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JP3245124B2 - Field effect transistor having vertical gate sidewalls and method of manufacturing the same - Google Patents

Field effect transistor having vertical gate sidewalls and method of manufacturing the same

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JP3245124B2
JP3245124B2 JP03111199A JP3111199A JP3245124B2 JP 3245124 B2 JP3245124 B2 JP 3245124B2 JP 03111199 A JP03111199 A JP 03111199A JP 3111199 A JP3111199 A JP 3111199A JP 3245124 B2 JP3245124 B2 JP 3245124B2
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gate
dielectric stack
layer
oxide
hole
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は一般に金属酸化物半
導体電界効果トランジスタ(MOSFET)に関するも
のであり、詳細には改良されたゲート酸化物と垂直側壁
を有するMOSFETに関するものである。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), and more particularly to MOSFETs having improved gate oxides and vertical sidewalls.

【0002】[0002]

【従来の技術】MOSFETのポリシリコン・ゲートの
寸法、形状および品質は、従来のMOSFETと同様、
将来の小型化されたMOSFETについても特に重要で
ある。
2. Description of the Related Art The size, shape and quality of a polysilicon gate of a MOSFET are the same as those of a conventional MOSFET.
Of particular importance for future miniaturized MOSFETs.

【0003】メモリ・チップや論理装置を現在可能なも
のより高集積度にするためには、これらのチップや装置
に使用されるゲートの寸法をさらに縮小し、これらのゲ
ート形成時の精度を改善しなければならない。
In order to increase the degree of integration of memory chips and logic devices beyond what is currently possible, the size of the gates used in these chips and devices is further reduced, and the accuracy in forming these gates is improved. Must.

【0004】図1に、従来のMOSFET10の、基本
的要素の概略を示す。このようなFET10は、通常シ
リコン基板11中に形成され、ドーピングしたソース領
域14と、ドーピングしたドレイン領域12が、ポリシ
リコンのゲート・ピラー13の左右に配列されている。
このゲート・ピラー13は、ソース領域14とドレイン
領域12との間に位置するチャネル17から、酸化物層
15で分離されている。ポリシリコンのゲート13の下
で、酸化物層15がゲート酸化物として機能する。従来
のFETでは、ゲート酸化物の下が厚くなっている。こ
れは、ポリシリコン・ゲートによって被覆されていない
酸化物層15の一部が、以下に説明するようにポリシリ
コンのRIEの間に浸食されるためである。ソース・チ
ャネル間およびドレイン・チャネル間の接合部18は、
断絶的に画定されていないことに留意されたい。ドーパ
ント濃度は、実際のチャネルに近づくほど減少する。す
なわち、ソース・チャネル間およびドレイン・チャネル
間の接合部18は、確実に画定されていない。このこと
は主として、ソース領域14とドレイン領域12が上部
から注入される場合、ゲート縁部に近いシリコン基板
(ゲートと重なる)にドーパントが到達できるようにす
るゲート13の傾斜のある側壁16に原因する。このた
めソースおよびドレインの抵抗が増大し、重なりキャパ
シタンスが上昇し、有効チャネル長が正しく規定されな
くなり、そのため装置の性能が低下する。
FIG. 1 schematically shows basic elements of a conventional MOSFET 10. Such an FET 10 is typically formed in a silicon substrate 11 with a doped source region 14 and a doped drain region 12 arranged to the left and right of a polysilicon gate pillar 13.
The gate pillar 13 is separated by an oxide layer 15 from a channel 17 located between the source region 14 and the drain region 12. Under the polysilicon gate 13, an oxide layer 15 functions as the gate oxide. In conventional FETs, the area under the gate oxide is thicker. This is because a portion of the oxide layer 15 not covered by the polysilicon gate is eroded during the polysilicon RIE, as described below. The junction 18 between the source channel and the drain channel is
Note that it is not definitive. The dopant concentration decreases as it approaches the actual channel. That is, the junction 18 between the source and the channel and between the drain and the channel is not reliably defined. This is mainly due to the sloped sidewalls 16 of the gate 13 that allow the dopant to reach the silicon substrate near the gate edge (overlapping the gate) when the source and drain regions 14 and 12 are implanted from above. I do. This increases the source and drain resistance, increases the overlap capacitance, and incorrectly defines the effective channel length, thereby reducing device performance.

【0005】現在の技術では、シリコンの反応性イオン
・エッチング(RIE)およびフォトレジストを使用し
て、相補型金属酸化物半導体(CMOS)FETを含む
MOSFETのポリシリコン・ゲートを画定する。RI
E工程によって、2つの要件が満たされなければならな
い。ポリシリコン・ゲートは、完全に垂直な側壁を有す
るものでなければならず、さらに、RIE工程がポリシ
リコン・ゲート13の底部のゲート酸化物15を破壊す
ることなく、確実にそこで停止しなければならない。通
常、ゲート酸化物15はきわめて薄く(数ナノメートル
の範囲)であり、FETの小型化が進むほど、さらに薄
くなる。
[0005] Current technology uses silicon reactive ion etching (RIE) and photoresist to define the polysilicon gate of MOSFETs, including complementary metal oxide semiconductor (CMOS) FETs. RI
By the E process, two requirements must be satisfied. The polysilicon gate must have completely vertical sidewalls, and furthermore, the RIE process must stop there without destroying the gate oxide 15 at the bottom of the polysilicon gate 13. No. Usually, the gate oxide 15 is very thin (in the range of several nanometers), and becomes thinner as the size of the FET is reduced.

【0006】ウエーハ全体を加工する場合、エッチング
によりウエーハ上にあるすべてのMOSFETのポリシ
リコン・ゲートになるべきポリシリコン層の厚みが変化
する。すべてのポリシリコン・ゲートが確実に正しく画
定されるようにするため、ポリシリコン層が比較的厚い
ウエーハの部分に形成されたものも含めて、すべてのポ
リシリコン・ゲートが薄いゲート酸化物15までエッチ
ングされるように、エッチング時間を調節しなければな
らない。しかし、この故意に行うオーバーエッチングに
より、ポリシリコン・ゲート13に隣接するゲート酸化
物15の厚みが(図1に略図で示すように)局部的に減
少する。これは、ポリシリコンのエッチング工程におけ
る選択性が十分高くないためである。(選択性が高いと
いうことは、エッチング工程で、エッチングしようとす
る材料、たとえばこの例ではポリシリコンのみが浸食さ
れ、ゲート酸化物は浸食されないことを意味することに
留意されたい。)すなわち、従来のポリシリコンのRI
Eエッチング工程では、ポリシリコンだけでなく、酸化
物層15も浸食される。選択性が低いため、図1に略図
で示すように、ポリシリコン・ゲート13に隣接するゲ
ート酸化物15の厚みは、元の酸化物層の厚みより薄く
なる(ポリシリコン・ゲート13の下参照)。
When processing the entire wafer, the thickness of the polysilicon layer to be the polysilicon gate of all MOSFETs on the wafer changes due to etching. To ensure that all polysilicon gates are correctly defined, all polysilicon gates, including those formed on relatively thick wafers, are reduced to a thin gate oxide 15. The etching time must be adjusted so that it is etched. However, this intentional over-etching locally reduces the thickness of the gate oxide 15 adjacent to the polysilicon gate 13 (as shown schematically in FIG. 1). This is because the selectivity in the polysilicon etching step is not sufficiently high. (Note that high selectivity means that only the material to be etched is eroded in the etching process, for example, polysilicon in this example, and the gate oxide is not eroded. Polysilicon RI
In the E etching step, not only the polysilicon but also the oxide layer 15 is eroded. Due to the low selectivity, the thickness of the gate oxide 15 adjacent to the polysilicon gate 13 is less than the thickness of the original oxide layer, as shown schematically in FIG. 1 (see below the polysilicon gate 13). ).

【0007】選択性が改善されると、エッチングの方向
性が減少するため、望ましくない垂直でない(傾斜し
た)ポリシリコン・ゲートの側壁が生じるのは、現在使
用されているRIEによるポリシリコンのエッチングの
本質である。換言すれば、ポリシリコン・ゲートを形成
するために従来のポリシリコンのRIEを使用すると、
側壁の傾斜が増大するか、薄い酸化物層15が浸食さ
れ、結果的にウエーハ全体の厚みが変化する。ポリシリ
コンのRIEは、ポリシリコンと酸化物との選択性を改
善するために調節することができるが、その場合RIE
によるエッチングの等方性が増大し、その結果側壁がさ
らに傾斜する。
As selectivity is improved, the unwanted orientation of the polysilicon gate due to the reduced etch direction is caused by the currently used RIE etching of polysilicon. Is the essence of In other words, using conventional polysilicon RIE to form a polysilicon gate,
The sidewall slope increases or the thin oxide layer 15 erodes, resulting in a change in the overall thickness of the wafer. The RIE of the polysilicon can be adjusted to improve the selectivity between polysilicon and oxide, in which case the RIE
Increases the isotropic nature of the etching, and as a result, the sidewalls are further inclined.

