JP2018515926A - 低応力低水素lpcvdシリコン窒化物 - Google Patents

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Abstract

記載される例において、マイクロ電子デバイス(102)が、高性能シリコン窒化物層を含み、これは、2原子百分率内の化学量論的であり、600MPa〜1000MPaの低応力を有し、5原子百分率未満の低水素含有量を有し、LPCVDプロセスによって形成される。LPCVDプロセスは、4:6の比のアンモニアNH3及びジクロロシランDCSガスを、150ミリトル〜250ミリトルの圧力で、及び800℃〜820℃の温度で用いる。

Description

本願は、概して、マイクロ電子デバイスに関し、更に特定して言えば、マイクロ電子デバイスにおけるシリコン窒化物層に関連する。
マイクロ電子デバイスにおいて、化学量論的組成(stoichiometric)のシリコン窒化物層が所望に形成され、これは、1000メガパスカル(MPa)未満の低い応力、及び5原子百分率未満の低水素含有量を同時に有する。このような膜は、種々のマイクロ電子的応用例のために有用となり得る。プラズマエンハンスト化学気相成長(PECVD)によって形成されるシリコン窒化物膜は、低応力を有し得るが、15原子百分率を上回る高水素含有量を有し、これは、信頼性の問題及び粗悪なエッチング抵抗を起こし得る。低圧化学気相成長(LPCVD)によって形成される膜は、低水素含有量を有するが、1000MPaを上回る高応力を有し、これは、デバイス性能の問題を起こし得る。
記載される例において、マイクロ電子デバイスが、2原子百分率内である化学量論的であり、600MPa〜1000MPaの低応力を有し、5原子百分率未満の低水素含有量を有する、高性能シリコン窒化物層を含む。高性能シリコン窒化物層は、LPCVDプロセスにより形成される。LPCVDプロセスは、150ミリトル〜250ミリトルの圧力で、及び800℃〜820℃の温度で、4対6の比のアンモニア及びジクロロシランガスを用いる。
マイクロ電子デバイス上に高性能シリコン窒化物を形成する例示のプロセスにおけるLPCVDファーネスを示す。 図1のファーネス内のマイクロ電子デバイス上に形成されるシリコン窒化物層の拡大図である。
高性能シリコン窒化物層を備える例示の半導体デバイスの断面図である。
形成の主要段階で示される、図2の半導体デバイスの断面図である。 形成の主要段階で示される、図2の半導体デバイスの断面図である。
高性能シリコン窒化物層を備える例示の集積回路の断面図である。
製造の主要段階で示される、図4の集積回路の断面図である。 製造の主要段階で示される、図4の集積回路の断面図である。
製造の主要段階で示される、高性能シリコン窒化物層を備える例示のマイクロ電子メカニカルシステム(MEMS)デバイスの断面図である。 製造の主要段階で示される、高性能シリコン窒化物層を備える例示のマイクロ電子メカニカルシステム(MEMS)デバイスの断面図である。
図面は一定の縮尺で描いてはいない。幾つかの行為は、異なる順序で及び/又は他の行為/事象と同時に成されてもよい。また、例示の実施例に従った手法を実装するために、図示した行為又は事象全てが必要とされるわけではない。
2原子百分率内の化学量論的であり、600MPa〜1000MPaの低応力を有し、5原子百分率未満低水素含有量を有する、高性能シリコン窒化物層が、LPCVDプロセスにより形成される。LPCVDプロセスは、150ミリトル〜250ミリトルの圧力で、及び800℃〜820℃の温度で、4対6の比のアンモニア及びジクロロシランガスを用いる。ストイキオメトリー、低応力、及び低水素含有量の組み合わせは、開示されるプロセス条件によって提供されることは期待されておらず、LPCVDプロセスの検討の間に見出された。本開示の目的のため、化学量論的シリコン窒化物は、3:4のシリコン:窒素原子比を有する。
