JP2008300843A - トランジスタ、集積回路および集積回路形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】トランジスタ、集積回路、および、集積回路形成方法を提供する。
【解決手段】半導体基板1内に形成されたゲート溝27内にゲート誘電体24を介してゲート電極23が配置された構成を有する。該ゲート電極23は、導電性炭素材を有している。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板1内に形成されたゲート溝27内にゲート誘電体24を介してゲート電極23が配置された構成を有する。該ゲート電極23は、導電性炭素材を有している。
【選択図】図1
Description
〔発明の背景〕
本明細書は、トランジスタ、集積回路、および、電子デバイスに関する。本明細書は、さらに、集積回路形成方法に関する。
本明細書は、トランジスタ、集積回路、および、電子デバイスに関する。本明細書は、さらに、集積回路形成方法に関する。
ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)のメモリセルは、通常、蓄積される情報を示す電荷を蓄積するストレージキャパシタと、該ストレージキャパシタに接続されているアクセストランジスタとを含む。また、メモリセルアレイは、対応するトランジスタのゲート電極に結合されたワード線と、上記トランジスタの対応するドープ部に結合されたビット線とを含む。用いられ得るトランジスタの型は、RCAT(Recessed Channel Array Transistor)である。該RCATでは、上記ゲート電極は、基板表面内に形成されたゲート溝内に形成されている。RCATを有するメモリデバイスは、例えば、埋め込みワード線を含むことが可能である。具体的には、該ワード線が完全に埋め込まれることによって、該ワード線の表面が半導体基板表面の真下に配置された構成である。通常、該ワード線の抵抗率が、メモリデバイスのスイッチング速度を決定する。
そこで、オペレーション特性において信頼度が高いDRAMメモリセルアレイが一般に望まれている。
この理由および更なる理由のために、本発明は必要とされている。
〔図面の簡単な説明〕
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、組み込まれ、本明細書の一部を構成する。本図面は、本発明の実施形態を説明し、本明細書と共に本発明の原理を説明するためのものである。本発明の他の実施形態、および、本発明の意図する多くの利点は、発明の詳細な説明を参照することによってより良く理解されることは明らかであろう。上記図面の構成要素は、互いに相対的に縮尺される必要はなく、同様の参照番号は対応する類似の部材を示すものである。
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、組み込まれ、本明細書の一部を構成する。本図面は、本発明の実施形態を説明し、本明細書と共に本発明の原理を説明するためのものである。本発明の他の実施形態、および、本発明の意図する多くの利点は、発明の詳細な説明を参照することによってより良く理解されることは明らかであろう。上記図面の構成要素は、互いに相対的に縮尺される必要はなく、同様の参照番号は対応する類似の部材を示すものである。
図1は、一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図2は、他の一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図3Aは、さらに他の一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図3Bは、さらなる一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図3Cは、さらなる他の一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図4A〜4Cは、さらなる他の一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図5Aおよび図5Bは、さらなる実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。
図6Aは、典型的なメモリデバイスを概略的に示す平面図である。
図6Bは、本発明の他の一実施形態野に係る集積回路を示す断面図である。
図6Cは、集積回路を示す平面図である。
図6Dおよび6Eは、本発明の実施形態に係る集積回路を示す断面図である。
図7Aおよび7Bは、それぞれ、基板または集積回路を示す典型的な平面図である。
図8は、一実施形態に係る方法を示すフローチャートである。
図9A〜9Cは、一実施形態に係る方法を実施する際の基板を示す断面図である。
図10A〜10Dは、一実施形態に係る方法を実施する際の基板を示す断面図である。
図11は、電子デバイスの該略図である。
〔発明の詳細な説明〕
以下の詳細な説明においては、参照説明に、本明細書の一部を構成し、本発明が実施され得る特定の実施形態を示す添付の図面を引用する。これに関して、「上」、「下」、「前」、「後」、「先端」、「後端」などの方向を示す用語は、説明する図面の位置を参照する上で用いられる。本発明の実施形態での構成要素は、異なる多数の位置に配置することができるため、上記方向を示す用語は、図解の目的で用いられるのであって、決して制限されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられ、構造的または論理的な変更がなされてもよいことを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるものではなく、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によって定義されるものである。
