JP4751004B2 - 厚さが異なる領域を有するデバイスまたはデバイス層の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造要素が共通した層に異なる厚さで形成される、半導体処理に関する。特に、サブミクロンCMOS技術においては、nMOSデバイスのゲート電極の厚さは、pMOSデバイスのゲート電極厚さと異なる必要がある。故に、本発明は、選択可能なゲート厚を有するCMOS半導体デバイス、およびそのようなデバイスを製造する方法にも関する。
【0002】
【従来の技術】
定義によれば、CMOS集積回路は、n型(nMOS)およびp型(pMOS)電界効果トランジスタ(FET)の組み合わせである。これら2種のトランジスタは、通例、それぞれnチャネルもしくはnMOSおよびpチャネルもしくはpMOSデバイスと呼ばれている。そのようなCMOS回路製造方法は、当業者に関し周知である。シリコンのような半導体基板上で、続く処理過程で、これらトランジスタが形成されることとなる領域が選択される。これらいわゆる「活性領域」は、その間に絶縁構造を形成することにより、互いに絶縁されている。そのような絶縁構造の例としては、選択酸化シリコン(LOCOS)または絶縁体によるトレンチ分離(STI)がある。後にnMOSまたはpMOSデバイスが形成されることになる活性領域は、それぞれがnMOSまたはpMOS活性領域と呼ばれている。ゲート絶縁膜は、半導体基板表面に形成される。通例、ゲート絶縁膜は、シリコン表面の酸化、または、基板上に高誘電体の積重体(stack)の形成により、形成されている。このゲート絶縁膜の上面において、ゲート電極が確立される。多結晶シリコン(pSi)もしくは多結晶シリコンゲルマニウム(pSiGe)またはその合金といった半導体材料の堆積(depositing)により、ゲート電極が得られる。この層状ゲート絶縁膜および電極材料は、パターン形成されて、各トランジスタのゲートスタック(gate stack)になる。半導体ゲート電極材料は通常、イオン注入ソースより与えられる添加物のドーピングによって、導電性を与えられる。ゲート電極材料は、nMOSおよびpMOSに共通であるが、両デバイスのゲート電極へのドーピングは、両デバイスのうちの1つのみからなる領域を選択的にマスキングして、分離的に行われる。nMOSトランジスタのゲート電極へのドーピングの間に、nMOSのソース/ドレイン接合も形成され、必要な変化を加えて、pMOSへのドーピングの間にも、対応するソース/ドレイン接合が、マスキングされていない活性領域に形成される。ソース/ドレイン接合は、ゲートスタックの下に形成され、向き合う、ドーピングされたチャネル領域との電気的接点を成す。処理過程のうちに、付加的注入、例えば、ウェル(well)またはシンク(sink)のような基板内の添加領域の形成、もしくは、当業者に周知の注入であって処理すべきデバイスに所望の電気的および機能的挙動を与えるために必要な注入を行うことができる。
【0003】
ゲート電極へのドーピングには、いくつかの満たすべき必要条件が存在する。ゲート電極および接合領域に同時にドーピングするために用いられる、イオン注入の投与量(イオン毎平方センチメートル)は、例えばゲート電極およびソース/ドレイン接合の両方においては十分に低い抵抗率を得るために、十分に高くなければならない。理想的には、ドーピングはゲート電極全体に渡って、勿論ゲート電極の下に横たわる界面まで、均一であるべきである。もしも、ゲート絶縁体/ゲート電極界面における添加濃度(イオン毎立方センチメートル)があまりに低ければ、電界効果トランジスタに逆方向のバイアスがかけられた場合に、ゲート電極のこの部分が空乏化することがある。そのような望まざる空乏は、トランジスタの電気的性能に負の影響を与える。ゲートキャパシタンスと直列的に、空乏層が付加的なキャパシタンスを形成し、チャネルおよびバルク領域のゲート電圧の制御を困難にし、より深刻な短チャネル効果を誘導する。もしも、ゲート電極へのイオン注入のために、高注入エネルギが用いられれば、均一な添加をしたゲート電極層が得られる。しかし、ゲート電極への添加は、ゲート電極自体に制限されなければならないので、この注入エネルギはある制限内に収めなければならない。もし、ゲート添加物が、相対するドーピングされたチャネル領域に達せば、チャネルはカウンタードーピングされるか、少なくとも効果的なチャネルへのドーピングが減少し、デバイスの閾値電圧および「短チャネル」特性の変化を起こす。高注入エネルギは、深い接合部をも、もたらすのだが、サブミクロンCMOSを基とする技術においては、短チャネル効果および接合部キャパシタンスを減らすために、浅い接合部が好ましい。これとは反対に、もしも熱処理過程に続いて低注入エネルギを用いれば、上記の問題は回避されるが、これらの熱処理過程または後続の別の熱処理過程の間、ゲート添加物が、ゲート電極からゲート絶縁体を通り、チャネル領域へ拡散し、チャネルへのドーピングをキャンセルしかねない。
【0004】
リン、ヒ素、または、アンチモンといったイオンは、nMOSデバイスのゲート電極のドーピングに用いられているが、そのような重イオンの注入に際しては、たとえ注入エネルギが上昇しても、チャネル領域への侵入は起こりにくい。少なくともゲート絶縁体においては、これら不純物の拡散速度は低いので、注入過程の後に続く熱的処理過程の間の、これら重イオンによるチャネル領域への侵入は実質上起こらない。それとは反対に、pMOSデバイスのゲート電極へのドーピングに用いられる、ホウ素のような軽イオンは、サブミクロンMOS技術で用いられる、薄いゲート絶縁体を通り、チャネルに侵入しやすい。もし、チャネルへのホウ素のさらなる侵入を防ぐために、アニーリング条件をpMOSトランジスタに最適化すれば、CMOS処理過程の熱エネルギまたは熱収支は、n型添加物を活性化すること、または、ゲート電極全体へ拡散させることに十分ではなく、nMOSデバイスにおいて、高度なゲートの空乏化が生じる。それ故、これら両デバイスを統合することは、非常に注意深く注入条件を最適化すること、および、最後のアニーリング過程を最適化することを必要としている。
