JP2005286324A - 基板上へトランジスタ構造を形成する方法、基板上のトランジスタ構造、および半導体デバイス - Google Patents

基板上へトランジスタ構造を形成する方法、基板上のトランジスタ構造、および半導体デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 従来技術の限界を打ち消す、ソース及びドレイン接点、及び、チャンネル領域の製造方法を提供する。
【解決手段】
基板(SOI)は、支持Si層(1)、埋込絶縁層(2)及び高ドーパントレベルを含むトップSi層(3)を含み、トランジスタ構造は、ゲート領域(G1)及びソース及びドレイン領域(5)を含む。本方法は、トップSi層(3)上のゲート領域(G1)の形成を含み、ゲート領域(Gl)は、誘電体層(GD)によりトップSi層(3)から分離されている。本方法は、分画酸化物及び/又はレジスト層領域(4)により分画されたトップSi層(3)上の開放領域(O1)の形成と、イオン注入による高レベル不純物又は損傷領域(5)の形成と、分画層領域(4)及び埋込マスクとして機能するゲート領域(G1)を伴う開放領域(O1)のイオンビーム(IB)への露出とを含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、請求項1のプレアンブルで定義されるように、ソースおよびドレイン接点、およびチャンネル領域の製造方法に関する。
また、本発明は、こうしたソースおよびドレイン接点、およびこうしたチャンネル領域を含むFETに関する。さらに、本発明は、こうしたFETを含む半導体デバイスに関する。
特許文献1は、デュアルゲートMOSFETの製造方法を開示している。この方法は、フィン構造を側面に配置し、Si層のソース/ドレイン構造からおよそ90°に配置されている、非対称的デュアルゲート構造を形成する。フィン構造は、チャンネル領域として機能する、エピタキシャルSiGe/Si/SiGeサンドイッチを含んでいる。
ソースおよびドレイン領域は、フィン構造およびゲート電極の形成後に、完成ステップで形成される。
従来技術からのこうしたダブル‐ゲート構造には、ある欠点が存在している。
ダブルゲート構造には、そのレイアウトに起因して、実質的にフィン側壁内に存在するカレントパスがある。このタイプのカレントパスは、Si領域、側壁、および誘電体領域間に、実質的に完全なインタフェースが確実に存在するようにする、極度の注意が払われない限り、装置の性能劣化を引き起こす場合がある。
また、カレントパスは、ウエハ上のフィンの方向付けに応じて、Siの異なる結晶面に存在しており、異なる電流駆動可能性をもたらす。
さらに、ドーパントの高角度埋込が、それぞれのフィン部分の全体積に達するよう使用されなければならないという事実により、ソース/ドレイン接合の形成は、複雑となり得る。
さらに、フィンの高さは、装置のカレントドライブの絶対値を設定する(ここで、高さは、従来のMOSFETの「幅」の大きさと同様に機能する)。通常、モダン回路では、幅に対するゲート長のアスペクト比は、10(あるいは、さらにはP−タイプ装置では20)程度の大きさであり、これは、50nmのゲート長に対して、フィンの高さはおよそ500nmにならねばならないことを意味する。
同時に、フィン幅(ゲート間のSiチャンネルの厚み)は、ゲート長の1/3より小さくなければならず、これは、この例の50nmのゲート装置に対しては、16.5nmのフィン幅を意味することになる。当業者には既知のように、そのままで、およそ16nmの幅と、およそ500nmの高さを有するフィンの形成では、カレント生産能力では可能とはならない(フィン幅と装置の高さとの間のアスペクト比は、5〜6までが合理的だと思えるが、上述のように、この例においておよそ30のアスペクト比は、合理的とはいえない)。この問題の解決は、装置に対して多数のフィンを用いることであると信じられているが、このためにはいくつかの重要な問題が解決される必要がある:全てのフィンは厳密に同じでなければならず、さらに、上のようなソース/ドレイン接合の形成は、高角度埋込を実行可能とするよう十分な距離をとる必要があるので、これらは密集した距離で区切ることができない。
米国特許第6,458,662 B1号明細書
概して、上述の全ファクターの組合せにより、従来技術の看過し難い限界が引き起こされることになる。この限界により、電流回路設計は、その大部分を完全にやり直す必要が生ずる。理想的には、少なくとも回路の設計者の観点から、標準の平面単一ゲート装置と全く同じ、多数ゲート装置が所望されることになろう。
これは、Siチャンネルが2つのゲートの間でサンドイッチされるプレーナーデバイスが、はるかに適当であることを意味している。しかしながら、こうしたダブルゲートデバイスを製造するには、解決しなければならない2つの主要な問題がある:
