JP2004527127A - Mosトランジスタ・ゲート・コーナの増速酸化を行う方法 - Google Patents

Mosトランジスタ・ゲート・コーナの増速酸化を行う方法 Download PDF

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Abstract

【課題】プロセス・スキーム全体のサーマル・バジェットを大きく増大させることなく、トランジスタ・ゲート・コーナの酸化速度を増速する方法を提供すること。
【解決手段】具体的には、本発明の方法は、シリコン含有トランジスタのゲート・コーナにイオンを注入すること、および注入を受けたトランジスタ・ゲート・コーナを含むトランジスタを酸化雰囲気に露出することを含む。この注入ステップに使用するイオンには、シリコン、非遅延酸化イオン、たとえば、酸素、ゲルマニウム、ヒ素、ホウ素、リン、インジウム、アンチモン、ガリウム、フッ素、塩素、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノン、ならびにそれらの混合物が含まれる。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体デバイスの製作に関し、より詳細には、プロセス・スキーム全体のサーマル・バジェットを大きく増大させることなく、コーナ酸化速度を増速させるMOS(金属酸化膜半導体)トランジスタを製作する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
現在のシリコン・ベースのMIS(金属絶縁体半導体)FET(電界効果トランジスタ)は、ゲート・コーナのいわゆる側壁酸化またはコーナ酸化を用いて製作する。側壁酸化プロセスは、従来方式のプロセス・フロー、たとえば、CMOS(相補型金属酸化膜半導体)ロジック、SRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)、DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)、埋込みDRAM、フラッシュ・メモリその他の同様なプロセス・フローでごく普通に用いられている。
【0003】
当業者には周知のように、ゲート・コ−ナの側壁酸化により、ゲート・コ−ナのところでゲート絶縁体が厚くなる。コーナ部の絶縁体が厚くなると、デバイス・コーナにおける絶縁破壊が妨げられる。酸化中にコ−ナを効果的に丸めることによって、絶縁体コ−ナでは電界も小さくなる。コ−ナ部の電界が大きくなると、ホット・キャリア効果が大きくなり、トランジスタの信頼性が劣化することがあり得る。さらに、コ−ナ酸化中に成長させた平面状の酸化物は、後続のイオン注入ステップでスクリーン酸化物として使用されるので、プロセス統合フローが簡略化される。側壁(またはコ−ナ)酸化によるこうした利益はすべて当技術分野ではよく知られており、したがって、ここではそれらに関する詳細な議論は必要ない。
【0004】
一般に、従来方式のプロセスでは、ゲート・コ−ナの酸化はプロセス・フローの比較的後半に行われる。たとえば、ゲート・コ−ナの酸化は、通常、基板上にゲート・スタックがすでに存在する状態で、ウエルおよびチャネルの注入が実施された後に行われる。したがって、コーナ酸化のサーマル・バジェットは、トランジスタ・デバイスを製作する際に考慮しなければならない極めて重要なパラメータである。プロセス・フローの後半段階でサーマル・バジェットが大きくなると、望ましくないドーパント拡散が生じ、ゲート・スタック、ゲート絶縁体およびチャネルの材料が反応し相互に混合する恐れがある。したがって、コ−ナ酸化物の品質と信頼性を損なうことなく、コーナ酸化のサーマル・バジェットを低減することが極めて望ましい。
【0005】
