JP2007520883A - 垂直型fin−fetmosデバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 トランジスタ本体として働く垂直方向のシリコン「フィン」を用いて、低い接触抵抗を持つ高密度の垂直型Fin−FETデバイスを生成すること。
【解決手段】 低い接触抵抗を示す新しいクラスの高密度の垂直型Fin−FETデバイスが説明される。これらの垂直型Fin−FETデバイスは、トランジスタ本体として働く垂直方向のシリコン「フィン」(12A)を有する。ドープされたソース領域及びドレイン領域(26A、28A)が、それぞれフィン(12A)の下部及び上部内に形成される。ゲート(24A、24B)が、フィンの側壁に沿って形成される。適切なバイアスがゲート(24A、24B)に印加されると、電流は、ソース領域(26A)とドレイン領域(28A)との間で、フィン(12A)を通して垂直方向に流れる。pFET、nFET、マルチ・フィン、シングル・フィン、マルチ・ゲート、及びダブルゲートの垂直型Fin−FETを同時に形成するための統合プロセスが説明される。
【選択図】 図8

Description

本発明は、一般に、半導体デバイス、より具体的には、MOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)デバイス、さらに具体的には、垂直型MOSFETに関する。
1965年、当時のFairchild Semiconductorにおける研究開発部門の長であったGordon Moore博士は、1950年代後半における最初の集積回路の形成以来、集積回路ごとのトランジスタ・デバイスの数が、2〜3年毎に倍増してきており、当分の間その傾向が続くと予想されるとの所見を述べた。この所見は、業界誌によって、「ムーアの法則」と呼ばれた。多くの基本的障害について悲観的な予測にもかかわらず、業界における半導体密度の増大に向けた継続的で不屈の努力により、ほぼ40年後の現在、Moore博士の予言的所見が事実上肯定され、当分の間、依然としてその傾向が衰えずに続くことが予想される。集積回路の密度を増大させるために、半導体デバイスのサイズを減少させるプロセスは、一般に「スケーリング」と呼ばれる。
半導体MOS(金属酸化膜半導体)デバイスをスケーリングする現行の努力は、より高い集積回路のパッキング密度に寄与するだけでなく、集積回路の性能をも改善する。スケーリング・プロセスが、現在利用可能なMOSテクノロジー及び技術の物理的限界に向けて進んでいるので、デバイスのサイズをさらに減少させ、デバイス性能を高めるために、新しいテクノロジー及び技術が開発されている。MOSデバイスのサイズが減少するにつれて、種々の分野において、ソース/ドレインの接触抵抗及び通電容量などの大きな問題が生じる。少なくともこれら2つの領域において、極めて小さいサイズは、性能に不利に働く傾向がある。
極めて小さい幾何学形状のFETの通電容量を改善するために用いられてきた1つの手法は、「ダブルゲート」(ここでは、デュアルゲートとも呼ばれる)トランジスタを形成するというものである。原則的に、ダブルゲート・トランジスタは、2つのトランジスタが並列に働くようなものであり、これにより、ソースとドレインとの間の電流フローが改善される。2つの主要なタイプのダブルゲート・トランジスタ、すなわちプレーナ型ダブルゲート・トランジスタ及びダブルゲートFin−FETが示された。
プレーナ型ダブルゲートFETは、これが、両端部にあるソース及びドレイン、並びにソースとドレインとの間のチャネルを備えた水平方向の「プレーナ型」トランジスタ本体を有するという点で、従来のシングルゲート・トランジスタと大して違わない。しかしながら、シングルゲート・トランジスタとは違って、プレーナ型ダブルゲートFETは、トランジスタ本体の下方に、ソースとドレインとの間の第2の平行なチャネルを実効的に形成する第2のゲートを有する。しかしながら、第2の埋込ゲートを形成し、これに接続される際には、著しく複雑なプロセスが関係しており、スケーリング能力に関して、プレーナ型ダブルゲート・トランジスタが従来のプレーナ型トランジスタ構造体と著しく異なるとは言えない。こうしたプレーナ型デバイスは、スケーリングの物理的限界に急速に近づいている。
ダブルゲートFin−FETは、トランジスタ本体として働く、薄い垂直方向のシリコン「フィン」を用いる。水平方向に対向するフィンの両端部が、ソース及びドレインとして働く。ゲート構造体は、逆「U字」形状でフィンの周りに形成されるので、フィンは、その両方の垂直方向側壁に沿って形成された平行なゲートを有する。プレーナ型ダブルゲート・トランジスタにおけるように、ダブルゲートFin−FETは、ソースとドレインとの間に平行なチャネルを実効的に形成することによって、ソースとドレインとの間の電流フローを改善する。ダブルゲートに適切にバイアスがかけられると、電流は、ソースとドレインとの間でフィンを通して水平方向に流れる。Fin−FETのトランジスタ本体は薄い垂直方向の構造体であるので、類似したプレーナ型デバイスと比べると、著しくスペースを節約することができる。しかしながら、Fin−FETにおける直列抵抗は、深刻な問題となる。
本発明の技術は、トランジスタ本体として働く垂直方向のシリコン「フィン」を用いて、低い接触抵抗を持つ高密度の垂直型Fin−FETデバイスを生成するものである。ドープされたソース領域及びドレイン領域が、それぞれフィンの下部及び上部に形成される。ゲート構造体が、フィンの側壁に沿って形成され、ソース領域とドレイン領域との間の垂直方向距離にわたり、薄いゲート絶縁体によってフィンから分離される。適切なバイアスがゲートに印加されると、電流は、ソース領域とドレイン領域との間のチャネル領域を通して垂直方向に流れる。選択ドーピングを用いて、本発明の垂直型Fin−FETデバイスのnFET及びpFETの両方が、同じ基板上に容易に形成される。基板は、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)ウェハであることが好ましいが、絶縁体層の上に形成されたシリコン層(例えば、埋込酸化物層「BOX」)を有する、いずれかの基板又はその一部を用いることができる。
