JP4825526B2 - Fin型チャネルトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Fin型チャネルトランジスタおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、Fin型チャネルトランジスタおよびその製造方法に関する。
半導体集積回路の高性能化には、その構成要素である電界効果トランジスタの高性能化が必須である。これまで,素子性能の向上は素子の微細化によって進められてきたが、今後はその限界が指摘されている。中でも短チャネル効果の抑制と寄生抵抗の低減は深刻な課題と考えられており、国際半導体ロードマップによると45nm世代以降においてはこれらの問題を解決するために複数の新しいブレイクスルー技術が必要とされている。
このような状況に対し、短チャネル効果に対する耐性が高いことから、チャネル領域を完全空乏化したFD(Fully-Depleted)デバイスが次世代の基本素子構造として期待されている。中でも注目されているのは、薄膜SOI(Silicon On Insulator)基板を用いたトランジスタと、Fin型チャネルトランジスタ(以下、FinFETとも云う)である。
また、ゲート電極の空乏化に対してはゲート材料を金属または金属シリサイドに置き換えること(メタルゲート化)が検討されている。特に、ポリシリコンゲートの部分を完全に金属シリサイド化(フルシリサイド化)することが、素子製造プロセス中の熱的安定性や製造コストの点から、期待されている。
Fin型チャネルトランジスタは、基板に対して垂直方向に立ち上がった板のようなチャネルを持つ、マルチゲート・トランジスタの一種で、そのチャネル領域の形状からFin型チャネルトランジスタと呼ばれる。ゲートの支配力が非常に強いため、短チャネル効果に強いという特徴をもっている。ITRSロードマップでもEmerging Research Devicesの章で解説されている(例えば非特許文献1参照)。
Y.K. Choi et al. "FinFET Process Refinements for Improved Mobility and Gate Work Function Engineering", Technical Digest of International Electron Devices Meeting (IEDM) (December 2002), pp259
このように短チャネル効果の抑制のために、Fin型チャネルトランジスタは大変有望な構造であるが、その構造が複雑であることから、次に示すような、3つの製造上の困難が存在する。
第一に、エクステンション層、ハロー層、ディープ領域などの不純物領域をイオン注入により形成する際に、隣のFinが邪魔になってFinの下部に不純物を導入できず、更にプロファイルのコントロールも困難であること。
第二に、ゲート側壁形成時、チャネルFinにも側壁材料が残ってしまい、セルフアラインシリサイドを用いた際の抵抗低減効果が低下してしまうことである。
第三に、Finの上面などと隣接するFin間のポリシリコンの厚さが異なるため、厚い部分に合わせて、金属を供給することになる。これはポリシリコンが薄い部分に対しては金属の供給過多になり、シリサイド化プロセス中にシリサイドがゲート側壁を乗越えて、ゲート-ソース・ドレイン間のブリッチングを引き起こすことである。
これらの製造上の困難が原因となり、実際のFin型チャネルトランジスタでは、寄生抵抗が大きくなってしまう、素子特性がばらついてしまう、駆動電流を稼ごうとしてもそれほどFinの高さを高くできないなどの問題が生じる。
本発明は、上記事情を考慮して成されたものであって、不純物形成領域に確実に不純物を注入することができるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことができるFin型チャネルトランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様によるFin型チャネルトランジスタは、基板上に設けられたほぼ直方体形状の第1導電型の第1半導体層と、前記第1半導体層の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記第1半導体層の、前記第1側面とほぼ直交する方向の対向する一対の第2側面の底部に接続されて前記直交する方向に延在する第1導電型の第2半導体層と、前記第2半導体層に設けられた第2導電型の第1不純物領域と、前記第1半導体層の前記一対の第2側面に設けられ前記第1不純物領域と接続する第2不純物領域と、前記第1半導体層の前記第2不純物領域間に形成されるチャネル領域と、を備えていることを特徴とする。
なお、前記第1半導体層の上面に絶縁体からなる保護膜が設けられ、前記第1半導体層の一対の第1側面に設けられたゲート電極は前記保護膜上に延在しており、前記第1半導体層の第2側面と平行な前記ゲート電極の側部に絶縁体からなる側壁が形成されていてもよい。
なお、前記第1半導体層は複数であって、前記複数の第1半導体層は前記一対の第1側面と直交する方向に前記ゲート電極を介して一列上に配列されていてもよい。
なお、前記基板はSOI基板であり、前記第1不純物領域は前記SOI基板のSOI層に設けられ、前記第2不純物領域は第2導電型であってもよい。
なお、前記基板はバルクシリコン基板であり、前記第1不純物領域は前記バルクシリコン基板に設けられていてもよい。
なお、前記第1不純物領域の表面にシリコンエピタキシャル層もしくはシリコンゲルマニウムエピタキシャル層が形成されていてもよい。
なお、ソース・ドレイン電極として前記第1不純物領域とショットキー接合する金属層が設けられていてもよい。
なお、前記金属層は、前記第1不純物領域がn型である場合には希土類金属またはこれらの金属を含むシリサイドであり、前記第1不純物領域がp型である場合には貴金属またはこれらの金属を含むシリサイドであることが好ましい。
なお、前記第2不純物領域は第1導電型のハロー領域であってもよい。
なお、前記第2不純物領域は前記第1不純物領域と同程度の濃度を有する第2導電型の不純物領域であってもよい。