以下の詳細な説明においては、参照説明に、本明細書の一部を構成し、本発明が実施され得る特定の実施形態を示す添付の図面を引用する。これに関して、「上」、「下」、「前」、「後」、「先端」、「後端」などの方向を示す用語は、説明する図面の位置を参照する上で用いられる。本発明の実施形態での構成要素は、異なる多数の位置に配置することができるため、上記方向を示す用語は、図解の目的で用いられるのであって、決して制限されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が用いられ、構造的または論理的な変更がなされてもよいことを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるものではなく、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によって定義されるものである。
以下に説明するように、トランジスタは、1つのゲート電極を含んでも良い。この1つのゲート電極は、半導体基板内に形成されたゲート溝の中に配置され、導電性炭素材を有している。また、集積回路は、複数のトランジスタを有することが可能である。このトランジスタは、半導体基板内に形成されたゲート溝の中に配置される、導電性炭素材を有する1つのゲート電極を備えている。
図1は、一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。図1の断面の方向は、例えば、図7Aおよび7Bから切り取った状態である。第1のソース/ドレイン部21を形成する第1のドープ部、および、第2のソース/ドレイン部22を形成する第2のドープ部は、半導体基板1の主表面10に隣り合って形成されている。本明細書において用いられる「ウェハ」、「基板」または「半導体基板」という用語は、半導体基板を有する任意の半導体ベースの構造物を含むことが可能である。ウェハおよび基板は、シリコン、シリコンオンインシュレータ(SOI)、シリコンオンサファイア(SOS)、ドープ半導体および非ドープの半導体、ベース半導体によって支持されるシリコンのエピタキシャル層、並びに、他の半導体構造物を含むものと理解されたい。上記半導体は、シリコンベースである必要はない。上記半導体は、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウムまたはヒ素ガリウムであっても良い。
基板1の主表面10内には、ゲート溝27が形成されている。ゲート誘電体24は、ゲート溝27の側壁に隣接して配置されている。ゲート誘電体24は、酸化シリコン、窒化シリコン、ハフニウム化合物(酸化ハフニウムなど)、高誘電率材料(酸化アルミニウム(Al203)など)、および、従来技術において公知の他の材料を有する好適な誘電体材料から形成されることが可能である。ゲート誘電体24は、例えば上述の任意の材料を含む任意の積層構造物を含んでいてもよい。ゲート電極23の導電性材料は、導電性炭素充填物25であり得る。例えば、該導電性炭素充填物は、上記ゲート溝27を完全に充填していてよい。また別の例としては、該炭素充填物は、上記ゲート溝27の下部または任意の部分を完全に充填することが可能である。
例えば、本明細書中に用いられる「導電性炭素」という用語は、元素炭素から成る材料(つまり、化合物中または化合物成分中には含まれない炭素)を含むことが可能である。この炭素層は、例えば多結晶の炭素層であってよい。例えば、該多結晶の炭素層は、上記炭素が局所的にSP2変態(SP2 modification)で保持され、従ってグラファイト状の構造を有している領域を含むことが可能である。一例として、多結晶の炭素は、複数の小さな結晶質の領域を含み、この場合、単結晶領域間において方向的な関係は与えられていない。各該単結晶領域は、導電性炭素の変態(conductive carbon modification)、例えばグラファイト状の一変態であってよい。一例として、該導電性炭素は、例えば、ホウ素、リン、または、ヒ素を含む第III族元素または第IV族元素から選択された元素のような好適なドーパントでドープされていても良い。従って、対応して形成される炭素層の抵抗率は、さらに低減され得る。さらに、このような導電性炭素層には、例えばフッ化ヒ素(ASF5)またはフッ化アンチモン(SBF5)のような金属ハロゲン化物が間に挿入されていることが可能である。さらに、上記炭素の結晶化度は、生成される間に変動し得る。
換言すると、上記ゲート電極は、導電性炭素(例えば、化合物の元素ではないが元素炭素である炭素)から成る材料を含むことが可能である。さらに、上記ゲート電極は、導電性炭素から形成されていてよい。それでも尚、上記導電性炭素は、上述の好適なドーパントでドープされていることが可能であり、任意の種類の添加剤を含むことが可能なことは明らかであろう。これら添加剤のうちのいずれを加えても、上記炭素材の元素状態は実質的には変動しないことは明らかであろう。従って、上記導電性炭素は、少なくとも90%の量において、元素炭素を含む。
上記導電性炭素層の抵抗率は、ポリシリコンの抵抗率よりも小さい。従って、この炭素電極の抵抗率は、ポリシリコンの抵抗率よりも、所定の係数だけ低減され得る。一例として、導電性炭素の導電率は、ドープされたポリシリコンの導電率に10〜100の係数を乗じたものであり得る。さらに、導電性炭素はミッドギャップ(mid-gap)材料である。従って、導電性炭素がゲート材料として用いられるならば、上記トランジスタの閾値電圧は、該ゲート材料によって調整され得る。例えば、上記炭素材のドーパントを選択することによって、上記トランジスタの閾値電圧を選択することが可能である。一例として、該閾値電圧は、局所的なチャネル注入によって細かく制御され得る。
