JP2010538496A - 二重ゲート酸化物素子の集積化 - Google Patents

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Abstract

半導体基板(12)中に第1領域と第2領域とを形成する段階が含まれる素子形成方法を提供する。本方法には、更に、第1の半導体基板と異なる電気的特性を有する半導性材料を第1領域上に形成する段階と、第1領域上に第1誘電材料(34)を形成する段階と、第1誘電材料と異なる第2誘電材料を第1誘電材料及び第2領域上に成膜する段階と、高誘電率材料(42)上にゲート電極材料(44)を成膜する段階と、が含まれる。一実施形態では、半導性材料は、シリコン・ゲルマニウムであり、半導体基板は、シリコンである。

Description

本開示は、一般に、半導体素子に関し、特に、二重ゲート酸化物素子の集積化に関する。
多くの場合、二重ゲート酸化物(DGO)素子は、同一基板上に集積する必要がある。本明細書に用いる用語「二重ゲート酸化物素子」は、「同一基板上に形成されるが、ゲート酸化物の厚さが異なる素子」に関する。例えば、厚膜ゲート酸化物素子は、入出力動作に関連する高電圧に対応できるように、基板の周辺部に形成し得る。薄膜ゲート酸化物素子は、高電圧が存在しない基板の領域に形成し得る。高誘電率(高k)の金属ゲート素子には、益々、二重ゲート酸化物素子を形成するために、既存の方法に適合しない材料が必要になっている。例えば、そのような金属ゲート/高k誘電体素子は、PMOS素子に関連するしきい値電圧(Vt)を下げるために、シリコン・ゲルマニウム・チャネルを必要とし得る。しかしながら、厚膜ゲート酸化物素子の形成に用いる熱酸化等の従来のプロセスは、シリコン・ゲルマニウム・チャネルに適さない。この理由は、厚膜ゲート酸化物をシリコン・ゲルマニウム上で成長させる場合、熱酸化の段階では、ゲルマニウムを決して含むべきでない基板又はゲート酸化物の領域にゲルマニウムが拡散するためである。つまり、従来の二重ゲート酸化物集積化プロセスの一部として用いる熱酸化の段階は、シリコン・ゲルマニウム・チャネルのプロファイルを低下させ得る。
従って、二重ゲート酸化物素子集積化を改善することが求められている。
本発明は、添付図面によって例示するが、それらによって限定されない。添付図面では、同様な参照番号は、同様な要素を示す。図中の要素は、簡単明瞭に示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていない。
処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。 処理ステップ中の半導体素子の図。
シリコン・ゲルマニウム・チャネルを含むトランジスタの二重ゲート酸化物素子の集積化について述べる。シリコン・ゲルマニウム・チャネルの使用は、例えば、PMOS素子のしきい値電圧の調整に役立つ。同様に、シリコン炭素チャネルは、NMOS素子のために用い得る。
一態様では、素子の形成方法を提供する。本方法には、半導体基板に第1領域及び第2領域を形成する段階が含まれる。本方法には、更に、第1の半導体基板と異なる電気的特性を有する半導性材料を第1領域上に形成する段階が含まれる。本方法には、更に、第1領域上に第1誘電材料を形成する段階が含まれる。本方法には、更に、第1誘電材料と異なる第2誘電材料を第1誘電材料及び第2領域上に成膜する段階が含まれる。本方法には、更に、第2誘電材料上にゲート電極材料を成膜する段階を含む。
他の態様では、素子の形成方法を提供する。本方法には、半導体基板の第1領域に厚膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、厚膜ゲート誘電体素子が、第1チャネル領域を有し、また、半導体基板が、第1材料を含む段階が含まれる。本方法には、更に、半導体素子の第2領域に薄膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、薄膜ゲート誘電体素子が、厚膜ゲート誘電体のゲート誘電体より薄いゲート誘電体を有し、また、第2チャネル領域を有する段階が含まれる。厚膜ゲート誘電体素子及び薄膜ゲート誘電体素子を形成する段階には、更に、(1)第1領域上に第1チャネル領域をエピタキシャル成長させる段階であって、第1チャネル領域には、第2材料が含まれ、第2材料が、第1材料と異なる段階と、(2)第1チャネル領域上に第1ゲート誘電体を形成する段階と、(3)第1ゲート誘電体及び第2領域上に第2ゲート誘電体を形成する段階と、(4)第2ゲート誘電体上にゲート電極材料を成膜する段階と、が含まれる。
