JP2005537670A - Transistor element having anisotropic High-K gate dielectric - Google Patents
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Abstract
電界効果トランジスタ300は異方性誘電体305を含むゲート絶縁層を有する。ゲート絶縁層に対して平行である第一誘電率が、ゲート絶縁層に対して垂直である第二誘電率よりも実質的に低くなるよう、方向が選択される。The field effect transistor 300 has a gate insulating layer including an anisotropic dielectric 305. The direction is selected such that the first dielectric constant parallel to the gate insulating layer is substantially lower than the second dielectric constant perpendicular to the gate insulating layer.
Description
本発明は、概して最小のフィーチャーサイズ(形状)が0.1μmあるいはそれ未満であるトランジスタエレメントを有する高度な集積回路の製造に関し、更に具体的には、酸化物のキャパシタンス等価厚が2nmあるいはそれ未満である誘電体を備えた、高容量のゲート構造に関するものである。 The present invention relates to the fabrication of advanced integrated circuits having transistor elements that generally have a minimum feature size (shape) of 0.1 μm or less, and more specifically, oxide capacitance equivalent thickness of 2 nm or less. The present invention relates to a high-capacity gate structure including a dielectric.
最新の集積回路では、最小のフィーチャーサイズが着実に縮小しており、現在の方法では0.1μm、近い将来は0.08μmになると期待されている。フィーチャーサイズを着実に縮小していく上で直面する多くの問題の中で、デバイスサイズの更なるスケーリングを可能とするために解決すべき一つの重要な課題がある。以下にその課題を説明する。現在のところ、圧倒的多数の集積回路がシリコンをベースとしている。シリコンは実質的に無制限に利用可能であることや、過去50年間に集められた経験、及びよく知られた特性その理由であり、またその結果、シリコンは次世代の回路でも選択される材料であり続けるだろう。半導体デバイスの製造において、シリコンが非常に重要であることの理由の1つに、相異なる領域の確実な電気絶縁を可能にするという、シリコン/二酸化シリコンインターフェースの優れた特徴が挙げられる。シリコン/二酸化シリコンインターフェースは高温で安定し、またそれ故、要求されているアニールサイクルなどの、後続の高温でのプロセスを可能にし、ドーパントを活性化するとともに、インターフェースの電気的特徴を犠牲にすることなく、結晶のダメージを回復させる。 In modern integrated circuits, the minimum feature size is steadily shrinking and is expected to be 0.1 μm with the current method and 0.08 μm in the near future. Among the many problems encountered in steadily reducing feature size, there is one important issue that must be solved to allow further scaling of device size. The problem will be described below. At present, the vast majority of integrated circuits are based on silicon. Silicon is available for virtually unlimited use, experience gathered in the last 50 years, and well-known characteristics, and as a result, silicon is the material of choice for next generation circuits. Will continue to be. One of the reasons why silicon is so important in the manufacture of semiconductor devices is the excellent feature of the silicon / silicon dioxide interface that allows reliable electrical isolation of different regions. The silicon / silicon dioxide interface is stable at high temperatures and therefore allows subsequent high temperature processes, such as required annealing cycles, to activate dopants and at the expense of electrical characteristics of the interface Without damaging the crystal damage.
ほとんどの最新の集積回路は、非常に多くの電界効果トランジスタを有し、上記に指摘した理由のために、好ましくは二酸化シリコンがシリコンチャネル領域からポリシリコンゲート電極を分離しているゲート絶縁層として用いられる。着実に改善されている電界効果トランジスタのデバイス性能において、このチャネル領域の長さは、スイッチング速度を高め、ドライブの電流容量を増加させるよう短縮化が続けられている。トランジスタの性能は、チャネル領域の表面を所定の供給電圧に対する所望の電流を与えるに十分に高い電荷密度に変えるために、ゲート電極へ供給される電圧により制限されるので、ゲート電極、チャネル領域、及びその間に配置される二酸化シリコンにより形成されるキャパシタにより与えられるある程度の容量結合が維持される必要がある。また、チャネル長さを縮小するにはトランジスタオペレーションの間に、いわゆる短チャネル効果(short channel behavior)を回避するために改善された容量結合が必要とされることが判明している。この短チャネル効果は、リーク電流を増加させ、またしきい電圧のチャネル長への依存をもたらしうる。相対的に低い供給電圧を有することから、しきい電圧も小さい、非常に縮小されたトランジスタデバイスは、従って、チャネル効果を実質的に回避するためにチャネル領域へのゲート電極の容量結合を同様に増加する必要があるため、リーク電流の急激な増加に悩まされている。従って、二酸化シリコン層の厚みも同様に薄くされ、ゲートとチャネル領域との間に所望の電気容量を与える必要がある。例えば、チャネル長を0.13μmとするには、約2−3nmの範囲の二酸化シリコンの厚みが必要であり、また、ゲート長を0.08μmとするには約1.2nmの厚みの二酸化シリコンでできたゲート誘電体が必要である。一般的に非常に短いチャネルを有する高速トランジスタエレメントは、好ましくは高速アプリケーションに対して使用され、一方で、長いチャネルを有するトランジスタエレメントは、ストレージトランジスタエレメントなど、それほど重要でないアプリケーションに対して使用される。しかし、極薄の二酸化シリコンゲート絶縁層を通じての電荷担体のダイレクトトンネリング(direct tunneling)により引き起こされる、相対的に高いリーク電流は、パフォーマンス追求型、いわゆるパフォーマンスドリブンの回路には許容されない、1−2nmの範囲の酸化物の厚みに対する値に達しうる。 