JP2004119980A - Mosトランジスタ製造のためのアルキルシラン前駆物質を使用した側壁法 - Google Patents
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Abstract
【課題】MOSトランジスタの拡張領域中の活性ドーパント濃度を大きくすると共に、その領域の接合深さを小さくしたMOSトランジスタの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基体10を与え、前記半導体基体上にゲート積層体20,30を形成し、前記半導体基体に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域100を形成し、前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆う炭素含有酸化珪素層110を形成し、前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側面上に側壁構造体を形成し、前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域140を形成し、そして前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする。
【選択図】図2d
【解決手段】半導体基体10を与え、前記半導体基体上にゲート積層体20,30を形成し、前記半導体基体に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域100を形成し、前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆う炭素含有酸化珪素層110を形成し、前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側面上に側壁構造体を形成し、前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域140を形成し、そして前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする。
【選択図】図2d
Description
本発明は、一般にMOSFETトランジスタの分野に関し、詳しくは、大きな活性ドーピング濃度を達成し、ソース及びドレインの拡張領域(extension region)の接合深さを減少する新規な方法に関する。
図1に、典型的な金属酸化物半導体(MOS)トランジスタ5の断面図を示す。MOSトランジスタ5は、半導体基体10の中に製造されている。MOSトランジスタは、基体10の表面上に形成されたゲート誘電体層20を有する。このゲート誘電体層は、酸化珪素又は窒化酸化珪素を用いて形成されるのが典型的であるが、珪酸塩のような多くの他の材料も用いられてきた。MOSトランジスタゲート構造体30は、ゲート誘電体層20の上に形成し、典型的には多結晶質珪素を用いて形成する。多結晶質珪素の外に、金属のような他の材料もトランジスタゲートを形成するのに用いられてきた。誘電体層/ゲート構造体を組合せたものは、屡々ゲート積層体と呼ばれている。トランジスタゲート積層体を形成した後、ソース・ドレイン拡張領域40を、イオン・インプランテーションを用いて形成する。これらの拡張領域40を形成する時、ゲート積層体をマスクとして用いて基体中にドーパントをインブラントする。従って、拡張領域40はゲート積層体と並んでおり、それは自己整列法(self-aligned process)として知られているものである。拡張領域40の形成に続き、ゲート積層体に隣接して側壁構造体50を形成する。これらの側壁構造体50は、基体の表面上に一つ以上の等角(conformal)フイルムを堆積し、次に異方性エッチング法により形成するのが典型的である。この異方性エッチングは、表面の全ての領域から、ゲート積層構造体に隣接した部分を除き、その等角フイルム(単数又は複数)を除去する。これにより図1に示した側壁構造体50を与える結果になる。側壁構造体の形成に続き、イオン・インプランテーションを用いてソース及びドレイン領域60を形成する。次にその構造体を高温でアニールして、拡張領域40及びソース・ドレイン領域60の両方の中のインプラントしたドーパント物質を活性化する。この高温アニール中、ドーパントは半導体基体中へ拡散する。このドーパント拡散は、拡張領域40の最終的接合深さxjを与える結果になる。
MOSトランジスタの大きさが小さくなるに従って、拡張領域40中に大きなドーパント活性化を達成すると同時に、その領域の接合深さxjを減少させる必要がある。これは、インプランテーション注入量及び拡張領域40を形成するのに用いられるドーパント物質のエネルギーを最適にすることにより達成されるのが典型的である。xjの減少は、屡々MOSトランジスタのドレイン及びソース抵抗の増大をもたらし、MOSトランジスタ性能の劣化を起こす結果になる。従って、活性ドーパント濃度を犠牲にすることなく、拡張領域の深さxjを減少させる必要がある。
