JP7205912B2 - Nfet及びpfetナノワイヤデバイスを製造する方法 - Google Patents

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Description

この出願は、2017年4月27日に出願された米国仮特許出願第62/491,162号に関連するとともに、それへの優先権を主張するものであり、その内容全体をここに援用する。
本発明は、基板を処理する方法に関し、より具体的には、NFET及びPFETナノワイヤデバイスを製造する方法に関する。
5nm半導体技術ノードの先のデバイススケーリングにおいては、ゲートオールアラウンド(GAA)デバイスアーキテクチャへの動機付けが存在する。GAAの基本要件は、シリコン-ゲルマニウム(SiGe)及びシリコン(Si)のナノワイヤの形成である。Si又はSiGeのいずれのナノワイヤを製造することも(ナノワイヤリリースとしても知られる)、それぞれ、極めて選択的、等方性、且つ精密なSiGe及びSiのエッチングを必要とする。ナノワイヤの周りに、封止された連続的なSiNライナが形成される。この工程は、ソース/ドレイン形成のために必要とされる後続のエピタキシャル成長にとって重要である。
現在、図1A-1C及び2A-2Cに概略的に示すように、SiGeナノワイヤを作製するために、Si層とSiGe層とを交互にしたSi/SiGeスタックが使用されている。図3A-3Cに概略的に示すように、SiGeに対するSiエッチングの選択性(及びその逆)は、SiNライナを堆積させるために必要とされるSiGeナノワイヤ/ナノシートの所望のプロファイルを維持するのに十分な高さでないことが多い。さらに、SiGeに対する不十分なSiエッチング選択性は、ナノワイヤのコーナー丸みを生じさせる。エッチングによるこれらの不完全さは、ゲートとそれに隣接するソース/ドレインメタルとの間のキャパシタンス及び短絡の問題並びにゲート機能性を含め、電気性能に関する更なる下流問題を引き起こす。
図1A-1Cは、n型電界効果トランジスタ(NFET)の従来の製造を概略的に示している。図1Aにて、この方法は、基板100上の交互のSi層(101、103)及びSiGe層(102、104)とSiNキャップ層110とを含む膜スタック1を形成することを含む。図1Bにて、この方法は、Si層(101、103)に対してSiGe層(102、104)を後退させる選択エッチングプロセスを実行することを含む。図1Cにて、この方法は、膜スタック1を覆ってSiNライナ120を堆積させ、SiNライナ120の一部を異方的に除去し、そして、SiNライナ120を貫き延びたSi層(101、103)上にソース及びドレイン領域122をエピタキシャル成長させることを含む。その後、選択エッチングによってSiGe層(102、104)を膜スタック1から除去することで、独立したSiナノワイヤ(図示せず)を形成し得る。
図2A-2Cは、p型電界効果トランジスタ(PFET)の従来の製造を概略的に示している。図2Aにて、この方法は、基板200上の交互のSi層(201、203)及びSiGe層(202、204)とSiNキャップ層210とを含む膜スタック2を形成することを含む。図2Bにて、この方法は、SiGe層(202、204)に対してSi層(201、203)を後退させる選択エッチングプロセスを実行することを含む。図2Cにて、この方法は、膜スタック2を覆ってSiNライナ220を堆積させ、SiNライナ220の一部を異方的に除去し、そして、SiNライナ220を貫き延びたSiGe層(202、204)上にソース及びドレイン領域222をエピタキシャル成長させることを含む。その後、選択エッチングによってSi層(201、203)を膜スタック2から除去することで、独立したSiGeナノワイヤ(図示せず)を形成し得る。
図3A-3Cは、PFETの従来の製造中に遭遇する問題のうち一部を示している。図3Aにおいて、膜スタック3は、基板300上の交互のSi層(301、303)及びSiGe層(302、304)と、SiNキャップ層310とを含んでいる。図3Bに概略的に示すように、乏しいSi:SiGeエッチング選択性は、丸みを帯びた層先端を形成してしまうことがあり、そしてそれが、SiGe層(302、304)上でのソース及びドレイン領域322の不適切なエピタキシャル成長、及び図3Cに概略的に示す不均一なSiNライナ320の形成につながり得る。
上述の集積シーケンス又はプロセスシーケンスにおいて、主な難題の1つは、ナノワイヤの形成である。特に、ナノワイヤを形成するのに必要なエッチング選択性が不十分であることが多い。さらに、エッチングプロセスはまた、高アスペクト比構造内で等方性でなければならない。そのような制限及び要件は、今までにない新たな集積プロセス及びエッチングプロセスを必要とする。