【0005】
特許文献1は、ポリシリコンのゲート電極の膜厚を2つ有するCMOS構造を開示している。薄いnMOSのゲート電極に必要なn型添加物の拡散は少ないので、このゲート電極に均一な添加がされるのに必要な熱的エネルギは小さい。厚いpMOSゲート電極は、チャネルへの注入イオンの侵入を防ぐのに十分な停止能(stopping capability)を有する。厚いpMOSのゲート電極は、ホウ素の進入の危険性なしで、最後のRTAの温度を上昇させることを可能にし、添加物の活性を改善している。ある所定の熱的収支に関し、p型不純物は、ゲート電極/ゲート絶縁体界面またはチャネル領域に到達するまでに、長い距離を拡散しなければならない。この、いわゆる「デュアルゲート」CMOS処理過程が、nMOSにおけるゲート空乏、および、pMOSデバイスについて、チャネルへのホウ素の侵入を減らすことに関し、ゲート電極に関する処理の最適化を容易にしている。本特許は、nMOSデバイスのゲート電極の膜厚を減らし、pMOSデバイスのためのゲート電極層の膜厚を増加させる方法を記述する、いくつかの実施形態を開示する。
1.nMOSデバイス領域外部の堆積状態(堆積されたまま、熱処理等を受けていない状態(as-deposited))ポリシリコン層をマスキングし、時限的(timed)エッチングを用いてマスキングされていない領域のポリシリコンを除去、例えば、規定時間だけ、反応性イオンエッチング(RIE)のようなドライエッチングを行う。
2.ゲート絶縁体上に、ゲート電極としてポリシリコン/酸化シリコン/ポリシリコンの多層構造を堆積させ、nMOSデバイスが形成される領域のみ、この多層構造の上部ポリシリコン層を除去する。
3.pMOSデバイス領域外部の堆積状態ポリシリコンのゲート電極を薄い酸化物層でマスキングし、堆積状態ポリシリコン層の非酸化領域の上部に付加的なシリコン層を成長させる。
4.pMOS領域内の堆積状態ポリシリコンのゲート電極を薄い窒化物でマスキングし、マスキングされていないポリシリコン層を酸化し、ウェットエッチング処理により、酸化されたポリシリコン層を除去する。
【0006】
ここで提案されている方法には、複雑性および製造しやすさに関して幾つかの欠点を有する。このポリシリコン層のパターン形成に先立って得ている堆積状態ポリシリコン電極における変形例として、付加的な形状がnMOSおよびpMOSデバイスの間に作られる。この高さの違いが、処理の自由度およびパターン形成処理の制御に影響を与える。ポリシリコン層にエッチングを施す過程において、nMOSデバイスのゲートスタックは、過剰エッチングされ、下に横たわる活性領域にまで食刻が進む。この「ピッティング」の問題は、この電極のエッチングがこのゲート絶縁体で停止しなければならない場合、より重大な問題となる。したがって、ここで提案されている方法は、より小さなスケールのCMOS処理における使用には適さない。
【0007】
もし、ドライエッチング技術を用いて、nMOS領域における堆積状態ポリシリコン層を薄くすれば、下に横たわるゲート酸化物が、このエッチングプラズマに曝され、ゲート絶縁体にプラズマ損傷(plasma damage)が発生する。時限的エッチング処理は、食刻の速度のようなエッチングのパラメータは制御を受けないので、最終膜厚は高分散性を示すことが知られている。pMOSデバイス領域内の堆積状態ポリシリコン層を厚くすることは、選択的成長を可能にする処理過程と同様に、マスキング過程を経なければならないので、確実に処理の複雑さは増大する。選択的成長または選択的エッチングは、マスキングまたは停止層の存在を必要とする。もし、このマスキングまたは停止層が除去されなければ、ゲート電極、および、それ故にデバイスの電気的性能に影響を与える。
【0008】
【特許文献1】
特開2000−058668号公報 (第1図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、均一性および再現性を改善し、費用効果のある方法で、半導体処理に用いられる層の膜厚を局所的に調整することである。
本発明の他の目的は、制限された処理ステップ数で、半導体処理に用いられる層の膜厚を局所的に調整することである。
本発明の他の目的は、費用効果があり、高効率な方法で、共通する層に形成された、機構群(groups of features)の膜厚を、所望の膜厚に合わせることである。
本発明の他の目的は、共通ゲート電極の膜厚が、例えば、n型またはp型デバイスといったMOSデバイスに依存しているCMOS回路を得ることである。
本発明の他の目的は、制限された処理ステップ数で、共通ゲート電極の膜厚が局所的に調整される、CMOS回路を得ることである。
本発明の他の目的は、共通ゲート電極の膜厚が、局所的に調整されて、それによって少なくともCMOSデバイスとしての機能およびゲート線幅の制御を維持しているCMOS回路を得ることである。
本発明の他の目的は、CMOS処理において使用される異種ゲート電極添加物間の拡散速度の違いを補償する方法を開示することである。
本発明の他の目的は、共通のデバイス材料において三次元的構造が形成されているデバイスを製造し、それにおいては、上記三次元的構造はたった1つの付加的段階によって形成されることである。
本発明の他の目的は、n型およびp型デバイスのための、CMOS処理の熱的収支を最適化するための自由度に、更なる自由度を加えることである。
本発明の他の目的は、異なる種類のゲート電極添加物間の、異なるイオン注入エネルギの範囲を補償する、サブミクロンCMOS処理に利用可能な方法を開示することである。