【0008】上述のように、MOSFETを小型化する
場合、ゲート酸化物は薄くならなければならない。ゲー
ト酸化物が薄くなるほど、オーバーエッチングの許容度
が小さくなることは明白である。換言すれば、ポリシリ
コン・ゲートの小型化のためには、エッチングの選択性
を改善しなければならない。たとえば、サブ0.1ミク
ロンのCMOSFETのゲート酸化物は、厚みが3nm
未満である。どのようなオーバーエッチングがあって
も、装置の性能が低下する。
As described above, when miniaturizing a MOSFET, the gate oxide must be thin. Obviously, the thinner the gate oxide, the less acceptable the overetch. In other words, etch selectivity must be improved for polysilicon gate miniaturization. For example, the gate oxide of a sub-0.1 micron CMOSFET has a thickness of 3 nm.
Is less than. Any over-etching will reduce the performance of the device.

【0009】従来のトランジスタのゲート長LGは、簡
単に上述したように、フォトリソグラフィおよび一連の
RIE工程によって規定される。フォトリソグラフィの
解像度は露出光の波長に比例するため、ゲート長は約1
50nmに限定される。従来の光学的リソグラフィを利
用して、これより小さいゲートを製造することはできな
い。
[0009] The gate length L G of the conventional transistor, briefly mentioned above, it is defined by photolithography and a series of RIE process. Since the resolution of photolithography is proportional to the wavelength of the exposure light, the gate length is about 1
Limited to 50 nm. Conventional optical lithography cannot be used to make smaller gates.

【0010】現在最新の技術では、波長248nmの光
の照射により幅が250nmのフィーチャを製造するこ
とができる。現在、光を利用した方法は、フィーチャ寸
法が150nmより小さい構造を得ようとする場合、ネ
ックとなっている。現在のDRAMを製造する最新技術
の光学的リソグラフィ・システムは非常に高価である。
半導体産業の将来の方向として、2001年には180
nm、2011年には70nmの、最新技術が要求され
ている。
The current state of the art is capable of producing 250 nm wide features by irradiating light of 248 nm wavelength. Currently, light-based methods are a bottleneck when trying to obtain structures with feature dimensions smaller than 150 nm. State-of-the-art optical lithography systems for manufacturing current DRAMs are very expensive.
The future direction of the semiconductor industry is 180
nm, the latest technology of 70 nm in 2011 is required.

【0011】代替方法、たとえばX線リソグラフィは、
これまでより小さいフィーチャ寸法に移行する場合魅力
的ではあるが、巨額の投資を必要とする。したがって、
多くの既存の工程への適合を保つ技術は、本質的に価値
がある。
Alternative methods, such as X-ray lithography,
Moving to ever smaller feature sizes is attractive, but requires a significant investment. Therefore,
Techniques that are compatible with many existing processes are of intrinsic value.

【0012】現在、垂直な(傾斜のない)側壁を有する
MOSFETを実現する製造方法は知られていない。さ
らに、従来の技術は、厚みが5nm未満の完全なゲート
酸化物を有するFETの小型化には適していない。
At present, there is no known manufacturing method for realizing a MOSFET having vertical (non-sloped) sidewalls. Furthermore, the prior art is not suitable for miniaturizing FETs having a perfect gate oxide with a thickness of less than 5 nm.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、チャ
ネル長が正確に規定され、ソースおよびドレイン抵抗が
最小で、重なりキャパシタンスが最小のMOSFETを
提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a MOSFET with a precisely defined channel length, minimum source and drain resistance, and minimal overlap capacitance.

【0014】本発明の他の目的は、小型化されたMOS
FET、特に0.1μm未満の寸法のMOSFETを提
供することにある。
Another object of the present invention is to provide a miniaturized MOS.
An object of the present invention is to provide an FET, particularly a MOSFET having a size of less than 0.1 μm.

【0015】本発明の他の目的は、チャネル長が正確に
規定され、ソースおよびドレイン抵抗が最小で、重なり
キャパシタンスが最小のMOSFETの製造方法を提供
することにある。
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a MOSFET having a precisely defined channel length, a minimum source and drain resistance, and a minimum overlap capacitance.

【0016】本発明の他の目的は、小型化されたMOS
FET、特に0.1μm未満の寸法の、MOSFETの
製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a miniaturized MOS.
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing FETs, especially MOSFETs with dimensions less than 0.1 μm.

【0017】本発明の他の目的は、正確に規定された、
150nm未満のチャネル長を有するMOSFETの製
造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a precisely defined
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a MOSFET having a channel length of less than 150 nm.

【0018】本発明の他の目的は、ソースおよびドレイ
ン抵抗が最小で、重なりキャパシタンスが最小のMOS
FETの製造方法を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a MOS transistor having a minimum source and drain resistance and a minimum overlap capacitance.
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an FET.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
る新規のFETの製造方法により達成される。本製造方
法は、 ・半導体構造上に少なくとも1層のパッド酸化物層を有
する誘電体スタックを形成する工程と、 ・誘電体スタック上に、形成されるゲート・ピラーと同
一の横方向寸法および形状を有するエッチ・ウインドウ
を画定する工程と、 ・反応性イオン・エッチング(RIE)を使用して、エ
ッチ・ウインドウを誘電体スタックに転写することによ
り、誘電体スタック上にゲート・ホールを画定する工程
と、 ・ゲート・ホールを充てんするようにゲート導体を付着
する工程と、 ・ゲート・ホール周囲の誘電体スタックの部分を被覆す
るゲート導体を除去する工程と、 誘電体スタックの少なくとも一部を除去する工程とを含
む。
The above objects are attained by the novel method of manufacturing a FET according to the present invention. Forming a dielectric stack having at least one pad oxide layer on the semiconductor structure; and having the same lateral dimensions and shape on the dielectric stack as the gate pillars to be formed. Defining an etch window having: a. Defining a gate hole on the dielectric stack by transferring the etch window to the dielectric stack using reactive ion etching (RIE). Depositing a gate conductor to fill the gate hole; removing a gate conductor covering a portion of the dielectric stack around the gate hole; removing at least a portion of the dielectric stack And a step of performing.

【0020】上記目的は、本発明による他の新規のFE
Tの製造方法によっても達成される。本製造方法は、 ・半導体構造上に誘電体スタックを形成する工程と、 ・上記誘電体スタック上にエッチ・ウインドウを画定す
る工程と、 ・反応性イオン・エッチング(RIE)を使用して、エ
ッチ・ウインドウを誘電体スタックに転写することによ
り、誘電体スタック上にゲート・ホールを画定する工程
と、 ・側壁層を付着する工程と、 ・ゲート・ホールの内側に側壁スペーサが残り、これに
よりゲート・ホールの横方向寸法が減少するように、水
平面から側壁層を除去する工程と、 ・ゲート・ホールを充てんするようにゲート導体を付着
する工程と、 ・ゲート・ホール周囲の半導体構造の部分を覆うゲート
導体を除去する工程と、 ・誘電体スタックの少なくとも一部を除去する工程と、 ・側壁スペーサを除去する工程とを含む。
The above object has been achieved by another novel FE according to the present invention.
This is also achieved by the method of manufacturing T. The method includes the steps of: forming a dielectric stack on the semiconductor structure; defining an etch window on the dielectric stack; etching using reactive ion etching (RIE). Defining a gate hole on the dielectric stack by transferring the window to the dielectric stack; depositing a sidewall layer; leaving sidewall spacers inside the gate hole, thereby leaving the gate Removing the sidewall layer from the horizontal plane so as to reduce the lateral dimension of the hole; attaching a gate conductor to fill the gate hole; and removing the portion of the semiconductor structure around the gate hole. Removing the overlying gate conductor; removing at least a portion of the dielectric stack; and removing the sidewall spacer.

【0021】本発明の手法は、従来のMOSまたはCM
OSプロセス工程の、上記一連の工程によってゲート導
体を画定するのに通常用いられる部分に取って代わるも
のである。
The method of the present invention uses a conventional MOS or CM
It replaces the portion of the OS process step typically used to define the gate conductor by the above sequence of steps.

