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JP2014042008A - 電界効果半導体デバイスを製造する方法 - Google Patents

電界効果半導体デバイスを製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】改善したオフセットスペーサのプロファイルを有するゲルマニウムチャネル層を備えたトランジスタデバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン層またはSiGe層を含むダミーゲート構造(DG)をゲルマニウムチャネル層(CL)上に設ける工程と、シリコン層またはSiGe層側面にシリコン酸化物を形成するように、かつ、ゲルマニウムチャネル層の上に形成された幾らかのゲルマニウム酸化物を除去するように適合した溶液に、ゲルマニウムチャネル層とゲート構造をさらし、側壁(SW1,SW2)を形成する工程と、ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン材料を選択的にエピタキシャル成長させることにより、ダミー構造に隣接するゲルマニウムチャネル層の上に、隆起したソース/ドレイン構造(S,D)を設ける工程とを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、概して電界効果半導体デバイス、例えば電界効果トランジスタ(FET)に関し、幾つかの態様では、置換ゲート(replacement gate)プロセスを含む電界効果半導体デバイスを製造する方法に関する。
電界効果半導体デバイスの大規模な集積について、依然として種々の課題が存在している。FETトランジスタのゲート長が減少し続けているので、トランジスタの性能にとってはオフセットスペーサの設計が重要になっている。側壁スペーサとも呼ばれるこのような誘電体オフセットスペーサは、要求される寸法がますます小さくなっており、オフセットスペーサのプロファイルを画定するプロセスを制御して所望の臨界寸法を達成するのは、ますます困難である。
それゆえ、特に、置換ゲートプロセスやダマシンゲートプロセスとも呼ばれるゲートラストアプローチに従う製造プロセスでは、ゲート側壁スペーサを形成するためのプロセス技術を使用したゲートスペーサの寸法決め(dimensioning)に対する感度の増加に対処するニーズが存在する。
例えば米国特許出願公開第2007/0287259号には、置換ゲートプロセスに従って半導体構造を形成する方法で、ゲート絶縁スペーサを使用することが開示されている。
また、米国特許出願公開第2006/0148182号では、置換金属ゲートプロセスを使用して、自己整合型ソースドレイン量子井戸トランジスタまたは高電荷キャリア移動度トランジスタが形成され、側壁スペーサが一時的にダミーゲート電極を囲む(bracket)ようになっている。
オフセットスペーサによりソース/ドレイン(S/D)接合部が設けられると共に、エピタキシャル成長しかつ拡散が制限されたソース/ドレインのドープ領域を含むインプラントフリーデバイス、例えば極薄シリコンオンインシュレータ(ET−SOI)デバイスやインプラントフリー(implant free)量子井戸デバイス(例えば米国特許第7915608号)は、オフセットスペーサの臨界寸法(CD)に対して非常に高い感度を示す。オフセットスペーサのCDを最小化して、外部抵抗の増加とこれに続く駆動電流の低下を制限する必要がある一方、それを小さくしすぎると、ゲートとドレインとの間の高いリークを避けることはできない。例えばFINFETのような3Dデバイスでは、FIN側壁に沿って当該CDを制御することはさらに困難である。
FETデバイスを製造する既在の技術についての問題点は、依然として、ソース/ドレインエクステンションからゲートエッジまでの距離の正確な制御を欠いていることである。
本開示の目的は、改善したオフセットスペーサのプロファイルを有するゲルマニウムチャネル層を備えたトランジスタデバイスを製造する方法を提供することである。
この目的は、第1の独立請求項の技術的特性を示す方法により、本開示に従って達成される。