2つのゲートを互いに整列すること(さもなければ、寄生容量は、デバイスの動作速度に重大な影響を与える)、
ソース/ドレイン接合が、チャンネルに最低の可能なレジストを有し(さもなければ、カレントドライブはかなり低減される)、さらに非常に急な/鋭いインタフェースを有する (さもなければ、短チャンネル効果が著しい)必要があること。
本発明の目的は、従来技術の限界を打ち消す、ソースおよびドレイン接点、およびチャンネル領域の製造方法を提供することである。
この目的は、基板上にトランジスタ構造を形成する方法により達成され、この基板は、支持Si層、埋込絶縁層、および、高ドーパントレベルを含むトップSi層を含み、このトランジスタ構造は、ゲート領域と、ソースおよびドレイン領域とを含む。
本方法は以下を含む:
トップSi層上へのゲート領域の形成、このゲート領域は、誘電体層によりトップSi層から分離されている;
分画酸化物および/またはレジスト層領域により分画された、トップSi層上の開放領域の形成;
分画層領域および埋込マスクとして機能するゲート領域を伴う開放領域をイオンビームへ露出するイオン注入による、高レベル不純物あるいは著しい損傷領域の形成、ここで、イオンビームは、ビームエネルギーと照射量との組合せを含み、それは、トップSi層内における、埋込絶縁層内のソースおよびドレイン領域の下の高不純物レベル領域、およびトップSi層内のゲート領域の下の高不純物レベルあるいは著しい損傷領域の形成を可能にする。
本発明に従う方法は、上述のように、FETデバイスの製造の上述の目標を有利に実現する。回路設計の見地から、いかなる設計レイアウトも変更する必要は全くなくなる。
さらに、本発明は、上述の方法に従って製造される(MOS)FETに関する。
さらに、上述のような方法に従って、バイポーラデバイスなどの他のトランジスタ構造も製造可能である。
さらに、本発明は、上述のような方法により製造される、MOSFETあるいは、バイポーラデバイスなどのFETトランジスタ構造を含む半導体デバイスに関する。
以下において、本発明は、若干の図面を参照して説明されているが、これは、図示のみを目的とするものであり、請求項で定義されている保護範囲の制限を意図するものではない。
図1は、本発明に従う、MOSFETのためのゲート構造を概略的に示している。
MOSFET構造は、トランジスタ構造を形成するための、本発明に従う方法の実例としてここに示されている。また、バイポーラデバイスのようなトランジスタ構造は、この方法により製造可能である。これは、以下において、より詳細に説明される。
本発明の方法により形成されるべきMOSFETは、支持Si層1、埋込二酸化珪素層2、およびトップSi層3を含むシリコンオンインシュレータ(SOI)基板上に形作られる。トップSi層3は、例えば、1×1020〜1×1021cm−3など、良好なソース/ドレイン領域の形成を可能にするようなドーパントレベルのドープ層である。MOSFETのゲートは、SOI基板のSi層3上に形成されるべきである。
初期処理ステージでは、第1ゲート構造G1は、トップSi層3の上方に形作られる。第1ゲートG1は、ゲート誘電体GDにより、トップSi層3から電気的に絶縁される。第1ゲートG1は、当業者に既知のいかなる適当な処理によっても形成可能である。
トップSi層3の開放領域O1は、当業者に既知のいかなる適当な処理によっても形成可能な、酸化層、あるいはレジスト層4により分画される。
第1ゲートG1の大きさ、およびゲートの誘電体GDの厚みは、構造のアプリケーションに従って、任意に選択可能である。
図2は、本発明に従う、MOSFETのための自己配列ソース/ドレイン領域を形成する第1処理ステージを概略的に示している。
ゲート構造G1、GD、開放領域5の定義の後、矢印IBにより示される「ゲートを通しての」イオン注入が実行される。不純物種は、(続くステップでの)非埋込領域に対する埋込領域の選択的除去を可能にする能力に基づき選択される。この処理の間、ゲートG1、および酸化物あるいはレジスト層4は、不純物種に対する埋込マスクとして機能する。
本発明に従うと、イオンビームIBのビームエネルギーおよび照射量は、ゲート構造G1、GDの下(および、酸化物あるいはレジスト層4の下)のトップSi層3の領域6内の高不純物レベルL0、および開放領域5の下の埋込酸化物層領域7内の高不純物レベルL1を伴う、不純物種濃度プロフィールP1の形成を提供する。開放領域5では、不純物レベルは比較的低い。高不純物レベルL0の埋込は、また、トップSi層の領域6内のSi格子の重大な損傷を惹起し、それを非結晶化する場合さえある。
ゲート誘電体GDの下の領域6内の高不純物レベルL0、および開放領域5の下の高不純物レベルL1は、Si内のドーパント種の最大溶解度までであろう。