本発明の他の目的は、最小の接合深さ、および、ゲート電極層に渡って実質的に均一で、ゲート電極層に制限されたゲート電極への添加を有する、電界効果トランジスタを備えたCMOS回路を得ることである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様においては、集積回路のような電子部品のデバイス層に、または、電子部品の製造において用いられる方法により製造されたデバイス、例えばMEMSデバイス、に形状を構成する方法を開示している。この方法は、基板を調達する段階、該基板にデバイス層を形成する段階、該デバイス層の選択領域において可処分部分(disposable parts)を作る段階、少なくとも該選択領域における該デバイス層にパターンを形成する段階、および、該デバイス層の該可処分部分を選択的に除去する段階、よりなる。可処分部分は、デバイス層の膜厚の内部に形成されるが、この層を完全に貫くことはない。好ましくは、この可処分部分は、規定の深さまで上記デバイス層の除去特性を変化させることで生成される。より好ましくは、デバイス層の除去特性の変化は、デバイス層に科学物質を導入したことに起因、または、関連している。例えば、規定の深さまで、これら選択領域にドーピングすることで除去特性を変化させている。
【0011】
本発明は、デバイス層に少なくとも第1および第2領域を有し、該第1領域は第2領域と異なる膜厚を有し、第1および第2領域の膜厚の差異は、第1および第2領域を形成するためのパターン形成をデバイスに施した後、デバイス層に生成された可処分部分を除去した結果生じたものであることを特徴とする、集積回路を供する。
【0012】
本発明はまた、デバイス層に少なくとも第1および第2領域を有し、該第1および第2領域は第1の膜厚を有し、少なくとも第1領域の膜厚の内で、可処分部分が用意されており、該第2領域と異なる膜厚を有する第1領域を形成するため、可処分部分が除去可能であることを特徴とする、部分的に完成している集積回路を供する。
【0013】
さらに別の本発明の態様においては、ゲート電極の膜厚がトランジスタの種類に依存する、CMOS処理が開示される。この実施形態においては、基板は半導体基板であるが、デバイス層はゲート電極層である。好ましくは、反射防止層がデバイス層の上部に堆積される。可処分要素がデバイス層に生成され、その後でデバイス層はパターン形成される。可処分要素は、反射防止層が存在すれば、反射防止層も除去するエッチング液を用いて除去される。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明は、図面を参照して記述される。全ての図面は、いくつかの本発明の態様および実施形態を例示することを目的とし、縮尺は統一されていない。デバイスおよび製造段階は、明瞭性を理由として簡単化して描写している。全ての代替物および選択可能物が示されているのではなく、故に本発明は添付の図面の内容に制限されるものではない。結局のところ、添付の図面において、本発明は詳細に記述されている。しかしながら、当業者がいくつかの他の均等な実施形態、または、本発明を実施する他の方法を想像できることは明らかで、本発明の思想および範囲は、請求項の用語によってのみ制限される。本発明は、デバイス層の膜厚の内に、可処分層の形成に関する記述である。デバイス層は、集積回路または、例えばMEMSデバイスのような、電子部品処理に用いられる技術で製造されるデバイスといった、電子デバイスの部分である。
【0015】
半導体処理においては、しばしば異なる膜厚または層の高さが利用できるデバイスが望まれる。上記のように、異なるゲート電極膜厚を有するnMOSおよびpMOSデバイスが、例えば、短チャネル効果を抑制する助けとなる。異なる電極厚を有するレジスタまたはキャパシタもまた形成され、例えば、そのデバイスの抵抗として、異なる電気的性質、または、例えば、形状の変形のような、処理上の特性をもたらす。好ましくは、これらデバイスは、製造費用を節減するよう、デバイス材料の共通する層に形成される。そのようなデバイス材料の、ただ1つの層が、最終的には異なる膜厚を有するデバイスを形成するよう成形されるので、処理過程のスループットが改善される。このデバイス層を成形した後で、デバイス層の膜厚が調整(adjusted)されて、または、変調(modulated)されて、異なるデバイスの、または処理上の、要請を満たすように異なった高さを有する、デバイスまたはデバイスの部分が作られる。デバイス層は、半導体基板であり、デバイスの最終形態において少なくともその部分が存在する、基板に形成される、少なくとも1層の積重体である。デバイス層は、永続層(permanent layer)とも呼ばれる。デバイス材料とは、デバイスの最終形態の要素、または、部分を構成する材料である。
【0016】
本発明の第1実施形態が、図1(a)ないし(e)に示されている。図1(a)に示されているように、堆積状態、膜厚tのデバイス層2が基板1に形成される。この基板1は、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウムのような半導体材料、または、ガラスのスライス、セラミック材料、サファイアのような絶縁材料、または、金属のような導電性材料からなる、少なくとも、部分的に処理された、または、もとのままのウェハ、または、スライスであってよい。基板は、平坦な表面であることも、既に形状を有することも可能である。例えば、CMOS処理に用いられるシリコンウェハの場合、形状は、シリコン表面が曝されている活性領域、および、二酸化シリコン層といった、絶縁層が形成されている電界領域の形成の結果として生じている。デバイス層2は、半導体処理過程で用いられるあらゆる材料が可能であり、酸化物または窒化物といった絶縁材料、シリコン、シリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、ゲルマニウムといった半導体材料、または、例えばチタン、タングステンといった金属のような導電性材料でもよい。デバイス層2は、化学気相堆積(CVD)技術、スピンコート、または、従来技術に含まれる他の技術によって形成される。デバイス層2は、例えば、シリコンゲルマニウム上に形成されたシリコンのように層の積重体であってよい。
