KR101178016B1 - Advanced transistors with structured low dopant channels - Google Patents

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푸시카 라나드
루시안 시프렌
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수볼타, 인크.
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Abstract

전계 효과 트랜지스터 및 방법은, 제1 농도의 도펀트를 갖도록 도핑된 웰, 및 약하게 도핑되거나 실질적으로 도핑되지 않은 채널 영역을 포함한다. 고농도로 도핑된 스크리닝 영역이 웰 및 게이트 사이에 위치한다. 문턱 전압 설정 영역이 적어도 부분적으로 더미 게이트 제거 후의 도펀트 주입에 의해 형성될 수 있다. 이는 광범위하게 사용 가능한 평면 CMOS 프로세스들에 의해 제조될 수 있는 낮은 전력 및 양호한 성능의 트랜지스터들을 허용한다.Field effect transistors and methods include wells doped with a first concentration of dopant, and weakly or substantially undoped channel regions. Highly doped screening regions are located between the wells and the gates. The threshold voltage setting region may be formed at least in part by dopant implantation after removing the dummy gate. This allows for low power and good performance transistors that can be fabricated by widely available planar CMOS processes.

Description

구조화된 저농도 도펀트 채널들을 갖는 진보한 트랜지스터{ADVANCED TRANSISTORS WITH STRUCTURED LOW DOPANT CHANNELS}ADVANCED TRANSISTORS WITH STRUCTURED LOW DOPANT CHANNELS

본 명세서는 개선된 동작 특성들을 갖는 진보한 트랜지스터들을 형성하기 위한 구조들 및 프로세스들에 관한 것이며, 이는 저농도 도핑된 채널들, 및 게이트 제거를 포함하는 프로세싱을 포함한다.This disclosure relates to structures and processes for forming advanced transistors with improved operating characteristics, including processing including lightly doped channels, and gate removal.

전자 기기들의 비용을 감소시키고 그들의 기능적 능력을 개선하기 위해 하나의 다이에 더 많은 트랜지스터들을 설치(fit)하는 것이 바람직하다. 반도체 제조업체들에 의해 사용되는 공통 전략은, 단순히 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 크기를 축소하고, 그에 비례하여 트랜지스터 소스, 드레인, 및 트랜지스터들 사이에 필요한 상호 연결들의 면적을 축소시키는 것이다. 그러나, 부분적으로 "단채널 효과"로 알려진 것 때문에 단순한 비례 축소가 항상 가능하지는 않다. 트랜지스터 게이트 아래의 채널 길이가 동작하는 트랜지스터의 공핍(depletion) 깊이와 크기가 비슷할 때 단채널 효과가 특히 심하며, 문턱 전압의 감소, 심한 표면 산란(scattering), DIBL(drain induced barrier lowering), 소스-드레인 펀치스루(punch through), 및 전자 이동도 문제들을 포함한다. 비례 축소를 계속하기 위해 반도체 제조업체들은 고농도 채널 도핑, 퇴행(retrograde) 도핑, 가파른(steep) 퇴행 도핑, 및 다른 진보한 기법들을 연구하였으나, 100 나노미터 미만의(나노스케일) 게이트 길이를 갖는 상업적으로 실용적인 트랜지스터 장치들을 제작하는 것은 더 어려워지고 있다.It is desirable to fit more transistors on one die to reduce the cost of electronic devices and improve their functional capabilities. A common strategy used by semiconductor manufacturers is to simply reduce the gate size of field effect transistors (FETs) and proportionately reduce the area of transistor sources, drains, and interconnections needed between transistors. However, simple proportional reduction is not always possible due in part to what is known as the "short channel effect". The short channel effect is particularly severe when the channel length below the transistor gate is similar in size and depth to the depletion of the transistor in operation, reducing threshold voltages, severe surface scattering, drain induced barrier lowering, and source- Drain punch through, and electron mobility problems. To continue proportional reduction, semiconductor manufacturers have studied high-density channel doping, retrograde doping, steep regression doping, and other advanced techniques, but commercially with gate lengths of less than 100 nanometers (nanoscale). It is becoming more difficult to manufacture practical transistor devices.

많은 반도체 제조업체들이 완전히 또는 부분적으로 공핍된 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 트랜지스터들을 포함하는 새로운 트랜지스터 종류들을 사용함으로써 나노스케일 게이트 트랜지스터 크기를 갖는 트랜지스터들에서의 특정한 부정적인 단채널 효과를 막기를 시도해 왔다. SOI 트랜지스터들은 절연층 위에 있는 실리콘의 얇은 층 위에 구축되며, 일반적으로 동작을 위해 VT 설정 채널 주입 또는 헤일로 주입을 필요로 한다. 불행히도, 적합한 절연층을 생성하는 것은 비싸고 완성하기 어렵다. 초기의 SOI 장치들은 실리콘 웨이퍼들 대신에 절연성 사파이어 웨이퍼들 위에 구축되었으며, 높은 비용 때문에 전형적으로 전문 어플리케이션들(예컨대, 군사용 항공 전자 공학 또는 위성)에서만 사용된다. 현대의 SOI 기술은 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으나, 장치 품질의 단결정 실리콘의 표면층 아래에 웨이퍼 전체에 걸친 절연성 실리콘 산화물층을 제작하기 위한 비싸고 시간 소모적인 추가 웨이퍼 프로세싱 스텝들을 필요로 한다.Many semiconductor manufacturers have attempted to prevent certain negative short channel effects in transistors with nanoscale gate transistor size by using new transistor types, including completely or partially depleted silicon on insulator (SOI) transistors. SOI transistors require a channel set V T injection or halo implant to a thin layer, typically operate are built on top of the silicon in the upper insulating layer. Unfortunately, creating a suitable insulating layer is expensive and difficult to complete. Early SOI devices were built on insulating sapphire wafers instead of silicon wafers and are typically only used in specialized applications (eg, military avionics or satellites) because of their high cost. Modern SOI techniques can use silicon wafers, but require expensive and time-consuming additional wafer processing steps to fabricate an insulating silicon oxide layer across the wafer under the surface layer of device quality single crystal silicon.

실리콘 웨이퍼 위에 그러한 실리콘 산화물층을 제작하기 위한 하나의 공통적인 접근법은, 벌크 실리콘 웨이퍼에 매몰된 산화물(BOX)층을 형성하기 위한 산소의 고용량 이온 주입(ion implantation) 및 고온 어닐링(annealing)을 필요로 한다. 대안적으로, SOI 웨이퍼들은 실리콘 웨이퍼를 표면에 산화물층을 갖는 다른 실리콘 웨이퍼("핸들" 웨이퍼)에 접합함으로써 제조될 수 있다. 핸들 웨이퍼 위의 BOX층 위에 단결정 실리콘의 얇은 트랜지스터 품질의 층을 남기는 프로세스를 사용하여 웨이퍼들의 쌍이 분리된다. 이는 핸들 웨이퍼의 열성장된 산화물층 위에 실리콘의 얇은 층을 전달하므로 "층 전달" 기법이라 불린다.One common approach to fabricating such silicon oxide layers on silicon wafers requires high capacity ion implantation and high temperature annealing of oxygen to form an oxide (BOX) layer buried in the bulk silicon wafer. Shall be. Alternatively, SOI wafers can be fabricated by bonding the silicon wafer to another silicon wafer (“handle” wafer) having an oxide layer on its surface. The pairs of wafers are separated using a process that leaves a thin transistor quality layer of monocrystalline silicon over the BOX layer on the handle wafer. This is called a "layer transfer" technique because it transfers a thin layer of silicon over the thermally grown oxide layer of the handle wafer.

