JP2006526288A - ボディ固定ｓｏｉトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

ボディ抵抗を小さくしたボディ固定ＳＯＩトランジスタの製造方法を提示する。ウェハ製造プロセスにおいて、半導体ウェハをイオン注入装置内に載置し、ビームパス（３１〜３４）とトランジスタゲート（２９）端との間で略非直交ツイスト姿勢を得るために、半導体ウェハをイオン注入装置のビームパスに対して第１の位置に向ける。このように第１の位置へ姿勢を向けた後、イオン種を第１の注入領域に注入する。次に、ウェハを回転して第２の略非直交ツイスト姿勢へ向け、その位置で別のイオン注入を行う。このプロセスを同様な方法、例えば略非直交ツイストとイオン注入をさらに行う方法で、所望の数の注入領域を形成するまで続ける。ハロー注入もしくはポケット注入は、この技術を適用可能な注入の種類の一例である。

Description

本開示は、一般的に半導体デバイス製造に関し、より具体的には半導体デバイス製造におけるイオン注入プロセスに関する。
セミコンダクター・オン・インシュレータ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）構造は、従来のバルク基板と比べて、特にラッチアップの解消、短チャネル効果の減少、放射線耐性の改善及び動的結合（dynamic coupling）といった利点がある。これらの利点があるため、半導体デバイスメーカーは普通、ＳＯＩ構造上に金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）を形成する。
従来のＭＯＳＦＥＴでは、半導体材料からなる層にＮ型またはＰ型の不純物を注入することにより、半導体活性領域にソース及びドレインを形成する。ソースとドレインの間にはチャネル（もしくはボディ）領域があり、その上にはゲート電極がある。都合の悪いことに、ＳＯＩ構造上に形成されたＭＯＳＦＥＴは、基板浮遊効果（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｂｏｄｙ ｅｆｆｅｃｔ：ＦＢＥ）に悩まされることがよくあり、このことが、特に図１に示したｔ型、すなわち「ハンマーヘッド」型ゲート電極を有するような部分空乏型ＳＯＩデバイスの製造において、固定ボディ構造技術の開発に繋がった。
図１は従来技術に係る従来のｔ型ゲートトランジスタ１００の上面図を示している。このｔ型ゲートトランジスタは、領域４においてゲート９とコンタクト３の間にあるポリシリコン部１０のブロックの形状がハンマーヘッドに似ているので、「ハンマーヘッド」トランジスタとしても知られている。トランジスタ１００は、第１の幅を有する第１の領域２及び第２の幅を有する第２の領域４を備えた活性領域に形成されている。コンタクト３は領域２に位置し、コンタクト５は領域４に形成されている。ｔ型ゲートトランジスタ１００の他の図を図２に示す。
図２はｔ型トランジスタ１００の図１の線Ａでの断面図を示しており、一方、図３はトランジスタ１００の一部分のより詳細な平面図を示している。線Ａはゲート９のサイドウォールのすぐ内側の断面である。この断面は結果的に、ゲート９の端部の下にあるソース／ドレイン（Ｓ／Ｄ）エクステンション部８及びハロー（Ｈａｌｏ）注入部６を示している。図２から、トランジスタ１００は部分空乏型ＳＯＩ製造技術を用いていることがわかる。図１に図示されていない図２の構成要素としては、分離構造１８、絶縁層１１、基板１２、誘電体層１７、ゲート９の下にあるソース／ドレイン（Ｓ／Ｄ）エクステンション部８及びゲート９の下にあるハロー注入部６が挙げられる。