本開示の第1の態様に従って、ゲルマニウムチャネル層を備えたFETトランジスタデバイスを製造する方法が開示される。この方法は、
シリコン層またはシリコンゲルマニウム層を含むゲート構造をゲルマニウムチャネル層の上に設ける工程であって、
ゲート構造は、側壁によって横方向に区切られ、
シリコン層またはシリコンゲルマニウム層は、ゲート構造の或る高さレベルで、側壁と横方向に接しているようにした工程と、
シリコン層またはSiGe層のレベルで側壁の上にシリコン酸化物を形成するように、かつ、ゲルマニウムチャネル層の上に形成された幾らかの(any)ゲルマニウム酸化物を除去するように適合した溶液に、ゲルマニウムチャネル層とゲート構造をさらす(subject)工程と、
ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン材料を選択的にエピタキシャル成長させることにより、ダミー構造に隣接するゲルマニウムチャネル層の上に、隆起したソース/ドレイン構造を設ける工程とを含む。
上記方法による利点は、ゲート構造のシリコン層またはSiGe層の高さで、側壁スペーサをシリコン酸化物の形態で形成できる一方で、同時に、隆起した(elevated)ソース/ドレイン領域のエピタキシャル成長のためにゲルマニウムチャネル層が事前洗浄(precleaned)または準備されることである。このようにして、側壁スペーサの自動整合(auto-alignment)が生じる。さらに、隆起したソース/ドレイン構造の/当該構造のためのエピタキシャル成長は、シリコン酸化物層の上では生じない。典型的な先行技術のスペーサ技術では、SiNを、SiNに対してエピタキシャル成長が選択的であることを必要とするこれらのスペーサのために使用するが、これは幾分明確でない。ゲルマニウムチャネル層を備えたFETトランジスタデバイスが、既にシリコン酸化物を含むシャロートレンチアイソレーション(shallow trench isolation:STI)構造であって、当該構造に対するエピタキシャル成長が既に選択的である必要があるような構造と組み合わせてしばしば設けられることが当業者に理解されるであろう。
好都合なことに、本発明に係る電界効果半導体デバイスを製造する方法は、例えばオーバーラップとアンダーラップ(underlap)両方の電界効果半導体デバイスの設計について、ソース領域とドレイン領域のゲート電極エッジまでの距離を画定するための正確な制御を向上させるメカニズムを設けることにより、デバイスの性能特性(例えば抵抗、静電容量およびゲート−ドレインリーク)のより良好な制御と設計を可能にする。その意味で、好都合なことに、本発明に係る方法は、電界効果半導体デバイスの性能特性のより良好な再現性を可能にする。
好都合なことに、本発明に係る方法は、例えばインプラントフリー量子井戸(IFQW)FETデバイスやシリコンオンオキサイド(SOI)pFETデバイスのようなプレーナ型デバイスと、例えばFinFETデバイスのような非プレーナ型FETデバイスの両方の製造に適用できる。好都合なことに、非プレーナ型デバイスの場合、FIN壁に沿ったS/D−ゲートオーバーラップ/アンダーラップ距離がより正確に制御され、例えばFIN壁に沿った一定の外部抵抗(Rext)が達成される。
ソース/ドレイン材料は、アンドープまたはインサイチュドープ(in-situ doped)とすることができる。それは、SiGe(NMOSに好ましい)、GeもしくはGeSn(pMOSに好ましい)、または好適であることが当業者に知られている他の任意のエピタキシャル成長層を含むことができる。
本発明の実施形態によれば、「シリコン酸化物層」は、シリコン酸化物を90%より多く、または95%より多く、または99%より多く、または99.9%より多く、99.99%より多く含む層を指す。
ダミーゲート構造のシリコン層またはSiGe層は、アモルファスまたは多結晶とすることができる。
好ましい実施形態によれば、ゲート構造を設ける工程は、除去可能ゲート構造(removable gate structure:RMG)を設けることと、少なくとも1つのダミー酸化物層を設けることと、ダミーシリコン層またはダミーシリコンゲルマニウム層を設けることと、少なくとも1つの更なる誘電体層を設けることとを含む。
