JP4104541B2 - ショットキー障壁トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ショットキー障壁トランジスタ及びその製造方法に関し、より詳細には、金属−半導体間に形成されるショットキー障壁を利用したショットキー障壁トランジスタ(Schottky Barrier Transistor:以下、"SBトランジスタ"という)及びその製造方法に関する。
半導体素子を製造する技術は100nm以下の単チャンネルを有するトランジスタまでも製造可能になったが、単純にトランジスタのサイズを縮小して集積化すれば色々な問題がある。その中でも素子サイズの縮少による単チャンネル効果(short channel effect:SCE)及びソース/ドレイン抵抗増加防止に関するソース/ドレインドーピングが最も解決し難い問題である。
特に、従来のトランジスタ製造方法ではイオン注入法によってソース/ドレインを形成するために次のような限界がある。第1には、接合深さを調節し難いということである。深さ方向及びチャンネル方向に同時に不純物拡散がおきるためにSCE抑制が難しい。急速熱処理(rapid thermal process:RTP)、レーザー熱処理、固体状態拡散(solid phase diffusion:SPD)などがイオン注入法の代案として提示されているが、SCEを抑制するためにチャンネル深さを10nm以下に減らすことは相変らず難しい状態である。
第2には、飽和電流の減少を避けられないということである。素子の集積化が進まれつつ薄くなる接合及び高い面抵抗値によって飽和電流の減少が避けられない。第3には、ソース/ドレインに注入された不純物の活性化のために800℃以上の高温熱処理工程が必要であるために、金属ゲートの適用が難しくなるということである。最後には接合境界面でのソフトエラー発生可能性及び浮体効果の存在である。
これに対する解決方法として提示された技術のうちには、金属シリサイドをソース/ドレインに適用したSBトランジスタの製造技術がある。この技術はソース/ドレインのドーピング問題を根本的に排除し、ソース/ドレインの抵抗を画期的に低めると同時に高温熱処理工程を省略可能にする。したがって、今後素子の低電力/高速化を充足させるために金属をゲート電極として使用する工程とも両立できる。
従来のSBトランジスタ製造方法は、金属蒸着後に熱処理を通じてシリサイド反応を起こし、未反応金属は選択的ウェットエッチングで除去してソース/ドレインを形成することである。シリサイド反応及び選択的ウェットエッチング工程は通常サリサイド工程として知られている。しかし、SBトランジスタ製造技術がナノ電子素子の代案として浮び上がったのは最近のことであるために、SBトランジスタ構造及び製造工程の最適化がまだ確立されていない実情である。したがって、素子特性に大きい影響を及ぼすショットキー障壁高さを効率的に調節する一方、超微細素子の製造工程に最適化を期する必要がある。
特に、このようなSBトランジスタの製造工程で重要ながらも難しい工程のうち一つは未反応金属だけを除去する選択的ウェットエッチング工程である。金属種類及びパターンによって難易度は変わるが、使用する金属が貴金属でありパターンが微細なほどこの工程は非常に難しくなる。
また、一つの工程はエッチングダメージ除去のための工程である。SBトランジスタは金属シリサイドとシリコン基板との界面特性が非常に重要であるが、ここに影響を多く及ぼす変数がゲート側壁にスペーサを形成する間に発生するエッチングダメージである。現在までの技術はこれに対する適切な解決方法を提示できない。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、選択的なウェットエッチングに伴う困難さを克服してエッチングダメージを緩和でき、最適の電気的特性を得る構造のSBトランジスタを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、選択的なウェットエッチングの難しさ及びエッチングダメージが除去できるSBトランジスタの製造方法を提供することである。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明によるSBトランジスタは、基板上にゲート絶縁膜を介在して形成されたゲートを含む。前記ゲート両側の上部エッジと離隔されてスペーサが形成されている。前記ゲート両側基板にはエレベーテッドシリサイドソース/ドレインが形成されている。前記スペーサ上に前記ゲート両側の上部エッジと前記ゲート上部とを取り囲む多結晶シリコン層が形成されている。
また、本発明によるSBトランジスタの製造方法では、基板上にゲート絶縁膜を介在してゲートを形成した後、前記ゲート側壁にスペーサを形成する。選択的シリコン成長を適用して前記ゲート上部に多結晶シリコン層を成長させると同時に前記基板上には単結晶シリコン層を成長させる。前記多結晶シリコン層及び単結晶シリコン層上に金属を蒸着した後、前記多結晶シリコン層及び単結晶シリコン層と前記金属を反応させて自己整列的にシリサイドを形成する。