예상할 수 있는 것과 같이, BOX 형성 또는 층 전달 양쪽은 비교적 높은 실패율을 갖는 비싼 제조 기법들이다. 따라서, 많은 주요 제조업체들에게 SOI 트랜지스터들의 제조는 경제적으로 매력적인 해법이 아니다. "플로팅 바디" 효과를 다루기 위한 트랜지스터의 재설계, 새로운 SOI 특정 트랜지스터 프로세스들을 개발할 필요성, 및 다른 회로 변경에 대한 비용이 SOI 웨이퍼 비용에 더해지면, 다른 해법들이 필요하다는 것이 명백하다.As can be expected, both BOX formation or layer transfer are expensive manufacturing techniques with relatively high failure rates. Thus, for many major manufacturers, the manufacture of SOI transistors is not an economically attractive solution. If the cost of redesigning the transistor to address the "floating body" effect, the need to develop new SOI specific transistor processes, and other circuit modifications added to the SOI wafer cost, it is clear that other solutions are needed.

연구되어온 다른 가능한 진보한 트랜지스터는, SOI 트랜지스터들과 유사하게 채널 내에 소량의 도핑을 갖거나 또는 도핑을 갖지 않음으로써 불리한 스케일링 및 단채널 효과를 최소화하는 다중 게이트 트랜지스터들을 사용한다. 일반적으로 (게이트들에 부분적으로 둘러싸인 지느러미(fin) 모양의 채널 때문에) finFET으로 알려진, finFET 트랜지스터들의 사용이 28 나노미터 이하의 트랜지스터 게이트 크기를 갖는 트랜지스터들을 위해 제안되었다. 그러나, SOI 트랜지스터들과 유사하게, 근본적으로 새로운 트랜지스터 아키텍처로 이동하는 것은 일부 스케일링, VT, 설정점(set point), 및 단채널 효과 문제들을 해결하지만, 그것은 다른 문제들을 야기하여 SOI보다 더 현저한 트랜지스터 레이아웃 재설계를 필요로 한다. finFET을 제작하기 위해 복잡한 비평면 트랜지스터 제조 기법들에 대한 필요성과, finFET을 위한 새로운 프로세스 플로우를 생성하는데 있어서의 알려지지 않은 어려움을 고려하여, 제조업체들은 finFET를 제작할 수 있는 반도체 제조 시설들에 투자하기를 주저해 왔다.Other possible advanced transistors that have been studied use multiple gate transistors, similar to SOI transistors, with minimal or no doping in the channel, thereby minimizing adverse scaling and short channel effects. In general, the use of finFET transistors, known as finFETs (due to fin shaped channels partially surrounded by gates), have been proposed for transistors having transistor gate sizes of 28 nanometers or less. However, similar to SOI transistors, moving to a fundamentally new transistor architecture solves some scaling, V T , set point, and short channel effect problems, but it causes other problems that make the transistor more prominent than SOI. Requires layout redesign. Given the need for complex non-planar transistor fabrication techniques to fabricate finFETs and the unknown difficulties in creating new process flows for finFETs, manufacturers are looking to invest in semiconductor manufacturing facilities that can fabricate finFETs. Hesitate.

도 1은 개선된 도펀트 구조를 갖는 트랜지스터를 도시한다.
도 2는 개선된 도펀트 구조를 갖는 트랜지스터를 형성하기 위한 프로세스의 흐름도이다.
도 3 내지 6은 프로세스 플로우의 일부분을 개략적으로 도시한다.
1 shows a transistor having an improved dopant structure.
2 is a flow chart of a process for forming a transistor having an improved dopant structure.
3 through 6 schematically illustrate portions of a process flow.

(전형적으로 100 나노미터보다 작은 게이트 길이를 갖는) 나노스케일 벌크 CMOS 트랜지스터들은, 부분적으로 VT 스케일링이 VDD 스케일링과 일치하지 않기 때문에 점점 더 제조하기가 어렵다. 통상적으로, 100 나노미터보다 큰 게이트 크기를 갖는 트랜지스터들에 대해, 트랜지스터의 게이트 길이의 축소는 동작 전압 VDD의 대략 비례적인 축소를 포함하였고, 이는 함께 대략 같은 전기장 및 동작 특성들을 보장한다. 동작 전압 VDD를 감소시키는 능력은 문턱 전압 VT를 정확히 설정할 수 있는 것에 부분적으로 의존하지만, 트랜지스터 크기가 감소함에 따라, 예컨대 RDF(Random Dopant Fluctuation)를 포함하는 다양한 요소들 때문에 그것은 더 어려워졌다. 벌크 CMOS 프로세스들을 사용하여 제작된 트랜지스터들에 대해, 문턱 전압 VT를 설정하는 주 파라미터는 채널 내의 도펀트의 양이다. 이론적으로, 이는 동일한 칩에 있는 동일한 트랜지스터들이 동일한 VT를 갖도록 정확하게 수행될 수 있으나, 현실에서 문턱 전압은 상당히 변할 수 있다. 이는, 이 트랜지스터들이 동일한 게이트 전압에 반응하여 동일한 시간에 모두 온되지 않으며, 일부 트랜지스터는 결코 온되지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 100 nm 이하의 게이트 및 채널 길이를 갖는 나노스케일 트랜지스터들에 대해, RDF는 전형적으로 시그마VT 또는 σVT로 명명되는 VT의 변화의 중요한 결정자이며, RDF에 의해 야기된 σVT의 양은 채널 길이가 감소함에 따라 증가할 뿐이다.Nanoscale bulk CMOS transistors (typically with gate lengths less than 100 nanometers) are increasingly difficult to fabricate, in part because V T scaling does not match V DD scaling. Typically, for transistors with a gate size greater than 100 nanometers, the reduction in the gate length of the transistor included a roughly proportional reduction in the operating voltage V DD , which together ensures approximately the same electric field and operating characteristics. The ability to reduce the operating voltage V DD depends in part on being able to accurately set the threshold voltage V T , but as transistor size decreases, it becomes more difficult because of various factors, including, for example, RDF (Random Dopant Fluctuation). For transistors fabricated using bulk CMOS processes, the main parameter that sets the threshold voltage V T is the amount of dopant in the channel. In theory, this can be done exactly so that the same transistors on the same chip have the same V T , but in reality the threshold voltage can vary significantly. This means that these transistors are not all on at the same time in response to the same gate voltage, and some transistors may never be on. For the nano-scale transistor having a gate and a channel length of no more than 100 nm, RDF is typically Sigma V T or σV and T important determinant of change of V T that are named, in the σV T caused by the RDF amount of channel length Only increases with decrease.

종래의 평면 CMOS 프로세스들을 사용하여 벌크 CMOS 기판들 위에 제조 가능한 개선된 트랜지스터가 도 1에 도시된다. 전계 효과 트랜지스터(FET)(100)는 크게 감소된 단채널 효과와 함께, 특정 설명된 실시예들에 따라 문턱 전압 VT를 정확히 설정하기 위한 능력을 갖도록 구성된다. FET(100)는 게이트 전극(102), 소스(104), 드레인(106), 및 채널(110) 위에 위치하는 게이트 유전체(108)를 포함한다. 동작에서, 채널(110)은 깊이 공핍되며, 종래의 트랜지스터들과 비교하여 깊이 공핍된 채널(DDC)로서 묘사될 수 있는 것을 형성하며, 공핍 깊이는 부분적으로 고농도로 도핑된 스크리닝(screening) 영역(112)에 의해 설정된다. 채널(110)은 실질적으로 도핑되지 않으며, 예시한 것과 같이 고농도로 도핑된 스크리닝 영역(112) 위에 위치하지만, 그것은 서로 다른 도펀트 농도를 갖는 단순한 또는 복잡한 적층(layering)을 포함할 수 있다. 이 도핑된 적층은, (옵션으로서 채널(110) 내의 스크리닝 영역(112) 및 게이트 유전체(108) 사이에 위치하는) 스크리닝 영역(112)보다 낮은 도펀트 농도를 갖는 문턱 전압 설정 영역(111)을 포함할 수 있다. 문턱 전압 설정 영역(111)은 채널(110)의 벌크를 실질적으로 도핑되지 않은 상태로 두면서 FET(100)의 동작 문턱 전압의 작은 조정들을 허용한다. 특히, 채널(110)의 게이트 유전체(108)에 인접한 그 부분은 도핑되지 않은 상태로 남아야 한다. 추가적으로, 스크리닝 영역(112) 바로 아래에 펀치 스루 억제 영역(113)이 형성된다. 문턱 전압 설정 영역(111)과 유사하게, 펀치 스루 억제 영역(113)은 약간 도핑된 P-웰 기판(114)의 전체 도펀트 농도보다 높지만 스크리닝 영역(112)보다 낮은 도펀트 농도를 갖는다.An improved transistor manufacturable on bulk CMOS substrates using conventional planar CMOS processes is shown in FIG. 1. The field effect transistor (FET) 100 is configured to have the ability to accurately set the threshold voltage V T in accordance with certain described embodiments, with greatly reduced short channel effects. FET 100 includes a gate electrode 102, a source 104, a drain 106, and a gate dielectric 108 positioned over the channel 110. In operation, channel 110 is deeply depleted and forms what can be described as a deeply depleted channel (DDC) compared to conventional transistors, the depletion depth being partially doped screening region ( 112). Channel 110 is substantially non-doped and is positioned above highly doped screening region 112 as illustrated, but it may comprise simple or complex layering with different dopant concentrations. This doped stack includes a threshold voltage setting region 111 having a lower dopant concentration than the screening region 112 (optionally located between the screening region 112 and the gate dielectric 108 in the channel 110). can do. Threshold voltage setting region 111 allows small adjustments to the operating threshold voltage of FET 100 while leaving the bulk of channel 110 substantially undoped. In particular, that portion adjacent to the gate dielectric 108 of the channel 110 should remain undoped. In addition, a punch through suppression region 113 is formed just below the screening region 112. Similar to the threshold voltage setting region 111, the punch through suppression region 113 has a dopant concentration that is higher than the overall dopant concentration of the slightly doped P-well substrate 114 but lower than the screening region 112.