図1は、マイクロ電子デバイス上の高性能シリコン窒化物を形成する例示のプロセスにおけるLPCVDファーネスを示す。LPCVDファーネス100は、ボート104において、半導体ウェハなどの基板上のマイクロ電子デバイス102を保持する。ボート104は、LPCVDファーネス100の反応チャンバ106において保持される。反応チャンバ106は、反応チャンバ106の周りに配置されるLPCVDファーネス100の加熱要素108により800℃〜820℃の温度まで加熱される。アンモニア(NH)及びジクロロシラン(DCS)ガスが、4対6の比で反応チャンバ106内へ導入される。反応チャンバ106内部の圧力は、排出ポンプ及び調節可能な排出バルブの組み合わせを含むなどの、排出システム110により150ミリトル〜250ミリトルに維持される。図1Aの拡大図に示されるように、高性能シリコン窒化物層112は、アンモニアにおける窒素及びジクロロシランにおけるシリコンの反応によって、マイクロ電子デバイス102上に形成される。高性能シリコン窒化物層112の形成は、所望の厚みに達するまで継続される。その後、アンモニア及びジクロロシランのフローが終わり、マイクロ電子デバイス102がLPCVDファーネス100から取り出される。
800℃〜820℃の温度、4:6のアンモニア対ジクロロシランの比、及び150ミリトル〜250ミリトルの圧力を維持することによる高性能シリコン窒化物層112の形成は、有利にも、比3:4の2パーセント内のシリコン:窒素原子比、600MPa〜1000MPaの低応力、及び5原子百分率未満の低水素含有量を提供する。高性能シリコン窒化物層112は、図1を参照して説明するプロセスによって形成された結果として、2.0〜2.1の屈折率を有し得る。更に、高性能シリコン窒化物層112は、12メガボルトパーセンチメートル(MV/cm)より大きい誘電破壊強度を有し得、これは、有利にも、マイクロ電子デバイス102の一層高い信頼性に寄与し得る。アンモニア対ジクロロシランの比を増大させることは、ストイキオメトリー及び誘電破壊強度を低減し、これは、不利にも、一層低い信頼性に寄与し得る。アンモニア対ジクロロシランの比を低減することは、不利に応力を増大させる。温度を低下させること及び圧力を増大させることもまた、不利に応力を増大させる。
図2は、高性能シリコン窒化物層を備える例示の半導体デバイスの断面図である。半導体デバイス200は、スタックガリウム窒化物及びアルミニウムガリウム窒化物エピタキシャル層、及び場合によってはその他のIII−V層などの、半導体基板202上に形成される。ガリウム窒化物のキャップ層204が、基板202上に配置される。ゲート208の2つの側部の、及び半導体デバイス200のガリウム窒化物電界効果トランジスタ(GaN FET)214のソース210とドレイン212との間の、キャップ層204上に高性能シリコン窒化物層206が配置される。ゲート208は、高性能シリコン窒化物層206に部分的に重なり得る。例えば、高性能シリコン窒化物層206は、10ナノメートル〜20ナノメートルの厚みであり得る。
コンタクト金属216が、ソース210及びドレイン212において基板202上に配置される。フィールドプレート誘電体層218が、ゲート208及び高性能シリコン窒化物層206上の、コンタクト金属216の周りに配置される。ソース金属220が、ソース210におけるコンタクト金属216への電気的接続を成し、ゲート208に重なり、GaN FET214のためのフィールドプレートを提供するためにフィールドプレート誘電体層218の上のドレイン212への中途まで延在する。ドレイン金属222が、ドレイン212におけるコンタクト金属216への電気的接続を成す。付加的な誘電体層及び金属層が、GaN FET214への低抵抗接続を提供するために形成され得る。
高性能シリコン窒化物層206の低応力は、高応力を有するシリコン窒化物層を備えるGaN FETに比し、有利に、GaN FET214におけるオン状態電流を改善する。高性能シリコン窒化物層206の低水素含有量は、高水素含有量を有するシリコン窒化物層を備えるGaN FETに比し、有利にも、電荷トラップを低減し、GaN FET214の信頼性を改善する。
図3A及び図3Bは、形成の主要段階で示される、図2の半導体デバイスの断面図である。図3Aを参照すると、キャップ層204は、エピタキシャルプロセスにより基板202上に形成される。キャップ層204及び基板202の一部が、GaN FET214のための横方向隔離境界224を提供するために取り除かれ得る。高性能シリコン窒化物層206は、図1を参照して説明されるようにLPCVDプロセスによりキャップ層204上に形成される。図2の完成したGaN FET214の高性能シリコン窒化物層206のためのエリアを覆うように、高性能シリコン窒化物層206の上にエッチマスク226が形成される。エッチマスク226は、フォトリソグラフィプロセスによって形成されるフォトレジストを含み得、場合によっては、半反射層を含み得る。
