[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。