JP4662772B2 - Mos電界効果トランジスタを形成する方法 - Google Patents
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Description
図1は、従来の技術に従って形成されたMOSFETを示す。このMOSFETは半導体基板10を含んでおり、この半導体基板10中には深いソースおよびドレイン領域12および浅いソースおよびドレイン拡張部14が形成されている。
ポリシリコンゲート16は、ゲート酸化膜18に重なっており、そのサイドウォール上に形成されたスペーサ20によって保護されている。
ソースおよびドレイン領域12は、BPSG(ホウ素燐ケイ酸ガラス)(borophosphosilicate glass)のような保護層24に埋め込まれた導電コンタクト22と接続される。
シリサイド領域28はまた、通常ポリサイド領域と呼ばれる構造を形成すべく、ゲート16上にも形成される。
従来、ゲートおよびソース/ドレイン・シリサイドを形成するのにチタン、タングステン、タンタルまたはモリブデンのような超硬合金が使用される。
さらに最近では、シリサイドを形成するのに好適な金属としてコバルトが使用されるようになった。
このシリサイド領域は、下にあるシリコンと、従来よりソース、ドレインおよびゲートについての第一段階の接続に使用されるアルミニウムのような他の材料との間の接触抵抗を低減する界面として役立つ。
サリサイドプロセスでは、1つのハードマスクを使用したセルフアライン方法においてゲートおよびゲート酸化膜を共にパターン化し、浅いソースおよびドレイン拡張部を形成すべく、低エネルギーのドーパント注入を実行し、その後、ゲートとゲート酸化膜のサイドウォール上にスペーサを形成し、深いソースおよびドレイン拡張部を形成すべく、高エネルギーのドーパント注入を実行し、次に、金属の共形層を構造全体の上に形成する。
それから、金属、ソースおよびドレイン領域のシリコンおよびゲートのポリシリコンを含んだシリサイド化合物の形成を促進すべく、熱処理を実行する。
所望の厚みのシリサイド化合物を生成するのに充分な時間、熱処理を実行した後に、残っている金属を取り除くと、図1に示されるようなシリサイド領域が残る。
同時に、より容易に小型化でき、プロセス統合を簡略化できるような利点を提供すべく、従来の材料の代わりに用いることができる新素材の識別に向けて、より進んだ研究がなされている。
ニッケルは、ニッケルシリサイドの3つの相(以下、フェーズという。)、すなわちNi2Si(メタルリッチ・ジニッケルシリサイド)(metal-rich di-nickel suicide)、NiSi(ニッケルモノシリサイド)(nickel monosilicide)、NiSi2(シリコンリッチ・ニッケルジシリサイド)(silicon-rich nickel di-silicide)をとる。
ニッケルモノシリサイドはチタンに匹敵する低い固有抵抗を有するので特に好まれるが、シリサイド形成中におけるシリコンの消費が少ない。したがって、ニッケルモノシリサイドは、非常に薄い活性領域のシリサイド化に向いている。
ニッケルモノシリサイドのシート抵抗はまた、多くの場合、従来の高融点のシリサイドの問題となっている不都合な配線幅依存を有していない。
さらに、ニッケルモノシリサイドのシート抵抗は、ニッケルモノシリサイドに特有のエッジ効果(edge effect)のため、狭い配線において減少することが判明している。
シリコン基板上のニッケルモノシリサイドの機械的ストレスは、チタンの機械的ストレスよりも低い。
加えて、p型シリコンに対する接触抵抗は、チタンシリサイドの接触抵抗より低く、また、n型シリコンに対しても低い。
ニッケルモノシリサイドはまた、シリコンに対して良い粘着性を示す。
したがって、ニッケルモノシリサイドは、極めて浅いソースおよびドレイン拡散を備えるMOSFET中の従来の高融点のコンタクトメタルに望ましい代用物となる。
図2に、ニッケルシリサイド合成物の3つのフェーズのシート抵抗をこれらのフェーズの形成温度に関連付けたグラフを示す。
図2に示すように、ニッケルモノシリサイドは300℃から600℃の間で最も形成される。また、その温度範囲で形成された際、毎平方(per square)当たり3オーム未満のシート抵抗となる。
対照的に、メタルリッチ・ジニッケルシリサイドおよびシリコンリッチ・ニッケルジシリサイドは、この範囲外の温度で形成され、各々シート抵抗において著しい増加を引き起こす。
この結果、ソース/ドレイン注入のアニーリングのような目的のため、典型的に半導体プロセスにおいて使用される高い処理温度は、ニッケルモノシリサイドのニッケルジシリサイドへの転化を促進する可能性があり、これによってシリサイドのシート抵抗が増加することとなる。