【0022】上記プロセスは、詳細説明で扱うように様
々な形に修正することができる。
The above process can be modified in various ways as addressed in the detailed description.

【0023】利点は、詳細な説明および図面により明ら
かになる。しかし、利点の一部は、ゲート・ピラーの側
壁が垂直であることである。本発明の他の利点は、Si
2パッド酸化物の厚みが均一、すなわち、ソースおよ
びドレイン上面のパッド酸化物の厚みが均一で、ウエー
ハ全体を通じて変化しないことである。これにより、ウ
エーハ全体を通じて確実にソースとドレインの接合部の
深さにばらつきがなくなる。パッド酸化物の厚みが変化
する従来の装置では、ソースとドレインの接合部の深さ
が均一ではない。このことは、延長された接合部で特に
重要である。利点は、詳細な説明および図面により明ら
かになる。従来のフォトリソグラフィ工程を使用して、
リソグラフィで可能な寸法より小さいゲート・ピラーを
形成することができることもひとつの利点である。ゲー
ト・ピラーの側壁が垂直であることももうひとつの利点
である。
Advantages will become apparent from the detailed description and drawings. However, part of the advantage is that the sidewalls of the gate pillar are vertical. Another advantage of the present invention is that Si
The thickness of the O 2 pad oxide is uniform, that is, the thickness of the pad oxide on the source and drain upper surfaces is uniform and does not change throughout the wafer. This ensures that there is no variation in the depth of the junction between the source and the drain throughout the entire wafer. In conventional devices where the thickness of the pad oxide varies, the depth of the source / drain junction is not uniform. This is particularly important with extended joints. Advantages will become apparent from the detailed description and drawings. Using a traditional photolithography process,
One advantage is that gate pillars can be formed that are smaller than lithographically possible. The vertical side walls of the gate pillars are another advantage.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】本明細書で、n+型またはp+型に
ドーピングした半導体とは、高度にドーピングした半導
体を意味する。これらは通常、ドーパント濃度が少なく
とも1018ないし1022/cm3である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present specification, an n + -type or p + -type doped semiconductor means a highly doped semiconductor. These usually have a dopant concentration of at least 10 18 to 10 22 / cm 3 .

【0025】本明細書で、MOSFETの語を使用する
場合、CMOS、NMOS、PMOSFETなどを含
む、あらゆる種類のMOSFETを意味する。また、ト
ランジスタとは、ゲート・ピラーとチャネルとの間の分
離層として機能する酸化物がない場合も含む。従来の酸
化物の代わりに、窒化物層など、あらゆる種類の絶縁層
を使用することができる。
As used herein, the term MOSFET refers to any type of MOSFET, including CMOS, NMOS, PMOSFET, and the like. Further, a transistor includes a case where there is no oxide functioning as an isolation layer between a gate pillar and a channel. Instead of conventional oxides, any type of insulating layer can be used, such as a nitride layer.

【0026】下記の記述で強調されるのは、ポリシリコ
ン・ゲートである。ポリシリコンの代わりに、ゲート導
体として適した材料であれば、あらゆる種類の材料を使
用することもできる。たとえば、ポリシリコンの代わり
にタングステンを使用することができる。同様に、ポリ
シリコンおよびケイ化物などによる積層構造もゲートと
して使用可能である。ポリシリコンの代わりに、下記に
示すように、非晶質シリコンをゲート・ホールに「充て
ん」することもできる。その後、熱処理を続けることに
より、非晶質シリコンをポリシリコンに変換することが
できる。
It is the polysilicon gate that is emphasized in the following description. Instead of polysilicon, any type of material suitable for the gate conductor may be used. For example, tungsten can be used instead of polysilicon. Similarly, a stacked structure of polysilicon and silicide can be used as the gate. Instead of polysilicon, the gate holes may be "filled" with amorphous silicon, as shown below. Thereafter, the amorphous silicon can be converted to polysilicon by continuing the heat treatment.

【0027】本発明によるFET20を図2に示す。本
FETは半導体基板21中に形成される。この基板は、
たとえばシリコン基板である。本実施形態で、ドレイン
領域22およびソース領域24は、n+ドーピングによ
り画定されている。n型ドーピングに適したドーパント
は、たとえばP、AsまたはSbである。p型のソース
領域およびドレイン領域には、B、InまたはGaを使
用することができる。ポリシリコン・ゲート23は、薄
いSiO2ゲート酸化物28の上面に設ける。ゲート構
造周囲の表面は、通常浅い分離トレンチを画定する前に
付着するパッド酸化物層の残部により被覆されている
(図2には図示せず)ことに留意されたい。図1と同様
に、ゲート、ソースおよびドレインとの接触に使用され
る電極は示されていない。図に示されているように、ポ
リシリコン・ゲート23の側壁26は垂直である。ソー
スとチャネルおよびドレインとチャネルの接合部29
(ソースとチャネルおよびドレインとチャネルの境界面
ともいう)は正確に画定され、ソースおよびドレイン領
域に注入を行う時に、ドーパントがゲート縁部の下の領
域に入り込める傾斜したゲートの側壁がないため、絶縁
されている。境界面29はほぼ垂直である。したがっ
て、重なりが最少であるため、有効チャネル長は主とし
てゲート・ピラー26の長さにより規定される。換言す
れば、このマスク・ウインドウはピラー・ゲートの長さ
および幅を規定する誘電体スタックに転写されるため、
ゲート・マスク・ウインドウの寸法形状が、チャネル長
を規定する。ゲートの側壁が垂直であることにより、重
なりが最少になり、その結果ソースとドレインの抵抗、
および重なりキャパシタンスが減少する。さらに、ゲー
ト長L Gは従来のフォトリソグラフィ技術により可能な
ものより短い。本明細書ではこのようなゲートをサブ・
リソグラフィック・ゲートと呼ぶ。サブ・リソグラフィ
ック・ゲートを有するFETは、少なくともひとつの横
方向の寸法(ゲート長またはゲート幅)が、従来の光学
的リソグラフィにより得られる可能な最小フィーチャ寸
法より小さいゲート導体を有するトランジスタである。
すなわち、ゲート長またはゲート幅あるいはその両方が
150nm以下のものをいう。
FIG. 2 shows an FET 20 according to the present invention. Book
The FET is formed in the semiconductor substrate 21. This board
For example, a silicon substrate. In this embodiment, the drain
The region 22 and the source region 24+By doping
Is defined. Suitable dopant for n-type doping
Is, for example, P, As or Sb. p-type source
B, In or Ga is used for the region and the drain region.
Can be used. The polysilicon gate 23 is thin
Not SiOTwoIt is provided on the upper surface of the gate oxide 28. Gate structure
The surface around the structure is usually before the shallow isolation trench is defined.
Covered by the rest of the pad oxide layer that adheres
(Not shown in FIG. 2). Same as FIG.
Used for contact with gate, source and drain
No electrodes are shown. As shown in the figure,
The sidewall 26 of the silicon gate 23 is vertical. Saw
Junction 29 between source and channel and between drain and channel
(Interface between source and channel and between drain and channel
Are also precisely defined, source and drain regions
When implanting the region, the dopants
Insulated because there are no sloping gate sidewalls that can enter the area
Have been. The interface 29 is substantially vertical. Accordingly
The effective channel length is mainly due to the minimal overlap
Is defined by the length of the gate pillar 26. Paraphrase
If this mask window is the length of the pillar gate
And transferred to the dielectric stack that defines the width
Gate mask window dimensions and channel length
Is specified. Due to the vertical side walls of the gate, heavy
Is minimized, resulting in source and drain resistance,
And the overlap capacitance is reduced. In addition, games
G length L GIs possible with conventional photolithography technology
Shorter than the ones. In this specification, such a gate is referred to as a sub-gate.
Called a lithographic gate. Sub lithography
FETs with a back gate have at least one lateral
Direction dimension (gate length or gate width)
Feature size possible by dynamic lithography
A transistor having a gate conductor smaller than the normal.
That is, the gate length and / or gate width
It refers to those having a thickness of 150 nm or less.

【0028】本発明の構造の、もうひとつの利点は、S
iO2パッド酸化物25の厚みが、ソース領域24およ
びドレイン領域22の上面で均一である、すなわち、パ
ッド酸化物の厚みがウエーハ全体を通じて変化しないこ
とである。さらに、薄いゲート酸化物28は、パッド酸
化物25と無関係に形成され、従来のMOS製造方法を
使用した場合のように、ポリシリコンのRIE工程に曝
されない。
Another advantage of the structure of the present invention is that S
The thickness of the iO 2 pad oxide 25 is uniform on the upper surfaces of the source region 24 and the drain region 22, that is, the thickness of the pad oxide does not change throughout the wafer. Further, the thin gate oxide 28 is formed independently of the pad oxide 25 and is not exposed to the polysilicon RIE process as when using conventional MOS fabrication methods.