【0017】
選択領域3において、可処分(除去できる、または、犠牲的な)部分、区画、または、部材4が、このデバイス層2に形成される。例えば、当該技術分野で周知の写真平版処理を適用することで、領域が選択されて、それによって、感光性樹脂、または、レジスト5が基板1上に展着される。この感光性樹脂は選択的に、選択領域の輪郭を持つ放射光に曝される。その後の、感光性樹脂の光に曝された領域3の現像の後、パターンが形成された感光性樹脂が、樹脂の残存する領域の下に横たわる層を覆う。レジストが除去され、マスキングされていない状態になった位置3は、様々な除去的、例えば、ドライもしくはウェットエッチング、または、付加的処理過程、例えば、イオン注入、を受けるようになる。このデバイス層を可処分にすることで、可処分部分4が、このデバイス層に、少なくとも規定の深さdまで、マスキングされていない領域3、つまり図1(b)で示されている選択領域3に形成可能となる。選択領域3においてデバイス層2を、選択領域において影響を受けない部分または非選択領域におけるデバイス層の材料的特性と、差別化する(differentiating)ことが可能な、特に除去に関し、例えば選択領域3におけるデバイス層2の脆化(degradation)または腐食(erosion)の特性を差別化可能な、外部環境(environment)または物質種(species)に曝すことで、可処分部分が形成される。このように、局所的に上記デバイス層2の除去特性を規定の深さdまで、変化させることにより、上記デバイス層の可処分部分が形成される。この材料特性の交代が、デバイス層の堆積状態層膜厚tに本質的に影響を及ぼす必要はない。
【0018】
領域を選択し、これらの選択領域3において、デバイス層に可処分部分を形成する、一連の手順(sequence)が、必要に応じ、何度も繰り返し行われる。そのような、一連の手順において、異なる領域、および/または、異なる規定の深さdが選択可能で、これにより、デバイス層に形成される可処分部分の高さは、図1(c)に示されるように、領域ごとに変更可能となる。図1(b)に示される、領域3に形成される可処分領域4の初期の深さdは、新たに選択された領域3においては、部分的にdからd2に増大し、一方で新たに選択された別の領域3においては、同一の深さd2で新たに可処分部分が形成される。
【0019】
可処分部4が形成された後、図1(d)および1(e)に示されているように、デバイス層2がパターン形成される。標準的処理過程を用いて、二次元的デバイスまたは幾何学的形態(geometrical features)が、デバイス層内の選択領域3および非選択領域の両方において、確立される。先の段階においてはデバイス層の除去特性を変化させることで、最終的なデバイスの高さ形状を規定しているが、パターン形成段階では、デバイスのレイアウトを決定する。二次元的なデバイスの形成は、例えば周知のパターン形成段階で可能である。そのようなパターン形成段階には、フォトリソグラフィ処理による、所望のパターンをフォトマスクから、図1(c)に示すようにデバイス層を覆う、レジスト層5に転写する段階が含まれている。レジスト層5は、可処分な要素4の部分、または、可処分な要素を含まないデバイス層の部分を覆う。このようにして形成されたレジストパターンは、様々な除去的な処理により、下に横たわるデバイス層に転写される。パターン形成処理過程には、保護用のレジストパターンを除去または剥ぎ取る段階も含まれており、同一層内に、二次元的デバイスまたは幾何学的形態を形成し、その二次元的デバイスには可処分部分4が含まれ、この可処分部分には、図1(d)に示すように同一または異なる膜厚が存在する。図1(c)は、3つのデバイスがデバイス層2に形成されている場合を示している。左方のデバイスは、対応する選択領域3の周囲においてパターン形成され、可処分な要素4および非可処分な要素に分割された積重層を形成する。中央のデバイスは、あらゆる選択領域の外部においてパターン形成され、いかなる可処分、または、犠牲的な部分を含まない。この純種のデバイスの膜厚は、デバイス層の膜厚である。右方のデバイスは、3つの区分を有し、2つは部分的に2つの選択領域3、1つは非選択領域である。このように、右方のデバイスには、膜厚dの可処分部分4を左に有し、中央に膜厚d2の可処分部分4、および、デバイス層の膜厚である、膜厚tを有する非可処分部分6を有する。この処理過程においてはデバイス層の幾何学的パターン形成を扱うので、膜厚tの堆積状態デバイス層は、実質的には維持されており、パターン形成処理は非常に良く制御され、例えば、焦点合わせの問題や食刻を施すべき層の高さの差異に悩まされることは無い。
【0020】