本発明の垂直型Fin−FETデバイスの基本構造が、絶縁体層上に配置された少なくとも1つの垂直型半導体フィンを有することを特徴とする。ドープされたソース領域及びドレイン領域が、フィンの下部及び上部に形成され、ゲート導体が、少なくとも1つの半導体フィンの垂直方向側壁に沿って配置される。ゲート導体は、薄いゲート絶縁体によってフィンから離間配置される。
本発明の一態様によると、ゲート導体は、フィンのソース領域とドレイン領域との間の垂直方向距離にわたって延びる。ゲート導体がフィンの両側に配置されているので、垂直型Fin−FETは、本質的にデュアルゲート・デバイスである。適切なバイアス電圧がゲート導体に印加されると、チャネルが、各ゲートに隣接してソース領域とドレイン領域との間に形成され、実質的に平行なチャネルを形成し、シングルゲート・デバイスと比べて、垂直型Fin−FETの通電容量を改善する。
一般的に言えば、ソース導体は、フィンの両側でソース領域に接触する。ソース導体を接続するために、ソース・コンタクト(一般的には、金属)が用いられ、ドレイン・コンタクトがドレイン領域に接続され、ゲート・コンタクトがゲート導体に接続される。
本発明の一態様によると、ゲート接続を、別個に又は共通に行うことができる。フィンの両側でゲート導体に接続された別個のゲート・コンタクトを設けることにより、マルチ・ゲートの垂直型Fin−FETがもたらされ、これにより各々のゲートを別々に制御できるようになる。フィンの両側のゲート導体をシングル・ゲート・コンタクトと並列に接続することにより、駆動能力が強化されたダブルゲート垂直型Fin−FETがもたらされる。
本発明の別の態様によると、ソース・コンタクトは、垂直型Fin−FETの「シングル・ソース」変形においてのみ、フィンの片側でソース導体に接続され得る。
ソース導体が全て一緒に接続され、ドレイン領域が全て一緒に接続され、ゲート導体が全て一緒に接続されるように、多数のフィンを形成し、それらを並列に接続することによって、垂直型fin−FETのマルチ・フィン・バージョンが容易に形成される。代替的に、2つのゲート・コンタクトを設け、そこでは、一方のゲート・コンタクトが各フィンの片側で全てのゲート導体に接続され、他方のゲート・コンタクトが、各フィンの他方の側で全てのゲート導体に接続されるように、ゲートを接続することができる。
本発明の別の態様によると、「ファット・ドレイン」変形が、ドレインの接触抵抗を改善する。この変形において、ドレイン・コンタクトは、フィンを超えて横方向に延びるように「拡大される」。
選択ドーピングによって、nFETデバイス及びpFETデバイスが、同じ基板上に容易に形成される。nFETデバイスについては、ソース領域、ドレイン領域、ゲート導体、及びソース導体が、全てn+ドープされる。pFETデバイスについては、ソース領域、ドレイン領域、ゲート導体、及びソース導体が、全てp+ドープされる。
いずれの数のpFETデバイス及び/又はnFETデバイスを形成することもでき、シングル・フィン・デバイスと同じプロセスを用いて、マルチ・フィン・デバイスを形成することができる。このことにより、実質的に同じプロセス・ステップを用いて、シングル・フィン及び/又はマルチ・フィンのpFET及び/又はnFETデバイスのいずれかの組合せを、単一の基板上に形成することが可能になる。これらのデバイスは、CMOS回路の一部又は非相補型MOS回路の一部とすることができ、より大きい集積回路デバイスの一部とすることもできる。
垂直型fin−FETデバイスを形成するための1つの好適な方法は、次の
(1)絶縁体層上に配置された半導体層を有する半導体基板を準備するステップと、
(2)半導体層を通って絶縁体層まで平行なトレンチをエッチングすることによって、絶縁体層の上部に垂直方向の半導体フィンを形成するステップと、
(3)トレンチの下部にドープされたソース導体を選択的に堆積させ、ドープされた導体がフィンの下部に接触するようにするステップと、
(4)ドープされた導体の上にソース絶縁体を形成するステップと、
(5)トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁体を形成するステップと、
(6)ドープされた導体からフィンの下部にドーパントを熱的に打ち込み、ソース領域を形成するステップと、
(7)フィンの垂直方向側壁に沿って、ゲート絶縁体によって離間配置されたゲート導体を形成するステップと、
(8)フィンの上部をドープし、内部にドレイン領域を形成するステップと、
(9)トレンチの露出された側壁、フィン、及びゲート導体に沿って、側壁スペーサを形成するステップと、
(10)ソース絶縁体をエッチバックし、下にあるドープ・ソース導体を露出させるステップと、
(11)ソース導体及びゲート導体の露出された部分内にシリサイドを形成するステップと、
(12)トレンチを酸化物とトレンチ充填物で充填し、平坦化するステップと、
(13)選択エッチング、金属充填、及び化学機械研磨のダマシン・プロセスによって、金属のソース、ドレイン、及びゲート・コンタクトを形成するステップと
のような、一連の処理ステップとして要約することができる。
本発明のこれら及び更に別の特徴は、以下の説明及び図面を参照することで明らかになるであろう。
本発明の技術は、トランジスタ本体として働く、高く薄い垂直方向のシリコン「フィン」を形成することによって、接触抵抗が低い高密度の垂直型Fin−FETデバイスを生成するものである。適切にドープされたソース領域及びドレイン領域が、それぞれフィンの下部及び上部に形成され、ゲート構造体が、フィンの側壁に沿って形成され、ドープされたソース領域及びドレイン領域の上に重なり、これによりソース領域とドレイン領域との間のフィン内に、垂直方向のチャネル領域が形成される。適切なバイアスがゲートに印加されると、電流は、ゲート構造体に隣接してソース領域とドレイン領域との間に延びる、チャネル領域内に形成されるチャネルを通して水平方向に流れる。選択ドーピングを用いて、本発明の垂直型Fin−FETデバイスのnFET変形及びpFET変形の両方が、同じ基板上に容易に形成される。基板は、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)ウェハであることが好ましいが、絶縁体層(例えば、埋込酸化物層−「BOX」)の上に形成されたシリコン層を有する何らかの適切な基板又はその一部を用いることもできる。窒化物層がシリコン層の上に重なり、該シリコン層が埋込酸化物層の上に重なるようにされたSOI基板を用いることが好ましい。
