具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法与流程

1.本发明涉及一种具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法。


背景技术：

2.相对于传统平面式晶体管，鳍式场效应晶体管（finfet）由于具有三维结构的特性，能够带来更小的占据面积以及更好的沟道控制能力。因此在高密度互补型金属氧化物半导体晶体管（cmos）工艺节点，特别是28 nm以下工艺节点，finfet成为主要使用的晶体管结构。
3.晶体管阵列中根据功能需求，有可能需要使用具有不同开启电压的晶体管。传统平面式晶体管通过调节沟道掺杂浓度来改变器件开启电压。然而由于finfet的沟道结构相比于传统的平面式晶体管要更薄，常规用于调节晶体管开启电压的掺杂工艺在finfet中效果不明显。而过高的掺杂浓度会大幅降低沟道载流子迁移率，造成器件运行速度的显著下降。
4.掺杂沟道难以改变finfet开启电压的根本原因在于近距离的栅极氧化层（简称栅氧）对沟道材料的能带具有显著的钉扎作用。具体参见图1-图3示出的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管的常见结构。其中， 1为多晶硅栅极，2为绝缘侧墙（优选为氮化物侧墙），3为介质层（即栅极氧化层），4为半导体鳍结构，5为源极，6为漏极。具体的，多晶硅栅极1三面覆盖包围半导体鳍结构4，形成沟道，介质层3的表面高于多晶硅栅极1的底部，沿着源极5、漏极6之间电流方向（即x方向）为沟道长度l，垂直该电流方向（即y方向）为沟道宽度w。
5.在具有强掺杂的多晶硅栅极1的带动下，介质层3中的电场驱离掺入沟道的载流子，最终使掺入元素失去掺杂效果。介质层3电场的控制距离常有数十纳米，近似等于沟道材料的德拜长度。沟道材料的能带弯曲程度取决于栅极材料的功函数与沟道材料的功函数差。两者功函数差越大，能带弯曲越明显，对沟道势垒的阻碍程度也越强。在finfet三面受控的沟道中，此电场明显阻碍了沟道势垒的形成。过低的沟道势垒会使finfet的源极5、漏极6轻易穿通，造成晶体管功能失效。
[0006] finfet中常规解决穿通的方法是改变栅极的功函数，使用功函数相对较大的金属栅极或者改变多晶硅栅极的掺杂类型或掺杂浓度。对于n型晶体管器件，一般p型沟道的费米能级位置大约在4.8-5.0 ev，而当金属与沟道材料的功函数差小于0.3 ev时，其对沟道产生的能带弯曲现象可以基本忽略。然而这种方法具有几个明显的问题。一是具有较大功函数的金属元素不多，得到的器件开启电压也是离散的少数数值。且金属栅极制作工艺容易给沟道带来沾污，因此金属栅极工艺需要更复杂的阻挡层工艺来搭配使用，明显增加了栅极的制备成本。二是p型多晶硅栅极相比于n型多晶硅栅极的制备工艺要更困难，制备得到的栅极掺杂稳定性以及掺杂剂量可控调整上都具有一定的问题。
[0007]
在图像传感器中，随着像素尺寸的不断降低，晶体管也需要按需缩小来满足感光区域的填充因子要求。鳍式场效应晶体管作为一种三维结构晶体管，可以在不降低沟道控制能力的前提下明显减小晶体管的面积，因此在图像传感器中引入鳍式场效应晶体管是一
种有效提高感光区域填充因子的方法。然而，若要在图像传感器上使用finfet，需要有更为方便可控的开启电压调整方法。


