JP5553266B2 - ナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ナノワイヤ電界効果トランジスタ作製方法に関するものである。
シリコン集積回路は、これまでMooreの法則に従って大規模化・高性能化され、高度情報通信 (IT) 社会をハードウエアの面で支えてきた。今後とも、そのトレンドを続けることが期待されているが、通常のバルクCMOS集積回路では、近い将来での微細化限界が危惧され始めている。
その主な原因として、トランジスタの微細化に伴う漏れ電流の増大とトランジスタのスイッチング特性劣化(サブスレッショルド係数の増大)などが挙げられる。つまり、テクノロジーノードが進むほど、動作電力よりも漏れ電流による無効電力の割合が増加していくところに問題の深刻さがある。
この本質的な困難を打破するために、ITRSロードマップにおいても、極薄ボディ完全空乏型SOI (Silicon−on−Insulator) デバイスやダブルゲート/マルチゲートMOSFETなどを2010年代初頭に導入すると表明されている。その中でも、起立横方向チャネルを持つFin型ダブルゲートMOSFET (FinFET) (非特許文献1参照)が、32nmノード以降の有望なデバイス候補として世界から注目されている。しかしながら、このダブルゲートMOSFETにおいても、デバイスのゲート長を20nm以下 (32nmノード以降に相当) までに縮小すると、短チャネル効果による漏れ電流とサブスレッショル係数の増大を完全に抑制することは容易ではない。また、短チャネル化に伴い、チャネル寸法も微細化する必要があるが、その微細なチャネル形成が困難となっている。
上記FinFETのしきい値電圧は、固定値であるため、ダイナミックな電力制御などの応用には使えない。このような欠点を改良するための提案も既になされている。例えば、特許文献1、2では、縦型チャネルを挟んだゲート電極を物理的に分離・電気的に絶縁して、片方のゲート電極に固定バイアスを印加して置き、もう片方のゲート電極でトランジスタを駆動することで、しきい値電圧制御を実現している。その固定バイアスの値を変えるとトランジスタのドレイン電流―ゲート電圧 (Id−Vg) 特性が左右にシフトすることになり、しきい値電圧の制御が可能となる。
しかし、片方のゲート電圧でしきい値電圧を制御する場合、サブスレッショルド係数がどうしても理想値のS=60mV/decadeより大幅に増加することになり、デバイスのスイッチング特性の劣化を招く。また、片方のゲートに電圧を加えてしきい値電圧を制御する際に、その片方のチャネルは閉じる方向に動作することとなり、ドレイン電流も大幅に落ちる問題点がある。
近年、上述のようなFinFETにおける短チャネル効果、駆動電流低下、微細チャネル形成の困難点などを克服するために、チャネル微細化限界を打破するデバイス構造として、シリコンナノワイヤ電界効果トランジスタが積極的に研究・開発されている。
例えば図29、図30及び図31に示すようなシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタが提案されている(非特許文献2、3参照)。
このようなデバイス構造の特徴としては、チャネルがナノサイズの円形断面形状を持つことと、ゲート電極がチャネルの周囲を覆っていることである。
したがって、FinFETに比べ、ゲートによるチャネルポテンシャル制御性が強く、短チャネル効果の抑制にもっと効果的である。また、チャネルの微細化に余裕をもたらした。つまり、チャネルの寸法をゲート長より大きくしてもよいという点が魅力的である。これは、FinFETではゲート電極がチャネルの両サイドしか覆われていないのに対して、ナノワイヤ電界効果トランジスタではゲート電極がチャネルの周りをしっかり覆っている (Gate−All−Around:GAA) ことに起因する。
しかしながら、これまで提案されたナノワイヤ電界効果トランジスタでは、駆動電流を高めるためには、例えば図32、図33及び図34に示すような円形断面形状のナノワイヤを横方向に並べることになるので、デバイス面積の増大を招く。
特開2002−270850号公報 特開2005−167163号公報
IEEE Trans.ElectronDevices,Vol.47.No.12,pp.2320−2325,2000. Symposium on VLSI Technology 2004,pp.196−197. Sung Dae Suk,et al.,IEDM Tech.Dig., pp.735−738,2005.
