JP2007150319A - 電界効果トランジスタデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電界効果トランジスタ(FET)を製造する方法を提供する。
【解決手段】この方法は、半導体基板上にゲート構造を形成するステップと、基板内に凹部を形成して、凹部内に第2の半導体材料を埋め込むステップとを含む。ゲート構造は、ゲート誘電体層、導電層、および絶縁層を含む。前記ゲート構造の形成は、ゲート構造内の導電層を凹ませるステップを含み、導電層を凹ませるステップと、基板内に凹部を形成するステップとは、単一ステップで実行される。また、FETデバイスが提供される。
【選択図】図12
【解決手段】この方法は、半導体基板上にゲート構造を形成するステップと、基板内に凹部を形成して、凹部内に第2の半導体材料を埋め込むステップとを含む。ゲート構造は、ゲート誘電体層、導電層、および絶縁層を含む。前記ゲート構造の形成は、ゲート構造内の導電層を凹ませるステップを含み、導電層を凹ませるステップと、基板内に凹部を形成するステップとは、単一ステップで実行される。また、FETデバイスが提供される。
【選択図】図12
Description
本発明は、半導体デバイスに関する。さらに詳細には、本発明は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタなどの電界効果トランジスタに関する。
完全にシリサイド化された(FUSI)ゲート構造と埋め込みシリコン・ゲルマニウム(eSiGe)構造の両方が、電界効果トランジスタ(FET)、特にMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)の動作性能を向上させるのに有用であることが明らかになった。しかしながら、FUSI構造とeSiGe構造の両方を製造する技術は、典型的なCMOS(相補型金属酸化膜半導体)製造プロセスと比較して非常に複雑なプロセスを含む。
典型的CMOSプロセスに加えて、FETのゲートを完全にシリサイド化することは、付加的なエッチング・ステップを必要とし、また、付加的な化学機械研磨(CMP)ステップを必要とすることがある。例えば、現在のFUSI製造技術は、シリサイド化の前に、導電ゲート層をエッチングしてかつ研磨するステップを必要とする。
同様に、埋め込みシリコン・ゲルマニウム(eSiGe)構造は、付加的な製造ステップを必要とする。FETのソースおよびドレイン領域内に凹部を形成するために必要とされるプロセス、およびその凹部内に埋め込みSiGe領域を成長させるためのプロセスに加えて、eSiGeプロセスは、eSiGe領域の成長時にゲートを保護するために付加的なステップを必要とする。
本発明の目的は、電界効果トランジスタ(FET)を製造する改良された方法を提供することである。
本発明の他の目的は、現在の方法よりも少ないステップでよいような電界効果トランジスタ(FET)を製造する方法を提供することである。
これらのおよび他の本発明の目的、ならびに利点は、半導体基板上にゲート構造を形成するステップ、および基板内に凹部を形成して、その凹部内に第2の半導体材料を埋め込むステップを含む電界効果トランジスタ(FET)を製造する方法により実現される。ゲート構造は、ゲート誘電体層、導電層、および絶縁層を含む。前記ゲート構造の形成は、ゲート構造内の導電層を凹ませるステップを含み、導電層を凹ませるステップ、および基板内に凹部を形成するステップは、単一ステップで実行される。また、FETデバイスが提供される。
本発明は、半導体基板上にゲート構造を形成するステップ、および基板内に凹部を形成して、その凹部内に第2の半導体材料を埋め込むステップを含む電界効果トランジスタ(FET)を製造する方法を提供する。ゲート構造は、ゲート誘電体層および導電層を含む。また、一実施形態では、方法は、第1の導電層と第2の導電層の間に挟まれた絶縁層を有するゲート構造の形成を含み、この絶縁層は、エッチング・ストッパとして機能する。ゲート構造の形成は、ゲート構造内の導電層を凹ませるステップを含む。導電層を凹ませるステップ、および基板内に凹部を形成するステップは、単一ステップで実行される。また、FETデバイスが提供される。一実施形態では、前記導電層を凹ませるステップ、および基板内に凹部を形成するステップは、ほぼ同時に実行される。
他の実施形態では、方法は、さらに、ゲートの導電層へ金属材料を付着すること、ならびに基板のソース領域およびドレイン領域へ金属材料を付着することを含む。その後、シリサイドが、ゲート、ソース領域、およびドレイン領域上に形成される。結果として得られるゲートは、完全にシリサイド化されたゲートである。