技术实现要素：

[0008]
本发明的目的在于提供一种具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，有效调节鳍式场效应晶体管的开启电压，解决开启电压过低带来的源漏穿通问题，避免过高的沟道掺杂浓度造成器件沟道迁移率的下降，简化具有多种开启电压的晶体管阵列的工艺流程，提高工艺兼容性，降低制备成本。
[0009]
基于以上考虑，本发明提供一种具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，通过改变所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度，调节优化所述鳍式场效应晶体管的开启电压。
[0010]
优选的，鳍式场效应晶体管的多晶硅栅极三面覆盖包围半导体鳍结构，介质层的表面高于多晶硅栅极的底部，沿着源极、漏极之间电流方向为沟道长度，垂直该电流方向为沟道宽度。
[0011]
优选的，采用增加所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度的方式，解决所述鳍式场效应晶体管的源极、漏极穿通问题。
[0012]
优选的，所述鳍式场效应晶体管的源极、漏极可预先进行掺杂，实现埋沟沟道功能。
[0013]
优选的，所述鳍式场效应晶体管可实现功能管、逻辑管的工艺兼容性、简化工艺步骤。
[0014]
优选的，所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度大于等于沟道材料的德拜长度的2倍。
[0015]
优选的，所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度大于等于0.1μm。
[0016]
优选的，所述鳍式场效应晶体管应用于图像传感器。
[0017]
优选的，所述鳍式场效应晶体管为具有n型多晶硅栅极的pmos晶体管。
[0018]
本发明的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，通过改变所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度，调节优化所述鳍式场效应晶体管的开启电压，实现了晶体管开启电压连续可调，解决了晶体管开启电压过低会带来源漏穿通问题，避免了过高的沟道掺杂浓度造成器件沟道迁移率的下降，因此可以保持更高的运行速度。本发明不需要修改制备工艺步骤，只需要在设计版图上根据需要改变对应晶体管的沟道宽度，简化了具有多种开启电压的晶体管阵列的工艺流程，提高了工艺兼容性，降低了制备成本。
附图说明
[0019]
通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
[0020]
图1为具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管的俯视图；图2为沿图1中y方向的侧视图；图3为沿图1中a-a线的剖视图；
图4为同样沟道宽度的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管的掺杂剂量与开启电压的关系示意图；图5为不同沟道宽度的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管在栅氧钉扎下的能带弯曲情况示意图；图6为同样掺杂剂量的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管的沟道宽度与开启电压的关系示意图。
[0021]
在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置（模块）或步骤。
具体实施方式
[0022]
本发明提供一种具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，通过改变所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度，调节优化所述鳍式场效应晶体管的开启电压，实现了晶体管开启电压连续可调，解决了晶体管开启电压过低会带来源漏穿通问题，避免了过高的沟道掺杂浓度造成器件沟道迁移率的下降，因此可以保持更高的运行速度，不需要修改制备工艺步骤，只需要在设计版图上根据需要改变对应晶体管的沟道宽度，简化了具有多种开启电压的晶体管阵列的工艺流程，提高了工艺兼容性，降低了制备成本。
[0023]
在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。
[0024]
下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
[0025]
本技术的发明人研究发现，在已有的先进工艺节点，特别是28 nm节点以下，常规使用的finfet沟道宽度w一般在40 nm或以下。若使用改变沟道掺杂浓度的方法来进行晶体管开启电压的调节，会发现开启电压比较低，沟道的强掺杂没有反映到器件的参数上。而如果大幅增加沟道的掺杂浓度，强掺杂会在沟道中形成大量载流子散射中心，显著影响沟道迁移率。图4展示了仿真中同样沟道宽度w为40 nm的finfet在不同的沟道掺杂剂量情况下所得到的晶体管开启电压以及对应器件沟道最大电子迁移率。在沟道掺杂浓度提升到2.5倍的程度，沟道掺杂剂量接近1e14 cm-2
的前提下，器件开启电压仍未达到常用的参数0.3 v。然而由于强掺杂，沟道迁移率开始加速下降到原来的70%，意味着器件开关速度减慢43%。因此仅凭提高沟道掺杂浓度来提升finfet开启电压并不可取。
[0026]
进一步对器件的能带结构进行仿真可以发现，窄沟道的finfet沟道能带并非平直，而是从沟道中央向介质层3界面方向有一个明显的弯曲。弯曲能带在介质层3界面上的位置固定，由多晶硅栅极1的功函数决定。因此增加finfet的鳍式沟道宽度w，可以让介质层3对沟道中部的能带影响程度降低，此时沟道掺杂效果能够更为明显的体现。从载流子自由扩散的最大距离，也就是德拜长度的观点来看，能带弯曲的最大距离与沟道的掺杂浓度成负相关。在常见的p型沟道掺杂浓度(1e18cm-3
)硅材料中，德拜长度约为50 nm，因此当沟道宽度达到德拜长度的2倍以上，也就是0.1 μm以上，介质层3对沟道中央的势垒影响就可以
基本忽略。从图5示例可以看出，当沟道宽度w小于0.1 μm时，由于钉扎产生的能带弯曲，沟道中央的能带位置会随着沟道宽度w的降低而逐渐下降。
[0027]
在给定栅极材料功函数的情况下，介质层3界面钉扎的沟道材料能带位置固定。因此只需要确定沟道的掺杂浓度，就可以利用改变鳍式沟道宽度w在一定范围内连续调节晶体管的开启电压。如图6展示的是同一沟道宽度l为0.5μm的finfet，使用相同的掺杂工艺（即同样的掺杂剂量下），改变沟道宽度w可以使开启电压连续线性变化。此时沟道原有的掺杂能够形成充分的沟道势垒，器件可以轻松的达到某个特定开启电压参数。因此采用增加所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度的方式，可以解决所述鳍式场效应晶体管的源极、漏极穿通问题。并且使用该方法调节开启电压并不需要修改制备工艺步骤，只需要在设计版图上根据需要改变对应晶体管的沟道宽度，有效的降低了制备具有不同开启电压的晶体管阵列的工艺成本。同时由于沟道掺杂浓度并没有发生变化，开启电压的提升不会造成器件沟道迁移率的下降，因此可以保持更高的运行速度。
[0028]
此外，由于不需要通过改变掺杂浓度调节开启电压，所述鳍式场效应晶体管可实现功能管、逻辑管的工艺兼容性、简化工艺步骤。
[0029]
在本发明的一个优选实施例中，所述鳍式场效应晶体管的源极5、漏极6可预先进行掺杂，实现埋沟沟道功能。
[0030]
在本发明的又一优选实施例中，所述鳍式场效应晶体管为具有n型多晶硅栅极的pmos晶体管。
[0031]
本发明的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，尤其适用于图像传感器领域，因为在cmos图像传感器中，由于像素单元的面积占比相对较大，晶体管的面积占比相对较小，因此改变鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度对于整体芯片面积的影响不大，却能实现灵活调节优化开启电压的有益效果。
[0032]
综上所示，本发明的具有多晶硅栅极的鳍式场效应晶体管开启电压的调整方法，通过改变所述鳍式场效应晶体管的半导体鳍结构的沟道宽度，调节优化所述鳍式场效应晶体管的开启电压，实现了晶体管开启电压连续可调，解决了晶体管开启电压过低所带来源漏穿通问题，避免了过高的沟道掺杂浓度造成器件沟道迁移率的下降，因此可以保持更高的运行速度。本发明不需要修改制备工艺步骤，只需要在设计版图上根据需要改变对应晶体管的沟道宽度，简化了具有多种开启电压的晶体管阵列的工艺流程，提高了工艺兼容性，降低了制备成本。
[0033]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。