Fin−FET半導体構造体を形成する方法の好ましい実施形態が、(1)例えば、シリコン層を通して平行なトレンチを絶縁体層(例えば、BOX)までエッチングすることによって、適切な基板(例えば、SOI)内の絶縁体層の上部に、高く薄い垂直方向の半導体(シリコン)「フィン」を形成するステップと、(2)トレンチの下部にn+ドープ及び/又はp+ドープされたポリシリコン導体を選択的に堆積させ(形成されるFinFETデバイスのタイプ、すなわちnFET及び/又はpFETに適切なように)、ドープされたポリシリコン導体がフィンの下部に接触するようにするステップと、(3)ポリシリコンの上にHDP酸化絶縁層を形成するステップと、(4)従来のマスキング及び注入技術を用いて、(「フィン」において)適切なチャネル・ドーピングを行うステップと、(5)トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁体を形成し、ポリシリコン・ドーパントをフィンの下部に熱的に「打ち込む」ステップと、(6)フィンの両側にゲート導体を形成する(ゲート絶縁体が、ゲート導体をフィンから分離するように)ステップと、(7)n+ドーパント及び/又はp+ドーパントをフィンの上部に選択的に注入し(形成されるFinFETデバイスのタイプ、すなわちnFET及び/又はpFETに適切なように)、内部にドレイン領域を形成するステップと、(8)窒化物を堆積させ、エッチバックし、側壁スペーサを形成するステップと、(9)HDP酸化物をエッチバックし、下にあるドープされたポリシリコン・ソース導体を露出させ、ソース導体及びゲート導体の露出された部分にシリサイドを形成するステップと、(10)トレンチを酸化物のトレンチ充填物で充填し、CMP(化学機械研磨)により平坦化するステップと、(11)選択エッチング、金属充填、及び化学研磨のダマシン・プロセスによって、金属のソース、ドレイン、及びゲート・コンタクトを形成するステップとのようなステップに要約することができる。
本発明の好ましい実施形態の次の詳細な説明において、図面の特徴は、必ずしも縮尺通りのものではなく、単に示される構造体と特徴との間の関係を概略的に示すものとして解釈すべきであることに留意すべきである。
図1は、本発明による、n−チャネル及びp−チャネル垂直型Fin−FETが形成されることになるSOIウェハ基板100の断面図である。ウェハ基板構造体は、埋込酸化物層(BOX)4が形成されるバルク・シリコン層2を有することが好ましい。単結晶シリコン層6が、埋込酸化物層4の上にある。窒化物誘電体層(例えば、SiN)8が、シリコン層6の上にある。シリコン層6の厚さは、50−200ナノメートル(nM−10−9メートル)であることが好ましいが、さらにデバイスをスケーリングする場合には、より薄い層が適している。
図2は、エッチングを行って、BOX層4まで窒化物層8及びシリコン層6を貫通する明確に定められた平行トレンチ10A、10B、10C、及び10Dを形成した後の、図1のウェハ基板100を表すウェハ基板200の断面図である。トレンチ10A及び10Bは、これらの間に、nFETトランジスタ(一般に、図においては「nFET」と示される)の本体となる第1のフィン12Aを定める。第1のフィン12Aは、窒化物の「キャップ」14Aを有する。トレンチ10C及び10Dは、これらの間に、pFETトランジスタ(一般に、図においては「pFET」と示される)の本体となる第2フィン12Bを定める。第2のフィン12Bもまた、窒化物の「キャップ」14Bを有する。トレンチ10B及び10Cは、これらの間に、窒化物キャップ16Aを有するシリコン基部16Bを含むスペーサ構造体を定める。フィン12A及び12Bの幅は、10−20nMであることが好ましいが、さらにデバイスをスケーリングする場合には、より狭い幅が適している。フィン12A及び12Bの高さは、シリコン層6の厚さと等しく、好ましくは50−200nMである。
図3は、トレンチ10A及び10Bの下部に、それぞれn+ドープされたポリシリコン・ソース導体18A及び18Bを形成し、トレンチ10C及びトレンチ10Dの下部に、それぞれp+ドープされたポリシリコン・ソース導体18C及び18Dを形成するプロセスの後の、図2のウェハ基板200を表すウェハ基板300の断面図である。未完成の「pFET」デバイス(一般に、図においては「pFET」と示される)をマスクオフし、n+ドープされたポリシリコンをトレンチ10A及び10B内に堆積させ(一般に、未完成の「nFET」デバイスに関連し、一般に図においては「nFET」と示される)、エッチバックしてn+ソース導体18A及び18Bが、トレンチ10A及び10Bを均一な深さまでほぼ均一に充填するようにし、その下部でのみフィン12Aに接触させることによって、ソース導体18A及び18Bが形成されることが好ましい。次に、マスクを除去し、未完成の「nFET」デバイスをマスクオフし、p+ドープされたポリシリコンをトレンチ10C及び10D(一般に、未完成「pFET」デバイスに関連した)内に堆積させ、エッチバックしてトレンチ10C及び10Dを均一な深さまでほぼ均一に充填するようにし、その下部でのみフィン12Bに接触させることによって、ソース導体18C及び18Dを類似した方法で形成する。当業者であれば、処理の順序(すなわち、n+ソース導体18A及び18Bが最初に形成される場合、ここに説明されるような「nFET優先」、又はp+ソース導体18C及び18Dが最初に形成される場合「pFET優先」)は重要ではなく、本発明の技術が、如何なる処理の順序にも容易に適合されることを直ちに理解するであろう。さらに、nFETデバイス又はpFETデバイスだけが必要とされる場合、幾つかの中間ステップを排除することができる。
図4は、HDP酸化物層20A、20B、20C、及び20Dを、それぞれソース導体18A、18B、18C、及び18Dの上部に形成した後の、図3のウェハ基板300を表すウェハ基板400の断面図である。HDP酸化物層は、側壁のエッチングに続いて、HDP(高密度プラズマ)酸化物堆積プロセスによって形成されることが好ましい。未完成のnFETトランジスタ及びpFETトランジスタ(一般に、図においては、それぞれ「nFET」及び「pFET」と示される)が、より大きな集積半導体デバイスの一部であると仮定するとき、当業者であれば、適切にパターン形成されたマスクを用いて、この時点で、必要とされる如何なる気相ドーピング及び/又は井戸注入も実行できることを直ちに認識し、理解するであろう。