イオンビームIBは、ドーパント種として、Ar、N、Ge、I、あるいはBrを含んでいてもよい。当業者は、イオンビームのビームエネルギーおよび照射量のいずれの設定が、開放領域5の下の埋込酸化層内の高不純物レベルL1、およびゲート構造Gl、GDの下の領域6内の高不純物レベルL0を伴う、不純濃度プロフィールP1の生成に必要であるかを理解することだろう。
(後の)除去処理の選択性に必要である場合は、このステージで、アニーリングステップを実行してもよい。
図3は、本発明に従う、MOSFETのための自己配列ソース/ドレイン領域を形成するための、第2処理ステージを概略的に示している。
第一に、開放領域5およびゲート領域G1の構造は、キャッピング二酸化珪素層(SiOキャップ) 8により覆われている。二酸化珪素層8は、いかなる形でも、作成された開放領域5およびゲート領域G1、GDに影響しない、適当なデポジション処理により付着される。
次に、トップ二酸化珪素層(Si0) 11を含む第2基板10は、当技術分野において既知のウエハ接合処理により、初期基板SOIへ接合される。第2基板10のトップ二酸化珪素層11は、基板SOIのキャッピング二酸化珪素層8の表面上に向かい合って配置される。
さらなる処理ステージでは、基板SOIの支持シリコン層1および埋込二酸化珪素層2は、支持Si層1をエッチングする処理シーケンス、および埋込二酸化珪素層2をエッチングする処理シーケンスにより除去される。埋込二酸化珪素層2は、支持シリコン層1のエッチングに対する停止層として役立つ。トップSi層3は、埋込二酸化珪素層2のエッチングに対する停止層として役立つ。この処理シーケンスの後、トップSi層3は、ここで第2基板10のトップ層となっている。本発明に従う処理のこのステージでは、ゲートを通しての埋込により埋込まれた高不純物レベルを含む全ての領域は、埋込二酸化珪素層2のエッチング中に、(非埋込あるいは低レベル不純物領域G1に対する選択モードで)同時に除去される。
本発明に従う第2処理ステージでは、低レベル不純物領域6は、ここで、シリコンに対する選択的エッチング処理、このエッチング処理は、G1領域の下の低不純物レベル6の特定のエッチングを提供する、により除去される。この除去処理の高い選択性により、G1領域との実質的に完全な整列が確実となる。
低レベル不純物領域6の除去の後、開放領域5間のSi層内にギャップ12が形成される。開放領域5は、(トップSi層3のように)始めからドーパントを含んでいるので、開放領域5は、ソース/ドレイン領域5として機能可能である。
所与のエッチング剤によるシリコン層のエッチングが、シリコン層内の特定不純物の存在およびレベルに応じて特効性があり得ることは、当技術分野において知られている。単結晶のSi層の場合は、特定のエッチング剤は、必要なら、異方性エッチングまでも提供することがある。また、著しく損傷した、あるいは非結晶化されたSiの場合は、結晶質Siを伴う境界が選択性を確実にするために使用可能である。
(酸化物および/またはレジスト層4にによりマスクされた第1処理ステージでは)他の低不純物レベル領域は、より早く適用された、さらなる酸化物あるいはレジスト層(図示せず)により、このステージでマスクされてもよい。
ゲート誘電体GDもまた、エッチングストップとして機能可能であることも留意されたい。代替的に、ゲートG1は、エッチングストップとして機能可能であり、その場合、低レベル不純物領域6に対するエッチング処理は、ゲート誘電体GDも除去する。
図4は、本発明に従う、MOSFETのためのチャンネル領域を形成するための第3処理段階を概略的に示している。
第3処理ステージでは、ソース/ドレイン領域5間のギャップ12において、チャンネル層13は、適当なデポジションあるいは成長処理により形成される。
チャンネル層13に対するチャンネル材料は、ほぼ任意に選択可能である。チャンネル材料は、Si、SiGe、GaAs、InPおよび他のIII−VもしくはII−VI化合物、金属−二珪化物のような金属間化合物(例えば、TiSi、CoSi)、あるいは、デバイス内に存在する電界により減損し得るいかなる金属の非常に薄い層であっても(正確な厚みが容易に決定可能で、所与の材料の状態の濃度に依存可能)、例えば、Al, Cu, W, Ag, Au, Pt, Co, Niなどの金属であってもよい。
さらに、チャンネル材料は、量子ワイヤQW、あるいは量子ドットQD構造を含んでいてもよい。
さらに、チャンネル材料は、ナノワイヤ、ナノドットのアレイ、炭素ナノドット、ナノチューブ、あるいはDNAもしくはタンパク質のような有機体もしくは生体有機体分子を含んでいてもよい。
チャンネル材料の選択は、チャンネル物質13とソース/ドレイン領域5との間の電気的接触が、チャンネル材料のデポジションあるいは成長中に取得可能であるという要件のみにより制限される。
