誘電体エッチストップ層の選択的形成
【解決手段】 パターニングされた金属フィーチャの上方に誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法を開示する。実施形態には、当該方法に従って形成されたエッチストップ層をゲート電極の上方に設けているトランジスタが含まれる。本発明の特定の実施形態によると、ゲート電極の表面上に金属を選択的に形成して、当該金属をケイ化物またはゲルマニウム化物に変換する。他の実施形態によると、ゲート電極の表面上に選択的に形成された金属によって、ゲート電極の上方にシリコンまたはゲルマニウムのメサを触媒成長させる。ケイ化物、ゲルマニウム化物、シリコンメサ、またはゲルマニウムメサの少なくとも一部を酸化、窒化、または炭化して、ゲート電極の上方にのみ誘電体エッチストップ層を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体デバイスの分野に属する。より具体的には、誘電体エッチストップ層の選択的形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトランジスタのゲート電極は、窒化シリコン層等のハードマスクまたはエッチストップ層をポリシリコンゲート層の上方で利用して、後続のエッチング工程においてゲート層を保護する場合がある。後続のエッチング工程は、例えば、ソース／ドレインコンタクトエッチングであって、ゲート電極が露出していると、ゲート電極との間で短絡が発生する可能性がある。従来のサブトラクティブプロセスでは、ゲート層に続いてエッチストップ層が連続して成膜され、リソグラフィー処理を一回行うことで同時にエッチングして、ゲート電極スタックを形成する。
【０００３】
このようなサブトラクティブ方式のゲート電極プロセスとは別に、高度なトランジスタ製造では、リプレイスメントゲート（Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｇａｔｅ）プロセスが選択されることが多くなっている。リプレイスメントゲートプロセスは通常、その他のトランジスタフィーチャ、例えば、誘電体スペーサおよび基板ドーピング領域が周囲に形成されているダミー構造またはマンドレルを利用する。最終的には、マンドレルを除去して、代わりに、高性能トランジスタとして適切な特性を持つ金属等のゲート電極材料を設ける。
【０００４】
しかしながら、リプレイスメント型のゲート電極プロセスは、アディティブ方式であり、ゲート層の上方にストップ層を導入する場合には有用性があまり高くない。例えば、リプレイスメント方式に従ってゲート層を成膜して平坦化するとしてもよいが、ゲート層成膜時に過剰に成膜された誘電体エッチストップ層を研磨することは困難である。このようなプロセスを行えば通常は、一部のゲート層が露出してしまうことになる。これに代えて、ゲート電極材料が平坦化された後に誘電層を成膜すると、この誘電層は、パターニングを実行して、トランジスタのソースまたはドレインといったほかのデバイス領域の上方に大きく入り込まないようにしつつ、ゲート電極の全面の上方にエッチストップ層を形成する必要がある。エッチストップ層を形成するためのこのようなパターニングはいずれの場合も、リソグラフィー処理を追加して行うことが必要となり、対応して位置合わせの許容差およびコストが発生する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の実施形態は、本発明を限定するものではなく例示するものとして、添付図面に図示される。図面は以下の通りである。
【０００６】
【図１】特定の実施形態に係る誘電体ゲートエッチストップ層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。
【０００７】
【図２】一実施形態に係る、誘電体ゲートエッチストップ層が形成されるべきゲート電極が形成された後の構造を示す断面図である。
【０００８】
【図３Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の表面の上に金属キャップを選択的に形成した後の構造を示す断面図である。
【０００９】
【図３Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の表面の上に触媒金属を選択的に形成した後の構造を示す断面図である。
【００１０】
【図４Ａ】一実施形態に係る、金属キャップがケイ素化またはゲルマニウム化された後のメサを示す断面図である。
【００１１】
【図４Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極表面の上方にメサが触媒成長した後の構造を示す断面図である。
【００１２】
【図５Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方のケイ素化またはゲルマニウム化された金属メサから誘電体エッチストップ層が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１３】
【図５Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方のメサから誘電体エッチストップ層が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１４】
【図６Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方の誘電体エッチストップ層の上に形成された層間誘電体（ＩＬＤ）内にコンタクト開口が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１５】
【図６Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方の誘電体エッチストップ層の上に形成されているＩＬＤ内にコンタクト開口が形成された後の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
アディティブプロセスで、パターニングされた金属フィーチャの上方に誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法の実施形態を記載する。本明細書ではさらに、このようなエッチストップ層をゲート電極の上方に設けたトランジスタも図面を参照しつつ説明する。具体的な実施形態によると、選択的に形成される誘電体エッチストップ層は、パターニングされたゲート電極の上方に形成されており、パターニングされたゲート電極に隣接するＩＬＤの上方には形成されない。本発明の特定の実施形態によると、ゲート電極の表面の上に金属を選択的に形成した後で、当該金属をケイ化物またはゲルマニウム化物へと変換する。他の実施形態によると、ゲート電極の表面の上に選択的に形成された金属は触媒金属であり、当該触媒金属によって、ゲート電極の上方にシリコンまたはゲルマニウムのメサを触媒成長させることができる。そして、ケイ化物、ゲルマニウム化物、シリコンメサ、またはゲルマニウムメサの少なくとも一部を酸化、窒化、または炭化して、ゲート電極の上方にのみ誘電体エッチストップ層を形成する。このようにして形成された誘電体エッチストップ層によってゲート電極が保護されるために、コンタクトリソグラフィーおよびコンタクトエッチングの条件が緩和されて、トランジスタコンタクトの限界寸法、および位置合わせに関する自由度を高くすることができるとしてよい。
【００１７】
しかしながら、特定の実施形態は、上述した具体的且つ詳細な事項のうち一部を省略して、または、その他の公知の方法、材料、および装置と組み合わせて実施するとしてもよい。例えば、金属ゲート電極を前提として説明しているが、本明細書で説明する技術はパターニングで形成される他の金属フィーチャ、例えば、これに限定されないが、配線に容易に応用され得る。以下に記載する説明では、本発明を完全に説明することを目的として、具体的な材料、寸法、および、材料パラメータ等、具体的且つ詳細な内容を数多く記載する。また、公知の設計技術および製造技術については、本発明の内容を不要にあいまいにすることを避けるべく、詳細な説明を省略している。本明細書において「実施形態」と記載する場合、当該実施形態に関連付けて説明される特定の特徴、構造、材料、または特性は、本発明の実施形態のうち少なくとも１つに含まれることを意味する。このため、本明細書において「実施形態によると」という記載は繰り返し用いられるが、必ずしも本発明の実施形態のうち同じものを指すとは限らない。また、具体的な特徴、構造、材料、または特性は、１以上の実施形態において、適切であればどのように組み合わせるとしてもよい。また、具体的な実施形態同士が一部共通点を有する場合には組み合わせ得るものと理解されたい。
【００１８】
「上方に」、「下方に」、「間に」、および「上に」といった用語は、本明細書で用いられる場合、ある部材とその他の部材との相対的な位置関係を示す。例えば、ある部材が別の部材の上方または下方に配設されている場合、これら２つの部材は直に接触しているとしてもよいし、または、間に介在する部材が１以上設けられているとしてもよい。また、ある部材が複数の部材の間に配設されている場合、２つの部材は直に接触しているとしてもよいし、または、間に介在する部材が１以上設けられているとしてもよい。これとは対照的に、第１の部材が第２の部材の「上に」ある場合、第１の部材と第２の部材は接触している。また、ある部材と他の部材との間の相対的な位置関係は、基板と相対的に処理が実行されるものと仮定した上で記載されており、基板の絶対的な配向については考慮していない。
【００１９】
図１を参照しつつ説明すると、動作１０１において、ゲートリプレースメントプロセスの一環としてプレースホルダまたはマンドレルゲート電極によって残されているゲート電極トレンチに仕事関数材料を堆積させる。動作１１０においてゲート電極トレンチを略充填して、動作１１５において平坦化して、基板２０２の内部および上方に半導体デバイス２００を形成する。この様子は図２に示す。
【００２０】
基板２０２は、半導体デバイス製造に適切であればどのような材料で形成されているとしてもよい。一実施形態によると、基板２０２は、所与の材料の単結晶で形成されているバルク基板である。所与の材料は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、または、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含むとしてよい。別の実施形態によると、基板２０２は、上部エピタキシャル層を含むバルク層を有する。具体的な実施形態によると、バルク層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、および、石英を含む材料の単結晶から形成されており、上部エピタキシャル層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む単結晶層から形成されている。別の実施形態によると、基板２０２は、上部エピタキシャル層と、中間絶縁層と、下部バルク層とを含んでおり、上部エピタキシャル層は中間絶縁層の上に形成されており、中間絶縁層は下部バルク層の上方に形成されている。上部エピタキシャル層は、これらに限定されないが、シリコン（つまり、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）半導体基板を形成）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、および、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む単結晶層から形成されている。絶縁層は、これらに限定されないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、および、酸窒化シリコンを含む材料から形成される。下部バルク層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、および石英を含む単結晶から形成されている。基板２０２はさらに、ドーパントである不純物原子を含むとしてよい。
【００２１】