導電性炭素充填物25の表面の高さは、半導体基板1の主表面10の高さよりも低い位置に配置され得る。一例として、導電性炭素層25の上面は、ドープ部21、22の下辺とほぼ同じ高さであり得る。導電性炭素充填物25の上方には、絶縁材26が配置され得る。上記導電性炭素充填物のために、上記ゲート電極の抵抗は、概して、ポリシリコンから成るゲート電極よりも少ない。さらに、例えば導電性炭素充填物に凹部エッチングをパターニングすることは、容易に行われ得る。本明細書中に記載するトランジスタでは、上記チャネルは、第1のソース/ドレイン部21と第2のソース/ドレイン部22との間に形成される。ゲート電極23は、該チャネルの導電率を制御するように構成されている。
図2は、他の一実施形態に係るトランジスタ20を示す図である。図2の断面は、図7Aおよび図7Bに示すI−I´間を切り取ったものである。図2に示すトランジスタ30は、半導体基板1の主表面10に隣接して配置された、第1のソース/ドレイン部31、第2のソース/ドレイン部32を含む。半導体基板1の主表面10内には、ゲート溝38が形成されている。このゲート溝38の側壁に隣接して、ゲート誘電体34が配置されている。ゲート誘電体層34の上方には、任意により、導電性炭素層35が共形層として形成されていてもよい。一例として、導電性炭素層35は、ゲート誘電体層34に接触していてもよい。導電性炭素層35の上には、導電性充填物37が、導電性炭素層35に接触するように配置され得る。例えば、導電性充填物37は、タングステン、または、チタニウム、または、金属化合物、および、従来公知である他の金属を含む任意の好適な金属から形成されていることが可能である。上記導電性炭素層と導電性充填物37との間には、任意により、Ti、TiN、TaNから形成され得る薄バリア層が配置されていてもよい。一例として、導電性炭素層35は、約5〜10nmの厚さを有することが可能である。導電性炭素層35、および、導電性充填物37は、この充填物37の上面および導電性炭素層35の上面が基板1の主表面10の高さよりも低い位置に配置されるように、凹状に窪んでいることが可能である。導電性充填物37および導電性炭素層35の上方には、絶縁材36が、上記ゲート電極を上記ソース/ドレイン部から絶縁するように配置されていることが可能である。導電性炭素層35および導電性充填物37を有するゲート電極33は、第1のソース/ドレイン部31と第2のソース/ドレイン部32との間を流れる電流を制御するように構成されている。
従って、ゲート電極33は、上記炭素層の好ましい効果を利用すると同時に、炭素よりも低い抵抗率を有する材料を含む。より具体的に言うと、上記炭素層は、容易に、蒸着、エッチング、および、パターニングされることが可能である。例えば、上記炭素層をパターニングする間には、上記ゲート誘電体および他の複数の層は、破損され得ない。図1および図2に示すトランジスタ20、30は、任意の方法によって変形され得る。
一例として、図3Aに示したように、上述の方法と類似した方法で、トランジスタ40を形成することが可能である。トランジスタ40は、第1のソース/ドレイン部41、第2のソース/ドレイン部42、および、ゲート電極43を有し、該ゲート電極は、ゲート溝401内に配置されている。ゲート溝401には、ゲート誘電体44によって半導体基板1から絶縁された導電性炭素充填物45が充填され得る。導電性炭素充填物45の上面は、半導体基板1の主表面10の高さよりも低い位置に配置されている。導電性充填物45の上方には、導電性ラインセグメント47が、導電性炭素充填物45に電気的に接触するように配置され得る。導電性ラインセグメント47は、任意の好適な導電性材料を含むことが可能である。例えば、導電性ラインセグメント47は、タングステンまたはチタニウムを含んでよい。導電性ラインセグメント47は、上記ゲート電極の導電性炭素材と同じようにドープされ得る、または、異なってドープされ得る導電性炭素を含んでも良い。導電性ラインセグメント47は、絶縁スペーサ46によって、第1のソース/ドレイン部41、第2のソース/ドレイン部42から絶縁され得る。導電性ラインセグメント47の上面は、半導体基板1の主表面10の高さよりも高いまたは低い位置に配置され得る。本明細書の文脈では、「主表面」という用語は、上記半導体基板の、様々なプロセスステップが行われ得る平面のことを指す。
図3Bに示した変形例では、ゲート電極43は、導電性炭素層48および導電性充填物49を含む。導電性炭素層48は、任意により、共形層として形成されていることが可能であり、約5〜10nmの厚さを有し得る。導電性充填物49は、任意の好適な金属または金属化合物から成ることが可能である。状況に応じて、導電性炭素層48と導電性充填物49との間には、導電性下地膜50が配置されていてもよい。導電性下地膜50は、例えば、Ti、TiN、または、TaNを含むことが可能である。導電性炭素層48は、ゲート誘電体44に接触することができる。図3Aと同様に、導電性充填物49の上方には、導電性ラインセグメント47が配置されている。この任意の導電性下地膜50が、導電性炭素層48と導電性充填物49との間に配置されていることによって、上記導電性充填物の上記炭素層に対する接着の強さが強化され得る。導電性下地膜50は、約1nmの厚さを有することが可能である。