동작에서, 동작 문턱 전압을 더 수정하기 위해 바이어스 전압(122) VBS가 소스(104)에 가해질 수 있으며, 회로를 닫기 위해 P+ 단자(126)가 연결부(124)에서 P-웰(114)에 연결될 수 있다. 게이트 스택은 게이트 전극(102), 게이트 콘택(118) 및 게이트 유전체(108)을 포함한다. 게이트를 소스 및 드레인으로부터 분리시키기 위해 게이트 스페이서들(130)이 포함되며, 옵션의 소스/드레인 확장들(SDE)(132), 또는 "팁들"이 게이트 스페이서들 및 게이트 유전체(108) 아래로 소스 및 드레인을 연장하여 게이트 길이를 다소 감소시키고 FET(100)의 전기적 특성을 향상시킨다.In operation, a bias voltage 122 V BS may be applied to the source 104 to further modify the operating threshold voltage, and a P + terminal 126 may be applied to the P-well 114 at the connection 124 to close the circuit. Can be connected. The gate stack includes a gate electrode 102, a gate contact 118 and a gate dielectric 108. Gate spacers 130 are included to separate the gate from the source and drain, and optional source / drain extensions (SDE) 132, or “tips”, source below the gate spacers and gate dielectric 108. And extending the drain to slightly reduce the gate length and improve the electrical characteristics of the FET 100.

이 대표적인 실시예에서, FET(100)는 기판(116) 위에 형성된 P-웰(114)을 제공하는 P 타입 도핑된 실리콘 기판으로서의 기판 위에 형성된 N 타입 도펀트 재료로 제작된 소스 및 드레인을 갖는 N 채널 트랜지스터로서 도시된다. 그러나, 기판 또는 도펀트 재료에 대한 적합한 변경과 함께, 갈륨 비화물 기반 재료들과 같은 다른 적합한 기판들로부터 형성된 비 실리콘 P 타입 반도체 트랜지스터가 대용될 수 있음을 이해할 것이다. 소스(104) 및 드레인(106)은 종래의 도펀트 주입 프로세스들 및 재료들을 사용하여 형성될 수 있으며, 예컨대, 스트레스 유발 소스/드레인 구조들, 높여진(raised) 또는 리세스된(recessed) 소스/드레인, 비대칭 도핑된, 카운터 도핑된, 또는 결정 구조가 수정된 소스/드레인, 또는 LDD(low doped drain) 기법들에 따른 소스/드레인 연장 영역들의 주입 도핑과 같은 변경을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 전기적 특성들을 수정하기 위한 보상 도펀트들로서의 이종 도펀트 재료들의 사용을 포함하는, 소스/드레인 동작 특성들을 수정하기 위한 다른 다양한 기법들이 또한 사용될 수 있다.In this exemplary embodiment, the FET 100 has an N channel having a source and a drain made of N type dopant material formed over the substrate as a P type doped silicon substrate providing a P-well 114 formed over the substrate 116. It is shown as a transistor. However, it will be appreciated that a non-silicon P type semiconductor transistor formed from other suitable substrates, such as gallium arsenide based materials, with suitable modifications to the substrate or dopant material may be substituted. Source 104 and drain 106 may be formed using conventional dopant implantation processes and materials, such as, for example, stress-induced source / drain structures, raised or recessed source / It may include changes such as draining, asymmetrically doped, counter doped, or modified source / drain crystal structures, or implantation doping of source / drain extension regions according to low doped drain (LDD) techniques. In certain embodiments, other various techniques for modifying source / drain operating characteristics may also be used, including the use of heterogeneous dopant materials as compensation dopants for modifying electrical characteristics.

게이트 전극(102)은, 바람직하게는 금속, 금속 합금, 금속 질화물 및 금속 규화물 뿐 아니라, 그들의 적층 및 혼합물을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 종래의 재료들로부터 형성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 게이트 전극(102)은 예컨대, 고농도로 도핑된 폴리실리콘 및 폴리실리콘-게르마늄 합금을 포함하는 폴리실리콘으로부터 또한 형성될 수 있다. 금속들 또는 금속 합금들은 알루미늄, 티타늄, 탄탈, 또는 그들의 질화물들을 함유하는 것들을 포함할 수 있으며, 이들은 티타늄 질화물과 같은 티타늄을 함유하는 화합물들을 포함한다. 게이트 전극(102)의 형성은 규화물 방법들, 화학 기상 증착 방법들, 및 증발 방법들 및 스퍼터링 방법들과 같으나 이에 제한되지 않는 물리 기상 증착 방법들을 포함할 수 있다. 전형적으로, 게이트 전극(102)는 약 1 내지 약 500 나노미터의 전체 두께를 갖는다.Gate electrode 102 may be formed from conventional materials, including but not limited to metals, metal alloys, metal nitrides, and metal silicides, as well as stacks and mixtures thereof. In certain embodiments, gate electrode 102 may also be formed from polysilicon including, for example, heavily doped polysilicon and polysilicon-germanium alloys. Metals or metal alloys may include aluminum, titanium, tantalum, or those containing their nitrides, which include compounds containing titanium such as titanium nitride. Formation of the gate electrode 102 may include physical vapor deposition methods such as, but not limited to, silicide methods, chemical vapor deposition methods, and evaporation methods and sputtering methods. Typically, gate electrode 102 has a total thickness of about 1 to about 500 nanometers.