【0029】本発明によれば、ゲート・ホールはマスク
・ウインドウを誘電体スタックに転写することにより形
成する。次に側壁層を形成した後、側壁スペーサがゲー
ト・ホール内部に残るように、水平面から除去する。ゲ
ート・ホールの幅から側壁スペーサの厚みを引いた値
が、ゲート長LGおよび形成されるゲート・ピラーの幅
を規定する。ゲートの側壁が垂直であることにより、重
なりが最少になり、その結果ソースとドレインの抵抗、
および重なりキャパシタンスが減少する。
According to the present invention, gate holes are formed by transferring a mask window to a dielectric stack. Next, after forming the sidewall layer, the sidewall spacer is removed from the horizontal plane so as to remain inside the gate hole. Width minus the thickness of the sidewall spacer from the gate hole defines a width of the gate length L G and the gate-pillars to be formed. The vertical side walls of the gate minimize overlap, which results in source and drain resistance,
And the overlap capacitance is reduced.

【0030】本発明による製造方法を、一連の工程(図
3ないし図16)を参照して詳述する。これらの工程
は、必ずしも図示し、説明する順序で実行しなければな
らないことはない。本発明による製造方法は、特に非常
に薄いゲート酸化物(<5nm)を有するFETの形成
に適している。
The manufacturing method according to the present invention will be described in detail with reference to a series of steps (FIGS. 3 to 16). These steps need not necessarily be performed in the order shown and described. The manufacturing method according to the invention is particularly suitable for forming FETs with very thin gate oxides (<5 nm).

【0031】下記の例で、本発明によるFETの製造方
法は、基板30から開始する。この基板を、パッド酸化
物層35および窒化物層31で被覆する。基板30は、
たとえばシリコン基板でよい。厚み8nmのSiO2
35を、パッド酸化物として使用することができる。パ
ッド酸化物層の厚みは通常5nmないし20nmであ
る。酸化物層35は、高速熱処理(RTP)または炉処
理により形成する。
In the following example, the method of manufacturing an FET according to the present invention starts with a substrate 30. This substrate is covered with a pad oxide layer 35 and a nitride layer 31. The substrate 30
For example, a silicon substrate may be used. An 8 nm thick SiO 2 layer 35 can be used as pad oxide. The thickness of the pad oxide layer is usually 5 nm to 20 nm. The oxide layer 35 is formed by rapid thermal processing (RTP) or furnace processing.

【0032】窒化物層31はSi34からなるものでよ
く、厚みは約90nmでよい。この窒化物層31は、た
とえば高温低圧化学的気相付着(LPCVD)を用いて
形成することができる。プラズマ・エンハンス化学的気
相付着(PECVD)などの、他の蒸着法を使用するこ
ともできる。同様に、窒化物をスパッタリングしてもよ
い。
The nitride layer 31 may be made of Si 3 N 4 and may have a thickness of about 90 nm. This nitride layer 31 can be formed using, for example, high-temperature low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD). Other deposition methods can be used, such as plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Similarly, a nitride may be sputtered.

【0033】次に、単一のフォトレジスト層32を窒化
物層31の上にスピン・コーティングする。次に、この
レジスト層32を、従来のリソグラフィによりパターニ
ングして、図4に示すように、後で行うエッチング工程
のためのエッチ・ウインドウ33を画定する。単一層の
フォトレジストを使用する代わりに、多層レジストや、
たとえばハード・ベークド・マスクなど、他のマスクを
使用することもできる。エッチ・ウインドウ33の寸法
形状が、次にエッチングされる浅いトレンチ分離(ST
I)トレンチの横方向の寸法を決定する。このようなS
TI(フィールド酸化物分離ともいう)は、通常隣接す
るトランジスタ間の分離のため、MOSおよびCMOS
技術で用いられる。STIの代わりに、LOCOS(シ
リコンの局部酸化)またはポリバッファLOCOSを使
用することもできる。
Next, a single photoresist layer 32 is spin-coated on the nitride layer 31. The resist layer 32 is then patterned by conventional lithography to define an etch window 33 for a subsequent etching step, as shown in FIG. Instead of using a single layer of photoresist, a multi-layer resist,
Other masks can be used, for example, a hard baked mask. The dimensions of the etch window 33 are changed to the next shallow trench isolation (ST
I) Determine the lateral dimensions of the trench. Such S
TI (also referred to as field oxide isolation) usually uses MOS and CMOS for isolation between adjacent transistors.
Used in technology. Instead of STI, LOCOS (local oxidation of silicon) or polybuffer LOCOS can be used.

【0034】図5に示すように、ここで適切なエッチン
グ技術を用いてレジスト・パターンを下の積層構造に転
写する。この工程は不可欠なものではない。STIトレ
ンチ34の深さDSTIは、100nm以上であればよ
い。STIトレンチを適当な分離材料で充てんする前
に、トレンチ34内部に薄酸化物層46を熱成長させて
もよい。これは、トレンチ34を、付着した酸化物であ
るオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)で充てんする
場合特に推奨される。付着したTEOSは通常、シリコ
ン基板30との境界面に表面状態を有する。このような
表面状態は望ましくない。
As shown in FIG. 5, the resist pattern is now transferred to the underlying stack using a suitable etching technique. This step is not essential. The depth D STI of the STI trench 34 may be 100 nm or more. Before filling the STI trench with a suitable isolation material, a thin oxide layer 46 may be thermally grown inside the trench 34. This is particularly recommended if the trench 34 is to be filled with an attached oxide, tetraethyl orthosilicate (TEOS). The attached TEOS usually has a surface state at an interface with the silicon substrate 30. Such a surface condition is not desirable.

【0035】本例では、レジスト32を除去し、薄い熱
酸化物46を形成した後、図6に示すように、STIト
レンチ34が底部まで充てんされるように、TEOS3
6を付着する。TEOS36は、たとえば低圧化学的気
相付着(LPCVD)処理を使用して付着することがで
きる。他の多くの材料も、連接するトランジスタ(図3
ないし図16には示されていない)の十分な分離が保証
される限り、TEOSの代わりに使用することができ
る。
In this example, after removing the resist 32 and forming a thin thermal oxide 46, as shown in FIG. 6, the TEOS 3 is filled so that the STI trench 34 is filled to the bottom.
6 is attached. TEOS 36 can be deposited using, for example, a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process. Many other materials are also associated with the associated transistor (FIG. 3).
(Not shown in FIG. 16) can be used instead of TEOS as long as sufficient isolation is guaranteed.

【0036】TEOSの利点は、後続のあらゆる化学機
械研磨(CMP)による平坦化工程の極めて良好な停止
層となることである。
An advantage of TEOS is that it provides a very good stop layer for any subsequent chemical mechanical polishing (CMP) planarization process.

【0037】図7に略図で示すように、ここでたとえば
CMPを使用して、構造の上面を平坦化する。本実施形
態では、CMPにより過剰なTEOS36が除去され、
研磨は窒化物層31で停止する。これにより、層31の
上面37は完全に平坦になる。CMPの後、この窒化物
層31の厚みはわずかに減少して、約75nmとなる。
As shown schematically in FIG. 7, the top surface of the structure is now planarized using, for example, CMP. In the present embodiment, the excess TEOS 36 is removed by CMP,
Polishing stops at nitride layer 31. Thereby, the upper surface 37 of the layer 31 becomes completely flat. After CMP, the thickness of this nitride layer 31 will decrease slightly to about 75 nm.

【0038】後続の工程で(図8参照)、平坦化された
表面37の上面に層を追加することにより、パッド酸化
物層35の上面に誘電体スタックを完成させる。本例
で、誘電体スタックは、 ・Si34窒化物層31(厚みが約75nmに減少) ・Si34窒化物層38(厚みが約50nm) ・TEOS層39(厚みが約60nm) で構成される。
In a subsequent step (see FIG. 8), a dielectric stack is completed on top of the pad oxide layer 35 by adding layers on top of the planarized surface 37. In this example, the dielectric stack comprises: a Si 3 N 4 nitride layer 31 (thickness reduced to about 75 nm); a Si 3 N 4 nitride layer 38 (thickness of about 50 nm); a TEOS layer 39 (thickness of about 60 nm). ).

