專利名稱：減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，特別是涉及一種在晶體管元件的密集區(qū)，例如動態(tài)隨機存取存儲器的存儲單元元件區(qū)中，通過離子摻雜以減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法。
背景技術(shù)：
啟動電壓(threshold voltage；Vth)指施加于柵極并且正好使晶體管導(dǎo)通的電壓，為金氧半晶體管元件中一個非常重要的基本參數(shù)。而為使所有的晶體管元件都有相似的電流電壓特性，以便于一集成電路內(nèi)，經(jīng)相同的電壓源使各個晶體管在電性上相匹配，因而必需作啟動電壓的調(diào)整。
啟動電壓的大小除了與柵極介電層的性質(zhì)有關(guān)，更與柵極長度L的尺寸呈現(xiàn)正相關(guān)，如式(1)所示Vth＝m×L+n------(1)其中，m、n乃為常數(shù)，且m＞0。然而由于受到晶片表面平坦度、光掩模、薄膜沉積、光刻、以及蝕刻工藝等因素的影響，因而最后所形成的晶體管的柵極長度乃無法完美地呈現(xiàn)一致化的結(jié)果，然而經(jīng)由嚴格控制工藝參數(shù)條件下，可將柵極長度限制在一可接受的差異范圍內(nèi)。經(jīng)式(1)可知，當晶體管尺寸愈趨縮小時，則柵極長度相對縮小，而啟動電壓乃隨之亦然，然而當晶體管尺寸小至一定程度下時，則由于柵極長度變異所引起的啟動電壓的改變亦相對地變得無法接受。
由于柵極長度的縮小，為避免柵極對通道的控制能力因短通道效應(yīng)(short channel effect；SCE)而減小，因而普遍利用一種環(huán)型注入的方式，例如口袋摻雜(pocket implant)或暈摻雜(halo implant)，若以斜角度注入的形成方式則稱為tilt-angle punch-through stopper(TIPS)，其注入位置在源極/漏極靠近柵極的外緣，并可包圍源極/漏極，具有抑制接合面擊穿(punch through)、降低Ioff電流值、以及提高啟動電壓等作用。觀察利用不同環(huán)型注入的條件抑制短通道效應(yīng)的結(jié)果，具有環(huán)型注入的元件雖可改善短通道效應(yīng)，但因通道為高摻雜的緣故，因此有反向短通道效應(yīng)(Reverse Short Channel Effect，RSCE)發(fā)生。
離子注入在現(xiàn)今的集成電路制造上乃扮演著相當重要的角色，其主要的應(yīng)用包含形成井區(qū)(Well)與源/漏極、防止接合面擊穿、以及調(diào)整晶體管啟始臨界電壓等。然而單純的離子注入步驟乃無法用以改善上述在微小尺寸的晶體管中，因柵極長度的變異所造成的啟動電壓的改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法。
本發(fā)明提供一種自動回饋晶體管元件的啟動電壓的方法，其可用以補償晶體管元件因柵極長度的差異所造成其啟動電壓的變動，使上述晶體管元件的啟動電壓較為一致。
本發(fā)明亦提供一種在晶體管元件的密集區(qū)，例如動態(tài)隨機存取存儲器的存儲單元元件區(qū)中，通過離子摻雜以減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法。
本發(fā)明還可提供一種可降低元件的片電阻(Rs)，并且改善漏極飽和電流(Ids)的方法。
為達上述與其它優(yōu)點，本發(fā)明的方法主要利用角度摻雜以及鄰近晶體管元件的遮蔽(shadowing)效應(yīng)而自動補償晶體管元件因柵極長度的差異所造成其啟動電壓的變動，包括下列步驟提供一基底，其上有多個金氧半晶體管元件，且上述金氧半晶體管元件乃具有不同的柵極長度；以多個不同角度對上述金氧半晶體管元件進行口袋摻雜，并量測上述金氧半晶體管元件的啟動電壓，以建立啟動電壓與柵極長度在不同摻雜角度下的關(guān)聯(lián)性，并由上述關(guān)聯(lián)性推算一啟動電壓隨柵極長度變異最小的摻雜角度，以及利用上述所得的摻雜角度進行口袋摻雜。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，以下配合附圖以及優(yōu)選實施例，以更詳細地說明本發(fā)明。


圖1闡述本發(fā)明實施的方法。
圖2闡述當離子注入角度α不足，所進行離子摻雜的情形。