トランジスタのボディをコンタクトＣＭＯＳ配列に接続することによって、ｔ型トランジスタ１００等の固定ボディトランジスタにおいてＦＢＥ問題は回避されたが、それに伴って起きる導電構造の断面寸法の減少が他の要因と共に抵抗を上昇させてしまうことになった。ｔ型トランジスタ１００において、数種のボディ抵抗の要素が存在する。すなわち、ａ）コンタクト５の抵抗、ｂ）ゲート構造９の下のトランジスタ１００の幅に沿った抵抗、ｃ）ハンマーヘッド１０の下におけるボディ固定用注入部とトランジスタのＳ／Ｄ注入部との境界に沿ったピンチオフ抵抗である。
上記の３つの抵抗要素のうち、コンタクト抵抗は通常、全抵抗のうち最も小さな割合を占める。ゲート構造９の幅に沿った抵抗は、ポケット注入部としても知られるハロー注入部６により若干減少し、その結果、大抵はウェル注入のドーズ量レベルより約１桁大きいドーズ量レベルのドーパントが注入されることになる。ウェル注入のドーズ量は現在の製造技術では減少傾向にあるので、その結果、ポリシリコンハンマーヘッド１０の下における抵抗が高くなり、この抵抗要素がボディ抵抗の大半を占めるようになり始めている。
さらに、抵抗の問題は、図３に示すようなソース／ドレインエクステンション部の空乏領域がハンマーヘッド１０の下に「ピンチオフ」を生じさせる場合等の空乏現象によって悪化してしまう可能性がある。図３は図１のｔ型トランジスタ１００のハンマーヘッド１０付近の一部分の拡大図である。図３から、Ｓ／Ｄエクステンション部のハンマーヘッド１０付近にある空乏領域１３によって、ハンマーヘッド１０の下のチャネル内にピンチオフ領域１４が生じた結果、抵抗が高くなる。この現象を図４の斜視図に示す。
図４は、ｔ型トランジスタの部分１００の、図１の線Ｂで表した箇所に沿った断面図を示している。空乏領域１３が重なって形成された状態のピンチオフ領域１４を簡単に示している。ゲート幅７をハンマーヘッド１０の断面にある点線で表している。なお、この２つの空乏領域は、ピンチオフにより抵抗が高くなる結果をもたらす図示されているような重なった状態になる必要はない。
よって、これらの問題や制約を解決する方法は有益となるであろう。
添付の図面を参照することにより、当業者にとって、本開示はより理解され、また、数々の特徴及び利点はより明らかになるであろう。図示の簡素化及び明確化のために、各図に示す構成要素は必ずしも一定の縮尺で描かれてはいないことは理解されるであろう。例えば、明確にするために、構成要素の中には大きさが他の要素に比べて拡大されているものもある。本開示の他の利点、特徴、及び性質、さらに、構造の関連する構成要素に関する方法、動作、及び機能、そして、各部分と製造の経済性との連係は、すべてが本明細書の一部を構成する添付の各図面を参照して、以下の説明及び請求項を考察することにより明らかになるであろう。ここで、同様の参照符号は種々の図における対応する部分を表している。
本開示は、ボディ抵抗を小さくしたｔ型トランジスタ等のトランジスタを製造するためのイオン注入方法を提供する。本方法は、ゲート端を有する半導体ウェハをイオン注入装置内に載置する工程を備えている。半導体ウェハは次に、ビームパスとゲート端との間で略非直交ツイスト姿勢を得るために、イオン注入装置のビームパスに対して第１の位置に向けられる。このように第１の位置へ姿勢を向けた後、少なくとも１つのイオン種、例えばＮ型またはＰ型のドーパントをウェハの第１の注入領域に注入する。次に、ウェハを回転して第２の略非直交ツイスト姿勢へと向け、その位置で別のイオン注入を行う。このプロセスを同様な方法、例えば略非直交ツイストとイオン注入をさらに行う方法で、所望の数の注入領域を形成するまで続ける。
本方法によって、以前の注入方法における制約は、ボディ固定ＳＯＩトランジスタにおいてコンタクトとゲートチャネルの間の領域で重なっているＳ／Ｄエクステンション部に伴う空乏領域によって生じる抵抗上昇を防ぐことにより克服される。このため、本方法によりトランジスタ内の全体ボディ抵抗は減少し、デバイス全体の動作特性が向上する。さらに、本方法は、最新式のサブミクロン半導体集積回路デバイスを、追加の資本支出を必要とせずに既存の製造プロセスラインに組み込むのに適している。