なお、前記ゲート電極は金属または金属シリサイドから形成されていてもよい。
また、本発明の第2の態様によるFin型チャネルトランジスタの製造方法は、基板上に形成された半導体層をパターニングすることにより直方体形状のFin部を形成する工程と、前記Fin部の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記Fin部の前記第1側面に前記ゲート絶縁膜を挟むようにゲート電極を形成する工程と、全面に絶縁物を堆積し、前記絶縁膜をエッチングするとともに前記Fin部をエッチングすることにより、前記Fin部の、前記一対の第1側面とほぼ直交する方向の対向する一対の第2側面を露出するとともに前記第2側面の底部に接続するように前記ゲート電極の両側に前記第1半導体層を残置する工程とを備えたことを特徴とする。
なお、前記Fin部を形成する工程は、前記半導体層のパターニングの前に前記半導体層上に第1絶縁層を形成し、前記第1絶縁層および前記半導体層をパターニングする工程を含んでいてもよい。
なお、露出した前記第2側面および残置された前記半導体層に不純物領域を形成する工程と、前記不純物領域および前記ゲート電極をシリサイド化する工程と、を備えていてもよい。
また、本発明の第3の態様によるFin型チャネルトランジスタの製造方法は、基板上に形成された半導体層上に第1絶縁層を形成する工程と、前記第1絶縁層および前記半導体層をパターニングすることにより直方体形状のFin部を形成する工程と、前記半導体層の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、全面にゲート電極材料膜を形成した後、前記ゲート電極材料膜上に第2絶縁層を形成する工程と、前記第2絶縁層および前記ゲート電極材料膜をパターニングすることにより、前記半導体層の前記第1側面に形成された前記ゲート絶縁膜および前記半導体層の上面の前記第1絶縁層を覆うゲート電極を形成するとともに前記ゲート電極の上面に前記第2絶縁層を残置する工程と、全面に絶縁物を堆積し、前記絶縁物をエッチングするとともに前記Fin部をエッチングすることにより、前記半導体層の前記一対の第1側面とほぼ直交する方向の前記半導体層の対向する一対の第2側面を露出するとともに前記第2側面の底部に接続するように前記ゲート電極の両側に前記半導体層を残置しかつ前記パターニングされた前記第2絶縁層および前記ゲート電極の側部に前記絶縁物からなるゲート側壁を形成する工程と、露出した前記第2側面に第1不純物領域を形成するとともに残置された前記半導体層に第2不純物領域を形成する工程と、前記ゲート側壁に挟まれた前記第2絶縁層を除去し、前記ゲート電極の上面を露出する工程と、前記第1および第2不純物領域および前記ゲート電極をシリサイド化する工程と、を備えたことを特徴とする。
なお、前記基板はSOI基板であり、前記半導体層は前記SOI基板のSOI層であってもよい。
なお、前記基板はバルク基板であってもよい。
本発明によれば、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の実施形態によるFin型チャネルトランジタの特徴をより明確にするために、従来の技術で説明した問題点を図15(a)乃至図20(c)を参照して説明する。
通常のFin型チャネルトランジスタは単純化すると、図15(a)乃至図20(c)に示すようにして作られる。ここではn型チャネルデバイスの例を示すが、p型チャネルデバイスについても同様に作製できる。
まず、図15(a)、(b)、(c)に示すように、支持基板2上に絶縁膜4が形成され、絶縁膜4上にSOI層6が形成されたSOI基板上に、チャネルの保護膜として窒化シリコン8をLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などで100nm程度堆積し、公知の素子分離技術によって、素子分離を行う。さらに、既存のパターニング技術により、SOI層6をパターニングし、チャネルとなるFinを形成する。Finの幅は例えば10nmである。
次に、図16(a)、(b)、(c)に示すように、ゲート絶縁膜9として、1nmほどの二酸化シリコンをRTO(Rapid Thermal Oxidation)などによって形成し、その後プラズマ窒化をして誘電率を大きくする。さらに、ゲート電極10となるポリシリコン膜をLPCVDなどで100nm程度堆積し、その上に窒化シリコン膜からなるハードマスク層(図示せず)を堆積する。そして、フォトリソグラフィー技術などを用いて上記ハードマスク層をパターニングする。その後,パターニングされたハードマスク層をマスクとしてRIE等でポリシリコン層をパターニングするとゲート電極10が形成される(図16(a)、(b)、(c)参照)。ここで、さらにオフセットスペーサーなどを形成する場合もあるが図示していない。
次に、図17(a)、(b)、(c)に示すように、ボロンを1keVで1×1014cm−2程度イオン注入してハロー領域を形成し、さらに砒素を0.5keVで2×1015cm−2程度イオン注入することでエクステンション領域を形成する。このとき、図17(c)に示すように、隣のFinの影となって、イオン注入が行われない領域11が存在する。なお、図17(a)は平面図を、図17(b)は正面図を、図17(c)は図17(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図である。
次に、図18(a)、(b)、(c)に示すように、二酸化シリコン10nm、窒化シリコン10nmからなる積層膜をLPCVD法によって堆積する。次に、RIE(Reactive Ion Etching)などで上記積層膜をパターニングすることにより、ゲート側壁12を形成する。なお、図18(a)は平面図を、図18(b)は正面図を、図18(c)は図18(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図である。