したがって、ニッケルモノシリサイドを使用する設計は、さらなる処理に利用可能なサーマルバジェット中に制限される。
その後、好ましくはニッケルシリサイドのモノシリサイドのフェーズを含んだニッケルゲルマノシリサイド(germanosilicide)を形成すべく、ニッケルでのシリサイド化が実行される。
ソースおよびドレイン領域はさらに、ニッケルゲルマノシリサイドを使用してもよい。
シリサイド中のゲルマニウムの結合は、ニッケルモノシリサイドによって呈されるシート抵抗を基本的に維持する一方で、モノシリサイドを形成できるより広い温度領域を提供する。
その結果、ニッケルゲルマノシリサイドは、ニッケルモノシリサイドよりも、より高温な後の処理に耐えることができ、さらにニッケルモノシリサイドとほぼ同一のシート抵抗および他の有利な特性を提供する。
多結晶シリコンゲルマニウム層、ポリシリコン層およびゲート絶縁層は、ゲート絶縁膜およびこのゲート絶縁膜を覆うゲートを形成すべくパターン化される。このゲートは、下側のポリシリコン部分と上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分とを含む。
その後、ニッケルの層が、少なくともゲートの上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分上に形成される。また、ゲート上にニッケルゲルマノシリサイドを形成すべく、熱処理が実行される。
このポリサイドゲートは、下側のポリシリコン部分、上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分、および上側の多結晶シリコンゲルマニウム上に形成されるニッケルゲルマノシリサイドを有する。
あるいは、ポリサイドゲートとソースおよびドレイン領域の少なくとも1つは、ニッケルゲルマノシリサイドを含む。
本発明の実施形態は、以下の図面に関連して記載される。
図3のグラフは、ゲルマニウム/シリコンの組成がSi1-xGexであると仮定する。このxは0.1から0.4である。
図3に示すように、毎平方メートルあたり3から10オーム間で変化するが、ニッケルシリサイドのグラフの曲線とニッケルゲルマノシリサイドグラフのグラフの曲線は類似する。しかしながら、ニッケルゲルマノシリサイドのシリコン・リッチ・フェーズについての形成温度範囲は、ニッケルシリサイドのシリコン・リッチ・フェーズの形成温度範囲よりも高い。
ニッケルゲルマノシリサイドのモノシリサイド・フェーズの形成についての理想的な範囲は、約300℃から700℃までの範囲にある。
その結果、ニッケルゲルマノシリサイドは、モノシリサイド・フェーズを著しく低下させることなく、より高い加工温度に耐えることができる。
このようなデバイスの製造中に形成された構造を、図4aないし図4fに示す。
この構造は、シリコン基板40を含んでおり、このシリコン基板40の上には酸化シリコンのようなゲート酸化層42、ポリシリコン・ゲート導電層44、および多結晶シリコンゲルマニウム層46が形成される。
多結晶シリコンゲルマニウム層46は、Si1-xGexの構成を有することが好ましく、このxは、典型的には0.1から0.3の範囲にあり、約0.2であることが好ましい。
ゲート酸化層42は、10Åから30Åの厚みであることが好ましく、ポリシリコン・ゲート導電層44は、500Åから1000Åの厚みであることが好ましく、また、シリコンゲルマニウム層46は、300Åから600Åの厚みであることが好ましい。
ゲート酸化層およびポリシリコン層を形成するプロセスについては周知である。
600℃から900℃の温度のSi2H6(ジシラン)(disilane)およびGeH4(ゲルマン)(germane)(ジシラン分圧は30mPa、ゲルマン分圧は60mPa)を供給ガス(source gasses)として使用する化学蒸着法によって、多結晶シリコンゲルマニウム層を形成してもよい。
これらの定量(ration)を使用して開始するか、その代わりに傾斜的な組成(gradient composition)を形成すべく、ゲルマンの分圧を低い圧力または圧力0から徐々に増加するようにして、多結晶シリコンゲルマニウム材料を成長させてもよい。
ゲルマニウム供給ガスが傾斜層(graded layer)を形成するように徐々に導入される連続的なプロセスで、その場に(in situ)これらの層を形成することが好ましいが、別個のプロセスステップでポリシリコン44および多結晶シリコンゲルマニウム46の層を形成してもよい。
ポリシリコンのたい積に必要とされる温度よりも低温で多結晶シリコンゲルマニウムをたい積することができることが注目される。したがって、傾斜構造を形成する際に、供給ガスの制御と共に温度制御を実行することができる。
