本発明が添付の図面を用いて説明されるが、それらは例示に過ぎず、限定ではない。
一実施形態における隣接するトランジスタの断面側面図である。
図1の基板における凹部の形成を示す断面側面図である。
図2の基板の凹部におけるシリコンゲルマニウム合金の形成を示す断面側面図である。
一実施形態における図3の基板のシリコンゲルマニウム合金におけるシリコンの堆積を示す断面側面図である。
一実施形態における図4の基板上のマスクの除去を示す断面側面図である。
一実施形態における図5の基板における金属の堆積を示す断面側面図である。
一実施形態における図6の金属の反応後のトランジスタの断面側面図である。
他の実施形態における図3の基板上のマスクの除去を示す断面側面図である。
他の実施形態における図8の基板上へのシリコンの堆積を示す断面側面図である。
他の実施形態における図9の基板上への金属の堆積を示す断面側面図である。
他の実施形態における図10の金属の反応後のトランジスタの断面側面図である。
一実施形態における図7および図11のトランジスタを製造する方法を示すフローチャートである。
以下、本発明のいくつかの実施形態の理解をより深めるべく、特定のシステム、構成要素、方法などの数多くの特定の詳細が記載される。しかしながら、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、これらの詳細がなくとも実施できることは、当業者にとり明らかであろう。他の例において、よく知られた構成要素または方法は詳しくは記載されないか、または、本発明をあいまいにすることを避けるべく、単純なブロック図形式で表される。したがって、記載される特定の詳細は、単なる例に過ぎない。特定の実装は、これらの例の詳細から変更しても、本発明の趣旨および範囲内に納まるように実行できる。
本発明の一実施形態は、ソース・ドレイン領域、金属シリコンゲルマニウムシリサイド層、および、金属シリコンシリサイド層に対しシリコンゲルマニウム合金を用いてソース・ドレイン領域の接触表面を形成することにより、トランジスタの外部抵抗を減らす。金属は、例えば、ニッケルであり得る。シリコンゲルマニウムとニッケルシリコンゲルマニウム・シリサイドとの界面は、シリコンゲルマニウムとニッケルシリコンゲルマニウムシリサイドとの間の減少した金属−半導体仕事関数に基づく低い比接触抵抗、およびシリコンゲルマニウム対シリコンにおける向上したキャリア移動度を有する。ニッケルシリコンシリサイドは、より良好なコンタクト形成を提供する。シリコンゲルマニウムは、その電気的性質をさらに調整すべくドーピングされ得る。トランジスタの外部抵抗を減少させることは、速度および電力消費の両方を切り替える際のトランジスタ性能を向上させることに匹敵する。
図1は、シリコン基板106における2つの隣接したトランジスタ102および104を製造する一実施形態を示す。トランジスタ102は、p型基板または井戸で形成される金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタである。トランジスタ104は、n型基板または井戸で形成される金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタである。
図1に示す部分的に製造されたトランジスタ102および104は、従来のプロセスにより製造される。P型ドーパントは、シリコン基板106の左の部分に注入されて、P井戸108を形成する。N型ドーパントは、シリコン基板106の右の部分に注入されて、N井戸110を形成する。P井戸108は、二酸化ケイ素のシャロー・トレンチアイソレーション(STI)領域112、または、絶縁壁と称される絶縁領域によりN井戸110と分離される。