本発明の実施形態は、NFET及びPFETナノワイヤデバイスを製造する方法を提供する。一実施形態によれば、当該方法は、Si層、SiGe層、及び前記Si層と前記SiGe層との間に位置するGe層、を含む膜スタックを用意することと、前記Si層及び前記SiGe層に対して選択的なエッチングによって前記Ge層を選択的に除去し、それにより、前記Si層と前記SiGe層との間に隙間を形成することとを含む。
一実施形態によれば、NFETを形成する方法が提供される。当該方法は、交互のSi層及びSiGe層を含む基板を用意することと、前記Si層に対して選択的なエッチングによって前記Ge層を選択的に除去し、それにより、前記Si層同士の間に隙間を形成することとを含む。
一実施形態によれば、PFETを形成する方法が提供される。当該方法は、複数の交互のSiGe層及びGe層を含む基板を用意することと、前記SiGe層に対して選択的なエッチングによって前記複数のGe層を選択的に除去し、それにより、前記SiGe層同士の間に隙間を形成することとを含む。
本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成するものである添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、以上にて与えられた発明の概略説明及び以下にて与えられる詳細な説明と共に、本発明を説明する役割を果たす。
図1A-1Cは、NFETの従来の製造を概略的に示している。 図1A-1Cは、NFETの従来の製造を概略的に示している。 図1A-1Cは、NFETの従来の製造を概略的に示している。 図2A-2Cは、PFETの従来の製造を概略的に示している。 図2A-2Cは、PFETの従来の製造を概略的に示している。 図2A-2Cは、PFETの従来の製造を概略的に示している。 図3A-3Cは、PFETの従来の製造中に遭遇する問題のうち一部を示している。 図3A-3Cは、PFETの従来の製造中に遭遇する問題のうち一部を示している。 図3A-3Cは、PFETの従来の製造中に遭遇する問題のうち一部を示している。 図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。 図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。 図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。 図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。 図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。 図5A-5Dは、本発明の一実施形態に従ったNFETの製造を概略的に示している。 図5A-5Dは、本発明の一実施形態に従ったNFETの製造を概略的に示している。 図5A-5Dは、本発明の一実施形態に従ったNFETの製造を概略的に示している。 図5A-5Dは、本発明の一実施形態に従ったNFETの製造を概略的に示している。 図6A-6Dは、本発明の一実施形態に従ったPFETの製造を概略的に示している。 図6A-6Dは、本発明の一実施形態に従ったPFETの製造を概略的に示している。 図6A-6Dは、本発明の一実施形態に従ったPFETの製造を概略的に示している。 図6A-6Dは、本発明の一実施形態に従ったPFETの製造を概略的に示している。
上述のように、半導体製造は、現在、NFET及びPFET用のそれぞれ対応するSi及びSiGeナノワイヤを製造するために、Si/SiGeスタックを使用している。これは、デバイス内のNFET領域及びPFET領域の分離が必要であること、分離されたNFET領域及びPFET領域を製造するために追加のプロセス工程が必要であること、NFET及びPFETを接続/配線するために追加の工程が必要であること、ダイ/デバイス内の大きい面積/リアルエステートの利用、及び更なる技術ノードのために別々のNFET及びPFETの面積/ピッチのスケーリングが必要であることを含め、集積及びプロセスシーケンスに関して数多くの難題を伴うことが多い。
本発明の実施形態は、対応するSi(NFET)及びSiGe(PFET)ナノワイヤを作製するためのSi/Ge/SiGe膜スタックの使用を記述する。この今までにないSi/Ge/SiGeスタックは、互いに上下に積み重ねられたNFET及びPFET、Ge層を選択エッチングすることによってSi及びSiGeナノワイヤを製造する同時処理、単純なNFET-PFET配線/接続、チップ内の面積使用量の有意な削減、将来の技術ノードのための同時ピッチスケーリング有利性、及びナノワイヤ端子と直接コンタクトを取ることによる、ソース及びドレインコンタクト用のエピタキシャル成長なしで可能な集積スキームを含め、集積及びプロセスシーケンスに関して数多くの利点を提供する。