Most modern integrated circuits have a large number of field effect transistors and, for the reasons noted above, preferably as a gate insulating layer where silicon dioxide separates the polysilicon gate electrode from the silicon channel region. Used. In the device performance of field effect transistors that are steadily improving, the length of this channel region continues to be shortened to increase switching speed and increase the current capacity of the drive. The performance of the transistor is limited by the voltage supplied to the gate electrode in order to change the surface of the channel region to a charge density high enough to give the desired current for a given supply voltage, so that the gate electrode, channel region, And some capacitive coupling provided by the capacitors formed by the silicon dioxide placed between them must be maintained. It has also been found that reducing the channel length requires improved capacitive coupling during transistor operation to avoid so-called short channel behavior. This short channel effect can increase the leakage current and can cause the threshold voltage to depend on the channel length. Because of the relatively low supply voltage, a highly reduced transistor device that also has a low threshold voltage, therefore, similarly couples the capacitive coupling of the gate electrode to the channel region to substantially avoid the channel effect. Since it needs to increase, it suffers from a rapid increase in leakage current. Therefore, the thickness of the silicon dioxide layer is similarly reduced, and it is necessary to provide a desired capacitance between the gate and the channel region. For example, a silicon dioxide thickness in the range of about 2-3 nm is required for a channel length of 0.13 μm, and a silicon dioxide thickness of about 1.2 nm is required for a gate length of 0.08 μm. A gate dielectric made of In general, high speed transistor elements with very short channels are preferably used for high speed applications, while transistor elements with long channels are used for less important applications such as storage transistor elements. . However, the relatively high leakage current caused by direct tunneling of charge carriers through an ultra-thin silicon dioxide gate insulating layer is unacceptable for performance-driven, so-called performance-driven circuits, 1-2 nm Values for oxide thicknesses in the range can be reached.
従って、ゲート絶縁層を生成する材料として、特に極薄の二酸化シリコンゲート層に対して、二酸化シリコンに取って代わる材料が検討されている。考えられる代替材料としては、十分に高い誘電率を示す材料が挙げられ得る。ここでいう十分に高いとは、二酸化シリコンゲート層に比較して、対応して形成されるゲート絶縁層の厚みが部鶴的によりたかくなる一方で、極薄の二酸化シリコン層により得られる容量結合に対応する値が得られるに十分なまでに誘電率が高いことを意味する。一般に、二酸化シリコンとの特定の容量結合を達成するために必要とされる厚みは、キャパシタンス等価厚(capacitance equivalent thickness:CET)と称される。従って、一見すると、単純に二酸化シリコンをhigh-k材料と交換することは、1nmあるいはそれ未満の範囲の等価厚を得るためには、簡単な方法をいえるであろう。この点での一つの手法は、窒素を二酸化シリコン層へ導入することであり、これにより、誘電体率が増加する。しかしながら、極薄の二酸化シリコン層内に、その下層のチャネル領域を侵入させることなく、窒素を確実に配置するということにより、この手法がそれほど期待できないものとなっている。更に、二酸化シリコンに窒素を導入するので、バンドギャップが低減され、所定の最大のリーク電流に対して、ゲートキャパシタンス増加は中程度に止まるに過ぎないであろう。 Accordingly, materials that replace silicon dioxide are being considered as materials for forming the gate insulating layer, particularly for ultrathin silicon dioxide gate layers. Possible alternative materials may include materials that exhibit a sufficiently high dielectric constant. The term “sufficiently high” as used herein means that the thickness of the gate insulating layer formed correspondingly becomes higher than that of the silicon dioxide gate layer, while the capacitive coupling obtained by the ultrathin silicon dioxide layer. This means that the dielectric constant is high enough to obtain a value corresponding to. In general, the thickness required to achieve a specific capacitive coupling with silicon dioxide is referred to as capacitance equivalent thickness (CET). Thus, at first glance, simply replacing silicon dioxide with high-k material would be an easy way to obtain an equivalent thickness in the range of 1 nm or less. One approach in this regard is to introduce nitrogen into the silicon dioxide layer, which increases the dielectric constant. However, this technique cannot be expected so much because nitrogen is surely arranged in an extremely thin silicon dioxide layer without invading the channel region under the silicon dioxide layer. Furthermore, by introducing nitrogen into the silicon dioxide, the band gap is reduced and the gate capacitance increase will only be moderate for a given maximum leakage current.