図3Bを参照すると、フッ素(F)を含有する反応性イオンエッチング(RIE)プロセス228が、エッチマスク226により露出された箇所において高性能シリコン窒化物層206を取り除く。RIEプロセス228における反応性ガスフロー及び圧力は、図3Bに示されるように高性能シリコン窒化物層206上の傾斜したエッジを提供するように調節され得る。その後、アッシングプロセスなどにより、エッチマスク226が取り除かれる。図2の構造を提供するために半導体デバイス200の製造が継続される。図3A及び図3Bを参照して説明する方法は、有利にも、低応力及び低水素含有量の所望の特性を備えるパターニングされた高性能シリコン窒化物層206を提供する。
図4は、高性能シリコン窒化物層を備える例示の集積回路の断面図である。集積回路400が、シリコンウェハなどの半導体基板402上に形成される。集積回路400は、pチャネル金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタ404及び/又はnチャネル金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタ406を含む。フィールド酸化物408が、PMOSトランジスタ404及びNMOSトランジスタ406を横方向に隔離するように基板402に配置される。
PMOSトランジスタ404は、フィールド酸化物408の下方に延在するn型ウェル410において配置される。PMOSトランジスタ404は、n型ウェル410上のゲート誘電体層412、及びゲート誘電体層412上のゲート414を含む。オフセットスペーサ416が、ゲート414の横方向表面上に配置される。p型ソース及びドレイン領域418が、n型ウェル410においてゲート414の2つの側部に配置される。ソース及びドレイン領域418は、ゲート414の下に延在するソース/ドレイン拡張部420、及びゲート414に近接するディープソース/ドレイン領域422を含む。
ゲート側壁スペーサ424が、オフセットスペーサ416上に、ゲート414に近接して配置される。ゲート側壁スペーサ424は、低応力及び低水素含有量を有する、高性能シリコン窒化物の一つ又は複数の層を含む。金属シリサイド426が、ゲート側壁スペーサ424に近接してソース及びドレイン領域418上に、及び場合によってはゲート414上に配置される。ゲート側壁スペーサ424は、ゲート誘電体層412のすぐ下のチャネル層とディープソース/ドレイン領域422との間、及び、チャネル層とソース及びドレイン領域418上の金属シリサイド426との間の、横方向分離を提供する。ゲート側壁スペーサ424における高性能シリコン窒化物は、半導体基板402の10ナノメートル内にあり得る。ゲート側壁スペーサ424の低応力は、チャネル層における応力を有利に低減し得、そのため、PMOSトランジスタ404のオン状態電流及び/又はオフ状態電流を改善する。ゲート側壁スペーサ424の低水素含有量は、PMOSトランジスタ404の信頼性を有利に改善し得る。
同様に、NMOSトランジスタ406は、フィールド酸化物408の下方に延在するp型ウェル428において配置される。NMOSトランジスタ406は、p型ウェル428上のゲート誘電体層430、及びゲート誘電体層430上のゲート432を含む。オフセットスペーサ434が、ゲート432の横方向表面上に配置される。n型ソース及びドレイン領域436が、p型ウェル428においてゲート432の2つの側部に配置される。ソース及びドレイン領域436は、ゲート432の下に延在するソース/ドレイン拡張部438、及びゲート432に近接するディープソース/ドレイン領域440を含む。一つ又は複数の高性能シリコン窒化物層を含むゲート側壁スペーサ442が、ゲート432に近接して配置される。PMOSトランジスタ404のゲート側壁スペーサ424及びNMOSトランジスタ406のゲート側壁スペーサ424は、場合によっては、同時に形成される結果、同じ層構造を有し得る。金属シリサイド444が、ゲート側壁スペーサ442に近接してソース及びドレイン領域436上に、及び場合によってはゲート432上に配置される。NMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ404に関連して説明したものに類似するゲート側壁スペーサ442の低応力及び低水素含有量から利点を得ることができる。