図5は、ゲート絶縁体22を形成し、ソース導体18A、18B、18C、及び18Dからフィン12A及び12B内にソース・ドーパントを「打ち込み」、それぞれ内部にソース領域26A及び26Bを形成した後の、図4のウェハ基板400を表すウェハ基板500の断面図である。ゲート絶縁体22は、熱酸化形成プロセスによって、トレンチ10A、10B、10C、及び10Dの露出されたシリコン側壁(フィン12A及び12Bの露出された側壁を含む)上に形成されることが好ましい。この熱プロセスは、ソース導体18A及び18B内のn+ソース・ドーパントが第1のフィン12Aの下部ソース領域部分に熱拡散することによる「打ち込み」と、ソース導体18C及び18D内のp+ソース・ドーパントが第2のフィン12Bの下部ソース領域部分に熱拡散することによる「打ち込み」とを引き起こす。所望であれば、付加的な加熱を用いて、ソースの「打ち込み」熱拡散プロセスを続けることができる。図に示されるように、フィンの両側からの「打ち込み」ソース拡散は、重なり、混合する傾向がある(ソース領域26A及び26B内の重なった曲線として示される)。打ち込みプロセスにより、ソース領域26A及び26Bが、HDP酸化物層20A、20B、20C、及び20Dの上面より、フィン12A及び12Bにおいてより高温に達するように、HDP酸化物層20A、20B、20C、及び20Dを十分に薄くすべきである。図には示されないが、ソースの「打ち込み」プロセスも、スペーサ構造体のシリコン基部16Bの下部への拡散を引き起こすことに留意されたい。この外部からのソース拡散が、何らかのタイプのデバイス間の交差結合を形成することを防止するように、初期のステップ又は後のステップにおいて、適切なデバイス間の分離が用いられる。
図6は、ポリシリコン・ゲート導体24A、24B、24C、及び24D(ゲート・ポリ)を形成した後の、図5のウェハ基板500を表すウェハ基板600の断面図である。ゲート導体24A及び24Bは、ゲート絶縁体22と接触した状態で、第1のフィン12Aの両側に配置され(それぞれトレンチ10A及び10Bにおいて、かつ、それぞれHDP酸化物層22A及び22Bの上に)、n+ドープされる。ゲート導体24C及び24Dは、ゲート絶縁体22と接触した状態で、第2のフィン12Bの両側に配置され(それぞれトレンチ10C及び10Dにおいて、かつ、それぞれHDP酸化物層22C及び22Dの上に)、p+ドープされる。ゲート導体24A、24B、24C、及び24Dは、フィン12A及び12Bの側部を、途中まで垂直方向に上に延びる。nFETデバイス(一般に、図においては「nFET」と示される)の所望の領域だけを露出させる「pFET」マスクを形成し、n+ドープされたポリシリコンを堆積させ、適切な深さにエッチバックし、所望のゲート外形(nFETリソ)をマスキングし、例えば、反応性イオン・エッチング(RIE)のような適切な高度に方向性のエッチング・プロセスを用いてエッチングすることによって、ゲート導体24A及び24Bを形成することが好ましい。次に、類似したプロセスを用いて、ゲート導体24C及び24Dを形成することができる(すなわち、nFETマスク、p+ゲート・ポリ堆積、エッチバック、pFETリソ、及びRIEエッチング)。
ソース導体18A−Dの形成と同様に、ゲート導体24A−Dを形成する順序(すなわち、n+優先又はp+優先)は重要ではなく、本発明の技術は、いずれの順序にも容易に適合されることを、当業者であれば直ぐに認識し、理解するであろう。
図7は、ドレイン領域28A及び28Bをフィン12A及び12Bの上部に注入した後の、図6のウェハ基板600を表すウェハ基板700の断面図である。この注入は、(1)マスキングを行って、未完成のnFETデバイスのフィン12A(及び、より大きい集積回路上に同時に形成された、任意の他のnFETデバイスの、任意の他の類似したフィン)を露出させ、次に、任意の適切なプロセスによりマスクを通してn+注入を行って、ゲート導体24A及び24Bの上部よりわずかに下方まで延びる深さにn+ドープされたドレイン領域28Aをフィン12A内に形成し、次に、(2)マスクを除去し、再マスキングを行って、未完成のpFETデバイスのフィン12B(及び、より大きい集積回路上に同時に形成された、任意の他のpFETデバイスの、任意の他の類似したフィン)を露出させ、任意の適切なプロセスによりマスクを通してp+注入を行って、ゲート導体24C及び24Dの上部よりわずかに下方まで延びる深さにp+ドープされたドレイン領域28Bをフィン12B内に形成することによって達成される。既に述べたように、処理の順序(n+優先又はp+優先)は重要ではない。
図8は、窒化物の側壁スペーサ30を形成した後の、図7のウェハ基板700を表すウェハ基板800の断面図である。窒化物スペーサは、窒化物を堆積させ(任意の適切な堆積プロセスによって)、次に、窒化物が全ての露出した垂直方向側壁、すなわちトレンチ10A、10B、10C、及び10D、ゲート絶縁体22、ゲート導体24A、24B、24C、及び24D、並びに窒化物キャップ14A、14B、及び16Aの露出した垂直方向側壁を覆うようにエッチバックすることによって形成されることが好ましい。
図9は、シリサイド・ゲート・コンタクト構造体32A、32B、32C、及び32D、並びに、シリサイド・ソース・コンタクト構造体34A、34B、34C、及び34Dの形成後の、図8のウェハ基板800を表すウェハ基板900の断面図である。HDP酸化物層20A、20B、20C、及び20Dの露出した部分を通してエッチングし、ポリシリコン・ソース導体18A、18B、18C、及び18Dを露出させ、次に、任意の適切なシリサイド化プロセスを行い、ゲート導体24A、24B、24C、及び24Dの露出された部分内にそれぞれシリサイド・ゲート・コンタクト構造体32A、32B、32C、及び32Dを形成し、ソース導体18A、18B、18C、及び18Dの新たに露出された部分内にそれぞれシリサイド・ソース・コンタクト構造体34A、34B、34C、及び34Dを形成することによって、これらのシリサイド構造体を形成することが好ましい。全てのシリサイド・コンタクト構造体(32x及び34x)を実質的に同時に形成することができる。シリサイド・コンタクト形成プロセスは、シリサイド化のための適切な金属(例えば、CoSiの形成のためのコバルト)を堆積させること、任意の適切な手段(例えば、RTA)によりシリサイド化すること、及び余剰金属を除去することを含むことが好ましい。