通常、コーナ酸化は、酸素、水蒸気または酸素ラジカルなどの酸化雰囲気中で行われる。ウェット(水蒸気)酸化プロセスあるいはフリー・ラジカル支援酸化プロセスが好ましい。というのは、それらによれば、酸化速度が速く、したがって、サーマル・バジェットが小さくなるからである。しかし、ゲート・スタック中に新しい材料が導入されると、こうした傾向が妨げられることがある。金属ゲートおよび誘電率kの大きいゲート絶縁体は、高速酸化プロセスに適合しないことがある。たとえば、ゲート・コ−ナの酸化中に、水分子および酸素ラジカルにより、ゲート金属が酸化される恐れがある。金属ではなくシリコンを選択的に酸化するために、特定の酸化雰囲気が必要である。選択的コ−ナ酸化を行うためのこうした混合物が低速な酸化雰囲気であることは当技術分野ではよく知られている。コ−ナ酸化雰囲気に関する様々な適合要件のため、酸化雰囲気とは独立にコーナ酸化のサーマル・バジェットを低減することが極めて望ましい。
【0006】
従来技術のコーナ酸化プロセスに伴う上記欠点に鑑みて、プロセス・フロー全体のサーマル・バジェットを大きく増加することなく、コーナ酸化速度を増速させる改善された新しいコーナ酸化方法を開発することが引き続き求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の1つの目的は、トランジスタ・ゲート・コ−ナの酸化を増速する方法を提供することである。
【0008】
本発明の別の目的は、プロセス・フロー全体のサーマル・バジェットを大きく増大させることなく、ゲート・コ−ナの酸化を増速する方法を提供することである。
【0009】
本発明の別の目的は、用いる酸化雰囲気とは独立にゲート・コ−ナの酸化を増速する方法を提供することである。
【0010】
本発明の別の目的は、金属ゲートおよび高誘電率ゲート絶縁体を様々に実装した様々なゲート・スタック構造に適合する加工ステップを用いて、ゲート・コ−ナの酸化を増速する方法を提供することである。本明細書では、「高誘電率」という用語を用いて、二酸化シリコンよりも大きい(真空に関して表した)誘電率を有する誘電体材料を示すことに注意されたい。
【0011】
上記その他の目的および利点は、トランジスタのゲート・コ−ナに非遅延酸化イオン(non-retardingoxidation ions)またはシリコン・イオンを注入し、その後、注入されたゲート・コ−ナを酸化雰囲気に露出させることによって実現される。本発明で用いるトランジスタは、ゲート・コ−ナを有するMIS、MOSFETその他の同様なトランジスタを含むが、それらに限定されるものではない。
【課題を解決するための手段】
【0012】
具体的には、本発明の方法は以下のステップを含む。
(a)シリコン含有トランジスタのゲート・コ−ナに、非遅延酸化イオン、シリコン・イオンおよびそれらの混合物から選択するイオンを注入するステップ。
(b)注入されたゲート・コ−ナを含むシリコン含有トランジスタを酸化雰囲気に露出させるステップ。
【0013】
本明細書では、「非遅延酸化イオン」という用語を用いて、シリコンの酸化速度を低下させないイオンを示す。こうした非遅延酸化イオンの例には、酸素、ゲルマニウム、ヒ素、ホウ素、リン、インジウム、アンチモン、ガリウム、フッ素、塩素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびシリコン・イオンとの混合物を含めてそれらの混合物が含まれるが、それらに限定されるものではない。
【0014】
上記で述べたように、本発明で用いるトランジスタはシリコン含有トランジスタである。本明細書で使用する「シリコン含有トランジスタ」という用語は、基板、ゲート誘電体、ゲート導体またはそれらの任意の組合せの少なくとも1つの領域がシリコン含有材料を含むトランジスタを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
次に、本出願に添付の図面を参照して、トランジスタ・ゲート・コーナの酸化を増速する方法を提供する本発明をより詳細に説明する。図面では、同じ要素または対応する要素あるいはその両方を同じ参照数字で示すことに留意されたい。
【0016】
まず、本発明で用い得る初期構造を示す図1を参照する。具体的には、図1に示す初期構造は、シリコン含有基板10、ゲート誘電体12およびゲート・スタック14を備える。
【0017】