他の実施形態では、本発明は、半導体基板、第1のゲート、および第2のゲートを含む電界効果トランジスタ(FET)デバイスを提供する。第1のゲートは、第1のゲートに最も近い第1のソース領域および第1のドレイン領域を有する第1の半導体基板領域上に設置されている。第2のゲートは、第2のゲートに最も近い第2のソース領域および第2のドレイン領域を有する第2の半導体基板領域上に設置されている。また、FETデバイスは、第1の半導体基板領域または第2の半導体基板領域に埋め込まれた半導体領域を含む。第1のソースおよびドレイン領域、ならびに第2のソースおよびドレイン領域は、シリサイド化されている。第1のゲートおよび第2のゲートは、完全にシリサイド化されている。
図面、特に図1〜図12を参照すると、本発明の電界効果トランジスタ構造(FET)を製造する方法が示されている。その方法で製造されたFETが図12に示されており、全体として参照番号100で示される。
FET100は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)構造であることが好ましい。FETトランジスタは、n型FETトランジスタまたはp型FETトランジスタでありうる。
図1〜図12を参照すると、一実施形態では、FET100はMOSFET100であり、図1に示されているように基板105上に製造される。基板105は、シリコンから形成されることが好ましいが、絶縁層上のシリコン基板から形成されてもよい。また、基板105は、半導体材料、または絶縁体上の半導体層から形成されてもよい。一実施形態では、MOSFET100は、n型FET(NFET)とp型FET(PFET)の両方を有する構造である。基板105は、PFETを構成するnドープ・シリコンおよびNFETを構成するpドープ・シリコン、もしくは、PFETを構成するnドープ・シリコンまたはNFETを構成するpドープ・シリコンを含みうる。基板105は、基板105内の各FETを分離する構造110により、STI、すなわち浅いトレンチ素子分離技術を用いて分割される。構造110は、窒化シリコンまたは酸化シリコンなどの材料から形成されうる。
図1を参照すると、ゲート誘電体115が、基板105および構造110上に付着される。ゲート誘電体115は、SiO2、SiON、Si3N4、HfO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、La2O3、SrTiO3、LaAlO3、またはそれらの任意の組み合わせなどの酸化物を含む好適な誘電体材料から形成されることが好ましい。第1の導電層120が、ゲート誘電体115上に付着される。薄い絶縁層125が、第1の導電層120上に付着され、第2の導電層130が、絶縁層125上に付着される。層125は、窒化シリコンから形成されることが好ましいが、酸化シリコン、およびZrO2、Al2O3、TiO2、La2O3、SrTiO3、LaAlO3などの他の絶縁材等の他の材料からも形成されてもよい。導電層120および130は、多結晶シリコン(ポリSi)または金属などの好適な導電性材料から形成されることが好ましい。他の好ましい実施形態では、ポリSi材料は、n型チャネル(nFET)を有する電界効果トランジスタに対してn型ドープされ、p型チャネル(pFET)を有する電界効果トランジスタに対してp型ドープされる。
図2を参照すると、導電層120および130は、NFET領域に対してはAs、P、およびSbなどのn型ドーパントで、およびPFET領域に対してはホウ素およびBF2などのp型ドーパントで、必要に応じて、予めドープされる。ゲート誘電体115、ならびに層120、125、および130は、ゲート・スタック132を形成するためにエッチングされる。
図3を参照すると、第1のスペーサ135が、ゲート・スタック132の側壁上に形成される。第1のスペーサ135は、付着およびエッチングなどの任意の好適な方法で形成されうる。一実施形態では、スペーサ135は、熱酸化プロセス、または低温酸化物(LTO)付着、およびエッチング・プロセスを用いて形成される。第1のスペーサ135は、酸化シリコンまたは窒化シリコン材料から形成されることが好ましい。また、ハロー注入およびエクステンション注入、もしくは、ハロー注入またはエクステンション注入が、基板105内に、n領域およびp領域137、もしくは、n領域またはp領域137を形成するために使用されてもよい。
図4を参照すると、第2のスペーサ145が、緩衝酸化シリコン層140と共に基板105上に形成されて、第1のスペーサ135の周囲を取り囲んでいる。第2のスペーサ145は、窒化シリコン材料から形成されることが好ましい。スペーサ145および緩衝酸化シリコン層140は、付着と、それに続くエッチング・プロセスにより形成されることが好ましい。スペーサ145の形成後に、基板105内のNFETとPFETの両方に対して、nおよびp、もしくは、nまたはpのソースおよびドレイン領域139を形成するためにイオン注入が実行されてもよい。