図10は、酸化物の充填及び平坦化プロセス後の、図9のウェハ基板900を表すウェハ基板1000の断面図である。トレンチ10A、10B、10C、及び10D酸化物充填物36で一杯にするために、適切なトレンチ充填技術が用いられる(図1−図7を参照されたい)。次に、CMPプロセスによって、酸化物充填物36が平坦化される。
図11は、金属のソース・コンタクト38A及び38B、ドレイン・コンタクト40A及び40B、並びにゲート・コンタクト42A及び42Bの形成後の、図10のウェハ基板1000を表すウェハ基板1100の平面図である。ソース・コンタクト38A及び38B、並びにゲート・コンタクト42A及び42Bは、対応するシリサイド・コンタクト構造体まで下方に延びる開口部を酸化物充填物内に形成するダマシン・プロセスによって形成されることが好ましい。この開口部は、適切な金属堆積プロセスによって、金属で充填され(一杯にされ過ぎ)、この金属は、CMP平坦化プロセスを用いて、同一平面になるように研磨される。ドレイン・コンタクト40A及び40Bは、類似したダマシン・プロセスによって形成されることが好ましく、これにより窒化物キャップ14A及び14Bがエッチングにより選択的に除去され、それぞれフィン12A及び12Bのドープされた領域28A及び28Bの上部を露出させる開口部を形成する。金属堆積とCMP研磨を類似した方法で用いて、金属のドレイン・コンタクト40A及び40Bを形成する。同じように、従来のSTI技術を用いて、浅いトレンチアイソレーション36が、各々のトランジスタ・デバイスの周りに形成される。ソース・コンタクト38A及び38B、並びにゲート・コンタクト42A及び42Bが、二股状に見えることに留意されたい。これは、金属のゲート・コンタクト42Aが、フィン12Aの両側にあるシリサイド・ゲート・コンタクト構造体32A及び32Bに接続されるためである。同様に、ゲート・コンタクト42B、並びに、ソース・コンタクト38A及び38Bは、それぞれのフィンの両側においてそれぞれのシリサイド・コンタクト構造体に接続される。これは、図12、図13及び図14に関して、以下により詳細に示され、説明される。ゲート・コンタクト42A及び42Bは、それぞれのデバイスを横切って途中までしか延びていないことに留意されたい。同様に、ソース・コンタクト38A及び38Bは、それぞれのデバイスを横切って途中までしか延びていない。また、ドレイン・コンタクト40Aは、それぞれのデバイスを横切って横方向にわずかな距離しか延びていないことにも留意されたい。このことは、後に形成される、デバイスに接続される配線層の経路付けを容易にする。
図12は、A−A´で切断したときに見られる、ソース・コンタクト38A及び38Bを通る、図11のウェハ基板1100を表すウェハ基板1200の断面図である。図において、二股に分岐したソース・コンタクト38Aの2本の脚は、フィン12Aの両側でシリサイド・ソース・コンタクト構造体34A及び34Bに接続されるように、下方に延びていることが分かる。同様に、二股に分岐したソース・コンタクト38Bの2本の脚は、フィン12Bの両側でシリサイド・ソース・コンタクト構造体34C及び34Dに接続されるように、下方に延びていることが分かる。
図13は、B−B´で切断したときに見られる、ドレイン・コンタクト40A及び40Bを通る、図11のウェハ基板1100を表すウェハ基板1300の断面図である。図においては、ドレイン・コンタクト40A及び40Bは、それぞれのフィン12A及び12B内の、それぞれのドレイン領域28A及び28Bに接続されるように、下方に延びていることが分かる。
図14は、C−C´で切断したときに見られる、ゲート・コンタクト42A及び42Bを通る、図11のウェハ基板1100を表すウェハ基板1400の断面図である。図において、二股に分岐したゲート・コンタクト42Aの2本の脚は、フィン12Aの両側でシリサイド・ゲート・コンタクト構造体32A及び32Bに接続されるように、下方に延びていることが分かる。同様に、二股に分岐したソース・コンタクト42Bの2本の脚は、フィン12Bの両側でシリサイド・ソース・コンタクト構造体32C及び32Dに接続されるように、下方に延びていることが分かる。
本発明の垂直型Fin−FETデバイスの代替的な1つの実施形態は、ドレイン・コンタクトの抵抗を改善する「ファット・ドレイン」構造体を用いる。このことは、図15に関して示され、説明される。
図15は、B−B´で切断したときに見られる、「ファット・ドレイン」コンタクト40A及び40Bを通る、図11のウェハ基板1100を表すウェハ基板1500の断面図である。図において、ドレイン・コンタクト40A及び40Bは、それぞれのフィン12A及び12Bを超えて横方向に延びている。「ファット・ドレイン」コンタクトは、所望のドレイン・コンタクト・プロファイルにマスクオフし、制御された窒化物/酸化物のエッチングを行い、上述のように形成された開口部の下部に薄いSiエピタキシャル層44A、44Bを堆積させ、次に、上述のような金属堆積及びCMP研磨によって、金属のドレイン・コンタクト40A及び40Bを形成することによって形成されることが好ましい。
幾つかの用途において、ソース・コンタクトが、それぞれのフィンの片側だけに接続されることが望ましい場合もある。図16は、ソース・コンタクト38A及び38Bが、それぞれのフィン(12A、12B)の片側だけに形成されている点を除いて、図11のウェハ基板1100と類似したウェハ基板1600の平面図である。
ゲート・コンタクト42A及び42Bが、それぞれのフィン12A、12Bの両側におけるシリサイド・ゲート・コンタクトのいずれにも接続されるように、二股に分岐している(図11、図14を参照されたい)。幾つかの用途においては、Fin−FETデバイスの両側のゲート導体に対して、別個のゲート・コンタクトを設け、これによりマルチ・ゲート電圧制御を有するFin−FETが形成されることが望ましい。このことは、図17に関して示され、説明される。
