(57)【要約】【課題】チャネル領域の面積を増加させた半導体素子のトランジスタ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明に係るトランジスタは、半導体基板（３１）上に垂直に突出したフィン活性領域（３１Ｂ）と、半導体基板（３１）上に配置され、かつ、フィン活性領域（３１Ｂ）の下部の側面を覆う素子分離膜（３４Ｂ）と、フィン活性領域（３１Ｂ）を横切り、かつ、フィン活性領域（３１Ｂ）の一部を覆うゲート電極（４２）とを備える。【選択図】図３Ｆ
2008235866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に垂直に突出したフィン活性領域と、
該フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造と、
前記フィン活性領域の上を横切り、かつ、前記フィン活性領域の上部の一部を覆うゲート電極とを備え、
前記フィン活性領域が、表面積を増加させるために、頭部と首部と胴体部とに画定されることを特徴とするトランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極で覆われたフィン活性領域に沿って形成されるチャネル領域と、
前記ゲート電極で覆われたフィン活性領域の表面に形成されるゲート絶縁膜と
を備えることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
【請求項３】
前記素子分離構造が、一定の厚さにエッチングされ、
エッチングされた前記素子分離構造が、フィン活性領域の側面の一部を露出させるように、部分的に除去されることを特徴とする請求項２に記載のトランジスタ。
【請求項４】
部分的に基板をエッチングしてトレンチを形成し、半導体基板に垂直に突出したフィン活性領域を形成する第１ステップと、
該フィン活性領域の上部を露出させ、かつ、前記フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造を形成する第２ステップと、
前記フィン活性領域の上部側面にスペーサを形成する第３ステップと、
該スペーサ下の前記素子分離構造の一部を除去して、前記フィン活性領域の側面の一部を露出させる第４ステップと、
上部と該上部よりも幅の狭い中部と下部とに画定されるように、前記フィン活性領域の側面の露出した一部をエッチングする第５ステップと
を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記フィン活性領域の最上部にパッド窒化膜を更に備えることを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記素子分離構造を形成する前記第２ステップが、
前記トレンチ内に前記素子分離膜を埋め込む第６ステップと、
該素子分離膜を一定の厚さにエッチングする第７ステップと
を含むことを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項７】
前記第７ステップにおいてエッチングされた後の前記素子分離膜の厚さが、
前記フィン活性領域の下部を画定することを特徴とする請求項６に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項８】
前記素子分離膜を一定の厚さにエッチングする前記第７ステップが、
ゲート電極が形成される領域の素子分離膜に対してのみ行われることを特徴とする請求項６に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記スペーサが、
窒化膜からなることを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記フィン活性領域の側面の一部を露出させる前記第４ステップが、
前記素子分離構造の一部を除去するウェットエッチングによって行われることを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１１】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
スペーサ又は素子分離構造よりも速く前記半導体基板をエッチングする特性を有するエッチャントを用いて行われることを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１２】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
ＨＣｌをエッチャントとして用いて行われることを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１３】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
ＨＣｌ／Ｈ２の混合物をエッチャントとして用いて行われることを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１４】
前記ＨＣｌの流量が、０．１ｓｌｍ〜１ｓｌｍの範囲内の値であり、