本発明は、上述のような従来のナノワイヤ電界効果トランジスタの問題点を解決し、デバイス面積の増大を招くことなく駆動電流を高めることを課題とする。
上記課題は次のような手段により解決される。
〔1〕ナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法において、(100)面方位を持つSOI基板を用意する工程、SOI層を構成するシリコン結晶を加工して断面矩形の起立した板状体とする工程、結晶異方性エッチングにより該シリコン結晶を、2個の三角柱状体がその稜線を介して互いに離隔して対向するように上下に配置された形状に加工する工程及び該2個の三角柱状体を水素アニール或いは熱酸化しナノワイヤを構成する円柱状体とする工程を含む。
〔2〕ナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法において、(100)面方位を持ち2層以上のSOI層と埋め込み酸化膜を有するSOI基板を用意する工程、SOI層を構成するシリコン結晶を加工して断面矩形の起立した板状体とする工程、結晶異方性エッチングにより該シリコン結晶を、2個の三角柱状体の組がその稜線を介して互いに離隔して対向するように上下に配置された形状に加工する工程及び該2個の三角柱状体の組を水素アニール或いは熱酸化しナノワイヤを構成する円柱状体とする工程を含む。
なお上記「ナノワイヤ電界効果トランジスタ」は、円形断面形状のみならず、多角断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタも含む。
本発明での(100)面方位を持つSOI基板上に作製するナノワイヤは、上下に二つ配置されるので、同じデバイス面積で、従来のナノワイヤ電界効果トランジスタと比較すると、駆動電流は2倍となる。
また、ナノワイヤは結晶異方性ウェットエッチングで作製するので、チャネル表面は原子層オーダに平坦で、そのサイズの再現性、均一性に優れている。
したがって、本発明は、従来のRIEにより加工した不均一なシリコン細線を高温水素アニール或いは熱酸化などで形成した円形断面形状のナノワイヤの寸法バラツキ、特性バラツキを改善できる。
本発明のナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法は、(100)面方位を持つSOI基板を用意する工程、SOI層を構成するシリコン結晶を加工して断面矩形の起立した板状体とする工程、結晶異方性エッチングにより該シリコン結晶を、2個の三角柱状体がその稜線を介して互いに離隔して対向するように上下に配置された形状に加工する工程及び該2個の三角柱状体を水素アニール或いは熱酸化しナノワイヤを構成する円柱状体とする工程を含む。
本発明に係る電界効果トランジスタについて、以下実施例を例示して詳細に説明する。
ここでは、便宜上(100)面方位を持つ、故意に不純物を導入していない (Non−doped) SOI (Silicon−On−Insulator) 基板を用いて、反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching: RIE) 、結晶異方性ウェットエッチング及び高温水素アニール或いは熱酸化を用いて、上下に2つの対称的な円形断面形状を持つナノワイヤを同時に形成、ゲートラスト (Gate−Last) プロセスによるデバイス作製の場合を述べるが、ゲートファースト (Gate−First) プロセスでも、同様なデバイスが作製できる。ゲートファーストプロセスにおいては、ゲートパターン加工後に、ソース・ドレイン領域にイオン注入により、不純物を導入することになる。
(第1実施例)
図1、図2及び図3に本発明の第1実施例を示す。図1は本発明に係る(100)SOI基板上に形成する、上下に一対の円形断面形状のナノワイヤを持つナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図であり、図2はA−A’断面図であり、図3はB−B’断面図である。図1〜図3において、1は基板、2は埋め込み酸化膜、3はゲート電極、5−1と5−2は縦方向に同時に形成した円形断面形状のナノワイヤ、6−1と6−2はゲート絶縁膜、7−1と7−2は、それぞれソース領域とドレイン領域である。
図4〜図19に、本発明の第1実施例に係る、上下に一対の円形断面形状のナノワイヤを持つナノワイヤ電界効果トランジスタの製造工程例を示す。なお図4〜図19において、(A)図はA−A’断面図であり、(B)図はB−B’断面図である。
