JP2004221580A - Mosトランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】 障壁層を用いないことでプロセスステップを減らすことにより、トランジスタ素子およびプロセスの集積化を大きく簡略化すること。
【解決手段】 本発明のMOSトランジスタは、基板と、前記基板内にあるアクティブ領域と、前記基板上にある界面酸化物薄膜と、前記界面酸化物薄膜上に形成されるWSiNyゲート誘電体薄膜と、前記WSiNyゲート誘電体薄膜によって前記アクティブ領域から分離されるゲートとを含む。
【選択図】図1
【解決手段】 本発明のMOSトランジスタは、基板と、前記基板内にあるアクティブ領域と、前記基板上にある界面酸化物薄膜と、前記界面酸化物薄膜上に形成されるWSiNyゲート誘電体薄膜と、前記WSiNyゲート誘電体薄膜によって前記アクティブ領域から分離されるゲートとを含む。
【選択図】図1
Description
本発明は半導体分野に属する。詳細には、本発明はMOSトランジスタに関する。
極めて小さなサイズ、たとえば〜0.1μmまで縮小されたMOSトランジスタを開発する際の工業上の障害の1つは、ゲート誘電体の性能である。シリコンMOSFET素子の従来のゲート誘電体はSiO2である。SiO2は、ゲート、通常はポリシリコンを形成することができる適当なゲート誘電体材料である。
しかしながら、SiO2ゲート誘電体を極めて薄く、すなわち〜20オングストロームの厚みまで縮小することは、素子がチャネルからゲートへの著しい漏れ電流、すなわち寄生電流を示し始めるために、有効でないことがわかっている。極めて薄いSiO2層は不安定であることが認められており、実用上の限界に達している。漏れ電流を避けるために厚い膜厚を保持することはできるが、これは、素子をサブミクロン範囲まで縮小するのを阻む。それゆえ、工業界は、SiO2のための基板として高い誘電率(k)の薄膜を研究している。
別のゲート誘電体の研究が続けられている。別のゲート誘電体を用いる場合に直面する1つの問題は、高誘電率の誘電体を含む金属と、通常はポリシリコンであるゲートとの間に個別の障壁層を用いる必要があることである。障壁の機能は、ポリシリコンを形成するために用いられる前駆物質と高誘電率誘電体材料との反応を防ぐことである。ポリシリコンのための前駆物質はシラン(SiH4)である。前駆物質を分解することにより、周りに水素が生成され、それが従来の金属酸化物誘電体内の露出された金属酸化物結合と反応するようになる。これらの金属酸化物誘電体、たとえばZrO2は、ポリシリコンの形成中に反応する、露出された酸化物結合を与える。これは誘電体層を劣化させ、その誘電率を減少させるようにすることができる。障壁層はこの問題に対処することができるが、1つの製造ステップが追加される。一般的に、製造ステップの数を減らすことが好ましい。
極めて薄い層、たとえば約〜10nm未満の層として成膜されることができる適当なゲート誘電体は、高い誘電率、低い界面状態密度および良好な熱安定性を示す。MOS素子内の高誘電率のゲート誘電体の物理的特性および電気的特性は、SiO2の特性ほどはよく知られていない。数多くの高誘電率物質、たとえばTa2O5、HFO2、TiO2、SrTiO3およびBaSrTiO3は、シリコンと直に接触するとき熱的に不安定であり、障壁層を必要とする。障壁層があることで、厚みを低減する上で限界がある。
本発明の好ましいMOSトランジスタは、基板内に画定される複数のアクティブ領域を含む。基板上には界面酸化物薄膜がある。WSiNyゲート誘電体薄膜が界面酸化物薄膜上に形成され、ゲートをアクティブ領域から分離する。
本発明の好ましいMOSトランジスタは、WSiNyの極めて薄い誘電体薄膜を含む。誘電体薄膜の特性は形成中に制御され、高い誘電率kが達成される。好ましい実施形態によるトランジスタでは、WSiNy誘電体薄膜は障壁層を用いることなく形成され、ゲートが誘電体薄膜上に直に形成される。本発明のプロセスは、誘電体薄膜の誘電特性を制御するように成膜条件を設定する成膜プロセスを含む。本発明の特に好ましいプロセスは、N2流、プラズマ電力および成膜温度を含む成膜パラメータを制御して、トランジスタ形成中にWSiNy誘電体薄膜を形成することを含む。WSiNy薄膜は標準的には、誘電体としてではなく、障壁層あるいは導電層に適した薄膜として形成される。本発明は、N2流を制御することにより誘電体WSiNy薄膜を予測可能に形成し、成膜中にプラズマ電力をモニタするための方法を提供する。