게이트 유전체(108)는 산화물, 질화물, 및 산질화물과 같은 종래의 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 대안적으로, 게이트 유전체(108)는 하프늄 산화물, 하프늄 규화물, 지르코늄 산화물, 란탄 산화물, 티타늄 산화물, 바륨-스트론튬-티타네이트 및 납-지르코네이트-티타네이트, 금속 기반 유전체 재료들, 및 유전적 특성을 갖는 다른 재료들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 일반적으로 더 높은 유전 상수를 갖는 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 선호되는 하프늄 함유 산화물들은 HfO2, HfZrOx, HfSiOx, HfTiOx, HfAlOx, 및 유사한 것들을 포함한다. 조성, 및 사용 가능한 퇴적 프로세싱 장비에 따라, 게이트 유전체(108)는 열 또는 플라즈마 산화, 질화 방법들, 화학 기상 증착 방법들(원자 층 증착 방법을 포함하는) 및 물리 기상 증착 방법들과 같은 방법들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 또는 복합 층들, 적층들, 및 유전체 재료들의 조성 혼합물들이 사용될 수 있다. 예컨대, 게이트 유전체는 약 0.3 내지 1 nm 사이의 두께를 갖는 SiO2 기반 절연체 및 0.5 내지 4 nm 사이의 두께를 갖는 하프늄 산화물 기반 절연체로부터 형성될 수 있다. 전형적으로, 게이트 유전체(108)는 약 0.5 내지 약 5 나노미터의 전체 두께를 갖는다. 채널(110)은 게이트 유전체(108) 아래에, 및 고농도로 도핑된 스크리닝 영역(112) 위에 형성된다. 채널(110)은 소스(104) 및 드레인(106)과 또한 접하며 이들 사이에서 연장된다. 바람직하게는, 채널 영역은 게이트 유전체(108)에 인접하여 또는 근처에, 5 x 1017 도펀트 원자/cm3 보다 낮은 도펀트 농도를 갖는 실질적으로 도핑되지 않은 실리콘을 포함한다. 채널 두께는 전형적으로 5 내지 50 나노미터에 이를 수 있다. 특정 실시예들에서, 채널(110)은 스크리닝 영역 위에 순수한 또는 실질적으로 순수한 실리콘의 에피택셜 성장에 의해 형성된다.Gate dielectric 108 may include conventional dielectric materials such as oxides, nitrides, and oxynitrides. Alternatively, gate dielectric 108 may be hafnium oxide, hafnium silicide, zirconium oxide, lanthanum oxide, titanium oxide, barium-strontium-titanate and lead-zirconate-titanate, metal based dielectric materials, and dielectric It may include dielectric materials having generally higher dielectric constants, including but not limited to other materials having properties. Preferred hafnium containing oxides include HfO 2 , HfZrO x , HfSiO x , HfTiO x , HfAlO x , and the like. Depending on the composition, and available deposition processing equipment, the gate dielectric 108 may be subjected to methods such as thermal or plasma oxidation, nitriding methods, chemical vapor deposition methods (including atomic layer deposition method), and physical vapor deposition methods. It can be formed by. In some embodiments, composition mixtures of multiple or composite layers, laminates, and dielectric materials may be used. For example, the gate dielectric may be formed from a SiO 2 based insulator having a thickness between about 0.3 and 1 nm and a hafnium oxide based insulator having a thickness between 0.5 and 4 nm. Typically, gate dielectric 108 has a total thickness of about 0.5 to about 5 nanometers. Channel 110 is formed below gate dielectric 108 and above heavily doped screening region 112. Channel 110 also abuts and extends between source 104 and drain 106. Preferably, the channel region comprises substantially undoped silicon having a dopant concentration lower than 5 × 10 17 dopant atoms / cm 3 , adjacent or near the gate dielectric 108. Channel thicknesses can typically range from 5 to 50 nanometers. In certain embodiments, channel 110 is formed by epitaxial growth of pure or substantially pure silicon over the screening area.

개시된 것과 같이, 문턱 전압 설정 영역(111)이 스크리닝 영역(112) 위에 위치하며, 전형적으로 얇은 도핑된 영역 또는 층으로서 형성된다. 특정 실시예들에서, 스크리닝 영역(112)에 대해 실질적으로 평행하고 수직으로 오프셋된 적어도 하나의 도펀트 면을 형성하기 위해 델타 도핑, 제어된 인-사이추(in-situ) 퇴적, 또는 원자 층 퇴적이 사용될 수 있다. 적합하게 변하는 도펀트 농도, 두께, 및 게이트 유전체 및 스크리닝 영역으로부터의 분리는, 동작하는 FET(100)에서 문턱 전압의 제어된 근소한 조정을 허용한다. 특정 실시예들에서, 문턱 전압 설정 영역(111)은 약 1 x 1018 도펀트 원자/cm3 및 약 1 x 1019 도펀트 원자/cm3 사이의 농도를 갖도록 도핑된다. 특정 실시예들에서, 문턱 전압 설정 영역(111)은 게이트 유전체(108)로부터 5 나노미터 이상의 깊이에서 형성되어, 도펀트 산란 중심들(scattering centers)이 적은 또는 없는 높은 이동도의 채널을 제공한다. 문턱 전압 설정 영역(111)은 1) 인-사이추 에피택셜 도핑, 2) 실리콘의 얇은 층의 에피택셜 성장에 이은 엄격히 제어된 도펀트 주입(예컨대, 델타 도핑), 3) 실리콘의 얇은 층의 에피택셜 성장에 이은 스크리닝 영역(112)으로부터의 원자들의 도펀트 확산, 4) 더미 게이트 제거 후 정밀 주입, 5) 이러한 프로세스들의 임의의 조합(예컨대, 실리콘의 에피택셜 성장에 이은 도펀트 주입 및 스크리닝층(112)으로부터의 확산, 또는 델타 도핑에 이은 더미 게이트 제거 후의 정밀 주입)을 포함하는 몇몇 다른 프로세스들에 의해 형성될 수 있다.As disclosed, the threshold voltage setting region 111 is located above the screening region 112 and is typically formed as a thin doped region or layer. In certain embodiments, delta doping, controlled in-situ deposition, or atomic layer deposition to form at least one dopant face that is substantially parallel and vertically offset relative to screening region 112. This can be used. Appropriately varying dopant concentrations, thicknesses, and separations from the gate dielectric and screening regions allow controlled slight adjustment of the threshold voltage at the FET 100 in operation. In certain embodiments, the threshold voltage setting region 111 is doped to have a concentration between about 1 × 10 18 dopant atoms / cm 3 and about 1 × 10 19 dopant atoms / cm 3 . In certain embodiments, the threshold voltage setting region 111 is formed at a depth of at least 5 nanometers from the gate dielectric 108 to provide a high mobility channel with little or no dopant scattering centers. Threshold voltage setting region 111 includes 1) in-situ epitaxial doping, 2) epitaxial growth of a thin layer of silicon followed by strictly controlled dopant implantation (e.g., delta doping), 3) epitaxial thin layer of silicon. Dopant diffusion of atoms from the screening region 112 following tactical growth, 4) precision implantation after dummy gate removal, 5) any combination of these processes (e.g., dopant implantation and screening layer 112 following epitaxial growth of silicon) Diffusion), or precision implantation after delta doping followed by dummy gate removal).

고농도로 도핑된 스크리닝 영역(112)의 위치는 전형적으로 동작하는 FET(100)의 공핍 영역의 깊이를 설정한다. 유리하게, 스크리닝 영역(112)(및 연관된 공핍 깊이)은 게이트 길이(Lg/1)에 필적하는 깊이로부터 게이트 길이의 큰 분수(Lg/5)인 깊이에 이르는 깊이에서 설정된다. 바람직한 실시예들에서, 전형적인 범위는 Lg/3에서 Lg/1.5 사이이다. Lg/2 이상을 갖는 장치들은 극히 낮은 전력 동작을 위해 바람직하며, 더 높은 전압에서 동작하는 디지털 또는 아날로그 장치들은 종종 Lg/5 및 Lg/2 사이의 스크리닝 영역을 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 32 나노미터의 게이트 길이를 갖는 트랜지스터는 게이트 유전체 아래에 약 16 나노미터(Lg/2)의 깊이에서 최대 도펀트 밀도를 갖는 스크리닝 영역과 함께, 8 나노미터(Lg/4)의 깊이에서 최대 도펀트 밀도에서 설정된 문턱 전압을 갖도록 형성될 수 있다.The location of the heavily doped screening region 112 typically sets the depth of the depletion region of the FET 100 in operation. Advantageously, the screening area 112 (and associated depletion depth) is set at a depth ranging from a depth comparable to the gate length Lg / 1 to a depth that is a large fraction Lg / 5 of the gate length. In preferred embodiments, a typical range is between Lg / 3 and Lg / 1.5. Devices with Lg / 2 or higher are desirable for extremely low power operation, and digital or analog devices operating at higher voltages can often be formed with screening areas between Lg / 5 and Lg / 2. For example, a transistor with a gate length of 32 nanometers has a maximum at a depth of 8 nanometers (Lg / 4), with a screening area having a maximum dopant density at a depth of about 16 nanometers (Lg / 2) below the gate dielectric. It may be formed to have a threshold voltage set at the dopant density.