本発明では、選択的シリコン成長を利用してゲート最上端に多結晶シリコン層を形成する。このような多結晶シリコン層はゲート両側の上部エッジ及びゲート上部を取り囲む形状を有するが、これによりスペーサ上にはシリサイド反応のための金属が蒸着されていない地域が形成される。金属が蒸着されていない地域によりゲートとソース/ドレインとが自然的に電気絶縁されるので、シリサイド反応せずに残留する金属を選択的ウェットエッチングする工程が省略できる。一方、基板上に単結晶シリコン層を成長させることによって、スペーサエッチング時に発生したエッチングダメージを緩和させることができる。
本発明による超微細SBトランジスタ素子の製作において、選択的シリコン成長方法を適用することによって次のような効果を奏する。
第1に、工程最適化を期することができる。ゲート側上部での多結晶シリコン層の成長は、結果的に金属蒸着されていない地域を作って未反応金属を除去するための選択的ウェットエッチング工程を省略可能にする。基板上の単結晶シリコン層の成長はソース/ドレインでのスペーサエッチングダメージを減らすことによって素子特性を向上させることができる。既存の選択的なウェットエッチングが難しかった貴金属系列及び微細パターンにも本発明を適用できるので、素子適用の幅及び限度を増加させることができる。
第2に、工程単純化及び素子特性を向上させることができて今後超微細かつ高機能の半導体素子製造に寄与できる。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例によるSBトランジスタの断面図である。図1を参照すれば、全体的な構造は、SOI(silicon on insulator)ウェーハ1上に形成されている。SOIウェーハ1は基底シリコン層5上に埋込絶縁酸化膜10と非常に薄い単結晶シリコン層20とが積層されている構造である。このようなSOIウェーハ1上にゲート絶縁膜30を介在してゲート60aが形成されている。ゲート60aは高濃度にドーピングされた多結晶シリコンまたはタングステン、アルミニウムなどの金属で構成できる。ゲート60a両側の上部エッジと離隔されて絶縁体膜よりなるスペーサ80aが形成されている。
ゲート60a両側のSOIウェーハ1には、エレベーテッドシリサイドソース/ドレイン130が形成されている。ソース/ドレイン130は、SOIウェーハ1上にシリコン単結晶層を成長させた後にシリサイドを形成して作ることができる。スペーサ80aはゲート60aとソース/ドレイン130間の短絡を防止する。
スペーサ80a上には、ゲート60a両側の上部エッジ及びゲート60a上部を取り囲む多結晶シリコン層100が形成されている。多結晶シリコン層100上には、シリサイド層120aがさらに形成されうる。ここで、ソース/ドレイン130及びシリサイド層120aは、例えば、コバルト、タングステン、ニッケル、パラジウム、白金またはチタンなどのシリサイドで形成される。
ゲート60aの最上端に形成されている多結晶シリコン層100は、ゲート60a両側の上部エッジ及びゲート60a上部を取り囲む形状であるので、シリサイド反応を起こすために金属を蒸着する時にスペーサ80a上に金属が蒸着されていない地域を形成する。金属が蒸着されていない地域によりシリサイド層120aとソース/ドレイン130とが連結されることが防止されるので、シリサイド反応せずに残留する金属を選択的ウェットエッチングする工程を省略できる。
図2乃至図11は、本発明の実施例によってSBトランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
一般的なシリコン基板を使用してもよいが、超微細SBトランジスタ工程の最適化のためには、漏れ電流を最大限防止せねばならないためにSOIウェーハを使用することが望ましい。図2を参照すれば、SOIウェーハ1は、基底シリコン層5上に埋込絶縁酸化膜10を形成し、非常に薄い単結晶シリコン層20を接合して形成することが一般的である。
図3を参照すれば、このようなSOIウェーハ1上にゲート絶縁膜30を形成し、ゲート電極形成のための導電層40を形成する。ゲート絶縁膜30はシリコン酸化膜、チタン酸化膜あるいはタンタル酸化膜のような酸化膜で形成でき、通常的な蒸着方法、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)、SACVD(Sub−Atmospheric CVD)、LPCVD(Low Pressure CVD)またはPECVD(Plasma Enhanced CVD)による。
蒸着の代わりに熱酸化法で単結晶シリコン層20を酸化させてシリコン酸化膜を成長させることもある。導電層40は、例えば、高濃度にドーピングされた多結晶シリコン層または金属層で形成できる。高濃度にドーピングされた多結晶シリコン層はLPCVDで500℃〜700℃の温度で蒸着できる。不純物がドーピングされていない状態に蒸着した後、砒素(As)または燐(P)をイオン注入としてドーピングして導電性を有させることもあり、蒸着時にインサイチュで不純物をドーピングして蒸着することもある。