更に他の態様では、半導体基板中に分離領域を形成して、半導体基板中に第1半導体領域及び第2半導性領域を形成する段階が含まれる方法を提供する。本方法には、更に、第1半導性領域上に半導性材料をエピタキシャル成長させる段階であって、半導性材料が、ゲルマニウム及び炭素からなる群から選択された要素を含む段階が含まれる。本方法には、更に、第1半導性領域上に第1誘電材料を成膜する段階が含まれる。本方法には、更に、第1誘電材料及び第2半導性領域上に第2誘電材料を成膜する段階が含まれる。本方法には、更に、第2誘電材料上にゲート電極材料を成膜する段階が含まれる。
図1は、処理ステップ中の半導体素子10の図である。半導体素子10には、半導体基板12を含み得る。本明細書に述べる半導体基板は、任意の半導体材料又は材料の組合せであってよく、例えば、ガリウム砒素、シリコン・ゲルマニウム、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)、シリコン、単結晶シリコン等、及び上記の組合せであってよい。基板12内では、形成される異なる素子を絶縁分離するために、トレンチ分離領域14、16、及び18を形成し得る。半導体素子10には、NMOS二重ゲート酸化物(N−DGO)領域20、NMOSコア(Nコア)領域22、PMOS二重ゲート酸化物(P−DGO)領域24、及びPMOSコア(Pコア)領域26を含み得る。N−DGO領域20及びNコア領域22には、ホウ素を注入して、P型井戸領域(図示せず)を形成し得る。P−DGO領域24及びPMOSコア領域26には、ヒ素又はリンを注入して、N型井戸領域(図示せず)を形成し得る。NMOS素子は、N−DGO領域20及びNコア領域22に形成し得る。PMOS素子は、P−DGO領域24及びPコア領域26に形成し得る。二重ゲート酸化物領域(20及び24)に形成する素子は、厚膜のゲート酸化物で形成し、また、コア領域(22及び26)に形成する素子は、薄膜のゲート酸化物で形成する。次に、図1に示すように、ハードマスク28をN−DGO領域20及びNコア領域22上に形成し得る。
図2は、処理ステップ中の半導体素子10の図である。この処理ステップの一部として、P−DGO領域24及びPコア領域26には、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32をそれぞれ形成し得る。一実施形態では、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32は、エピタキシャル成長し得る。一例として、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32は、30オングストロームから150オングストロームの範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32は、50オングストロームから100オングストロームの範囲の厚さを有し得る。更に、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32は、10%から50%のゲルマニウムを有し得る。他の実施形態では、シリコン・ゲルマニウム領域30及び32は、20%から35%のゲルマニウムを有し得る。このステップは、シリコン・ゲルマニウム領域の形成に関して述べたが、半導体基板12と異なる電気的特性を有する任意の他の半導体材料をこのステップの一部として用いてもよい。例えば、一実施形態では、シリコン炭素を用い得る。一実施形態では、任意の半導体材料であって、その半導体材料を有する領域に形成される素子のチャネル領域のバンドギャップを変える半導体材料を用い得る。他の実施形態では、薄膜ゲート素子のチャネル領域に対して厚膜ゲート素子のチャネル領域のバンドギャップを変える任意の半導体材料を用い得る。