ゲート誘電体層２０８は、基板２０２からゲート電極２１０を電気的に絶縁するのに適した材料であればどのような材料から形成されているとしてもよい。一実施形態によると、ゲート誘電体層２０８は、熱酸化プロセスまたは化学気相成長プロセスによって形成され、これらに限定されないが、二酸化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの材料から形成されている。別の実施形態によると、ゲート誘電体層２０８は、原子層堆積によって形成されており、これらに限定されないが、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、酸窒化ハフニウム、または、酸化ランタンなどの高ｋ誘電材料から構成されている。
【００２２】
ゲート電極２１０は、半導体デバイスの電極としての利用に適した材料であればどのような材料で形成されているとしてもよい。本発明のある実施形態によると、ゲート電極２１０は金属を含む。特定の実施形態によると、ゲート電極の露出面に存在する少なくとも１種類の金属は、ケイ化物またはゲルマニウム化物を容易に形成しない金属であるか、または、シリコンまたはゲルマニウムの成長を容易に触媒しない金属である。一実施形態によると、ゲート電極２１０は、これらに限定されないが、金属窒化物、金属炭化物、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケル、金属アルミナイド、伝導性の金属酸化物、および、これらの組み合わせ等の材料を含む。特定の実施形態によると、ゲート電極２１０は、仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂを含む多層金属スタックから構成されている。
【００２３】
一実施形態によると、誘電体側面スペーサ２１４は、基板２０２およびプレースホルダゲート電極の上方に誘電体層を成膜した後で、異方性エッチングプロセスで当該誘電体層をエッチングすることによって形成される。具体的な実施形態によると、誘電体側面スペーサ２１４は、これらに限定されないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、および酸窒化シリコンを含む材料から構成されている。ＩＬＤ２１２は、これらに限定されないが、ドーピングされていない、または、ドーピングされている（例えば、炭素でドーピングされている）ガラス等、任意の従来の誘電体であってよい。
【００２４】
ソース領域およびドレイン領域２０４は、プレースホルダゲート電極および誘電体側面スペーサ２１４によって堰き止めつつ、ドーパントである不純物原子を基板２０２に注入することによって形成されている。ソース領域およびドレイン領域２０４は、先端拡張領域と一体化されており、チャネル領域２０６をさらに画定している。本発明の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、Ｎ型ドーピング領域である。一実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、５×１０１６から５×１０１９原子／ｃｍ３の範囲内の濃度で、リンまたはヒ素であるドーパント不純物原子が注入されて構成されている。本発明の別の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、Ｐ型ドーピング領域である。一実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、５×１０１６から５×１０１９原子／ｃｍ３の範囲内の濃度で、ホウ素であるドーパント不純物原子が注入されて構成されている。別の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、ケイ素化プロセスによって金属化される。
【００２５】
図３Ａに示すように、ゲート層を平坦化してゲート電極を形成した後、ゲート電極２１０の露出面の上方に金属キャップ３２０を選択的に形成する。第１の実施形態によると、図１の動作１２０において、ゲート電極の上に選択的に堆積させられる金属は、ケイ化物、ゲルマニウム化物、または、これらの混合物を、ゲート電極２１０の露出面の上の金属よりも容易に形成可能な金属を含む。ケイ化物を形成可能な金属の例を挙げると、コバルト、ニッケル、チタン、白金、タングステン、バナジウム、パラジウム、銅、タンタル、および、アルミニウムが含まれる。このような金属のうちいずれか任意のものおよびこれらの混合物を、許容範囲内の低い処理温度でケイ化物を形成する公知のほかの金属と共に、利用するとしてよい。仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂの両方がケイ化物を形成可能な金属である特定の実施形態では、処理１２０は省略されるとしてよい。このように、金属キャップ３２０が必要か否か、および、金属キャップ３２０の組成は、動作１１５で形成されるゲート電極の組成に応じて決まる。
【００２６】
代替的な実施形態によると、動作１２５において、触媒金属をゲート電極２１０の露出面に選択的に堆積させて、金属キャップ３２０を形成する。触媒金属は、シリコン、ゲルマニウム、またはＳｉＧｅ合金の成長を、ゲート電極２１０の露出面の金属よりも容易に、触媒することが可能な金属であればどのような金属を含むとしてもよい。このため、金属キャップ３２０の組成はこの場合も、ゲート電極の組成に応じて選択されるとしてよい。シリコン、ゲルマニウム、またはＳｉＧｅ合金の成長を触媒として促進可能であると公知である金属であれば、どのような金属を金属キャップ３２０として利用するとしてもよい。触媒金属の例としては、コバルト、ニッケル、パラジウム、金、白金、ガリウム、および、これらの混合物が挙げられる。仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂの両方がシリコンまたはゲルマニウムの成長を触媒可能な金属である特定の実施形態では、処理１２５は省略されるとしてよい。
【００２７】
具体的に実施する場合には、電解メッキまたは無電解メッキを用いて、（例えば、後でケイ化物の形成またはシリコン成長の触媒を実行することを目的として）ゲート電極表面に約２ｎｍから約３０ｎｍの厚みまで、金属キャップ３２０を選択的に堆積させるとしてもよい。無電解メッキは、外部から電流を印加することなく電解液を化学的に還元することによって、面上に所与の材料の層を成膜するためのプロセスである。一般的な無電解メッキは、基板を無電解メッキ浴に浸漬させることによって実行される。
【００２８】
一実施例によると、コバルトの金属キャップ３２０をゲート電極２１０に無電解メッキで堆積させる。コバルト層のメッキに利用される無電解メッキ浴は、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）または硫酸コバルト（ＣｏＳＯ４）から得られるコバルトイオン、クエン酸等の錯化剤、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）または硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＳＯ４）等の緩衝化剤、次亜リン酸カリウム、ジメチルアミノボラン（ＤＭＡＢ）、ボロハイドレート（ｂｏｒｏｈｙｄｒａｔｅ）、または、ホルムアルデヒド等の還元剤、および、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）等のｐＨ調整剤を含むとしてよい。このように、金属ゲート電極を含む一実施例では、コバルトおよびＣｏＷ、ＣｏＣｒ、ＣｏＲｅ、またはＣｏＭｏ等のコバルト合金を、還元剤から金属ゲート電極表面へと堆積させられるリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）等の微量成分と共に、ゲート電極２１０の表面に選択的に堆積させて、金属キャップ３２０を形成する。
【００２９】
別の実施例では、ニッケルおよびニッケル合金を選択的に無電解析出させて金属キャップ３２０を形成する。任意の従来の無電解ニッケルメッキプロセスを利用するとしてよい。メッキ液の一例を挙げると、ニッケル含有化合物、ＤＭＡＢまたはグリオキシル酸等の還元剤、カルボン酸、クエン酸、マロン酸、乳酸、または、シュウ酸等の錯化剤、塩化アンモニウム等の緩衝化剤、およびＴＭＡＨ等のｐＨ調整剤を含む。
【００３０】
無電解析出を利用する実施例では、ゲート電極２１０の露出面の略全面を被覆するように金属キャップ３２０を堆積させて、平坦化したＩＬＤ２１２および誘電体側面スペーサ２１４よりも高い位置まで金属キャップを延設する。このため、図３Ａに示すように、処理１２０または１２５が終了すると、金属キャップ３２０の側面は露出した状態となっている。別の実施形態によると、金属キャップ３２０の厚みは、ゲート電極の露出面のエッジ３２１近傍では、ゲート電極の露出面の縦中央線３２２よりも１０％から２０％薄くなっている。無電解析出を利用する一実施形態によると、金属キャップ３２０はゲート電極２１０の露出面を略全面にわたって被覆しており、金属キャップ３２０のエッジの厚みに略等しい距離だけ、ゲート電極２１０の側面を越えて（例えば、ゲート誘電体層２０８および／または誘電体側面スペーサ２１４を越えて）横方向に延設されている。
【００３１】
別の実施例によると、図１の動作１３０において、ゲート電極のバルク内に存在する触媒金属ドーパントがゲート電極の露出面まで拡散される。図３Ｂを参照しつつ説明すると、偏析触媒金属層３２５は、本明細書に記載する金属キャップ３２０で利用される触媒金属のうちいずれを含むとしてもよい。触媒金属はゲート電極の「バルク」から偏析されるが、ゲート電極の「バルク」とは、仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂ、ならびに、ゲート層の堆積時に利用されるゲート金属シード層（不図示）を含む。
【００３２】
このような一実施形態によると、偏析触媒金属層３２５は、基板２０２を高温に暴露するアニーリングプロセスで形成される。例えば、基板は、約摂氏４００度から約摂氏１０００度までの温度に、３０秒間から１０分間の間暴露されるとしてよい。触媒金属ドーパントは、触媒金属の表面エネルギーが相対的に小さいために、ゲート電極２１０の表面に拡散且つ偏析して、表面自由エネルギーを低減する。また、触媒金属の拡散を促進するための事前処理を利用するとしてもよい。例えば、一実施形態によると、公知のアモルファス化技術を用いて、ゲート電極２１０の一部をアモルファス化する。アモルファス化を行う特定の実施形態によると、アモルファス化前注入、例えば、Ｇｅ注入を行うことによって、ゲート電極２１０の上部層を損傷させるとしてもよい。ゲート電極２１０の表面がアモルファス化または損傷を受けると、ゲート電極２１０のアモルファス化部分内にある触媒金属原子は拡散係数が高くなり、ゲート電極表面に金属原子が凝集するプロセスが促進される。別の実施形態によると、アニーリング前にプラズマ処理を利用して、触媒金属が表面に到達するのを妨げる可能性がある、ゲート電極２１０の表面上に残ったゲート生成残留物を除去する。プラズマ処理では、Ｈ２、ＮＨ３、または、Ｎ２のうち少なくとも１つを５０〜１００００ｓｃｃｍで、圧力を０．５〜１０Ｔｏｒｒとして、約５０〜８００ＷのＲＦ電力でエネルギー化するとしてよい。
【００３３】
偏析触媒金属層３２５の厚みは、ゲート電極のバルク内に存在する触媒金属ドーパントの濃度およびドーパント拡散条件の両方に応じて決まる。一実施形態によると、間隙充填金属２１０Ｂのみが「堆積時」の触媒金属を含んでいる場合、間隙充填金属２１０Ｂは約１％から５０％の触媒金属ドーパントを含む。特定の実施形態によると、偏析触媒金属層３２５は、厚みが約１ｎｍから約５０ｎｍである。偏析触媒金属層３２５内の触媒金属ドーパント濃度は、１％から１００％の範囲内で任意の値を取るとしてよく、濃度が高くなると、厚みは相対的に小さくなり、ゲート電極の露出面に近接する。
【００３４】
特定の実施形態によると、図３Ｂに示すように、偏析触媒金属層３２５は、平坦化された誘電体側面スペーサ２１４またはＩＬＤの上方に設けられる構造を持つキャップを形成しているのではなく、ゲート電極２１０の表面で金属ナノ粒子を形成している。このため偏析触媒金属層３２５は、誘電体側面スペーサ２１４に隣接して、誘電体内に埋設された状態を維持するとしてもよい。このように、金属キャップ３２０を選択的に堆積させる動作１２０および１２５と比較すると、基板表面追従動作１３０では平坦な状態が維持されるという利点が得られるとしてよい。