図5を参照すると、非共形(non−conformal)酸化物150の付加的な層が、スペーサ145上および基板105上に付着される。図6を参照すると、酸化物層150の一部分が、ゲート・スタック132の上面を露出するために除去される。この除去は、リアクティブ・イオン・エッチング(RIE)バック・プロセスで実行されることが好ましい。
図7を参照すると、FET100のNFET部を覆って、レジスト155を設けてある。図8を参照すると、PFET部の酸化物層150が、好ましくはウェットエッチングにより除去される。その後、レジスト155が除去される。
図9を参照すると、凹部160が、基板105のPFET部内に形成される。また、第2の導電層130も、好ましくはドライエッチングにより除去され、絶縁層125の上面を露出する。第2の導電層130の除去と凹部160の形成の両方が、同じエッチング・ステップで行われることが好ましい。
この実施形態では、窒化シリコン層であることが好ましい絶縁層125は、第1の導電層120のエッチングを防止する。絶縁層125があることにより、第2の導電層130の除去および凹部160の形成を、同時に、またはほぼ同時に行うことができる。また、層125により、エッチング後に残るゲート・スタック132の部分の高さが一様となる。また、層125は、基板105上の凹部領域160の凹部の深さが、ゲート・スタック132および凹部160の同時のエッチング、または単一ステップでのエッチングから生じるゲート・スタック132のエッチングの深さよりも深くなることを可能とする。
図10を参照すると、凹部160内にドープされたSiGe(シリコン・ゲルマニウム)を成長させて、SiGe領域165を形成する。図11を参照すると、NFET部の酸化物層150が除去される。また、絶縁層125も除去される。
図12を参照すると、シリサイド化プロセスの結果が示されており、結果として完成したFET100が得られる。このプロセスでは、金属層(図示せず)が、ゲート175上、および基板105のソース領域とドレイン領域の両方の上に形成される。好ましい金属としては、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、およびタングステンなどがある。その後、金属は、例えば300℃を越える高温でアニールされて、金属が、ゲート内の導電層120のポリSiと、基板と、および基板内のドープされたシリコンと反応して、シリサイド層170を形成するようになされる。第1の導電層120の厚さおよび金属層の厚さを調整することにより、残りのゲートを完全にシリサイド化することができる。その後、残りの金属層が、好ましくはウェットエッチング技術により除去される。このようにして、FET100は、完全にシリサイド化された(FUSI)ゲート・デバイスとなる。
他の実施形態では、絶縁層125は、ソース領域およびドレイン領域のシリサイド化より前に除去されない。この実施形態では、ソース領域およびドレイン領域が、上述したようにシリサイド化される。その後、絶縁層125が除去され、続いて導電層120のシリサイド化が行われる。この実施形態では、ゲート175のシリサイド化に対して、ソース領域およびドレイン領域とは異なった材料を使用することができる。
結果として得られるFETが図12に示されている。FET100は、基板105上に形成されたゲート175を含む。ゲート175は、緩衝酸化シリコン層140、ならびにスペーサ135および145を含む。また、ゲート175は、ゲート誘電体115および第1の導電層120を含み、この第1の導電層120は、シリサイド化後には、完全にシリサイド化された層170である。基板105のNFET部は、中央のpドープ領域180、nドープ・ソース領域182、およびnドープ・ドレイン領域184を含む。基板105のPFET部は、中央のnドープ領域190、pドープ・ソース領域192、pドープ・ドレイン領域194、および埋め込みeSiGe領域165を含む。
上述した様々な層の付着は、半導体デバイスの構成に適した任意の公知の方法で達成されうる。好適な付着技術の例としては、化学気相成長法(CVD)、プラズマCVD法(PECVD)、原子層成長法(ALD)、および高密度プラズマ付着法(HDP)などがある。さらに、上述した様々な層のエッチングは、任意の好適な公知の方法で達成されうる。一実施形態では、エッチングは、リアクティブ・イオン・エッチング技術(RIE)で達成される。
本発明の他の実施形態では、層125は、その方法に含まれていない。この実施形態では、単一の厚い導電層が、誘電体層115上に付着され、この誘電体層115は、その後、凹部160を形成するステップ時に、エッチングで除去される。
図12に示された実施形態では、FET100の埋め込み半導体領域は、PFET領域内に埋め込まれたSiGe領域165として示されている。さらに他の実施形態では、埋め込み半導体領域は、NFET領域内に形成されてもよい。この実施形態では、炭化シリコン(SiC)が、埋め込み半導体領域用の好ましい材料である。NFET領域内に埋め込み領域を有するFETを形成するために使用される方法のステップは、上述したステップと同様である。しかしながら、この実施形態では、凹部を形成するステップは、PFET領域の代わりにNFET領域内で実行されるとともに、炭化シリコンが、NFET領域の凹部内に埋め込まれることが好ましい。