本発明の実施形態は、Si/Ge/SiGeスタック用のSi及びSiGeに対する選択Geエッチングに関する今までにないエッチング技術を記述する。SiGeに対する選択Siエッチングの現在の業界動向は、ウェットエッチングを使用している。一方、Siに対する選択SiGeエッチングに関して、既存のプラズマ系及び気相系のエッチングを調整するためにかなりの研究開発が行われてきた。多くの場合、現在の選択Si及びSiGeエッチングで直面する難題は、必要なSi:SiGe及びSiGe:Siエッチング選択性の不足、low-kスペーサ、酸化物及びその他のハードマスクとのエッチング選択性の不足、パターン忠実度、パターンダメージ(プラズマ処理の場合)、及び材料ローディングを含む。
本発明の実施形態は、エッチング選択性がGe含有量と材料ローディングとの関数である今までにないエッチングプロセスを記述する。従来のSi/SiGeスタックが、Si/Ge/SiGeスタックを含むように変更され、犠牲Ge層が利用される。これは、犠牲Ge層を選択的にエッチングして、Si及びSiGeのナノワイヤを製造することを可能にする。この今までにないエッチングプロセスは、等方性であるとし得る熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングによって実行され得る。エッチング選択性がGeエッチングケミストリに基づくので、Si及びSiGeとの非常に高い選択性を達成することができる。一例において、Geエッチングからのエッチング副生成物は、Ge(1-(x+y+z))(NHCl)の形態であり、これは、より高温及び減圧で昇華され得るものである。この今までにないエッチングに特有の利点のうち一部は、Si及びSiGeに対して非常に高い選択性のGeエッチング、low-kスペーサ、酸化物及びその他のハードマスクとのエッチング選択性、エッチングプロセス中に達成可能な真の等方性、気相エッチングによる高アスペクト比フィーチャへの適用性、及びプラズマ励起がないことによる非常に低いパターンダメージである。
図4A-4Eは、本発明の一実施形態に従ったNFET及びPFETの製造を概略的に示している。図4Aにて、この方法は、基板400上の交互のSi層(401、405)、SiGe層(403、407)、及びGe層(402、404、406)と、SiNキャップ層410と、を含む膜スタック4を形成することを含み、各Ge層が、Si層とSiGe層との間に位置付けられる。一例において、SiGe層の厚さは約20nmとすることができ、Ge層の厚さは約25nmとすることができ、Si層の厚さは約20nmとすることができる。
図4Aの例において、膜シーケンスはSi/Ge/SiGe/Ge/Si/Ge/SiGeである。図4Bにて、この方法は、Si層(401、405)及びSiGe層(403、407)に対してGe層(402、404、406)を後退させる選択エッチングプロセスを実行することを含む。この方法は、図4Cにて、膜スタック4を覆ってSiNライナ420を堆積させることを含み、そして図4Dにて、SiNライナ420の一部を異方的に除去し、そして、SiNライナ420を貫き延びたSi層(401、405)及びSiGe層(403、407)上にソース及びドレイン領域422をエピタキシャル成長させることを含む。その後、図4Eに示すように、Si及びSiGeに対して選択的であるエッチングによってGe層(402、404、406)を膜スタック4から除去することで、隙間によって離隔された、独立したSiナノワイヤ及びSiGeナノワイヤを形成し得る。膜スタック4内で、SiナノワイヤはNFETの一部を形成し、SiGeナノワイヤはPFETの一部を形成する。その後、膜スタック4は更に、Si及びSiGeナノワイヤを封入する誘電体層を堆積させ、そして、SiナノワイヤとSiGeナノワイヤとの間に残存する隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させることによって処理され得る。
図5A-5Dは、本発明の一実施形態に従ったNFETの製造を概略的に示している。図5Aにて、この方法は、基板500上の交互のSi層(501、503)及びGe層(502、504)と、SiNキャップ層510と、を含む膜スタック5を形成することを含む。図5Bにて、この方法は、Si層(501、503)に対してGe層(502、504)を後退させる選択エッチングプロセスを実行することを含む。図5Cにて、この方法は、膜スタック5を覆ってSiNライナ520を堆積させ、SiNライナ520の一部を異方的に除去し、そして、SiNライナ520を貫き延びたSi層(501、503)上にソース及びドレイン領域522をエピタキシャル成長させることを含む。その後、図5Dに示すように、Siに対して選択的であるエッチングによってGe層(502、504)を膜スタック5から除去することで、隙間によって離隔された、独立したSiナノワイヤを形成し得る。膜スタック5内でSiナノワイヤはNFETの一部を形成する。その後、膜スタック5は更に、Siナノワイヤを封入する誘電体層を堆積させ、そして、Siナノワイヤ同士の間に残存する隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させることによって処理され得る。