本発明は、側壁形成工程中にアルキルシラン前駆物質を用いてMOSトランジスタを形成する方法を与える。特に、ゲート積層体を半導体上に形成する。或る態様では、前記ゲート積層体に隣接してオフセット・スペーサー構造体を形成し、然る後、前記ゲート積層体に隣接して前記半導体基体中に拡張領域を形成する。次に炭素含有酸化珪素層を、ゲート積層体及び拡張領域の上に、アルキルシラン前駆物質を用いて形成する。次に前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側に側壁構造体を形成する。次に前記半導体基体中に、前記側壁構造体に隣接してソース及びドレイン領域を形成し、次に全構造体を加熱アニール(thermal anneal)する。
本発明の技術的利点には、一時的に起きる拡散の増大を少なくすること、ドーパントの活性化を増大すること、及びゲート端部のドーパント枯渇を減少することが含まれる。他の技術的利点は、次の図面、記述、及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかになるであろう。
図面を通して、同じ又は同様な特徴を表すのに共通の参照番号が用いられている。図は実物大には描かれておらず、単に説明の目的で与えられている。
本発明の次の説明は、図2(a)〜2(d)及び図3を参照して行われているが、本発明は、どのような半導体装置構造でも用いることができる。例えば、本発明は、ソース及びドレイン拡張領域を形成する前のソース・ドレイン領域を形成するのに用いることができる。この工程は、屡々使い捨て側壁法と呼ばれている。本発明の方法は、CMOSトランジスタ性能を改良するために、増大した活性ドーパント濃度を有する極薄型拡張領域を得るための解決法を与える。
図2(a)に示したように、本発明のMOSトランジスタを、半導体基体10の上に作る。本発明の一つの態様として、基体10は、エピタキシャル層を持つ又は持たない珪素基体である。本発明のMOSトランジスタは、埋め込まれた絶縁層を有する絶縁体上珪素基体(silicon-on-insulator substrate)上に形成することもできる。MOSトランジスタは、基体10中に形成されたn型又はp型ウエル(well)領域中に作られている。これらのn型又はp型ウエル領域は、簡明にするため図から除かれている。
本発明のMOSトランジスタを形成する時、基体10上にゲート誘電体領域20を形成する。ゲート誘電体領域20は、酸化珪素、オキシ窒化珪素、酸化珪素と窒化珪素を交互にした層、又は適当な誘電体材料用いて形成することができる。ゲート誘電体層20を形成した後、多結晶質珪素、金属、又は適当な材料のブランケット層をゲート誘電体層20の上に形成する。次にホトリトグラフ及び乾式エッチング法を用いてブランケット層をパターン化し、エッチングし、トランジスタゲート30を形成する。誘電体層20及びゲート30は、ゲート積層体として言及する。多結晶質珪素を用いてトランジスタゲート30を形成した場合、ゲート積層体の形成に続き、酸化法又は化学蒸着(CVD)法を行なって図2(a)に示した酸化珪素の層70を成長又は堆積する。本発明の一つの態様として、酸化珪素層70は、10Å〜70Åの厚さを有する。
酸化珪素層70を形成した後、場合により、図2(b)に示したように、オフセット・スペーサー構造体80を形成する。本発明の一つの態様として、オフセット・スペーサー構造体80は、次のようにして形成する。先ず、酸化珪素層70の上に窒化珪素の等角層を堆積する。次に異方性乾式エッチング法を用いて、窒化珪素層の或る領域を除去し、その結果、側壁スペーサー構造体80を与える。次に種々のドーパント物質90のイオン・インプランテーションにより、基体10中にソース・ドレイン拡張領域100を形成する。インプラントしたままの拡張領域100(即ち、高温加熱アニーリングする前の領域)は、側壁スペーサー構造体80の縁に並んでいる。拡張領域100を形成した後、場合により加熱アニールを行うことができる。PMOSトランジスタの場合、インプランテーション過程は、硼素及びBF2のようなp型ドーパントを用いた1回又は複数回のインプランテーション工程からなる。更に、ポケット領域を形成するのに用いられているのと同様な他のインプラントをこの時点で行うこともできる。NMOSトランジスタの場合、インプランテーション過程は、砒素及び燐のようなn型ドーパントを用いた1回又は複数回のインプランテーション工程からなる。ポケット領域を形成するのに用いられているのと同様な他のインプラントを、この時点で行うこともできる。拡張領域100中に、大きなドーパント活性レベルと薄い接合深さxjを同時に達成することが極めて重要である。大きな活性ドーパント濃度を有すると共に、達成されるこれらの接合深さを浅くするため、後の高温高速加熱アニーリング中にドーパントの拡散が起きることを見込んで、大きな導入量でインプラントされたドーパントが基体10の表面に近接して存在するようにすべきである。本発明の方法を用いて、活性ドーパントの濃度を増大しながら、インプラントされた状態のままの拡張領域深さが高温アニーリング中に増大するのを少なくする。