圖3乃根據(jù)本發(fā)明利用不同角度進行離子摻雜所得到在一動態(tài)隨機存取存儲器中，其存儲單元所包含的金氧半晶體管元件的柵極長度與啟動電壓的關(guān)系。
圖4乃根據(jù)本發(fā)明利用不同角度進行離子摻雜所得到在一動態(tài)隨機存取存儲器中，其存儲單元所包含的金氧半晶體管元件的啟動電壓與漏極飽和電流的關(guān)系。
簡單符號說明10～基底；12～晶體管元件；14～柵極；16～離子注入；18～離子摻雜重疊部分；20～口袋摻雜區(qū)；L～柵極長度；ΔL～柵極長度誤差范圍；α～離子注入摻雜方向與基底法線的角度；H～晶體管元件的高度；S～晶體管元件間相隔的距離。
具體實施例方式
圖1闡述本發(fā)明實施的方法，首先提供一半導(dǎo)體基底10，其優(yōu)選為硅基底。接著于半導(dǎo)體基底10上形成多個依矩陣排列的金氧半晶體管元件12，而上述金氧半晶體管元件12的高度為H，且具有柵極14的實際長度為L，在理想的情況下，柵極14的實際長度L等于其目標值L’。另，上述各金氧半晶體管元件12間乃相隔一距離S。
執(zhí)行一離子注入16步驟形成口袋摻雜區(qū)20以調(diào)整晶體管元件的啟動電壓Vth。離子注入16的摻雜方向與基底法線呈一角度α，并且利用上述金氧半晶體管元件12作為遮蔽。當金氧半晶體管元件12可有效限制離子注入?yún)^(qū)域于靠近金氧半晶體管元件12的柵極14外緣，則此時晶體管啟動電壓Vth經(jīng)離子注入如式(I)所示Vth＝a×L’+b×(S-H×tanα)+c-----(I)其中a、b、與c乃為常數(shù)，而a、b＞0。上述a×L’代表柵極長度對啟動電壓的影響，而b×(S-H×tanα)則代表離子摻雜對啟動電壓的影響。本發(fā)明經(jīng)此方式摻雜后，不僅元件的片電阻(Rs)減低，且漏極飽和電流(Ids)亦有顯著的改善。
然而如圖2所示，當其中離子注入的角度α不足，則鄰近金氧半晶體管元件12的柵極14的遮蔽效用不佳，而于兩相鄰的金氧半晶體管元件12間形成一片摻雜區(qū)域，此時金氧半晶體管元件12的啟動電壓則與柵極長度相關(guān)。兩相鄰的晶體管元件12間乃具有一離子摻雜的重疊部分18，因而將導(dǎo)致上述重疊部分18下方的基底表層有相當高的載子濃度，并且增加結(jié)漏電(junction leakage)，而漏電流增加則表示電容的電荷快速的減少，更而需要增加重新充電(refresh)的次數(shù)。
有鑒于此，離子注入的角度α可根據(jù)金氧半晶體管元件12的高度H以及金氧半晶體管元件12間的相隔距離S而推算適當?shù)慕嵌?，亦或更進一步利用數(shù)個不同離子注入角度對上述金氧半晶體管元件12進行摻雜，并且量測金氧半晶體管元件12的啟動電壓，以建立啟動電壓與柵極長度在不同角度注入下的關(guān)聯(lián)性，并且得到一啟動電壓隨柵極長度變異最小的注入角度。
當各晶體管元件12的柵極實際長度L為介于柵極長度目標值L’的+/-ΔL的誤差范圍，則隨之變動的啟動電壓Vth’如式(II)所示Vth’＝a×(L’+/-ΔL)+b×[S-(L’+/-ΔL)-H×tanα]+c---(II)ΔVth＝Vth’-Vth＝a×(+/-ΔL)+b×[-(L’+/-ΔL)]-----(III)由式(III)可知，當上述金氧半晶體管元件12的柵極14實際長度L間具有+/-ΔL的誤差范圍，由于a、b＞0，因此不管ΔL為正或負，b×[-(L’+/-ΔL)]乃將自動回饋至a×(+/-ΔL)，使上述隨著金氧半晶體管元件12的柵極長度差異所造成的啟動電壓的變動較為減小，亦即使得金氧半晶體管元件12的啟動電壓較為一致。
利用現(xiàn)有離子注入工藝針對不同柵極長度進行啟動電壓的調(diào)整乃通常通過改變摻雜離子的種類及劑量，然而本發(fā)明經(jīng)選定適當摻雜量的合適的摻雜離子后，則可藉本發(fā)明的技術(shù)特征，針對不同產(chǎn)品而預(yù)先得到一適當?shù)膿诫s角度，更進而如式(III)所示般獲得自動補償，使啟動電壓隨柵極長度變異而改變的程度減低，并使其在各具有不同柵極長度的金氧半晶體管元件下較為一致。