好ましい実施形態によれば、この方法は、パターニングとドライエッチングによってゲート構造のための横スペーサ構造を設ける工程を含まない。
本発明の実施形態の一利点は、スペーサの画定のためにドライエッチングが必要でなく、また、その自動整合性に起因して、整合誤差が存在しないことである。
好ましい実施形態によれば、この方法は、少なくとも1つのダミー酸化物層と、ダミーシリコン層またはダミーシリコンゲルマニウム層と、少なくとも1つの誘電体層とを除去する工程と、対応するゲート領域中にhigh−K誘電体層を設ける工程とをさらに含む。
ゲートとソース/ドレインとの間の距離を充分に制御できることは利点である。置換ゲートプロセスを適用する場合、シリコン層またはシリコンゲルマニウム層と、ダミーゲートスタックの任意の誘電体層を、このように形成されたシリコン酸化物スペーサに整合させることができる。さらに、high−K誘電体の使用は、FETトランジスタデバイスに対する好適な特性を提供できる。
好ましい実施形態によれば、溶液は、ゲルマニウム酸化物を除去し、シリコン酸化物に作用しないように適合している。
好ましい実施形態によれば、溶液は、Oと脱イオン化水とを含む。
好ましい実施形態によれば、この方法は、ゲルマニウムチャネル層とゲート構造とを、ほぼOフリーの脱イオン化水にさらす工程をさらに含む。
好ましい実施形態によれば、この方法は、シリコン酸化物の単一の閉じた(closed)単分子層より大きい厚さを有するシリコン層またはシリコンゲルマニウム層のレベルで、側壁の上にシリコン酸化物を形成する工程を含む。好ましくは、厚さは3nmより小さく、より好ましくは2nmより小さく、さらに好ましくは1nmより小さい。より大きい厚さを除外するものではない。
好ましい実施形態によれば、ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン層を選択的にエピタキシャル成長させる工程は、ゲルマニウムチャネル層の上にのみ成長させることを含む。
好ましい実施形態によれば、ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン層を選択的にエピタキシャル成長させる工程は、ゲート構造の上に成長させることも、ゲート構造の側壁の上の酸化物の上に成長させることも含まない。
好ましい実施形態によれば、この方法は、隆起したソース/ドレイン構造をゲルマニウムチャネル層の上に設けた後、隆起したソース/ドレイン構造とゲート構造の側壁の上の酸化物との間に、更なるスペーサ構造を設ける工程を含む。
これは、FETトランジスタデバイスの特性をさらに変更する利点を提供する。
好ましい実施形態によれば、ゲルマニウムチャネル層は、FINFETデバイスまたは同等の(similar)3DトランジスタデバイスのFIN構造である。
溶液によるウェットプロセスの等方性が、ドープされたソース/ドレイン領域とFIN側壁全体に沿ったチャネルとの間で一定のオフセットを生成するという利点を提供することが理解されるであろう。
さらに、本開示は、以下の説明および添付の図面により明らかにされることになる。
本開示に係る第1の実施形態を示す。 本開示に係る第2の実施形態を示す。 本開示に係る第3の実施形態を示す。 本開示に係る第4の実施形態を示す。 シリコン基板ウエハの上でのソース(S)とドレイン(D)の層成長後の上面SEM画像を示す。 シリコン基板ウエハの上でのソース(S)とドレイン(D)の層成長後の断面TEM画像を示す。
特定の実施形態に関して、特定の図面を参照しつつ本開示について説明することになる。しかし、本開示はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は概略的に過ぎず、非限定的である。説明目的のために、図面では幾つかのエレメントの大きさを誇張し、また、スケール通り描いていないことがある。寸法および相対寸法は、本開示を実施するための実際の縮小に必ずしも対応していない。
さらに、説明および請求項での用語「第1」「第2」「第3」などは、類似のエレメントを区別するために用いており、必ずしもシーケンス順、時系列を表すものではない。用語は、好適な状況下で交換可能であり、本開示の実施形態は、本明細書で説明、図示したものとは別のシーケンスで動作可能である。