前記Ｈ２の流量が、１０ｓｌｍ〜５０ｓｌｍの範囲内の値であることを特徴とする請求項１３に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１５】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
７００℃〜１０００℃の範囲内の温度下で行われることを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１６】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
２Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒ（２６６．６４４Ｐａ〜２６６６４Ｐａ）の範囲内の圧力下で行われることを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１７】
前記第５ステップにおけるエッチングが、
０．５分〜６０分間行われることを特徴とする請求項１１に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１８】
前記第５ステップにおけるエッチング前に、前記フィン活性領域に予熱処理を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項１９】
前記予熱処理が、
水素雰囲気及び８００℃〜１０００℃の範囲内の温度下で行われることを特徴とする請求項１８に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項２０】
エッチングする前記第５ステップの後に、
前記フィン活性領域の表面にゲート絶縁膜を形成するステップと、
前記フィン活性領域の上を横切り、かつ、前記フィン活性領域の上部の一部を覆うゲート電極を形成するステップと
を更に含むことを特徴とする請求項４に記載のトランジスタの製造方法。
【請求項２１】
半導体基板から垂直に突出したフィン活性領域を形成するステップと、
該フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造を形成するステップと、
前記フィン活性領域の上部側面にスペーサを形成するステップと、
前記フィン活性領域の側面の一部を露出させるために、前記スペーサ下の前記素子分離構造の一部を除去するステップと、
前記フィン活性領域の表面積を増加させるために、前記フィン活性領域の側面の露出した一部をエッチングするステップと
を含むことを特徴とするトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造技術に関し、特に、半導体素子のトランジスタ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の高集積化に従って半導体素子のサイズも減少し、それによる基板のドーピング濃度の増加によって、接合リークの増加及び電界強度の増大、並びに短チャネル効果のような様々な問題が発生している。
【０００３】
このような問題を克服するために、フィン電界効果トランジスタ（以下、フィントランジスタという）が提案された。フィントランジスタでは、チャネルが形成される部分の半導体基板を垂直に突出させた構造（以下フィントランジスタ構造という）にすることでチャネル面積を増加させ、電流を確保することができる。
【０００４】
以下、図１及び図２を参照して従来のフィントランジスタ構造の形成方法をより詳しく説明する。
【０００５】
図１は、従来のフィントランジスタ構造を示す斜視図である。
【０００６】
同図に示すように、半導体基板１１は、垂直に突出したフィン活性領域１１Ａ及び素子分離膜１２を備える。フィン活性領域１１Ａは、素子分離膜１２の表面の位置を基準に上部と下部とに区分するように、素子分離膜１２は、フィン活性領域１１Ａの下部の側面を覆うように形成されている。素子分離膜１２が形成された半導体基板１１上にはフィン活性領域１１Ａを横切るゲート電極１３が配置される。したがって、ゲート電極１３は、フィン活性領域１１Ａの上部の一部を覆い、チャネル領域は、ゲート電極１３で覆われたフィン活性領域１１Ａの一部に沿って形成される。したがって、ゲート電極１３は、フィン活性領域１１Ａの上部を横切り、チャネル領域は、ゲート電極１３で覆われた、即ちゲート電極１３と接触するフィン活性領域１１Ａの表面に沿って形成される。同図における符号Ｓ及びＤは、各々ソース領域（ｓｏｕｒｃｅ  ｒｅｇｉｏｎ）とドレイン領域（ｄｒａｉｎ  ｒｅｇｉｏｎ）とを表す。
【０００７】
このように、従来のフィントランジスタ構造では、ゲート電極１３で覆われたフィン活性領域１１Ａの三面をチャネルとして用いることができるので、チャネル面積が増加する。
【０００８】
図２Ａ〜図２Ｃは、図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した従来のフィントランジスタの製造方法を説明するための断面図である。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、図１に示した各部分に対応する部分には図１と同じ符号を使用している。
【０００９】