従って、二酸化シリコンを、kの値が約25である酸化タンタル(Ta2O5)、kの値が約150であるチタン酸ストロンチウムなどの高誘電率を持つ材料に交換することが提案されている。そのような高誘電体材料をゲート誘電体として適用する場合、これらの材料の処理を確実なプロセスシーケンスに統合する場合に含まれる複数の問題点に加えて、チャネル領域のキャリア移動度がこれらの高誘電体材料により著しい影響を受ける。従って、高い容量結合が得られるものの、これらのトランジスタエレメントのデバイス性能は、低減したキャリア移動度により低下し、従って、高誘電体材料を使用することにより得られる利点は少なくとも部分的に相殺される。 Accordingly, it has been proposed to replace silicon dioxide with materials having a high dielectric constant, such as tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) with a k value of about 25, strontium titanate with a k value of about 150. Yes. When such high dielectric materials are applied as gate dielectrics, in addition to the multiple problems involved in integrating the processing of these materials into a reliable process sequence, the carrier mobility of the channel region can be Significantly affected by high dielectric materials. Thus, although high capacitive coupling is obtained, the device performance of these transistor elements is reduced due to the reduced carrier mobility, and thus the benefits obtained by using high dielectric materials are at least partially offset. .
従って、トランジスタエレメントを将来的に小型化するにあたっては、高容量結合が必要とされ、一方でトランジスタデバイスのドライブ電流容量を決定するキャリア移動度は、それほど悪影響を受けないことが求められる。 Therefore, in future miniaturization of transistor elements, high capacitive coupling is required, while the carrier mobility that determines the drive current capacity of the transistor device is required not to be significantly adversely affected.
本発明は概して、弱く結合された誘電体材料の電子雲が引き起こす高誘電率が、チャネル領域で電荷担体のフロー方向に実質的に垂直である角度範囲に効果的に抑制されうる、という発明者の検知に基づくものである。ゲート電極とチャネル領域間の容量結合が、実質的には電荷担体を持った、弱く結合された電子雲の電磁相互作用により決定されるので、反転層が効果的に生成される。一方でチャネル領域に電荷担体を有する誘電体における電子雲のラテラル結合は、低く維持される。 The present invention generally provides an inventor that the high dielectric constant caused by an electron cloud of weakly bonded dielectric material can be effectively suppressed to an angular range that is substantially perpendicular to the direction of charge carrier flow in the channel region. This is based on the detection of Since the capacitive coupling between the gate electrode and the channel region is determined substantially by the electromagnetic interaction of the weakly coupled electron cloud with charge carriers, an inversion layer is effectively created. On the other hand, the lateral coupling of the electron cloud in the dielectric having charge carriers in the channel region is kept low.
本発明の一実施形態によると、電界効果トランジスタは、活性領域上に形成されるとともにhigh-k誘電体を有すゲート絶縁層を有する。ゲート絶縁層に対し垂直であるhigh-k誘電体の誘電率は、ゲート絶縁層と平行である誘電率よりも高い。 According to one embodiment of the present invention, a field effect transistor has a gate insulating layer formed on an active region and having a high-k dielectric. The dielectric constant of the high-k dielectric that is perpendicular to the gate insulating layer is higher than the dielectric constant that is parallel to the gate insulating layer.
更なる実施形態によると、基板上にhigh-kゲート絶縁層を形成する方法は、第一方向沿いに第一誘電率を有するとともに、第二方向沿いに第一誘電率よりも高い第二誘電率を有する異方性誘電体材料を、エピタキシャル成長させることを有する。基板の表面に対し、実質的に垂直である第二方向を調整するために、少なくとも1つのプロセスパラメータが制御される。 According to a further embodiment, a method of forming a high-k gate insulating layer on a substrate has a first dielectric constant along a first direction and a second dielectric higher than the first dielectric constant along a second direction. An epitaxial dielectric material having a rate is epitaxially grown. At least one process parameter is controlled to adjust a second direction that is substantially perpendicular to the surface of the substrate.
本発明の別の実施形態によると、high-k誘電体ゲート絶縁層を形成する方法は、活性半導体領域が上に形成されている基板を準備することを有する。次に、異方性誘電体材料が蒸着されて誘電体層が形成され、基板が実質的にアニールされる。誘電体層に対し平行方向の第一誘電体が、誘電体層に対し垂直方向の第二誘電率より低くなるように、結晶の方向を調整するため、基板の蒸着及びアニールのうちの少なくとも一方の、少なくとも一プロセスのパラメータが制御される。 According to another embodiment of the present invention, a method of forming a high-k dielectric gate insulating layer includes providing a substrate having an active semiconductor region formed thereon. Next, an anisotropic dielectric material is deposited to form a dielectric layer and the substrate is substantially annealed. At least one of substrate deposition and annealing to adjust the crystal orientation so that the first dielectric parallel to the dielectric layer is lower than the second dielectric constant perpendicular to the dielectric layer. At least one process parameter is controlled.
更に別の実施形態によれば、約2nm未満のキャパシタンス等価厚を有するゲート絶縁層の形成方法は、少なくとも別の2方向に異なる誘電率を有する結晶性の誘電体を選択することを有する。該方法は更に、より高い誘電率の方向に対応する方向が、基板の表面に実質的に垂直となるように、基板上に結晶性の誘電体を形成するために、プロセスパラメータの設定を決定することを含む。最後に、結晶性の誘電体は、パラメータの設定に従い形成される。 According to yet another embodiment, a method of forming a gate insulating layer having a capacitance equivalent thickness of less than about 2 nm comprises selecting a crystalline dielectric having different dielectric constants in at least two other directions. The method further determines process parameter settings to form a crystalline dielectric on the substrate such that the direction corresponding to the direction of the higher dielectric constant is substantially perpendicular to the surface of the substrate. Including doing. Finally, the crystalline dielectric is formed according to the parameter settings.