【００３５】
図１に戻って説明を続けると、動作１３５において、動作１２０で形成された金属キャップ３２０の少なくとも一部を、図４Ａに示すように、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５に変換する。動作１３５では通常、動作１２０で選択的に堆積させた金属のケイ化物またはゲルマニウム化物を形成する任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。プロセスの選択は、金属キャップの組成および金属キャップ３２０から形成されるべきケイ化物／ゲルマニウム化物のシェルの所望の厚みを考慮して行われる。ケイ化物／ゲルマニウム化物のシェルの厚みは、金属キャップ３２０の厚みの５０％から１００％であってよい。図４Ａに示すように、金属キャップ３２０の厚み全体が金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５に変換される。全体が変換されないほかの実施形態によると、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５の厚みは、上面および側面の両方に金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５が形成されている金属キャップ３２０の厚みよりも幾分薄い。また、ケイ化物の厚みは、上面と側面とでは異なるとしてよい。
【００３６】
一実施形態によると、金属キャップ３２０のケイ素化／ゲルマニウム化は、水素化ケイ素ガスまたは水素化ゲルマニウムガスの気相表面反応によって行われる。ソースガスの例には、シラン（ＳｉＨ４）、モノメチルシラン、トリメチルシラン（ＴＭＳ）等が含まれる。一実施例によると、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを用いて、金属キャップ３２０と水素化物ガスとを反応させる。別の実施例によると、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて、金属キャップ３２０と水素化物ソースガスとを反応させる。一実施形態例によると、コバルト金属キャップ３２０からコバルトケイ化物メサ３３５を形成する。別の実施形態例によると、ニッケル金属キャップ３２０からニッケルケイ化物メサ３３５を形成する。
【００３７】
代替的な実施形態によると、金属キャップ３２０のケイ素化／ゲルマニウム化は、固相反応によって行われる。具体的には、従来の成膜プロセスを用いて、金属キャップ３２０の上、および、ＩＬＤ２１２の上方にアモルファスシリコン膜を形成する（不図示）。その後、熱処理を行って、当該アモルファスシリコン膜の一部と金属キャップ３２０とを反応させて、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を形成する。その後、従来の湿式または乾式の化学的除去プロセスを用いて、未反応のアモルファスシリコンをＩＬＤ２１２から除去する。プロセスの一例を挙げると、約５ｎｍから１０ｎｍのアモルファスシリコンをコバルト金属キャップ３２０の上に堆積して、摂氏５００度から摂氏８５０度でアニーリングして、コバルトケイ化物メサ３３５を形成する。
【００３８】
動作１１５で成膜されたゲート層からケイ化物／ゲルマニウム化物を形成することが可能であるために動作１２０が省略される別の実施形態によると、動作１４５において、本明細書で記載している気相技術または固相技術のうち任意のものを用いて、ゲート電極の一部をケイ化物またはゲルマニウム化物へと変換して、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を形成する。変換されるゲート電極の一部は、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５と略同じ厚みであるとしてよい。特定の実施形態によると、変換される部分は、ゲート電極の総厚のうち１０％から７０％でよい（ゲート性能に悪影響が出始めるか否かによって制限される）。このような実施形態では、ゲート電極２１０がＩＬＤ２１２と同一平面上にある状態が維持されるという利点がある。
【００３９】
図１に戻って説明を続けると、（例えば、動作１２５において選択的に成膜することによって、または、動作１３０において表面に偏析させることによって）触媒金属を選択的に形成する実施形態については、動作１４５において、シリコンおよび／またはゲルマニウムを含むナノメサを触媒成長させる。一般的には、図４Ｂに示すシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５を形成するには、触媒によってシリコン成長またはゲルマニウム成長を促進する方法のうち任意のものを用いるとしてよい。
【００４０】
特定の実施形態では、金属触媒を用いる気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長プロセスを利用する。ＶＬＳプロセスのメカニズムは、理論で限定されるものではないが、ソースガスからシリコンまたはゲルマニウムを触媒金属に溶解させることを含むものと一般的には理解されている。溶解したシリコン／ゲルマニウムはその後、プロセス温度において通常は液体である触媒金属を介して拡散して、ゲート電極２１０の表面に析出する。成長過程において、触媒金属の少なくとも一部分（例えば、３５０Ａ）は、ゲート電極２１０の表面に成長したシリコン／ゲルマニウムの上方で「浮遊」している一方、触媒金属の別の部分（例えば、３５０Ｂ）は、ゲート電極２１０および／またはゲルマニウムシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の界面に残っているものと考えられ得る。
【００４１】
動作１２５または動作１３０で利用された特定の触媒金属について公知の任意のＶＬＳ法を採用するとしてよいが、ＰＥＣＶＤプロセスの一例を挙げると、不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ、およびＮｅ等を約５０〜２００００ｓｃｃｍ、ならびに、シリコンまたはゲルマニウムのソースガス、例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ３Ｈ８、モノメチルシラン、および、ＧｅＨ４を１〜１０００ｓｃｃｍ用いて、圧力は約０．５〜１０Ｔｏｒｒ、および、温度は約摂氏２００度から４００度として、約５〜５００ＷのＲＦ電力でエネルギー化する。ＣＶＤプロセスの一例では、ＲＦ電力を用いないこと以外は、条件は上記と同じである。
【００４２】
ＶＬＳで成長させたシリコンおよび／またはゲルマニウムシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の厚みおよび形状は共に、プロセス条件および偏析触媒金属層３２５の性質に応じて決まる。特定の実施形態によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、ゲート電極２１０の表面の略全面を被覆するように密に配列されている複数のワイヤから形成される。具体的な実施形態によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の厚みは、ゲート電極２１０の面のうち触媒面から上方に約１〜１０ｎｍの範囲内である。
【００４３】
図１に戻って説明を続けると、動作１４５の後、動作１４８において、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の表面に残っている触媒金属部分３５０Ｂを除去するとしてよい。動作１４８では、利用した触媒金属を除去するのに適切な任意の公知の湿式化学洗浄方法を利用するとしてよい。その他の特定の実施形態によると、動作１４８を省略して、触媒金属残留物をそのままシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の露出面の上に残す。
【００４４】
動作１５０において、図４Ａの金属ケイ化物および／あるいは金属ゲルマニウム化物のメサ３３５、または、図４Ｂのシリコンおよび／あるいはゲルマニウムのメサ３４５の少なくとも一部分を誘電体に変換して、誘電体エッチストップ層をゲート電極の上方に形成する。第１の実施形態では、ケイ化物メサ３３５の一部分を、図５Ａに示す誘電体エッチストップ層３５０に変換する。誘電体エッチストップ層３５０は、動作１５０で実行されたプロセスに応じて、これらに限定されないが、窒化シリコン、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、または、窒化シリコン炭素等の誘電体を含むとしてよい。
【００４５】
動作１５０では通常、ケイ化物および／またはゲルマニウム化物のメサ３３５から電気絶縁層を形成可能な任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。一実施形態では、窒化プロセスを実行する。当該プロセスによると、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物（例えば、ケイ化コバルト）のメサ３３５のうち表面層を、窒化物である誘電体エッチストップ層３５０に変換する。窒化物である誘電体エッチストップ層３５０は、大部分が窒化シリコンまたは窒化ゲルマニウムであるが、一部に金属窒化物が残っている場合がある。ケイ化コバルトの実施形態例によると、ケイ化コバルトを窒化する際には、プロセス温度を約摂氏４００度に設定して、ケイ化コバルト（ＣｏＳｉｘ）からシリコンを引き出して、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）誘電体エッチストップ層３５０を形成して、コバルトまたはシリコンが失われたケイ化コバルトから成る内部金属コア３３６の周囲を取り囲む「シェル」または「クラスト」を得る。これは、窒化コバルト（ＣｏＮ）は、摂氏４００度では安定した状態になく、ＣｏおよびＮ２に分解されるためである。本明細書に記載されているほかの金属ケイ化物または金属ゲルマニウム化物でも同様の現象が観察され得る。等方性誘電体が形成されるので、ケイ化物および／またはゲルマニウム化物のメサ３３５全体が変換されない限り、図５Ａに示すように、誘電体エッチストップ層３５０のシェル構造は、ゲート電極２１０の縦中央線５２２よりもゲート電極２１０のエッジ５２１において、厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。
【００４６】
具体的な一実施例によると、窒化動作１５０では、これらに限定されないが、Ｎ２またはＮＨ３等の窒素ソースガスを約摂氏２００〜４５０度でプラズマへとエネルギー化して、金属ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜１０ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換するとしてよい。別の実施例によると、プラズマ窒化は、室温で実行され、金属ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜５ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。別の実施形態によると、Ｎ２およびＮＨ３等の窒素ソースガスを用いた窒素アニーリングを約摂氏６００度から８５０度で実行して、ケイ化物のメサ３３５のうち約５〜１５ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。さらに別の実施形態によると、イオンビームで窒素を注入して、ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜１０ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。同様のプロセスを、本明細書に記載するその他の誘電体を含む誘電体エッチストップ層を形成するのに適したソースガスと共に用いるとしてよい。
【００４７】