図5A及び図5Bは、製造の主要段階で示される、図4の集積回路の断面図である。図5Aを参照すると、p型ソース/ドレイン拡張部420は、ソース/ドレイン拡張部420がゲート414の下に完全には延在しないように、PMOSトランジスタ404のゲート414及びオフセットスペーサ416を注入マスクとして用いてp型ドーパントをn型ウェル410に注入することにより形成される。同様に、n型ソース/ドレイン拡張部438は、ソース/ドレイン拡張部438がゲート432の下に完全には延在しないように、NMOSトランジスタ406のゲート432及びオフセットスペーサ434を注入マスクとして用いてn型ドーパントをp型ウェル428に注入することによって形成される。基板402は、その後、注入されたドーパントを活性化するためにアニーリングされる。
高性能シリコン窒化物層450が、PMOSトランジスタ404のゲート414、オフセットスペーサ416、及びソース/ドレイン拡張部420の上、並びに、NMOSトランジスタ406のゲート432、オフセットスペーサ434、及びソース/ドレイン拡張部438の上に形成される。高性能シリコン窒化物層450は、図1を参照して説明されるようなLPCVDプロセスにより形成され、これにより、オフセットスペーサ416及び434の垂直表面上の高性能シリコン窒化物層450の厚みが、それぞれ、図4のゲート側壁スペーサ424及び442を形成するために充分であるように、図5Aに示されるように少なくとも部分的にコンフォーマル層が提供される。
図5Bを参照すると、フッ素(F)を含有する異方性RIEプロセス452
が、PMOSトランジスタ404のゲート414及びソース/ドレイン拡張部420の水平表面の上、並びにNMOSトランジスタ406のゲート432及びソース/ドレイン拡張部438の上の、図5Aの高性能シリコン窒化物層450を取り除き、PMOSトランジスタ404のオフセットスペーサ416の垂直表面上のゲート側壁スペーサ424を形成するため、並びにNMOSトランジスタ406のオフセットスペーサ434の垂直表面上のゲート側壁スペーサ442を形成するために、高性能シリコン窒化物層450を残す。高性能シリコン窒化物層450を形成するためのLPCVDプロセスのコンフォーマルの態様により、ゲート側壁スペーサ424及び442が、フォトリソグラフィオペレーションなしに形成され得、有利にも、集積回路400の製造コスト及び複雑性を低減する。
図6A及び図6Bは、製造の主要段階で示される、高性能シリコン窒化物層を備える例示のマイクロ電子メカニカルシステム(MEMS)デバイスの断面図である。図6Aを参照すると、MEMSデバイス600が、単結晶シリコンウェハなどのシリコン基板602に形成される。キャビティ604が、穴をあけられた(perforated)薄膜606などカンチレバー状要素606の形式でキャビティ604の上の基板602の材料を残して、基板602に形成される。穴をあけられた薄膜606は、熱センサ又はマイクなどのセンサの一部であり得、又はスピーカーなどのアクチュエータの一部であり得る。穴をあけられた薄膜606を基板602の近傍領域608から部分的に隔離することが望ましい場合がある。高性能シリコン窒化物610の層が、穴をあけられた薄膜606及びキャビティ604の内部表面上、及び基板602の近傍領域608に形成される。高性能シリコン窒化物層610は、低応力及び低水素含有量を有するように図1を参照して説明されるようにLPCVDプロセスにより形成され、これにより、高性能シリコン窒化物層610が、図6Aに示されるような穴をあけられた薄膜606の全ての露出された表面を覆うように、少なくとも部分的にコンフォーマルな層が提供される。穴をあけられた薄膜606を介するキャビティ604への限定されたアクセスに起因して、高性能シリコン窒化物層610は、キャビティ604に面する穴をあけられた薄膜606の底部表面上よりも、キャビティ604の外側の穴をあけられた薄膜606の頂部表面上で一層厚い。高性能シリコン窒化物層610の低応力は、穴をあけられた薄膜606の頂部及び底部表面上の不均一な厚みに起因する穴をあけられた薄膜606のゆがみを有利に低減する。