次にゲート誘電層114および116は、P井戸108およびN井戸110においてそれぞれ成長する。ゲート誘電層114および116は、例えば二酸化ケイ素または窒化二酸化ケイ素などのよく知られた材料から形成され得る。一実施形態では、ゲート誘電層114および116は、およそ40Å未満の厚さを有する。ゲート電極は、ゲート誘電層上に形成され得る。例えば、ポリシリコンゲート電極118および120は、ゲート誘電層114および116の上にそれぞれ形成される。ポリシリコンゲート電極118は、リンまたはヒ素などのN型ドーパントでドーピングされ得る。ポリシリコンゲート電極120は、ホウ素などのP型ドーパントでドーピングされ得る。
ソース・ドレイン拡張部128および130は、ポリシリコンゲート電極118および120の両側にそれぞれ形成され得る。縦の側壁スペーサ122および124も、ポリシリコンゲート電極118および120の両側にそれぞれ形成される。一実施形態によれば、縦の側壁スペーサ122および124は、SiO2またはSiBNi4で形成され得る。
マスク126は、トランジスタ104上に形成され得る。より詳しくは、マスク126は、ポリシリコンゲート電極120、縦の側壁スペーサ124、および、N井戸110の残りの露出した表面上に堆積される。一実施形態によれば、マスク126は、さらなる処理ステップへの障壁として機能し得る。
次に、図2に示すように、凹部202は、P井戸108の上面内にエッチングされる。等方性のエッチング液を用いて、S/D拡張部118および120、トレンチアイソレーション領域112、ゲート誘電層114、および、側壁スペーサ122の間の露出したシリコンを選択的に除去する。エッチングは、凹部202のチップ部分204がゲート誘電層114の下に形成されるまで続けられる。このように、ソース・ドレイン凹部202は、ポリシリコンゲート電極118の両側かつ下に形成される。ソース・ドレイン凹部202のそれぞれは、ポリシリコンゲート電極118の下に各自のチップ部分204を有する。チャネル領域206は、チップ部分204の間を定める。トランジスタ104のマスク126は、トランジスタ104に対するさらなるプロセスを一時的に妨げることができる。
図3は、ソース・ドレイン領域形成後の図2の構造を示す。ソース・ドレイン領域は、シリコンゲルマニウム層302を形成するよう凹部202内のシリコンゲルマニウムをエピタキシャル成長させることにより形成され得る。シリコンゲルマニウムは、シャロー・トレンチアイソレーション領域112、ゲート誘電層114、側壁スペーサ122、および、マスク126の材料に対して、シリコン基板106の材料上に選択的に成長する。シリコンゲルマニウム結晶は、SiO2またはSi3N4誘電層上には成長しない。当業者であれば、シリコンゲルマニウムを堆積するよく知られた技術は数多く存在することを認識しているであろう。例えば、ある堆積技術は、減圧化学蒸着(CVD)エピタキシャル付着を含み得る。他の堆積技術は、大気CVDエピタキシおよび超高真空CVDエピタキシを含む。各堆積技術は、堆積したシリコンゲルマニウム層302が単結晶で形成されるときの特定の形式の気相成長である。一実施形態では、シリコンゲルマニウム合金は、およそ5%乃至50%のゲルマニウム組成物を含み得る。
一実施形態によれば、シリコンゲルマニウム堆積方法は、CVDエピタキシを含む。エピタキシは、摂氏600度乃至800度、圧力10乃至760トルで発生し得る。H2、N2、または、Heのいずれかがキャリヤガスとして用いられ得る。シリコン源の前駆ガスは、SiH2Cl2、SiH4、または、Si2H6であり得る。一実施形態では、GeH4は、ゲルマニウム源の前駆ガスである。HClまたはCl2がエッチング液として加えられることにより、堆積の材料選択の幅を広げ得る。一実施形態では、結果として生じたシリコンゲルマニウム層302が凹部202内に堆積されることにより、ソース・ドレイン領域を形成する。シリコンゲルマニウム302の層は、およそ500乃至2000オングストロームの厚さを有し得る。図3は、堆積したシリコンゲルマニウム層302が基板106の上面に伸びる一実施形態を示す。シリコンゲルマニウム層302は、基板106の上面の上下両方に形成される。基板106の上面の上にシリコンゲルマニウム層302を形成することにより、隆起したソース・ドレイン領域が形成され、導電性が向上する。そして、導電性が向上することにより、デバイス性能も高まる。他の実施形態では、シリコンゲルマニウム層302は、およそ200乃至1000オングストロームの厚さを有する。