別の実施形態によると、動作１５０において、図４Ｂに示すシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の一部を、図５Ｂに示す誘電体エッチストップ層３５５に変換する。誘電体エッチストップ層３５５は、これらに限定されないが、窒化シリコン、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、または、窒化シリコン炭素等の誘電体を含むとしてよい。動作１４８が省略される実施例の場合には、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の表面上に残っている触媒金属も同様にこの時点で酸化するとしてよい。
【００４８】
動作１５０では通常、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５から電気絶縁層を形成可能な任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。例えば、窒化または酸化を実行するとしてよい。特定の実施形態によると、一般的に知られている酸化プロセスを用いて、酸化シリコンおよび／または酸化ゲルマニウムから成る誘電体エッチストップ層３５５を形成するとしてよい。別の実施形態によると、炭化プロセスを用いて、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５のうち少なくとも一部を誘電層（例えば、炭化シリコン）に変換するとしてよい。実施例によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を窒化するプロセスとして本明細書に記載されているプロセスのうち少なくとも１つを利用して窒化される。このような実施例では、誘電体エッチストップ層３５５の厚みは、同じ条件下で形成された場合、誘電体エッチストップ層３５０の厚みよりも大きくなるとしてよい。誘電体エッチストップ層３５５の厚みは、窒化方法に応じて、約５〜１５ｎｍの範囲内で変動するとしてよい。
【００４９】
誘電体エッチストップ層３５５が等方的に形成される実施形態では、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５が全て変換されない限り、図５Ｂに示すように、誘電体エッチストップ層３５５のシェル構造は、ゲート電極の縦中央線５２２よりもゲート電極のエッジ５２１において厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。誘電体エッチストップ層３５５が異方的に形成される（例えば、プラズマ方式またはビーム注入方式が採用される）ほかの実施形態では、誘電体エッチストップ層３５５のシェル構造は、ゲート電極のエッジ５２１よりもゲート電極の縦中央線５２２において厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。
【００５０】
図１に戻って説明を続けると、動作１６０において、図６Ａおよび図６Ｂにそれぞれ図示されているように、誘電体エッチストップ層３５０または３５５の上方にＩＬＤ６６０を形成するとしてよい。ＩＬＤ６６０は、任意の公知の誘電体を含むとしてよく、例えば、ＩＬＤ２１２に関して先に挙げた誘電体のうちいずれを含むとしてよく、任意の従来の方法を用いて成膜するとしてよい。特に有益な実施形態を１つ挙げると、ＩＬＤ６６０およびＩＬＤ２１２は共に、誘電体エッチストップ層３５０または３５５の誘電体とは異なる材料を含む。その後、ソース／ドレイン２０４に対するデバイスコンタクト６７０を、ゲート電極２１０に対するデバイスコンタクト６８０と共に、任意の従来の金属材料で開口するとしてよい。
【００５１】
図６Ａに示すように、デバイスコンタクト６８０および誘電体エッチストップ層３５０は交差しており、デバイスコンタクト６７０とデバイスコンタクト６８０との間でエッチング深さが相違するのは、誘電体エッチストップ層３５５ならびにＩＬＤ６６０および／または２１２のうちいずれについてコンタクトエッチングを行うことを選択するかに応じて決まる。図６Ｂは、誘電体エッチストップ層３５５を利用する実施形態でも同様の状態が得られる様子を示している。さらに図６Ａおよび図６Ｂに示すように、誘電体エッチストップ層３５０および３５５は、誘電体側面スペーサ２１４と共に、デバイスコンタクト６７０および６８０を開口するために利用されるエッチングプロセスに対する耐性が高い電気絶縁材料内にゲート電極２１０を完全に封入している。このようにエッチングに対する耐性が高いことを利用して、エッチングプロセスの許容範囲を緩和し得るので、エッチングバイアスが小さくなり、プロフィール制御が改善される等の効果が奏される。さらに、デバイスコンタクト６７０および６８０を形成するために２回に分けてマスクエッチングを行う場合、位置がずれてゲート電極２１０の上方に位置決めされると、誘電体エッチストップ層３５０は、コンタクト６７０がゲート電極２１０をソース／ドレイン２０４に短絡する事態を防ぎ得る。このような利点が得られることで、限界寸法および位置合わせ範囲が改善され得る。
【００５２】
図６Ａに示すように、内部金属コア３３６は、アーチファクトとしてデバイス構造内に残り、動作１３５で実行されるケイ素化／ゲルマニウム化の程度に応じて、コンタクトエッチングを行う工程で貫通するようにエッチングされるか、または、低抵抗コンタクトとして利用され得る。同様に、図６Ｂに示すように、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、デバイス構造内に残って、コンタクトエッチングを行う工程で貫通するようにエッチングされるとしてもよい。さらに図示されているように、触媒金属部分３５０Ｂは、デバイス構造内に、プロセスアーチファクトとして残るとしてもよい。
【００５３】
上記では、誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法を開示した。詳細に記載した実施形態のうち１以上の実施形態を用いて、ゲート電極を誘電体エッチストップ層で選択的に被覆するとしてよい。構造上の特徴または方法論的な動作に特有の用語を用いて本発明を説明してきたが、特許請求の範囲で定義される発明は必ずしも記載した具体的な特徴または動作に限定されるものではないと理解されたい。開示した具体的な特徴および動作は、本発明の特に良好な実施例を説明するものに過ぎず、本発明を制限するのではなく例示することを目的として記載されたものと理解されたい。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体デバイスの分野に属する。より具体的には、誘電体エッチストップ層の選択的形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトランジスタのゲート電極は、窒化シリコン層等のハードマスクまたはエッチストップ層をポリシリコンゲート層の上方で利用して、後続のエッチング工程においてゲート層を保護する場合がある。後続のエッチング工程は、例えば、ソース／ドレインコンタクトエッチングであって、ゲート電極が露出していると、ゲート電極との間で短絡が発生する可能性がある。従来のサブトラクティブプロセスでは、ゲート層に続いてエッチストップ層が連続して成膜され、リソグラフィー処理を一回行うことで同時にエッチングして、ゲート電極スタックを形成する。
【０００３】
このようなサブトラクティブ方式のゲート電極プロセスとは別に、高度なトランジスタ製造では、リプレイスメントゲート（Ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｇａｔｅ）プロセスが選択されることが多くなっている。リプレイスメントゲートプロセスは通常、その他のトランジスタフィーチャ、例えば、誘電体スペーサおよび基板ドーピング領域が周囲に形成されているダミー構造またはマンドレルを利用する。最終的には、マンドレルを除去して、代わりに、高性能トランジスタとして適切な特性を持つ金属等のゲート電極材料を設ける。
【０００４】
しかしながら、リプレイスメント型のゲート電極プロセスは、アディティブ方式であり、ゲート層の上方にストップ層を導入する場合には有用性があまり高くない。例えば、リプレイスメント方式に従ってゲート層を成膜して平坦化するとしてもよいが、ゲート層成膜時に過剰に成膜された誘電体エッチストップ層を研磨することは困難である。このようなプロセスを行えば通常は、一部のゲート層が露出してしまうことになる。これに代えて、ゲート電極材料が平坦化された後に誘電層を成膜すると、この誘電層は、パターニングを実行して、トランジスタのソースまたはドレインといったほかのデバイス領域の上方に大きく入り込まないようにしつつ、ゲート電極の全面の上方にエッチストップ層を形成する必要がある。エッチストップ層を形成するためのこのようなパターニングはいずれの場合も、リソグラフィー処理を追加して行うことが必要となり、対応して位置合わせの許容差およびコストが発生する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の実施形態は、本発明を限定するものではなく例示するものとして、添付図面に図示される。図面は以下の通りである。
【０００６】
【図１】特定の実施形態に係る誘電体ゲートエッチストップ層を形成する方法を説明するためのフローチャートである。
【０００７】
【図２】一実施形態に係る、誘電体ゲートエッチストップ層が形成されるべきゲート電極が形成された後の構造を示す断面図である。
【０００８】
【図３Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の表面の上に金属キャップを選択的に形成した後の構造を示す断面図である。
【０００９】
【図３Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の表面の上に触媒金属を選択的に形成した後の構造を示す断面図である。
【００１０】
【図４Ａ】一実施形態に係る、金属キャップがケイ素化またはゲルマニウム化された後のメサを示す断面図である。
【００１１】
【図４Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極表面の上方にメサが触媒成長した後の構造を示す断面図である。
【００１２】
【図５Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方のケイ素化またはゲルマニウム化された金属メサから誘電体エッチストップ層が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１３】
【図５Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方のメサから誘電体エッチストップ層が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１４】
【図６Ａ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方の誘電体エッチストップ層の上に形成された層間誘電体（ＩＬＤ）内にコンタクト開口が形成された後の構造を示す断面図である。
【００１５】
【図６Ｂ】一実施形態に係る、ゲート電極の上方の誘電体エッチストップ層の上に形成されているＩＬＤ内にコンタクト開口が形成された後の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
アディティブプロセスで、パターニングされた金属フィーチャの上方に誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法の実施形態を記載する。本明細書ではさらに、このようなエッチストップ層をゲート電極の上方に設けたトランジスタも図面を参照しつつ説明する。具体的な実施形態によると、選択的に形成される誘電体エッチストップ層は、パターニングされたゲート電極の上方に形成されており、パターニングされたゲート電極に隣接するＩＬＤの上方には形成されない。本発明の特定の実施形態によると、ゲート電極の表面の上に金属を選択的に形成した後で、当該金属をケイ化物またはゲルマニウム化物へと変換する。他の実施形態によると、ゲート電極の表面の上に選択的に形成された金属は触媒金属であり、当該触媒金属によって、ゲート電極の上方にシリコンまたはゲルマニウムのメサを触媒成長させることができる。そして、ケイ化物、ゲルマニウム化物、シリコンメサ、またはゲルマニウムメサの少なくとも一部を酸化、窒化、または炭化して、ゲート電極の上方にのみ誘電体エッチストップ層を形成する。このようにして形成された誘電体エッチストップ層によってゲート電極が保護されるために、コンタクトリソグラフィーおよびコンタクトエッチングの条件が緩和されて、トランジスタコンタクトの限界寸法、および位置合わせに関する自由度を高くすることができるとしてよい。