図3は、処理ステップ中の半導体素子10の図である。この処理ステップの一部として、高温酸化物(HTO)層34を形成し得る。一実施形態では、HTO層34は、温度約800℃での化学蒸着法によって形成し得る。この温度範囲は、750℃から900℃まで変動し得る。一例として、HTO層34は、10オングストロームから50オングストロームの範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、HTO層34は、20オングストロームから30オングストロームの範囲の厚さを有し得る。HTO層34は、原子層成膜法、プラズマ増強化学蒸着法、及び物理蒸着法等、他の成膜プロセスを用いても形成し得る。
図4は、処理ステップ中の半導体素子10の図である。この処理ステップの一部として、パターン化したレジスト領域36は、N−DGO領域20及びP−DGO領域24に重ねて形成し得る。
次に、図5に示すように、パターン化したレジスト領域36を用いて、Nコア領域22及びPコア領域26を含むコア領域からHTO層34を除去し、HTO層34の一部をDGO領域だけに残し得る。従って、例えば、下部ゲート酸化物領域38及び下部ゲート酸化物領域40は、N−DGO領域20及びP−DGO領域24に残り得る。一実施形態では、HTO層34は、フッ化水素酸(HF)洗浄法を用いて、Nコア領域22及びPコア領域26から除去し得る。一実施形態では、希HF洗浄処理を用い得る。Nコア領域22及びPコア領域26からHTO層を除去した後、パターン化したレジスト領域26は、例えば、ピラニア洗浄又は溶媒洗浄を用いて除去し得る。
次に、図6に示すように、高kゲート酸化物層42を形成し得る。一実施形態では、高kゲート酸化物層42は、コア領域及びDGO領域双方の上に重なり得る。従って、例えば、高kゲート酸化物層42は、N−DGO領域20の下部ゲート酸化物領域38、Nコア領域22の基板12の一部、P−DGO領域24の下部ゲート酸化物領域40、Pコア領域26のシリコン・ゲルマニウム領域32、の上に直接重ね得る。一実施形態では、高kゲート酸化物層42は、原子層成膜処理を用いて成膜し得る。高kゲート酸化物層42の成膜に先立って、該当領域の上面は、予め洗浄し得る。本明細書に用いる用語「高kゲート酸化物」には、kが10乃至100の範囲にある任意の酸化物材料が含まれる。一実施形態では、kが15乃至25の範囲にある任意の酸化物材料も用い得る。高kゲート酸化物層42を形成するのに適する材料には、ハフニウム酸化物、ケイ酸ハフニウム、アルミン酸ハフニウム、ジルコニウム酸化物、ケイ酸ジルコニウム、及び他の適切な高k材料が含まれる。一実施形態では、高kゲート酸化物層42は、10オングストロームから50オングストロームの範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、高kゲート酸化物層42は、15オングストロームから20オングストロームの範囲の厚さを有し得る。
次に、図7に示すように、高kゲート酸化物層42に重ねて金属ゲート電極層44を形成し得る。一実施形態では、金属ゲート電極層44は、元素又は合金を含み得る。一例として、金属ゲート電極層44は、タンタル、チタン、ランタン、モリブデン、又はその任意の組合せを含み得る。金属ゲート電極層44は、更に、炭素及び/又は窒素を含み得る。金属ゲート電極層44は、原子層成膜法(ALD)、分子ビーム成膜法(MBD)、及び化学蒸着法(CVD)等の処理を用いて形成し得る。一例として、金属ゲート電極層44は、20オングストロームから150オングストロームの範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、金属ゲート電極層44は、50オングストロームから100オングストロームの範囲の厚さを有し得る。