デバイス層2のパターン形成の後、パターンが形成されたデバイス層の可処分部分4が、基板1および非可処分部分6に対して選択的に、除去され、図1(e)に示されるように、同一層において様々なデバイスが形成される。先にデバイス層に導入した材料の特性の差異、例えば、除去可能性または溶解性を利用して、少なくともデバイス層の他の部分6からは選択的に、パターン形成されたデバイス層の可処分部分4を除去する。この除去は、ドライエッチング、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)、または、ウェットエッチング、または、その他の適切な除去処理により可能である。除去されていない部分、または、パターン形成されたデバイス層2の部材の膜厚は、デバイスごとに変化させることも、1つのデバイス内で変化させることも可能である。可処分部分は、選択的に除去が可能である。なぜならば、可処分部分の除去特性は、このデバイス層の他の部分に較べて高められているからである。デバイス層の除去特性が変化させられている、その深さに依って高さの異なる可処分部分が形成され、また形成が可能である。デバイス、または、その部分の局所的な膜厚は、デバイス層の堆積状態膜厚tから可処分部分が形成される規定の局所的な深さdを差し引いたものとなる。可処分部分を除去する段階において、それに先立つパターン形成の段階で決定しているデバイスの形状は、実質的には維持される。図1(e)には、可処分部分を除去した後の、図1(d)に示したパターンが形成されたデバイスを示す。左方のデバイス6は、その膜厚が減少しており、中央のデバイス6は可処分要素の除去による影響を受けず、その一方で右方のデバイス6は形状(topography)を有する。
【0021】
材料特性が変化させられたデバイス層2の部分、つまりは可処分部分4は除去され、もはやデバイスには存在しないので、デバイスの電気的、または、物理的挙動が、局所的にデバイス層の膜厚を変更する処理によって損なわれることはない。本方法においては、デバイス層の非可処分部分6は、実質的には影響を被らず、実質的には堆積状態デバイス層の特性と同等である。
【0022】
本発明の第2の実施形態においては、2つの膜厚を有するゲート電極を形成する方法を開示している。nMOS、および、pMOSデバイスからなるCMOS回路が形成される。nMOSデバイスは、好ましくは、pMOSデバイスよりも、高さにおいて低いゲート電極を有する。両デバイスのゲート電極は共通の材料で作られている。そのような2つの膜厚を有するゲート電極により、広範な技術的手段(technological window)、および、CMOS処理を統合したフロー(CMOS process integration flow)において、ゲートスタックの最適化の処理に余裕がもたらされる。ゲート電極形成に用いられる、材料の膜厚のヴァリエーションは、個々のゲートスタックのパターン形成の後、作られる。この処理過程のシークエンスは、リソグラフの段階において、リソグラフ処理を適合させるのに必要となる、付加的な形状(additional topography)を一切導入しないので、パターン形成段階を簡単化する。エッチングの段階において、ゲート電極を損傷、または、他の側方への効果、たとえば、ゲートスタックと隣接する基板へのピッティングや消耗(consuming)は、大幅に減少している。本発明のゲート薄膜化の方法は、ゲート電極材料における選択的形成の結果、自己終止する処理過程である。この選択性は、パターン形成処理過程の後でのみ、利用する。したがって、本発明の処理シークエンスは、従来技術と比較して、均一性、および、再現性が非常に優れている。
【0023】
本発明による、CMOS処理過程におけるゲートスタックの形成について、図2に示す。基板1が与えられている。例えば、半導体形状(semiconductor topography)からなる半導体基板が与えられている。第1領域、例えばp型活性領域7に、絶縁体10および導体2からなる、第1ゲートスタックが形成される。第2領域、例えばn型活性領域8に第2ゲートスタックが形成される。第17、および、第2領域8は、例えば、電界領域9によって、横方向に間隔を空けることが可能である。図2(a)に示すように、第1および第2の両ゲートスタックは、ゲート絶縁膜10、および、ゲート電極材料2を備えている。ゲート絶縁膜10には、二酸化シリコン、窒化シリコン、または、半導体処理過程において使用される他の絶縁体を利用可能である。ゲート絶縁層の膜厚は0.1nmから50nmまで変化するが、好ましくは、1nmから10nmである。ゲート電極材料2は、例えば、非晶質、多結晶、単結晶のような、様々な結晶化度のシリコン、シリコンゲルマニウムが可能である。ゲート電極材料の堆積状態膜厚tは、10nmから500nmの範囲が可能で、好ましくは、50nmから350nmである。ある活性領域7は、そこにpMOSデバイスを形成するために用いられ、また、そこにnMOSデバイスを形成するためにも用いられる。
【0024】
第1実施形態におけるデバイス層2である、ゲート電極材料の選択領域3は、図2(b)に示すように、可処分部分4を形成するために添加される。その領域は、例えば所謂、nPLUSマスクを用いた、フォトリソグラフ処理過程により、選択される。このnPLUSマスクのパターンにより、後の処理過程のフローにおいてnMOSデバイスの接合打ち込み(junction implant)がなされる領域が決定され、その一方で、pMOS活性領域7を含んだ、基板の残りの領域は、レジスト5に覆われたままである。このnPLUSマスクは、既に標準的CMOSマスクセットにおいて、利用可能である。例えばpWELLマスクといった、他のマスク、または、さらに専用のマスクを、処理過程にある個々のデバイスから構成される回路が特別な構成を取る場合、利用してもよい。好ましくは、選択領域3への添加は、図2(b)において矢印で示されているように、イオン注入によるのだが、気相周囲または固相ソースも可能である。イオン注入添加には、添加レベルの大きさを広範なオーダーで制御すること、ならびに、エネルギー効果およびチャネリング効果を制御することによる、注入種の深さ形状を確立することにおいて、利点を有する。注入エネルギーおよびその注入種の種類によって注入深さdは変化する。ゲート電極層2としてのポリシリコンを例に挙げれば、注入種は、リン、ヒ素、ホウ素、アンチモン、窒素、酸素、ゲルマニウムが可能で、注入エネルギは、堆積状態の膜厚t、および、要求されている、t−dに等しい最終的なゲート電極の膜厚に依存して、100eVから200keVの範囲が可能である。注入量は、1e14アトム毎平方センチメートルから1e20アトム毎平方センチメートルまでの範囲が可能であり、好ましくは1e15アトム毎平方センチメートルから1e17アトム毎平方センチメートルである。デバイス層2への注入の後、熱処理の段階が実行可能である。このアニーリングの段階は、加熱炉またはRTP(高速熱処理)チャンバにおいて実行可能である。
