JP2005528797A - バルクシリコン基板中に、強化された(enhanced)セルフアラインの絶縁領域を有するSOI半導体デバイスを製造する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、図1には絶縁材料21の層中の複数の導電性コンタクト20が記載されている。この導電性コンタクト20は、ドレインおよびソース領域18A、18Bに対する電気的接続を提供する。
このような構成となっていることから、トランジスタ10は、ゲート絶縁層14の下の活性層11C中のチャネル領域12を定義する。
バルク基板11Aは通常、適当なドーパント物質、すなわち、NMOSデバイス用についてはホウ素またはホウ素二弗化物のようなP型ドーパント、あるいはヒ素またはリンのようなN型ドーパントでドープされる。
典型的には、バルクシリコン11Aは、約1015イオン/cm3のオーダーのドーピング濃度レベルを有する。埋込み絶縁層11Bを二酸化ケイ素で構成してもよく、その厚みは約50ないし360nm(500ないし3600Å)とすることもできる。活性層11Cは、ドープされたシリコンで構成してもよく、その厚みは約5ないし30nm(50ないし300Å)とすることもできる。
このように消費電力が増加することは、例えばポータブルコンピュータのような、集積回路を使用する近年の持ち運び可能な消費者のデバイス(consumer device)において特に好ましくない。
最終的に、完全空乏型SOI構造においてデバイス寸法が減少し続けるにつれて、短チャネル効果が増加し得る。
すなわち、このような完全空乏型デバイスにおいては、少なくともドレイン18Aの電界の力線のうちのいくつかは、比較的厚い(200ないし360nm)埋込み絶縁層11Bを通じてトランジスタ10のチャネル領域12につながる傾向がある。ある場合には、事実上、ドレイン18Aの電界は、トランジスタ10をターンオンするように作用し得る。
理論上、埋め込み絶縁層11Bの厚みを減少させること、および(または)バルク基板11Aのドーピング濃度を増加させることによって、このような問題を減らすことができる。
しかしながら、このように埋め込み絶縁層11Bの厚みを減少させたりバルク基板11Aのドーピング濃度を増加させた場合、ドレイン領域およびソース領域18A、18Bと、バルク基板11Aとの間の接合キャパシタンスが増加する傾向にある。これによって、SOI技術の主要な利点の1つ、すなわち、このような接合キャパシタンスを減少させるという利点がなくなる。
ある実施形態の1つにおいては、この方法は、バルク基板、埋込み絶縁層、および活性層を含むSOI基板上に、その上に形成される保護層を有するゲート電極を形成するステップと、このゲート電極の形成後、バルク基板中に、ゲート電極に関してセルフアライン(自己整合)され(self-aligned)、その比誘電率がバルク基板の比誘電率よりも低い、複数の絶縁領域を形成するステップと、を含む。
別の実施形態の1つにおいては、この方法は、バルク基板、埋込み絶縁層、および活性層からなるSOI基板上に、その上に保護層が形成される、ポリシリコンを含むゲート電極を形成するステップと、このバルク基板に酸素原子を導入し、これによりバルク基板中に酸素がドープされた複数の領域を形成すべく、ゲート電極および保護層が形成された後に少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップと、この酸素がドープされた領域を、バルク基板中の二酸化ケイ素を含んだ絶縁領域に変換すべく、少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップと、を含む。
本発明は様々な変形および代替の形態をとりうるが、その特定の実施形態を例示のために図面に示し、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、特定の実施形態についての本明細書中の説明は、開示された特定の形態に本発明を限定しようとするものではなく、むしろ反対に、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲の範疇に入る、すべての変形物、均等物および代替物を含むことを意図していることを理解してもらいたい。
ある実施形態の一例においては、SOI基板30は、バルク基板30A、埋込み絶縁層30B、活性層30Cを含む。もちろん、図2は基板全体またはウェハのごく一部を示しているにすぎない。
NMOSデバイスが形成される例示の実施形態では、バルク基板30AはP型ドーパント材料、例えばホウ素や二フッ化ホウ素などでドープされ、約1015イオン/cm3のドーパント濃度を有していてもよい。
ある一実施形態においては、埋め込み絶縁層30Bは、おおよそ5から50nm(50から500Å)の幅で変化する厚みを有しており、例えば二酸化ケイ素で構成することができる。
NMOSデバイスの場合、活性層30Cはおおよそ5から30nm(50から300Å)の幅で変化する厚みを有しており、P型ドーパント材料でドーピングすることができる。
しかしながら、SOI基板30の構成の記載は、添付の特許請求の範囲にそのような限定が明確に記述されないかぎりは、本発明を限定するものと考えるべきではない。