更に図7において、金属ゲート電極層44の形成後、ポリシリコンゲート電極層46を金属ゲート電極層44上に形成し得る。ポリシリコンゲート電極層46は、原子層成膜法(ALD)、分子ビーム成膜法(MBD)、及び化学蒸着法(CVD)等の処理を用いて形成し得る。一例として、ポリシリコンゲート電極層46は、200オングストロームから1000オングストロームの範囲の厚さを有し得る。他の実施形態では、ポリシリコンゲート電極層46は、500オングストロームの厚さを有し得る。
図8は、PMOS及びNMOS素子形成後の半導体素子10の図である。一例として、N−DGO素子50は、N−DGO領域20に形成し、Nコア素子52は、Nコア領域22に形成し、P−DGO素子54は、P−DGO領域24に形成し、Pコア素子56は、Pコア領域26に形成し得る。これらの素子は、従来の半導体処理ステップを用いて、ゲート電極、スペーサ、及びソース/ドレイン領域を形成することによって形成し得る。従って、例えば、N−DGO素子50には、下部ゲート酸化物領域58、上部ゲート酸化物領域60(高kゲート酸化物材料から形成)、金属ゲート電極領域62、及びポリシリコンゲート電極領域64を含むゲート構造を含み得る。N−DGO素子50には、更に、ゲート構造に隣接して形成されたスペーサ66を含み得る。N−DGO素子50には、更に、ソース/ドレイン領域68及び70を含み得る。Nコア素子52には、ゲート酸化物領域72(高kゲート酸化物材料から形成)、金属ゲート電極領域74、及びポリシリコンゲート電極領域76が含まれるゲート構造を含み得る。Nコア素子52には、更に、ゲート構造に隣接して形成されたスペーサ78を含み得る。Nコア素子52には、更に、ソース/ドレイン領域80及び82を含み得る。P−DGO素子54には、シリコン・ゲルマニウム領域30を含み得る。P−DGO素子54には、更に、下部ゲート酸化物領域84、上部ゲート酸化物領域86(高kゲート酸化物材料から形成)、金属ゲート電極領域88、及びポリシリコンゲート電極領域90が含まれるゲート構造を含み得る。P−DGO素子54には、更に、ゲート構造に隣接して形成されたスペーサ92を含み得る。P−DGO素子54には、更に、ソース/ドレイン領域94及び96を含み得る。Pコア素子56には、シリコン・ゲルマニウム領域32を含み得る。Pコア素子56には、更に、ゲート酸化物領域98(高kゲート酸化物材料から形成)、金属ゲート電極領域100、及びポリシリコンゲート電極領域102が含まれるゲート構造を含み得る。Pコア素子56には、更に、ゲート構造に隣接して形成されたスペーサ104を含み得る。Pコア素子56には、更に、ソース/ドレイン領域106及び108を含み得る。
特定の導電性タイプ又は電位の極に関して本発明の説明を行なったが、当業者は、導電性タイプ及び電位の極が反転し得ることを認識した。従って、例えば、シリコン・ゲルマニウム領域を有するPMOS素子に関して、処理フローの上記説明を行なったが、シリコン炭素を有するNMOS素子に同様なプロセスフローを用い得る。
更に、説明及び請求項における用語「前部」「後部」「上部」「底部」「上に」「下に」等は、もしあれば、説明のために用いており、必ずしも恒久的な相対位置を記述するためとは限らない。そのように用いる用語は、適切な状況下で交換可能であり、このため、本明細書に述べた本発明の実施形態が、例えば、本明細書において例示もしくは記述した方向以外で動作可能であることを理解されたい。
本発明は、本明細書において特定の実施形態を参照して述べたが、以下の請求項に記載した本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行い得る。従って、明細書及び図は、限定的よりもむしろ例示的と見なすべきであり、また、そのような全ての修正は、本発明の範囲内に含むものとする。具体的な実施形態に関して本明細書で述べたあらゆる恩恵、利点、又は問題の解決策は、全ての請求項の重要な、必須の、もしくは本質的な特徴又は要素であると解釈しないものとする。
