[发明专利]一种垂直沟道场效应晶体管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其是一种具有垂直沟道结构的场效应晶体管，以及它的制备方法。

背景技术

垂直沟道场效应晶体管(vertical FET)技术是一种新的实现小尺寸场效应晶体管(MOSFET)的方法。垂直沟道场效应晶体管的沟道长度并非由光刻直接定义，而是由硅台刻蚀、离子注入或者外延来决定的，所以无需借助复杂的光刻手段就很容易实现短沟道器件的制作，并且其工艺和平面MOSFET技术也完全兼容。垂直沟道器件被学术界和工业界认为是继平面MOSFET之后最有潜力的新型器件之一，目前，在ROM、DRAM等领域已有成熟的应用。

从加工工艺上来分，垂直沟道场效应晶体管可以分为两类，一类是以硅台刻蚀和离子注入的方法形成垂直沟道，另一类是通过外延技术形成垂直沟道。前者的优点是工艺比较简单，缺点是难以精确控制沟道的长度。后者可以通过外延工艺精确控制沟道长度，但缺点是技术比较复杂，对设备和工艺条件要求严格。申请号为02129384.8的中国专利提出了一种多晶硅做源端的垂直结构MOSFET，可有效节省器件有源区面积，更好的控制器件沟道长度，并且可以和双极器件兼容，为实现BiCMOS奠定了基础。随着集成度的提高和器件尺寸的缩小，现有硅台结构的短沟道效应越来越明显，严重影响了器件的性能，所以，有必要提出一种可以抑制垂直硅台结构器件短沟效应的器件结构及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可更好的抑制短沟道效应，改善器件性能的垂直沟道结构的场效应晶体管。

本发明的垂直沟道场效应晶体管的特征是，其沟道区为一垂直于衬底上的圆环形Si台；源端为多晶硅，位于圆环形Si台的上端；漏端位于圆环形Si台下端的外侧；栅位于圆环形Si台的外侧面；在圆环形Si台的内部填充有介质材料。

本发明场效应晶体管最基本的结构特点是，器件的沟道区为纳米尺寸的圆环，圆环的中心填充介质。所述圆环形的Si台高50nm～500nm，内径20nm～500nm，外径30nm～600nm；圆环中心填充的介质材料可以是氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化锆、氧化钛等中的一种或多种。

上述垂直结构场效应晶体管在具体制备之前先进行版图设计(如图1所示)：定义有源区；在有源区中定义Si圆环区域，将来要在此处刻蚀出圆环形状的Si台，垂直沟道在圆环形Si台的外侧壁上形成；器件的源漏是不对称结构，源端引出在场区，漏端引出在有源区里面；多晶硅栅引出在场区；最后在源、漏、栅区开引线孔，并设计金属引线。

然后根据下述步骤进行制备：

1)在Si衬底上进行器件隔离，定义出有源区；

该步骤可采用传统的场区局部氧化(LOCOS)隔离技术实现器件隔离，定义出器件的有源区。

2)对有源区进行阈值调节注入；

根据制作器件类型的不同对有源区做n型或p型注入。

3)淀积源端多晶硅，并在其上淀积掩蔽层；

一般的，源端多晶硅采用低压化学气相沉积(LPCVD)的方式淀积，厚度一般在100nm～300nm；接着淀积一层氧化硅作为掩蔽层，厚度约为30nm～50nm。

4)刻蚀形成圆环形Si台；

首先在掩蔽层上涂光刻胶，以光刻胶为掩膜各向异性干法刻蚀掩蔽层，然后依次刻蚀多晶硅和Si衬底，形成圆环形的Si台，刻蚀完成后去除光刻胶和掩蔽层。Si台高度由器件的沟道长度所决定，Si台的内径20nm～500nm，外径30nm～600nm。

5)在圆环形Si台内部填充介质材料；

通过在有源区淀积介质材料，光刻保护圆环内介质材料，腐蚀圆环外介质材料等工艺完成；

6)制备器件的轻掺杂区域(LDD区)；

首先生长一层牺牲氧化层，然后进行离子注入，在衬底表层形成漏端的LDD区，最后去除牺牲氧化层。

7)生长栅氧化层；

可采用干氧氧化方法在源端多晶硅、Si台及Si衬底的表层形成栅氧化层，厚度为3nm～10nm。

8)淀积栅极多晶硅，并对其进行重掺杂，接着做激活退火，然后刻蚀该多晶硅，在圆环形Si台外侧壁形成多晶硅侧墙；

在栅氧化层上LPCVD淀积多晶硅；常用的掺杂方法可以是离子注入或者在生长多晶硅的同时进行原位掺杂；采用各向异性干法刻蚀多晶硅，形成的多晶硅侧墙即为栅。

9)进行源漏注入；

10)淀积低氧层，并进行致密退火，然后刻蚀引线孔，溅射金属，合金，完成源、漏、栅的引出。