図２Ａに示すように、半導体基板１１の素子分離予定領域にトレンチｔ（図２Ａでは、トレンチを画定している側壁を符号ｔで表している）を形成して、垂直に突出したフィン活性領域１１Ａを形成する。即ち、フィン活性領域１１Ａの両側にトレンチｔが形成されている。
【００１０】
続いて、トレンチｔ内に素子分離膜１２を形成する。
【００１１】
図２Ｂに示すように、ウェットエッチング又はドライエッチングによって素子分離膜１２を所定の厚さになるようにエッチングして、フィン活性領域１１Ａの上部を露出させる。符号１２Ａは、ウェットエッチング又はドライエッチング後の素子分離膜を表す。
【００１２】
図２Ｃに示すように、露出したフィン活性領域１１Ａの上部表面に沿ってゲート絶縁膜（図示せず）を形成した後、ゲート絶縁膜及びエッチングされた素子分離膜１２Ａ上にゲート電極用導電膜を形成する。
【００１３】
続いて、ゲート電極用導電膜をパターニングして、フィン活性領域１１Ａを横切り、かつ、フィン活性領域１１Ａの表面を部分的に覆うゲート電極１３を形成する。したがって、チャネル領域ｃは、ゲート電極１３で覆われたフィン活性領域１１Ａの上部表面に沿って形成される。
【００１４】
このようなフィントランジスタ構造を用いれば、前述したように、チャネル面積を増大させて、電流を確保することができるが、近年、半導体素子の高集積化が更に進むことにより、チャネル面積の増大は依然として挑戦的課題になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、従来のフィントランジスタ構造を改善して、フィン活性領域の側面を凹状にすることによって、トランジスタのチャネル面積の更なる増大を可能にする半導体素子のトランジスタ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するための本発明のトランジスタは、半導体基板上に垂直に突出したフィン活性領域と、該フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造と、前記フィン活性領域の上を横切り、かつ、前記フィン活性領域の上部の一部を覆うゲート電極とを備え、前記フィン活性領域が、表面積を増加させるために、頭部と首部と胴体部とに画定される。
【００１７】
また、上記目的を達成するための本発明のトランジスタの製造方法は、部分的に基板をエッチングしてトレンチを形成し、半導体基板に垂直に突出したフィン活性領域を形成するステップと、該フィン活性領域の上部を露出させ、かつ、前記フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造を形成するステップと、前記フィン活性領域の上部側面にスペーサを形成するステップと、該スペーサ下の前記素子分離構造の一部を除去して、前記フィン活性領域の側面の一部を露出させるステップと、上部と該上部よりも幅の狭い中部と下部とに画定されるように、前記フィン活性領域の側面の露出した一部をエッチングするステップとを含む。
【００１８】
また、上記目的を達成するための本発明のトランジスタの製造方法は、半導体基板から垂直に突出したフィン活性領域を形成するステップと、該フィン活性領域の下部の側面を覆う素子分離構造を形成するステップと、前記フィン活性領域の上部側面にスペーサを形成するステップと、前記フィン活性領域の側面の一部を露出させるために、前記スペーサ下の前記素子分離構造の一部を除去するステップと、前記フィン活性領域の表面積を増加させるために、前記フィン活性領域の側面の露出した一部をエッチングするステップとを含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体素子のトランジスタ及びその製造方法によれば、従来のフィントランジスタ構造を改善し、フィン活性領域の側面に凹形状部を形成することによって、トランジスタのチャネル面積を更に増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。
【００２１】
図３Ａ〜図３Ｆは、本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【００２２】
図３Ａに示すように、半導体基板３１の素子分離領域にトレンチＴ（図２Ａでは、トレンチを画定する側壁を符号Ｔで表している）を形成して、半導体基板３１に垂直に突出したフィン活性領域３１Ａを形成する。より詳しくは、トレンチＴの形成前に、半導体基板３１上に、酸化膜（図示せず）及び窒化膜（図示せず）を順に積層する。その後、素子分離のためのフォトレジストパターン（図示せず）を積層した窒化膜上に形成する。フォトレジストパターンを用いて窒化膜、酸化膜及び半導体基板３１をエッチングすることによって、トレンチＴ及びフィン活性領域３１Ａを形成する。図３Ａの符号３２及び３３はそれぞれ、酸化膜及び窒化膜を選択的にエッチングした後に、フィン活性領域３１Ａ上に形成されたパッド酸化膜及びパッド窒化膜を表す。
【００２３】
このとき、フォトレジストパターンは、ＣＯＭＡ（ＣｙｃｌｏＯｌｅｆｉｎ−Ｍａｌｅｉｃ  Ａｎｈｙｄｒｉｄｅ）又はアクリレート系のポリマーからなり、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）露光源を用いるフォトエッチングによって形成でき、平面形状がバー型（Ｉ型）又はＴ型に形成される。フォトレジストパターンの下には有機系の反射防止膜（図示せず）が介在し得る。トレンチＴの深さＨＴが、１０００Å〜２０００Å程度になるようにトレンチＴを形成するのが好ましい。