本開示は図５から８に示す各実施形態を参照して理解するのがもっともよい。しかしながら、説明されている各例は、本開示の教示することが適用可能なデバイスやプロセスフローの種類に制限を課すことを意図するものではないことに留意しなければならない。従来技術では、ドーパントのイオン注入を用いるデバイスや製造プロセスが数多く知られているが、その多くが、ここに開示されているようなＳ／Ｄ拡散領域に伴う空乏領域が重なることにより生じたコンタクト（図５のコンタクト等）とゲートチャネルの間のパスにおける抵抗を抑制もしくは減少させる経済性に優れたプロセスからの恩恵を受けるであろう。
図５は、半導体ウェハ上にあり、ゲート部２９及びハンマーヘッド部２０並びにソース／ドレイン部２２，２４を有するｔ型トランジスタの部分２００の上面図を示している。また、図１の領域４に類似した活性領域２４の上にあるマスク層２１も図５に示している。Ｓ／Ｄエクステンション部２８への注入は、通常、１０１２ｃｍ−２から１０１６ｃｍ−２の範囲のドーズ量を有する従来技術として既知の方法にしたがって実現される。従来のＳ／Ｄエクステンション部へのドーズ量は、１０１４ｃｍ−２から１０１５ｃｍ−２の範囲のオーダーである。図５において分かるように、ソース／ドレインエクステンション部２８はハンマーヘッド２０の端部まで伸びている。図５に示すＳ／Ｄエクステンション部２８への注入に続き、図６に示すように、ハロー注入が行われるが、その結果を図７及び図８に示す。
図６は、部分２００にハロー注入領域２６を形成する様子の上面図を示している。ある実施形態では、半導体ウェハを矢印３１で示すようなビームパスに対して第１の位置に向ける。このように向きを変える目的は、ビームパス３１とゲート構造２９の端部との間で略非直交ツイスト姿勢を得るためである。ここで、本明細書で用いている「ツイストまたはツイスト姿勢」という語は、重心に位置するワイヤーによってある高さ条件で模型飛行機をつるすことにより実証される、飛行機の水平方向のヨー軸に相当するものとみなしてもよい。飛行機のノーズの左または右への動きは水平方向のヨー軸にそって起こる。
第１の位置へツイスト姿勢をとった後、Ｎ型またはＰ型のドーパントをウェハのトランジスタ部分２００の第１の注入領域へ注入する。この注入の結果、トランジスタデバイス部分２００のハンマーヘッド２０の下にある活性領域に位置するハロー注入もしくはポケット注入領域２６の形成部が、Ｓ／Ｄエクステンション部の形成部を突き抜けるようにして形成される。さらに、部分２００を図６の３２，３３及び３４で示す矢印で表すビームパスの各々へ向けて回転させて、その度に各非直交ツイスト姿勢でそれぞれのハロー注入を行う。このようにして、ハロー注入領域２６の各領域がハンマーヘッド２０の下で重なった状態が得られる。例えば、第２の注入領域が第１の注入領域に、第３の注入領域が第４の注入領域に、というように重なっていてもよい。ポケット注入、エクステンション注入及び深いソース注入が完了した後で、もしくはもう必要のない場合に、フォトレジストブロック２１を除去することができる。
ある実施形態において、ハロー注入領域２６の注入において使用されるイオン種は、周期表の１５（ＶＡ）族にある元素等のＮ型ドーパント、例えばリン（Ｐ）である。別の実施形態では、注入されるイオン種はＰ型ドーパント、例えば周期表の１３（ＩＩＩＡ）族にあるボロン（Ｂ）等の元素である。これらのポケット注入は、中程度のビーム電流及びビームエネルギーで行われる。例えば、ボロン（Ｂ）の場合、ビームエネルギーは７ｋｅＶから１５ｋｅＶの範囲であり、ヒ素（Ａｓ）の場合のビームエネルギーは４０ｋｅＶから９０ｋｅＶの範囲である。１０１３ｃｍ−２が一般的な供給ドーズ量である状態で、ハロー注入またはポケット注入のドーズ量は、１０１３ｃｍ−２から１０１５ｃｍ−２の範囲を採りうる。