図6Bを参照すると、高性能シリコン窒化物層610は、穴をあけられた薄膜606に近接する領域608における基板602の一部から取り除かれる。MEMSデバイス600は、水酸化カリウム溶液などの、結晶学的ウェットエッチング溶液612に浸され、これは、基板602の結晶平面に沿って高性能シリコン窒化物層610により露出されたエリアにおける基板602からシリコンを取り除いて、穴をあけられた薄膜606に近接する隔離キャビティ614を形成する。高性能シリコン窒化物層610の低水素含有量は、有利にも、所望の厚みで結晶学的ウェットエッチング溶液612に対するエッチ耐性を提供する。MEMSデバイス600はその後、リンスされ、乾燥される。高性能シリコン窒化物層610は、完成したMEMSデバイス600において適所に残され得、又は、後続の製造プロセスの間に取り除かれ得る。
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (20)

  1. マイクロ電子デバイスであって、
    基板、及び
    前記基板の上に配置されるシリコン窒化物層、
    を含み、
    前記シリコン窒化物層が、
    3:4の比の2パーセント内のシリコン:窒素原子比、
    600メカパスカル(MPa)〜1000MPaの応力、及び
    5原子百分率未満の水素含有量、
    の特性を有する、
    マイクロ電子デバイス。
  2. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記シリコン窒化物層が25ナノメートル未満の厚みである、
  3. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記シリコン窒化物層が2.0〜2.1の屈折率を有する、マイクロ電子デバイス。
  4. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記シリコン窒化物層が、12メガボルトパーセンチメートル(MV/cm)より大きい誘電破壊強度を有する、マイクロ電子デバイス。
  5. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記マイクロ電子デバイスが半導体材料を含み、前記シリコン窒化物層が、前記半導体材料から10ナノメートル内である、マイクロ電子デバイス。
  6. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記半導体材料がIII−V半導体材料を含む、マイクロ電子デバイス。
  7. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記マイクロ電子デバイスが、ガリウム窒化物電界効果トランジスタ(GaN FET)を含む、マイクロ電子デバイス。
  8. 請求項7に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記シリコン窒化物層が、III−V半導体材料に接し、前記GaN FETのゲートに接する、マイクロ電子デバイス。
  9. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記マイクロ電子デバイスが、前記NMOSトランジスタの第1のゲートに近接する第1のゲート側壁スペーサを備えるnチャネル金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタを含み、前記第1のゲート側壁スペーサが前記シリコン窒化物層を含む、マイクロ電子デバイス。
  10. 請求項9に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記マイクロ電子デバイスが、前記PMOSトランジスタの第2のゲートに近接する第2のゲート側壁スペーサを備えるpチャネル金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタを含み、前記第2のゲート側壁スペーサが前記シリコン窒化物層を含む、マイクロ電子デバイス。