図3Cは、上記トランジスタのさらなる一変形例を示す図である。トランジスタ40は、第1のソース/ドレイン部41、第2のソース/ドレイン部42、および、ゲート電極43を含むことが可能であり、該ゲート電極43は、ゲート溝401内に配置されている。ゲート溝401には、ゲート誘電体44によって半導体基板1から絶縁されている導電性炭素充填物45が充填されていることが可能である。図3Cに示した実施形態では、半導体基板1の主表面10の高さよりも上に、導電性炭素充填物45の上面が配置されている。この炭素ワード線および上記ゲート電極43を外部から分離するように、絶縁キャッピング層462、および、絶縁スペーサ461が設けられていても良い。図3A、図3Bおよび図3Cの断面は、例えば、図7Aおよび図7Bに示すI−I´間を切り取ったものである。
図4Aおよび図4Bは、さらに他の一実施形態に係るトランジスタを示す断面図である。図4Aおよび4Bの断面は、それぞれ、例えば図7Aおよび7Bに示す、I−I´間、および、II−II´間を切り取ったものであり得る。図4Aに示すように、トランジスタ500は、半導体基板1の主表面10に隣接して配置されている、第1のソース/ドレイン部51および第2のソース/ドレイン部52を含む。半導体基板1の主表面10内に形成されたゲート溝501の中には、ゲート電極53が配置されている。このゲート電極53は、例えば図1に示した導電性炭素充填物を含むことが可能である。あるいは、ゲート電極53は、図2に示した炭素層および導電性充填物を含んでもよい。例えば、上記炭素層は、共形層であってよい。ゲート電極53は、図4Aに示した図の平面の前と後ろとに伸びる垂直部55a、55bをさらに含んでよい。図4Bは、図4Aに示した断面図に対して直角に切り取られた断面図である。図4Bに示すように、トランジスタ500が形成される基板部分に隣接して、分離トレンチ56が形成されている。上記ゲート電極は、この分離トレンチ56中に横方向に伸びて、垂直部55a、55bを形成している。上記トランジスタが形成される能動領域541は、幅Wを有している。さらに、垂直部55a、55bは、能動領域541の上辺57から各垂直部55a、55bの下辺までの深さdまで伸びている。従って、トランジスタ500のチャネル54は、フィン形または隆線形であり得る。チャネル54は、その3辺において、ゲート電極53に取り囲まれていることが可能である。
図4Aおよび図4Bに記載の構造には、いくつかの変形を加えてよい。例えば、図4Bに記載の実施形態では、上記深さdは、上記能動領域の幅に比べて著しく小さいものであってもよい。従って、このようなトランジスタは、コーナーデバイス(corner device)とも呼ばれる。トランジスタ500は、垂直部55a、55bがより深部まで伸びているFinFETとして実施されていてもよい。加えて、能動領域541の幅は、上記チャネルが完全に空乏化されるように、さらに短くてもよい。図面では「U」字型の溝を示したが、該溝が、「V」字型、または「W」字型、若しくは、他の任意の関連した型を有するように形成されていてもよいことは明らかであろう。さらに、これらの型を任意に組み合わせて実施することも可能である。
図4Cに示したように、第1のドープ部51、第2のドープ部52は、主表面10からかなり深くまで伸びていてよい。さらに、ゲート電極53と、第1のドープ部51、第2のドープ部52との間には、好適な絶縁スペーサ531が配置され得る。図4Cに記載のトランジスタ500は、板状部分55a、55bを含んでいてもよい。図4Cの断面は、図7Aおよび図7Bに示したI−I´間を切り取ったものである。
図5Aは、本発明のさらなる一実施形態を示す図である。図に示すように、図5Aに記載のトランジスタ500は、半導体基板1の主表面10に隣接して配置された、第1のソース/ドレイン部51、第2のソース/ドレイン部52を含む。ゲート電極53は、ゲート溝501内に配置されている。ゲート電極53は、ゲート誘電体59によって基板1から絶縁されている。ゲート電極53は、導電性炭素充填物からか、または、炭素層から形成することが可能であり、該ゲート電極には、例えば図2に示した導電性充填物が続いている。ゲート電極53の上方には、絶縁充填物591が配置されていることが可能である。さらに、ゲート電極53は、平面において、図5Aに示した図の平面の前および後ろに伸びる、垂直部55a、55bを含んでよい。垂直部55a、55bは、上記ゲート溝の深さのほぼ2倍の深さまで伸びていてよい。垂直部55a、55bの位置は破線で示した。従って、第1の電気的コンタクト511と第2の電気的電気コンタクト512との間を流れる電流の電流経路は、第1の垂直部分と、該第1の垂直部分に続く水平部分と、該水平部分に続く第2の垂直部分とによって形成されている。ゲート電極53は、半導体基板1の主表面10の下に完全に配置され得る、対応するワード線の一部を形成することが可能である。
図5Bは、本発明のさらなる一実施形態を示す図である。図に示すように、第1のソース/ドレイン部51、第2のソース/ドレイン部52のそれぞれの下面または下端部は、ゲート電極53の導電性材料の上面よりも深く伸びている。一例として、ゲート電極53とソース/ドレイン部51、52との間には、絶縁スペーサ531が配置され得る。ゲート電極53の上方には、絶縁材591が配置され得る。図5Aおよび図5Bの断面は、図7Aおよび図7Bに示すI−I´間を切り取ったものである。