【００１７】
しかしながら、特定の実施形態は、上述した具体的且つ詳細な事項のうち一部を省略して、または、その他の公知の方法、材料、および装置と組み合わせて実施するとしてもよい。例えば、金属ゲート電極を前提として説明しているが、本明細書で説明する技術はパターニングで形成される他の金属フィーチャ、例えば、これに限定されないが、配線に容易に応用され得る。以下に記載する説明では、本発明を完全に説明することを目的として、具体的な材料、寸法、および、材料パラメータ等、具体的且つ詳細な内容を数多く記載する。また、公知の設計技術および製造技術については、本発明の内容を不要にあいまいにすることを避けるべく、詳細な説明を省略している。本明細書において「実施形態」と記載する場合、当該実施形態に関連付けて説明される特定の特徴、構造、材料、または特性は、本発明の実施形態のうち少なくとも１つに含まれることを意味する。このため、本明細書において「実施形態によると」という記載は繰り返し用いられるが、必ずしも本発明の実施形態のうち同じものを指すとは限らない。また、具体的な特徴、構造、材料、または特性は、１以上の実施形態において、適切であればどのように組み合わせるとしてもよい。また、具体的な実施形態同士が一部共通点を有する場合には組み合わせ得るものと理解されたい。
【００１８】
「上方に」、「下方に」、「間に」、および「上に」といった用語は、本明細書で用いられる場合、ある部材とその他の部材との相対的な位置関係を示す。例えば、ある部材が別の部材の上方または下方に配設されている場合、これら２つの部材は直に接触しているとしてもよいし、または、間に介在する部材が１以上設けられているとしてもよい。また、ある部材が複数の部材の間に配設されている場合、２つの部材は直に接触しているとしてもよいし、または、間に介在する部材が１以上設けられているとしてもよい。これとは対照的に、第１の部材が第２の部材の「上に」ある場合、第１の部材と第２の部材は接触している。また、ある部材と他の部材との間の相対的な位置関係は、基板と相対的に処理が実行されるものと仮定した上で記載されており、基板の絶対的な配向については考慮していない。
【００１９】
図１を参照しつつ説明すると、動作１０１において、ゲートリプレースメントプロセスの一環としてプレースホルダまたはマンドレルゲート電極によって残されているゲート電極トレンチに仕事関数材料を堆積させる。動作１１０においてゲート電極トレンチを略充填して、動作１１５において平坦化して、基板２０２の内部および上方に半導体デバイス２００を形成する。この様子は図２に示す。
【００２０】
基板２０２は、半導体デバイス製造に適切であればどのような材料で形成されているとしてもよい。一実施形態によると、基板２０２は、所与の材料の単結晶で形成されているバルク基板である。所与の材料は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、または、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含むとしてよい。別の実施形態によると、基板２０２は、上部エピタキシャル層を含むバルク層を有する。具体的な実施形態によると、バルク層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、および、石英を含む材料の単結晶から形成されており、上部エピタキシャル層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、および第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む単結晶層から形成されている。別の実施形態によると、基板２０２は、上部エピタキシャル層と、中間絶縁層と、下部バルク層とを含んでおり、上部エピタキシャル層は中間絶縁層の上に形成されており、中間絶縁層は下部バルク層の上方に形成されている。上部エピタキシャル層は、これらに限定されないが、シリコン（つまり、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）半導体基板を形成）、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、および、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を含む単結晶層から形成されている。絶縁層は、これらに限定されないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、および、酸窒化シリコンを含む材料から形成される。下部バルク層は、これらに限定されないが、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、炭化ケイ素、第ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、および石英を含む単結晶から形成されている。基板２０２はさらに、ドーパントである不純物原子を含むとしてよい。
【００２１】
ゲート誘電体層２０８は、基板２０２からゲート電極２１０を電気的に絶縁するのに適した材料であればどのような材料から形成されているとしてもよい。一実施形態によると、ゲート誘電体層２０８は、熱酸化プロセスまたは化学気相成長プロセスによって形成され、これらに限定されないが、二酸化シリコンまたは酸窒化シリコンなどの材料から形成されている。別の実施形態によると、ゲート誘電体層２０８は、原子層堆積によって形成されており、これらに限定されないが、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、酸窒化ハフニウム、または、酸化ランタンなどの高ｋ誘電材料から構成されている。
【００２２】
ゲート電極２１０は、半導体デバイスの電極としての利用に適した材料であればどのような材料で形成されているとしてもよい。本発明のある実施形態によると、ゲート電極２１０は金属を含む。特定の実施形態によると、ゲート電極の露出面に存在する少なくとも１種類の金属は、ケイ化物またはゲルマニウム化物を容易に形成しない金属であるか、または、シリコンまたはゲルマニウムの成長を容易に触媒しない金属である。一実施形態によると、ゲート電極２１０は、これらに限定されないが、金属窒化物、金属炭化物、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、ルテニウム、パラジウム、白金、コバルト、ニッケル、金属アルミナイド、伝導性の金属酸化物、および、これらの組み合わせ等の材料を含む。特定の実施形態によると、ゲート電極２１０は、仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂを含む多層金属スタックから構成されている。
【００２３】
一実施形態によると、誘電体側面スペーサ２１４は、基板２０２およびプレースホルダゲート電極の上方に誘電体層を成膜した後で、異方性エッチングプロセスで当該誘電体層をエッチングすることによって形成される。具体的な実施形態によると、誘電体側面スペーサ２１４は、これらに限定されないが、二酸化シリコン、窒化シリコン、および酸窒化シリコンを含む材料から構成されている。ＩＬＤ２１２は、これらに限定されないが、ドーピングされていない、または、ドーピングされている（例えば、炭素でドーピングされている）ガラス等、任意の従来の誘電体であってよい。
【００２４】
ソース領域およびドレイン領域２０４は、プレースホルダゲート電極および誘電体側面スペーサ２１４によって堰き止めつつ、ドーパントである不純物原子を基板２０２に注入することによって形成されている。ソース領域およびドレイン領域２０４は、先端拡張領域と一体化されており、チャネル領域２０６をさらに画定している。本発明の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、Ｎ型ドーピング領域である。一実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、５×１０１６から５×１０１９原子／ｃｍ３の範囲内の濃度で、リンまたはヒ素であるドーパント不純物原子が注入されて構成されている。本発明の別の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、Ｐ型ドーピング領域である。一実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、５×１０１６から５×１０１９原子／ｃｍ３の範囲内の濃度で、ホウ素であるドーパント不純物原子が注入されて構成されている。別の実施形態によると、ソース領域およびドレイン領域２０４は、ケイ素化プロセスによって金属化される。
【００２５】
図３Ａに示すように、ゲート層を平坦化してゲート電極を形成した後、ゲート電極２１０の露出面の上方に金属キャップ３２０を選択的に形成する。第１の実施形態によると、図１の動作１２０において、ゲート電極の上に選択的に堆積させられる金属は、ケイ化物、ゲルマニウム化物、または、これらの混合物を、ゲート電極２１０の露出面の上の金属よりも容易に形成可能な金属を含む。ケイ化物を形成可能な金属の例を挙げると、コバルト、ニッケル、チタン、白金、タングステン、バナジウム、パラジウム、銅、タンタル、および、アルミニウムが含まれる。このような金属のうちいずれか任意のものおよびこれらの混合物を、許容範囲内の低い処理温度でケイ化物を形成する公知のほかの金属と共に、利用するとしてよい。仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂの両方がケイ化物を形成可能な金属である特定の実施形態では、処理１２０は省略されるとしてよい。このように、金属キャップ３２０が必要か否か、および、金属キャップ３２０の組成は、動作１１５で形成されるゲート電極の組成に応じて決まる。
【００２６】
代替的な実施形態によると、動作１２５において、触媒金属をゲート電極２１０の露出面に選択的に堆積させて、金属キャップ３２０を形成する。触媒金属は、シリコン、ゲルマニウム、またはＳｉＧｅ合金の成長を、ゲート電極２１０の露出面の金属よりも容易に、触媒することが可能な金属であればどのような金属を含むとしてもよい。このため、金属キャップ３２０の組成はこの場合も、ゲート電極の組成に応じて選択されるとしてよい。シリコン、ゲルマニウム、またはＳｉＧｅ合金の成長を触媒として促進可能であると公知である金属であれば、どのような金属を金属キャップ３２０として利用するとしてもよい。触媒金属の例としては、コバルト、ニッケル、パラジウム、金、白金、ガリウム、および、これらの混合物が挙げられる。仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂの両方がシリコンまたはゲルマニウムの成長を触媒可能な金属である特定の実施形態では、処理１２５は省略されるとしてよい。
【００２７】
具体的に実施する場合には、電解メッキまたは無電解メッキを用いて、（例えば、後でケイ化物の形成またはシリコン成長の触媒を実行することを目的として）ゲート電極表面に約２ｎｍから約３０ｎｍの厚みまで、金属キャップ３２０を選択的に堆積させるとしてもよい。無電解メッキは、外部から電流を印加することなく電解液を化学的に還元することによって、面上に所与の材料の層を成膜するためのプロセスである。一般的な無電解メッキは、基板を無電解メッキ浴に浸漬させることによって実行される。
【００２８】