【0025】
図2(c)に示すように、層状ゲート絶縁体10、および、電極材料2は、パターン形成され、nMOS活性領域においては個々のnMOSトランジスタのゲートスタックとなり、pMOS活性領域7においては個々のpMOSトランジスタとなる。nMOSデバイスの場合、ゲートスタックはゲート絶縁体10、電極層2の堆積状態にある部分、および、電極層の添加された部分もしくは可処分部分4を有する。pMOSデバイスの場合、ゲートスタックはそのような可処分部分を含まない。
【0026】
図2(d)に示されるように、nMOSゲートスタックのうち添加されている部分が、例えばドライ、または、ウェットエッチングによって、除去される。全てのnMOSゲートスタックは、同一のnPLUSマスキング段階において、同一の添加条件に曝されるので、可処分部分4の膜厚dは実質的には全てのnMOSデバイスにおいて同じである。可処分部分4の除去は、ゲート電極のうち添加されていない部分6、nMOSおよびpMOS両デバイスのゲート絶縁体、ならびに、下に横たわる基板1に関して選択的に行われる。ゲート電極材料における添加物の濃度が、除去段階における食刻率を決定するので、注入段階における量とエネルギが、除去率を調整するためのパラメータとして利用される。ケー・ウィリアムス(K. Williams)らは、ジャーナル・オブ・マイクロエレクトロニカル・システムズ(Journal of microelectronical systems)の1996年12月の5巻(vol.)4番(no.)の「マイクロマシン処理の食刻率(Etch rates for micromachine processing)」において、添加されていない層状の(blanket)ポリシリコン、および、n+を添加したポリシリコンの食刻率の違いを比較している。米国出願3715249号においては、ピー・パノーシス(P. Panousis)は、高度に添加がなされたポリシリコンは、リン酸から好ましからざる攻撃を受けるという事実について示唆し、さらに彼はエッチャントの組成を変えることで、そのような好ましからざる食刻を防ぐための解決策を模索している。選択領域3においては、ゲート電極材料のうち、約50nmから200nmが変化しており、それらはこの除去段階で消滅させられる。
【0027】
図3には、ポリシリコンがゲート電極材料として用いられている場合の、本発明による、局所薄層化ゲート電極層の処理過程を示している。2つの領域7、8の上面において、膜厚の違いに対応するポリシリコンの線が現われている。150nmの堆積状態の膜厚t2は、右方の領域8では減少して、t-d = 100nm6になる。このSEM平面写真に見るように、局所的に薄層化処理してあるポリシリコン線は、非常に良く制御されている。薄層化されているポリシリコン線の膜厚t-dは均一で、線幅、または、デバイスの形状サイズwに何ら影響を及ぼしてはいない。ゲート材料の除去はゲート電極の上面からのみ生じ、添加を受けていない端面からは生じないので、ゲートスタックの形状サイズwは維持される。
【0028】
ゲート電極層2の可処分部分4の除去の後、今や異なるゲート電極膜厚を有する、nMOSおよびpMOSデバイスを備えた、基板1はさらにCMOS処理過程の流れに沿って処理することが可能である。nMOSおよびpMOSのゲート電極は、両者ともに同一の電極材料である。接合、スペーサ、および、シリサイドの形成が可能である。スペーサの形成、および、シリサイド形成処理に、一切の問題はない。高さの異なるポリシリコンの存在に起因する、ゲートスタック高さの違いによって、スペーサの膜厚を変えることが可能である。つまり、薄いスペーサを低位にあるゲートに、そして厚いスペーサを高位にあるゲートに形成するのである。このスペーサ膜厚におけるヴァリエーションは、CMOSアーキテクチャの観点から見れば、有益である。pMOSデバイスの場合には、厚いスペーサが、pMOSトランジスタを、高度に添加されているホウ素接合(HDD)のゲートスタックの下部に位置するチャネル領域への大きな横方向拡散から保護する。他方で、nMOSデバイスの場合には、薄いスペーサが、長い低添加延伸部(LDD)を防ぐので、直列抵抗を低減することが可能となる。我々の実験において、以下のスペーサ膜厚が得られている、
100nmのポリシリコン膜厚t−dを有するnMOSにおいて、
スペーサ膜厚45nm、
150nmのポリシリコン膜厚tを有するpMOSにおいて、
スペーサ膜厚85nm。
【0029】
2つの膜厚を有するポリシリコンゲートを備えたCMOS回路における、スペーサの膜厚の違いを、図4(a)より見て取れる。2つのCMOSデバイスが形成されており、pMOSデバイスは隔絶されたpMOS活性領域8にあり、一方でnMOSデバイスは共通のnMOS活性領域7にある。nMOS活性領域7内で、ポリシリコン線は薄くなっている。ここでもまた、膜厚の均一性および形状サイズは非常に良く制御されている。図4(b)は、可処分部分を除去する当方性処理過程の影響を示している。ゲート絶縁体10、ゲート電極2のうち影響を受けていない部分6、および、ゲート電極2のうちの可処分部分4を有するゲートスタックは、スタックの上面および側方端面より除去物質に曝されるのだが、可処分部分4のみが、(破線を輪郭とする矩形で示した)初期サイズから、(ハッチングを施した矩形で示した)ある瞬間のサイズへのサイズの変化で示されているように、除去される。また、ことなる高さにある複数のnMOSおよびpMOSデバイスとの接点形成に関しても、何ら問題点は見当たらない。基板1を覆う前金属誘電体(premetal dielectric)(PMD)に、コンタクトホールを食刻する段階において、どのみち、この形状の相違が取り扱われ、処理されるのである。なぜならば、ソースおよびドレイン、ならびに、nMOSおよびpMOSゲートの接点は同時に食刻され、これらの表面は異なるレベルに位置するからである。