図6Aは、図1〜図5Bに示した各トランジスタを含み得るメモリデバイス602を有する典型的な集積回路600を示す平面図である。集積回路600は、半導体チップ601上に形成されたメモリデバイス602を含むことが可能である。メモリデバイス602は、メモリセルアレイ部603およびサポート部604を含むことが可能である。メモリセルアレイ603は、メモリセル610、および、対応する導電線を含むことが可能である。一例として、ワード線611は、第1の方向に沿って伸びるように配置されていることが可能であり、ビット線612は、該第1の方向と交差する第2の方向に沿って伸びることが可能である。メモリセル610は、ストレージキャパシタのような記憶素子609、および、アクセストランジスタ608を含むことが可能である。一例として、アクセストランジスタ608は、ノードコンタクト617を介して記憶素子609に結合されていて良い。さらに、アクセストランジスタ608は、対応するビット線コンタクト616を介して、対応するビット線612に結合されていて良い。ワード線611は、対応するアクセストランジスタ608のゲート電極に接続され得る。サポート部604は、コア回路613および末梢部605を含むことが可能である。一例として、コア回路613は、ワード線ドライバ606、および、センスアンプ607を含んでいて良い。一例として、特定の1つのワード線611は、対応するワード線ドライバ606をアドレス指定することによってアクティブにされ得る。従って、対応するワード線611に接続された全メモリセルの情報は、ビット線612を介して、読み出され得る。ビット線612によって伝送された信号は、センスアンプ607において増幅される。一例として、ワード線611は、ワード線611の上面が上記基板の表面の下に配置される埋め込みワード線として実施され得る。上記メモリセルアレイのレイアウトおよびアーキテクチャは、任意であり得る。一例として、上記メモリセルは、6F2構成、または、メモリセルの任意の他の好適な構成内に配置され得る。上記メモリデバイス内の任意位置に配置され得る任意のトランジスタは、上述のトランジスタとして実施され得る。例えば、アクセストランジスタ608、および、(任意により)ワード線611は、上述のトランジスタに相当し得る。例えば、上記ゲート電極の材料の抵抗が少ないために、対応するメモリデバイスのスイッチング速度は、著しく低減され得る。従って、このようなメモリデバイスは、グラフィックスDRAMデバイスのような高性能DRAMデバイスとして用いられ得る。
図6Bは、本発明の他の一実施形態に係る集積回路を示す断面図である。一例として、上述のゲート電極を有する第1のトランジスタと、導電性炭素材を含むプレーナゲート電極を有する第2のトランジスタとが、1つの集積回路内において組み合わされている。従って、第1のトランジスタと第2のトランジスタとは、1つの基板内に形成されていることが可能である。図6Bに示すように、第1のトランジスタ620は、第1のソース/ドレイン部621、第2のソース/ドレイン部622を含む。半導体基板1の表面10内には、ゲート溝627が形成されている。ゲート溝627内には、ゲート電極623が形成されている。該ゲート電極は、上述のように、導電性炭素材を含む。一例として、上記導電性炭素材は、炭素充填物625であり得る。選択的に、該導電性炭素材は、共形層(図示していない)、および、さらなる導電性充填物を含んでよい。ゲート誘電体624が、基板1をゲート電極623から絶縁するように、形成されている。上記集積回路は、第1のソース/ドレイン部631、第2のソース/ドレイン部632を含むトランジスタ630をさらに含む。第2のトランジスタ630は、プレーナトランジスタとして実施され得る。従って、ゲート電極633の下辺は、上記半導体基板の表面10の上方に配置される。基板1とゲート電極633との間には、ゲート誘電体634が配置される。絶縁キャップ層635が、ゲート電極633の側壁の上端に設けられ、絶縁スペーサ636が該側壁に隣接して設けられていてもよい。I−I´間、および、IV−IV´間の断面図の位置は、それぞれ、図7Aおよび図7Bから切り取ったものである。第1のトランジスタ620および第2のトランジスタ630の位置は、任意により選択されていることが可能である。一例として、上記集積回路がメモリセルアレイ部および上述のサポート部を有するメモリデバイスとして実施されるならば、第1のトランジスタ620は該アレイ部に配置され、第2のトランジスタ630は該サポート部に配置され得る。
図6Cは、集積回路600または半導体チップ601を示す平面図である。複数の導電線641が、半導体基板1上、または、半導体基板1内に配置されている。これら導電線は、導電線のアレイ642内に配置されるか、分離された場所に配置され得る。上記導電線は、導電性炭素材を含むことが可能である。例えば、該導電線は、導電性炭素層、および、さらなる導電性材料を含んでよい。選択的に、該導電線は、上述の導電性炭素から形成されていてもよい。上記導電性炭素材の抵抗が低いため、このような集積回路は、高いスイッチング速度を有する。さらに上述のように、上記導電線は、容易にパターニングすることが可能である。図6Dおよび図6Eは、一集積回路を示す断面図である。例えば、図6Dに示すように、上記導電線が表面10の上方に配置されているので、導電線641の下面は、基板表面10の上、基板表面10の高さよりも高い位置に配置されている。選択的に、導電線641は、埋め込み線として形成され得る。例えば、上記導電線は、完全に埋め込まれているか、または、部分的に埋め込まれていてよい。例えば、図6Eに示すように、上記導電線の上面は、基板表面10の高さよりも低い位置に配置され得る。さらなる一例として、上述したように、上記導電線の上面は基板表面の高さよりも高い位置に配置され、該導電線の下面は基板表面10の高さよりも低い位置に配置され得る。導電線641の上端には、絶縁材643が配置され得る。導電線641は、図1、図2、および、図3A〜図3Cに関連して説明したゲート電極と同じ組成を有することが可能である。導電線641は、上記導電性炭素材の上端に配置された導電層を含んでも良い。上記集積回路は、様々な方法で実施されることが可能である。例えば、上記集積回路は、論理回路、特定用途向け集積回路(ASIC)、プロセッサ、マイクロコントローラ等であってよい。上記集積回路は、メモリデバイスとして実施されても良い。