図1に示すトランジスタ構造は当技術分野では周知の従来型の材料を含み、やはり当技術分野では周知の従来方式の加工ステップを用いて製作される。たとえば、シリコン含有基板10は、Si、SiGe、SiGeC、SiCおよび他の同様のシリコン含有半導体を含む任意のシリコン含有半導体材料を含むが、これらに限定されるものではない。Si/Si、Si/SiGeおよびSOI(シリコン・オン・インシュレータ)などの積層半導体も、シリコン含有基板10として本発明で使用することができる。シリコン含有基板10は、ドープしなくても、あるいはn型またはp型のドーパント・イオンでドープしてもよい。
【0018】
この基板は、その表面に形成されるSTI(シャロー・トレンチ分離)やLOCOS(シリコン局所酸化)分離領域など様々な分離領域を含み得る。さらに、この基板は、ウエル領域、埋込み拡散領域その他の同様な領域も含み得る。見やすいように、本発明の図面では上記の領域の存在を具体的に示さないが、参照数字10はこれらの領域を含むことを意味する。本発明で使用する1つの極めて好ましいシリコン含有基板は、シリコンを含む基板である。
【0019】
次いで、CVD(化学気相成長法)、プラズマ支援型CVD、蒸着、スパッタリング、ALCVD(原子層化学気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ)および化学溶液成長法など従来方式の被着プロセスを利用して、基板10の表面上にゲート誘電体(またはゲート絶縁体)12を形成する。あるいは、ゲート誘電体は、熱酸化、窒化または酸窒化プロセスによって形成することもできる。
【0020】
ゲート誘電体12は、酸化物、窒化物、酸窒化物およびそれらの混合物または積層物を含む誘電体材料からなるが、それらに限定されるものではない。ゲート誘電体12として本発明で使用する極めて好ましい誘電体材料は、二酸化シリコンである。本発明で使用する誘電体は、その誘電率kが二酸化シリコンよりも高くても低くてもよいことに注意されたい。
【0021】
ゲート誘電体12の物理的な厚さは変化し得るが、一般に、ゲート誘電体は約0.4〜約20nmの厚さを有し、厚さ約0.5〜約10nmであることが極めて好ましい。
【0022】
基板表面上にゲート誘電体を形成した後、ゲート誘電体12の表面上にゲート・スタック14を形成する。本発明で使用するゲート・スタックは、少なくともゲート導体16を含む。任意選択で、ゲート・スタックは誘電体キャップ18も含み得る。
【0023】
ゲート・スタック14のゲート導体16は、タングステン、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、クロム、オスミウムなどの元素金属またはそれらの組合せおよび積層物、前記元素金属のシリサイドおよび窒化物、ドープしていないポリシリコンまたはドープしたポリシリコン、アモルファス・シリコンおよびそれらの組合せまたは積層物を含む任意の従来型の導電材料からなり得るが、これらに限定されるものではない。ゲート・スタック14のゲート導体16として使用する1つの極めて好ましい導電材料は、ドープしたポリシリコン、チタンの拡散バリア層およびタングステンからなる積層物である。本発明では拡散バリア層は任意選択であり、Ta、TiN、TaNおよびWNなど他の周知の拡散バリアも含まれ得ることに留意されたい。
【0024】
ゲート導体16は、CVD、プラズマ支援型CVD、スパッタリング、蒸着、化学溶液成長法およびメッキなど従来方式の被着プロセスを利用して形成される。金属シリサイドを使用するときには、それを形成する際に従来方式のシリサイド化プロセスを利用することができる。一方、ゲート導体16としてドープしたポリシリコンを使用するときには、in−situドープ被着プロセスによってドープしたポリシリコンを形成するか、あるいは、まずドープしていないポリシリコンの層を被着させ、その後ポリシリコン層をドープするのに従来方式のイオン注入を用いる。
【0025】
本発明で形成されるゲート導体16の物理的な厚さは、使用する導電材料ならびにそれを形成する際に使用するプロセスに応じて変化し得る。しかし、一般に、ゲート導体16は、約10〜約300nmの厚さを有し、厚さ約20〜約200nmであることが極めて好ましい。
【0026】