本発明の他の更なる実施形態によれば、電解効果トランジスタは2nm未満のキャパシタンス等価厚を有する、誘電体層を有するゲート絶縁層を有する。誘電体層に対して平行な誘電率に対する、誘電体層に対して垂直な誘電率比は、1.2以上である。 According to another further embodiment of the invention, the field effect transistor has a gate insulating layer with a dielectric layer having a capacitance equivalent thickness of less than 2 nm. A dielectric constant ratio perpendicular to the dielectric layer to a dielectric constant parallel to the dielectric layer is 1.2 or more.
本発明は添付の図面と併せて以下に示すことにより理解されうるものであり、同じ参照番号は、同じ要素を表す。 The present invention may be understood by the following in conjunction with the accompanying drawings, wherein like reference numerals represent like elements.
本発明は、様々な改良を行い、また、他の形態で実施することができるが、ここに説明されている特定の実施形態は例示として示されたものであり、以下にその詳細を記載する。しかし当然のことながら、ここに示した特定の実施形態は、本発明を開示されている特定の形態に限定するものではなく、むしろ、本発明は添付の請求項によって限定されている発明の範疇に属する全ての改良、等価物、及び変形をカバーするものである。 While the invention is amenable to various modifications and alternative forms, specific embodiments described herein have been shown by way of example and are described in detail below. . It should be understood, however, that the particular embodiments illustrated are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather to the scope of the invention as defined by the appended claims. Covers all improvements, equivalents, and variations belonging to.
本発明の実施形態を以下に記載する。簡素化のため、現実の実施品における全ての特徴を本明細書に記載することはしていない。当然のことながら、そのような現実の実施品の開発においては、開発者における特定の目標を達成するため、システム的制限やビジネス的制限との摺り合わせなど、多くの特定の実施の決定がなされる。それらは各実施形態によって変化するものである。更にそのような開発努力は複雑で時間を消費するものであるのは当然のことであるが、それでもなお、この開示の恩恵を有する当業者にとっては通常作業の範疇に入るものである。 Embodiments of the present invention are described below. For simplicity, not all features in a real implementation are described herein. Of course, in the development of such real-world implementations, many specific implementation decisions are made, such as reconciliation with system and business limitations, to achieve specific goals for developers. The They vary depending on each embodiment. Further, such development efforts are naturally complex and time consuming, but nevertheless fall within the normal work for those skilled in the art having the benefit of this disclosure.
本発明を添付の図面を参照しながら説明する。半導体デバイスの様々な構造と注入領域が非常に正確で鋭い形状とプロフィルをもって各図面に描かれているが、当業者であれば実際にこれらの領域や構造が図面に示されているほど正確なものでないと認識できるであろう。加えて、図面に描かれている様々な特徴と注入領域の相対的な大きさは、製造されているデバイスの特徴や領域のサイズと比較すると誇張や縮小されている。しかしながら、添付の図面は本発明の実施形態を説明する目的で添付されているものである。本明細書で使用される用語や言い回しは、関連技術において当業者たちによって理解される単語や言い回しと一貫した意味を持つものと理解される。本明細書において用語あるいは言い回しを一貫して使用していても、これらの用語や言い回しのいかなる特定の定義、すなわち、当業者により理解される通常の意味及び慣習的な意味からは異なる定義を意味するものではない。用語や言い回しを、特定の意味を有する範囲において用いる場合、つまり当業者により理解されているのとは異なる意味で用いる場合、本明細書においては、直接かつ明確にそのような言葉や言い回しの特定の定義を行う。 The present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The various structures and implant regions of the semiconductor device are depicted in each drawing with very precise, sharp shapes and profiles, but those skilled in the art will be able to see how accurately these regions and structures are actually shown in the drawings. You will recognize that it is not. In addition, the various features depicted in the drawings and the relative size of the implant regions are exaggerated or reduced compared to the features and region sizes of the devices being manufactured. However, the attached drawings are attached for the purpose of illustrating embodiments of the present invention. Terms and phrases used herein are understood to have a meaning consistent with words and phrases understood by those skilled in the relevant art. The consistent use of terms or phrases in this specification means definitions that are different from any particular definition of these terms or phrases, that is, from the ordinary and conventional meanings understood by those of ordinary skill in the art. Not what you want. When a term or phrase is used in a range that has a specific meaning, that is, when used in a different meaning than that understood by those skilled in the art, the specification directly and clearly identifies such words and phrases. Define.