まず、図4に示すように、シリコン基板1上に、埋め込み酸化膜2と(100)面方位のシリコン結晶層9からなるSOIウエハを用意する。
次に、図5に示すように、熱酸化を利用して酸化膜10を形成する。
次に、図6に示すように、電子ビーム描画でレジストパターン20を形成する。
次に、図7に示すように、反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching: RIE) で、レジストパターン20を酸化膜10に転写して、ハードマスク10−1を形成する。
次に、図8に示すように、レジストパターン20とハードマスク10−1を保護膜として、イオン注入を行い、ソース領域7−1とドレイン領域7−2を形成する。その後に、レジストパターンは、酸素にプラズマと硫酸・過酸化水素溶液などで除去、酸化膜ハードマスク10−1はフッ酸で除去する。この工程は、2回に分けて行い、それぞれ、PMOSとNOMSのソース・ドレイン領域を形成する。イオン注入の際に、NMOSに関しては、イオン種としてはP或いはAs、PMOSに関してはB或いはBF 2 + を用いる。
次に、図9に示すように、新たにCVD(Chemical Vapor Deposition)酸化膜11を堆積する。CVD酸化膜の希フッ酸によるエチング速度が大きいため、窒素雰囲気中で、T=850℃、2分間のアニールを行うことが望ましい。
次に、図10に示すように、電子ビーム描画で、ナノサイズのレジストパターン21を形成する。
次に、図11に示すように、RIEでレジストパターン21をCVD酸化膜11に転写して、ハードマスク11−1を形成する。
次に、レジストパターン21は、酸素プラズマと硫酸・過酸化水素溶液などで除去する。
次に、図12に示すように、ハードマスク11−1を利用して、RIEで、(100)SOI層9を垂直にエッチングし、矩形断面を持つシリコンナノワイヤ9−1を形成する。その後に、酸素プラズマでRIEによる反応生成物を除去し、硫酸・過酸化水素溶液で洗浄する。
次に、図13に示すように、希フッ酸を用いて、ハードマスク11−1の幅の微調整を行う。その後に、アルカリ水溶液、例えばTMAH (Tetramethy lammonium Hydroxide) を用いて、矩形シリコンチャネル9−1を側面から結晶異方性エッチングをすることで、上下対称な一対の三角断面形状のナノワイヤ40−1と40−2を形成する。三角断面形状のナノワイヤの両側面の面方位は(111)面となるので、TMAHによるエッチング速度が(110)面に比べ、1/40ほど小さいので、ほぼ自己整合的に三角断面形状のナノワイヤが形成できる。なお、エッチング時間を精密に制御して、三角断面形状のナノワイヤがオーバエッチングされないようにする必要がある。上下の三角断面形状のナノワイヤの間に隙間22が形成されるか、されないかは、ハードマスク11−1の幅WとSOI厚Hによって決まる。つまり、W<H/tan55°の場合隙間22が形成されるが、W>H/tan55°の場合は隙間22が形成されない。ここでは、前者の場合を採用している。しかし、熱酸化の方法で上下の三角断面形状のナノワイヤを分離する場合は、後者の場合を採用する。
次に、図14に示すように、フッ酸で、ハードマスク11−1と三角断面形状のナノワイヤ40−2下の埋め込み酸化膜2をエッチングして、隙間23を形成する。
次に、図15に示すように、高温水素アニールを行い、三角断面形状のナノワイヤ40−1と40−2を、円形断面形状のナノワイヤ5−1と5−2に加工する。
次に、図16に示すように、熱酸化を利用して、ゲート酸化膜6−1と6−2を形成する。なお、この工程で、酸化膜の代わりに、高誘電率 (High−k) 材料をCVD法で堆積して、ゲート絶縁膜として用いることもできる。
次に、図17に示すように、ゲート電極材料30を堆積する。ゲート電極材料としては、ポリシリコン、或いは高融点金属を用いる。例えば、TiN、Mo、Ta/Moアロイなどをゲート電極材料として用いる。
次に、図18に示すように、電子ビーム描画を用いて、ゲートパターン24を形成する。
次に、図19に示すように、ゲート電極材料30をRIEで加工し、ゲート電極3を形成する。