シリコンゲルマニウム層302は、ドーピングされることにより、その電気および化学特性が調整され得る。ドーピングは、さまざまなドーパントを用い、さまざまなドーピング技術により起き得る。例えば、シリコンゲルマニウムは、その場で、ホウ素などのp型不純物をドーパント濃度レベル1×1018/cm3乃至3×1021/cm3までドーピングされ得る。濃度は、好ましくは、ほぼ1×1020/cm3がよい。PMOSデバイスを製造する一実施形態では、シリコンゲルマニウムは、エピタキシの間にその場で、上記前駆ガス、および、シリコンゲルマニウムエピタキシャル付着の間のホウ素ドーパントのソースとしての追加のB2H6前駆ガスを利用することにより、ホウ素でドーピングされる。凹部202の形状上、側壁スペーサ122により遮られる領域内に堆積された後にシリコンゲルマニウムをドーピングするのは非常に難しくなるという点で、シリコンゲルマニウムをその場でドーピングすることはメリットがある。当業者であれば、シリコンゲルマニウム層302をドーピングするには他の技術も用いられ得ることを認識しているであろう。
一実施形態では、ホウ素ドーパントの一部は、シリコンゲルマニウムが堆積されないときに加えられる。すなわち、堆積後、ホウ素原子は、シリコンゲルマニウム層302内にあるが、それらがホール(すなわち電子の欠乏)を提供できる格子内のシリコンサイトには置換されていない。一実施形態では、ドーパントの熱活性化は、次の処理ステップ(例えばシリサイドアニール)まで延期され、熱量を低減させてその結果ドーパント拡散を生じることにより急激にソース・ドレイン接合を形成せしめ、デバイス性能を向上させる。
上述のごとく、堆積したシリコンゲルマニウムは、大きい格子定数を有し、その大きさは、シリコンゲルマニウム合金におけるゲルマニウムの原子百分率に基づく。シリコンゲルマニウムの格子は、シリコン基板106上に堆積されると、結晶成長に合わせて圧縮される。ソース・ドレイン領域を形成するシリコンゲルマニウム層302における圧縮は、シリコンゲルマニウムソース・ドレイン領域間と、ゲート誘電層114の下(すなわちトランジスタ102のチャネル206)に配置されるシリコン基板106領域内をさらに圧縮する。この圧縮によりチャネル領域内に異方性原子構造が形成され、チャネル材料の伝導および価電子帯を変化させる。圧縮応力は、シリコン基板106のチャネル領域における正孔有効質量をさらに減少させ、そして、正孔移動度を向上させる。正孔移動度が増すことにより、結果として生じるMOSトランジスタの飽和チャネル電流を増加させ、それによってデバイス性能は向上する。
図4は、一実施形態における犠牲層堆積後の図3の構造を示す。一実施形態では、犠牲層は、シリコンゲルマニウム層302の露出した表面に選択的に堆積されるシリコン402の薄層を含む。シャロー・トレンチアイソレーション領域112、ゲート誘電層114、側壁スペーサ122、および、ハードマスク126に対して、シリコンは、シリコンゲルマニウム層302の材料上に選択的に成長することに注目されたい。シリコン層402は、SiO2またはSi3N4誘電層上には成長しない。シリコン402の層の厚さは、シリコン402の層上に堆積されるべき金属のタイプおよび厚さにもよるが、200A乃至400Aの範囲におよぶ。一実施形態では、堆積技術は、減圧化学蒸着(CVD)エピタキシャル付着を含み得る。他の実施形態では、堆積技術は、大気CVDエピタキシおよび超高真空CVDエピタキシを含む。各堆積技術は、堆積したシリコン層402が単結晶で形成されるときの特定の形の気相成長である。他の実施形態では、犠牲層は、シリコンゲルマニウム層内のゲルマニウムより少ないゲルマニウム成分を有するシリコンゲルマニウムを含む。例えば、犠牲層は、およそ30%までのゲルマニウム成分を有するシリコンゲルマニウムを含み得る。