一方、金属層はタングステン、アルミニウムで形成できる。次に導電層40上にフォトレジストを塗布し、露光及び現像でパターニングしてゲートパターニングのためのマスク50を形成する。
マスク50を利用したRIE(reactive ion beam etching)法を適用して導電層40をエッチングすることによってゲート60を形成する。マスク50除去後の図面は、図4の通りである。
SBトランジスタの構造完成のためには、ゲートとソース/ドレイン間の短絡を防止するための絶縁体スペーサの形成が必ず必要であるが、スペーサを形成する2つの方法が図5及び図6、図7及び図8に各々示されている。第1の方法は、図5のようにゲート60上にLPCVD法により絶縁体膜70を蒸着した後、RIEのような異方性エッチングを経て図6のようにゲート60側壁にスペーサ70aを形成することである。絶縁体膜70は、例えば、シリコン窒化膜であり、これは500℃〜850℃の温度でSiHとNHとの反応を利用する。スペーサエッチングはゲート60の高さに比例するが、基板、すなわち単結晶シリコン層20を200〜500Å程度の厚さdほどエッチングさせることが後続工程のために望ましい。
また、ゲート60の上部エッジ部分にゲート物質が表れるようにスペーサ70aを形成することが望ましく、この段階で表れない場合には後続工程でウェットエッチングを微量実施したり、選択的なシリコン成長初期のインサイチュクリーニング法により露出させることが望ましい。
第2の方法は、図7のようにゲート60を熱酸化させてその周辺に熱酸化膜80を形成した後、RIE段階を経て図8のようなスペーサ80aを形成する方法である。図7及び図8に示した熱酸化法工程は高温工程であるが、幅が狭くなったゲート60aが形成されるのでゲート幅の縮少の長所がある。ここでもスペーサエッチングはゲート60aの高さに比例するが、単結晶シリコン層20を200〜500Å程度の厚さdほどエッチングさせることが望ましい。また、ゲート60aの上部エッジ部分にゲート物質が表れるようにスペーサ80aを形成することが望ましく、この段階で表れない場合には後続工程でウェットエッチングを微量実施したり、選択的なシリコン成長初期のインサイチュクリーニング法により露出させる。
以後の実施例は、図8に続いて進まれると説明するが、図6に続いて進まれることもあることを当業者ならば理解できる。
図9乃至図11は、本発明で最も重要な工程及び工程順序を示す図である。スペーサ80aの形成後、図9のように選択的シリコン成長を適用してゲート60a上側から成長した多結晶シリコン層100と、ソース及びドレイン予定領域で成長した単結晶シリコン層110とを得る。多結晶シリコン層100の形成厚さは200〜500Å程度にする。ところで、前述したように図7の段階でスペーサ80aの形成時、ゲート60aの上部エッジ部分にゲート物質が表れない場合には選択的シリコン成長を実施する前にウェットエッチングを微量実施したり、インサイチュクリーニング法によりゲート60aの上部エッジを露出させる。
選択的シリコン成長をLPCVD装備で行う場合にインサイチュクリーニング法は、そのLPCVD装備でH−ベークを実施してゲート60aの上部エッジを露出させる方法である。この時、700〜900℃でHを0.5〜50slm程度流して圧力を0.1〜10Torrに低く維持した状態で60〜300秒間進めることが望ましい。その後、DCS(dichlorosilane、SiCl)、HCl及びHを工程ガスとして使用して選択的シリコン成長を行うが、DCSの流量は0.1〜2slm、HClの流量は0〜3slm、Hの流量は10〜150slmとし、温度は780〜930℃に維持し、圧力は20〜250Torrまでの条件を利用できる。特に、温度が低くなるほど圧力を下げる条件を利用することが望ましい。
選択的シリコン成長をLPCVD装備の代りにUHV−CVD(ultra high vacuum−chemical vapor deposition)装備で行う場合にインサイチュクリーニング法もそのUHV−CVD装備で実施し、真空洗浄を実施してゲート60aの上部エッジを露出させる。この時、10Torr以下の超高真空状態で650〜800℃範囲で60〜300秒間進められる。選択的シリコン成長のための工程ガスはSiあるいはSiH、Cl及びHであり、SiあるいはSiHの流量は1〜10sccm、Clの流量は0〜5sccm、Hの流量は0〜20sccmとし、温度は500〜750℃に維持し、圧力は0.1〜50mTorrの条件を利用できる。
上述した条件で選択的シリコン成長を適用すれば、多結晶シリコン層100のうちゲート60aの上側エッジで成長した部分は両側に下部単結晶シリコン層110より1.5〜2倍ほど大きく育つ。その理由はゲート材料である高濃度にドーピングされた多結晶シリコンまたは金属で選択的シリコン成長が促進されるからである。したがって、図9に示したように多結晶シリコン層100の下部102に負の傾斜面が激しく形成される。