次に、CVD酸化膜を堆積し、コンタクトホール形成後、Al電極を形成するが、これらの工程は通常の集積回路作製プロセスと同様であるため、ここでは省略する。ここで、本発明の上下に一対の円形断面形状のナノワイヤを持つナノワイヤ電界効果トランジスタの作製が完了する。
(第2実施例)
図20、図21、図22に本発明の第2実施例を示す。図20は、本発明に係る2個の円形断面形状のナノワイヤを複数組並列に配置したナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図である。図21はそのA−A’断面図、図22はそのB−B’断面図である。
図20〜図22において、1は基板、2は埋め込み酸化膜、3はゲート電極、5−5、5−6、5−7、5−8、5−9、5−10は円形断面形状のナノワイヤ、6−5、6−6、6−7、6−8、6−9、6−10はゲート絶縁膜、7−1と7−2はソース・ドレイン領域である。
第2実施例の作製工程は、基本的に第1実施例と同様である。異なる点は、上記段落0013での電子ビーム描画の際に、2個の円形断面形状のナノワイヤを複数組配置できるようにナノワイヤのパターンを形成すればよい。その他の工程は、第1実施例の工程と同様である。
(第3実施例)
図23、図24、図25に本発明の第3実施例を示す。図23は、本発明に係わる、上下一対の円形断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタをPMOSに、上部円形断面形状のナノワイヤをエッチングで無くした円形断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタをNMOSに用いた集積回路の平面図である。図24はそれぞれそのA1−A1’及びA2−A2’断面図、図25はそのB−B’断面図である。
図23〜図25において、1は基板、2は埋め込み酸化膜、3はゲート電極、5−1、5−2、5−4は円形断面形状のナノワイヤ、6−1、6−2、6−3、6−4はゲート絶縁膜、7−1、7−2、7−3、7−4はソース・ドレイン領域である。
第3実施例の作製工程は、基本的に第1実施例と同様である。異なる点は、下記の2点である。
(1)上記段落0014でのイオン注入の際に、上下一対の円形断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域7−1と7−2には、B或いはBF 2 + を注入し、上の円形断面形状ナノワイヤが欠如したナノワイヤ電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域7−3と7−4には、P、或いはAsを注入する。
(2)上記段落0018のゲート電極形成後に、上下一対の円形断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタの領域は、厚膜レジストで保護して置き、粘度の低いレジストを高速で塗布する。酸素プラズマでレジストをエッチバックして行き、凸となっているナノワイヤとゲート電極の交差する部分の頭部が露出するようにする。次に、RIEで、エッチング用ガス種を変えながら、上部のゲート電極、酸化膜、ナノワイヤの順にエッチングする。
最後に、硫酸・過酸化水素で、レジストを除去し、保護膜としてCVD酸化膜を堆積する。これで、上部のナノワイヤをエッチングして除去し、下部ナノワイヤのみを残した、円形断面形状のナノワイヤ電界効果トランジスタが形成される。その他の工程は、第1実施例の工程と同様である。
(第4実施例)
図26、図27、図28に本発明の第4実施例を示す。図26は、本発明に係る、上下一対の円形断面形状のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタと、2個の円形断面形状ナノワイヤを複数組配置したナノワイヤ電界効果トランジスタを混載した集積回路の平面図である。図27はそれぞれそのA1−A1’及びA2−A2’断面図、図28はそのB−B’断面図である。
図26〜図28において、1は基板、2は埋め込み酸化膜、3はゲート電極、5−1、5−2、5−5、5−6、5−7、5−8、5−9、5−10は円形断面形状のナノワイヤ、6−1、6−2、6−5、6−6、6−7、6−8、6−9、6−10はゲート絶縁膜、7−1、7−2、7−3、7−4はソース・ドレイン領域である。
第4実施例の作製工程は、基本的に第1実施例と同様である。異なる点は、上記段落0013の電子ビーム描画の際に、上記2種類のナノワイヤ電界効果トランジスタのレジストパターンを同時に描画することである。その他の工程は、第1実施例の工程と同様である。