チャネル長さを0.1μm以下とするために必要とされる2nmあるいはそれ以上のキャパシタンス等価厚を達成するために、二酸化シリコン及び/又は酸窒化シリコンに取って代わることができる材料を求めて懸命な努力がなされている。これまでに、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタンなどの候補が確認されてきている。しかしながら、これらのhigh-k材料の導入により、リーク電流を増加させずに2nm未満のキャパシタンス等価厚が達成されうることを示唆しているにもかかわらず、従来の手法ではチャネル領域のキャリア移動度が小さくなってしまうことに対する解決策を提案していないようである。 Hard work for materials that can replace silicon dioxide and / or silicon oxynitride to achieve the capacitance equivalent thickness of 2 nm or more required to make the channel length less than 0.1 μm Efforts have been made. So far, candidates such as zirconium oxide, hafnium oxide, and titanium oxide have been confirmed. However, despite the suggestion that the introduction of these high-k materials can achieve a capacitance equivalent thickness of less than 2 nm without increasing the leakage current, the conventional approach does not provide carrier mobility in the channel region. Does not seem to propose a solution to the fact that
従って本発明は、増加する絶対誘電率に加え、誘電率の方向性も考慮に入れるというコンセプトに基づくものであり、これにより、ソース領域からドレイン領域に移動する場合に、誘電体材料を有する電子などの電荷担体の相互作用に著しく影響を及ぼすことができる。 The present invention is therefore based on the concept of taking into account the direction of the dielectric constant in addition to the increasing absolute dielectric constant, so that when moving from the source region to the drain region, an electron with a dielectric material is present. Can significantly affect the interaction of charge carriers such as.
図1aから図1cを参照して、本発明のコンセプトが以下に更に詳細に解説される。図1aにおいて、電界効果トランジスタ100は典型的にはシリコンベースの半導体材料である活性領域106を有する基板101を有する。便宜上、トランジスタ100をN−チャネルタイプとして示す。本発明にはP−チャネルのトランジスタにも同様に応用される。更に、ソース領域102及びドレイン領域103は活性領域106に形成される。例えばポリシリコンや、他の導電材料から成るゲート電極104は、活性領域106上に形成されるとともに、そこから異方性材料より成るゲート絶縁層105によって分離される。この異方性材料とは、結晶性の金属含有酸化物あるいはケイ酸塩、あるいは強誘電性材料、あるいは光学的に異方性の材料などのことである。異方性のゲート絶縁層105の誘電体は、ゲート絶縁層105に対して実質的に平行な方向における第一誘電率kparallelと、ゲート絶縁層105に対して実質的に垂直な方向における第二誘電率korthogonalとを有し、参照符号107により示されているように、kparallelはkorthogonalよりも低い。
With reference to FIGS. 1a to 1c, the concept of the present invention will be explained in more detail below. In FIG. 1a,
動作時においては、ゲート電極104及び活性領域106に対し電圧が印加される。便宜上、図1aに示されているN−チャネルトランジスタ100に対して、正電圧によって、ゲート絶縁層105と活性領域106との間のインターフェースにおいて導電チャネル108が形成されるよう、ソース領域102及び活性領域106は共通の参照電位となるよう結合されている。高誘電率korthogonalのため、ゲート絶縁層105は、チャネル108に対してゲート電極104の高容量結合を与えており、一方で2nmあるいはそれ未満のキャパシタンス等価厚と比較して、ゲート絶縁層105が物理的に厚みが増加していることで、チャネル108からゲート電極105へのリーク電流を許容レベルにおいて維持している。誘電率kparallelは電荷担体のフロー方向に垂直である誘電率korthogonalよりも実質的に低いため、ゲート誘電体への電磁結合は、図1aの矢印120により示されているように、フロー方向において著しく低い。これについての更なる詳細は図1b及び図1cを参照しながら以下に解説される。
In operation, a voltage is applied to the
図1bにゲート電極105の一部分の単純化モデルを示す。このモデルでは、異方性誘電体を有するゲート絶縁層105が二次元グリッドにより表されており、格子サイトがドット111により表されている。これらのドットは垂直方向のスプリング110により、また、水平方向のバー112により、最近隣と結合されている。異なる強さを持つ2つの別のタイプのスプリングが導入されるのを回避するために、便宜上、誘電率kparallelは非弾性バー112により表示されている。しかしながら、誘電率kparallelは外部の電磁界に対して感度が低いことを示す“強い”スプリングにより表されうることが分かる。スプリング110及びバー112は、電子雲及び荷電粒子との相互作用の対応するアビリティを表すものである。ゲート電極104に対し正電圧を印加すると、対応するスプリング110が変形する。すなわち、電子雲はアンバランスな状態にされ、電子がチャネル領域108に引き寄せられて結合される。ソース領域とドレイン領域との間に電圧が確立されると、電子はこの電界の影響により移動し、電子が垂直方向のゲート絶縁層105と結合されたままになるとともに、スプリング110aの近くへ移動する。バー112は、少なくともこの単純化モデルでは、いずれの変形もすることができないので、実質的な結合は水平方向に発生せず、それ故、電子の水平運動は実質的に影響を受けない。
FIG. 1 b shows a simplified model of a portion of the
図1cに、実質的に等方性のゲート絶縁層105aに対するこの状況を示す。このケースでは、電子は水平方向のスプリング110を変形させることができ、また垂直方向のスプリング110も同様に変形させることができるので、ある程度の結合が両方向に存在しこのことがフロー方向の電子の移動度を小さくするという結果をもたらす。
FIG. 1c illustrates this situation for a substantially isotropic gate insulating layer 105a. In this case, the electrons can deform the
従って、平行及び垂直方向に著しい異方性を持つゲート絶縁層105に誘電体材料を与えることにより、チャネル領域108の電荷担体の移動度の悪化が実質的に小さくなり、そしてその結果、トランジスタの性能は、等方性誘電体を持つ従来のデバイスと比較して、向上する。従来のデバイスで同程度の誘電率を持つ誘電体材料が用いられても、あるいは、対応する誘電体材料の方向に適切に調整されずに、トランジスタ100で用いられるものと同じ材料が用いられたとしても、キャリア移動度はトランジスタ100と比べると小さくなる。