図5a、図5b、図5cは、それぞれ、第1、第2、第3実施例におけるチャンネル領域の平面図を概略的に示している。
図5a、図5b、および図5cは、チャンネル領域13の平面図を示しており、その下には、破線で描かれたゲートG1(さらに、上述のシリコンに対するエッチング処理により除去されていないなら、ここに示されてはいないが、ゲート誘電体GD)が位置している。チャンネル領域13の一方の側面上にはソース領域5が位置しており、他方の側面上にはドレイン領域5が位置している。
図5aには、第1実施例が示されており、複数の量子ドットQDが、ソースおよびドレイン間のチャンネル層13として配置されている。量子ドットは、アレイとして配列されるか(図5aの下部)、あるいは何らかのランダムネットワーク内に配列されていてもよい(図5aの上部)。
図5bには、第2実施例が示されており、複数の量子ワイヤQWが、ソースおよびドレイン領域5間のチャンネル層13として配置されている。量子ワイヤQWは縦に配置されており、量子ワイヤQWの一方の終端はソース領域と接触しており、他方の終端はドレイン領域と接触している。
図5cには、第3実施例が示されており、チャンネル層13が、ソース/ドレイン領域間の連続媒体である。
図4、図5a、図5b、図5cに示したような実施例は、上述のような実施例のうちの1つに従うMOSFET構造を含むマイクロエレクトロニックデバイスを取得するための、不活性化、金属化、および接触化に対する適当な既知のIC処理技術により、さらに処理されてもよい。
以下のことに留意すべきである。上述のトランジスタ構造が、MOSFETと異なっていてもよい;ゲート領域G1は、Siを含み得るが、また、金属から成っていてもよい。
さらに、ゲート誘電体は、ゲート酸化物であってもよいが、また、Siなどの高k材料であってもよい。
また、チャンネル材料13の頂部上では、第2ゲートスタック(図示せず)は、さらなるデポジション処理で形成されていてもよい。続いて、不活性化、金属化、および接触化のための処理技術は、ダブルゲート構造を伴うマイクロエレクトロニックデバイスを作成するよう適用されてもよい。
さらに、また、本発明に従う、ソース、ドレイン、およびチャンネル領域5、13の構造は、バイポーラトランジスタ内に具体化され得るが、ここでゲートG1はエミッタとして配置され、チャンネル領域13はコレクタとして配置され、さらにゲート誘電体GDはベースとして配置され、さらにソース/ドレイン領域5はベースとへの接点として配置される。この場合、エミッタ、コレクタ、およびベースのための材料は、デバイスのバイポーラトランジスタ機能に従って選択されなければならない。
最終的に、ギャップ12の形成中に、エッチング処理は、ソース/ドレイン領域5とギャップ12との間の滑らかなおよび段階形のインタフェースを得るよう準備されるように留意される。ギャップ12の形成後、全ての連続処理ステップのサーマルバジェットは、インタフェースの形をできる限り階段状に保ち、さらにソース/ドレイン領域とチャンネル層13との間の階段状接合の形成を可能にするよう、最小限に保たれるのが好ましい。
本発明に従う、MOSFETのためのゲート構造の概略図である。 本発明に従う、MOSFETのための自己配列ソースおよびドレイン領域を形成するための第1処理ステージの概略図である。 本発明に従う、MOSFETのための自己配列ソースおよびドレイン領域を形成するための第2処理ステージの概略図である。 本発明に従う、MOSFETのためのチャンネル領域を形成するための第3処理ステージの概略図である。 第1実施例におけるチャンネル領域の概略平面図である。 第2実施例におけるチャンネル領域の概略平面図である。 第3実施例におけるチャンネル領域の概略平面図である。
符号の説明
1 支持Si層、2 埋込二酸化珪素層、3 トップSi層、4 レジスト層、5 開放領域。

Claims (14)

  1. 基板(SOI)上にトランジスタ構造を形成する方法であって、
    前記基板は、支持Si層(1)と、埋込絶縁層(2)と、トップSi層(3)とを含み、
    前記トップSi層(3)は、トップ層厚みを有するとともに、高ドーパントレベルを含み、
    前記トランジスタ構造は、ゲート領域(G1)と、ソースおよびドレイン領域(5)とを含み、
    前記方法は、
    前記トップSi層(3)上への前記ゲート領域(G1)の形成を含んでいて、前記ゲート領域(Gl)は、誘電体層(GD)により前記トップSi層(3)から分離され、
    分画酸化物および/またはレジスト層領域(4)により分画された、前記トップSi層(3)上への開放領域(O1)の形成を含み、
    埋込マスクとして機能する前記ゲート領域(G1)および前記分画層領域(4)を伴う、前記開放領域(O1)をイオンビーム(IB)へ露出するイオン注入による、高レベル不純物または大きく損傷された領域(5)の形成を含み、
