或硼。
全文摘要
本發(fā)明公開一種柵極結(jié)構(gòu)及其制造方法及具此柵極結(jié)構(gòu)的金氧半導(dǎo)體元件，該柵極結(jié)構(gòu)包括一作為底層的第一部分多晶硅層，一多晶硅層及一作為頂層的第二部分多晶硅層。該金氧半導(dǎo)體則包括一半導(dǎo)體基底；一柵極氧化層，形成于該半導(dǎo)體基底上；及一多層結(jié)構(gòu)柵極，包括部分多晶硅底層、多晶硅中間層、及部分多晶硅頂層。上述的第一部分多晶硅及第二部分多晶硅層是于具有氫氣的環(huán)境中對(duì)該半導(dǎo)體基底進(jìn)行沉積形成的。本發(fā)明可制造出同時(shí)具有多晶硅的高柵極活性及部分多晶硅的表面平滑，且具有低多晶硅柵極空乏效應(yīng)及高載子活性等優(yōu)點(diǎn)的晶體管。
文檔編號(hào)H01L21/28GK1481031SQ0213200
公開日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者陳佳麟, 姚亮吉, 陳世昌 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司