図4cの構造を形成するため、浅いソースおよびドレイン拡張部54を形成すべく、図4bの構造上で低エネルギーのドーパント注入を実行する。
それから、酸化シリコンのような保護材料の共形層をたい積することによってゲートスペーサ56を形成し、その後、ゲートの上面および基板上表面からたい積した材料を除去すべく、異方性エッチングを実行する。
次に、深いソースおよびドレイン領域58を形成すべく、高エネルギーのドーパント注入を実行する。
高エネルギーのドーパント注入の間、ゲートスペーサ56は、下にある浅いソースおよびドレイン拡張部を保護するインプラントマスクとなる。
ニッケル層は、物理蒸着法(スパッタリング)によって形成することが望ましいが、金属層を形成する他の周知の方法を使用して形成してもよい。
熱処理は、好ましくは、主としてモノシリサイドのフェーズを含むニッケルゲルマノシリサイドを形成すべく、350℃から700℃の温度領域で実行する。
シリサイドの形成プロセスにおいてシリコンを消費するため、ニッケルゲルマノシリサイド層の厚みは熱処理を実行する時間によって決定する。
形成される構造には、ゲートの上部の多結晶シリコンゲルマニウム部分52上に形成されたニッケルゲルマノシリサイド領域62と、ソースおよびドレイン領域56の表面において形成されたニッケルシリサイド領域64が含まれる。
例えば、この好ましい実施形態においてはニッケルの層のたい積の後に熱処理を実行する技術を使用するが、ニッケルゲルマノシリサイドの層を形成すべく、ニッケル、シリコンおよびゲルマニウムの同時蒸発、またはニッケル、シリコンおよびゲルマニウムの同時スパッタリング、またはニッケルシリコンゲルマニウム・ターゲットからのスパッタリングのような代替的な方法を使用してもよい。
このような代替方法が、図4aから図4fの処理と異なるマスキング、エッチングおよび除去プロセスを必要としてもよいことを認識すべきである。またこれらの代替方法は、MOSFETの適切な位置において、ニッケルゲルマノシリサイド領域を形成すべく、特定の仕様に適合することができる。
歪みシリコンは、シリコン格子(silicon lattice)の寸法と、その上にこのシリコン格子が形成される下地となる材料の格子の寸法の差の結果、シリコン格子に引張歪みが与えられたシリコンの形態である。
図示の場合においては、シリコンゲルマニウム格子は、純粋なシリコン格子よりも広く間隔をあけて配置される。この間隔は、ゲルマニウムのパーセンテージが増加するにつれてより広くなる。
形成中に、シリコン格子はより大きなシリコンゲルマニウム格子と整合する(aligns with)ので、引張歪みがシリコン層に与えられる。
実質的には、シリコン原子は互いに引き離される。
緩和シリコン(relaxed silicon)は、6つの等しい価電子帯を含む導電帯を有する。
シリコンに引張歪みを与えることは、6つの価電子帯のうちの4つの価電子帯のエネルギーを増加させると共に、そのうちの2つの価電子帯のエネルギーを減少させる。
量子効果の結果、より低いエネルギーバンドを電子が通り抜ける際、その重さが事実上30パーセント以下に減少する(weigh 30 percent less)。
このように、より低いエネルギーバンドは電子の流れに与える抵抗がより少ない。
さらに、シリコン原子の核から電子が受ける振動エネルギーはより少ない。このことは、500回から1000回の割合で(この割合は緩和シリコン中におけるよりも少ない。)電子を分散させる。
したがって、キャリア移動度は、緩和シリコンと比較して、歪みシリコン中において劇的に上昇し、電子について80%以上、正孔(hole)について20%以上の移動度を潜在的に上昇させる。
1.5メガボルト/センチメートルの電界まで、移動度の上昇が続くことが分かっている。
これらの要因は、デバイスサイズのさらに縮小することなく、デバイス速度を35%増加させることができ、または性能を低下させることなく、電力消費を25%減少させることができると考えられる。
ソースおよびドレイン領域58およびチャネル領域は、歪みシリコン72中に形成される。
よって、図5の構造は、半導体基板40とゲート絶縁層42との間にシリコンゲルマニウム層および歪みシリコン層を有するように、図4aに示される最初の層状構造が変更された状態で、図4aないし図4fに示される方法と同様の方法で形成される。
このシリコンゲルマニウム層70は、好ましくは組成Si1-xGexを有している。このxは、約0.2であり、より一般的には0.1から0.3の範囲にある。
例えば、供給ガスとしてSi2H6(ジシラン)(disilane)およびGeH4(ゲルマン)(germane)を使用する化学蒸着法(600℃から900℃の基板温度、ジシラン分圧は30mPa、ゲルマン分圧は60mPaを使用する。)によって、シリコンゲルマニウムをシリコンウェーハ基板上で成長させてもよい。