    ここで、前記イオンビーム(IB)は、ビームエネルギーと照射量との組合せを含み、
    それは、前記トップSi層(3)内における、前記埋込絶縁層(2)内の前記ソースおよびドレイン領域(5)の下の高不純物レベル領域(L1)の形成、および、前記トップSi層(3)内の前記ゲート領域(G1)の下の高不純物レベルまたは大きく損傷された領域(L0)の形成を可能にするようになっている方法。
  2. 請求項1に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    二酸化珪素キャッピング層(8)の形成と、
    前記基板(SOI)の第2基板(10)へのウエハ接合とを含み、
    前記第2基板(10)は二酸化珪素トップ層(11)を含み、前記キャッピング層(8)は前記二酸化珪素トップ層(11)と向かい合っている方法。
  3. 請求項1または2に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    初期除去処理に対する停止層として前記埋込絶縁層(2)を用いる、前記Si支持層(1)の初期除去処理と、
    さらなる除去処理に対する停止層として前記トップSi層(3)を用いる、前記埋込絶縁層(2)のさらなる除去処理とを含む方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか1つに記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    除去処理に対する停止層として前記ソースおよびドレイン領域(5)を用いる選択的エッチングにより、前記ゲート領域(Gl)の下の前記トップSi層の前記高不純物レベル領域(L1)の除去処理を含み、
    前記除去処理は、前記ソースおよびドレイン領域(5)間にギャップ(12)を作成するようになっている方法。
  5. 請求項4に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記除去処理に対する追加的な停止層としての、前記誘電体領域(GD)、または前記ゲート領域(Gl)の使用を含む方法。
  6. 請求項4または5に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    チャンネル領域を形成するために、前記ギャップ(12)内へのチャンネル層(13)のデポジションを含む方法。
  7. 請求項6に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記チャンネル層(13)が、チャンネル材料として、
    Si、SiGe、GaAsまたはInPなどの半導体材料、
    III−VまたはII−VI化合物、
    金属、
    金属間化合物、および
    有機体または生体有機体化合物の材料のうちの少なくとも1つを含む方法。
  8. 請求項6または7に記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記チャンネル層(13)が、量子ワイヤ(QW)あるいは量子ドット(QD)構造を含む方法。
  9. 請求項6〜8のいずれか1つに記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記チャンネル層(13)が、ナノワイヤ、ナノドットのアレイ、炭素ナノドット、またはナノチューブを含む方法。
  10. 請求項1〜9のいずれか1つに記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記イオンビーム(IB)が、Ge、I、またはBrを含む方法。
  11. 請求項1〜10のいずれか1つに記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記トランジスタ構造がMOSFET構造である方法。
  12. 請求項1〜11のいずれか1つに記載のトランジスタ構造を形成する方法において、
    前記トランジスタ構造がバイポーラ構造であり、前記ゲート(Gl)がエミッタとして配置され、前記チャンネル領域(13)がコレクタとして配置され、前記ゲート誘電体(GD)がベースとして配置され、さらに前記自己配列ソースおよびドレイン領域が前記ベースに対する接点として配置される方法。
  13. 前記トランジスタ構造は、請求項1〜12のいずれか1つに記載の方法に従って製造されることを特徴とする、ゲート領域(Gl)、およびソースおよびドレイン領域(5)を含む、基板上のトランジスタ構造。
  14. 請求項13に記載のトランジスタ構造を含む半導体デバイス。
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