拡張領域100を形成した後、図2(b)の構造体の上に数多くの連続層を形成する。これは、三つの連続層110、120、及び130の形成が示されている図2(c)に例示されている。本発明の一つの態様として、第一層110は、炭素含有酸化珪素層(C−SiO2)である。C−SiO2層110は、シラン(SiH4)、又はジシラン(Si2H6)、アルキルシラン(CnH(2n+1)−SiH3)、及び亜酸化窒素(N2O)を用いた化学蒸着(CVD)法を用いて形成する。アルキルシランには、メチルシラン(CH3−SiH3)、エチルシラン(C2H5−SiH3)、又はプロピルシラン(C3H7−SiH3)が含まれる。特定のCVD法では、20〜50sccmのアルキルシランガスを、約1000sccmの窒素又は水素に入れて希釈する。この希釈されたアルキルシラン〔希釈アルキルシラン(dil-alkylsilane)〕ガスを、次に処理室内でシラン及び亜酸化窒素と、希釈アルキルシラン5〜40sccm、シラン2〜20sccm、亜酸化窒素1000〜5000sccmの比率で550℃〜800℃の温度で一緒にする。C−SiO2層は、単一ウエーハ高速熱処理室又は慣用的バッチ式炉を用いて蒸着することができるが、単一ウエーハ法が、熱経費が低いため好ましい。単一ウエーハ法は、ヒーターに基づく、即ち高速熱処理(RTP)室で行うことができる。アルキルシラン対シラン及び亜酸化窒素の流量比を変えることにより、第一層110中の炭素濃度を変化することができる。本発明の更に別の態様として、第一層110は、酸化珪素層からなる。
本発明の一つの態様として、第二層120は、炭素含有窒化珪素(C−SiN)からなる。C−SiN層120は、シラン(SiH4)、又はジシラン(Si2H6)、アルキルシラン(CnH(2n+1)−SiH3)、及びアンモニア(NH3)を用いた化学蒸着(CVD)法を用いて形成する。シラン及びジシランの外に、ジクロロシラン(SiH2Cl2)又はヘキサクロロシラン(Si2Cl6)のような他の珪素含有ガスを、珪素源ガスとして用いることができる。アルキルシランには、メチルシラン(CH3−SiH3)、エチルシラン(C2H5−SiH3)、又はプロピルシラン(C3H7−SiH3)が含まれる。特定のCVD法では、20〜50sccmのアルキルシランガスを、約1000sccmの窒素又は水素に入れて希釈する。この希釈されたアルキルシラン(希釈アルキルシラン)ガスを、次に処理室内でシラン及びアンモニアと、希釈アルキルシラン5〜20sccm、シラン5〜40sccm、及びアンモニア1000〜5000sccmの比率で500℃〜800℃の温度で一緒にする。C−SiN層は、単一ウエーハ高速熱処理室又は慣用的バッチ式炉を用いて蒸着することができるが、単一ウエーハ法が、熱経費が低いため好ましい。アルキルシランガス及びアンモニアの流量を変えることにより、第二層120中の炭素及び窒素濃度を変えることができる。本発明の更に別の態様として、第二層120は、ビスt−ブチルアミノシラン(BTBAS)CVD法を用いて形成された窒化珪素からなる。この方法では、NH3及び窒素のような他のガスと共にBTBAS〔SiH2(t−BuNH)2〕を用いて、475℃〜650℃の温度で窒化珪素層120を蒸着する。第二層120を形成した後、酸化珪素層130を形成する。本発明の一つの態様として、酸化珪素層130は、550℃〜750℃の温度で単一ウエーハ化学蒸着法を用いて形成する。
図2(d)に示したように、層120及び130の領域を除去し、側壁構造体を形成する。本発明の一つの態様として、異方性酸化珪素及び窒化珪素エッチング法を用いて、層120及び130の不必要な領域を除去する。側壁形成工程が終わった時、拡張領域100は依然としてC−SiO2層110により覆われているが、この層の幾らかは異方性窒化珪素エッチング工程中失われているかも知れない。
側壁形成工程後、場合により加熱アニールを行なってもよい。次に基体中へドーパント物質150をインプラントすることにより、ソース及びドレイン領域140を形成する。PMOSトランジスタの場合、インプランテーション過程は、硼素及び/又はBF2のようなp型ドーパントを用いた1回又は複数回のインプランテーション工程からなる。NMOSトランジスタの場合、インプランテーション過程は、砒素及び/又は燐のようなn型ドーパントを用いた1回又は複数回のインプランテーション工程からなる。ソース及びドレイン領域140のインプランテーションが終わった後、高温アニールを行なってインプラントされたドーパントを活性化する。特別な態様として、高温アニールは、1000℃〜1100℃の高速加熱アニールからなる。その高速加熱アニール中、拡張領域100中の硼素拡散は減少し、拡張領域100中の基体表面の活性化ドーパント濃度が増大する。高速加熱アニール中、炭素がポリシリコン珪素ゲート30及び拡張領域100中へ拡散する。この炭素混入は、一時的に増大する拡散(TED)を少なくし、ドーパントの活性化を向上し、ゲート端部のドーパント枯渇を減少する。