특정 실시예들에서, 스크리닝 영역 및/또는 층(112)은 약 5 x 1018 도펀트 원자/cm3 및 약 1 x 1020 도펀트 원자/cm3 사이의 농도(도핑되지 않은 채널의 도펀트 농도보다 현저히 높으며, 옵션의 문턱 전압 설정 영역(111)의 도펀트 농도보다 적어도 약간 더 큰)를 갖도록 도핑된다. 인식될 것과 같이, FET(100)의 원하는 동작 특성들을 개선하거나, 사용 가능한 트랜지스터 제조 프로세스들 및 프로세스 조건들을 고려하기 위해 정확한 도펀트 농도 및 스크리닝 영역 깊이가 수정될 수 있다.In certain embodiments, the screening region and / or layer 112 may have a concentration between about 5 × 10 18 dopant atoms / cm 3 and about 1 × 10 20 dopant atoms / cm 3 (significantly greater than the dopant concentration of the undoped channel). High and doped to have an optional threshold voltage setting region 111 at least slightly larger than the dopant concentration. As will be appreciated, the correct dopant concentration and screening area depth can be modified to improve the desired operating characteristics of the FET 100 or to account for available transistor fabrication processes and process conditions.

제어 누설을 돕기 위해, 펀치 스루 억제 영역(113)이 스크리닝 영역(112) 아래에 형성된다. 전형적으로, 펀치 스루 억제 영역(113)은 약하게 도핑된 웰 내부로의 직접 주입에 의해 형성되지만, 그것은 스크리닝 영역으로부터의 확산, 인-사이추 성장, 또는 다른 알려진 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 문턱 전압 설정 영역(111)과 유사하게, 펀치 스루 억제 영역(113)은 스크리닝 영역(112)보다 낮은 도펀트 농도를 가지며, 전형적으로 약 1 x 1018 도펀트 원자/cm3 및 약 1 x 1019 도펀트 원자/cm3 사이로 설정된다. 추가적으로, 펀치 스루 억제 영역(113) 도펀트 농도는 웰 기판의 전체 도펀트 농도보다 높게 설정된다. 인식될 것과 같이, FET(100)의 원하는 동작 특성들을 개선하거나, 사용 가능한 트랜지스터 제조 프로세스들 및 프로세스 조건들을 고려하기 위해 정확한 도펀트 농도 및 깊이가 수정될 수 있다.To aid in control leakage, a punch through suppression region 113 is formed below the screening region 112. Typically, the punch through suppression region 113 is formed by direct injection into a lightly doped well, but it may be formed by diffusion from the screening region, in-situ growth, or other known process. Similar to the threshold voltage setting region 111, the punch through suppression region 113 has a lower dopant concentration than the screening region 112, and typically has about 1 × 10 18 dopant atoms / cm 3 and about 1 × 10 19 dopant Is set between atoms / cm 3 . In addition, the punch through suppression region 113 dopant concentration is set higher than the total dopant concentration of the well substrate. As will be appreciated, the correct dopant concentration and depth can be modified to improve the desired operating characteristics of the FET 100 or to account for available transistor fabrication processes and process conditions.

구조들 및 그 구조들을 제작하기 위한 방법들은 함께 종래의 나노스케일 장치들에 비해 낮은 동작 전압 및 낮은 문턱 전압을 갖는 FET 트랜지스터들을 허용한다. 더욱이, 전압 바디 바이어스 생성기의 도움으로 문턱 전압이 통계적으로 설정되는 것을 허용하도록 DDC 트랜지스터들이 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 문턱 전압은 동적으로 제어될 수도 있으며, 트랜지스터 누설 전류가 크게 감소되거나(낮은 누설, 낮은 속도 동작을 위해 VT를 상향 조정하도록 전압 바이어스를 설정함으로써) 증가되는 것(높은 누설, 높은 속도 동작을 위해 VT를 하향 조정함으로써)을 허용한다. 궁극적으로, 이러한 구조들 및 구조들을 제작하기 위한 방법들은 회로가 동작하는 동안 동적으로 조정될 수 있는 FET 장치들을 갖는 집적 회로들을 설계하는 것을 제공한다. 그러므로, 집적 회로의 트랜지스터는 명목상 동일한 구조로 설계될 수 있으며, 서로 다른 바이어스 전압들에 응답하여 서로 다른 동작 전압들에서 동작하거나, 서로 다른 바이어스 전압들 및 동작 전압들에 응답하여 서로 다른 동작 모드들에서 동작하도록 제어, 조정, 또는 프로그래밍될 수 있다. 추가적으로, 이들은 회로 내의 다른 어플리케이션들을 위해 제조 후에 구성될 수 있다.The structures and methods for fabricating the structures together allow for FET transistors having lower operating voltage and lower threshold voltage compared to conventional nanoscale devices. Moreover, DDC transistors can be configured to allow the threshold voltage to be set statistically with the help of a voltage body bias generator. In some embodiments, the threshold voltage may be dynamically controlled and the transistor leakage current is greatly reduced (by setting the voltage bias to adjust V T upward for low leakage, low speed operation) or increased (high leakage). , By adjusting V T downward for high speed operation). Ultimately, these structures and methods for fabricating them provide for designing integrated circuits with FET devices that can be dynamically adjusted while the circuit is operating. Thus, transistors in an integrated circuit can be designed with nominally the same structure, operating at different operating voltages in response to different bias voltages, or different operating modes in response to different bias voltages and operating voltages. It can be controlled, adjusted, or programmed to operate at. In addition, they can be configured after manufacture for other applications in the circuit.

인식될 것과 같이, 반도체의 물리적 및 전자적 특성들을 수정하기 위해 반도체의 기판 또는 결정층들에 주입되거나 또는 다른 방법으로 존재하는 원자들의 농도는 물리적 및 기능적 영역들 또는 층들에 관하여 설명된다. 이것들은 특정 농도 평균들을 갖는 재료의 3차원 덩어리들로서 본 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있다. 또는, 그것들은 서로 다른, 또는 공간적으로 변하는 농도를 갖는 부분 영역들(sub-regions) 또는 부분 층들(sub-layers)로서 이해될 수 있다. 그것들은 도펀트 원자들의 작은 그룹들, 실질적으로 유사한 도펀트 원자들 또는 유사한 것의 영역들, 또는 다른 물리적 실시예들로서 또한 존재할 수 있다. 이러한 특성들에 기초한 영역들의 설명은 모양, 정확한 위치 또는 방위를 제한하도록 의도되지 않는다. 그것들은 또한 임의의 특정 종류 또는 수의 프로세스 스텝들, 종류 또는 수의 층들(예컨대, 복합 또는 단위), 반도체 퇴적, 에치 기법들, 또는 이용된 성장 기법들에 이러한 영역들 또한 층들을 제한하도록 의도되지 않는다. 이러한 프로세스들은 에피택셜 형성된 영역들 또는 원자 층 퇴적, 도펀트 주입 방법들 또는 (선형, 단조롭게 증가하는, 퇴화하는, 또는 다른 적합한 공간적으로 변화하는 도펀트 농도를 포함하는) 특정 수직 또는 수평 도펀트 프로파일을 포함할 수 있다. 원하는 도펀트 농도가 유지되는 것을 보장하기 위해, 저온 프로세싱, 탄소 도핑, 인-사이추 도펀트 퇴적, 및 진보한 플래시 또는 다른 어닐링 기법들을 포함하는 다양한 도펀트 이동 방지(anti-migration) 기법들이 예상된다. 그 결과로서의 도펀트 프로파일은 다른 도펀트 농도를 갖는 하나 또는 그 이상의 영역들 또는 층들을 가질 수 있으며, 농도의 변화, 및 영역들 또는 층들이 어떻게 정의되는지는, 프로세스에 관계 없이, 적외선 분광학, RBS(Rutherford Back Scattering), SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy), 또는 다른 정성적 또는 정량적 도펀트 농도 결정 방법들을 사용하는 다른 도펀트 분석 수단들을 사용하여 검출 가능하거나 가능하지 않을 수 있다.As will be appreciated, the concentration of atoms injected or otherwise present in the substrate or crystal layers of the semiconductor to modify the physical and electronic properties of the semiconductor is described with respect to the physical and functional regions or layers. These can be understood by those skilled in the art as three-dimensional chunks of material with specific concentration averages. Or they can be understood as sub-regions or sub-layers having different or spatially varying concentrations. They may also exist as small groups of dopant atoms, regions of substantially similar dopant atoms or the like, or other physical embodiments. The description of the regions based on these characteristics is not intended to limit the shape, exact position or orientation. They are also intended to limit these areas or layers to any particular kind or number of process steps, kind or number of layers (eg complex or unit), semiconductor deposition, etch techniques, or growth techniques used. It doesn't work. Such processes may include epitaxially formed regions or atomic layer deposition, dopant implantation methods or a particular vertical or horizontal dopant profile (including linear, monotonically increasing, degenerating, or other suitable spatially varying dopant concentrations). Can be. To ensure that the desired dopant concentration is maintained, various anti-migration techniques are anticipated, including low temperature processing, carbon doping, in-situ dopant deposition, and advanced flash or other annealing techniques. The resulting dopant profile may have one or more regions or layers with different dopant concentrations, and the change in concentration and how the regions or layers are defined, regardless of process, infrared spectroscopy, RBS (Rutherford) It may or may not be detectable using Back Scattering, Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), or other dopant analysis means using other qualitative or quantitative dopant concentration determination methods.