ここで本発明を、好ましい実施形態によるMOS素子に関して説明する。本発明を記載する際に、例示のために、特に例示的な素子、形成プロセスおよび素子応用形態が用いられるであろう。寸法および図示される素子は、本発明を例示し、本発明の理解を助けるために誇張される場合もある。図面の構成要素は互いに対して必ずしも縮尺どおりではない。むしろ、縮尺どおりに描く代わりに、本発明を明瞭に図示するために強調されている。2次元の概略的な層構造によって従来どおりに図示される単一のMOS素子は、3次元の素子構造および集積の教示を提供することは熟練者には理解されよう。従来の集積回路製造装置を用いて本発明の素子を形成し、本発明のプロセスを実行できることも、熟練者には理解されよう。
ここで図1を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるMOSトランジスタ8が示される。そのトランジスタは、基板12内に画定されるソースおよびドレイン領域10を有する。これらの領域は、たとえば適当な半導体基板のドーピングによって従来どおりに形成される。例示的な基板は単結晶シリコンウェーハである。本明細書において用いられるような基板は、アクティブ領域、たとえばソース、ドレイン領域およびチャネル領域を有する半導体層を含む。一般的に基板と呼ばれる場合もあるバルク層のような、別の層上に基板12が形成される可能性も除外しない。基板12内に画定されるソースおよびドレイン領域10は、従来どおりに互いから離隔して配置され、ゲートスタック13が形成されることになる基板のエリアを画定する。チャネル領域14は、ソースおよびドレイン領域10間にある。基板12上にある界面酸化物薄膜16、たとえば自然酸化物あるいはSiO2により、薄い誘電体薄膜18の結合が容易になる。薄い界面酸化物16の層は、〜1nm未満の厚みを有することが好ましい。本発明によれば、ゲート誘電体薄膜18は誘電体WSiNyで形成される。薄膜18は、〜10−〜35の範囲内の高い誘電率kを有する。ゲート誘電体薄膜18は〜10nm未満の厚みを有し、〜2−〜5nmの範囲内の厚みを有することが好ましい。
図1の好ましい実施形態によれば、ゲート20、たとえばポリシリコンが、障壁層を用いることなく、ゲート誘電体薄膜18上に直に形成される。ゲート誘電体WSiNy薄膜18上に直にゲート20を形成することにより、1つの形成プロセスステップがなくなり、MOSトランジスタを形成するための製造工程が簡単に、かつ低コストになる。障壁層をなくすことは、トランジスタ素子およびプロセスの集積化を著しく簡略化する。WSiNy薄膜18の特性は、ポリシリコンゲート20の成膜中に安定しており、それはゲートを成膜するための前駆物質と反応する場合でも、ゲート誘電体薄膜18への影響が最小限に抑えられるか、あるいは全くないことを意味する。
ソースおよびドレイン領域10上に配置されるゲート20についての酸化物スペーサ22は、ホットキャリア効果を低減する。ゲート20、ならびにソースおよびドレイン領域10へのコンタクト26が形成される。通常は、コンタクトは層間誘電体27を貫通して形成されるであろう。本発明の好ましい応用形態におけるコンタクト26は、MOSトランジスタ8をさらに別の素子に接続する、集積回路に含まれる回路配線パターンの一部を形成する。トランジスタ8は従来どおりに動作し、ソースおよびドレイン電圧がチャネル領域14内のキャリア流を制御し、ゲート電圧がチャネルを制御する。
ここで、MOSトランジスタのアクティブ領域上にゲートスタックを形成するための好ましい方法を図2に関連して説明する。最初のステップ30は、成膜のためのアクティブ領域の界面を準備する。これは、たとえば界面層を形成することを含むことができる。これは、たとえば、Arでソフトスパッタエッチングすることにより、界面から余分な自然酸化物を除去することを含む場合もある。実施形態によっては、自然酸化物の薄い〜1nm以下の層が界面層として残されるものもある。本発明の実施形態は、準備するステップ30の前にトランジスタのドレイン、ソース領域およびチャネル領域を形成するための従来のステップを含むこともできる。また、ドレインおよびソース領域は後に、たとえばゲートスタックの後に、注入によって形成される場合もある。アクティブ領域界面を準備した後に、誘電体WSiNyの薄膜を成膜するための環境条件が設定される(ステップ32)。WSiNy成膜のためにAr+N2の環境を用いることができる。N2流が存在する環境の中でWSi3N4ターゲットがスパッタリングされることができ、これにより誘電体WSiNyの成膜を開始する(ステップ34)。