これらの定量を使用して開始するか、その代わりに傾斜的な組成を形成すべく、ゲルマンの分圧を低い圧力または圧力0から徐々に増加するようにして、シリコンゲルマニウム材料を成長させてもよい。
その後、例えば、供給ガスとしてSi2H6(ジシラン)を使用する化学蒸着法(CVD)(分圧30mPa、約600℃から900℃の基板温度)によって、シリコンゲルマニウム層の上に歪みシリコン層を成長させることができる。
図6の構造は、シリコンゲルマニウム格子上に形成された歪みシリコンを使用するという点において図5の構造に類似しているが、図6の構造の歪みシリコンは、ゲート絶縁膜48およびスペーサ56の下のチャネル領域74に限られている。
このような構造は、スペーサ56を形成し、深いソースおよびドレイン領域58を注入する前において、シリコンゲルマニウムを有する歪みシリコンをエッチングする代わりにエピタキシャル歪みシリコン層をエッチングすることによって形成することができる。
代替的に、ゲート絶縁層およびその上に重なる層を形成する前に、歪みシリコンチャネル領域74を埋め込む方法(inlaid manner)によって形成してもよい。
図6の構造のようなシリコンゲルマニウムのソースおよびドレイン領域を有する構造の利点は、ソースおよびドレイン領域にニッケルゲルマノシリサイドの利点も有するし、傍らデバイスにも歪みシリコンの利点も有するということである。
さらにこのような実施形態は、シリコンゲルマニウム中のホウ素(B)ドーパントの拡散を減少させるので、PMOS実装におけるソースおよびドレインの形状(geometry)を正確に制御するのに特に望ましいものとなり得る。
図7の構造は、一般的にバーティカル・ダブルゲートMOSFET(vertical double gate MOSFET)またはFinFETと呼ばれるシリコン・オン・インシュレータ(SOI)構造である。
この構造は、絶縁基板78上に形成されたモノリシック(monolithic)半導体本体76を含む。
この半導体本体は、ソースおよびドレイン領域80、およびこのソースおよびドレイン領域の間に伸びるチャネル領域82を含む。
ゲート84は、チャネル領域82上およびその周辺に形成される。このゲート84は、図示しないゲート絶縁膜によってチャネル領域から分離されると共に、図示しない絶縁スペーサによってソースおよびドレイン領域から保護される。
本発明によれば、このゲートは下側のポリシリコン部分86と上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分88を含んでいる。これらの上にはニッケルゲルマノシリサイド90が形成される。
ソースおよびドレイン領域の上にはまた、ニッケルゲルマノシリサイド92が形成される。ある実施形態においては、半導体本体76をシリコンから形成する。
他の実施形態の一例においては、半導体本体76をシリコンゲルマニウムから形成し、歪みシリコンの層で被覆してもよい。
さらに他の実施形態の一例においては、半導体本体76をシリコンゲルマニウムから形成し、チャネル領域においてのみ、歪みシリコンの層で被覆してもよい。これにより、ソースおよびドレイン領域80上にニッケルゲルマノシリサイドを形成することができる。
例えば、チャネル領域の下にゲートがある反転ゲートまたはボトムゲートMOSFETのような他の構造はまた、ソースおよびドレイン領域とゲートに低い接触抵抗を与えるべく、ニッケルゲルマノシリサイドを利用してもよい。
このような代替的な構造は、チャネル領域とソースおよびドレイン領域中に歪みシリコンを組み入れてもよい。
上述の好ましい実施形態でのように、ニッケルモノシリサイド・フェーズによって可能な限りニッケルゲルマノシリサイドを含むことが望ましい。
まず、半導体基板を提供する(ステップ100)。
この基板の上にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層上にポリシリコン層を形成し、このポリシリコン層上に多結晶シリコンゲルマニウム層を形成する。
その後、ゲート絶縁膜およびこのゲート絶縁膜に重なるゲートを形成すべく、多結晶シリコンゲルマニウム層、ポリシリコン層およびゲート絶縁層をパターン化する(ステップ102)。
このゲートはこのように下側のポリシリコン部分と、上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分を含んでいる。
ニッケルの層を、少なくともゲートの上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分上に形成する(ステップ104)。
その後、ゲート上にニッケルゲルマノシリサイドを形成すべく、熱処理を実行する(ステップ106)。