【0039】窒化物と同様TEOSも、たとえばLPC
VD工程を使用して付着することができる。既存の装置
技術との適合性の理由で、シリコンまたは窒化物、およ
びそれぞれの酸化物などの材料が好ましい。
Like nitrides, TEOS can be produced, for example, by LPC
It can be deposited using a VD process. For reasons of compatibility with existing device technology, materials such as silicon or nitride and respective oxides are preferred.

【0040】TEOSは精密にRIEによりエッチング
することができるため、誘電体スタックの最上層に最適
である。RIEによりエッチングしたTEOSは平滑な
表面を有する。これは、レジスト・パターンが正確にT
EOSに転写されるため、後続のRIEによるエッチン
グのための優れたハード・マスクとして機能する。しか
し、図10を参照して説明するように、ゲート・ホール
底部のパッド酸化物をエッチングする場合TEOSを除
去することに留意されたい。同様に、誘電体スタック
は、1種類の重合体からなるものでも、いくつかの重合
体の層からなるものでもよい。このスタックが、垂直な
側壁を有するゲート・ホールが形成されるようにエッチ
ングされることが保証される限り、他のどのような誘電
体スタックでも使用することができる。図9および図1
0を参照して説明するように、ゲート・ホールのエッチ
ングには、高度の選択性を有するエッチャントが使用で
きることが重要である。誘電体スタック、およびこれを
構成する1層または複数の層が、既存の装置技術に適合
しなければならない。
Because TEOS can be precisely etched by RIE, it is best suited for the top layer of a dielectric stack. TEOS etched by RIE has a smooth surface. This is because the resist pattern is exactly T
Transferred to EOS, it acts as an excellent hard mask for subsequent RIE etching. Note, however, that TEOS is removed when etching the pad oxide at the bottom of the gate hole, as described with reference to FIG. Similarly, the dielectric stack may consist of one type of polymer or several polymer layers. Any other dielectric stack can be used, as long as it is guaranteed that the stack is etched to form gate holes with vertical sidewalls. 9 and 1
As described with reference to FIG. 0, it is important that an etchant with a high degree of selectivity can be used for etching a gate hole. The dielectric stack, and the layer or layers that comprise it, must be compatible with existing device technology.

【0041】図18を参照して説明するように、誘電体
スタックは窒化物のみで構成されるものであってもよ
い。このような窒化物のみのスタックは、シリコンおよ
びパッド酸化物を侵食することなくエッチングすること
ができる。
As described with reference to FIG. 18, the dielectric stack may be composed only of nitride. Such a nitride-only stack can be etched without attacking silicon and pad oxide.

【0042】本実施形態では、誘電体スタックは、すで
にSTIまたはLOCOSトレンチなど、特定の層およ
び構造要素で構成された半導体構造の上面に形成され
る。誘電体スタックは、単純な基板、予備加工した基
板、他の回路を有する半導体装置などを含むあらゆる種
類の半導体構造上に形成することができることに留意さ
れたい。
In this embodiment, the dielectric stack is formed on top of a semiconductor structure already composed of specific layers and structural elements, such as STI or LOCOS trenches. Note that the dielectric stack can be formed on any type of semiconductor structure, including simple substrates, pre-processed substrates, semiconductor devices with other circuits, and the like.

【0043】本明細書では、半導体構造から突出したゲ
ート構造を表すのにゲート・ピラーという表現を用い
る。このピラーは、側壁が垂直、すなわち半導体構造に
対して直角である限り、任意の寸法形状を有するもので
よい。
In this specification, the expression “gate pillar” is used to represent a gate structure protruding from a semiconductor structure. The pillars may have any size and shape as long as the side walls are vertical, that is, perpendicular to the semiconductor structure.

【0044】以下の工程では、横方向の寸法(ゲート長
GATEおよびゲート幅LWIDTH)および形成されるゲー
ト・ピラーの形状を決定するのに、フォトリソグラフィ
を使用する。この工程は、ゲート・ピラーの横方向の寸
法形状を決定するのに、多くの異なる方法があるため、
この工程は図示されていない。基本的には、レジスト・
マスク48に寸法形状が形成されるゲート・ピラーの横
方向の寸法形状とほぼ等しいエッチ・ウインドウ40を
設ける(図9参照)。エッチ・ウインドウ40の長さが
最終的にゲート長LGATEを決定するゲート・ホールの長
さを決定することに留意されたい。このゲート長LGATE
が、有効チャネル長を決定する。
In the following steps, photolithography is used to determine the lateral dimensions (gate length L GATE and gate width L WIDTH ) and the shape of the gate pillar to be formed. This process has many different ways to determine the lateral dimensions of the gate pillars,
This step is not shown. Basically, resist
An etch window 40 is provided in the mask 48 which is substantially equal to the lateral dimension of the gate pillar whose dimension is to be formed (see FIG. 9). Note that the length of the etch window 40 ultimately determines the length of the gate hole, which determines the gate length L GATE . This gate length L GATE
Determines the effective channel length.

【0045】次に、ゲート・ホールの形成について説明
する。ゲート・ホールを形成するためのRIE工程は、
レジスト48中に設けたエッチ・ウインドウ40(この
誘電体スタックは、本例では窒化物層31、窒化物層3
8、およびTEOS層39からなることに留意された
い)を、誘電体スタックに転写するために用いられる。
ゲート・ホールを形成するためのRIE工程は、誘電体
スタックの各種の層を確実に正しくエッチングするため
に最適化することができる。誘電体スタックの各層をエ
ッチングするために最適化されたいくつかのRIE工程
を行うことができる。たとえば、TEOS層39をエッ
チングする場合、窒化物に対する選択性を適切に選択す
る。窒化物に対する選択性は、3:1またはこれより良
好なものが適しており、このことはTEOSが窒化物よ
り3倍速くエッチングされることを意味する。RIE工
程は、誘電体スタック全体を通じて優れた垂直側壁を形
成することができる。エッチ・ウインドウ40がTEO
S層39に精密に転写されたら、2回目のRIE工程を
行う。この2回目のRIE工程は、パッド酸化物35に
対して高い選択性を有するように設計される。窒化物と
パッド酸化物との選択性は5:1以上が適している。1
0:1以上の選択性が好ましい。
Next, formation of a gate hole will be described. The RIE process for forming a gate hole
An etch window 40 provided in a resist 48 (this dielectric stack comprises a nitride layer 31, a nitride layer 3 in this example).
8 and TEOS layer 39) are used to transfer the dielectric stack.
The RIE process for forming gate holes can be optimized to ensure that the various layers of the dielectric stack are properly etched. Several RIE steps optimized to etch each layer of the dielectric stack can be performed. For example, when etching the TEOS layer 39, selectivity to nitride is appropriately selected. A selectivity to nitride of 3: 1 or better is suitable, which means that TEOS etches three times faster than nitride. The RIE process can form excellent vertical sidewalls throughout the dielectric stack. Etch window 40 is TEO
After being precisely transferred to the S layer 39, a second RIE step is performed. This second RIE step is designed to have high selectivity to the pad oxide 35. A selectivity between nitride and pad oxide of 5: 1 or more is suitable. 1
A selectivity of 0: 1 or more is preferred.

【0046】本例では、図9に示すように、ゲートを形
成するためのRIE工程は、誘電体スタックの窒化物層
38および31をエッチングし、パッド酸化物層35で
停止するように設計されている。この2回目のRIE工
程は、一連の個別に最適化されたRIE工程のうち、最
終のRIE工程である。パッド酸化物に対する選択性
は、5:1またはこれより良好であることが重要であ
る。これは、このようにしないとパッド酸化物35が激
しく侵食され、その厚みが減少するためである。
In this example, the RIE step for forming the gate is designed to etch the nitride layers 38 and 31 of the dielectric stack and stop at the pad oxide layer 35, as shown in FIG. ing. This second RIE step is the final RIE step in a series of individually optimized RIE steps. It is important that the selectivity to pad oxide be 5: 1 or better. This is because otherwise, the pad oxide 35 is severely eroded and its thickness is reduced.