그러한 FET(100)를 형성하는 것은 평면 CMOS 프로세싱 기법들이 손쉽게 적응될 수 있으므로 SOI 또는 finFET 트랜지스터들에 비해 비교적 간단하다. 그러나, 프로세싱 도중의 높은 온도는 격자 사이에 퇴적된 도펀트들의 이동을 촉진할 수 있으며, 비교적 낮은 온도조차 연장된 시간 동안 유지된다면 스크리닝 영역으로부터 예를 들면 채널 내부로의 도펀트의 확산을 촉진할 수 있으므로, 원하는 도펀트 프로파일을 유지하는 것은 도전적 과제를 제시할 수 있다. 트랜지스터 동작에 악영향을 줄 수 있는 도펀트 이동을 제한하기 위해, 도펀트 주입의 일부 또는 전부를 트랜지스터 제조 프로세스의 (전형적으로 낮은 온도를 갖는) 후반 단계들로 미루는 프로세스들이 유용하다. 관련된 기술적 세부 사항들이 2010년 2월 18일 출원된 미국 특허 출원 번호 12/708,497, "Electronic Devices and Systems, and Methods for Making and Using the Same"에서 논의되며, 그 명세는 참조로서 본원에 통합된다.Forming such FET 100 is relatively simple compared to SOI or finFET transistors because planar CMOS processing techniques can be easily adapted. However, high temperatures during processing may facilitate the movement of deposited dopants between gratings and, if even relatively low temperatures are maintained for extended periods of time, may promote the diffusion of dopants from the screening region, for example into the channel. However, maintaining the desired dopant profile can present a challenging challenge. Processes that defer some or all of the dopant implantation into later steps (typically having a lower temperature) of the transistor fabrication process are useful to limit dopant migration that may adversely affect transistor operation. Related technical details are discussed in US Patent Application No. 12 / 708,497, "Electronic Devices and Systems, and Methods for Making and Using the Same," filed February 18, 2010, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

도 2는 아날로그 및 디지털 트랜지스터 양쪽 모두를 포함하는 여러 종류들의 FET 구조들에 적합한 스크리닝 영역 및 희생 더미 게이트를 사용함으로써 도펀트 이동을 감소시키는 트랜지스터를 형성하기 위한 하나의 대표적인 프로세스를 도시하는 프로세스 흐름도(300)이다. 발명적인 개념들 및 하기 제시된 것과 같은 더 상세한 실시예들 및 예들을 모호하게 하지 않기 위해, 이곳에 도시된 프로세스는 그 설명이 일반적이고 광범위하도록 의도된다. 다른 프로세스 스텝들과 함께, 이것들은 레거시 장치들과 함께 DDC 구조 장치들을 포함하는 집적 회로들의 프로세싱 및 제조를 허용하며, 이는 개선된 성능 및 보다 낮은 전력을 갖는 모든 범위의 아날로그 및 디지털 장치들을 망라하는 설계들을 허용한다.2 is a process flow diagram 300 illustrating one exemplary process for forming a transistor that reduces dopant movement by using a screening region and a sacrificial dummy gate suitable for several types of FET structures, including both analog and digital transistors. )to be. In order not to obscure the inventive concepts and more detailed embodiments and examples as set forth below, the process shown herein is intended to be generic and broad in its description. Together with other process steps, these allow for the processing and fabrication of integrated circuits including DDC structure devices along with legacy devices, which covers a full range of analog and digital devices with improved performance and lower power. Allow designs.

단계(302)에서, 프로세스는 웰 형성에서 시작하며, 이는 상이한 실시예들 및 예들에 따른 많은 상이한 프로세스들 중 하나일 수 있다. 303에 나타내어진 것과 같이, 어플리케이션 및 원하는 결과에 따라 웰 형성은 STI(shallow trench isolation) 형성(304)의 전 또는 후일 수 있다. P 타입 주입을 위해 붕소(B), 인듐(I) 또는 다른 P 타입 재료들이 사용될 수 있으며, N 타입 주입을 위해 비소(As) 또는 인(P) 및 다른 N 타입 재료들이 사용될 수 있다. PMOS 웰 주입을 위해 P+ 주입은 10 내지 80 keV의 범위 내에서, 및 1 x 1013 내지 8 x 1013/cm2의 농도 범위 내에서 주입될 수 있다. As+는 5 내지 60 keV의 범위 내에서, 및 1 x 1013 내지 8 x 1013/cm2의 농도 범위 내에서 주입될 수 있다. NMOS 웰 주입을 위해 붕소 주입 B+는 0.5 내지 5 keV의 범위 내, 및 1 x 1013 내지 8 x 1013/cm2의 농도 범위 내일 수 있다. 게르마늄 주입 Ge+는 10 내지 60 keV의 범위 내에서, 및 1 x 1014 내지 5 x 1014/cm2의 농도에서 수행될 수 있다. 도펀트 이동을 감소시키기 위해, 탄소 주입, C+가 0.5 내지 5 keV의 범위 내에서, 및 1 x 1013 내지 8 x 1013/cm2의 농도 범위 내에서 수행될 수 있다. 웰 주입은 펀치 스루 억제 영역들의 순차적 주입, 및/또는 에피택셜 성장 및 주입을 포함할 수 있으며, 스크린 영역들이 펀치 스루 억제 영역보다 높은 도펀트 밀도를 갖는다. In step 302, the process begins with well formation, which may be one of many different processes in accordance with different embodiments and examples. As shown at 303, well formation may be before or after shallow trench isolation (STI) formation 304, depending on the application and desired results. Boron (B), indium (I) or other P type materials may be used for P type implantation, and arsenic (As) or phosphorus (P) and other N type materials may be used for N type implantation. For PMOS well implantation, P + implantation can be implanted in the range of 10 to 80 keV, and in the concentration range of 1 × 10 13 to 8 × 10 13 / cm 2 . As + may be injected in the range of 5 to 60 keV and in the concentration range of 1 × 10 13 to 8 × 10 13 / cm 2 . For NMOS well implantation, boron implantation B + may be in the range of 0.5 to 5 keV, and in the concentration range of 1 × 10 13 to 8 × 10 13 / cm 2 . Germanium implantation Ge + may be carried out in the range of 10 to 60 keV, and at a concentration of 1 × 10 14 to 5 × 10 14 / cm 2 . To reduce dopant migration, carbon injection, C +, can be performed in the range of 0.5 to 5 keV, and in the concentration range of 1 × 10 13 to 8 × 10 13 / cm 2 . Well implantation may include sequential implantation of punch through suppression regions, and / or epitaxial growth and implantation, where the screen regions have a higher dopant density than the punch through suppression region.