【0030】
本発明の第3の、好ましい実施形態においては、図5(a)ないし(e)に示されているように、サブミクロンCMOS処理過程における2つの膜厚を有するゲート電極を形成する方法を開示している。8インチ(20.3cm)シリコンウェハ1のような、n−およびp−型活性領域7、8、ならびに、電界領域9を有するウェハは、処理を受ける。5nm膜厚二酸化シリコン・ゲート絶縁層が熱的に成長する。このゲート絶縁体10の上面に、化学気相堆積(CVD)処理を用いて、150nmの多結晶シリコンが堆積される(図5(a)参照)。このポリシリコン層が、ゲート電極層として機能する。nMOSゲートのプリドーピングのための標準的なリソグラフィ段階は、選択領域3を選択するためにpウェルマスクを用いて実施される。約50nmの深さdを有する可処分部分4の形成のために、選択領域3内のゲート電極2に、約20keVのエネルギによって、約3e15毎平方センチメートルのリン添加物が注入される。193または157nmのリソグラフィ技術を利用するサブミクロンリソグラフィ処理において標準的な手法である、反射防止コーティング(ARC)が、ゲート電極2の上面に確立される(図5(c)参照)。レジスト層への露光段階において、このARC層11がレジスト層5とその下に横たわるゲート電極2との界面における、入射光の好ましからざる反射を防ぐ。別の材料も周知であり、当業者によって利用されているが、これに関する明確な例として、50nmの酸窒化シリコン(SiON)層をARC層として用いている。図5(d)に示されているように、第2実施形態において議論したようなゲートスタックのパターンが形成されている。ARC層11、可処分部分4、堆積状態の部分6、および、ゲート絶縁体10、からなるnMOSゲートスタック、ならびに、そのような可処分部分4を含まないpMOSゲートスタックを残して、感光層5が除去される。ARC層は、標準的なリン酸ウェットエッチングの段階を用いて除去される。このARCに対するウェット除去は、ポリシリコン層2の高度に添加されている部分4にも、作用する。高度に添加されていることで、ゲート電極のこの部分は、既にARC層の除去で用いたものと同一の食刻物質にたいして、敏感になっている。添加を受けていないシリコンに関する、酸窒化シリコンおよび高度に添加されているシリコンの高い選択性の結果、除去処理過程は良く制御される。図5(e)に示されているように、高度に添加されているシリコンの部分が除去されれば食刻処理過程は停止し、2つのゲートを有するCMOSデバイスが形成される。ポリシリコン膜厚は、ARC層および高度に添加を受けたシリコンの部分の両者へのリン酸(H3PO4)エッチングに先立って、nMOSおよびpMOSデバイスのそれぞれに対し、堆積ポリシリコン層の膜厚t、および、添加深さdを決定する添加条件を決定することで、別々に決定することが可能である。
【0031】
この好ましい実施形態について、補足的な実験を行っている。試験第1組においては、8インチ(20.3cm)p型シリコン基板が用いられた。これらウェハの上面に、膜厚2nmの一酸化窒素(NO)絶縁体層が形成された。このゲート絶縁体の上面に、膜厚150nmの多結晶性シリコンが堆積された。このゲート電極材料は、表1に示されているスプリットを用いてゲート電極材料は、添加された。ポリシリコン層の部分的添加の後、ウェハは、表1に示す、スプリットに基づいて、アニーリングを受けた。そして、酸窒化シリコン反射防止層が堆積され、個々のトランジスタを形成するためにゲートスタックのパターンが形成された。レジスト層のリソグラフィ処理、エッチング、および、除去の各段階からなる、このパターン形成段階の後、ゲートスタックパターンの上面に残存する酸窒化シリコン(SiON)層が、表1に示されているようにリン酸を用いて除去される。このウェットエッチング段階の後、フッ化水素を基材とした洗浄溶液によって、ウェハは洗浄される。
【表1】
実験第2組においては、8インチ(20.3cm)p型シリコン基板が用いられた。この実験においては、膜厚1.5nm一酸化窒素(NO)絶縁体層を成長させた。より薄いゲート絶縁膜を成長させたのは、ゲート絶縁体および下に横たわる基板から、添加を受けたゲート電極を除去するウェット・エッチャントの選択能を観察するためである。ゲート電極層に用いる膜厚150nmの多結晶性シリコンも成長させた。幾つかのウェハについては、表2に示したように、均一な多結晶性シリコン層の上面にCVD酸化物、例えばTEOSを形成した。この層は、注入されるイオンに対して付加的な障壁となって注入処理過程に影響を及ぼす。そして、ゲート電極層には、リンを、表2に示したスプリットごとに、エネルギを20keVから35keVの範囲で、注入量は3e15毎平方センチメートルから1e15毎平方センチメートルの範囲で、注入した。ゲート電極層に対する添加の後、停止層(stopping layer)、または、注入障壁(implant barrier)として付加的層を用いる、用いないに依らず、いくつかのウェハは異なるアニーリング条件でアニーリングした。そして、TEOS層は、ポリシリコン層は実質的には無傷のままに、例えば、フッ化水素溶液(HF solution)のようなウェットエッチャントによって、除去される。そして、反射防止酸窒化シリコン層(antireflective SiON layer)が堆積され、ゲートスタックのパターン形成が行われる。ゲートスタック上面の保護用レジスト層(protective resist layer)が除去される。そして、酸窒化シリコン層は、表2に示したスプリットに基づいて、2つのウェットエッチャントのうちの1つにより、除去される。犠牲的要素4の除去は、好ましくは、83から87リン酸重量%濃度のリン酸水溶液を用いてなされる。エッチング処理の実施温度は、約150℃から160℃の間であり、好ましくは159℃である。犠牲的要素4の除去は、1:10:2の比率の95%硫酸、85%リン酸、および、水の混合液を用いて、約140℃の実施温度においても可能である。