図3には、本発明の更に別の態様が示されている。この態様では、上に記述したように、SiH4、N2O、及びアルキルシランを用いたCVD法によりC−SiO2層110を形成する。C−SiO2層110を形成した後、一つの窒化珪素層を形成する。この層は、上に記述したアルキルシラン又はBTBAS法、又は他の適当な方法を用いて形成することができる。次にその窒化珪素層をエッチングして、図4に示した窒化珪素側壁構造体180を形成する。次にソース及びドレイン領域140を、上に記載したように形成する。ソース及びドレイン領域140を形成した後、インプラントした領域を、上に記載したようにアニールする。
本発明を、説明のための態様に関連して記述してきたが、この記述は限定的意味で解釈されるべきではない。説明のための態様の種々の修正及び組合せのみならず、本発明の他の態様が、上記記述を参照することにより当業者には明らかになるであろう。従って、特許請求の範囲はそのような修正又は態様を全て包含するものである。
以上の説明に関して以下の項を開示する。
(1) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記半導体基体に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆う炭素含有酸化珪素層を形成し、
前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側面上に側壁構造体を形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行うMOSトランジスタ製造方法。
(2) 炭素含有酸化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第1項記載の方法。
(3) 炭素含有酸化珪素層を、ジシラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第1項記載の方法。
(4) 更に、ゲート積層体に隣接してオフセット・スペーサー構造体を形成することを行う、第1項記載の方法。
(5) 側壁構造体が、窒化珪素と酸化珪素が交互になった層からなる、第2項記載の方法。
(6) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記ゲート積層体上に第一酸化珪素層を形成し、
前記半導体基体中に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域の上に炭素含有酸化珪素層を形成し、
前記炭素含有酸化珪素層の上に炭素含有窒化珪素層を形成し、
前記炭素含有窒化珪素層の上に酸化珪素層を形成し、
前記酸化珪素層及び前記炭素含有窒化珪素層をエッチングして、前記炭素含有酸化珪素層に隣接した側壁構造体を前記ゲート積層体の両方の側面上に形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及び前記ソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行う集積回路トランジスタ製造方法。
(7) 炭素含有酸化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第6項記載の方法。
(8) 炭素含有窒化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及びアンモニアを用いた化学蒸着工程により形成する、第7項記載の方法。
(9) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記ゲート積層体に隣接して前記半導体基体中に拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆って酸化珪素層を形成し、
前記酸化珪素層を覆って炭素含有窒化珪素層を形成し、
前記窒化珪素層をエッチングして側壁構造体を形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行う、MOSトランジスタ製造方法。
(10) 炭素含有窒化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及びアンモニアを用いた化学蒸着工程により形成する、第9項記載の方法。
(11) MOSトランジスタ製造法で、側壁形成工程中にアルキルシラン前駆物質を用いる方法。アルキルシラン前駆物質を用いて、炭素含有酸化珪素層(110)及び炭素含有窒化珪素層(120)を、側壁形成工程中に形成する。炭素含有層(110)(120)は、加熱アニール中、拡張領域(100)及びゲート領域(30)中に炭素を導入する。
(1) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記半導体基体に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆う炭素含有酸化珪素層を形成し、