【0047】ゲート・ホール40を形成した後、(下記
に示すように)誘電体スタックの一部を除去してもよい
し、これらの層のいずれも除去せずに加工を続けてもよ
い。本例では、TEOS層39を除去してから加工を続
ける。この場合、ゲート・ホール40の深さDGATEは、
層31および層38の厚みの和DSTACKとほぼ同一であ
る(図10および図8参照)。深さDGATEが、これから
形成するゲート酸化物を含むゲート・ピラー41の高さ
を決定する。ゲートとして機能するピラーは通常100
nmより高く、具体的には100nmないし200nm
である。将来のCMOSFETのゲート長は150nm
またはさらに短いことが予想される。このような短いゲ
ート(150nm以下、サブリソグッラフィック・ゲー
トともいう)は、本発明の方法を用いれば容易に形成す
ることができる。従来のゲート電極の幅は(紙面から)
2μmないし50μmである。ゲートの幅も、必要があ
ればサブリソグッラフィックにすることができる。
After forming gate hole 40, a portion of the dielectric stack may be removed (as described below) or processing may continue without removing any of these layers. In this example, processing is continued after the TEOS layer 39 is removed. In this case, the depth D GATE of the gate hole 40 is
This is almost the same as the sum D STACK of the thicknesses of the layers 31 and 38 (see FIGS. 10 and 8). The depth D GATE determines the height of the gate pillar 41 containing the gate oxide to be formed. Pillars that function as gates are usually 100
nm, specifically 100 nm to 200 nm
It is. Future CMOSFET gate length is 150nm
Or it could be shorter. Such a short gate (150 nm or less, also referred to as a sublithographic gate) can be easily formed by using the method of the present invention. The width of the conventional gate electrode (from the paper)
It is 2 μm to 50 μm. The gate width can also be sub-lithographic if desired.

【0048】ゲート・ホール40をRIEにより画定し
た後、図11に示すように、薄い側壁層60を付着す
る。パッド酸化物35は、側壁層60を付着する前に除
去しないほうがよい(図10参照)。この層60は、ゲ
ート・ホール40の垂直な側壁と良く一致する窒化物層
とすることができる。このような窒化物層は、精密に制
御することができる。
After the gate holes 40 have been defined by RIE, a thin sidewall layer 60 is deposited, as shown in FIG. Pad oxide 35 should not be removed prior to depositing sidewall layer 60 (see FIG. 10). This layer 60 can be a nitride layer that closely matches the vertical sidewalls of the gate hole 40. Such a nitride layer can be precisely controlled.

【0049】次に、水平面から側壁層60を除去するた
めに、次のエッチング工程を行う。ブランケットRIE
(または他の方法)を用いることができる。側壁層60
の水平部分の厚みは、垂直部分(ゲート・ホール40の
側壁を被覆する部分)の厚みと比較してやや薄いため、
これらの水平部分は垂直部分の多くを侵食することなく
除去することができる。このエッチング工程を終了する
と、図12に示すように、正確に規定された厚みの側壁
スペーサ61が残る。この側壁スペーサ61が、ゲート
・ホール40の長さを減少させる。ゲート・ホールの長
さから側壁層60の厚みの2倍を引いたものが、形成さ
れるゲート41の長さLGを決定する。
Next, the following etching step is performed to remove the side wall layer 60 from the horizontal plane. Blanket RIE
(Or other methods) can be used. Sidewall layer 60
Since the thickness of the horizontal portion is slightly smaller than the thickness of the vertical portion (the portion covering the side wall of the gate hole 40),
These horizontal parts can be removed without eroding much of the vertical parts. When this etching step is completed, as shown in FIG. 12, a sidewall spacer 61 having a precisely defined thickness remains. This sidewall spacer 61 reduces the length of the gate hole 40. Minus twice the thickness of the sidewall layer 60 from the length of the gate hole determines the length L G of the gate 41 to be formed.

【0050】誘電体スタックにゲート・ホール40を画
定した後、ゲート・ホール40の底部からパッド酸化物
35の残部を除去することができる。これは、HF浸漬
を用いて行うことができる。HFは酸化物35およびT
EOS39を侵食するので最適である。HFはシリコン
基板30を侵食しない。ゲート・ホール40の底部から
TEOS層39とパッド酸化物を除去する前に、レジス
トを除去する。図10に示すように、TEOS層39と
パッド酸化物35を完全に除去した後、図11に示すよ
うに、精密に画定されたゲート酸化物49を形成するこ
とができる。ゲート酸化物49の厚みおよび品質は、パ
ッド酸化物層35の厚みおよび品質とは無関係である。
ゲート酸化物は、必要であればパッド酸化物より厚くて
もよい。
After the gate hole 40 has been defined in the dielectric stack, the remainder of the pad oxide 35 can be removed from the bottom of the gate hole 40. This can be done using an HF dip. HF is oxide 35 and T
It is optimal because it erodes EOS39. HF does not erode the silicon substrate 30. Before removing the TEOS layer 39 and pad oxide from the bottom of the gate hole 40, the resist is removed. After completely removing the TEOS layer 39 and the pad oxide 35, as shown in FIG. 10, a precisely defined gate oxide 49 can be formed, as shown in FIG. The thickness and quality of the gate oxide 49 is independent of the thickness and quality of the pad oxide layer 35.
The gate oxide may be thicker than the pad oxide if necessary.

【0051】ゲート酸化物49を形成する前に、ゲート
・ホール40の底部に犠牲酸化物層(図示されていな
い)を形成することができる。その後この犠牲酸化物層
をエッチングにより除去してから、構造を加熱する。こ
の一連に短い工程により、ゲート・ホール40底部にあ
る(ゲート形成のためのRIEが原因で)損傷を受けた
可能性のあるシリコン基板30が修復される。
Prior to forming gate oxide 49, a sacrificial oxide layer (not shown) may be formed at the bottom of gate hole 40. Thereafter, the sacrificial oxide layer is removed by etching, and the structure is heated. This series of short steps repairs the potentially damaged silicon substrate 30 at the bottom of the gate hole 40 (due to RIE for gate formation).

【0052】代替実施形態では、ゲート・ホール形成の
ためのRIE工程は、誘電体スタックと同様にパッド酸
化物層35もエッチングされるように設計することがで
きる。この場合、2回目のRIE工程のシリコンに対す
る選択性が適切である必要がある。これは、そのように
しないとゲート・ホール40底部にあるシリコン基板3
0がエッチングにより除去されてしまうからである。ゲ
ート・ホール40底部のシリコン基板30が露出した
ら、上述のように酸化によりゲート酸化物層49を形成
することができる。ゲート酸化物層49を形成する前
に、上述のように犠牲酸化物層を成長させることができ
る。これは、ここではシリコンのRIEによる損傷が最
悪であるため、重要度が高い。犠牲酸化物層の厚みは約
2nmでよい。次に、窒化物の側壁を形成し、側壁スペ
ーサ61がゲート・ホールの垂直な表面に残るような構
造とする。この工程の後、犠牲酸化物層を除去(エッチ
ング)し、上述のように酸化によりゲート酸化物層49
を形成する。
In an alternative embodiment, the RIE step for gate hole formation can be designed such that the pad oxide layer 35 is etched as well as the dielectric stack. In this case, the selectivity to silicon in the second RIE step needs to be appropriate. This would otherwise result in the silicon substrate 3 at the bottom of the gate hole 40
This is because 0 is removed by etching. Once the silicon substrate 30 at the bottom of the gate hole 40 is exposed, the gate oxide layer 49 can be formed by oxidation as described above. Before forming the gate oxide layer 49, a sacrificial oxide layer can be grown as described above. This is of high importance here because the damage of the silicon by RIE is worst. The thickness of the sacrificial oxide layer may be about 2 nm. Next, a sidewall of nitride is formed, so that the sidewall spacer 61 remains on the vertical surface of the gate hole. After this step, the sacrificial oxide layer is removed (etched) and the gate oxide layer 49 is oxidized as described above.
To form

【0053】次に図13に示すように、ポリシリコン4
1をゲート・ホール40中と、誘電体スタックの最上層
38上に付着する。このことは、ポリシリコン41が確
実にゲート・ホール40を完全に充てんするようにする
ため重要である。ポリシリコンは、LPCVD(たとえ
ば約650℃)により付着することができる。上述のよ
うに、ポリシリコンの代わりに非晶質シリコンを付着し
てもよい。その後に、非晶質シリコンをポリシリコンに
変換させることができる。
Next, as shown in FIG.
1 is deposited in the gate hole 40 and on the top layer 38 of the dielectric stack. This is important to ensure that the polysilicon 41 completely fills the gate hole 40. Polysilicon can be deposited by LPCVD (eg, about 650 ° C.). As described above, amorphous silicon may be attached instead of polysilicon. Thereafter, the amorphous silicon can be converted to polysilicon.