この実施形態で結果として得られるFETは、図12のFETと同様である。しかしながら、この実施形態では、基板のNFET部は、中央のpドープ領域180、nドープ・ソース領域182、nドープ・ドレイン領域184、および埋め込みSiC領域を含む。基板のPFET部は、中央のnドープ領域、pドープ・ソース領域、およびpドープ・ドレイン領域194を含む。さらに、この実施形態のPFET部は、埋め込みSiGe領域を有しうる。
本発明の方法は、FUSIと埋め込み半導体機能の両方を有するFET構造を提供するが、一方、このような構造を形成する典型的プロセスよりも少ないステップを必要とする。例えば、この方法は、同一ステップの間に、ゲート内の導電層を凹ませて、かつSiGe領域を埋め込むための凹部を形成することができる。この特徴は、FETデバイス、特にFUSIゲートとeSiGeの両方を含むFETデバイスを構成するために必要とされるステップ数を減少させる。また、上述した1つの単純凹部ステップの使用は、CMPおよびエッチバック・プロセスの欠点を回避する。
さらに、この方法は、ゲート、特にPFET領域上のゲートを保護する必要性を無くし、それにより、また、このようなFET構造を製造するプロセスを大幅に簡素化する。
一実施形態では、絶縁層は、第1の導電層と第2の導電層の間に付着される。絶縁層は、方法が、初期段階でゲート内の最終的な導電層の厚さを制御することを可能とする。先の方法では、導電層は、最終的なゲートの導電層の厚さよりも厚く付着されなければならず、次に、ゲートが形成された後に、所望の厚さまでエッチングされかつ研磨されなければならない。本発明では、第1の導電層は、所望の最終的な厚さまで付着されうる。第2の導電層がエッチングされて除去されるとともに、凹部が形成されるとき、絶縁層は第1の導電層を保護する。したがって、本発明では、ゲートの導電層をエッチングしてかつ研磨するステップを無くすことができる。
本発明のMOSFETデバイスの例示的な実施形態は、本発明の態様を示すために提供されている。本発明は、上述したMOSFETトランジスタに限定されない。ゲート、ソース、およびドレインの寸法および位置などの構成に対する変形は、本発明の範囲内にある。
本明細書で説明した開示の様々な代替手段、組み合わせ、および変更は、当業者により考案されうることを理解するべきである。本発明は、添付の請求項の範囲内にある、このようなすべての代替手段、変更、および変形を包含するものである。
Claims (20)
- 半導体基板上に、ゲート誘電体層および導電層を含むゲート構造を形成するステップと、
前記基板内に凹部を形成し、前記凹部内に第2の半導体材料を埋め込むステップとを有し、
前記ゲート構造を形成するステップが、前記ゲート構造内の前記導電層を凹ませるステップを含み、
前記導電層を凹ませる前記ステップと、前記基板内に凹部を形成する前記ステップとが、単一ステップで実行される、
電界効果トランジスタ(FET)デバイスを製造する方法。 - 前記導電層を凹ませる前記ステップと、前記基板内に前記凹部を形成する前記ステップとが、ほぼ同時に実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の半導体材料が、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)と炭化シリコン(SiC)とからなるグループから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記FETが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、請求項1に記載の方法。
- 前記基板が、シリコン基板と、絶縁層上のシリコン基板と、半導体層と、絶縁体上の半導体層とからなるグループから選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記FETが、NFET領域およびPFET領域を含むとともに、前記基板内の前記凹部が、前記NFET領域と前記PFET領域とから選択された領域内に形成される、請求項1に記載の方法。
- 前記基板内の前記凹部が、前記PFET領域内に形成され、かつ前記第2の導体材料が、シリコン・ゲルマニウム(SiGe)である、請求項6に記載の方法。
- 前記基板内の前記凹部が、前記NFET領域内に形成され、かつ前記第2の導体材料が、炭化シリコン(SiC)である、請求項6に記載の方法。
- 前記ゲート構造を形成する前記ステップが、
前記基板上にゲート誘電体層を付着するステップと、