更に、本明細書に用いる用語「a又はan(不定冠詞)」は、1つ又は複数と定義する。更に、請求項における「少なくとも1つの」及び「1つ又は複数の」等の導入句の使用については、同じ請求項に導入句「1つ又は複数の」又は「少なくとも1つの」及び「a又はan」等の不定冠詞が含まれる場合でも、不定冠詞「a又はan」による他の請求要素の導入が、そのように導入された請求要素を含む任意の特定の請求項を、そのような要素だけを含む発明に限定することを意味すると解釈すべきではない。定冠詞の使用についても同様のことが当てはまる。
特に指定しない限り、「第1」及び「第2」等の用語は、そのような用語が記述する要素間を任意に区別するために用いる。従って、これらの用語は、必ずしもそのような要素の時間的又は他の優先順位付けを示そうとするものではない。

Claims (20)

  1. 素子を形成する方法であって、
    半導体基板中に第1領域及び第2領域を形成する段階と、
    前記第1領域上に半導性材料を形成する段階であって、前記半導性材料が前記半導体基板と異なる電気的特性を有する段階と、
    前記第1領域上に第1誘電材料を形成する段階と、
    前記第1誘電材料上及び前記第2領域上に第2誘電材料を成膜する段階であって、前記第2誘電材料が前記第1誘電材料と異なる段階と、
    前記第2誘電材料上にゲート電極材料を成膜する段階と
    を含む方法。
  2. 請求項1記載の方法は、更に、
    前記半導体基板中に第3領域及び第4領域を形成する段階を含み、
    前記第1領域上に前記半導性材料を形成する段階は、更に、
    前記第3領域上に前記半導性材料を形成する段階を含み、
    前記第1領域上に前記第1誘電材料を形成する段階は、更に、
    前記第4領域上に前記第1誘電材料を形成する段階を含み
    前記第1誘電材料及び前記第2領域上に前記第2誘電材料を成膜する段階は、更に、
    前記第3領域上に前記第2誘電材料を成膜する段階を含む方法。
  3. 請求項2記載の方法であって、
    前記第1領域上に前記半導性材料を形成する段階は、更に、
    前記半導性材料をエピタキシャル成長させる段階を含む方法。
  4. 請求項1記載の方法であって、
    前記第1誘電材料を成膜する段階が、約750℃から約900℃の間の温度で行なわれる方法。
  5. 請求項1記載の方法は、更に、
    前記第1領域に第1ドーパントを注入する段階であって、前記第1領域が第1導電性を有する段階と、
    前記第2領域に第2ドーパントを注入する段階であって、前記第2領域が第2導電性を有し、前記第1導電性及び前記第2導電性が同じ導電性である段階と
    を含む方法。
  6. 請求項1記載の方法は、更に、
    前記第1領域に第1ドーパントを注入する段階であって、前記第1領域が第1導電性を有する段階と、
    前記第2領域に第2ドーパントを注入する段階であって、前記第2領域が第2導電性を有し、前記第1導電性及び前記第2導電性が異なる導電性である段階と
    を含む方法。
  7. 請求項2記載の方法は、更に、
    前記第1領域及び前記第3領域に第1ドーパントを注入する段階であって、前記第1領域及び前記第3領域が第1導電性を有する段階と、
    前記第2領域及び前記第4領域に第2ドーパントを注入する段階であって、前記第2領域及び前記第4領域が第2導電性を有し、前記第1導電性が前記第2導電性と異なる前記段階と
    を含む方法。
  8. 請求項1記載の方法であって、
    前記半導性材料を形成する段階は、更に、
    ゲルマニウム及び炭素からなる群から選択された材料を含む前記半導体材料を形成する段階を含む方法。
  9. 請求項8記載の方法であって、
    前記半導性材料を形成する段階は、シリコン・ゲルマニウム及びシリコン炭素からなる群から選択された材料を含む前記半導性材料を形成する段階を含む方法。
  10. 請求項1記載の方法であって、
    前記第1領域上に前記第1誘電材料を形成する段階は、更に、
    前記第1誘電材料を成膜する段階を含む方法。
  11. 請求項1記載の方法であって、
    前記第2誘電材料は高誘電率材料を含む方法。
  12. 素子を形成する方法であって、