次に、図19(a)、(b)に示すように、砒素を30keVで3×1015cm−2程度イオン注入してディープ拡散層領域16を形成する。このとき、図19(b)に示すように、隣のFinの影となって、イオン注入が行われない領域13が存在する。
次に、ホット燐酸処理をしてFin領域6上の保護膜を除去した後、CoやNiなどをスパッタし、熱処理することにより、セルフアラインシリサイド層18、20をFin領域6およびゲート電極10上に形成する(図20(a)、(b)、(c)参照)。なお、図20(a)は平面図を、図20(b)は正面図を、図20(c)は図20(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図である。以降、コンタクト形成などを行う。
従来技術で説明した第一の困難は、図17(a)、(b)、(c)及び図19(a)、(b)に示したように、Finの間隔に比べてFinの高さが高い場合に、隣のFinが邪魔となって、側面及び上面からのイオン注入が困難となることが原因である。
また、第二の困難は、図20(a)、(b)、(c)に示したように、ゲート側面に残った絶縁膜等によって、Fin下部のソース・ドレイン領域にシリサイドが形成されないことによって生じる。ゲート側面に残った絶縁膜等によって、Fin下部のソース・ドレイン領域にシリサイドが形成されないことはFinが複数個の場合ばかりでなく1個の場合でも生じる。
(第1実施形態)
次に、本発明の第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を、図1(a)乃至図7を参照して説明する。本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、n型チャネルデバイスの例を示すが、イオン注入するイオン種を変えるなどすればp型チャネルデバイスについても同様に作製できる。
まず、図1(a)、(b)、(c)に示すように、支持基板2上に絶縁膜4が形成され、絶縁膜4上にSOI層6が形成されたSOI基板上に、チャネルの保護膜として窒化シリコン8をLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などで100nm程度堆積し、公知の素子分離技術によって、素子分離を行う。さらに、既存のパターニング技術により、SOI層6をパターニングし、チャネルとなるFinを形成する。Finの幅は例えば10nmである。なお、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図1(c)は図1(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図2(a)、(b)、(c)に示すように、ゲート絶縁膜9として、1nmほどの二酸化シリコンをRTO(Rapid Thermal Oxidation)などによって形成し、その後プラズマ窒化をして誘電率を大きくする。さらに、ゲート電極10となるポリシリコン膜をLPCVDなどで100nm程度堆積し、その上に窒化シリコン膜からなるハードマスク層(図示せず)を堆積する。そして、フォトリソグラフィー技術などを用いて上記ハードマスク層をパターニングする。その後,パターニングされたハードマスク層をマスクとしてRIE等でポリシリコン層をパターニングするとゲート電極10が形成される(図2(a)、(b)、(c)参照)。ここで、さらにオフセットスペーサーなどを形成する場合もあるが図示していない。なお、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図2(c)は図2(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図3に示すように、二酸化シリコン10nm、窒化シリコン10nmからなる積層膜をLPCVD法によって堆積する。次に、異方性エッチング、例えばRIEなどを用いて加工することにより、ゲート側壁12と、チャネルとなるFin6を同時にパターニングする(図4(a)、(b)、(c)参照)。このパターニング工程において、図4(a)、(b)、(c)に示すように、ゲート電極10と平行でチャネル方向と垂直なチャネルFin6aの側面が露出される。なお、図4(a)、(b)において、符号6bは複数のチャネルFin6aの底部に接続され、ソース・ドレインの一部となる半導体領域である。このように、ゲート10と平行でチャネル方向と垂直なチャネルFin6aの側面が露出することが、本実施形態が従来の場合と異なる大きな特徴となっている。なお、図3は図2(b)に対応する断面図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図4(c)は図4(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図5(a)、(b)、(c)に示すように、ボロンを1keVで1×1014cm−2程度イオン注入してハロー領域を形成後、砒素を0.5keVで2×1015cm−2程度イオン注入してエクステンション領域を形成し、ソース・ドレインの一部となる一対の不純物領域14を形成する。さらに砒素を30keVで3×1015cm−2程度イオン注入してディープ拡散層16を形成する。一対の不純物領域14間の半導体層6aがチャネル領域15となる。なお、図5(a)は平面図、図5(b)は図5(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図5(c)は図5(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
続いて、CoやNiなどの高融点金属をスパッタし、熱処理することにより、セルフアラインによるシリサイド層18をFin領域6a、6bに形成するとともにセルフアラインによるシリサイド層20をゲート電極10上に形成する(図6(a)、(b)、(c)参照)。図6(b)から分かるように、ソース・ドレインとなるディープ拡散層16は全てシリサイド層18になっているが、一部分のみをシリサイド化してもかまわない。本願では不純物領域14とディープ拡散層16、シリサイド層18をまとめてソース・ドレイン領域と呼んでいる。このときの本実施形態のFin型チャネルトランジスタの斜視図を図7に示す。なお、図6(a)は平面図、図6(b)は図6(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図6(c)は図6(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