【００２４】
続いて、トレンチＴを含む半導体基板３１の構造全体の上に素子分離用物質膜を形成した後、パッド窒化膜３３の表面が露出するまでＣＭＰを行って、トレンチＴ内に埋め込まれた素子分離膜３４を形成する。
【００２５】
図３Ｂに示すように、素子分離膜３４を選択的にエッチングして、一定の厚さＨＦ１だけ残す。符号３４Ａは、選択的にエッチングされた後の素子分離膜を表わす。便宜上、エッチングされた素子分離膜３４Ａの表面の高さ位置、即ち、トレンチＴの底面から高さＨＦ１の位置を基準にフィン活性領域３１Ａを上部と下部とに区分することにすると、これによって、エッチングされた素子分離膜３４Ａは、フィン活性領域３１Ａの下部の側面を覆っている。ここで、素子分離膜３４のエッチングは、後続のゲート電極が形成される領域を露出させるマスクパターン（図示せず）を用いて行うことによって、特に、ゲート電極が形成される領域の素子分離膜３４のみをエッチングできる。
【００２６】
図３Ｃに示すように、パッド酸化膜３２、パッド窒化膜３３及びフィン活性領域３１Ａの上部の側面にスペーサ３５を形成する。より詳しくは、第１結果物、即ち図３Ｂに示した状態の基板の上側表面にスペーサ用物質膜を蒸着した後、スペーサエッチングを行うことによって、パッド酸化膜３２、パッド窒化膜３３及びフィン活性領域３１Ａの上部の側面にスペーサ用物質膜を残存させて、スペーサ３５を形成する。このとき、スペーサ３５は、窒化膜で形成するのが好ましい。そして、このとき、スペーサ３５は、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００２７】
ここで、スペーサエッチングは、２００Ｗ〜３０００Ｗの範囲のソースパワー、０Ｗ〜１５００Ｗの範囲のバイアスパワー、３ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ（約０．４０Ｐａ〜１３．３３Ｐａ）の範囲の圧力、及び、−１０℃〜５０℃の範囲の基板温度の条件で行われる。また、ここで、スペーサエッチングは、ＣＸＦＹガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ２）ガス、及び窒素（Ｎ２）ガスを含む混合ガスを用いて行う。ＣＸＦＹガスは、１０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲で注入され、Ａｒガスは、１０ｓｃｃｍ〜３００ｓｃｃｍの範囲で注入され、Ｏ２ガスは、０ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの範囲で注入され、Ｎ２ガスは、０ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲で注入される。なお、ＣＸＦＹガスにおいて、Ｘは１〜１０の範囲であり、Ｙは１〜１０の範囲である。
【００２８】
図３Ｄに示すように、パッド窒化膜３３及びスペーサ３５をエッチングバリアとしてエッチングされた素子分離膜３４Ａをウェットエッチングして、エッチングされた素子分離膜３４Ａの厚さを更に薄くする。図３Ｄの符号３４Ｂは、ウェットエッチング後のエッチングされた素子分離膜３４Ａを表わす。このようなウェットエッチング後に残った素子分離膜３４Ｂは、ＨＦ１の厚さよりも薄い。残在した素子分離膜３４Ｂの薄い厚さをＨＦ２とすると、ＨＦ２＜ＨＦ１である。ＨＦ１とＨＦ２との厚さの差は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。このとき、ウェットエッチングの特性上、スペーサ３５下部に残っている素子分離膜３４Ｂも除去され、フィン活性領域３１Ａの下部の側面の一部３６が露出する（図３Ｄの符号Ｂで示した破線領域参照）。また、他の実施形態において、フィン活性領域３１Ａの下部の側面の一部３６を露出させるために、１回又はそれ以上のドライエッチングが行われ得る。
【００２９】
図３Ｅに示すように、第２結果物、即ち図３Ｄに示した状態の基板に対してエッチングを行う。エッチング時に用いられるエッチャントは、半導体基板３１を形成する物質に対して選択的にエッチングする特性を有しており、フィン活性領域３１Ａの下部の側面の一部３６からエッチングされて凹形状を形成する。その結果、フィン活性領域３１Ａの下部は、両側面から内部に向かってリセスされた領域３７を有するフィン活性領域３１Ｂになる。即ち、フィン活性領域３１Ｂは、上部と中部と下部とに分けられる。一実施形態として、フィン活性領域３１Ｂは、頭部３８と首部３９と胴体部４０とで構成される。胴体部４０は、エッチング後に残る活性領域３１Ｂの下部領域として画定される。これによって、フィン活性領域３１Ｂの表面積が増加する。このような選択的なエッチングによるフィン活性領域３１Ｂの表面積の増加は、後続の工程で形成されるチャネルの面積の増加を意味する。このとき、フィン活性領域３１Ａのドライエッチング時、エッチング速度及びエッチング形状は、エッチングの条件によって様々に調整できる。その結果として、首部３８は、様々な形状を有し得る（図４参照）。