一実施例によると、コバルトの金属キャップ３２０をゲート電極２１０に無電解メッキで堆積させる。コバルト層のメッキに利用される無電解メッキ浴は、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）または硫酸コバルト（ＣｏＳＯ４）から得られるコバルトイオン、クエン酸等の錯化剤、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）または硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＳＯ４）等の緩衝化剤、次亜リン酸カリウム、ジメチルアミノボラン（ＤＭＡＢ）、ボロハイドレート（ｂｏｒｏｈｙｄｒａｔｅ）、または、ホルムアルデヒド等の還元剤、および、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）等のｐＨ調整剤を含むとしてよい。このように、金属ゲート電極を含む一実施例では、コバルトおよびＣｏＷ、ＣｏＣｒ、ＣｏＲｅ、またはＣｏＭｏ等のコバルト合金を、還元剤から金属ゲート電極表面へと堆積させられるリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）等の微量成分と共に、ゲート電極２１０の表面に選択的に堆積させて、金属キャップ３２０を形成する。
【００２９】
別の実施例では、ニッケルおよびニッケル合金を選択的に無電解析出させて金属キャップ３２０を形成する。任意の従来の無電解ニッケルメッキプロセスを利用するとしてよい。メッキ液の一例を挙げると、ニッケル含有化合物、ＤＭＡＢまたはグリオキシル酸等の還元剤、カルボン酸、クエン酸、マロン酸、乳酸、または、シュウ酸等の錯化剤、塩化アンモニウム等の緩衝化剤、およびＴＭＡＨ等のｐＨ調整剤を含む。
【００３０】
無電解析出を利用する実施例では、ゲート電極２１０の露出面の略全面を被覆するように金属キャップ３２０を堆積させて、平坦化したＩＬＤ２１２および誘電体側面スペーサ２１４よりも高い位置まで金属キャップを延設する。このため、図３Ａに示すように、処理１２０または１２５が終了すると、金属キャップ３２０の側面は露出した状態となっている。別の実施形態によると、金属キャップ３２０の厚みは、ゲート電極の露出面のエッジ３２１近傍では、ゲート電極の露出面の縦中央線３２２よりも１０％から２０％薄くなっている。無電解析出を利用する一実施形態によると、金属キャップ３２０はゲート電極２１０の露出面を略全面にわたって被覆しており、金属キャップ３２０のエッジの厚みに略等しい距離だけ、ゲート電極２１０の側面を越えて（例えば、ゲート誘電体層２０８および／または誘電体側面スペーサ２１４を越えて）横方向に延設されている。
【００３１】
別の実施例によると、図１の動作１３０において、ゲート電極のバルク内に存在する触媒金属ドーパントがゲート電極の露出面まで拡散される。図３Ｂを参照しつつ説明すると、偏析触媒金属層３２５は、本明細書に記載する金属キャップ３２０で利用される触媒金属のうちいずれを含むとしてもよい。触媒金属はゲート電極の「バルク」から偏析されるが、ゲート電極の「バルク」とは、仕事関数金属２１０Ａおよび間隙充填金属２１０Ｂ、ならびに、ゲート層の堆積時に利用されるゲート金属シード層（不図示）を含む。
【００３２】
このような一実施形態によると、偏析触媒金属層３２５は、基板２０２を高温に暴露するアニーリングプロセスで形成される。例えば、基板は、約摂氏４００度から約摂氏１０００度までの温度に、３０秒間から１０分間の間暴露されるとしてよい。触媒金属ドーパントは、触媒金属の表面エネルギーが相対的に小さいために、ゲート電極２１０の表面に拡散且つ偏析して、表面自由エネルギーを低減する。また、触媒金属の拡散を促進するための事前処理を利用するとしてもよい。例えば、一実施形態によると、公知のアモルファス化技術を用いて、ゲート電極２１０の一部をアモルファス化する。アモルファス化を行う特定の実施形態によると、アモルファス化前注入、例えば、Ｇｅ注入を行うことによって、ゲート電極２１０の上部層を損傷させるとしてもよい。ゲート電極２１０の表面がアモルファス化または損傷を受けると、ゲート電極２１０のアモルファス化部分内にある触媒金属原子は拡散係数が高くなり、ゲート電極表面に金属原子が凝集するプロセスが促進される。別の実施形態によると、アニーリング前にプラズマ処理を利用して、触媒金属が表面に到達するのを妨げる可能性がある、ゲート電極２１０の表面上に残ったゲート生成残留物を除去する。プラズマ処理では、Ｈ２、ＮＨ３、または、Ｎ２のうち少なくとも１つを５０〜１００００ｓｃｃｍで、圧力を０．５〜１０Ｔｏｒｒとして、約５０〜８００ＷのＲＦ電力でエネルギー化するとしてよい。
【００３３】
偏析触媒金属層３２５の厚みは、ゲート電極のバルク内に存在する触媒金属ドーパントの濃度およびドーパント拡散条件の両方に応じて決まる。一実施形態によると、間隙充填金属２１０Ｂのみが「堆積時」の触媒金属を含んでいる場合、間隙充填金属２１０Ｂは約１％から５０％の触媒金属ドーパントを含む。特定の実施形態によると、偏析触媒金属層３２５は、厚みが約１ｎｍから約５０ｎｍである。偏析触媒金属層３２５内の触媒金属ドーパント濃度は、１％から１００％の範囲内で任意の値を取るとしてよく、濃度が高くなると、厚みは相対的に小さくなり、ゲート電極の露出面に近接する。
【００３４】
特定の実施形態によると、図３Ｂに示すように、偏析触媒金属層３２５は、平坦化された誘電体側面スペーサ２１４またはＩＬＤの上方に設けられる構造を持つキャップを形成しているのではなく、ゲート電極２１０の表面で金属ナノ粒子を形成している。このため偏析触媒金属層３２５は、誘電体側面スペーサ２１４に隣接して、誘電体内に埋設された状態を維持するとしてもよい。このように、金属キャップ３２０を選択的に堆積させる動作１２０および１２５と比較すると、基板表面追従動作１３０では平坦な状態が維持されるという利点が得られるとしてよい。
【００３５】
図１に戻って説明を続けると、動作１３５において、動作１２０で形成された金属キャップ３２０の少なくとも一部を、図４Ａに示すように、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５に変換する。動作１３５では通常、動作１２０で選択的に堆積させた金属のケイ化物またはゲルマニウム化物を形成する任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。プロセスの選択は、金属キャップの組成および金属キャップ３２０から形成されるべきケイ化物／ゲルマニウム化物のシェルの所望の厚みを考慮して行われる。ケイ化物／ゲルマニウム化物のシェルの厚みは、金属キャップ３２０の厚みの５０％から１００％であってよい。図４Ａに示すように、金属キャップ３２０の厚み全体が金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５に変換される。全体が変換されないほかの実施形態によると、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５の厚みは、上面および側面の両方に金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５が形成されている金属キャップ３２０の厚みよりも幾分薄い。また、ケイ化物の厚みは、上面と側面とでは異なるとしてよい。
【００３６】
一実施形態によると、金属キャップ３２０のケイ素化／ゲルマニウム化は、水素化ケイ素ガスまたは水素化ゲルマニウムガスの気相表面反応によって行われる。ソースガスの例には、シラン（ＳｉＨ４）、モノメチルシラン、トリメチルシラン（ＴＭＳ）等が含まれる。一実施例によると、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを用いて、金属キャップ３２０と水素化物ガスとを反応させる。別の実施例によると、プラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）プロセスを用いて、金属キャップ３２０と水素化物ソースガスとを反応させる。一実施形態例によると、コバルト金属キャップ３２０からコバルトケイ化物メサ３３５を形成する。別の実施形態例によると、ニッケル金属キャップ３２０からニッケルケイ化物メサ３３５を形成する。
【００３７】
代替的な実施形態によると、金属キャップ３２０のケイ素化／ゲルマニウム化は、固相反応によって行われる。具体的には、従来の成膜プロセスを用いて、金属キャップ３２０の上、および、ＩＬＤ２１２の上方にアモルファスシリコン膜を形成する（不図示）。その後、熱処理を行って、当該アモルファスシリコン膜の一部と金属キャップ３２０とを反応させて、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を形成する。その後、従来の湿式または乾式の化学的除去プロセスを用いて、未反応のアモルファスシリコンをＩＬＤ２１２から除去する。プロセスの一例を挙げると、約５ｎｍから１０ｎｍのアモルファスシリコンをコバルト金属キャップ３２０の上に堆積して、摂氏５００度から摂氏８５０度でアニーリングして、コバルトケイ化物メサ３３５を形成する。
【００３８】
動作１１５で成膜されたゲート層からケイ化物／ゲルマニウム化物を形成することが可能であるために動作１２０が省略される別の実施形態によると、動作１４５において、本明細書で記載している気相技術または固相技術のうち任意のものを用いて、ゲート電極の一部をケイ化物またはゲルマニウム化物へと変換して、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を形成する。変換されるゲート電極の一部は、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５と略同じ厚みであるとしてよい。特定の実施形態によると、変換される部分は、ゲート電極の総厚のうち１０％から７０％でよい（ゲート性能に悪影響が出始めるか否かによって制限される）。このような実施形態では、ゲート電極２１０がＩＬＤ２１２と同一平面上にある状態が維持されるという利点がある。
【００３９】
図１に戻って説明を続けると、（例えば、動作１２５において選択的に成膜することによって、または、動作１３０において表面に偏析させることによって）触媒金属を選択的に形成する実施形態については、動作１４５において、シリコンおよび／またはゲルマニウムを含むナノメサを触媒成長させる。一般的には、図４Ｂに示すシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５を形成するには、触媒によってシリコン成長またはゲルマニウム成長を促進する方法のうち任意のものを用いるとしてよい。
【００４０】
特定の実施形態では、金属触媒を用いる気相−液相−固相（ＶＬＳ）成長プロセスを利用する。ＶＬＳプロセスのメカニズムは、理論で限定されるものではないが、ソースガスからシリコンまたはゲルマニウムを触媒金属に溶解させることを含むものと一般的には理解されている。溶解したシリコン／ゲルマニウムはその後、プロセス温度において通常は液体である触媒金属を介して拡散して、ゲート電極２１０の表面に析出する。成長過程において、触媒金属の少なくとも一部分（例えば、３５０Ａ）は、ゲート電極２１０の表面に成長したシリコン／ゲルマニウムの上方で「浮遊」している一方、触媒金属の別の部分（例えば、３５０Ｂ）は、ゲート電極２１０および／またはゲルマニウムシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の界面に残っているものと考えられ得る。
【００４１】
動作１２５または動作１３０で利用された特定の触媒金属について公知の任意のＶＬＳ法を採用するとしてよいが、ＰＥＣＶＤプロセスの一例を挙げると、不活性ガス、例えばＨｅ、Ａｒ、およびＮｅ等を約５０〜２００００ｓｃｃｍ、ならびに、シリコンまたはゲルマニウムのソースガス、例えば、ＳｉＨ４、Ｓｉ３Ｈ８、モノメチルシラン、および、ＧｅＨ４を１〜１０００ｓｃｃｍ用いて、圧力は約０．５〜１０Ｔｏｒｒ、および、温度は約摂氏２００度から４００度として、約５〜５００ＷのＲＦ電力でエネルギー化する。ＣＶＤプロセスの一例では、ＲＦ電力を用いないこと以外は、条件は上記と同じである。
【００４２】
ＶＬＳで成長させたシリコンおよび／またはゲルマニウムシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の厚みおよび形状は共に、プロセス条件および偏析触媒金属層３２５の性質に応じて決まる。特定の実施形態によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、ゲート電極２１０の表面の略全面を被覆するように密に配列されている複数のワイヤから形成される。具体的な実施形態によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の厚みは、ゲート電極２１０の面のうち触媒面から上方に約１〜１０ｎｍの範囲内である。
【００４３】