一般的に、メモリデバイスは、複数のメモリセルおよび導電線を含むアレイ部を含むことが可能である。例えば、上記導電線は、特定の1つのメモリセルをアドレス指定するワード線、または、情報を伝送するビット線であり得る。上記導電線は、情報を伝送するソース線をさらに含んでよい。一実施形態によれば、任意の上記導電線は、導電性炭素材を含むことが可能である。上述の導電線の抵抗が少ないため、上記メモリデバイスは、短縮されたスイッチング速度を有する。例えば、上記ワード線は、導電性炭素材を含むことが可能である。上記メモリデバイスは、任意のタイプのメモリセルを有する任意のメモリデバイスであって良い。例えば、上記メモリセルは、上述のタイプのトランジスタを含んで良い。従って、上記ゲート電極は、対応するワード線の一部を形成することが可能である。状況に応じて、上記ゲート電極および上記ワード線は、同一の材料から形成されていて良い。上記メモリセルは、上述のDRAMメモリセル、または、フローティングゲートトランジスタを有する不揮発性メモリセルのような別のメモリセル、または、NROM、SONOS、TANOSメモリセルであって良い。さらに、上記メモリセルは、情報を記憶し得るトランジスタ、例えば、任意の種類のフローティングトランジスタを有するメモリセルであってよい。上記メモリは、MRAM(「磁気ランダムアクセスメモリ」)、PCRAM(「相変化ランダムアクセスメモリ」)、CBRAM(「導電性ブリッジランダムアクセスメモリ」)、または、FeRAM(「強誘電体ランダムアクセスメモリ」)のメモリセルを含んでも良い。
図7Aおよび図7Bに関連して説明するように、能動領域、ワード線、および、ビット線の任意の構成を実施することが可能である。例えば、図7Aに示すように、上記トランジスタが形成される能動領域614は、ビット線612に平行に伸びるように配置され得る。隣接する能動領域614は、絶縁材が充填された分離トレンチ615によって互いに絶縁されている。個々の能動領域線614はさらに分節されて、能動領域セグメントを形成し得る。それでも尚、能動領域セグメントは、分離電界効果トランジスタによって、互いに分離されていても良く、該能動領域セグメントは、隣接するトランジスタを互いに分離するように、オフ状態に駆動され得る。さらに、ワード線611は、能動領域614の方向に対して垂直の方向に伸びていてよい。加えて、ビット線612は、能動領域614の上方に直接配置され得る。図7Aは、説明した複数の図の断面図の方向も示している。
図7Bは、メモリデバイスを示すさらなる典型的な平面図である。図に示すように、能動領域614は、絶縁材が充填された分離トレンチ615によって互いに分離されている。能動領域614は、ビット線612の方向に対して斜めの方向に伸びていることが可能である。従って、各能動領域614は、異なる複数のビット線612を交差している。ビット線612は、ワード線611に対して垂直に伸びている。能動領域線614と対応するビット線との間の交差点では、ビット線コンタクト616が形成され得る。図7Bに示した構成では、各上記メモリセルは、約6F2の面積を有しており、ここでは、Fは用いられる技術によって実現され得る最小構造形状を示している。一例として、Fは、150nmよりも小さく、例えば、110nmよりも小さく、さらに80nmよりも小さいことが可能である。さらなる一例として、Fは、70nmよりも小さいか、または、50nmよりも小さいことが可能である。
図8は、本発明の方法の一実施形態を示すフローチャートを概略的に示す図である。最初に、上記半導体基板の表面内に伸びるゲート溝を形成する(S1)。その後、該ゲート溝に導電性炭素層を設けて、上記ゲート電極を形成する(S2)。一例として、該導電性炭素層をコンフォーマル蒸着法(conformal deposition method)によって設ける。その後、上記ゲート溝を充填する導電性充填物を準備する。選択的に、上記導電性炭素層を、導電性炭素充填物を形成することによって設けてもよい。状況に応じて、この方法は、上記導電性炭素層を凹状に窪ませる工程(S3)をさらに含んでも良い。一例として、上記導電性炭素層上に絶縁材を供給して上記ゲート溝を充填する(S4)。選択的に、上記導電性炭素層上に導電性材料を供給する(S5)。その後、状況に応じて、上記導電性材料上に絶縁材を供給する(S6)。
トランジスタを含む集積回路の形成方法は、半導体基板の表面内に伸びるゲート溝を形成する工程と、該ゲート溝内に導電性炭素材を供給してゲート電極を形成する工程と、該導電性炭素材を凹状に窪ませる工程と、上記半導体基板の主表面に隣接して第1のソース/ドレイン部、および、第2のソース/ドレイン部を形成する工程とを含むことが可能である。
図9A〜図9Cは、一実施形態に係るトランジスタを含む集積回路を形成する方法を示す図である。最初に、半導体基板1の主表面10内に、ゲート溝701を形成する。一例として、ゲート溝701は、エッチングによって形成され得る。ゲート溝701の位置は、適切なマスクを用いて、フォトリソグラフィによって形成され得る。例えば、ゲート溝701は、約1Fの幅を有することが可能であり、50nmよりも深く伸びていることが可能である。例えば、ゲート溝701の深さは、100nmよりも深くてよい。さらなる一例として、上記ゲート溝の深さは、300nmよりも浅く、例えば、250nmよりも浅くてよい。その後、好適なゲート誘電体材料705を、公知の方法によって設ける。その後、導電性炭素充填物703を設ける。