【表2】
本発明の第4実施形態においては、本発明は微小電気機械システム(Micro-electromechanical system)(MEMS)デバイスの形成に利用される。図6(a)は、デバイス層2が堆積したMEMSデバイスの基板1を示している。この基板は、セラミック、ガラス、または、半導体基板が可能である。このデバイスまたは永久層2は、規定の寸法を有する可処分部分4および非化処分部分12に区分される。この区分化は、先の実施形態(図5(b)参照)が開示する方法を用いて達成される。図6(b)に示されているように、第1の可処分要素4と位置合わせをして、新しい領域3が選択され、多の可処分部分4’が形成される。図6(c)においては、デバイス層2は、3つの部分的に重なり合っている可処分部分4、4’、4’’で構成される、ピラミッド形状の可処分部分で構成されるように示されている。図6(d)に示されるように、このピラミッド形状の可処分部分を除去の後、キャビティがデバイス層内に形成される。この例においては、キャビティは金属層13に覆われ、凹面形状鏡を構成する。この金属層13もまた、対応する可処分部分4、4’、4’’の深さで決定される、デバイス層2内における個々の深さまたは高さにおいて、例えば、接点をとして使用される金属パターン14になるように、後にパターン形成されることも可能である。
【0032】
【発明の効果】
本発明は、均一性および再現性を改善し、費用効果のある方法で、半導体処理に用いられる層の膜厚を局所的に調整、また制限された処理ステップ数で、半導体処理に用いられる層の膜厚を局所的に調整する。本発明は、費用効果があり、高効率な方法で、共通する層に形成された、機構群の膜厚を、所望の膜厚に合わせることを可能としている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)ないし(e):同一層内で異なる膜厚を有するデバイスを形成する段階を、断面図によって図示した、本発明の第1実施形態の処理流れの概略図である。
【図2】 (a)ないし(d):異なるゲート電極膜厚のnMOSおよびpMOSデバイスを形成する段階を、断面図によって図示した、本発明の第2実施形態の処理流れの概略図である。
【図3】 第2実施形態の電極層内に異なる高さを形成した後の、膜厚の均一性および線幅の制御を示す、SEMによる平面写真である。
【図4】 (a)ないし(b):好ましい実施形態による電極層内に、高さの差異を形成した後の、膜厚の均一性および線幅の制御を示す、n型およびp型活性領域を有するCMOSデバイスの、SEMによる平面写真である。
【図5】 (a)ないし(e):異なるゲート電極膜厚を有する、nMOSおよびpMOSデバイスを形成する段階を、断面図によって図示した、本発明の好ましい実施形態の処理流れの概略図である。
【図6】 (a)ないし(e):MEMSデバイスを形成する段階を、断面図により図示した、本発明の実施形態の処理流れの概略図である。
【符号の説明】
1 ・・・ 基板
2 ・・・ デバイス層
3 ・・・ 選択領域
4 ・・・ 可処分部分
5 ・・・ レジスト
Claims (11)
- 基板を準備する段階、
前記準備する段階の後で、該基板上に、少なくとも第1領域および第2領域を有し、該第1領域および該第2領域が第1の膜厚を有するデバイス層を形成する段階、
前記デバイス層を形成する段階の後で、該デバイス層と同一の材料からなり、該デバイス層の膜厚に収まる可処分部分を該デバイス層の少なくとも、該第1領域に形成する段階、
前記可処分部分を形成する段階の後で、少なくとも該第1領域内において、該デバイス層にパターン形成する段階、および、
前記パターン形成する段階の後で、該第2領域と異なる膜厚を有する該第1領域を形成するために、選択的に該デバイス層の該可処分部分を除去する段階、を有する電子部品のデバイス層、または、半導体処理技術を用いて製造されたデバイスにおける形状を製造する方法。 - デバイス層の少なくとも、該第1領域に可処分部分を形成する段階において、
デバイス層内の規定の深さまでデバイス層の除去特性を変化させる段階、を有する請求項1に記載の方法。 - 規定の深さまでデバイス層の除去特性を変化させる段階において、
規定の深さまで前記デバイス層の少なくとも、該第1領域にドーピングする段階、を有する請求項2に記載の方法。 - ドーピングがイオン注入法によってなされる、請求項3に記載の方法。
- 基板が半導体基板である、請求項1ないし4のいずれか1つに記載の方法。
- デバイス層がゲート電極層である、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の方法。
- デバイス層が半導体材料からなる、請求項6に記載の方法。
- 半導体材料がシリコンからなる、請求項7に記載の方法。
- デバイス層にパターン形成する段階に先立ち、該デバイス層上に反射防止層を確立する段階を、さらに有する請求項1ないし8のいずれか1つに記載の方法。
- 反射防止層が、少なくともシリコン、酸素、または、窒素の1つを有する、請求項9に記載の方法。
- 選択的にデバイス層の可処分部分を除去する段階において、パターン形成された反射防止層が除去される、請求項9または10に記載の方法。
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