前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側面上に側壁構造体を形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行うMOSトランジスタ製造方法。
(2) 炭素含有酸化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第1項記載の方法。
(3) 炭素含有酸化珪素層を、ジシラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第1項記載の方法。
(4) 更に、ゲート積層体に隣接してオフセット・スペーサー構造体を形成することを行う、第1項記載の方法。
(5) 側壁構造体が、窒化珪素と酸化珪素が交互になった層からなる、第2項記載の方法。
(6) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記ゲート積層体上に第一酸化珪素層を形成し、
前記半導体基体中に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域の上に炭素含有酸化珪素層を形成し、
前記炭素含有酸化珪素層の上に炭素含有窒化珪素層を形成し、
前記炭素含有窒化珪素層の上に酸化珪素層を形成し、
前記酸化珪素層及び前記炭素含有窒化珪素層をエッチングして、前記炭素含有酸化珪素層に隣接した側壁構造体を前記ゲート積層体の両方の側面上に形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及び前記ソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行う集積回路トランジスタ製造方法。
(7) 炭素含有酸化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及び亜酸化窒素を用いた化学蒸着工程により形成する、第6項記載の方法。
(8) 炭素含有窒化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及びアンモニアを用いた化学蒸着工程により形成する、第7項記載の方法。
(9) 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記ゲート積層体に隣接して前記半導体基体中に拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆って酸化珪素層を形成し、
前記酸化珪素層を覆って炭素含有窒化珪素層を形成し、
前記窒化珪素層をエッチングして側壁構造体を形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行う、MOSトランジスタ製造方法。
(10) 炭素含有窒化珪素層を、シラン、アルキルシラン、及びアンモニアを用いた化学蒸着工程により形成する、第9項記載の方法。
(11) MOSトランジスタ製造法で、側壁形成工程中にアルキルシラン前駆物質を用いる方法。アルキルシラン前駆物質を用いて、炭素含有酸化珪素層(110)及び炭素含有窒化珪素層(120)を、側壁形成工程中に形成する。炭素含有層(110)(120)は、加熱アニール中、拡張領域(100)及びゲート領域(30)中に炭素を導入する。
10 半導体基体
20 ゲート誘電体
30 MOSトランジスタゲート構造体
40 ソース・ドレイン拡張領域
50 側壁構造体
60 ソース・ドレイン領域
70 酸化珪素層
80 オフセット・スペーサー構造体
90 種々のドーパント物質
100 ソース・ドレイン拡張領域
110 第一層、炭素含有酸化珪素層
120 炭素含有窒化珪素層
130 酸化珪素層
140 ソース・ドーパント領域
180 窒化珪素側壁構造体
20 ゲート誘電体
30 MOSトランジスタゲート構造体
40 ソース・ドレイン拡張領域
50 側壁構造体
60 ソース・ドレイン領域
70 酸化珪素層
80 オフセット・スペーサー構造体
90 種々のドーパント物質
100 ソース・ドレイン拡張領域
110 第一層、炭素含有酸化珪素層
120 炭素含有窒化珪素層
130 酸化珪素層
140 ソース・ドーパント領域
180 窒化珪素側壁構造体
Claims (1)
- 半導体基体を与え、
前記半導体基体上にゲート積層体を形成し、
前記半導体基体に前記ゲート積層体に隣接して拡張領域を形成し、
前記ゲート積層体及び前記拡張領域を覆う炭素含有酸化珪素層を形成し、
前記炭素含有酸化珪素層に隣接して、前記ゲート積層体の両方の側面上に側壁構造体を形成し、
前記側壁構造体に隣接して、前記半導体基体中にソース及びドレイン領域を形成し、そして
前記拡張領域及びソース及びドレイン領域をアニールする、
ことを行うMOSトランジスタ製造方法。
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