また、説明および請求項での用語「上(top)」「下(under)」「〜の上方に(over)」「〜の下方に(under)」などは、説明目的で用いており、必ずしも相対的な位置を記述するために使用していない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であって、本明細書で説明した本開示の実施形態は、本明細書で説明または図示したものとは別の向きで動作可能である。
さらに、種々の実施形態について「好ましい」と述べるが、これは本開示を実施する例示的な態様であって、本開示の範囲を制限するものでないと解釈すべきである。
請求項で用いる用語「備える、有する、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定するものと解釈すべきでない。それは、他のエレメントまたは工程を除外しない。記述した特徴、整数、工程またはコンポーネントの存在は、参照したように特定するよう解釈する必要があるが、1つ以上の他の特徴、整数、工程もしくはコンポーネント、またはこれらのグループの存在または追加を除外しない。したがって、「AとBとを備えたデバイス」という表現の範囲を、コンポーネントAとBのみからなるデバイスに限定すべきでなく、本開示に関して、AとBがデバイスのコンポーネントとして列挙されているに過ぎない。さらに、請求項は、これらのコンポーネントの等価物を含むと解釈すべきである。
図1は、本開示の一実施形態に係るFETトランジスタデバイスの製造初期段階での断面図を示しており、当該デバイスは、チャネル層またはチャネル領域を有する基板層SLと、チャネル領域の両端に位置しかつ当該チャネル領域に隣接したソース領域Sおよびドレイン領域Dと、ダミーゲートDGと、ダミー誘電体DDとを備える。シリコン酸化物層OXが、ダミーゲート構造内の多結晶シリコン層の側壁SW1,SW2を覆い、側壁SWO1,SWO2を画定する。
このデバイスは、以下のように製造できる。
基板層SLの上にゲルマニウムチャネル層CLを堆積させ、続いてダミー誘電体層DDとDGアモルファスシリコンまたは多結晶シリコン層(あるいは、例としてSiGe層を使用できる)を堆積させる。次に、DD層で停止するドライエッチングプロセスを使用してDG層をパターニングする。次に、ウェットプロセスまたはドライプロセスのいずれかにより、DGとCL層に向けてDD層を選択的に除去する。シリコン酸化物誘電体層の場合、フッ化水素酸を使用したウェットプロセスによりDDを除去できる。この時点で、本開示は洗浄工程を含む。洗浄工程では、DGから露出したシリコンを酸化して薄い化学的SiO層OXとする一方で、露出したゲルマニウムCLの上に成長した最終のGeOxを最小化し、後続のソースS層とドレインD層の選択的なエピタキシャル成長が、露出した酸化物フリーのゲルマニウムCL層の上でのみ生じ、酸化されたDGの上部と側壁の上でブロックされるようにする。これにより、ダミーゲートのシリコンまたはシリコンゲルマニウムの側壁にシリコン酸化物が形成されることに加えて、ダミーゲートの上に保護酸化物層が設けられることが想定される。あるいは、当該技術分野で知られているように、ダミーゲートのシリコンまたはシリコンゲルマニウムの上にシリコン酸化物のハードマスクを付加する別の工程を適用できる。
図2には同様のデバイスを示しており、スペーサs11とs12が、ダミーゲート構造の酸化側壁OXの上に、かつ/または、当該酸化側壁OXに隣接し、もしくは隣り合う状態で設けられ、さらにFETトランジスタデバイスの特性を規定するようにしている。
スペーサS11とS12は、好ましくはDDおよびOXとは異なる材料から作成され、S11とS12に向かうDDのウェット除去について、充分に高い選択性が存在する。これらのスペーサS11とS12は、S層とD層の成長後に堆積させ、異方的にパターニングする。これらのスペーサの主な目的は、DG層とDD層と側壁シリコン酸化物OXの除去(置換ゲートフロー)後に残ったキャビティの横方向の大きさの大幅な増加を妨げることである。
図3は、スペーサをパターニングしてDGキャビティの横方向の大きさを制御するのでなく、同じ目的で均一層L1を堆積させることができる類似の実施形態を示す。この層は、例えば窒化ケイ素を含むことができる。