【0054】ポリシリコンはドーピングしたものでもし
ないものでもよい。ドーパントは、ポリシリコンを付着
する時に導入しても、後で導入してもよい。本発明の利
点は、ソース領域およびドレイン領域に注入を行う時
に、ポリシリコン・ゲートが必ずしもドーピングされて
いなくてもよいことである。ポリシリコン・ゲートは、
後続の製造工程のいずれかでケイ化物(ポリサイド)に
することができ、適切と考えられれば、後続の製造工程
中に保護を行うために、キャップ誘電体を付着すること
ができる。
The polysilicon may or may not be doped. The dopant may be introduced when depositing the polysilicon or later. An advantage of the present invention is that the polysilicon gate need not be doped when implanting the source and drain regions. The polysilicon gate is
It can be silicide (polycide) in any of the subsequent fabrication steps and, if deemed appropriate, a cap dielectric can be deposited for protection during the subsequent fabrication steps.

【0055】上述のように、ゲート導体として適するど
のような材料でもゲート・ホール40に「充てん」する
ことができる。本発明は、ポリシリコン・ゲートに限定
されない。
As mentioned above, any material suitable for a gate conductor can be "filled" in the gate hole 40. The present invention is not limited to polysilicon gates.

【0056】ゲート導体として機能する材料41を付着
した後、平坦化工程を行うことができる。最適な工程は
CMPである。平坦化の後、図14に示すように、誘電
体スタックの最上層38が露出する。
After the material 41 functioning as a gate conductor is attached, a planarization step can be performed. The optimal process is CMP. After planarization, the top layer 38 of the dielectric stack is exposed, as shown in FIG.

【0057】最後に重要なことは、誘電体スタックを除
去しなければならないことである。窒化物層38および
31は、加熱したリン酸を用いてストリッピングするこ
とができる。誘電体スタックが完全に除去されると、図
15に示すように、垂直な側壁42を有する突出したゲ
ート・ピラー41が露出する。
Last but not least, the dielectric stack must be removed. Nitride layers 38 and 31 can be stripped using heated phosphoric acid. When the dielectric stack is completely removed, protruding gate pillars 41 having vertical sidewalls 42 are exposed, as shown in FIG.

【0058】後続の工程の間に、すでにそのようにして
いなければ、図16に示すように適切なドーパントを注
入することによりソース領域43とドレイン領域44を
画定することができる。チャネル45(ゲート・ピラー
41の下、およびドレイン領域44とソース領域43の
間に位置する)をこのようにして画定する。すでに説明
したように、ソースとチャネル、およびドレインとチャ
ネルの境界面が急峻で分離されており(正確に画定され
ており)、重なりが最少であるため、チャネル長はゲー
ト長とほぼ同一である。ゲート長LGは、従来の工程を
使用して規定したものより短くすることができる。上記
の本発明による一連の工程により、サブリソグラフィッ
クな長さのゲートを形成することができる。
During the subsequent steps, if not already done, the source region 43 and the drain region 44 can be defined by implanting appropriate dopants, as shown in FIG. A channel 45 (located below the gate pillar 41 and between the drain region 44 and the source region 43) is thus defined. As already described, the channel length is approximately equal to the gate length because the interface between the source and the channel and between the drain and the channel is steep and separated (correctly defined) and has minimal overlap. . Gate length L G can be made shorter than that specified by using the conventional process. By the above-described series of steps according to the present invention, a gate having a sublithographic length can be formed.

【0059】注入により得られた標準のソース領域およ
びドレイン領域の代わりに、ドーピングする領域上に形
成したポリシリコン層からの外方拡散により拡散したソ
ースとドレインの接合部を形成してもよい。このように
して、短チャネルのFETに必要とされる非常に浅い接
合部を得ることができる。一例が、「Source-drain For
mation for CMOS Transistors Formed by Outdiffusion
From Polysilicon」と題するIBMテクニカル・ディ
スクロージャ・ブレティン、No.2、1991年7
月、p.287−290に記載されている。
Instead of the standard source and drain regions obtained by implantation, a source / drain junction diffused by outward diffusion from a polysilicon layer formed on the region to be doped may be formed. In this way, the very shallow junction required for short channel FETs can be obtained. One example is "Source-drain For
mation for CMOS Transistors Formed by Outdiffusion
From Polysilicon, ”IBM Technical Disclosure Bulletin, No. 2, 1991 7
Month, p. 287-290.

【0060】FETを完成させるには、電極を設けなけ
ればならない。適当な電極は導電性材料、特に蒸着およ
びエッチング、またはその他の方法により付着した、A
u、Al、Mo、Ta、Ti、Cu、またはITO(酸
化インジウムスズ)などの金属で形成される。さらに、
隣接するFETを相互接続するために、メタライゼーシ
ョン・パターンを形成させる。
To complete the FET, an electrode must be provided. Suitable electrodes are conductive materials, particularly those deposited by vapor deposition and etching, or other methods.
It is formed of a metal such as u, Al, Mo, Ta, Ti, Cu, or ITO (indium tin oxide). further,
A metallization pattern is formed to interconnect adjacent FETs.

【0061】上記実施形態および代替実施形態は、下記
に示すように各種の方法で変更することができる。
The above embodiment and alternative embodiments can be modified in various ways as described below.

【0062】たとえば、n+にドーピングした領域は、
+にドーピングした領域と置換することができる。ド
ーピングした領域の寸法形状は変えることができる。基
板は、いくつかの可能な変更をあげれば、p型にドーピ
ングしたシリコン基板でもn型にドーピングしたシリコ
ン基板でも、シリコン・オン・インシュレータ(SO
I)基板でもよい。たとえば、n型にドーピングした基
板内のp型にドーピングした領域を画定するのに、ウェ
ル・インプラントを使用することができる。これによ
り、n型FET(nチャネルFETまたはNMOSとも
いう)をp型にドーピングした領域内に形成し、p型F
ET(pチャネルFETまたはPMOSともいう)をn
型にドーピングした基板に直接形成することができる。
CMOS技術では、pウェルまたはnウェル拡散を、ソ
ース領域とドレイン領域を形成する前に行うことができ
る。
For example, the region doped n +
It can be replaced with a p + doped region. The dimensions and shapes of the doped regions can vary. The substrate can be a p-doped or n-doped silicon substrate, silicon-on-insulator (SO
I) The substrate may be used. For example, a well implant can be used to define a p-type doped region in an n-type doped substrate. As a result, an n-type FET (also referred to as an n-channel FET or NMOS) is formed in the p-type doped region, and the p-type FET is formed.
ET (also called p-channel FET or PMOS)
It can be formed directly on a mold-doped substrate.
In CMOS technology, p-well or n-well diffusion can be performed before forming source and drain regions.

【0063】NMOSFETもPMOSFETも、本発
明の方法により形成することができる。異なるチャネル
・タイプおよび構造のMOSFETを1枚の同一基板内
に形成することができる。
[0063] Both NMOSFETs and PMOSFETs can be formed by the method of the present invention. MOSFETs of different channel types and structures can be formed in one and the same substrate.

【0064】図15に示すように、突出したゲート・ピ
ラー41を得るために、誘電体スタック全体を除去する
代わりに、図17に示すように、誘電体スタックの一部
のみを除去することもできる。たとえば、層39および
38のみを除去することも可能である。すなわちこの場
合は、窒化物層31は除去しない。ドレイン・インプラ
ントとソース・インプラントを形成することができるよ
うにするために、図17に示すように窒化物層31中に
ホール50を形成することができる。これらのホール5
0を介して、ドーパントを基板30中の領域51中に注
入することができる。ソース領域とドレイン領域(図示
せず)を画定した後、ソース接点およびドレイン接点を
ホール50中に形成することができる。
As shown in FIG. 15, instead of removing the entire dielectric stack to obtain the protruding gate pillar 41, it is also possible to remove only a part of the dielectric stack as shown in FIG. it can. For example, it is possible to remove only layers 39 and 38. That is, in this case, the nitride layer 31 is not removed. In order to be able to form a drain implant and a source implant, holes 50 can be formed in the nitride layer 31 as shown in FIG. These holes 5
Via 0, dopants can be implanted into regions 51 in substrate 30. After defining the source and drain regions (not shown), source and drain contacts can be formed in holes 50.

【0065】図18を参照して、別の代替実施形態につ
いて説明する。この代替実施形態は、誘電体スタックが
窒化物(層61および63)のみからなることを特徴と
する。TEOS層はない。この場合、ゲート・ホール6
4の深さ(DGATE)は、誘電体スタックの厚み(D
STACK)と等しく、また、形成されるゲート・ピラーの
高さ(HGATE)とも等しい。
Referring to FIG. 18, another alternative embodiment will be described. This alternative embodiment is characterized in that the dielectric stack consists only of nitride (layers 61 and 63). There is no TEOS layer. In this case, gate hole 6
4 (D GATE ) is the thickness of the dielectric stack (D GATE ).
STACK ) and the height of the formed gate pillar (H GATE ).