일부 실시예들에서, 302A에 도시된 것과 같이, 웰 형성(302)은 Ge/B(N), As(P)의 빔 라인 주입에 이은 에피택셜(EPI) 프리클린(pre-clean) 프로세스, 및 마지막으로 비선택적 블랭킷 EPI 퇴적을 포함할 수 있다. 대안적으로, 웰은 B(N), As(P)의 플라즈마 주입에 이은 EPI 프리클린, 그 후 마지막으로 비선택적 (블랭킷) EPI 퇴적을 사용하여 형성될 수 있다(302B). 웰 형성은 B(N), As(P)의 고체 소스 확산에 이은 EPI 프리클린, 및 마지막으로 비선택적 (블랭킷) EPI 퇴적을 대안적으로 포함할 수 있다(302C). 또 다른 대안으로서, 웰 형성은 단순히 깊은 웰 주입에 이은 B(N), P(P)의 도핑된 인 사이추 선택적인 EPI를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 펀치 스루 억제 영역만이 퇴적되거나, 펀치 스루 억제 영역 및 스크리닝 영역만 퇴적되며, 문턱 전압 설정 영역은 이후에 주입된다(더미 게이트 제거 후). 본원에 설명된 실시예들은 서로 다른 파라미터들에 따라 서로 다른 웰 구조들로 공통 기판 위에 구성된 다수의 장치들 중 임의의 하나를 허용한다.In some embodiments, as shown in 302A, the well formation 302 may be an epitaxial (EPI) pre-clean process following beam line injection of Ge / B (N), As (P), And finally non-selective blanket EPI deposition. Alternatively, the wells may be formed using plasma injection of B (N), As (P) followed by EPI preclean and then finally non-selective (blanket) EPI deposition (302B). Well formation may alternatively include solid source diffusion of B (N), As (P) followed by EPI preclean, and finally non-selective (blanket) EPI deposition (302C). As another alternative, well formation may simply comprise doped phosphorus selective EPI of B (N), P (P) followed by deep well implantation. In other embodiments, only punch through suppression regions are deposited, or only punch through suppression regions and screening regions are deposited, and threshold voltage setting regions are subsequently implanted (after dummy gate removal). Embodiments described herein allow any one of a number of devices configured on a common substrate with different well structures according to different parameters.

웰 형성(302) 전 또는 후에 일어날 수 있는 STI(shallow trench isolation) 형성(304)은 900℃보다 낮은 온도에서 저온 트렌치 희생 산화물(TSOX) 라이너를 포함할 수 있다. 전형적으로, 게이트 스택(306)은 폴리실리콘, 비정질 실리콘, 또는 퇴적되고, 포토 리소그래피로 정의되고, 에치되고, 및/또는 제거될 수 있는 다른 적합한 재료를 사용하여 형성되며, 프로세스에서 나중에 제거되어 대안적인 게이트 재료로 대체되는 더미 게이트의 역할을 한다.Shallow trench isolation (STI) formation 304, which may occur before or after well formation 302, may include a low temperature trench sacrificial oxide (TSOX) liner at a temperature lower than 900 ° C. Typically, gate stack 306 is formed using polysilicon, amorphous silicon, or other suitable material that can be deposited, photolithographically defined, etched, and / or removed, and later removed in the process to provide alternatives. It acts as a dummy gate that is replaced with a conventional gate material.

다음, 단계 308에서, 소스/드레인 팁들이 주입될 수 있거나, 옵션으로서 어플리케이션에 따라 주입되지 않을 수 있다. 팁들의 크기는 요구되는 대로 변경될 수 있으며, 게이트 스페이서(SPCR)가 사용되는지에 부분적으로 의존할 것이다. 일 옵션에서, 308A에 팁 주입이 없을 수 있다. 다음, 옵션 단계들 310 및 312에서, 변형된 채널을 생성하기 위한 성능 강화 물질로서 소스 및 드레인 영역들 내에 PMOS 또는 NMOS EPI 층들이 형성될 수 있다. 게이트-라스트 모듈(gate-last module)(314)은 더미 게이트 제거, 채널 내의 깊숙한 주입, 및 새로운 게이트(전형적으로 밴드 에지 금속 또는 금속 합금)의 구축을 허용한다.Next, in step 308, the source / drain tips may be injected, or optionally not depending on the application. The size of the tips may vary as required and will depend in part on whether a gate spacer (SPCR) is used. In one option, there may be no tip injection in 308A. Next, in optional steps 310 and 312, PMOS or NMOS EPI layers may be formed in the source and drain regions as a performance enhancing material for creating the strained channel. Gate-last module 314 allows for dummy gate removal, deep implantation in the channel, and construction of new gates (typically band edge metal or metal alloys).

게이트 라스트 모듈 프로세싱은 게이트를 형성하는 폴리실리콘 또는 다른 재료의 제거로 시작한다. 이는 도 3 내지 6에 더 잘 예시되었으며, 이들은 도 2에 관하여 개시된 것과 같은 프로세스에 의해 형성되며, 게이트 라스트 모듈 프로세싱 단계에서 더미 게이트 제거를 위해 준비된 PMOS 트랜지스터(402) 및 NMOS 트랜지스터(404)를 포함하는 한 쌍의 트랜지스터(400)를 도시한다. 이 실시예에서, 트랜지스터들(402 및 404)은 P 타입 실리콘 기판(406) 위에 형성되며, P 웰(408) 및 N 웰(410)을 지지한다. 모든 트랜지스터들에 대해 요구되지는 않지만, 얕은 N 웰(412) 및 얕은 P 웰(414)을 제공함으로써 선택된 웰들을 격리 및 바이어스하기 위한 능력이 개선된다. 트랜지스터 격리는 부분적으로 STI(shallow trench isolation) 구조들(416)에 의해 제공된다.Gate last module processing begins with the removal of polysilicon or other material forming the gate. This is better illustrated in Figures 3-6, which are formed by a process such as that described with respect to Figure 2, which includes a PMOS transistor 402 and an NMOS transistor 404 prepared for dummy gate removal in the gate last module processing step. A pair of transistors 400 is shown. In this embodiment, transistors 402 and 404 are formed over P type silicon substrate 406 and support P well 408 and N well 410. Although not required for all transistors, the ability to isolate and bias selected wells is improved by providing a shallow N well 412 and a shallow P well 414. Transistor isolation is provided in part by shallow trench isolation (STI) structures 416.

도 3에 도시된 것과 같이, 트랜지스터(402)의 소스 및 드레인은 다르게 도핑된 다중층들(418 및 420)로부터 형성된다. 트랜지스터(402)는 채널 팁 구조들(422), 및 측벽 스페이서들(424)을 갖는 더미 게이트(426)를 또한 갖는다. 유사하게, 트랜지스터(404)는 소스 및 드레인을 형성하기 위한 다르게 도핑된 다중층들(428 및 430)과 함께 채널 팁 구조들(432), 및 측벽 스페이서들(434)을 갖는 더미 게이트(436)를 갖는다.As shown in FIG. 3, the source and drain of transistor 402 are formed from differently doped multilayers 418 and 420. Transistor 402 also has a dummy gate 426 having channel tip structures 422, and sidewall spacers 424. Similarly, transistor 404 has a dummy gate 436 having channel tip structures 432 and sidewall spacers 434 along with differently doped multilayers 428 and 430 to form a source and a drain. Has

도 4 내지 6에 도시된 것과 같이, 더미 게이트들(426 및 436)은 동시에 제거될 수 있으며, 대응하는 게이트 영역들(425 및 435)을 남긴다. 더미 게이트들이 제거됨으로 인해, 채널들(427 및 437)은 도펀트들로 깊숙히 주입될 수 있으며, 문턱 전압 설정 영역, 스크리닝 영역, 또는 펀치 스루 억제 영역마저 생성 또는 증대시킨다. 이전에 도 1에 관해 설명한 것과 같이, 게이트와 접촉하는 실질적으로 도핑되지 않은 영역을 남기기 위해 도펀트 도입은 신중하게 이행되어야 한다.As shown in FIGS. 4-6, dummy gates 426 and 436 may be removed at the same time, leaving corresponding gate regions 425 and 435. As the dummy gates are removed, the channels 427 and 437 can be deeply implanted with dopants, creating or increasing even a threshold voltage setting region, a screening region, or a punch through suppression region. As previously described with respect to FIG. 1, dopant introduction must be carefully implemented to leave a substantially undoped region in contact with the gate.