圖3及圖4乃根據(jù)本發(fā)明利用不同角度進行離子摻雜所分別得到在一動態(tài)隨機存取存儲器中，其存儲單元所包含的金氧半晶體管元件的柵極長度與啟動電壓、以及啟動電壓與漏極飽和電流的關(guān)系。上述金氧半晶體管元件的高度為270nm其柵極長度為130nm，而兩金氧半晶體管間所相隔的距離為130nm，并分別以摻雜角度為7°、15°、以及20°摻雜硼原子16×1012。由圖3以及圖4所得到的結(jié)果，可歸納出利用角度進行離子摻雜對于金氧半晶體管元件的柵極長度與啟動電壓、以及啟動電壓與漏極飽和電流的關(guān)系相較于原工藝(ref；在柵極未形成前進行摻雜)而言乃具有顯著的改善，并以利用20°摻雜角度進行離子注入所改善的程度最大，其可歸納于利用鄰近金氧半晶體管元件的遮蔽效應(yīng)而產(chǎn)生對柵極長度變異的自動補償所致。
依據(jù)上述方式建立啟動電壓與柵極長度在不同摻雜角度下的關(guān)聯(lián)性后，接著便可依據(jù)所得的最佳摻雜角度，對于已經(jīng)制作好柵極與源極/漏極的MOS晶體管進行口袋摻雜，得到啟動電壓較一致的晶體管元件。以0.13um工藝的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)為例，優(yōu)選的摻雜角度一般介于約10～22度，但此技藝人士應(yīng)可了解，最佳的摻雜角度會隨著不同線寬的工藝與各種工藝參數(shù)而改變，因此本發(fā)明并不以特定角度為限。
本發(fā)明可經(jīng)由角度摻雜以及元件的遮蔽效用，而自動補償晶體管元件的啟動電壓，使其隨著柵極長度變異而改變的程度減低，而使啟動電壓在受到柵極長度的變異下亦較為一致。隨著線寬持續(xù)縮小，起始電壓隨著柵極長度變異的情況將更為嚴重，因此，本發(fā)明對于0.15um以下的工藝，特別是晶體管間距不大于130nm的動態(tài)隨機存取存儲器陣列特別具有顯著的功效，雖然本發(fā)明并不以此為限。
雖然本發(fā)明以優(yōu)選實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以后附的權(quán)利要求所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，包括下列步驟提供一基底，其上有多個金氧半晶體管元件，該些金氧半晶體管元件具有不同的柵極長度；以多個不同角度對該些金氧半晶體管元件進行口袋摻雜；量測該些金氧半晶體管元件的啟動電壓，以建立啟動電壓與柵極長度在不同摻雜角度下的關(guān)聯(lián)性；由上述關(guān)聯(lián)性推算一啟動電壓隨柵極長度變異最小的摻雜角度；以及以所得的摻雜角度進行口袋摻雜。
2.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中還包括將上述每一金氧半晶體管元件與一電容構(gòu)成動態(tài)隨機存取存儲器的存儲單元。
3.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中上述口袋摻雜為摻雜硼原子。
4.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中上述摻雜角度約介于10～22度。
5.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中上述金氧半晶體管元件呈矩陣排列。
6.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中上述金氧半晶體管元件的柵極長度不大于150nm。
7.如權(quán)利要求1所述的減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其中上述金氧半晶體管元件的間距不大于130nm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種減低啟動電壓隨柵極長度變異而改變的方法，其主要利用角度摻雜以及鄰近晶體管元件的遮蔽效應(yīng)而自動補償晶體管元件因柵極長度的差異所造成其啟動電壓的變動，包括下列步驟提供一基底，其上有多個金氧半晶體管元件，且上述金氧半晶體管元件乃具有不同的柵極長度；以多個不同角度對上述金氧半晶體管元件進行口袋摻雜，并量測上述金氧半晶體管元件的啟動電壓，以建立啟動電壓與柵極長度在不同摻雜角度下的關(guān)聯(lián)性，并由上述關(guān)聯(lián)性推算一啟動電壓隨柵極長度變異最小的摻雜角度，以及利用上述所得的摻雜角度進行口袋摻雜。
文檔編號H01L21/22GK1917153SQ200510092060
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月16日
發(fā)明者紀儒興 申請人:力晶半導(dǎo)體股份有限公司