図4は、置換ゲートプロセス後の本発明の別の実施形態を示す。図2に関して開示した実施形態から、DG層とDD層とOX層を選択的にS11とS12(例えば窒化ケイ素が可能である)まで除去した後、キャビティを最終のゲートスタックで充填する。最終のゲートスタックは、典型的にhigh−K(高誘電率)誘電体である誘電体層DLと、最終の導電性ゲートスタック材料GEとからなる。このように、いわゆる除去可能ゲート、high−Kラストのフローによって組合せを作る。ゲート誘電体とシリコン層の側壁に形成される酸化物とを含むダミーゲートDGを除去してhigh−K誘電体で置換し、側壁SWD1,SWD2を画定する。GEのエッジとドープされたS層およびD層との間に、誘電体厚さD1で最終のオフセットを設ける。充分に制御されたDL層の堆積は、ドーパントの拡散に応じて、残りのプロセス中に、ゲートスタックGEの下側で高度に制御されたドーパントのアンダーラップまたはオーバーラップを可能にする。
図5と6は、シリコン基板ウエハの上にソース(S)層とドレイン(D)層が成長した後の上面SEM画像と断面TEM画像を示す。図6は、図1に関して説明した実施形態に対応する。この実験で、層SLは、シリコン基板の上にエピタキシャル成長した厚いSiGe緩和層(relaxed layer)である。CLは、SiGeのSL層の上にエピタキシャル堆積したゲルマニウム層である。DDは、厚さ5nmのシリコン酸化物層である。ダミーゲート層DGは、厚さ100nmのドライパターニングされたアモルファスシリコン層である。DD層のウェット除去後、O3/DIW洗浄工程とOフリーDIW洗浄工程を実施した。これに続いて、厚さ10nmのSとDのゲルマニウム層をエピタキシャル成長させた。本開示で説明しているように、S層とD層は露出したCL層の上でのみ成長しており、DG層とOX層の上で成長は起こっていない。TEM画像は、ダミーゲート構造の側壁での酸化物の存在を示している。
要約すると、ダミー多結晶シリコン(ポリsi)またはSiGeゲートとゲルマニウムチャネルが異なる材料であることに起因して、ソース/ドレインのエピタキシャル堆積前に、ゲルマニウム活性領域に対するポリsiまたはSiGeゲートの選択的酸化を適用できる。一例では、O/DIWリンスを使用した後、好ましくはOフリーDIWウェットリンスを使用し、シリコンまたはSiGeゲートの化学酸化物を作成する一方で、ゲルマニウム表面にゲルマニウム酸化物が存在しない状態とする。それゆえ、先行技術で典型的に必要とされる、O3/DIW洗浄と任意のOフリーDIW洗浄の後のオフセットスペーサの封入を必要とすることなく、インサイチュドープされ、エピタキシャル成長したS/Dを、ゲートに向かって選択的に成長させることができる。これは、例えばFINFETデバイスのような3Dデバイスに特に魅力的であり、等方性ウェット処理は、FIN側壁全体に沿って、S/Dエピタキシャル層とダミーゲートとの間の一定のオフセットを可能にする。後続のRMG−high−K−ラストのフローにおいて、high−Kの堆積は、S/Dドーパントとチャネルとの間に高度に制御されたオフセットを提供する。
本発明の実施形態についての一般的な特徴は、S/D領域のエピタキシャル成長の前に選択的な低温酸化プロセスを使用することである。ゲルマニウムチャネルデバイスでは、かかる処理の例は、O3/脱イオン化水(DIW)中でのウェット化学洗浄である。ゲルマニウムに対するポリSiの選択的な酸化はポリSiゲートと側壁の酸化層での成長を生じない一方、インサイチュドープされたエピタキシャル層はゲルマニウムS/D領域の上で成長する。このように、S/Dドープされたエピタキシャル層をポリSiゲートに対して整合させるために、オフセットスペーサの形成プロセスが必要とされない。
RMG−HKLフローと組み合わせて、堆積したhigh−Kの厚さにより、RMG金属ゲート材料とS/D接合部との間の最小の分離が制御される。さらに、S/D接合部とゲートとの間のオーバーラップは、コンタクトエッチストップ層(CESL,L1)または第2スペーサ材料の損失を、S/Dドーパントの選択的な拡散と組み合わせて制御することにより増大させることができる。好ましくは、除去工程の不完全な選択性に起因するこの損失は、ゲート構造の横寸法方向または幅方向でのコンタクトエッチストップ層(CESL,L1)または第2スペーサ材料を、2nmを超えて除去しない。