Thus, by providing a dielectric material for the
図2に異方性導電体材料の一例を示す。図2において、二酸化チタン(TiO2)の基本構造が、いわゆる正方晶系・ルチルの形状で示されている。図2に示すように、この結晶性形状では、二酸化チタンはそれぞれ0.4594nm及び0.2958nmの格子定数a及びcを有し、正方晶系である。更に、軸c沿いの誘電率は軸a沿いの誘電率より低く、軸cの誘電率に対する軸aの誘電率比は室温で約2である。誘電率のkの値は約60であり、この値は、ゲート絶縁層105の特定の配列及び成長パラメータに依存しうる。典型的に、二酸化チタンはチタンテ(IV)イソプロポキシド(TTIP:titanium tetrakis isopropoxide(TTIP)及び窒化チタンなどの前駆ガスを用いて、化学気相堆積法により蒸着されうる。基板の温度を660℃以上に維持することにより、二酸化チタンは実質的に正方晶系の形状に蒸着される。他の形態では、あるいは更に、基板を約700−900℃の範囲内の温度でアニールし、二酸化チタン層を、実質的に正方晶系の形状を示す結晶層に変形することができる。
FIG. 2 shows an example of the anisotropic conductive material. In FIG. 2, the basic structure of titanium dioxide (TiO 2 ) is shown in the form of a so-called tetragonal system / rutile. As shown in FIG. 2, in this crystalline form, titanium dioxide has tetragonal systems with lattice constants a and c of 0.4594 nm and 0.2958 nm, respectively. Further, the dielectric constant along axis c is lower than the dielectric constant along axis a, and the ratio of the dielectric constant of axis a to the dielectric constant of axis c is about 2 at room temperature. The value of the dielectric constant k is approximately 60, and this value may depend on the specific alignment and growth parameters of the
結晶の正方晶系形状の二酸化チタン層などを含む電界効果トランジスタ100を形成するための、上述の蒸着スキームについての典型的なプロセスフローは、以下のステップを有する。第一に、浅いトレンチ分離(図示せず)が活性領域106を形成するために形成されうる。活性領域106に垂直なドーパントプロファイルを形成するための注入シーケンス後に、ゲート絶縁層105が基板101に蒸着される。上記例では、ゲート絶縁層105は二酸化チタンを有しており、また、二酸化チタンの熱的安定性を確実にするため、薄いバリア層を蒸着するのが好都合である。例えば、二酸化シリコンあるいは窒化シリコンからなる1つあるいは2つの原子層あるいはジルコニウムシリケートなどが基板101に蒸着されうる。続いて、上述の化学蒸着気相法などを使って二酸化チタンが蒸着され、基板101の表面に実質的に垂直方向の軸cを備えた結晶性の成長を得るように、プロセスパラメータが調整される。対応するパラメータの設定は基板101の結晶方向、バリア層のタイプ、蒸着状態、また場合によってはアニール状態により決定される。従って、二酸化チタンの成長及び/あるいはアニールに基づく結晶の方向は実験及び/あるいはシミュレーション計算法などの理論により確立される。
A typical process flow for the above-described deposition scheme to form a
他の形態では、二酸化チタンは実質的に適温で蒸着され、続くアニールサイクルで結晶化されうる。二酸化チタンの蒸着後、プロセスの進め方によっては、必要とされる結晶性のためにアニールサイクルが実施されうる。二酸化チタンの蒸着においては、必要とされるキャパシタンス等価厚を得るために厚みが制御される。既に指摘しているように、効果的な誘電率korthogonal及びkparallelは蒸着の特異性、及び使用されるバリアタイプの材料により決定され、典型的な値は20−70の範囲である。続いて、ポリシリコン層が既知のフォトリソグラフィとエッチ技術により蒸着され、模倣され、ゲート電極104が形成される。その後、電界効果トランジスタ100は周知の注入、スペーサ、及びアニール技術により完成されうる。
In other forms, the titanium dioxide can be deposited at a substantially appropriate temperature and crystallized in subsequent annealing cycles. After the deposition of titanium dioxide, depending on how the process proceeds, an annealing cycle can be performed due to the required crystallinity. In the deposition of titanium dioxide, the thickness is controlled to obtain the required capacitance equivalent thickness. As already pointed out, the effective dielectric constants k orthogonal and k parallel are determined by the deposition specificity and the barrier type material used, with typical values in the range of 20-70. Subsequently, a polysilicon layer is deposited and imitated by known photolithography and etch techniques to form the
図3に電界効果トランジスタ300の更なる例の概略的な断面図を示す。電界効果トランジスタ300は異方性high-k材料層305、及びシリコン基板301に形成された極薄の二酸化シリコン層の形状でバリア層315を有する。トランジスタ300は更に異方性誘電体層305に形成されたゲート電極304及び側壁スペーサ309を有する。ソース及びドレイン領域は基板301内に形成される。層305及び層315を合わせた厚みが、約1−1.5nmの範囲のキャパシタンス等価厚に対応するよう選択される。バリア315が既にキャパシタンス等価厚の一部、典型的に、1つあるいは2つの原子層に対し約0.5nmを“消費”しているので、異方性誘電体層305の実効的な厚みは、約3−5nmの範囲であり、これにより、2nm以上の二酸化シリコン層に実質的に対応するリーク電流をもたらしている。従って、トランジスタエレメント300は、0.1μmを大幅に超えるゲート長さをスケーリングすることができ、一方で現在の最新のデバイスレベルでリーク電流を維持することができる。誘電体層305が異方性の性質を持つため、キャリア移動度は二酸化シリコンベースのデバイスに匹敵しうる。二酸化シリコンのバリア層315を与えることにより、トランジスタエレメント300は信頼できるものになる。それはシリコン/二酸化シリコンインターフェース、及びそれらの製造プロセスには現在確立されているプロセス技術との互換性が大いにあるからである。
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a further example of a