以上第1〜第4実施例では、2個のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタ並びにこれを含む集積回路を例示したが、表面に2層以上のSOI層と埋め込み酸化膜を有するSOI基板を用いることにより、上下方向に4個以上偶数個のナノワイヤを有するナノワイヤ電界効果トランジスタ又はこれを含む集積回路を作製することができる。この場合には更なる電流駆動力向上が実現できる。
本発明のナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法は、デバイス面積の増大を招くことなく駆動電流を高めることができる、ナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法として利用することができる。
1 基板
2 埋め込み酸化膜
3、3−1、3−2 ゲート電極
4 絶縁膜
5、5−1、5−2、5−4、5−5、5−6、5−7、5−8、5−9、5−10 円形断面形状のナノワイヤ
6−1、6−2、6−4、6−5、6−6、6−7、6−8、6−9、6−10 ゲート絶縁膜
7−1、7−2、7−3、7−4 ソース・ドレイン領域
9 (100)結晶シリコン層
10 酸化膜
11 酸化膜
11−1 ハードマスク
13−1、13−2 絶縁膜
20、21 レジストパターン
22、23 隙間
24 レジストパターン
30 ゲート電極材料
40−1、40−2 三角断面形状のナノワイヤ
50 矩形断面形状Finチャネル
50−1、50−2、50−3 円形断面形状のナノワイヤ
60−1、60−2、60−3 ゲート絶縁膜
本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図。 図2のA−A’断面図。 図1のB−B’断面図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第1実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの作製工程図。 本発明の第3実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図。 図20のA−A’断面図。 図20のB−B’断面図。 本発明の第4実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタを含む集積回路の平面図。 図23のA1−A1’及びA2−A2’断面図。 図23のB−B’断面図。 本発明の第5実施例であるナノワイヤ電界効果トランジスタを含む集積回路の平面図。 図26のA1−A1’及びA2−A2’断面図。 図26のB−B’断面図。 従来のナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図。 図29のA−A’断面図。 図29のB−B’断面図。 従来の2本のナノワイヤを横方向に配置したナノワイヤ電界効果トランジスタの平面図。 図32のA−A’断面図。 図32のB−B’断面図。

Claims (2)

  1. (100)面方位を持つSOI基板を用意する工程、SOI層を構成するシリコン結晶を加工して断面矩形の起立した板状体とする工程、結晶異方性エッチングにより該シリコン結晶を、2個の三角柱状体がその稜線を介して互いに離隔して対向するように上下に配置された形状に加工する工程及び該2個の三角柱状体を水素アニール或いは熱酸化しナノワイヤを構成する円柱状体とする工程を含むナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法。
  2. (100)面方位を持ち2層以上のSOI層と埋め込み酸化膜を有するSOI基板を用意する工程、SOI層を構成するシリコン結晶を加工して断面矩形の起立した板状体とする工程、結晶異方性エッチングにより該シリコン結晶を、2個の三角柱状体の組がその稜線を介して互いに離隔して対向するように上下に配置された形状に加工する工程及び該2個の三角柱状体の組を水素アニール或いは熱酸化しナノワイヤを構成する円柱状体とする工程を含むナノワイヤ電界効果トランジスタの作製方法。
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