一例として、本明細書では、上記炭素層を炭素含有ガスから蒸着させる方法によって、導電性炭素充填物703のような炭素層を形成することが可能である。該炭素含有ガスの例は、メタン、エタン、アルコール蒸気、および/または、アセチレンを含む。一実施形態では、蒸着温度は、900℃以上であり、且つ970℃以下である。水素分圧は、約1hPaであり、炭素含有ガスを供給して全圧力を、500hPa以上であり、且つ700hPa以下に設定することが出来る。一例として、上記温度は約950℃であり、全圧力は600hPaであってよい。選択的に、上記温度は、750℃以上であり、且つ850℃以下であり得る。上記水素分圧は、約1hPa以下であり、且つ2hPa以下、例えば1.5hPaであり得る。一例として、上記炭素含有ガスの分圧は、8hPa以下であり、且つ12hPa以下であり得る。例えば、上記温度は約800℃であり、上記炭素含有ガスの分圧は10hPaであり得る。一例として、上記導電性炭素層は、熱分解炭素、例えば、炭素含有ガスの熱分解によって生成される炭素から形成され得る。
図9Aに示すように、導電性炭素層703は、各ゲート溝701を完全に充填するように蒸着され得る。その後、図9Bに示すように、上記炭素層の上面を凹状に窪ませるようにエッチバックを行う。一例として、該エッチングバック工程は、酸素をエッチングガスとして用いてプラズマエッチング法を行うことによって達成され得る。導電性炭素充填物703を凹状に窪ませて、最終的に、その上面を所定の高さに配置する。上記導電性炭素層を形成する間には、ゲート誘電体材料705は、破損または劣化することはない。従って、ゲート誘電体層705を破損することなく、ゲート電極を形成することが可能である。さらに、上記導電性炭素層をエッチングする工程は、容易に実施可能であり、このエッチング工程のために、ゲート誘電体層705が破損または劣化されることはない。その後、例えば、ゲート溝701内を、適切な絶縁材704で充填し、その後、適切な平坦化ステップを行う。図9Cは、結果として生じる典型的な構造物を示す図である。上述のように、状況に応じて、ゲート溝701の上部内には、導電性材料を充填してもよい。その後、上記基板を、例えば公知の方法によってさらに処理して、上記第1のソース/ドレイン部および第2のソース/ドレイン部を形成することが可能である。上記方法の一変形例では、図9Aに関連して説明したプロセスの後、必ずしも、上記導電性炭素材を凹状に窪ませる必要がないことは明らかであろう。この場合、上記導電性炭素材は、例えば従来の方法によってワード線を形成するようにパターニングされ得る。
図10A〜図10Dは、他の一実施形態に係るトランジスタを含む集積回路の形成方法を示す図である。図9Aに関連して説明した方法と同様の方法によってゲート溝801を形成した後、図9Aに関連して説明した方法と同様の方法によって好適な第1のゲート誘電体層802を設ける。その後、導電性炭素層803を蒸着させる。一例として、上記炭素層は、約5〜10nmの厚さであり得る。導電性炭素層803は、図9Aに関連して説明した方法と同様の方法によって蒸着される。炭素層803を蒸着させた後、導電性充填物804を設ける。状況に応じて、例えばTi,TiN、TaNから成る導電性下地膜を蒸着させてもよい。上記導電性下地膜(図示していない)は、1nmよりも薄い厚さであり得る。その後、導電性充填物804を設ける。例えば、導電性充填物804は、任意の好適な金属または金属化合物を含んでよい。導電性充填物804を蒸着させる工程の間は、適切な厚さに形成された導電性炭素層803のために、ゲート誘電体802が破損または劣化されることは無い。図10Aは、結果として生じる構造物を示す断面図である。その後、導電性充填物804を、好適な方法によって凹状に窪ませる。図10Bは、結果として生じる典型的な構造物を示す断面図である。その後、導電性充填物804の残りの部分をエッチングマスクとして用いて、導電性炭素層803をエッチングするエッチング工程を行う。炭素層803が導電性炭素から形成されているので、エッチングにより、ゲート誘電体802に作用することなく、または、ゲート誘電体802を破損することなく、導電性炭素層803を除去することが可能である。より具体的に言うと、炭素層803は、単純なプラズマエッチングプロセスによって除去され得る。その後、ゲート溝801の上部に、さらなる誘電体層805を充填することが可能であり、その後、平坦化ステップを行う。図10Dは、結果として生じる典型的な構造物を示す断面図である。選択的に、図10Aに関連して説明したプロセスの後、必ずしも導電性充填物804を凹状に窪ませる必要が無いことは明らかであろう。一例として、導電性炭素層803および導電性充填物804を形成した後に、従来どおり、ワード線がパターニングされ得る。
図11は、一実施形態に係る電子デバイス911を概略的に示す図である。図11に示すように、電子デバイス911は、インターフェース915および部材914を含むことが可能である。この部材914は、インターフェース915によって接続するのに適したものである。例えば電子デバイス911または部材914は、上述の、集積回路600、または、トランジスタ20、30、40、500を含んでよい。部材914は、任意の方法によって、インターフェース915に接続されていてよい。例えば、部材914を外部に配置して、インターフェース915に接続させてもよい。さらに、部材914を、電子デバイス911の内部に内蔵して、インターフェース915に接続させてもよい。一例として、部材914を、インターフェース915に接続しているスロットの中に、取り外し可能に配置することも可能である。部材914を該スロットの中に挿入する際には、集積回路913は、インターフェース915によって接合される。電子デバイス911は、上述の集積回路913をさらに含んでもよい。電子デバイス911は、データを処理するプロセッシングデバイス912をさらに含んでもよい。さらに、電子デバイス911は、データを表示する1つ以上のディスプレイデバイス916a、916bをさらに含んでもよい。上記電子デバイスは、特別な電子装置を実施するように構成された部材をさらに含んでもよい。該電子装置の例には、コンピュータ、例えば、パーソナルコンピュータ、または、ノートブック、サーバ、ルータ、ゲーム機、例えば、ビデオゲーム機、さらなる例としては、携帯型ビデオゲーム機、グラフィックスカード、パーソナルデジタルアシスタント、デジタルカメラ、携帯電話、任意の種類のミュージックプレイヤーまたはビデオシステムのようなオーディオシステムが属し得る。例えば、電子デバイス911は、携帯型電子デバイスであり得る。