바람직한 도펀트 주입 프로세스들은 플라즈마 도핑을 포함하며, 이는 결정학상의 손상을 최소화하면서 엄격하게 정의된 도펀트 프로파일을 제공할 수 있다. 플라즈마 도핑은 좁게 한정된 에너지 범위 및 시간 내에서 실리콘 기판에 가해지는 도펀트들의 펄스 또는 "패키지"를 생성한다. 짧은 펄스 길이 및 짧은 플라즈마 수명이 결합하여 입자 핵생성 및 기존의 표면 막들을 에칭할 위험을 최소화한다. 저장된 전하들이 효과적으로 배출되고 유전체 손상의 위험을 줄이는 것을 허용하기 위해 플라즈마 프로세스는 각각의 펄스 후에 긴 완화(relaxation) 시간을 포함할 수 있다. 대안적으로, 게이트 유전체에 가까운 채널에서 낮은 도펀트 농도를 유지할 수 있는 고체 상태 도핑 또는 다른 진보한 도핑 기법.Preferred dopant implant processes include plasma doping, which can provide a strictly defined dopant profile while minimizing crystallographic damage. Plasma doping produces a pulse or "package" of dopants applied to the silicon substrate within a narrowly defined energy range and time. The short pulse length and short plasma lifetime combine to minimize particle nucleation and the risk of etching existing surface films. The plasma process may include a long relaxation time after each pulse to allow the stored charges to be effectively released and reduce the risk of dielectric damage. Alternatively, solid state doping or other advanced doping techniques capable of maintaining low dopant concentrations in channels close to the gate dielectric.

신중하게 제어된 도펀트 주입 후, 새로운 게이트 스택들(460 및 464)이 게이트 영역들(425 및 435)을 채울 수 있다. 특정 실시예들에서, 하이-k 유전체가 게이트 라이너(458 및 462)와 함께 채널의 표면 위에 형성될 수 있다. 금속 또는 금속 합금 게이트가 바람직하다. 이러한 게이트 형성 단계들 동안 온도를 가능한 낮게 유지하도록 주의하며, 이는 채널 도펀트 이동의 방지를 돕는다. 도펀트들을 활성화시키고, 더미 게이트 제거 및 도펀트 주입에 의해 야기된 결정 구조의 손상을 (어닐링에 의해) 제거하기 위해 저온 어닐이 사용될 수 있다.After carefully controlled dopant implantation, new gate stacks 460 and 464 can fill the gate regions 425 and 435. In certain embodiments, a high-k dielectric may be formed over the surface of the channel with gate liners 458 and 462. Metal or metal alloy gates are preferred. Care is taken to keep the temperature as low as possible during these gate forming steps, which helps to prevent channel dopant movement. Low temperature annealing may be used to activate the dopants and to remove (by annealing) damage to the crystal structure caused by dummy gate removal and dopant implantation.

수반하는 도면들에 특정한 대표적인 실시예들이 설명되고 도시되었으나, 그러한 실시예들은 단지 예시적이며 넓은 발명에 대해 제한적이지 않으며, 본 기술분야의 통상적인 기술자들에게 다른 다양한 변형들이 떠오를 것이므로, 본 발명은 도시되고 설명된 구체적인 구조들 및 배열들에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 명세서 및 도면들은 제한적이라기보다 예시적인 것으로 간주되어야 한다.While specific representative embodiments have been described and illustrated in the accompanying drawings, the embodiments are merely illustrative and not restrictive to the broad invention, as various other modifications will occur to those skilled in the art. It will be understood that it is not limited to the specific structures and arrangements shown and described. Accordingly, the specification and drawings are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense.

Claims (14)

전계 효과 트랜지스터 구조를 형성하기 위한 방법으로서,
제1 농도의 도펀트를 갖도록 도핑된 웰을 형성하는 단계,
더미 게이트를 제거하는 단계,
5 x 1018 도펀트 원자/cm3 보다 높은 제2 도펀트 농도를 갖고 상기 웰보다 큰 스크리닝 영역을 상기 웰 내에 주입하는 단계 - 상기 스크리닝 영역은 상기 트랜지스터 구조에 대한 공핍 영역의 깊이를 설정함 - , 및
소스 및 드레인 사이 및 상기 스크리닝 영역 위에 게이트 길이 Lg를 갖는 게이트를 다시 형성하는(reforming) 단계
를 포함하는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
As a method for forming a field effect transistor structure,
Forming a well doped with a first concentration of dopant,
Removing the dummy gate,
Implanting a screening region into the well having a second dopant concentration of greater than 5 x 10 18 dopant atoms / cm 3 , wherein the screening region sets the depth of a depletion region for the transistor structure; and
Reforming a gate having a gate length Lg between a source and a drain and over the screening region
Field effect transistor structure forming method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 스크리닝 영역은 상기 게이트 아래에 Lg/5 및 Lg/1 사이가 되도록 선택된 깊이에 주입되는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
And wherein said screening region is implanted below said gate at a depth selected to be between Lg / 5 and Lg / 1.
제1항에 있어서,
게이트로부터 5 나노미터 이상의 깊이에서 상기 소스 및 상기 드레인 사이의 상기 스크리닝 영역 위에 개별의 문턱 전압 설정 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
Forming a separate threshold voltage setting region over the screening region between the source and the drain at a depth of at least 5 nanometers from a gate.
제3항에 있어서,
상기 문턱 전압 설정 영역은 상기 스크리닝 영역보다 낮은 도펀트 농도를 갖는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 3,
And the threshold voltage setting region has a lower dopant concentration than the screening region.
제1항에 있어서,
더미 게이트 제거 전 및 더미 게이트 제거 후에, 도펀트들이 소스 및 드레인 사이 및 게이트 아래에 주입되는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
A method of forming a field effect transistor structure before and after dummy gate removal, dopants are implanted between the source and drain and below the gate.
제1항에 있어서,
상기 소스 및 상기 드레인 사이에 정의된 채널은 게이트 유전체에 인접하여 5 x 1017 도펀트 원자/cm3 보다 낮은 도펀트 밀도를 갖는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
And a channel defined between the source and the drain has a dopant density of less than 5 x 10 17 dopant atoms / cm 3 adjacent a gate dielectric.
제1항에 있어서,
상기 다시 형성된 게이트는 금속인 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
And wherein the re-formed gate is a metal.
제1항에 있어서,
상기 스크리닝 영역 위에 도핑되지 않은 애피택셜 채널 층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 게이트는 상기 도핑되지 않은 애피택셜 채널 층 위에 다시 형성되는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
Forming a undoped epitaxial channel layer over the screening region, wherein the gate is formed again on the undoped epitaxial channel layer.
제1항에 있어서,
상기 웰 내에서 펀치 스루 억제 영역(punch through suppression region)을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 펀치 스루 억제 영역은 상기 스크리닝 영역 아래에 위치되고, 상기 스크리닝 영역은 상기 펀치 스루 억제 영역보다 더 높은 도펀트 농도를 갖는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
The method of claim 1,
Forming a punch through suppression region in the well, wherein the punch through suppression region is located below the screening region, and the screening region is higher dopant than the punch through suppression region. A method of forming a field effect transistor structure having a concentration.
제9항에 있어서,
상기 펀치 스루 억제 영역은 상기 웰보다 더 높은 도펀트 농도를 갖는 전계 효과 트랜지스터 구조 형성 방법.
10. The method of claim 9,
And wherein said punch through suppression region has a higher dopant concentration than said well.
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