図6A-6Dは、本発明の一実施形態に従ったPFETナノワイヤトランジスタの製造を概略的に示している。図6Aにて、この方法は、基板600上の交互のSiGe層(601、603)及びGe層(602、604)と、SiNキャップ層610と、を含む膜スタック6を形成することを含む。図6Bにて、この方法は、SiGe層(601、603)に対してGe層(602、604)を後退させる選択エッチングプロセスを実行することを含む。図6Cにて、この方法は、膜スタック6を覆ってSiNライナ620を堆積させ、SiNライナ620の一部を異方的に除去し、そして、SiNライナ620を貫き延びたSiGe層(601、603)上にソース及びドレイン領域622をエピタキシャル成長させることを含む。その後、図6Dに示すように、SiGeに対して選択的であるエッチングによってGe層(602、604)を膜スタック6から除去することで、隙間によって離隔された、独立したSiGeナノワイヤを形成し得る。膜スタック6内でSiGeナノワイヤはPFETの一部を形成する。その後、膜スタック6は更に、SiGeナノワイヤを封入する誘電体層を堆積させ、そして、SiGeナノワイヤ同士の間に残存する隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させることによって処理され得る。
一実施形態によれば、Si層及びSiGe層に対するGe層の選択エッチングは、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングによって実行され得る。プラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、リモートプラズマ源を利用することができる。熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、塩素含有ガス(例えば、Cl)、フッ素含有ガス(例えば、F)、塩素含有ガスとフッ素含有ガス(例えば、ClとF)、又は塩素及びフッ素含有ガス(例えば、ClF)を含むことができる。一部の例において、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、Cl、F、ClF、又はこれらの組み合わせを含むことができる。一例において、ハロゲン系気相エッチングは、F及びNHを含むことができる。一例において、プラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、基板にバイアスを印加することなく、プロセスチャンバ内でプラズマ励起されて基板に曝されるClガスを含むことができる。
基板上に、NFET、PFET、又はNFETとPFET、を形成する複数の実施形態を説明してきた。以上の本発明の実施形態の説明は、例示及び説明の目的で提示されている。網羅的であること、又は開示されたそのものの形態に本発明を限定することは意図されていない。この説明及び以下の請求項は、単に説明目的で使用される用語を含んでおり、限定するものとして解釈されるべきではない。当業者は、以上の教示に照らして数多くの変更及び変形が可能であることを理解することができる。当業者は、図面に示された様々な構成要素についての様々な等価な組み合わせ及び代用を認識することになる。故に、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、ここに添付される請求項によって限定されることが意図される。

Claims (18)

  1. 基板上にナノワイヤトランジスタを形成する方法であって、
    Si層、SiGe層、及び前記Si層と前記SiGe層との間に位置するGe層、を含む膜スタックを用意し、
    前記Si層及び前記SiGe層に対して選択的なエッチングによって前記Ge層を選択的に除去し、それにより、前記Si層と前記SiGe層との間に隙間を形成し、
    前記Si層及び前記SiGe層を封入する誘電体層を堆積させ、
    前記Si層と前記SiGe層との間の前記隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させる、
    ことを有する方法。