本明細書において、具体的な実施形態を教示してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、教示した具体的な実施形態の代わりに、様々な代替例および/または同様の実施形態を置き換えてもよいことは、当業者には明らかであろう。本願は、本明細書で説明した具体的な実施形態の任意の適合または変形例を対象とすることを意図するものである。従って、本発明は、特許請求の範囲、および、それに相当するものによってのみ制限されることを意図するものである。
Claims (29)
- トランジスタを備えた集積回路であって、
半導体基板内に形成されたゲート溝内に、導電性炭素材を有するゲート電極が配置されている、トランジスタを備えた集積回路。 - 上記導電性炭素材は、ゲート誘電体層の上に形成されている1つの層であり、
上記ゲート電極は、導電性充填物をさらに有している、請求項1に記載の集積回路。 - 上記導電性炭素材は、上記ゲート溝の少なくとも一部に充填されている、請求項1に記載の集積回路。
- 上記導電性炭素材の上面の高さは、上記半導体基板の主表面の高さよりも低い位置にある、請求項1に記載の集積回路。
- 上記導電性炭素材の上記上面の上には、絶縁層が配置されている、請求項4に記載の集積回路。
- 上記導電性炭素材の上記上面の上には、さらに、導電層が配置されている、請求項4に記載の集積回路。
- 上記ゲート電極は、チャネルに対して側方に隣り合う複数の垂直部をさらに有している、請求項1に記載の集積回路。
- 上記ゲート電極は、導電性炭素から形成されている、請求項1に記載の集積回路。
- 上記導電性炭素材の上面の高さは、半導体材料の主表面の高さよりも高い位置にある、請求項1に記載の集積回路。
- 所定のゲート電極同士を互いに接続させる導電線をさらに有している、請求項1に記載の集積回路。
- 上記導電線の上面の高さは、上記半導体基板の主表面の高さよりも高い位置にある、請求項10に記載の集積回路。
- 上記導電線は、金属または金属化合物から形成されている、請求項10に記載の集積回路。
- 上記ゲート電極は、所定のゲート電極同士を互いに接続させる導電線の一部を形成している、請求項10に記載の集積回路。
- 上記導電線の上面の高さは、上記半導体基板の主表面の高さよりも低い位置にある、請求項18に記載の集積回路。
- ゲート電極を有するプレーナトランジスタをさらに備えており、
上記ゲート電極の下面の高さは、上記半導体基板の主表面の高さよりも高い位置にある、請求項13に記載の集積回路。 - 上記半導体基板の主表面に対して隣接して配置された、第1のソース/ドレイン部、および、第2のソース/ドレイン部をさらに有している、請求項4に記載の集積回路。
- 上記トランジスタは、上記集積回路のアレイ部に配列されたメモリセルの一部を形成している、請求項1に記載の集積回路。
- 上記アレイ部はワード線をさらに有しており、上記ゲート電極は上記ワード線の一部を形成している、請求項17に記載の集積回路。
- トランジスタを含む集積回路を形成するための集積回路形成方法であって、
半導体基板内に伸びるゲート溝を形成するゲート溝形成工程と、
上記ゲート溝内に導電性炭素材を供給して、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを含む、トランジスタを含む集積回路形成方法。 - 上記ゲート電極形成工程は、ゲート誘電体層上に導電性炭素材を蒸着して導電性炭素層を形成工程を含み、
上記方法は、さらに、
上記ゲート溝内に、さらなる導電性材料を供給する導電性材料供給工程を含む、請求項19に記載の集積回路形成方法。 - 上記ゲート電極形成工程は、導電性炭素充填物を供給する導電性炭素充填物供給工程を含む、請求項19に記載の集積回路形成方法。
- 上記導電性炭素材の上面の高さが上記半導体基板の主表面の高さよりも低い位置になるように、上記導電性炭素材を凹状に窪ませる工程をさらに含む、請求項19に記載の集積回路形成方法。
- 上記導電性炭素材上に絶縁材を供給する絶縁材供給工程を含む、請求項22に記載の集積回路形成方法。
- 基板および導電線を含む集積回路であって、
上記導電線は導電性炭素材を有している、基板および導電線を含む集積回路。 - 上記導電線は、主表面を有する半導体基板内に形成され、上記導電線の上面の高さは、上記主表面の高さよりも低い位置にある、請求項24に記載の集積回路。
- 上記集積回路は、複数のメモリセルおよびワード線を有するアレイ部を含むメモリデバイスであり、上記ワード線は上記導電性炭素材を有している、請求項24に記載の集積回路。
- 上記メモリセルおよび上記ワード線は主表面を有する半導体基板内に形成され、上記ワード線の上面の高さは上記主表面の高さよりも低い位置にある、請求項26に記載の集積回路。
- 上記ワード線は上記半導体基板に形成されたワード線を配置するための溝内に形成されており、上記導電性炭素材は当該溝の下面に隣接して配置された導電性炭素層であり、上記ワード線は導電性充填物をさらに有している、請求項27に記載の集積回路。
- 上記ワード線は上記半導体基板に形成されたワード線を配置するための溝内に形成されており、上記導電性炭素材は充填材である、請求項26に記載の集積回路。
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