【００３０】
ここで、一般的に、選択的なエッチングにより形成されたフィン活性領域３１Ｂを備える半導体基板３１は、非晶質シリコンからなるため、このようなドライエッチングは、非晶質シリコンのみ選択的にエッチングできるＨＣｌ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｃｈｌｏｒｉｄｅ）を用いて行われるのが好ましい。一実施形態として、ＨＣｌを含むＨＣｌ／Ｈ２を用いてドライエッチングを行うが、２Ｔｏｒｒ〜２００Ｔｏｒｒ（２６６．６４４Ｐａ〜２６６６４Ｐａ）の範囲の圧力下で０．５分〜６０分程度の時間で行うのが好ましい。また、ＨＣｌ及びＨ２の流量は、各々０．１ｓｌｍ〜１ｓｌｍ及び１０ｓｌｍ〜５０ｓｌｍの範囲にし、７００℃〜１０００℃の範囲の温度下でエッチングを行うことによって、エッチング速度及びエッチング形状を調整することができる。
【００３１】
一方、このようなエッチングを行う前に、露出したフィン活性領域３１Ｂに存在する異物などを除去して、安定的にドライエッチングを行うために、水素雰囲気及び８００℃〜１０００℃の範囲の温度で予熱処理を行うのが好ましい。
【００３２】
図３Ｆに示すように、パッド酸化膜３２、パッド窒化膜３３及びスペーサ３５を除去した後に、選択的にエッチングされて露出したフィン活性領域３１Ｂの首部３９及び頭部３８の表面に沿ってゲート絶縁膜４１を形成する。
【００３３】
続いて、ゲート絶縁膜４１及び残っている素子分離膜３４Ｂ上にゲート電極用導電膜を形成し、該ゲート電極用導電膜をパターニングして、選択的にエッチングされたフィン活性領域３１Ｂを横切るゲート電極４２を形成する。導電膜は、ポリシリコン膜を含む。このとき、チャネル領域Ｃは、ゲート電極４２で覆われた選択的にエッチングされたフィン活性領域３１Ｂ（３８、３９、４０）の表面に沿って形成され、前述したように選択的にエッチングされたフィン活性領域３１Ｂの表面積が増加したことによって、チャネル領域Ｃの面積も増加する。
【００３４】
図４は、本発明の一実施形態に係るトランジスタにおいて、エッチングによってフィン活性領域に生成された首部の形状を示す顕微鏡写真である。
【００３５】
上述したように、実施形態に係るトランジスタのチャネル領域は、フィン活性領域の側面に首部を備えた凹凸形状であるため、面積が大きく増加する。
【００３６】
本発明に係るトランジスタは、従来のフィントランジスタ構造に比べて、チャネル面積を更に増加させることができるため、素子の特性を改善することができる。
【００３７】
本発明の半導体素子のトランジスタ及びその製造方法は、従来のフィントランジスタ構造を改善し、フィン活性領域の側面に凹形状部を形成することによって、トランジスタのチャネル面積を更に増加させることができるという効果がある。
【００３８】
以上、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明に係る技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のフィントランジスタ構造を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１のフィントランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｂ】図１のフィントランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図２Ｃ】図１のフィントランジスタの製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態に係るトランジスタ及びその製造方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るトランジスタにおいて、エッチングによってフィン活性領域に形成された首部の形状を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４０】
３１    半導体基板
３１Ａ、３１Ｂ    フィン活性領域
３２    パッド酸化膜
３３    パッド窒化膜
３４、３４Ａ、３４Ｂ    素子分離膜
３５        スペーサ
３６    露出したフィン活性領域３１Ａの側面
３７    リセスされた領域
３８    頭部
３９    首部
４０    胴体部
４１    ゲート絶縁膜
４２    ゲート電極
【図１】
2008235866.tif 000003
【図２Ａ】
2008235866.tif 000004
【図２Ｂ】
2008235866.tif 000005
【図２Ｃ】
2008235866.tif 000006
【図３Ａ】
2008235866.tif 000007
【図３Ｂ】
2008235866.tif 000008
【図３Ｃ】
2008235866.tif 000009
【図３Ｄ】
2008235866.tif 000010
【図３Ｅ】
2008235866.tif 000011
【図３Ｆ】
2008235866.tif 000012
【図４】
2008235866.tif 000013