活性層30Cに形成された分離領域48および絶縁材料31の層に形成された複数の導電コンタクト46もまた図1に示す。
当業者であれば理解できるように、コンタクト46は、トランジスタ32のソース/ドレイン領域42との電気的な接触を確立するための手段を提供する。
本明細書を読了した当業者であれば理解できるように、本明細書においてさらに詳細に後述されるように、絶縁領域45はゲート電極34に関してセルフアライン(自己整合)される(self-aligned)。絶縁領域45を様々な材料によって構成してもよいし、様々な技術によって形成してもよい。
ある実施形態の一例においては、絶縁領域45はバルク基板30Aの表面39の下方おおよそ10から200nmの深さ47を有しており、この絶縁領域45は二酸化ケイ素により構成される。
図3Aは、活性層30C中にトレンチ分離領域48が形成され、ゲート絶縁層36とゲート電極34が活性層30C上に形成された段階におけるデバイスを示す。
図3Aはまた、ゲート電極34上に形成された保護層34Aを示す。
保護層34Aは、以下により詳細に記載する、後続の酸素インプラント(oxygen implant)プロセスの間、ゲート電極34を保護するのに使用される。
例えば、ゲート絶縁層36は、熱処理により生成した二酸化ケイ素の層によって構成されてもよい。ゲート電極34は、ドープされたポリシリコンまたは金属から構成されてもよい。
ゲート電極34は、例えばポリシリコンのような材料からなる層をたい積すること、ゲート電極34を定義すべく、材料のたい積された層上で1回以上のエッチングプロセスを実行することによって形成することができる。
保護層34Aはまた、完成したデバイスの恒久的な部分であってもよいし、本来的に犠牲的な部分(すなわち、下記の酸素インプラントプロセスを実行した後、除去することができる)であってもよい。
保護層34Aはまた、他のプロセスに使用することができる。例えば、保護層34Aはまた、ポリシリコンの層の上のフォトレジストのパターン層を形成するのに使用されるステッパ露光プロセス中における反射を減少するための、ポリシリコンの層上に形成される反射防止コーティング層の役割を果たす。
一般的には、保護層34Aは、例えば窒化ケイ素、シリコンオキシナイトライド、酸化物、ポリイミド、有機的反射防止コーティング層等の様々な材料で構成することができる。また、約20から300nmの間で変動する厚みを有していてもよい。
様々な技術、例えば化学蒸着プロセスによって保護層34Aを形成することができる。
この注入プロセス50は、ゲート電極34およびトレンチ分離領域48に関してセルフアラインされる。この注入プロセス50は、約10から100keVの範囲のエネルギーレベルにおいて、約1e17から5e18イオン/cm2の範囲の酸素の薬量を用いて実行することができる。
これにより、バルク基板30A中に複数の酸素がドープされた領域52を形成されることとなる。
ゲート電極34を形成した後、酸素インプラントプロセス50をいつ実行してもよい。
ある1つの実施形態においては、アニールプロセスは、約1から6時間の間、約1100から1400℃の範囲で変動する温度で実行される。アニールプロセスは、従来の炉において実行することができる。
アニールプロセスが、二酸化ケイ素絶縁領域45を形成すべく実行されるとすれば、デバイスについての他のドープされた領域(例えばソース/ドレイン領域42)のうちの少なくともいくつかを形成するに先立って、アニールプロセスが実行されることが望ましい。
その後、図2に記載されたトランジスタ32の構造を完成すべく、従来の半導体製造作業を実行する。すなわち、側壁スペーサ44、ソース/ドレイン領域42およびコンタクト46を、様々な既知の技術や材料を使用して形成する。
記載の実施形態において、さらに詳しくは、領域45は、セルフアラインの方法でバルク基板30A中に形成されるので、この領域45は、トランジスタ32のソース/ドレイン領域42によって占められる領域の下にあるバルク基板30Aの中に位置する。
ある典型的な実施形態においては、本方法は、バルク基板、埋込み絶縁層、および活性層を含むSOI基板の上にゲート電極(このゲート電極は、その上に形成される保護層を有する)を形成するステップと、ゲート電極の形成後、バルク基板中に複数の絶縁領域を形成するステップとを含む。この絶縁領域は、ゲート電極に関してセルフアラインされており、その比誘電率はバルク基板の比誘電率よりも低い。
さらなる実施形態においては、バルク基板、埋込み絶縁層、および活性層を含むSOI基板上に、ゲート電極を形成するステップ(このゲート電極の上には保護層が形成される)と、バルク基板に酸素原子を導入し、これによりバルク基板中に酸素がドープされた複数の領域を形成すべく、ゲート電極および保護層が形成された後に少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップと、酸素がドープされた領域を、バルク基板中の二酸化ケイ素を含んだ絶縁領域に変換すべく、少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップと、を含む。
Claims (16)