誘電体WSiNyを確実に生成するかどうかは、成膜チャンバ内で成膜中にプラズマ電力条件をモニタする(ステップ36)ことに左右される。ここで図3を参照して、プラズマ電圧および電力により、成膜されることになるWSiNyのタイプについてのリアルタイム情報を提供する。一例のグラフは、成膜中の窒素流に対するプラズマ電圧(菱形の点で描かれており、左側縦軸の目盛り)および電流(四角形の点で描かれており、右側縦軸の目盛り)を示す。約20sccmよりわずかに小さいところでは、プラズマ電流が急激に減少するとともに、プラズマ電圧は急激に増加する。この場所は、他の成膜条件に大きく依存して変化する。成膜条件には、反応物の圧力、全電力、相対的なガス流、成膜温度およびターゲットのタイプがある。いずれの場合でも、プラズマ電圧が急激に増加し始め、プラズマ電流が急激に減少し始める窒素流の量は、誘電体WSiNy薄膜がその窒素流以上で成膜することになることを正確に予測する指標である。窒素流を制御する(ステップ38)と同時に、モニタすること(ステップ36)により、高誘電率誘電体WSiNy薄膜が確実に形成されるようになる。
好適例として、誘電体WSiNy薄膜は低温、たとえば室温で成膜できる。誘電体薄膜は、たとえば急熱アニールシステムにおいてアニールされ(ステップ40)、結合を緩和し、かつ直にゲートを成膜するための誘電体薄膜の界面を準備することができる。アニーリング温度も比較的低温、たとえば〜450℃にすることができる。次に、誘電体WSiNy薄膜上にゲートが直に形成される(ステップ42)。通常は、これは、フォトリソグラフィでマスクパターンを形成すること、およびゲートエッチング工程とを含み、ゲートは回路配線パターンの一部として成膜される。ゲートを形成した後に、ゲート酸化物スペーサがゲートスタックの環境に成膜される(ステップ44)。スペーサの後にドーピングが行われ、たとえば当業者に知られているように注入することより、トランジスタのソースおよびドレイン領域を形成することができる。集積回路形成工程では、その後、層間誘電体、ならびにソースおよびドレインコンタクトが形成され、トランジスタと、他の類似の素子との集積とが完了される。
本発明のトランジスタは、集積回路を形成するために用いられる従来の装置を変更することなく、集積回路プロセスに容易に組み込むことができる。障壁層を用いないことで、ゲート成膜中にゲート誘電体が劣化しないようにするために障壁層を必要とするプロセスに比べて、1つのプロセスステップをなくすことができる。これは、トランジスタ素子およびプロセスの集積化を大きく簡略化する。
本発明の特定の実施形態が図示および記載されてきたが、他の変更形態、置換形態および代替形態が当業者には明らかであることは理解されたい。そのような変更形態、置換形態および代替形態は、添付の特許請求の範囲によって確定されるべきである本発明の精神および範囲から逸脱することなく行うことができる。
本発明の種々の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載される。
Claims (10)
- MOSトランジスタであって、
基板と、
前記基板内にあるアクティブ領域と、
前記基板上にある界面酸化物薄膜と、
前記界面酸化物薄膜上に形成されるWSiNyゲート誘電体薄膜と、
前記WSiNyゲート誘電体薄膜によって前記アクティブ領域から分離されるゲートとを含むMOSトランジスタ。 - 前記WSiNyゲート誘電体薄膜は〜10nm未満の厚みを有する請求項1に記載のMOSトランジスタ。
- 前記WSiNyゲート誘電体薄膜は〜2−〜5nmの範囲内の厚みを有する請求項1に記載のMOSトランジスタ。
- ホットキャリア効果を低減するために前記ゲートの環境に堆積されるスペーサをさらに含む請求項1に記載のMOSトランジスタ。
- 前記アクティブ領域はソース、ドレイン領域およびチャネル領域を含み、前記トランジスタはさらに、前記ゲート、ならびに前記ソースおよびドレイン領域への素子コンタクトを含む請求項4に記載のMOSトランジスタ。
- 前記素子コンタクトは回路配線パターンの一部を構成する請求項5に記載のMOSトランジスタ。
- 集積回路の一部として形成される請求項6に記載のMOSトランジスタ。
- MOSトランジスタゲート誘電体WSiNy薄膜を形成するための方法であって、
前記ゲート誘電体WSiNy薄膜を成膜するための界面を準備するステップと、
前記ゲート誘電体WSiNy薄膜を成膜するための環境条件を設定するステップと、
前記ゲート誘電体WSiNy薄膜を成膜するステップとを含むMOSトランジスタゲート誘電体WSiNy薄膜を形成するための方法。 - 前記設定するステップは、前記ゲート誘電体WSiNy薄膜を成膜するために窒素流を制御することを含む請求項8に記載の方法。
- 前記成膜するステップは、成膜中にプラズマ電力をモニタすること、および前記ゲート誘電体WSiNy薄膜を成膜するために窒素流を制御することを含む請求項9に記載の方法。
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