図１に戻って説明を続けると、動作１４５の後、動作１４８において、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の表面に残っている触媒金属部分３５０Ｂを除去するとしてよい。動作１４８では、利用した触媒金属を除去するのに適切な任意の公知の湿式化学洗浄方法を利用するとしてよい。その他の特定の実施形態によると、動作１４８を省略して、触媒金属残留物をそのままシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の露出面の上に残す。
【００４４】
動作１５０において、図４Ａの金属ケイ化物および／あるいは金属ゲルマニウム化物のメサ３３５、または、図４Ｂのシリコンおよび／あるいはゲルマニウムのメサ３４５の少なくとも一部分を誘電体に変換して、誘電体エッチストップ層をゲート電極の上方に形成する。第１の実施形態では、ケイ化物メサ３３５の一部分を、図５Ａに示す誘電体エッチストップ層３５０に変換する。誘電体エッチストップ層３５０は、動作１５０で実行されたプロセスに応じて、これらに限定されないが、窒化シリコン、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、または、窒化シリコン炭素等の誘電体を含むとしてよい。
【００４５】
動作１５０では通常、ケイ化物および／またはゲルマニウム化物のメサ３３５から電気絶縁層を形成可能な任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。一実施形態では、窒化プロセスを実行する。当該プロセスによると、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物（例えば、ケイ化コバルト）のメサ３３５のうち表面層を、窒化物である誘電体エッチストップ層３５０に変換する。窒化物である誘電体エッチストップ層３５０は、大部分が窒化シリコンまたは窒化ゲルマニウムであるが、一部に金属窒化物が残っている場合がある。ケイ化コバルトの実施形態例によると、ケイ化コバルトを窒化する際には、プロセス温度を約摂氏４００度に設定して、ケイ化コバルト（ＣｏＳｉｘ）からシリコンを引き出して、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）誘電体エッチストップ層３５０を形成して、コバルトまたはシリコンが失われたケイ化コバルトから成る内部金属コア３３６の周囲を取り囲む「シェル」または「クラスト」を得る。これは、窒化コバルト（ＣｏＮ）は、摂氏４００度では安定した状態になく、ＣｏおよびＮ２に分解されるためである。本明細書に記載されているほかの金属ケイ化物または金属ゲルマニウム化物でも同様の現象が観察され得る。等方性誘電体が形成されるので、ケイ化物および／またはゲルマニウム化物のメサ３３５全体が変換されない限り、図５Ａに示すように、誘電体エッチストップ層３５０のシェル構造は、ゲート電極２１０の縦中央線５２２よりもゲート電極２１０のエッジ５２１において、厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。
【００４６】
具体的な一実施例によると、窒化動作１５０では、これらに限定されないが、Ｎ２またはＮＨ３等の窒素ソースガスを約摂氏２００〜４５０度でプラズマへとエネルギー化して、金属ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜１０ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換するとしてよい。別の実施例によると、プラズマ窒化は、室温で実行され、金属ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜５ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。別の実施形態によると、Ｎ２およびＮＨ３等の窒素ソースガスを用いた窒素アニーリングを約摂氏６００度から８５０度で実行して、ケイ化物のメサ３３５のうち約５〜１５ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。さらに別の実施形態によると、イオンビームで窒素を注入して、ケイ化物のメサ３３５のうち約１〜１０ｎｍを窒化シリコンである誘電体エッチストップ層へと変換する。同様のプロセスを、本明細書に記載するその他の誘電体を含む誘電体エッチストップ層を形成するのに適したソースガスと共に用いるとしてよい。
【００４７】
別の実施形態によると、動作１５０において、図４Ｂに示すシリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の一部を、図５Ｂに示す誘電体エッチストップ層３５５に変換する。誘電体エッチストップ層３５５は、これらに限定されないが、窒化シリコン、二酸化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、または、窒化シリコン炭素等の誘電体を含むとしてよい。動作１４８が省略される実施例の場合には、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５の表面上に残っている触媒金属も同様にこの時点で酸化するとしてよい。
【００４８】
動作１５０では通常、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５から電気絶縁層を形成可能な任意の公知のプロセスを利用するとしてよい。例えば、窒化または酸化を実行するとしてよい。特定の実施形態によると、一般的に知られている酸化プロセスを用いて、酸化シリコンおよび／または酸化ゲルマニウムから成る誘電体エッチストップ層３５５を形成するとしてよい。別の実施形態によると、炭化プロセスを用いて、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５のうち少なくとも一部を誘電層（例えば、炭化シリコン）に変換するとしてよい。実施例によると、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、金属ケイ化物および／または金属ゲルマニウム化物のメサ３３５を窒化するプロセスとして本明細書に記載されているプロセスのうち少なくとも１つを利用して窒化される。このような実施例では、誘電体エッチストップ層３５５の厚みは、同じ条件下で形成された場合、誘電体エッチストップ層３５０の厚みよりも大きくなるとしてよい。誘電体エッチストップ層３５５の厚みは、窒化方法に応じて、約５〜１５ｎｍの範囲内で変動するとしてよい。
【００４９】
誘電体エッチストップ層３５５が等方的に形成される実施形態では、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５が全て変換されない限り、図５Ｂに示すように、誘電体エッチストップ層３５５のシェル構造は、ゲート電極の縦中央線５２２よりもゲート電極のエッジ５２１において厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。誘電体エッチストップ層３５５が異方的に形成される（例えば、プラズマ方式またはビーム注入方式が採用される）ほかの実施形態では、誘電体エッチストップ層３５５のシェル構造は、ゲート電極のエッジ５２１よりもゲート電極の縦中央線５２２において厚みＴが大きくなるという特徴を持つとしてよい。
【００５０】
図１に戻って説明を続けると、動作１６０において、図６Ａおよび図６Ｂにそれぞれ図示されているように、誘電体エッチストップ層３５０または３５５の上方にＩＬＤ６６０を形成するとしてよい。ＩＬＤ６６０は、任意の公知の誘電体を含むとしてよく、例えば、ＩＬＤ２１２に関して先に挙げた誘電体のうちいずれを含むとしてよく、任意の従来の方法を用いて成膜するとしてよい。特に有益な実施形態を１つ挙げると、ＩＬＤ６６０およびＩＬＤ２１２は共に、誘電体エッチストップ層３５０または３５５の誘電体とは異なる材料を含む。その後、ソース／ドレイン２０４に対するデバイスコンタクト６７０を、ゲート電極２１０に対するデバイスコンタクト６８０と共に、任意の従来の金属材料で開口するとしてよい。
【００５１】
図６Ａに示すように、デバイスコンタクト６８０および誘電体エッチストップ層３５０は交差しており、デバイスコンタクト６７０とデバイスコンタクト６８０との間でエッチング深さが相違するのは、誘電体エッチストップ層３５５ならびにＩＬＤ６６０および／または２１２のうちいずれについてコンタクトエッチングを行うことを選択するかに応じて決まる。図６Ｂは、誘電体エッチストップ層３５５を利用する実施形態でも同様の状態が得られる様子を示している。さらに図６Ａおよび図６Ｂに示すように、誘電体エッチストップ層３５０および３５５は、誘電体側面スペーサ２１４と共に、デバイスコンタクト６７０および６８０を開口するために利用されるエッチングプロセスに対する耐性が高い電気絶縁材料内にゲート電極２１０を完全に封入している。このようにエッチングに対する耐性が高いことを利用して、エッチングプロセスの許容範囲を緩和し得るので、エッチングバイアスが小さくなり、プロフィール制御が改善される等の効果が奏される。さらに、デバイスコンタクト６７０および６８０を形成するために２回に分けてマスクエッチングを行う場合、位置がずれてゲート電極２１０の上方に位置決めされると、誘電体エッチストップ層３５０は、コンタクト６７０がゲート電極２１０をソース／ドレイン２０４に短絡する事態を防ぎ得る。このような利点が得られることで、限界寸法および位置合わせ範囲が改善され得る。
【００５２】
図６Ａに示すように、内部金属コア３３６は、アーチファクトとしてデバイス構造内に残り、動作１３５で実行されるケイ素化／ゲルマニウム化の程度に応じて、コンタクトエッチングを行う工程で貫通するようにエッチングされるか、または、低抵抗コンタクトとして利用され得る。同様に、図６Ｂに示すように、シリコンおよび／またはゲルマニウムのメサ３４５は、デバイス構造内に残って、コンタクトエッチングを行う工程で貫通するようにエッチングされるとしてもよい。さらに図示されているように、触媒金属部分３５０Ｂは、デバイス構造内に、プロセスアーチファクトとして残るとしてもよい。
【００５３】
上記では、誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法を開示した。詳細に記載した実施形態のうち１以上の実施形態を用いて、ゲート電極を誘電体エッチストップ層で選択的に被覆するとしてよい。構造上の特徴または方法論的な動作に特有の用語を用いて本発明を説明してきたが、特許請求の範囲で定義される発明は必ずしも記載した具体的な特徴または動作に限定されるものではないと理解されたい。開示した具体的な特徴および動作は、本発明の特に良好な実施例を説明するものに過ぎず、本発明を制限するのではなく例示することを目的として記載されたものと理解されたい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターニングされた金属フィーチャの上方に誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法であって、
前記金属フィーチャの表面を露出させる段階と、
露出させた前記金属フィーチャの前記表面の上方にシリコンまたはゲルマニウムを含むメサを選択的に形成する段階と、
前記メサの少なくとも一部を誘電体に変換して、前記エッチストップ層を形成する段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャの表面の上に触媒金属を選択的に成膜する段階と、
前記金属フィーチャの上方に、シリコン、ゲルマニウム、または、シリコンおよびゲルマニウムの混合物を含むメサを、前記触媒金属で成長させる段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記メサは、前記触媒金属を水素化シリコンソースガスに暴露することによって成長させられる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記触媒金属は、ガリウム、パラジウム、白金、およびコバルトのうち少なくとも１つを含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記触媒金属のウェットエッチャントで前記触媒金属を前記メサの前記表面から除去する段階をさらに備える