- バルク基板30A、埋込み絶縁層30B、および活性層30Cを含むSOI基板30上に、その上に形成される保護層34Aを有するゲート電極34を形成するステップと、
前記ゲート電極34の形成後、前記バルク基板30A中に、前記ゲート電極34に関してセルフアラインされ、その比誘電率は前記バルク基板30Aの比誘電率よりも低い、複数の絶縁領域45を形成するステップと、を含む、方法。 - 前記ゲート電極の形成後、前記バルク基板中に、前記ゲート電極に関してセルフアラインされ、その比誘電率は前記バルク基板の比誘電率よりも低い、複数の絶縁領域を形成するステップは、
前記バルク基板30Aに酸素原子を導入し、これにより前記バルク基板30A中に酸素がドープされた複数の領域54を形成すべく、前記ゲート電極34および前記保護層34Aが形成された後に少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップと、
前記酸素がドープされた領域52を、前記バルク基板30A中の二酸化ケイ素を含んだ絶縁領域45に変換すべく、少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップと、を含む、請求項1記載の方法。 - 前記ゲート電極34を形成するステップは、ポリシリコンと金属の少なくともいずれか一方を含むゲート電極34を形成するステップを含む、請求項1記載の方法。
- 前記保護層34Aは、窒化ケイ素、シリコンオキシナイトライド、酸化物、ポリイミド、および有機的反射防止コーティングのうち少なくとも1つを含む、請求項1記載の方法。
- 前記少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップは、約1e17から5e18イオン/cm2の範囲の酸素インプラント薬量で、約10から100keVの範囲のエネルギーレベルにおいて実行される、請求項2記載の方法。
- 前記少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップは、約1100から1400℃の範囲の温度で実行される、請求項2記載の方法。
- 前記少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップは、約1から6時間の間実行される、請求項2記載の方法。
- 前記酸素がドープされた領域を、前記バルク基板中の二酸化ケイ素を含んだ絶縁領域に変換すべく、少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップにおいて、前記絶縁領域は、約10から200nmの範囲の深さを有する、請求項2記載の方法。
- バルク基板30A、埋込み絶縁層30B、および活性層30CからなるSOI基板30上に、その上に形成される保護層34Aを有する、ポリシリコンを含むゲート電極を形成するステップと、
前記バルク基板30Aに酸素原子を導入し、これにより前記バルク基板30A中に酸素がドープされた複数の領域を形成すべく、前記ゲート電極34および前記保護層34Aが形成された後に少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップと、
前記酸素がドープされた領域52を、前記バルク基板30A中の二酸化ケイ素を含んだ絶縁領域45であって、前記ゲート電極34に関してセルフアラインされており、前記バルク基板30Aの表面の下方およそ10から200nmの範囲の深さを有する絶縁領域45に変換すべく、少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップと、を含む、方法。 - 前記少なくとも1度の酸素インプラントプロセスを実行するステップは、約1e17から5e18イオン/cm2の範囲の酸素インプラント薬量で、約10から100keVの範囲のエネルギーレベルにおいて実行される、請求項9記載の方法。
- 前記少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップは、約1100から1400℃の範囲の温度で実行される、請求項9記載の方法。
- 前記少なくとも1度のアニールプロセスを実行するステップは、約1から6時間の間実行される、請求項9記載の方法。
- バルク基板30A、埋込み絶縁層30B、および活性層30Cを含むSOI基板30の上に形成されたゲート電極34と、
前記バルク基板30A中に形成され、前記ゲート電極34に関してセルフアラインされており、その比誘電率は前記バルク基板30Aの比誘電率よりも低い、複数の絶縁領域45と、を含む、半導体デバイス。 - 前記複数の絶縁領域45は、二酸化ケイ素を含む、請求項13記載のデバイス。
- 前記複数の絶縁領域45は、前記バルク基板30Aの表面の下方およそ10から200nmの範囲の深さを有する、請求項13記載のデバイス。
- 前記ゲート電極34の上に位置する保護層34Aであって、窒化ケイ素、シリコンオキシナイトライド、酸化物、ポリイミド、および有機的反射防止コーティングのうち少なくとも1つを含む保護層34Aをさらに含む、請求項13記載のデバイス。
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