[发明专利]凹入式沟道晶体管结构

说明书

技术领域

本发明有关于一种半导体元件结构及制作方法，特别是有关于一种球型凹入式沟道晶体管结构，具有马鞍状(saddle-shaped)的凹入式栅极及凹入式沟道，尤其适合应用于高密度深沟槽电容(deep trench capacitor)动态随机存取存储器(dynamic random access memory，简称为DRAM)元件。

背景技术

随着元件设计的尺寸不断缩小，晶体管栅极沟道长度(gate channel length)缩短所引发的短沟道效应(short channel effect，简称为SCE)已成为半导体存储器元件进一步提升集成度及操作效能的障碍。过去有人提出避免发生短沟道效应的方法，例如，减少栅极氧化层的厚度或是增加沟道的掺杂浓度等，然而，这些方法却可能同时造成元件可靠度的下降或是数据传送速度变慢等问题，并不适合实际应用。

为解决这些问题，该领域现已逐渐采用凹入式栅极(recessed-gate)的MOS晶体管元件设计，这类所谓的延伸U型沟道元件(extended U-shapedevice，简称为EUD)设计，能够提升如动态随机存取存储器(DRAM)等集成电路集成度以及效能。

相较于传统水平式MOS晶体管的源极、栅极与漏极，所谓的凹入式栅极MOS晶体管将栅极与漏极、源极制作于预先蚀刻在半导体基底中的沟槽中，并且将栅极沟道区域设置在该沟槽的底部，俾形成一凹入式沟道(recesschannel)，由此降低MOS晶体管的横向面积，以提升半导体元件的集成度。

然而，前述的凹入式栅极MOS晶体管元件仍有诸多缺点，例如，高栅极对漏极(或栅极对源极)电容及栅极引发漏极漏电流(gate induced drainleakage，简称为GIDL)、驱动电流(driving current)不足，以及较差的次临界摆幅(subthreshold swing或SS)特性，这些都是导致元件操作效能下降的原因，因此需要进一步改善及改进。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种改良的球型凹入式栅极MOS晶体管元件，其具有马鞍状(saddle-shaped)的凹入式栅极及凹入式沟道，可以改善晶体管元件的操作效能，并解决已知技术的不足与缺点。

根据本发明的优选实施例，本发明提供一种凹入式沟道晶体管结构，包含有一半导体基底；一沟槽绝缘区域，设于该半导体基底中，并定义出一有源区域；一栅极沟槽，设于该有源区域中，其中该栅极沟槽包含一垂直侧壁部分以及一球型底部；一凹入式栅极，设于该栅极沟槽中，且该凹入式栅极包含一球型栅极下部，位于该球型底部；一栅极氧化层，位于该球型底部，介于该半导体基底与该球型栅极下部之间；一源极掺杂区，位于该凹入式栅极一侧的该有源区域中；一漏极掺杂区，位于该凹入式栅极另一侧的该有源区域中；以及一沟道区域，介于该源极掺杂区与该漏极掺杂区之间，其中该沟道区域从一栅极沟道宽度方向来看，为一上凸的(convex)曲面轮廓。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施方式，并配合所附图示，作详细说明如下。然而如下的优选实施方式与图示仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为依据本发明优选实施例所绘示的凹入式栅极MOS晶体管以及深沟槽电容动态随机存取存储器阵列的部分布局示意图。

图2则分别显示图1中的I-I’剖面、II-II’剖面以及III-III’剖面。

图3至图8分别以图1中的I-I’剖面及II-II’剖面绘示形成马鞍状凹入式栅极及凹入式沟道的方法。

【主要元件符号说明】

1   凹入式栅极MOS晶体管元件

2   深沟槽电容结构      10     半导体基底

10a 有源区域            11     凹入式栅极

11a 球型栅极下部        11b    延伸部位

12  栅极沟槽            12a    垂直侧壁部分

12b 球型底部            13     源极掺杂区

14  漏极掺杂区             15  栅极氧化层

16  沟道区域               18  栅极导体

20  STI结构                22  掺杂多晶硅层

23  侧壁电容介电层         24  扩散区域

26  单边埋入导电带         30  沟槽上盖层