図4f、図5および図6の実施形態において使用されるように、ここに記載される基板は半導体基板、または図8の実施形態において使用されるように、その上に予めパターン化した半導体本体を有する絶縁基板を含んでいてもよいことに注目すべきである。
例えば、ゲルマノシリサイドのフェーズの安定性を改善するバナジウム(Va)、タンタル(Ta)、またはタングステン(W)のような他の金属を混ぜてニッケル層を合金化することが望ましい可能性がある。
加える金属はニッケル層に注入してもよいし、またはゲルマノシリサイドを形成する前に、ニッケル層上の分離CVD層またはPVD層として形成してもよい。
他の実施形態に置いては、多結晶シリコンゲルマニウムゲートを使用してもよい。
さらなる実施形態では、ゲートの多結晶シリコンゲルマニウム部分を、ゲルマニウム雰囲気中におけるポリシリコン・ゲートのアニーリングによって、またはポリシリコンゲートにゲルマニウムを注入することによって形成してもよい。
他の実施形態においては、ニッケル層をたい積する前に酸化物を除去すべく、水素雰囲気における還元(リダクション)を実行することが望ましい可能性がある。
例えば処理タスク間の保護膜(passivation layer)または保護層(protective layer)の形成および除去、フォトレジストマスクおよび他のマスキング層の形成および除去、ドーピングおよび反ドーピング、洗浄、プレーナ化、および他のタスクのような中間の処理タスクを、特に上述のタスクと共に実行してもよい。
さらに、全体的なウェーハのように基板全面上においてこのプロセスを実行する必要はないが、基板の一部分上において選択的に実行してもよい。
このように、現在では図に示したような上述の実施形態が好ましいが、これらの実施形態は単なる一例として記載されていることを理解すべきである。
本発明は特定の実施形態に限られず、それどころか、請求の範囲およびこの均等の範囲内にある、様々な修正例、組み合わせおよび置換に及ぶ。
Claims (7)
- シリコンゲルマニウムの層の上に重なる歪みシリコンの表層を含む半導体基板を提供するステップと、
前記歪みシリコンの表層上にゲート絶縁層、ポリシリコン層、および多結晶シリコンゲルマニウム層を前記記載順に形成するステップと、
前記多結晶シリコンゲルマニウム層及び前記ポリシリコン層をパターン化することにより、前記ゲート絶縁層上に下側のポリシリコン部分と上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分とを含むゲートを形成するステップと、
前記ゲートの側面にゲートスペーサを形成するステップと、
前記ゲート及び前記ゲートスペーサの下のチャネル領域にのみ前記歪みシリコンの表層からなるシリコンチャネル領域を形成するために、前記歪みシリコンの表層をエッチングにより除去して、前記シリコンゲルマニウムの層を露出させるステップと、
前記露出したシリコンゲルマニウムの層にドーパントを注入することにより、深いソース及びドレイン領域を形成するステップと、
前記ゲートの前記上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分と接触すると共に、前記深いソース及びドレイン領域上の前記シリコンゲルマニウムの層と接触するニッケルの層を形成するステップと、
前記ゲートの前記上側の多結晶シリコンゲルマニウム部分上および前記深いソース及びドレイン領域上の前記シリコンゲルマニウムの層上にニッケルゲルマノシリサイドを形成するために、熱処理を実行するステップとを含み、
前記ニッケルゲルマノシリサイドは、モノシリサイドのフェーズを含むニッケルゲルマノシリサイドである、
MOS電界効果トランジスタの形成方法。 - 前記ニッケルゲルマノシリサイドの形成によって消費されない前記ニッケルの層を除去するステップをさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記熱処理は、350℃から700℃の間の温度で実行される、請求項1記載の方法。
- 前記ポリシリコン層および多結晶シリコンゲルマニウム層がその場で(in situ)形成される、請求項1記載の方法。
- 前記多結晶シリコンゲルマニウム層は、組成Si1-xGexを有しており、前記Xは、0.1から0.3の範囲にある、請求項1記載の方法。
- 前記Xは、約0.2である、請求項5記載の方法。
- 前記ゲートを形成するステップと前記ゲートスペーサを形成するステップとの間に、浅いソースおよびドレイン拡張部を形成するために、前記半導体基板にドーパントを注入するステップを実行する、請求項1記載の方法。
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