このように製造することにより、本実施形態のFin型トランジスタの基本構造が完成する。
なお、各イオン注入工程の後には適宜活性化アニール工程等が入るが省略している。
また、ハロー領域は必ずしも必要ではないが、短チャネル効果を抑えるためには形成することが望ましい。
なお、本実施形態においては、ゲート側壁12の膜厚はSOI層6の膜厚と同じかまたは薄いことが好ましい。
このように構成された本実施形態のFin型トランジスタにおいては、基板上にチャネルFinとなるほぼ直方体形状の半導体層6aが複数個、間隔をおいて一列状に配置され、上記半導体層6aの一列状に配置された方向の両側面にゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。隣接する半導体層6aの間のゲート電極10は上記隣接する半導体層6aの共通のゲート電極となる。これらのゲート電極10は共通に接続されている。また、各半導体層6aの底部は上記一列状に配置された方向とほぼ直交する方向に延在した部分6bを有している。上記一列状に配置された方向とほぼ直交する方向に延在した部分6bは、イオン注入されることによりディープ拡散層領域16となる。本実施形態においては、ディープ拡散層領域16は共通に接続されている。各半導体層6aの上記一列状に配置された方向とほぼ直交する方向の対向する面に、ハロー領域およびエクステンション領域となる一対の不純物領域14が形成されている。この一対の不純物領域14間の半導体層6aがチャネル領域15となる。本実施形態においては、ソース・ドレイン領域16は全てシリサイド層18となり、不純物領域14は表面がシリサイド層18となる。
このように、本実施形態においては、各Fin6a、6bには不純物領域14、16が形成されるとともに、その表面がシリサイド化された構成となっている。このため、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を図8(a)乃至図10に示す。図8(a)は本実施形態によるFin型チャネルトランジスタの平面図、図8(b)は図8(a)に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図8(c)は図8(a)に示す切断線B−Bで切断したときの断面図、図9は図8(a)に示す切断線C−Cで切断したときの断面図、図10は本実施形態によるFin型チャネルトランジスタの斜視図である。
本実施形態によるFin型チャネルトランジスタは、バルク基板上に形成したものであって、この点がSOI基板上に形成した第1実施形態のFin型チャネルトランジスタとは異なる。本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、n型チャネルデバイスの例を示すが、p型チャネルデバイスについても同様である。
STI(Shallow Trench Isolation)3を用いて素子分離されたバルクシリコン基板1上に、チャネルFinとなるほぼ直方体形状の半導体層7が複数個、間隔をおいて一列状に配置され、上記半導体層7の一列状に配置された方向の両側面にゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。隣接する半導体層7の間のゲート電極10は上記隣接する半導体層7の共通のゲート電極となる。これらのゲート電極10は共通に接続されている。また、各半導体層7の底部は基板1に接続されている。なお、各半導体層7の上面はチャネル保護用ハードマスクによって覆われている。上記一列状に配置された方向とほぼ直交する方向の基板1の両側にディープ拡散層領域16が形成されている。本実施形態においては、ディープ拡散層領域16は共通に接続されている。各半導体層7の上記一列状に配置された方向とほぼ直交する方向の対向する面に、ハロー領域及びエクステンション領域となる一対の不純物領域14が形成されている。この一対の不純物領域14間の半導体層7がチャネル領域15となる。本実施形態においては、ソース・ドレイン領域は表面がシリサイド層18となる。なお、ゲート電極10のFin部以外の面は上面を除いて側壁12によって覆われている。また、ゲート電極10の上面はセルフアライメントによるシリサイド層20が形成されている。また、ゲート電極10の底部はSTI層3に接している。
このように、本実施形態においては、各半導体層7の側部には不純物領域14が形成され、基板1の表面にはディープ拡散層領域16が形成されるとともに、その表面がシリサイド化された構成となっている。このため、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
本実施形態は、SOI基板よりも安価なバルク基板を使用でき、ゲート電極やチャネル加工時の深さ精度を緩和できるなどのメリットがある。
また、本実施形態では、基板1から突き出た部分に垂直方向にダブルゲート構造のチャネルが複数並んだトランジスタと見ることができる。バルク基板を用いているため、ディープ拡散層領域16の底部がパスとなってパンチスルー電流が流れやすい。本実施形態では、ゲート電界によってこれを抑制できる構造となっている。具体的には、ゲート電極10の底面がディープ拡散層領域16の底面よりも下に位置している。
なお、上記実施形態においては、Fin型チャネルトランジスタはSOI基板上に形成したが、バルク基板上に形成してもよい。この場合、図21に示すように、チャネルとなるFinの底部に、ソース・ドレインとなるディープ拡散層領域16とは逆の導電型の不純物領域31を設けると良い。このようにすることで、上記パンチスルー電流を効果的に抑制できる。
次に、第2実施形態において、最も望ましい構造を以下説明する。