結果として、本発明は、ゲート絶縁層に平行方向または垂直方向の異なる誘電率を与えることにより、ゲート長さを0.1μm未満とする高度なトランジスタエレメントを提供するものである。好ましくはkparallelに対するkorthogonalの比率は1.2以上であり、これは、キャパシタンスの増加とリークの低減に関して電荷担体の移動度向上に著しい効果を実現するためである。好ましくは、誘電体ゲート材料の異方性は、所望の目的とするCET(キャパシタンス等価厚)及びプロセスの要求に応じて選択される。例えば、バリア層に対する必要性は、目標とするCETを達成するために、最小のk値を決定することであり、異方性はオペレーション上の要求を満たす必要がある。例えば、高性能アプリケーションはキャリア移動度を最適化するために高い異方性を必要とする。一方でリーク電流は約100という極度に高い値を持ち、しかしながら明確な異方性はあまり持たない材料と比べると、二酸化チタンなどの適度な誘電率により、妥当な制限内にある。 As a result, the present invention provides an advanced transistor element having a gate length of less than 0.1 μm by giving the gate insulating layer different dielectric constants in parallel or vertical directions. Preferably, the ratio of k orthogonal to k parallel is 1.2 or more, in order to achieve a significant effect on improving the charge carrier mobility with respect to increased capacitance and reduced leakage. Preferably, the anisotropy of the dielectric gate material is selected according to the desired target CET (capacitance equivalent thickness) and process requirements. For example, the need for a barrier layer is to determine the minimum k value to achieve the targeted CET, and the anisotropy needs to meet operational requirements. For example, high performance applications require high anisotropy to optimize carrier mobility. On the other hand, the leakage current has an extremely high value of about 100, but is within reasonable limits due to a moderate dielectric constant such as titanium dioxide as compared to a material that does not have a clear anisotropy.
更に、high-k誘電体の結晶性は、必要とされる方向が得られるように調整されうる。好ましくは、蒸着動力学、バリア層のタイプ、必要に応じて基板の結晶構造などが、例えば模倣によって及び/あるいは実験によって、目標とするキャパシタンス等価厚に従い物理的な厚みを調整するために考慮されうる。別の形態では、方向及び/あるいは結晶構造は、1つ以上の異なる材料からなる1つ以上の副層を与えることにより調整されうる。例えば、必要とされる方向に導くため、high-k材料を蒸着するために適切な結晶構造を提供することが必要とされる。従って、次に一つ以上の“遷移”層が与えられ、high-k値を有する所望の方向の“バルク”材料を得るために、最後に蒸着のベースが与えられる。 Furthermore, the crystallinity of the high-k dielectric can be adjusted to obtain the required direction. Preferably, the deposition kinetics, the type of barrier layer, and optionally the crystal structure of the substrate are taken into account to adjust the physical thickness according to the target capacitance equivalent thickness, for example by imitation and / or experimentation. sell. In another form, the orientation and / or crystal structure can be tailored by providing one or more sublayers of one or more different materials. For example, to guide in the required direction, it is necessary to provide a suitable crystal structure for depositing high-k materials. Thus, one or more “transition” layers are then provided, and finally a deposition base is provided to obtain the desired “bulk” material with high-k values.
本発明による利益を享受し得る当業者であれば、本発明に関して等価の範囲内で種々の変形及び実施が可能であることは明らかであることから、上述の個々の実施形態は、例示的なものに過ぎない。例えば、上述した方法における各ステップは、その実行順序を変えることもできる。更に上述した構成あるいは設計の詳細は、なんら本発明を限定することを意図するものではなく、請求の範囲の記載にのみ限定されるものである。従って、上述した特定の実施形態は、変形及び修正が可能であることは明らかであり、このようなバリエーションは、本発明の趣旨及び範囲内のものである。従って、本発明の保護は、請求の範囲によってのみ限定されるものである。 It will be apparent to those skilled in the art who are able to benefit from the present invention that various modifications and implementations are possible within the equivalent scope of the present invention, so that the individual embodiments described above are exemplary. It's just a thing. For example, the execution order of each step in the above-described method can be changed. Further, the details of the configuration or the design described above are not intended to limit the present invention at all, and are limited only to the description of the claims. Thus, it will be apparent that the particular embodiments described above can be varied and modified and such variations are within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the protection of the present invention is limited only by the scope of the claims.