次いで、任意選択で、ゲート導体16上に誘電体キャップ18を形成し、それによって図1に示す積層構造が得られる。本発明によれば、誘電体キャップ18は、当技術分野では周知の従来方式のプロセスを用いて付着させる酸化物、窒化物、酸窒化物およびそれらの組合せまたは積層物など任意の従来型のハードマスク材料を含む。たとえば、誘電体キャップは、CVD、プラズマ支援型CVD、蒸着、化学溶液成長法および他の同様な被着プロセスなど従来方式の被着プロセスを利用して付着させることができる。あるいは、誘電体キャップ18を形成するのに従来方式の熱成長プロセスを使用することもできる。再度、誘電体キャップは任意選択であり、本発明で使用する必要はないことを強調しておく。
【0027】
図面に示すように誘電体キャップがゲート導体上に存在する応用例では、次いで、誘電体キャップ上にフォトレジストの層(図示せず)を形成し、この構造を従来方式のリソグラフィにかける。このリソグラフィ・プロセスは、フォトレジスト層をパターン化した放射で露光し、適当な現像溶液を用いてパターンを形成し、反応性イオン・エッチングなど従来方式のドライ・エッチング・プロセスによってこのパターンを下にある誘電体キャップに転写することを含む。フォトレジストを剥離した後に得られるパターン付き構造をたとえば図2に示す。パターン化した誘電体キャップ18は、得られた構造のゲート領域のチャネル長を画定するのに使用する。
【0028】
誘電体キャップがゲート導体上に存在しないときは、従来方式のリソグラフィを用いてゲート導体上にパターン化したレジストが形成され、ゲート導体のパターン形成中は構造上にパターン化したレジストが残っていることに留意されたい。
【0029】
図面では、ゲート導体上に1つのマスク領域を形成するところを示すが、ゲート導体上に2つ以上のマスク領域を形成するときでも本発明はうまく働くことに留意されたい。すなわち、本発明は、基板10の表面上に複数のゲート領域を形成することができる。
【0030】
パターン化した誘電体キャップを形成し、フォトレジストを剥離した後、パターン化した誘電体キャップ18(またはパターン化したレジスト)で保護されないゲート導体16の露出部分は、ゲート誘電体12上で停止するように除去されて、図3に示す構造が得られる。本発明のこのステップによれば、ゲート導体16の露出部分は、誘電体に比べてゲート導体材料を除去するのが極めて選択的である異方性エッチング・プロセスを用いて除去される。図3に示す構造を形成するのに本発明で使用することができる異方性エッチング・プロセスの1つのタイプは、エッチング・ガスとしてハロゲン含有プラズマを使用するRIE(反応性イオン・エッチング)プロセスである。本発明のこのエッチング・ステップ中に、パターン化した層を取り囲む一部またはすべてのゲート誘電体12を除去することができることに留意されたい。
【0031】
図3に示す構造は、パターン化した誘電体キャップ18およびパターン化したゲート導体16からなるゲート領域を有するトランジスタ構造であることに留意されたい。このトランジスタ構造は、ゲート誘電体12および基板10も含む。図3に示すトランジスタ構造は、パターン化したゲート導体の基部に位置するゲート・コーナ領域20を含むことに注意されたい。誘電体キャップを使用しないときは、この構造は、パターン化した誘電体キャップが構造上に存在しない点を除き、図3に示すものと同様に見えるはずであることに留意されたい。
【0032】
本発明の次のステップによれば、トランジスタ・ゲート・コーナ20にイオンを注入して、ゲート・コーナのところで注入領域22を形成する(図4参照)。本発明のこのステップで使用するイオンは、側壁の酸化速度を増速することができ、非遅延酸化イオン、シリコン・イオンおよびそれらの混合物を含むが、それらに限定されるものではない。本明細書では、「非遅延酸化イオン」という用語を用いて、シリコンの酸化速度を遅らせないイオンを示す。このような非遅延酸化イオンの例には、酸素、ゲルマニウム、ヒ素、ホウ素、リン、インジウム、アンチモン、ガリウム、フッ素、塩素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびシリコン・イオンとの混合物を含めてそれらの混合物が含まれるが、それらに限定されるものではない。
【0033】