図17は、二股に分岐したゲート・コンタクトを形成する(図11の42A、42Bを参照されたい)代わりに、ゲート・コンタクトの脚を分離したままにし、これにより、それぞれのシリサイド・ゲート・コンタクト構造体32A、32B、32C、及び32Dに接続される別個のゲート・コンタクト42AA、42AB、42BA、及び42BBが設けられる(例えば、図10、図14を参照されたい)点を除いて、図11のウェハ基板1100に類似したウェハ基板1700の平面図である。このことにより、それぞれのFin―FETデバイスの両側のゲート・コンタクトを独立して制御し、これにより、マルチ・ゲートの垂直型Fin−FETを形成することが可能になる。
より大きい駆動電流を必要とする用途において、垂直型Fin−FET構造体のマルチ・フィン・バージョンを形成することができる。全てのゲート・コンタクトを並列に接続し、全てのドレイン・コンタクトを並列に接続し、全てのソース・コンタクトを並列に接続し、用いられるフィンの数を乗じた有効チャネル幅と、これに対応する改善された駆動電流能力とを備えた並列に接続された垂直型Fin−FETのアレイを有効に形成する。「左側」のシリサイド・ゲート・コンタクト構造体と「右側」のシリサイド・ゲート・コンタクト構造体を別個に接続されることにより、マルチ・フィン垂直型fin−FETのデュアルゲート・バージョンが形成される。マルチ・フィン垂直型Fin−FETデバイスが、図18に関して示され、説明される。
図18は、金属コンタクトを形成する前に垂直型Fin−FETデバイスのマルチ・フィン・バージョンが形成された、ウェハ基板1800の断面図である。当業者であれば、マルチ・フィン垂直型finFETを形成するために必要とされる処理ステップが、上記に説明したシングル・フィン・デバイスを形成するためのものと本質的に同じであることを直ぐに理解するであろう。3つの薄い垂直型フィン112A、112B、及び112Cが形成され、フィン112A、112B、及び112Cと並んで、ドープされたポリシリコン・ソース導体118A、118B、118C、及び118Dが形成される。ソース導体のドープは、形成されるデバイスのタイプ(nFETのn+、pFETのp+)に適したものにすべきである。HDP酸化物絶縁層120A、120B、120C、及び120Dが、それぞれソース導体118A、118B、118C、及び118Dの上に形成される。ゲート絶縁体、ゲート導体、及び窒化物側壁スペーサは全て、上述のものと類似した方法で形成される。シリサイド・ゲート・コンタクト構造体132A、132B、132C、132D、132E、及び132Fは、フィン112A−112Cの両側にあるゲート導体の上面内に形成され、シリサイド・ソース・コンタクト構造体134A、134B、134C、134D、134E、及び134Fは、それぞれソース導体118A、118B、118C、118D、118E、及び118Fの上面内に形成される。上述のように、酸化物のトレンチ充填物136が配置され、平坦化される。次の処理ステップは、シングル・フィン・デバイスについて説明されたものと同様の方法で、金属ゲート、ソース、及びドレイン・コンタクトを形成する。
一般に、本発明の垂直型Fin−FETデバイスが、より大きいCMOS(相補型MOS)回路に適用されると考えられる。より大きいCMOS回路への適用は、完全に本発明の精神及び範囲内である。したがって、図1−図17に関する上記の説明は、並置されたnFET及びpFETデバイスを示したものである。一般に、これらのデバイスはCMOS回路の一部であり、多くのこうしたCMOS回路を用いる、より大きい集積回路デバイスの一部とすることができる。さらに、本発明の垂直型Fin−FETの個々のnFET及びpFETバージョンは、他のCMOS回路の有無にかかわらず、集積デバイス上の(非相補型回路を含む)如何なるタイプの回路にも用いることができる。当業者であれば、適切なマスキングによって、nFET及びpFET垂直型Fin−FETデバイスの任意の所望の組合せを形成できることを理解するであろう。
本発明の垂直型Fin−FET及びその種々の実施形態の説明において、通常フィンの上部に配置される「ドレイン・コンタクト」及び「ドレイン領域」、通常フィンの下部に配置される「ソース・コンタクト構造体」、「ソース導体」、並びに「ソース領域」について、上記に特定の説明がなされた。両方の方向において性能が同じことも同じでないこともあるが、多くのMOSデバイスと同様に、「ソース」及び「ドレイン」の表示を置き換え、これにより、トランジスタ内の推定される電流の方向を逆にすることができる。
本発明の技術の種々の態様及び実施形態は、単独で又は組み合わせて用いることができる(例えば、デュアルゲート、シングルサイド・ソース、ファット・ドレイン、マルチ・フィン等)。例えば、デュアルゲート、マルチ・フィン・デバイスを既に説明した。更に別の例として、垂直型Fin−FETのデュアルゲート及び/又はマルチ・フィン変形に、「ファット・ドレイン」構造体を用いることもできる。
一般に、上述のような処理ステップが「nFET最優先」で施されるため、nFET構造体が最初に形成され、引き続きpFET構造体が形成される。当業者であれば、処理の順序は重要でなく、本発明の技術は、いずれの順序の処理にも容易に適合されることを直ぐに理解するであろう。さらに、nFETデバイス又はpFETデバイスだけを必要とする場合には、幾つかの中間ステップを排除することができる。
本発明の垂直型Fin−FETデバイスは、高密度の利点に加えて、垂直方向の配向から得られる幾つかの利点をもたらすものである。「ダブルゲート」の特徴は、デバイス固有の特徴であり、改善された駆動電流を与える際に、著しい利点をもたらす。図18に関して上述されたように、垂直型Fin−FETの多数フィン・バージョンを形成することによって、駆動電流をさらに強化することができる。同じステップを用いて、シングル・フィン・デバイス及びマルチ・フィン・デバイスの両方を形成できるので、単一の集積回路デバイス上でこれらを混合する際に処理の不利益はない。
本発明が、具体的には、シリコン・ベースの半導体技術に関して、上記に説明された。当業者であれば、他の半導体技術を用いて、垂直方向の電流フローをもつ、垂直方向に配向されたトランジスタ「フィン」本体を有する同等の構造体を生成するために、類似した技術を用い得ることを直ぐに理解するであろう。上記のシリコン・ベースの半導体技術に関する説明は、限定的なものではなく、例示的なものとみなすべきである。
