[发明专利]阈值电压稳定的场效应晶体管及其制造方法

说明书

本发明涉及到场效应晶体管，具体涉及低阈值电压和提高穿通电阻的短沟道长度场效应晶体管。

在包括个人通信(例如寻呼机、蜂窝电话等)和便携式计算机的低电压功率应用中，场效应晶体管(FET)器件已越来越重要。由于低功耗是这些应用的主要要求，及FET器件都是设计成在小于3.5V的电源电压下工作。但诸如阈值电压、亚阈值漏电流、源漏寄生电容和源漏穿通之类的半导体器件参数通常限制了低功率半导体器件的性能。

当源和漏的耗尽区汇合时，通常发生源到漏的穿通。当这种情况出现时，栅区就不能控制沟道区中的载流子。器件基本上就成为一个短路电路并被认为是无法控制的。克服这一问题的一个先前已知的方法是用沟道注入剂来增加均匀沟道掺杂以防止穿通。但因这种方法会损失器件性能，故这种方法对于低电压和低功率应用来说是不可取的。为了得到有效的低功率应用，器件的阈值电压应低于0.6V。

一个可替代的方法是保持较低的沟道掺杂浓度并在源和漏二侧上以双向方式设置高掺杂区。这些区域常称为晕圈或穿通阻挡。该方法防止了穿通同时又保持了较低的阈值电压(例如约0.3V)。但该方法具有电容较高且驱动能力降低(即跨导降低了)的缺点，这反过来又导致较低的开关速度。

当每个器件参数对低功率应用进行优化时，在评估低功率器件结构时有二个方面必须加以考虑。第一方面涉及到决定器件性能并评估全部器件参数之间相互作用的器件物理学。例如，现有技术中提供了几种可用来设定半导体器件阈值电压的方法。在用来设定阈值电压时，每种方法都有其优点，但还应基于对亚阈值漏电流、穿通电压之类的所有器件参数的影响来评定该种方法。

在评估低功率器件结构时必须考虑第二个方面，它决定所提出器件的制造可行性。再者，先前已知的设定阈值电压的任何一种方法足以在研究环境下制造一定数量的器件。在大批量需要仔细考虑成本的生产设施中制造千百万只器件时，这些已知的方法就可能是没有效益的。用来制造低功率/低电压器件的方法必须能容许诸如沟道长度、沟道深度或栅氧化物厚度之类的器件参数的正常工艺变更。所提出的方法应足以承受这些参数的正常变更并生产出在所需性能条件下工作的器件。

据此，具有一种具有低的可控制的阈值电压的、抗穿通并且表现良好开关特性的FET器件，是有益的。用常规技术来提供这种FET器件，使其在现有结构中的集成得以简化，这是更为有利的。

图1示出设定阈值电压的已知方法的掺杂分布轮廓；

图2示出采用本发明一个实施例的器件的掺杂分布轮廓；

图3-8是根据本发明的FET结构在各个制造阶段中的放大剖面图；

图9是根据本发明的FET结构第二实施例的放大剖面图；以及

图10是根据本发明的FET结构第三实施例的放大剖面图。

在设计低功率应用的器件结构和相应的制造工艺时，有几个问题必须加以考虑。首先，考虑与器件性能和各个器件参数相互作用有关的问题。对于低功率应用，有几个参数是关键的，例如阈值电压、亚阈值漏电流、源漏寄生电容和源到漏穿通电压。为了低电压工件，这些参数的每一个都应优化。

在设计低功率晶体管时，一个更为重要的问题是其制造可行性。例如，现有许多设定FET阈值电压的已知的方法。它们中的每一个对设定少量样品器件的阈值电压来说可能都是有效的，但在大批量生产中就可能无效。要做到可以制造，此技术就必须足以容许所出现的正常工艺变化。在低功率晶体管中，更敏感的工艺参数是栅氧化物厚度、注入区的横向和纵向扩散、栅多晶厚度和掺杂以及沟道长度。

本发明提供了半导体器件的实施例，这种器件不仅对低功率/低电压应用进行了优化，而且还对大批量生产进行了优化。对于低功率应用，一个更关键的器件参数是阈值电压。随着器件尺寸的进一步减小，阈值电压变得依赖于晶体管源/漏和沟道区周围的掺杂分布轮廓。沟道长度和注入区外扩散的稍许变化将极大地影响掺杂分布轮廓从而导致阈值电压的变化。本发明提供了不仅设定阈值电压，而且在正常工艺变化范围内能提供稳定的阈值电压的实施例。