本発明のこの注入ステップにより、ゲート・コーナ領域20のところで注入領域22が形成される。この注入ステップは、約1×1013〜約1×1017個/cmのイオン・ドーズ量を用いて行われるが、約1×1014〜約1×1016個/cmのイオン・ドーズ量が極めて好ましい。さらに、本発明のこのイオン注入ステップは、約1eV〜約1MeVのエネルギーで行われるが、約100eV〜約100keVのエネルギーで行われるのが極めて好ましい。上記の条件を用いることによって、トランジスタ構造内に存在するドーパントの大きな拡散は認められないことに留意されたい。本発明では、垂直イオン注入プロセスを用いて注入を行うこともできるし、傾斜イオン注入プロセスを用いることもできる。
【0034】
上記で述べたイオンをゲート・コーナ領域20に注入した後、図4に示す構造を従来方式の側壁酸化プロセスにかけて、基板10(または残りのゲート誘電体12)の上面上またはパターン化したゲート導体16の露出した側壁上あるいはその両方に熱酸化物層24を形成することができる。それによって得られた熱酸化物層24を含む構造を、たとえば図5に示す。
【0035】
熱酸化物層24を形成する際に用いる条件は、実際に実施する側壁酸化プロセスに応じて変化し得る。しかし、一般に、本発明で用いる側壁酸化は、約0.1秒〜約2時間の間、約600℃〜約1200℃の温度で行われる。より好ましくは、本発明で用いる側壁酸化プロセスは、約1秒〜約1時間の間、約800℃〜約1100℃の温度で行われる。本発明では、側壁の急速熱酸化プロセスまたは炉による側壁酸化プロセスの使用も企図していることに留意されたい。
【0036】
側壁酸化は、1つの目標設定した酸化温度で行うこともできるし、あるいは、様々な昇降ソーク・サイクルを使用してこの側壁酸化を行うこともできる。この場合、加熱および冷却の昇降速度は、毎分約0.1℃〜毎秒約1000℃とすることができる。
【0037】
用いる条件にかかわらず、本発明の側壁酸化ステップは、酸化雰囲気で行われる。本明細書で用いる「酸化雰囲気」という用語は、酸素、水蒸気、一酸化二窒素、一酸化窒素、酸素ラジカルおよびそれらの混合物を含め、任意の酸素含有雰囲気を示すが、それらに限定されるものではない。本発明のいくつかの実施形態では、水素で酸化雰囲気を希釈し、その結果、得られた酸化雰囲気は選択的にシリコン含有基板およびシリコン含有ゲート導体を酸化するが、ゲート導体の金属は酸化しないようにすることができる。選択的な酸化雰囲気を利用するときには、一般に、その選択的雰囲気には、約0.1〜約40%の酸素含有雰囲気と、約60〜約99.9%の水素が含まれる。
【0038】
本発明の側壁酸化ステップで形成して得られた熱酸化物層の物理的な厚さは、実際に使用する条件に応じて変化し得る。しかし、一般に、熱酸化物層24は、約1〜約20nmの厚さを有し、約2〜約10nmの厚さとなるのが極めて好ましい。
【0039】
注入イオンの存在およびそれによってゲート・コーナで生じた損傷のために、ゲート・コーナ領域で注入物が存在しない従来方式のプロセスに比べて、側壁酸化速度が大きく増速されることに留意されたい。いくつかの例では、約50%以上のゲート・コーナ酸化速度の向上が認められる。したがって、本発明の方法は、従来技術によるゲート・コーナ酸化プロセスに比べかなりの向上を示す。
【0040】
ゲート側壁酸化プロセスの後、当業者には周知の従来方式のCMOS/DRAM加工ステップを実施することができる。図6に示すように、たとえば、イオン注入および活性化アニールを用いて、パターン化したゲート導体の下に拡散領域26(すなわち、ソース/ドレイン領域)を形成することができる。
【0041】
好ましい実施形態を参照して具体的に本発明を示し説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その形態および細部に上記その他の変更を加えることができることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は、説明し例示したそのものの形態および細部に限定されず、添付の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。
【図2】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。