第2実施形態においては、ディープ拡散層領域16からゲート電極10のエッジまでの距離がシリサイド18からゲート電極10のエッジまでの距離と同じか、より長いことが望ましく、かつ、その深さは一対の不純物領域14と同じか、より深く、ゲート電極10の下端と同じか、より浅いことが望ましい。このようにすることで、リーク電流を最小限に抑えることができる。また、ハロー領域は必ずしも必要ではないが、短チャネル効果を抑えるためには形成することが望ましい。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を図11および図12を参照して説明する。
本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、バルクシリコン基板上に形成され、エレベーテッドソース・ドレイン層22を備えている(図12参照)。このように、エレベーテッドソース・ドレイン層22を備えることにより、ソース・ドレイン領域16の底面の面積を小さくすることでさらにリーク電流を減らすことができる。具体的には図11に示すような、ソース・ドレイン領域16およびこのソース・ドレイン領域が櫛状となっている他は、第2実施形態と同様の構造となっている。この後、シリコンをエピタキシャル成長させると、図12に示すように、シリコンが露出している部分18だけを選択的にエレベーテッドシリコン層22で覆うことができる。なお、図12ではシリコンが露出している部分18だけでなく、横方向(Finとなる半導体層が一列に配列された方向)にもエレベーテッドシリコン層22が成長し、エレベーテッドシリコン層22が一体となった構成となっている。あとは通常どおり、シリコン層22にイオン注入してソース・ドレインを形成し、シリサイド化を行えばよい。最後のエピタキシャル成長は、必ず必要なものではないが、これを行うことでコンタクトの面積を増やすことができ、コンタクト抵抗を低減できる。
本実施形態も第2実施形態と同様に、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
なお、公知のリソグラフィー技術を用いると、パターンの太さが場所によって異なるような構造を作成するのは難しい。具体的には図10に示したFin構造よりも、図11に示した単純なライン・アンド・スペース構造の方が、作成が容易である。従って、これが問題になる場合には、図11の構造を作製後,直接コンタクト33を形成した図22または図23 に示すような構造にすると良い。
なお、本実施形態においては、エレベーテッドソース・ドレイン層22の材料としてシリコンを用いたが、シリコンゲルマニウム等を用いることができる。エピタキシャル層をシリコンゲルマニウムとすることで、例えばpチャネルデバイスのチャネル部分に歪み応力を加えて移動度を向上させ、寄生抵抗低減の効果を最大限に享受できるようになる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を図13を参照して説明する。
第1乃至第3実施形態においては、いずれも拡散層ソース・ドレインを採用した構造となっているが、本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、第2実施形態の拡散層ソース・ドレインを、図13に示すようにショットキー接合されたソース・ドレイン金属層19に置き換え、リークを防ぐためのn拡散層17を備えた構成となっている。このため、不純物領域14は、p−のハロー領域23に置き換えられた構成となっている。なお、図13は、第2実施形態の図9に示す断面図の位置に対応する断面図である。
本実施形態において、n型チャネルデバイスであるので、望ましい金属層19を形成するための材料としては、例えば、エルビウム(Er)を代表とする希土類金属、あるいは、それらの金属を含むシリサイドを用いればよい。エルビウム(Er)を代表とする希土類金属は、電子に対してショットキー障壁の高さが低いからである。これにより、ソース−ドレイン間の抵抗が低くなる。p型チャネルデバイスとしては、例えば、プラチナ(Pt)を代表とする貴金属、あるいは、それらの金属を含むシリサイドを用いればよい。貴金属シリサイドは、正孔に対してショットキー障壁の高さが低いからである。
さらに、ゲート電極10を全て、ソース・ドレインと同じ希土類金属を含むシリサイドで形成しても良い。これにより、ゲート電極の仕事関数は、現在広くゲート電極として採用されているポリシリコンの仕事関数と同程度になり、回路設計を大きく変更する必要が無くなる。
本実施形態では、バルク基板上に作製した例を示したが、第1実施形態同様にSOI基板上に形成しても同様の効果を得ることができる。
本実施形態も第2実施形態と同様に、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態によるFin型チャネルトランジスタを図14を参照して説明する。
本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、第4実施形態において、別のショットキー・ソース/ドレインと組み合わせた構成となっている。本実施形態では、金属ソース/ドレイン21の周辺に不純物濃度が高く、厚みが薄い高濃度不純物層24が設けられている点で第4実施形態と異なる。高濃度不純物層24は、例えば、燐(P)、砒素(As)またはボロン(B)を不純物として含む。本実施形態における望ましい形態としては、高濃度不純物層24は、不純物濃度が1×1020cm−3程度以上で、厚みが10nm程度以下であることが望ましい。もしくは、高濃度不純物層24の不純物濃度が1×1020cm−3程度以上で、ゲート側壁12の膜厚が10nm程度以下であるようにしてもよい。また、本実施形態のその他の構成は、第4実施形態の構成と同様でよいが、金属ソース・ドレイン層としてはコバルトシリサイド又はニッケルシリサイド等のミッドギャップメタルを用いることもできる。これは、高濃度不純物層24が、金属ソース・ドレイン層の周辺に設けられていることによって、ソース・ドレイン層21とチャネル15との間のショットキー障壁が小さくなるためである。