  2. 前記選択的に除去することは、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記プラズマ支援ハロゲン系気相エッチングはリモートプラズマ源を使用する、請求項2に記載の方法。
  4. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、塩素含有ガス、フッ素含有ガス、塩素含有ガスとフッ素含有ガス、又は塩素及びフッ素含有ガスを含む、請求項2に記載の方法。
  5. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、Cl、F、ClF、又はこれらの組み合わせを含む、請求項2に記載の方法。
  6. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、F及びNHを含む、請求項2に記載の方法。
  7. 基板上にナノワイヤトランジスタを形成する方法であって、
    Si層、SiGe層、及び前記Si層と前記SiGe層との間に位置するGe層、を含む膜スタックを用意し、
    前記Si層及び前記SiGe層に対して選択的なエッチングによって前記Ge層を選択的に除去し、それにより、前記Si層と前記SiGe層との間に隙間を形成する、
    ことを有し、
    前記Si層は、n型電界効果トランジスタ(NFET)の一部を形成し、前記SiGe層は、p型電界効果トランジスタ(PFET)の一部を形成し、前記Si層及び前記SiGe層は、一方が他方の上にと、上下に積層される、
    方法。
  8. 前記選択的に除去することは、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングを含む、請求項7に記載の方法。
  9. n型電界効果トランジスタ(NFET)を形成する方法であって、
    交互のSi層及びGe層を含む基板を用意し、
    前記Si層に対して選択的なエッチングによって前記Ge層を選択的に除去し、それにより、前記Si層同士の間に隙間を形成し、
    前記Si層を封入する誘電体層を堆積させ、
    前記Si層同士の間の前記隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させる、
    ことを有し、
    前記選択的に除去することは、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングを含む、
    方法。
  10. 前記プラズマ支援ハロゲン系気相エッチングはリモートプラズマ源を使用する、請求項に記載の方法。
  11. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、塩素含有ガス、フッ素含有ガス、塩素含有ガスとフッ素含有ガス、又は塩素及びフッ素含有ガスを含む、請求項に記載の方法。
  12. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、Cl、F、ClF、又はこれらの組み合わせを含む、請求項に記載の方法。
  13. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、F及びNHを含む、請求項に記載の方法。
  14. p型電界効果トランジスタ(PFET)を形成する方法であって、
    複数の交互のSiGe層及びGe層を含む基板を用意し、
    前記SiGe層に対して選択的なエッチングによって前記複数のGe層を選択的に除去し、それにより、前記SiGe層同士の間に隙間を形成し、
    前記SiGe層を封入する誘電体層を堆積させ、
    前記SiGe層同士の間の前記隙間を完全に充填する金属含有ゲート電極層を堆積させる、
    ことを有し、
    前記選択的に除去することは、熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングを含む、
    方法。
  15. 前記プラズマ支援ハロゲン系気相エッチングはリモートプラズマ源を使用する、請求項14に記載の方法。
  16. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、塩素含有ガス、フッ素含有ガス、塩素含有ガスとフッ素含有ガス、又は塩素及びフッ素含有ガスを含む、請求項14に記載の方法。
  17. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、Cl、F、ClF、又はこれらの組み合わせを含む、請求項14に記載の方法。
  18. 前記熱支援又はプラズマ支援ハロゲン系気相エッチングは、F及びNHを含む、請求項14に記載の方法。
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