本発明は、特定の好ましい実施形態又は実施形態に関して示され、説明されたが、当業者であれば、本明細書及び添付の図面を読み、理解するときに、特定の同等の変更及び修正を思いつくであろう。特に上述の部品(アセンブリ、デバイス、回路等)によって実行される種々の機能に関して、こうした部品を説明するために用いられる用語(「手段」への言及を含む)は、他に特に示されていない限り、ここに示される本発明の例示的な実施形態において機能を実行する、開示された構造体と構造的に同等でなくても、説明された特定の機能を実行する(すなわち、機能的に同等な)いずれの部品にも対応することが意図される。さらに、本発明の特定の特徴は、幾つかの実施形態の1つだけに関して開示されているが、こうした特徴は、いずれの所定の用途、又は特定の用途にも望ましく、かつ、有利なものとして、他の実施形態の1つ又はそれ以上と組み合わせることができる。
本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、一連の連続的な処理ステップにおける、SOI基板上の垂直型Fin−FET半導体構造体の断面図である。 本発明による、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクトを有する垂直型Fin−FET半導体構造体の平面図である。 本発明による、図11の垂直型Fin−FET半導体構造体の異なる断面図である。 本発明による、図11の垂直型Fin−FET半導体構造体の異なる断面図である。 本発明による、図11の垂直型Fin−FET半導体構造体の異なる断面図である。 本発明による、垂直型Fin−FET半導体構造体の「ファット・ドレイン」実施形態の断面図である。 本発明による、垂直型Fin−FET半導体構造体の「シングルサイド・ソース」実施形態の平面図である。 本発明による、垂直型Fin−FET半導体構造体の「マルチ・ゲート」実施形態の平面図である。 本発明による、垂直型Fin−FET半導体構造体の「マルチ・フィン」実施形態の断面図である。

Claims (22)

  1. 絶縁体層(4)上に配置された少なくとも1つの垂直方向半導体フィン(12A)と、
    それぞれが前記少なくとも1つの半導体フィン(12A)の上部及び下部内にあるドープされたソース領域(26A)及びドレイン領域(28A)と、
    前記少なくとも1つの半導体フィン(12A)の垂直方向側壁に沿って配置され、薄いゲート絶縁体(22)によって分離されたゲート導体(24A、24B)と
    を有することを特徴とする垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  2. 前記少なくとも1つの半導体フィン(12A)の両側で前記ソース領域(26A)に接触するソース導体(18A、18B)と、
    少なくとも1つのソース導体(18A、18B)に接続された少なくとも1つのソース・コンタクト(38A)と、
    前記少なくとも1つの半導体フィン(12A)の前記ドレイン領域(28A)に接続された少なくとも1つのドレイン・コンタクト(40A)と、
    前記ソース領域(26A)と前記ドレイン領域(28A)との間の、前記フィン(12A)内の垂直方向チャネル領域と、
    少なくとも1つのゲート導体(24A、24B)に接続された少なくとも1つのゲート・コンタクト(42A)と
    を有することを特徴とする、請求項1に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  3. 前記少なくとも1つのゲート・コンタクト(42A)が、前記同じフィン(12A)の両側で2つのゲート導体(24A、24B)に接続されている、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  4. 互いに異なるものであり、各々が前記同じフィン(12A)の両側でそれぞれのゲート導体(24A、24B)に接続された、2つのゲート・コンタクト(42AA、42BB)をさらに有することを特徴とする、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  5. 前記少なくとも1つのドレイン・コンタクト(40A)が、前記同じフィン(12A)の両側で少なくとも2つのソース導体(18A、18B)に接続された、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  6. 前記ゲート導体(24A、24B)が、前記少なくとも1つのフィン(12A)内の前記ソース領域(26A)と前記ドレイン領域(28A)との間の垂直方向距離にわたって延びる、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  7. 少なくとも2つの垂直方向フィン(図18の112A、112B)をさらに有することを特徴とする、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  8. 前記少なくとも1つのドレイン・コンタクト(図15の40A)が、前記少なくとも1つのフィン(12A)を超えて横方向に延びる、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  9. 前記ソース導体(18A、18B)がn+ドープされ、
    前記ゲート導体(24A、24B)がn+ドープされ、
    前記ソース領域(26A)及びドレイン領域(26B)がn+ドープされ、
    前記チャネルが、pドープされているか又は真性半導体の前記フィン(12A)である、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  10. 前記ソース導体(18A、18B)がp+ドープされ、
    前記ゲート導体(24A、24B)がp+ドープされ、
    前記ソース領域(26A)及び前記ドレイン領域(26B)がp+ドープされ、
    前記垂直型Fin−FET半導体デバイスがpFETデバイスであり、