本実施形態において、ソース・ドレインを形成するには、あらかじめ不純物をイオンイン注入などで浅く打ち込んでおいてから、金属をスパッタしてシリサイド化すると、金属ソース・ドレイン層21の部分に存在していた不純物がシリサイド化中に金属ソース・ドレイン層の周辺に偏析する。例えばこの不純物の偏析によって、高濃度不純物層24を形成できる。不純物の種類としてはnチャネルデバイスにはリン、砒素、アンチモン、硫黄、さらにはエルビウムを代表とする希土類金属などが、また、pチャネルデバイスにはホウ素、インジウム、さらにはプラチナを代表とする貴金属などを用いることができる。
本実施形態も第4実施形態と同様に、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、寄生抵抗を大幅に低減できる。
上記第1乃至第5実施形態においては、Finは複数個設けられていたが、1個であってもよい。
また、上記第1乃至第5実施形態においては、ゲート電極は上面にシリサイド層が形成されていたが、全てシリサイドから構成してもよい。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造方法を説明する。本実施形態のFin型チャネルトランジスタは、n型チャネルデバイスの例を示すがイオン注入するイオン種を変えるなどすればp型チャネルデバイスについても同様に作製できる。
まず、図24乃至図26に示すように、支持基板2上に絶縁膜4が形成され、絶縁膜4上にSOI層6が形成されたSOI基板上に、チャネルの保護膜として窒化シリコン8をLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)などで100nm程度堆積し、公知の素子分離技術によって、素子分離を行う。更に、既存のパターニング技術により、SOI層6をパターニングし、チャネルとなるFinを形成する。Fin幅は例えば10nmである。なお、図24は平面図、図25は図24に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図26は図24に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図27乃至図29に示すように、ゲート絶縁膜9として、1nmほど二酸化シリコンをRTO(Rapid Thermal Oxidation)などによって形成し、その後、プラズマ窒化により窒素を添加することによりゲート絶縁膜9の誘電率を大きくする。さらにゲート電極10となるポリシリコン膜をLPCVDなどで50nm堆積し、その上に酸化シリコン膜からなるキャップ層41を100nm堆積する。さらにその上に窒化シリコン膜からなるハードマスク層(図示せず)を堆積する。そして、フォトリソグラフィー技術などを用いて上記ハードマスク層をパターニングする。その後、パターニングされたハードマスク層をマスクとしてRIE等でキャップ層41とポリシリコン膜10をパターニングするとゲート電極部分が形成される。ここで、さらにオフセットスペーサーなどを形成する場合もあるが図示していない。なお、図27は平面図、図28は図27に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図29は図27に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図30に示すように膜厚100nmの窒化シリコン層12をLPCVD法によって堆積する。なお、図30は図28に対応する断面図である。続いて、異方性エッチング、例えばRIEなどを用いて加工することにより、ゲート側壁12と、チャネルとなるFin部6を同時にパターニングする(図31乃至図33参照)。このパターニング工程において、図31乃至図33に示すように、ゲート電極10と平行でチャネル方向と垂直なFin部6aの側面が露出する。なお、図31、図32において符号6bは複数のチャネルFin部6aの底部に接続され、ソース・ドレインの一部となる半導体領域である。図31は平面図、図32は図31に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図33は図31に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
次に、図34乃至図36に示すように、ボロンを加速電圧1keVでドーズ量1×1014cm−2程度イオン注入してハロー領域を形成後、ヒ素を加速電圧0.5keVでドーズ量2×1015cm−2程度イオン注入してエクステンション領域を形成することにより、ソース・ドレインの一部となる一対の不純物領域14を形成する。さらに、ヒ素を加速電圧30keVでドーズ量3×1015cm−2程度イオン注入してディープ拡散層16を形成する。一対の不純物形成領域14間の半導体層6aがチャネル領域15となる。なお、図34は平面図、図35は図34に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図36は図34に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
続いて、酸化シリコンからなるキャップ層41を例えば希HF液を用いたエッチングにより除去し、ゲート電極10の表面を露出させると、図37に示すように、キャップ層41の除去部分が溝43となり、ゲート電極10が側壁12の壁で囲まれた状態となる。このように、側壁12の高さをポリシリコンからなるゲート電極10の高さよりも高くすれば、この後のシリサイド工程中にシリサイドが側壁12を乗越えることによって生じるゲート−ソース・ドレイン間のブリッチングを防ぐことができる。
続いて、Niなどの高融点金属をスパッタし、熱処理することにより、セルフアラインによるシリサイド層18をFin部6a、6bに形成するとともにセルフアラインによるフルシリサイドゲート電極20を形成する(図38乃至図40参照)。図39からわかるように、ソース・ドレインとなるディープ拡散層16は全てシリサイド18になっているが、一部分のみをシリサイド化してもかまわない。図38は平面図、図39は図38に示す切断線A−Aで切断したときの断面図、図40は図38に示す切断線B−Bで切断したときの断面図である。