略非直交ツイスト姿勢は、図６に示すようにゲート２９の端部に対して４５度とすることができる。ある実施形態では、略非直交ツイスト姿勢は３０度から６０度の範囲であることが可能である。別の実施形態では、略非直交ツイスト姿勢は１５度から７５度の範囲とすることができる。略非直交ツイスト姿勢は所望の結果に基づいて選択されるが、それにはハロー注入領域２６等の注入を必要とする形状の幾何学的な形態を考慮する必要がある。
図７は、本開示のある実施形態に係るｔ型トランジスタデバイスの部分２００の断面図を示している。図７の断面図は、図１の線Ａで表される領域を横切って切開することによって得られる断面図と同等である。図７に表された例は、部分空乏型ＳＯＩ製造技術を用いたＳＯＩトランジスタのものである。図６には図示されなかった図７の構成要素としては、分離構造３８、絶縁層３１、基板３２及び活性領域２２，２４が挙げられる。マスキング層２１が除去されていても、ビームパスは参照の目的で図示されている。
図７からわかるように、ハロー注入領域２６はゲート構造２９のハンマーヘッド２０の一部の下に広がっている。これにより、図８に示すように、Ｓ／Ｄ空乏領域の空乏５３を制限し、かつ、ピンチオフを抑制する効果をもたらす。
図８は、本開示のある実施形態にしたがって製造されたｔ型トランジスタデバイスの一部分の断面図である。図８の断面図は、図１の線Ｂで表される領域を横切って切開することによって得られる断面図と同等である。Ｓ／Ｄ空乏領域５３は、ハンマーヘッド２０の下のチャネル４０における空乏ピンチオフ状態が実現しないように引き戻された状態にある。これにより、ピンチオフ領域（１４，図４）を形成する従来技術の製造方法によって実現される抵抗の上昇が、ここに教示した製造技術を実施した際には実現しないので、全体ボディ抵抗は減少する結果となる。
本明細書で説明された方法及び装置は臨機応変に実施することができる。本発明は具体例を用いて説明されているが、これら数個しかない例に本発明が限定されるものではないことは当業者には明らかであろう。例えば、本開示を使用することにより、具体的には示されていない他の形状を形成することもできるであろう。また、本発明を他のデバイス技術と共に用いることにより、デバイス製造における注入プロセスの際に抵抗特性の減少を実現させることが可能である。さらに、ここに教示したような方法を適用する際に用いるのに適していると思われる様々なタイプのイオン注入装置が現在入手可能である。なお、本発明の実施形態をその変形と共にここに詳細に図示しかつ説明してきたが、当業者ならば本発明の教示を盛り込んだ数多くの実施形態の変更例を容易に構築できるであろう。例えば、本開示における新規性のある実施形態は、以下に列挙する項目によって明確になっている。
項目１ ゲート端を備えた半導体ウェハをイオン注入装置内に載置し、半導体ウェハをイオン注入装置のビームパスに対して第１の位置に向けることによりビームパスとゲート端との間で略非直交ツイスト姿勢を得て、半導体ウェハが第１の位置にある状態で少なくとも１つのイオン種を半導体ウェハの第１の注入領域に注入する方法。
項目２ 半導体ウェハを第２の略非直交ツイスト姿勢へと回転し、半導体ウェハが第２の位置にある状態で少なくとも１つのイオン種を半導体ウェハの第２の注入領域に注入する項目１記載の方法。
項目３ 第１の注入領域及び第２の注入領域はトランジスタデバイスのハンマーヘッド部の下に位置しており、第２の注入領域は第１の注入領域に重なっている項目２記載の方法。
項目４ 略非直交ツイスト姿勢は４５度である項目１，１０及び１７に記載の方法。
項目５ 略非直交ツイスト姿勢は３０度〜６０度の間の範囲である項目１，１０及び１７に記載の方法。
項目６ 略非直交ツイスト姿勢は１５度〜７５度の間の範囲である項目１，１０及び１７に記載の方法。
項目７ イオン種はＮ型ドーパントである項目１記載の方法。
項目８ イオン種はＰ型ドーパントである項目１記載の方法。