堆積プロセスは、ガスを通気孔に送ることを2つの理由から含み得る。1つには、DCSおよびHCLの流れを望ましい設定点に安定化させるためであり、2つには、温度を望ましい温度(摂氏777度乃至825度)に逓増させるためである。
図5は、一実施形態におけるトランジスタ104からマスク126を除去した後の図4の構造を示す。マスク126は、図5に示されるような露出したトランジスタ104の構造を残して除去される。特に、トランジスタ104の露出した部分は、ソース・ドレイン領域130、側壁スペーサ124、および、ゲート電極120を含む。トランジスタ102の露出した部分は、シリコン層402、側壁スペーサ122、および、ゲート電極118を含む。
図6は、金属蒸着後の図5の構造を示す。ニッケルのような金属602は、トランジスタ102および104の両方に堆積される。当業者であれば、金属602を堆積する多くの方法があることを認識しているであろう。堆積技術の一例は、標準的なスパッタリング技術(すなわち物理蒸着「PVD」)を含む。金属602は、トランジスタ102および104の特定の成分と反応する。続いて、トランジスタ102および104の成分と反応しなかった金属602が除去される。
図7は、一実施形態による図6におけるトランジスタ102および104と金属との反応後のトランジスタの断面側面図である。図7は、また、自己整合シリサイド層702および704の形成も示している。当業者であれば、シリサイド層は、高融点金属の薄層を堆積することにより形成されることを認識しているであろう。
高融点金属は、特に、コバルト、チタン、および、ニッケルを含む。一実施形態では、高融点金属は、ニッケルである。高融点金属の選択には、同じ基板上の、ソース・ドレイン領域を占める基礎をなすシリコンゲルマニウム層302、および、対応するNMOSデバイスの露出したソース・ドレイン領域との電気的な互換性のみならず、機械および化学的互換性も考慮に入れることが要求される。例えば、シリサイド層は、シリサイド層と基礎をなすシリコンゲルマニウム層302との間の界面抵抗を減少させることを促進すべく連続しかつ均一でなくてはならない。ニッケルは、シリコンおよびゲルマニウムと均一に反応する傾向にあり、安定な三元系Ni(SiGe)相を形成する一方で、コバルトおよびチタンがシリコンと優先的に反応し、かつ、シリコンゲルマニウム合金302のゲルマニウム成分を分離する。さらに、チタンおよびコバルトベースのシリコンゲルマニウムシリサイドは、ニッケルシリコン・ゲルマニウムシリサイドに比べ、熱的安定度が低くなっている。高融点金属の選択が適切でないと、シリサイドと半導体と間に理想的な界面ができず、電気的に互換性のある材料かどうかに関わらず界面抵抗が増すことになる。
図7は、高融点金属がPVDニッケルである一実施形態を示す。環境的に、PVDニッケルの堆積は、摂氏20度乃至200度、圧力50ミリトル未満で起きる。ニッケルの厚さは、50乃至200オングストロームであってよい。ニッケルの堆積に続き、例えば、急速熱アニール(PTA)装置を用い、摂氏325度乃至450度で60秒以下の急速形成アニールが実行される。この形成アニールの間に、シリコン層402の上にあるニッケル層602が反応して図7に示すようなニッケルシリコンゲルマニウムシリサイド702の第1の層と、ニッケルシリコンシリサイド704の第2の層とが形成される。一実施形態では、堆積したニッケル602は、およそ200乃至400オングストロームの厚さを有し得る。ニッケル602は、シリコン基板106の露出した表面全体に堆積されるので、反応していないニッケル(すなわちシリコンまたはシリコンゲルマニウムと反応せずに、側壁スペーサ122またはアイソレーション領域112の上に堆積されるにつれその下の層と共にシリサイドを形成するニッケル)は、例えば、熱いH2O2および熱いH2SO4の混合物のウェットエッチングの化学作用を用いて除去される。