このように製造することにより、本実施形態のフルシリサイドゲートFin形チャネルトランジスタの基本構造が完成する。
なお、各イオン注入工程後には適宜活性化アニール工程等が入るが省略している。
また、ハロー領域は必ずしも必要ではないが、短チャネル効果を抑えるためには形成することが望ましい。
本実施形態によれば、不純物形成領域に確実に不純物を注入することが可能となるとともに、ソース・ドレインの全領域に対してセルフアラインサリサイドを行うことが可能となり、Fin型チャネルトランジスタの基板の深さ方向における不純物プロファイルの均一性がよくでき、ゲート電極の空乏化を抑制し、ゲート電極の高さを低くしアスペクト比を稼ぎながらゲート−ソース・ドレイン間のブリッチングを防ぐことができる。
本発明の第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す断面図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第1実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す斜視図。 本発明の第2実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す図。 第2実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す断面図。 第2実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す斜視図。 本発明の第3実施形態によるFin型チャネルトランジスタのエレベーテッドソース・ドレイン層が形成される前の構成を示す斜視図。 本発明の第3実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す斜視図。 本発明の第4実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す断面図。 本発明の第5実施形態によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す断面図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 従来のFin型チャネルトランジスタの製造工程を示す図。 第2実施形態の変形例によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す断面図。 第3実施形態の第1変形例によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す斜視図。 第3実施形態の第2変形例によるFin型チャネルトランジスタの構成を示す斜視図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す平面図。 図24に示す切断線A−Aで切断したときの断面図。 図24に示す切断線B−Bで切断したときの断面図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す平面図。 図27に示す切断線A−Aで切断したときの断面図。 図27に示す切断線B−Bで切断したときの断面図。 第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す断面図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す平面図。 図31に示す切断線A−Aで切断したときの断面図。 図31に示す切断線B−Bで切断したときの断面図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す平面図。 図34に示す切断線A−Aで切断したときの断面図。 図34に示す切断線B−Bで切断したときの断面図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す断面図。 本発明の第6実施形態によるFin形チャネルトランジスタの製造工程を示す平面図。 図38に示す切断線A−Aで切断したときの断面図。 図38に示す切断線B−Bで切断したときの断面図。
符号の説明
1 バルクシリコン基板
2 支持基板
4 絶縁膜
6 Fin部
8 チャネル保護膜
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
12 ゲート側壁
14 不純物領域
15 チャネル領域
16 ディープ拡散層領域
18 シリサイド層
20 シリサイド層
21 ソース・ドレイン層
22 シリコン層
23 ハロー領域
31 不純物領域
33 コンタクト
41 キャップ層
43 溝

Claims (17)

  1. 基板上に設けられたほぼ直方体形状の第1導電型の第1半導体層と、
    前記第1半導体層の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
    前記第1半導体層の、前記第1側面とほぼ直交する方向の対向する一対の第2側面の底部に接続されて前記直交する方向に延在する第1導電型の第2半導体層と、
    前記第2半導体層に設けられた第2導電型の第1不純物領域と、
    前記第1半導体層の前記一対の第2側面に形成される前記第1不純物領域と接続する第2不純物領域と、
    前記第1半導体層の前記第2不純物領域間に設けられたチャネル領域と、
    前記第1半導体層の前記第2側面と平行な前記ゲート電極の側部に設けられた絶縁体からなる一対の側壁と、
    を備え
    前記第1側面で切断したときの前記一対の側壁の最大幅と前記ゲート電極の幅との和が、前記第1半導体層の前記一対の第2側面間の距離にほぼ等しいことを特徴とするFin型チャネルトランジスタ。
  2. 前記第1半導体層の上面に絶縁体からなる保護膜が設けられ、前記第1半導体層の一対の第1側面に設けられたゲート電極は前記保護膜上に延在していることを特徴とする請求項1記載のFin型チャネルトランジスタ。