後続的に図10のようにショットキー障壁金属120を蒸着すれば、多結晶シリコン層100の負の傾斜面のために金属蒸着されない地域122が現れる。金属120は例えば、コバルト、タングステン、ニッケル、パラジウム、白金またはチタンなどの金属でありうる。このような金属は物理的な蒸着方法、すなわちスパッタリング、蒸気蒸着法、MBE(molecular beam epitaxy)、ICP(ionized cluster beamde position)、またはレーザーを活用した物理蒸着法等で蒸着できる。金属120を蒸着する厚さは50〜500Å程度にする。
次に、図11を参照して熱処理を実施すれば、ゲート60aの上部にシリサイド層120aが形成され、ゲート60aの両側にはシリサイドよりなってSOIウェーハ1の表面からエレベーテッドされたソース/ドレイン130が形成される。シリサイド形成のための熱処理は、例えば熱処理ファーネスで300〜600℃で0.5〜2時間進められる。その代りに、RTP(rapid thermal process)装備を利用する場合であれば800〜1200℃で1〜30秒の熱処理を適用して進めることもある。
スペーサ80aに一部蒸着した金属120がそのまま残っていても金属蒸着されていない領域122により、ゲート60aとソース/ドレイン130とは電気的に絶縁された状態となる。すなわち、未反応金属を除去する選択的ウェットエッチング工程を省略できる。一方、単結晶シリコン層110成長の適用はスペーサ80aを形成する時に発生するエッチングダメージを緩和させることによって素子の電気的特性を改善させる。
図12は、本発明の実験例によって選択的シリコン成長を実施した場合のSEM(scanning electron microscope)写真を示す図である。
本発明によるSBトランジスタは、イオン注入によるドーピング方法を使用しないためにこれに伴ういろいろな工程が省略できて、これによるコスト節減効果が期待される技術であり、動作原理が量子力学的な物理法則に従うために今後量子素子への応用が非常に容易な素子である。本発明によるSBトランジスタの製造方法は、超微細素子の製造工程に最適化を期することができる。
本発明の実施例によるショットキー障壁トランジスタの断面図である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その1)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その2)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その3)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その4)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その5)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その6)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その7)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その8)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その9)である。 本発明の実施例によってショットキー障壁トランジスタの製造方法を説明するための断面図(その10)である。 本発明の実験例によって選択的シリコン成長を実施した場合のSEM写真を示す図である。
符号の説明
1 SOIウェーハ
5 基底シリコン層
10 埋込絶縁酸化膜
20 単結晶シリコン層
30 ゲート絶縁膜
40 導電層
50 マスク
60,60a ゲート
70 絶縁体膜
70a,80a スペーサ
100 多結晶シリコン層
110 単結晶シリコン層
120 ショットキー障壁金属
120a シリサイド層
122 領域
130 ソース/ドレイン

Claims (20)

  1. 基板上にゲート絶縁膜を介在して形成されたゲートと、
    前記ゲート両側の側壁に、ゲート上部エッジを露出するように形成されたスペーサと、
    前記ゲート両側基板に形成されたエレベーテッドシリサイドソース/ドレインと、
    前記スペーサを露出しつつ、前記ゲート上部エッジと前記ゲート上部とを覆い包む多結晶シリコン層と
    前記多結晶シリコン層上に形成された金属シリサイド層と
    を備えたことを特徴とするショットキー障壁トランジスタ。
  2. 前記ゲートは、高濃度にドーピングされた多結晶シリコンまたは金属で構成されたことを特徴とする請求項1に記載のショットキー障壁トランジスタ。
  3. 前記基板は、SOIウェーハであることを特徴とする請求項1に記載のショットキー障壁トランジスタ。
  4. 基板上にゲート絶縁膜を介在してゲートを形成する段階と、
    前記ゲート両側の側壁に、ゲート上部エッジを露出するスペーサを形成する段階と、
    選択的シリコン成長を適用して、前記ゲート上部エッジ及び前記ゲート上部に多結晶シリコン層を成長させると同時に前記基板上には単結晶シリコン層を成長させる段階と、
    前記多結晶シリコン層及び単結晶シリコン層上に金属を蒸着すると同時に、前記多結晶シリコン層により、前記スペーサ上には前記金属が蒸着されていない領域を形成する段階と、