Claims (18)
第一方向沿いに第一誘電率を有するとともに第二方向沿いに前記第一誘電率よりも高い第二誘電率を有する異方性誘電材料305をエピタキシャル成長させ、
少なくとも1つのプロセスパラメータを制御して、前記第二方向を前記基板の表面に実質的に垂直となるよう調整する、方法。 A method of forming a high-k gate insulating layer on a substrate 301, comprising:
Epitaxially growing an anisotropic dielectric material 305 having a first dielectric constant along a first direction and a second dielectric constant higher than the first dielectric constant along a second direction;
Controlling at least one process parameter to adjust the second direction to be substantially perpendicular to the surface of the substrate.
活性半導体領域が上に形成されている基板301を用意し、
誘電体層を形成するために異方性誘電体材料を蒸着し、
前記基板をアニールし、かつ
前記基板301の蒸着またはアニールのうちの少なくとも一方の少なくとも1つのプロセスパラメータを制御して、前記誘電体層に平行である第一誘電率が、前記誘電体層に垂直である第二誘電率より低くなるように、結晶方向を調整する、方法。 A method of forming a high-k dielectric gate insulating layer, the method comprising:
Preparing a substrate 301 on which an active semiconductor region is formed;
Depositing an anisotropic dielectric material to form a dielectric layer;
Annealing the substrate and controlling at least one process parameter of at least one of deposition or annealing of the substrate 301 such that a first dielectric constant parallel to the dielectric layer is perpendicular to the dielectric layer Adjusting the crystal orientation to be lower than the second dielectric constant.
少なくとも相異なる2方向で異なる誘電率を有した結晶性誘電体を選択し、
高誘電率に対応する方向が、前記基板301の表面に実質的に垂直になるように、基盤301に前記結晶性誘電体を形成するためにプロセスパラメータの設定を決定する、方法。 A method of forming a gate insulating layer having a capacitance equivalent thickness of less than about 2 nm, the method comprising:
Selecting a crystalline dielectric having different dielectric constants in at least two different directions;
A method for determining process parameter settings for forming the crystalline dielectric on the substrate 301 such that a direction corresponding to a high dielectric constant is substantially perpendicular to a surface of the substrate 301.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009283850A (en) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | Elpida Memory Inc | Capacitor insulating film and method for forming the same, and capacitor and semiconductor device |
JP2011044577A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Hitachi Kokusai Electric Inc | Method of manufacturing semiconductor device |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55102242A (en) * | 1978-11-20 | 1980-08-05 | Texas Instruments Inc | Method of forming titanium dioxide gate |
JPH04367262A (en) * | 1991-06-14 | 1992-12-18 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2000058831A (en) * | 1998-06-04 | 2000-02-25 | Toshiba Corp | Mis semiconductor device and non-volatile semiconductor storage device |
JP2000150817A (en) * | 1998-11-17 | 2000-05-30 | Siemens Ag | Semiconductor device and its fabrication |
JP2000260979A (en) * | 1999-03-11 | 2000-09-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2002016063A (en) * | 2000-06-27 | 2002-01-18 | Toshiba Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7195013B2 (en) * | 1993-11-09 | 2007-03-27 | Advanced Circulatory Systems, Inc. | Systems and methods for modulating autonomic function |
US6262462B1 (en) * | 1998-06-22 | 2001-07-17 | Motorola, Inc. | Enhanced dielectric constant gate insulator |
US6501121B1 (en) * | 2000-11-15 | 2002-12-31 | Motorola, Inc. | Semiconductor structure |
US20020089023A1 (en) * | 2001-01-05 | 2002-07-11 | Motorola, Inc. | Low leakage current metal oxide-nitrides and method of fabricating same |
KR100493206B1 (en) * | 2001-01-16 | 2005-06-03 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | Semiconductor device and process for producing the same |
US7449756B2 (en) * | 2005-06-13 | 2008-11-11 | Intel Corporation | Semiconductor device with a high-k gate dielectric and a metal gate electrode |
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2003
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS55102242A (en) * | 1978-11-20 | 1980-08-05 | Texas Instruments Inc | Method of forming titanium dioxide gate |
JPH04367262A (en) * | 1991-06-14 | 1992-12-18 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JP2000058831A (en) * | 1998-06-04 | 2000-02-25 | Toshiba Corp | Mis semiconductor device and non-volatile semiconductor storage device |
JP2000150817A (en) * | 1998-11-17 | 2000-05-30 | Siemens Ag | Semiconductor device and its fabrication |
JP2000260979A (en) * | 1999-03-11 | 2000-09-22 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacture thereof |
JP2002016063A (en) * | 2000-06-27 | 2002-01-18 | Toshiba Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009283850A (en) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | Elpida Memory Inc | Capacitor insulating film and method for forming the same, and capacitor and semiconductor device |
JP2011044577A (en) * | 2009-08-21 | 2011-03-03 | Hitachi Kokusai Electric Inc | Method of manufacturing semiconductor device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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WO2004021424A1 (en) | 2004-03-11 |
AU2003270452A1 (en) | 2004-03-19 |
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