  11. 請求項1に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記マイクロ電子デバイスが、カンチレバー状要素を含むマイクロ電子メカニカルシステム(MEMS)デバイスであり、前記シリコン窒化物層が、前記カンチレバー状要素の頂部表面上及び前記カンチレバー状要素の底部表面上に配置される、マイクロ電子デバイス。
  12. マイクロ電子デバイスを形成する方法であって、
    基板を提供すること、
    低圧化学気相成長(LPCVD)ファーネスに前記基板を置くこと、
    前記LPCVDファーネスにおいて前記基板を800℃〜820℃の温度まで加熱すること、
    前記基板の上にシリコン窒化物層を形成するために、アンモニアガス及びジクロロシランガスを4対6の比で、及び150ミリトル〜250ミリトルの圧力で、前記反応チャンバに提供すること、及び
    前記LPCVDファーネスから前記基板を取り除くこと、
    を含む、方法。
  13. 請求項12に記載の方法であって、
    前記シリコン窒化物層の上にエッチングマスクを形成すること、
    前記エッチングマスクにより露出された前記シリコン窒化物層を、フッ素ラジカルを用いる反応性イオンエッチング(RIE)プロセスによって取り除くこと、及び
    その後、前記エッチングマスクを取り除くこと、
    を含む、方法。
  14. 請求項13に記載の方法であって、前記シリコン窒化物層に少なくとも部分的に重なる、電気的に導電性の要素を形成することを含む、方法。
  15. 請求項14に記載の方法であって、電気的に導電性の要素が、GaN FETのゲートであり、前記シリコン窒化物層が、前記基板上のキャップ層上に配置される、方法。
  16. 請求項12に記載の方法であって、前記シリコン窒化物層が、コンフォーマル層として形成され、フッ素ラジカルを用いる異方性RIEプロセスによって、前記基板の垂直表面上の前記シリコン窒化物層を残して、前記基板の水平表面から前記シリコン窒化物層を取り除くこと含む、方法。
  17. 請求項16に記載の方法であって、前記マイクロ電子デバイスが、集積回路を含むNMOSトランジスタであり、前記シリコン窒化物層が、前記NMOSトランジスタのゲートの上に形成され、前記異方性RIEプロセスの後に残る前記シリコン窒化物層が、前記NMOSトランジスタの前記ゲートに近接するゲート側壁スペーサを提供する、方法。
  18. 請求項12に記載の方法であって、前記マイクロ電子デバイスが、カンチレバー状要素を含むMEMSデバイスであり、前記シリコン窒化物層が、前記カンチレバー状要素の頂部表面上及び前記カンチレバー状要素の底部表面上に形成するようにコンフォーマル層として形成される、方法。
  19. 請求項12に記載の方法であって、前記シリコン窒化物層が、前記シリコン窒化物層により露出されたエリアにおける前記基板から材料が取り除かれるウェットエッチングプロセスの間、前記基板を保護する、方法。
  20. マイクロ電子デバイスを形成する方法であって、
    ガリウム窒化物を含む基板を提供すること、
    前記基板上にガリウム窒化物のキャップ層を形成すること、
    前記基板をLPCVDファーネス内に置くこと、
    前記LPCVDファーネスにおいて前記基板を800℃〜820℃の温度まで加熱すること、
    前記キャップ層上のシリコン窒化物層を形成するために、アンモニアガス及びジクロロシランガスを、4対6の比で及び150ミリトル〜250ミリトルの圧力で前記反応チャンバに提供することであって、前記シリコン窒化物層が、3:4の比の2パーセント内のシリコン:窒素原子比と、600メカパスカル(MPa)〜1000MPaの応力と、5原子百分率未満の水素含有量との特性を有する、アンモニアガス及びジクロロシランガスを提供すること、
    前記LPCVDファーネスから前記基板を取り除くこと、
    前記シリコン窒化物層の上にエッチングマスクを形成すること、
    前記エッチングマスクにより露出された前記シリコン窒化物層を、フッ素ラジカルを用いるRIEプロセスによって取り除くこと、
    その後、前記エッチングマスクを取り除くこと、及び
    前記シリコン窒化物層の一部の間に前記キャップ層の上に及び前記シリコン窒化物層の一部に部分的に重なって、GaN FETのゲートを形成すること、
    を含む、方法。
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