項目９ 互いの間の距離がゲートの幅である第１のゲート端及び第２のゲート端を備えたゲート部及びハンマーヘッド部を有するトランジスタデバイスを形成し、トランジスタデバイスの形成後に、ハンマーヘッド部の下にドーパントを注入することによりハンマーヘッド部の下にあり第１のゲート端に最も近い第１の箇所からハンマーヘッド部の下にあり第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域を形成する方法。
項目１０ 注入工程はさらに、トランジスタデバイスを第１の略非直交ツイスト姿勢へと回転し、少なくとも１つのイオン種をトランジスタデバイスの第１の注入領域に注入し、トランジスタデバイスを第２の略非直交ツイスト姿勢へと回転し、少なくとも１つのイオン種をトランジスタデバイスの第２の注入領域に注入する項目９記載の方法。
項目１１ 略非直交ツイスト姿勢は４５度である項目１０記載の方法。
項目１２ 略非直交ツイスト姿勢は３０度〜６０度の間の範囲である項目１０記載の方法。
項目１３ 略非直交ツイスト姿勢は１５度〜７５度の間の範囲である項目１０記載の方法。
項目１４ ドーパントはＮ型ドーパントである項目９記載の方法。
項目１５ ドーパントはＰ型ドーパントである項目９記載の方法。
項目１６ 互いの間の距離がゲートの幅である第１のゲート端及び第２のゲート端を備えたゲート部及びハンマーヘッド部を有するトランジスタデバイスと、ハンマーヘッド部の下にあり第１のゲート端に最も近い第１の箇所からハンマーヘッド部の下にあり第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域と、ハンマーヘッド部の下に位置するとともにハンマーヘッド部の下にあり第１のゲート端に最も近い第１の箇所からハンマーヘッド部の下にあり第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域を形成するドーパントを備えた半導体デバイス。
項目１７ ハンマーヘッド部の下に位置するドーパントは、トランジスタデバイスが少なくとも１つの略非直交ツイスト姿勢に向けられていた間に注入された少なくとも１つのイオン種を備えている項目１６記載の半導体デバイス。
項目１８ 略非直交ツイスト姿勢は４５度である項目１７記載の半導体デバイス。
項目１９ 略非直交ツイスト姿勢は３０度から６０度の間の範囲である項目１７記載の半導体デバイス。
項目２０ 略非直交ツイスト姿勢は１５度から７５度の間の範囲である項目１７記載の半導体デバイス。
項目２１ ドーパントはＮ型ドーパントである項目１６記載の半導体デバイス。
項目２２ ドーパントはＰ型ドーパントである項目１６記載の半導体デバイス。
特定の実施形態に関して、利益、他の利点及び各課題の解決方法を上記に説明してきた。しかしながら、この利益、利点、課題の解決方法、並びに、いかなる利益、利点、及び解決方法を発生させるまたは顕著になるようにすることが可能ないかなる要素も、いずれかの請求項、もしくはすべての請求項の重要、必須、あるいは不可欠な特徴または要素として解釈されるものではない。よって、本発明は、ここに記載された特定の形式に限定されることを意図するものではなく、反対に本発明の精神及び範疇内に妥当に含まれているような代替物、変形、及び均等物を網羅することを意図している。
従来技術に係るｔ型ゲートトランジスタの上面図。 従来技術のｔ型トランジスタ１００の図１の線Ａで表す領域に沿った断面図。 図１の従来のｔ型トランジスタの一部分の拡大上面図。 従来のｔ型トランジスタの図１の線Ｂで表した箇所に沿った断面図。 本開示の一実施形態に係るｔ型トランジスタの一部分の上面図を図示しており、製造プロセスで形成されたソース／ドレインエクステンション注入部を示している。 本開示の少なくとも一つの実施形態に係るトランジスタデバイス内のハロー注入領域の形成の様子の上面図。 本開示の少なくとも一つの実施形態に従って製造したｔ型トランジスタデバイスの一部分の断面図。 本開示の少なくとも一つの実施形態に従って製造したｔ型トランジスタデバイスの一部分の断面図。