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャのバルクから前記金属フィーチャの前記表面へと金属ドーパントを拡散させる段階と、
前記金属ドーパントを触媒として用いて、前記金属フィーチャの上方にシリコンメサまたはゲルマニウムメサを成長させる段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャの上に、金属キャップを選択的に成膜する段階と、
前記金属キャップの少なくとも一部を、ケイ化物、ゲルマニウム化物、または、ケイ化物およびゲルマニウム化物の混合物のうち少なくとも１つに変換する段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記金属キャップは、チタン、タングステン、ニッケル、白金、アルミニウム、および、コバルトのうち少なくとも１つを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記メサを誘電体に変換する段階はさらに、
アニーリングプロセスまたはプラズマプロセスのうち少なくとも１つで、少なくとも前記メサの外側シェルを酸化、窒化、または炭化する段階を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属フィーチャを暴露する段階は、ゲート金属層を研磨して、平坦化されたゲート電極を形成する段階を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
金属ゲート電極と、
前記金属ゲート電極の上方に設けられている誘電体エッチストップ層と
を備え、
前記金属ゲート電極は、上部表面においてバルク内よりも触媒金属の濃度が高く、
前記誘電体エッチストップ層は、前記上部表面を被覆しており、シリコンまたはゲルマニウムの酸化物、窒化物、または炭化物を有するトランジスタ。
【請求項１２】
前記誘電体エッチストップ層はさらに、前記誘電体シェルと前記金属ゲート電極との間に、酸素、窒素、または炭素が略全く存在しないゲルマニウムまたはシリコンの領域を有する請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１３】
前記触媒金属は、コバルト、白金、ガリウム、およびパラジウムのうち少なくとも１つを含む請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１４】
前記誘電体エッチストップ層の厚みは、前記金属ゲート電極の中心よりも前記金属ゲート電極の側面の近傍において大きくなっており、シェルが形成されている請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１５】
前記誘電体エッチストップ層は、前記金属ゲート電極の側面に隣接しているスペーサの厚み以下の距離だけ前記金属ゲート電極の前記側面を越えて延設されている請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１６】
金属のケイ化物またはゲルマニウム化物のうち少なくとも１つを上部表面部分に有する金属ゲート電極と、
前記上部表面部分の上面と側面を取り囲むように設けられており、前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物の酸化物、窒化物、または炭化物を有する誘電体シェルと
を備えるトランジスタ。
【請求項１７】
前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物は、コバルト、ニッケル、白金、アルミニウム、チタン、タングステン、および、タンタルのうち少なくとも１つを含む
請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記誘電体シェルの上に設けられており、材料組成が前記誘電体シェルとは異なるＩＬＤ層をさらに備える請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記誘電体シェルは、前記金属ゲート電極の側面に隣接している誘電体側面スペーサの厚み以下の距離だけ前記金属ゲート電極の前記側面を越えて延設されている請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物は、前記ゲート電極のバルクには略全く存在せず、前記ケイ化物またはゲルマニウム化物を有する前記上部表面部分は、隣接する誘電体スペーサが略全く存在しない側面を持つ請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１】
パターニングされた金属フィーチャの上方に誘電体エッチストップ層を選択的に形成する方法であって、
前記金属フィーチャの表面を露出させる段階と、
露出させた前記金属フィーチャの前記表面の上方にシリコンまたはゲルマニウムを含むメサを選択的に形成する段階と、
前記メサの少なくとも一部を誘電体に変換して、前記エッチストップ層を形成する段階と
を備える方法。
【請求項２】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャの表面の上に触媒金属を選択的に成膜する段階と、
前記金属フィーチャの上方に、シリコン、ゲルマニウム、または、シリコンおよびゲルマニウムの混合物を含むメサを、前記触媒金属で成長させる段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記メサは、前記触媒金属を水素化シリコンソースガスに暴露することによって成長させられる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記触媒金属は、ガリウム、パラジウム、白金、およびコバルトのうち少なくとも１つを含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記触媒金属のウェットエッチャントで前記触媒金属を前記メサの前記表面から除去する段階をさらに備える
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャのバルクから前記金属フィーチャの前記表面へと金属ドーパントを拡散させる段階と、
前記金属ドーパントを触媒として用いて、前記金属フィーチャの上方にシリコンメサまたはゲルマニウムメサを成長させる段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記メサを選択的に形成する段階はさらに、
前記金属フィーチャの上に、金属キャップを選択的に成膜する段階と、
前記金属キャップの少なくとも一部を、ケイ化物、ゲルマニウム化物、または、ケイ化物およびゲルマニウム化物の混合物のうち少なくとも１つに変換する段階と
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記金属キャップは、チタン、タングステン、ニッケル、白金、アルミニウム、および、コバルトのうち少なくとも１つを含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記メサを誘電体に変換する段階はさらに、
アニーリングプロセスまたはプラズマプロセスのうち少なくとも１つで、少なくとも前記メサの外側シェルを酸化、窒化、または炭化する段階を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属フィーチャを暴露する段階は、ゲート金属層を研磨して、平坦化されたゲート電極を形成する段階を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
金属ゲート電極と、
前記金属ゲート電極の上方に設けられている誘電体エッチストップ層と
を備え、
前記金属ゲート電極は、上部表面においてバルク内よりも触媒金属の濃度が高く、
前記誘電体エッチストップ層は、前記上部表面を被覆しており、シリコンまたはゲルマニウムの酸化物、窒化物、または炭化物を有するトランジスタ。
【請求項１２】
前記誘電体エッチストップ層はさらに、前記誘電体シェルと前記金属ゲート電極との間に、酸素、窒素、または炭素が略全く存在しないゲルマニウムまたはシリコンの領域を有する請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１３】
前記触媒金属は、コバルト、白金、ガリウム、およびパラジウムのうち少なくとも１つを含む請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１４】
前記誘電体エッチストップ層の厚みは、前記金属ゲート電極の中心よりも前記金属ゲート電極の側面の近傍において大きくなっており、シェルが形成されている請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１５】
前記誘電体エッチストップ層は、前記金属ゲート電極の側面に隣接しているスペーサの厚み以下の距離だけ前記金属ゲート電極の前記側面を越えて延設されている請求項１１に記載のトランジスタ。
【請求項１６】
金属のケイ化物またはゲルマニウム化物のうち少なくとも１つを上部表面部分に有する金属ゲート電極と、
前記上部表面部分の上面と側面を取り囲むように設けられており、前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物の酸化物、窒化物、または炭化物を有する誘電体シェルと
を備えるトランジスタ。
【請求項１７】
前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物は、コバルト、ニッケル、白金、アルミニウム、チタン、タングステン、および、タンタルのうち少なくとも１つを含む
請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記誘電体シェルの上に設けられており、材料組成が前記誘電体シェルとは異なるＩＬＤ層をさらに備える請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記誘電体シェルは、前記金属ゲート電極の側面に隣接している誘電体側面スペーサの厚み以下の距離だけ前記金属ゲート電極の前記側面を越えて延設されている請求項１６に記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記金属のケイ化物またはゲルマニウム化物は、前記ゲート電極のバルクには略全く存在せず、前記ケイ化物またはゲルマニウム化物を有する前記上部表面部分は、隣接する誘電体スペーサが略全く存在しない側面を持つ請求項１６に記載のトランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【公表番号】特表２０１１−５２４０８０（Ｐ２０１１−５２４０８０Ａ）
【公表日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０８７２６（Ｐ２０１１−５０８７２６）
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４８６３６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００２６９４
【国際公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（５９１００３９４３）インテル・コーポレーション (1,101)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２５日（２００９．６．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４８６３６
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００２６９４
【国際公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（５９１００３９４３）インテル・コーポレーション (1,101)
【Ｆターム（参考）】
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