  3. 前記第1半導体層は複数であって、前記複数の第1半導体層は前記一対の第1側面と直交する方向に前記ゲート電極を介して一列上に配列されていることを特徴とする請求項1または2記載のFin型チャネルトランジスタ。
  4. 前記基板はSOI基板であり、前記第1不純物領域は前記SOI基板のSOI層に設けられ、前記第2不純物領域は第2導電型であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタ。
  5. 前記基板はバルクシリコン基板であり、前記第1不純物領域は前記バルクシリコン基板に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタ。
  6. 前記第1不純物領域の表面にシリコンまたはシリコン・ゲルマニウムエピタキシャル層が形成され、その一部もしくは全部がシリサイド化又はジャーマノシリサイド化されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタ。
  7. ソース・ドレインとして前記第1半導体層とショットキー接合する金属層が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタ。
  8. 前記金属層は、前記第1不純物領域がn型である場合には希土類金属またはこれらの金属を含むシリサイドであり、前記第1不純物領域がp型である場合には貴金属またはこれらの金属を含むシリサイドであることを特徴とする請求項7記載のFin型チャネルトランジスタ。
  9. 前記第2不純物領域は第1導電型のハロー領域であることを特徴とする請求項8記載のFin型チャネルトランジスタ。
  10. 前記第2不純物領域は前記第1不純物領域と同程度の濃度を有する第2導電型の不純物領域であることを特徴とする請求項7記載のFin型チャネルトランジスタ。
  11. 前記ゲート電極は金属または金属シリサイドから形成されていることを特徴とする請求項1記載のFin型チャネルトランジスタ。
  12. 基板上に形成された半導体層をパターニングすることにより直方体形状のFin部を形成する工程と、
    前記Fin部の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記Fin部の少なくとも前記一対の第1側面に前記ゲート絶縁膜を挟むようにゲート電極を形成する工程と、
    全面に絶縁物を堆積し、前記絶縁物をエッチングするとともに前記Fin部をエッチングすることにより、前記Fin部の前記一対の第1側面とほぼ直交する方向の前記Fin部の対向する一対の第2側面を露出するとともに前記一対の第2側面と平行な前記ゲート電極の側部に前記絶縁物からなる側壁を形成しかつ前記一対の第2側面の底部に接続するように前記ゲート電極の両側に前記半導体層を残置する工程と、
    を備え、前記第1側面で切断したときの前記一対の側壁の最大幅と前記ゲート電極の幅との和が、前記Fin部の前記一対の第2側面間の距離にほぼ等しいことを特徴とするFin型チャネルトランジスタの製造方法。
  13. 前記Fin部を形成する工程は、前記半導体層のパターニングの前に前記半導体層上に第1絶縁層を形成し、前記第1絶縁層および前記半導体層をパターニングする工程を含むことを特徴とする請求項12記載のFin型チャネルトランジスタの製造方法。
  14. 露出した前記第2側面および残置された前記半導体層に不純物領域を形成する工程と、
    前記不純物領域および前記ゲート電極をシリサイド化する工程と、
    を備えたことを特徴とする請求項12または13記載のFin型チャネルトランジスタの製造方法。
  15. 基板上に形成された半導体層上に第1絶縁層を形成する工程と、
    前記第1絶縁層および前記半導体層をパターニングすることにより直方体形状のFin部を形成する工程と、
    前記半導体層の対向する一対の第1側面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    全面にゲート電極材料膜を形成した後、前記ゲート電極材料膜上に第2絶縁層を形成する工程と、
    前記第2絶縁層および前記ゲート電極材料膜をパターニングすることにより、前記半導体層の前記第1側面に形成された前記ゲート絶縁膜および前記半導体層の上面の前記第1絶縁層を覆うゲート電極を形成するとともに前記ゲート電極の上面に前記第2絶縁層を残置する工程と、
    全面に絶縁物を堆積し、前記絶縁物をエッチングするとともに前記Fin部をエッチングすることにより、前記半導体層の前記一対の第1側面とほぼ直交する方向の前記半導体層の対向する一対の第2側面を露出するとともに前記一対の第2側面の底部に接続するように前記ゲート電極の両側に前記半導体層を残置しかつ前記パターニングされた前記第2絶縁層および前記ゲート電極の側部に前記絶縁物からなるゲート側壁を形成する工程と、
    露出した前記第2側面に第1不純物領域を形成するとともに残置された前記半導体層に第2不純物領域を形成する工程と、
    前記ゲート側壁に挟まれた前記第2絶縁層を除去し、前記ゲート電極の上面を露出する工程と、
    前記第1および第2不純物領域および前記ゲート電極をシリサイド化する工程と、
    を備え、前記第1側面で切断したときの前記一対の側壁の最大幅と前記ゲート電極の幅との和が、前記半導体層の前記一対の第2側面間の距離にほぼ等しいことを特徴とするFin型チャネルトランジスタの製造方法。
  16. 前記基板はSOI基板であり、前記半導体層は前記SOI基板のSOI層であることを特徴とする請求項12乃至15のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタの製造方法。
  17. 前記基板はバルク基板であることを特徴とする請求項12乃至15のいずれかに記載のFin型チャネルトランジスタの製造方法。
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