前記ゲート誘電体層上に第1の導電層を付着するステップと、
前記第1の導電層上に絶縁層を付着するステップと、
前記窒化物層上に第2の導電層を付着するステップと、
ゲート・スタックを形成するために、前記ゲート誘電体層と、前記第1および第2の導電層と、前記絶縁層とをエッチングするステップと、
前記ゲート・スタックの周囲に1つ以上のスペーサを形成するステップとを含み、
前記導電層を凹ませる前記ステップが、前記第2の導電層を凹ませることにより達成される、
請求項1に記載の方法。 - 前記第2の導電層を凹ませた後に、前記絶縁層を除去するステップをさらに有する、請求項9に記載の方法。
- 前記ゲートの前記導電層へ金属材料を付着して、かつ前記基板のソース領域およびドレイン領域へ金属材料を付着するステップと、
前記ゲートが完全にシリサイド化されるように、前記ゲート上と、前記ソース領域上と、前記ドレイン領域上にシリサイドを形成するステップとをさらに有する、
請求項1に記載の方法。 - 前記絶縁層が、前記第2の導電層を凹ませる間に、前記第1の導電層がエッチングされて除去されることを防止する、請求項9に記載の方法。
- 半導体基板と、
第1のゲートに最も近い第1のソース領域および第1のドレイン領域を有する第1の半導体基板領域上の第1のゲートと、
第2のゲートに最も近い第2のソース領域および第2のドレイン領域を有する第2の半導体基板領域上の第2のゲートと、
前記第1の半導体基板領域と、前記第2の半導体基板領域とからなるグループから選択された領域に埋め込まれた半導体領域とを有し、
前記第1のゲートと、前記第2のゲートと、前記第1のソースおよびドレイン領域と、前記第2のソースおよびドレイン領域とが、シリサイド化されている、
電界効果トランジスタ(FET)デバイス。 - 前記第1の半導体領域がPFET領域であり、かつ前記第2の半導体領域がNFET領域であるとともに、前記埋め込み半導体領域が、
前記第1のソース領域および前記第1のドレイン領域内に埋め込まれたシリコン・ゲルマニウムと、
前記第2のソース領域および前記第2のドレイン領域内に埋め込まれた炭化シリコンとからなるグループから選択される、
請求項13に記載のFETデバイス。 - 前記FETデバイスが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)である、請求項13に記載のFETデバイス。
- 前記半導体基板が、シリコン基板と、絶縁層上のシリコン基板と、半導体層と、絶縁体上の半導体層とからなるグループから選択される、請求項13に記載のFETデバイス。
- 前記第1のゲートおよび前記第2のゲートが、少なくとも誘電体層と導電層とを付着して、かつ前記導電層の少なくとも一部分を除去することにより形成され、
前記埋め込み半導体領域が、前記領域内に凹部を形成し、続いて前記凹部内に半導体材料を埋め込むことにより形成されるとともに、
前記導電層の少なくとも前記一部分を除去する前記ステップと、前記凹部を形成するステップとが、単一ステップで達成される、請求項13に記載のFETデバイス。 - 前記導電層の少なくとも前記一部分を除去する前記ステップと、前記凹部を形成するステップとが、ほぼ同時に達成される、請求項13に記載のFETデバイス。
- NFET領域とPFET領域とを有する基板上に、第1の導電層とゲート誘電体層とを付着するステップと、
前記第1の導電層上に絶縁層を付着するステップと、
前記窒化物層上に第2の導電層を付着するステップと、
第1のゲート・スタックおよび第2のゲート・スタックを形成するために、前記ゲート誘電体層と、前記第1および第2の導電層と、前記絶縁層とをエッチングして、かつ第1のゲートおよび第2のゲートを形成するために、前記第1および第2のゲート・スタックの周囲に1つ以上のスペーサを形成するステップと、
前記第1のゲートおよび前記第2のゲートから、前記第2の導電層を除去して、前記基板内の、前記第1のゲートに最も近いソース領域およびドレイン領域内に、単一ステップで凹部を形成するステップと、
前記凹部内に半導体材料を埋め込むステップと、
前記第1および第2のゲートから前記絶縁層を除去するステップと、
前記第1のゲートと、前記第2のゲートと、前記第1のゲートに最も近い前記ソース領域および前記ドレイン領域と、前記第2のゲートに最も近いソース領域およびドレイン領域とを完全にシリサイド化するステップとを有する、
埋め込み半導体領域を有する完全にシリサイド化された(FUSI)電界効果トランジスタ(FET)デバイスを製造する方法。 - 前記第1のゲートが、
前記埋め込み半導体材料がシリコン・ゲルマニウムである前記PFET領域と、
前記埋め込み半導体材料が炭化シリコンである前記NFET領域とからなるグループから選択された領域上に設置される、
請求項19に記載の方法。
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