    前記多結晶シリコン層及び単結晶シリコン層と前記金属を反応させて自己整列的に金属シリサイドを形成する段階と
    を有することを特徴とするショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  5. 前記多結晶シリコン層により、前記スペーサ上には前記金属が蒸着されていない領域を形成することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  6. 前記ゲートは、高濃度にドーピングされた多結晶シリコンまたは金属で形成することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  7. 前記スペーサを形成する段階は、前記ゲート上に絶縁体膜を蒸着する段階と、前記絶縁体膜を異方性エッチングする段階とを有することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  8. 前記スペーサを形成する段階は、前記ゲートを熱酸化させてその周辺に酸化膜を形成する段階と、前記酸化膜を異方性エッチングする段階とを有することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  9. 前記異方性エッチングする間に前記基板を200〜500Åほどエッチングさせることを特徴とする請求項又はに記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  10. ウェットエッチングを微量実施して前記ゲート上部エッジを露出させる段階を有することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  11. 選択的シリコン成長初期インサイチュクリーニング法により前記ゲート上部エッジを露出させる段階を有することを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  12. 前記インサイチュクリーニング法は、LPCVD装備で実施し、700〜900℃でHが0.5〜50slm程度流れる範囲で圧力を0.1〜10Torrに維持した状態で60〜300秒間進めることを特徴とする請求項11に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  13. 前記ゲート上に多結晶シリコン層を形成すると同時に前記基板上には単結晶シリコン層を成長させる段階は、前記LPCVD装備で進め、DCS、HCl及びHを工程ガスとして使用し、DCSの流量は0.1〜2slm、HClの流量は0〜3slm、Hの流量は10〜150slmとし、温度は780〜930℃に維持し、圧力は20〜250Torrの条件を利用することを特徴とする請求項12に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  14. 前記温度が低くなるほど圧力を下げる条件を利用することを特徴とする請求項13に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  15. 前記インサイチュクリーニング法は、UHV−CVD装備で実施し、10Torr以下の超高真空状態で650〜800℃範囲で60〜300秒間進めることを特徴とする請求項11に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  16. 前記ゲート上に多結晶シリコン層を形成すると同時に前記基板上には単結晶シリコン層を成長させる段階は、前記UHV−CVD装備で進め、Si 又はSiH、Cl及びHを工程ガスとして使用し、Si 又はSiHの流量は1〜10sccm、Clの流量は0〜5sccm、Hの流量は0〜20sccmとし、温度は500〜750℃に維持し、圧力は0.1〜50mTorrの条件を利用することを特徴とする請求項15に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  17. 前記ゲート上に多結晶シリコン層を形成する厚さは、200〜500Å程度にすることを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  18. 前記金属を蒸着する厚さは、50〜500Å程度にすることを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  19. 前記金属シリサイドを形成する段階は、熱処理ファーネスで300〜600℃で0.5〜2時間の熱処理を適用して進めることを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
  20. 前記金属シリサイドを形成する段階は、RTP装備で800〜1200℃で1〜30秒間熱処理して進めることを特徴とする請求項に記載のショットキー障壁トランジスタの製造方法。
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