    前記チャネルが、pドープされているか又は真性半導体の前記フィン(12A)である、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  11. 前記絶縁体層(4)がSOI基板の埋込酸化物層(BOX)である、請求項1に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  12. 前記垂直型Fin−FET半導体デバイスがCMOS回路の一部である、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  13. 前記垂直型Fin−FET半導体デバイスが集積回路デバイスの一部である、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  14. 前記ゲート導体(24A、24B)に印加されたバイアス電圧に応答して、前記チャネル領域において、前記ゲート絶縁体(22)に隣接して前記ソース領域(26A)と前記ドレイン領域(28A)との間に延びるチャネルが形成される、請求項2に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  15. SOI基板のシリコン層(6)内に形成された薄い垂直方向シリコン・フィン(12A)と、
    それぞれが前記フィンのそれぞれ下部及び上部内に形成された、ドープされたソース領域(26A)及びドレイン領域(28A)と、
    前記フィン(12A)の両側の垂直方向側壁に沿って配置され、薄いゲート絶縁体(22)によって該フィンから分離され、前記ソース領域(26A)と前記ドレイン領域(26B)との間の垂直方向距離にわたって延びる、1対のゲート導体(24A、24B)と、
    前記フィン(12A)の両側で前記ソース領域(26A)と並んで、該ソース領域(26A)と接触した状態で配置された1対のソース導体(18A、18B)と、
    前記ドレイン領域(28A)に接続されたドレイン・コンタクト(40A)と、
    前記ソース導体(18A、18B)に接続されたソース・コンタクト(38A)と、
    少なくとも1つのゲート導体(24A)に接続された少なくとも1つのゲート・コンタクト(42A)と
    を有することを特徴とする垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  16. 前記少なくとも1つのゲート・コンタクト(42A)が両方のゲート導体(24A、24B)に接続された、請求項14に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  17. 前記少なくとも1つのゲート・コンタクト(42AA)が一方のゲート導体(24A)に接続され、
    第2のゲート・コンタクト(42AB)が、前記同じフィン(12A)の反対側にあるもう一方のゲート導体(24B)に接続された、
    請求項15に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  18. 前記ドレイン・コンタクト(図15の40A)が、前記フィン(12A)を超えて横方向に延びる、請求項15に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  19. 前記少なくとも1つのゲート・コンタクト(42A)は、それぞれのシリサイド・ゲート・コンタクト構造体(32A、32B)を介して、前記少なくとも1つのゲート導体(24A)に接続され、
    前記ソース・コンタクト(38A)は、シリサイド・ソース・コンタクト構造体34A、34Bを介して、前記ソース導体(18A、18B)に接続された、
    請求項15に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイス。
  20. 垂直型Fin−FET半導体デバイスを形成する方法であって、
    絶縁体層(4)の上に配置された半導体層(6)を有する半導体基板を準備するステップと、
    前記半導体層を通って前記絶縁体層(4)まで、平行なトレンチ(10A、10B)をエッチングすることによって、該絶縁体層(4)の上部に垂直方向半導体フィン(12A)を形成するステップと、
    前記トレンチ(10A、10B)の下部にドープされた導体(18A、18B)を選択的に堆積させて、前記ドープされたソース導体が前記フィンの下部に接触するようにするステップと、
    前記ドープされた導体(18A、18B)の上にソース絶縁体(20A、20B)を形成するステップと、
    前記トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁体(22)を形成するステップと、
    前記ドープされた導体から前記フィン(12A)の下部内にドーパントを熱的に打ち込み、該フィン(12A)内にソース領域(26A)を形成するステップと、
    前記フィン(12A)の垂直方向側壁に沿って、前記ゲート絶縁体(22)によって離間配置されたゲート導体(24A、24B)を形成するステップと、
    前記フィン(12A)の上部をドープし、内部にドレイン領域(28A)を形成するステップと、
    前記トレンチ(10A、10B)の露出された側壁、フィン(12A)、及びゲート導体(24A、24B)に沿って、側壁スペーサ(30)を形成するステップと、
    前記ソース絶縁体をエッチバックして、前記下にあるドープされたソース導体を露出させるステップと、
    前記ソース導体及び前記ゲート導体の露出された部分内にシリサイドを形成するステップと、
    前記トレンチを酸化物トレンチ充填物で充填し、平坦化するステップと、
    選択エッチング、金属の充填、及び化学機械研磨のダマシン・プロセスによって、金属のソース、ドレイン、及びゲート・コンタクトを形成するステップと
    を特徴とする方法。
  21. ソース領域(26A)及びドレイン領域(28A)を形成する前記ステップが、前記フィン(12A)内に、前記ソース領域(26A)と前記ドレイン領域(28A)との間に延びるチャネル領域を実効的に形成する、請求項20に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイスを形成する方法。
  22. 前記半導体基板がシリコン・オン・インシュレータ(SOI)基板である、請求項20に記載の垂直型Fin−FET半導体デバイスを形成する方法。
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