Claims (13)

  1. ゲルマニウムチャネル層を備えたFETトランジスタデバイスを製造する方法であって、
    シリコン層またはSiGe層を含むゲート構造を前記ゲルマニウムチャネル層の上に設ける工程であって、前記ゲート構造は側壁によって横方向に区切られ、前記シリコン層またはSiGe層は前記ゲート構造の或る高さレベルで前記側壁と横方向に接しているようにした工程と、
    前記シリコン層またはSiGe層のレベルで前記側壁の上にシリコン酸化物を形成するように、かつ、前記ゲルマニウムチャネル層の上に形成された幾らかのゲルマニウム酸化物を除去するように適合した溶液に、前記ゲルマニウムチャネル層と前記ゲート構造をさらす工程と、
    前記ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン材料を選択的にエピタキシャル成長させることにより、前記ダミー構造に隣接する前記ゲルマニウムチャネル層の上に、隆起したソース/ドレイン構造を設ける工程とを含む方法。
  2. 前記ゲート構造を設ける工程は、
    除去可能ゲート構造を設けることと、
    少なくとも1つのダミー酸化物層を設けることと、
    ダミーシリコン層またはダミーSiGe層を設けることと、
    少なくとも1つの誘電体層を設けることとを含む、請求項1に記載の方法。
  3. パターニングとドライエッチングによって前記ゲート構造のための横スペーサ構造を設ける工程を含まない、請求項2に記載の方法。
  4. 前記少なくとも1つのダミー酸化物層と、前記ダミーシリコン層またはダミーSiGe層と、前記少なくとも1つの誘電体層とを除去する工程と、
    対応するゲート領域中にhigh−K誘電体層を設ける工程とをさらに含む、請求項2または3に記載の方法。
  5. 前記溶液は、ゲルマニウム酸化物を除去し、シリコン酸化物に作用しないように適合した、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記溶液は、Oと脱イオン化水とを含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記ゲルマニウムチャネル層と前記ゲート構造とを、ほぼOフリーの脱イオン化水にさらす工程をさらに含む、請求項6に記載の方法。
  8. シリコン酸化物の単一の単分子層より大きい厚さを有する前記シリコン層またはSiGe層のレベルで、前記側壁の上に前記シリコン酸化物を形成する工程を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 3nmより小さい厚さを有する前記シリコン層またはSiGe層のレベルで、前記側壁の上に前記シリコン酸化物を形成する工程を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン層を選択的にエピタキシャル成長させる工程は、前記ゲルマニウムチャネル層の上にのみ成長させることを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記ゲルマニウムチャネル層の上にソース/ドレイン層を選択的にエピタキシャル成長させる工程は、前記ゲート構造の上に成長させることも、前記ゲート構造の前記側壁の上の前記酸化物の上に成長させることも含まない、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記隆起したソース/ドレイン構造を前記ゲルマニウムチャネル層の上に設けた後、前記隆起したソース/ドレイン構造と前記ゲート構造の前記側壁の上の前記酸化物との間に、更なるスペーサ構造を設ける工程を含む、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記ゲルマニウムチャネル層は、FINFETデバイスまたは同等の3DトランジスタデバイスのFIN構造である、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
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