【図3】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。
【図4】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。
【図5】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。
【図6】ゲート・コーナの増速酸化を行ってトランジスタを製作するために本発明で用いる加工ステップを示す断面図である。

Claims (22)

  1. (a)シリコン含有トランジスタのゲート・コーナに、非遅延酸化イオン、シリコン・イオンおよびそれらの混合物からなる群から選択されるイオンを注入するステップと、
    (b)注入を受けたトランジスタ・ゲート・コーナを含むシリコン含有トランジスタを酸化雰囲気に露出するステップとを含む、トランジスタのゲート・コーナを酸化する方法。
  2. 前記非遅延酸化イオンが、酸素、ゲルマニウム、ヒ素、ホウ素、リン、インジウム、アンチモン、ガリウム、フッ素、塩素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記シリコン含有トランジスタが、シリコン含有基板、ゲート誘電体、ゲート導体および任意選択の誘電体キャップを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記シリコン含有基板が、Si、SiGe、SiGeC、SiC、Si/Si、Si/SiGeおよびシリコン・オン・インシュレータからなる群から選択されるシリコン含有半導体材料を含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記ゲート誘電体が、酸化物、窒化物、酸窒化物またはそれらの混合物かつ積層物である、請求項3に記載の方法。
  6. 前記ゲート導体が、元素金属、元素金属のシリサイドまたは窒化物、ポリシリコン、アモルファス・シリコンおよびそれらの組合せまたは積層物からなる群から選択される導電材料である、請求項3に記載の方法。
  7. 前記ゲート導体が、ドープしたポリシリコン、チタン・バリアおよびタングステンからなる積層物である、請求項6に記載の方法。
  8. 前記任意選択の誘電体キャップが、酸化物、窒化物、酸窒化物またはそれらの組合せかつ積層物である、請求項3に記載の方法。
  9. ステップ(a)が約1×1013〜約1×1017個/cmのイオン・ドーズ量を用いて行われる、請求項1に記載の方法。
  10. 前記イオン・ドーズ量が約1×1014〜約1×1016個/cmである、請求項9に記載の方法。
  11. ステップ(a)が約1eV〜約1MeVのエネルギーで行われる、請求項1に記載の方法。
  12. 前記エネルギーが約100eV〜約100keVである、請求項11に記載の方法。
  13. ステップ(a)が傾斜注入プロセスを用いて行われる、請求項1に記載の方法。
  14. 前記シリコン含有トランジスタがMOS型またはFET型のトランジスタである、請求項1に記載の方法。
  15. ステップ(b)が、約0.1秒〜約2時間の間、約600℃〜約1200℃の温度で行われる、請求項1に記載の方法。
  16. 前記温度が、約1秒〜約1時間の間、約800℃〜約1100℃である、請求項15に記載の方法。
  17. 前記酸化雰囲気が酸素含有雰囲気を含む、請求項1に記載の方法。
  18. 前記酸素含有雰囲気が、酸素、水蒸気、一酸化二窒素、一酸化窒素、酸素ラジカルまたはそれらの混合物を含む、請求項17に記載の方法。
  19. 前記酸化雰囲気を水素で希釈する、請求項1に記載の方法。
  20. 前記希釈した酸化雰囲気が、約0.1〜約40%の酸素含有雰囲気と、約60〜約99.9%の水素を含む、請求項19に記載の方法。
  21. 前記基板中で拡散領域を形成するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  22. イオン注入およびアニールによって前記拡散領域を形成する、請求項21に記載の方法。
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