その後、シリコンゲルマニウム層302(ソース・ドレイン領域)およびゲート118領域の上にある残りの反応したニッケルは、摂氏400度乃至550度での最終的なアニールを経て、図7に示すような構成のニッケルシリコンゲルマニウムシリサイド702およびニッケルシリコンシリサイド704が完成する。シリサイド層702および704はさらに、例えば窒化チタンキャップ(図示せず)で覆われることにより、ニッケルシリコンゲルマニウムシリサイド層702およびニッケルシリコンシリサイド層704がよく知られた従来技術のような次なる処理ステップの間に酸化するのを防止する。一実施形態では、各シリサイド層は、200乃至400オングストロームの厚さを有する。
図8は、他の実施形態におけるトランジスタ104からマスク126を取り除いた後の図3の構造を示す。マスク126は、続いて図8に示されるように露出したトランジスタ104の構造を残して除去される。特に、トランジスタ104の露出した部分は、ソース・ドレイン領域130、側壁スペーサ124、および、ゲート電極120を含む。
図9は、一実施例における犠牲層堆積後の図8の構造を示す。犠牲層は、例えば、シリコンを含み得る。シリコン902の薄層は、トランジスタ106のシリコンゲルマニウム層302の露出した表面に選択的に堆積される。シリコン902の薄層は、トランジスタ104のソース・ドレイン領域130の露出した表面に堆積される。シリコン902の層の厚さは、シリコン902の層上に堆積される金属のタイプおよび厚さにもよるが200オングストローム乃至400オングストロームの範囲であり得る。シリコン902の層の堆積プロセスは、図4を参照してすでに説明されている。
図10は、例えばニッケルなどの金属1002を堆積した後の図9の構造を示す。金属層1002の堆積プロセスは、図6を参照してすでに説明されている。
図11は、金属がトランジスタ102および104と反応した後の図10の構造を示す。反応プロセスは、図7を参照してすでに説明されている。
図12は、図7乃至11のトランジスタを製造する方法を示すフローチャートである。1202において、図1に示すようにゲート電極が形成される。1204において、図2に示すようにソース・ドレイン領域が基板にエッチングされる。図1206において、図3に示すようにシリコンゲルマニウム合金がソース・ドレイン領域内に堆積される。1208において、図4および9に示すように、材料の犠牲層がシリコンゲルマニウム合金に堆積される。一実施形態において、犠牲層は、シリコンを含む。1210において、図6および10に示すように、ニッケルなどの金属が犠牲層上に堆積される。金属、犠牲層、および、シリコンゲルマニウム合金間の接触は、2層のシリサイドをなす。1212において、金属がシリコンゲルマニウムと反応して第1のシリサイド層を形成する。一実施形態では、第1のシリサイド層は、シリコンゲルマニウムと反応するニッケルにより形成されるニッケルシリコンゲルマニウムシリサイドを含む。1214において、金属は、犠牲層と反応することにより、第2のシリサイド層を形成する。一実施形態では、第2のシリサイド層は、シリコンと反応するニッケルにより形成されるニッケルシリコンシリサイドを含む。
本願明細書中に記載される方法の動作は特定の順序で示されかつ記載されているが、各方法の動作の順序は、変更可能であり、したがって、特定の動作が逆の順序で実行されてよく、または、特定の動作が、少なくとも一部、他の動作と同時に実行されてもよい。他の実施形態では、命令または異なる動作の下位動作も断続的および/または交互にあってよい。
上記明細書において、発明は、その特定の例示的実施形態を参照して説明されている。しかしながら、添付の請求項の範囲に記載された発明のより広い趣旨および範囲から逸脱せずにさまざまな修正および変更がなされうることは明らかであろう。したがって、明細書および図面は、限定ではなく例示的なものとしてみなされるべきである。