    半導体基板の第1領域に厚膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、前記厚膜ゲート誘電体素子が第1チャネル領域を有し、前記半導体基板は第1材料を含む段階と、
    半導体基板の第2領域に薄膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、前記薄膜ゲート誘電体素子が前記厚膜ゲート誘電体素子のゲート誘電体より薄いゲート誘電体を有し、前記薄膜ゲート誘電体素子が第2チャネル領域を有する段階とを含み、
    前記厚膜ゲート誘電体素子及び前記薄膜ゲート誘電体素子を形成する段階は、更に、
    前記第1領域上に前記第1チャネル領域をエピタキシャル成長させる段階であって、前記第1チャネル領域は第2材料を含み、前記第2材料が前記第1材料と異なる段階と、
    前記第1チャネル領域上に第1ゲート誘電体を形成する段階と、
    前記第1ゲート誘電体及び前記第2領域上に第2ゲート誘電体を形成する段階と、
    前記第2ゲート誘電体上にゲート電極材料を成膜する段階と
    を含む方法。
  13. 請求項12記載の方法であって、
    前記第2材料は、前記第2チャネル領域に対して前記第1チャネル領域のバンドギャップを変える方法。
  14. 請求項12記載の方法であって、
    前記第2材料は、シリコン・ゲルマニウム及びシリコン炭素からなる群から選択された材料を含む方法。
  15. 請求項12記載の方法であって、
    前記第2ゲート誘電体は高誘電率材料を含む方法。
  16. 請求項12記載の方法であって、
    前記第1ゲート誘電体を形成する段階は、前記第1ゲート誘電体を成膜する段階を含む方法。
  17. 請求項16記載の方法であって、
    前記第1ゲート誘電体を成膜する段階は、更に、
    約750と約900℃との間の温度で前記第1ゲート誘電体を化学的に蒸着する段階を含む方法。
  18. 請求項12記載の方法であって、
    前記半導体基板は、更に、第3領域及び第4領域を含み、
    前記方法は、更に、
    前記第3領域に第2厚膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、前記第2厚膜ゲート誘電体素子が第3チャネル領域を有する段階と、
    前記第4領域に第2薄膜ゲート誘電体素子を形成する段階であって、前記第2薄膜ゲート誘電体素子が第4チャネル領域を有し、前記第2薄膜ゲート誘電体素子が前記第2厚膜ゲート誘電体素子のゲート誘電体より薄いゲート誘電体を有する段階とを含み、
    前記第1チャネル領域をエピタキシャル成長させる段階は、更に、
    前記第4チャネル領域をエピタキシャル成長させる段階を含み、
    前記第1ゲート誘電体を形成する段階は、更に、
    前記第3チャネル領域上に前記第1ゲート誘電体を形成する段階を含み、
    前記第2ゲート誘電体を形成する段階は、更に、
    前記第4領域上に前記第2ゲート誘電体を形成する段階を含む方法。
  19. 請求項18記載の方法は、更に、
    前記第1領域及び第2領域に第1ドーパントを注入する段階であって、前記第1領域及び前記第2領域が第1導電性を有する段階と、
    前記第3領域及び第4領域に第2ドーパントを注入する段階であって、前記第3領域及び前記第4領域が第2導電性を有し、前記第1導電性が前記第2導電性と異なる段階と
    を含む方法。
  20. 半導体基板中に分離領域を形成して、半導体基板中に第1半導性領域及び第2半導性領域を形成する段階と、
    前記第1半導性領域上に半導性材料をエピタキシャル成長させる段階であって、前記半導性材料はゲルマニウム及び炭素からなる群から選択された要素を含む段階と、
    前記第1半導性領域上に第1誘電材料を成膜する段階と、
    前記第1誘電材料及び前記第2半導性領域上に第2誘電材料を成膜する段階と、
    前記第2誘電材料上にゲート電極材料を成膜する段階と
    を含む方法。
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