Claims (10)

  1. ゲート端を持つ半導体ウェハをイオン注入装置内に載置するステップと、
    前記半導体ウェハを前記イオン注入装置のビームパスに対して第１の位置に向けることにより、該ビームパスと前記ゲート端との間で略非直交ツイスト姿勢を得るステップと、
    前記半導体ウェハが前記第１の位置にある状態で少なくとも１つのイオン種を前記半導体ウェハの第１の注入領域に注入するステップとを有する方法。
  2. 前記半導体ウェハを第２の略非直交ツイスト姿勢へと回転するステップと、
    前記半導体ウェハが前記第２の位置にある状態で少なくとも１つのイオン種を前記半導体ウェハの第２の注入領域に注入するステップとをさらに有する、請求項１記載の方法。
  3. 前記第１の注入領域及び前記第２の注入領域はトランジスタデバイスのハンマーヘッド部の下に位置しており、前記第２の注入領域は前記第１の注入領域に重なっている請求項２記載の方法。
  4. 前記略非直交ツイスト姿勢は４５度である請求項１，８及び１０に記載の方法。
  5. 前記略非直交ツイスト姿勢は３０度から６０度の間の範囲である請求項１，８及び１０に記載の方法。
  6. 前記略非直交ツイスト姿勢は１５度から７５度の間の範囲である請求項１，８及び１０に記載の方法。
  7. 互いの間の距離がゲートの幅である第１のゲート端及び第２のゲート端を備えたゲート部及びハンマーヘッド部を有するトランジスタデバイスを形成するステップと、
    前記トランジスタデバイスの形成後に、前記ハンマーヘッド部の下にドーパントを注入するステップであって、前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第１のゲート端に最も近い第１の箇所から前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域を形成するステップとを有する方法。
  8. 前記注入するステップはさらに、
    前記トランジスタデバイスを第１の略非直交ツイスト姿勢に回転するステップと、
    少なくとも１つのイオン種を前記トランジスタデバイスの第１の注入領域に注入するステップと、
    前記トランジスタデバイスを第２の略非直交ツイスト姿勢に回転するステップと、
    少なくとも１つのイオン種を前記トランジスタデバイスの第２の注入領域に注入するステップとを有する請求項７記載の方法。
  9. 互いの間の距離がゲートの幅である第１のゲート端及び第２のゲート端を備えたゲート部及びハンマーヘッド部を有するトランジスタデバイスと、
    前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第１のゲート端に最も近い第１の箇所から前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域と、
    前記ハンマーヘッド部の下に位置するとともに、前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第１のゲート端に最も近い第１の箇所から前記ハンマーヘッド部の下にあり前記第２のゲート端に最も近い第２の位置まで広がる連続ドープ領域を形成するドーパントとを備えた半導体デバイス。
  10. 前記ハンマーヘッド部の下に位置する前記ドーパントは、前記トランジスタデバイスが少なくとも１つの略非直交ツイスト姿勢に向けられていた間に注入された少なくとも１つのイオン種を備えている請求項９記載の半導体デバイス。
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