【0066】標準のFETでは、通常ゲート・ピラーの
画定に使用するポリシリコンのRIEのため、ソース領
域およびドレイン領域上面の、パッド酸化物の厚みが均
一ではない。ソース領域およびドレイン領域が、均一で
はないパッド酸化物層を介してイオン注入されるので、
ソース領域およびドレイン領域の深さがウエーハ全体で
変化する。本発明による方法のもうひとつの利点は、ウ
エーハ全体で均一度が高く、ゲートの断面形状と寸法の
良好な管理が保証されることである。
In standard FETs, the thickness of the pad oxide on the top of the source and drain regions is not uniform due to the RIE of the polysilicon normally used to define the gate pillars. Since the source and drain regions are implanted through a non-uniform pad oxide layer,
The depths of the source region and the drain region change throughout the wafer. Another advantage of the method according to the invention is that the uniformity is high over the entire wafer and good control of the cross-sectional shape and dimensions of the gate is ensured.

【0067】本発明による方法は、0.5μm未満の装
置を製造できる可能性が高いことである。0.1μm未
満の装置とは、ゲート長Lが0.1μm未満であるとい
うことに留意されたい。
The method according to the invention has the potential to produce devices smaller than 0.5 μm. Note that for devices less than 0.1 μm, gate length L is less than 0.1 μm.

【0068】本発明の方法は、高集積度のマルチ・ギガ
ビットDRAMの製造に最適である。
The method of the present invention is suitable for manufacturing a highly integrated multi-gigabit DRAM.

【0069】本発明によるFETは、上述のマルチ・ギ
ガビットDRAMを含む、高性能ロジック、停電力ロジ
ック、または高密度記憶装置など、各種の回路に使用す
ることができる。本発明のFETは、たとえばキャパシ
タ、抵抗器、ダイオード、メモリ・セルなど、他の構成
要素と容易に組み合わせることができる。本発明のFE
Tが小型であり製造が容易であるため、有機表示装置や
液晶表示装置(LCD)に関連して使用するにも適して
いる。
The FET according to the present invention can be used in various circuits, such as high-performance logic, power-down logic, or high-density storage devices, including the multi-gigabit DRAM described above. The FET of the present invention can be easily combined with other components, for example, capacitors, resistors, diodes, memory cells, and the like. FE of the present invention
Because T is small and easy to manufacture, it is also suitable for use in connection with organic displays and liquid crystal displays (LCDs).

【0070】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
In summary, the following items are disclosed regarding the configuration of the present invention.

【0071】(1)チャネル領域に隣接するドレイン領
域およびソース領域と、チャネル領域上に位置する薄い
ゲート酸化物と、ゲート酸化物上に位置するゲート導体
とを備え、ゲート導体が垂直側壁、およびソース領域と
チャネル領域との接合部を有し、ドレイン領域とチャネ
ル領域とは接合されていない、金属酸化物半導体電界効
果トランジスタ(MOSFET)。 (2)ゲート酸化物が、熱成長させたゲート酸化物であ
る上記(1)に記載のトランジスタ。 (3)ゲート導体がポリシリコンである上記(1)に記
載のトランジスタ。 (4)ゲート導体がタングステンである上記(1)に記
載のトランジスタ。 (5)ゲート長Lが0.1μm未満のサブ0.1ミクロ
ン装置である上記(1)に記載のトランジスタ。 (6)ゲート酸化物の厚みが数ナノメートルの範囲であ
る上記(1)に記載のトランジスタ。 (7)MOSFETが、PMOS、NMOS、またはC
MOSトランジスタである上記(1)に記載のトランジ
スタ。 (8)チャネル領域が、ドーピングしていないシリコン
を含む上記(1)に記載のトランジスタ。 (9)チャネル領域が、B、In、またはその任意の組
合せでドープされたシリコンである上記(1)に記載の
トランジスタ。 (10)チャネル領域が、P、As、Sb、またはその
任意の組合せでドープされたシリコンである上記(1)
に記載のトランジスタ。 (11)ソース領域とチャネル領域、およびドレイン領
域とチャネル領域の境界面が明確に画定されている上記
(1)に記載のトランジスタ。 (12)ソース領域とチャネル領域、およびドレイン領
域とチャネル領域の境界面の傾斜が急峻である上記
(1)に記載のトランジスタ。 (13)有効ゲート長が、ゲート導体の長さによって規
定される上記(1)に記載のトランジスタ。 (14)半導体構造上に少なくとも1層のパッド酸化物
層を有する誘電体スタックを形成する工程と、誘電体ス
タック上に、形成されるゲート・ピラーと同一の横方向
寸法および形状を有するエッチ・ウインドウを画定する
工程と、反応性イオン・エッチング(RIE)を使用し
て、エッチ・ウインドウを誘電体スタックに転写するこ
とにより、誘電体スタック内にゲート・ホールを画定す
る工程と、ゲート・ホールを充てんするようにゲート導
体を付着する工程と、ゲート・ホール周囲の誘電体スタ
ックの部分を覆うゲート導体を除去する工程と、垂直側
壁を有するゲート・ピラーが開放されるように、誘電体
スタックの少なくとも一部を除去する工程とを含む、金
属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)
の製造方法。 (15)誘電体スタックが、窒化物層、好ましくはSi
43層を含む上記(14)に記載の製造方法。 (16)誘電体スタックが、オルトケイ酸テトラエチル
(TEOS)層を含む上記(14)に記載の製造方法。 (17)パッド酸化物の厚みが5nmないし20nmで
ある上記(14)に記載の製造方法。 (18)レジストに続いてフォトリソグラフィを用いて
エッチ・ウインドウを画定する上記(14)に記載の製
造方法。 (19)一連の反応性イオン・エッチング(RIE)工
程を使用してエッチ・ウインドウを誘電体スタックに転
写する上記(14)に記載の製造方法。 (20)誘電体スタックにゲート・ホールを画定する工
程の後、ゲート・ホール底部のパッド酸化物層を除去す
る上記(14)に記載の製造方法。 (21)ゲート・ホール底部に薄いゲート酸化物を形成
する上記(14)に記載の製造方法。 (22)ゲート導体がポリシリコンまたはタングステン
を含む上記(14)に記載の製造方法。 (23)ゲート・ホール周囲の誘電体スタックの部分を
覆うゲート導体を除去するために、化学機械研磨(CM
P)を使用する上記(14)に記載の製造方法。 (24)ゲート・ピラー形成後、誘電体スタック全体を
除去する上記(14)に記載の製造方法。 (25)ゲート長Lが0.1μm未満のサブ0.1ミク
ロン装置である上記(14)に記載の製造方法。 (26)金属酸化物半導体電界効果トランジスタが、P
MOS、NMOS、またはCMOSトランジスタである
上記(14)に記載の製造方法。 (27)ソースおよびドレイン領域がドーパントの注入
により形成され、上記ソースおよびドレイン領域がそれ
ぞれ、ゲート・ピラー縁部の下に位置するチャネルと接
合されていない上記(14)に記載の製造方法。 (28)有効ゲート長が、ゲート・ピラーの長さによっ
て規定される上記(14)に記載の製造方法。 (29)さらに、ゲート・ホールの底部に犠牲酸化物を
形成する工程と、次に、犠牲酸化物をエッチングにより
除去する工程と、金属酸化物半導体電界効果トランジス
タを加熱する工程を含む上記(14)に記載の製造方
法。 (30)半導体構造上に誘電体スタックを形成する工程
と、上記誘電体スタック上にエッチ・ウインドウを画定
する工程と、反応性イオン・エッチング(RIE)を使
用して、エッチ・ウインドウを誘電体スタックに転写す
ることにより、誘電体スタック内にゲート・ホールを画
定する工程と、側壁層を付着する工程と、ゲート・ホー
ルの内側に側壁スペーサが残り、これによりゲート・ホ
ールの横方向寸法が減少するように、水平面から側壁層
を除去する工程と、ゲート・ホールを充てんするように
ゲート導体を付着する工程と、ゲート・ホールの外側の
ゲート導体を除去する工程と、誘電体スタックの少なく
とも一部を除去する工程と、側壁スペーサを除去する工
程とを含む、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ
(MOSFET)の製造方法。 (31)誘電体スタックが、窒化物層、好ましくはSi
43層を含む上記(30)に記載の製造方法。 (32)誘電体スタックが、オルトケイ酸テトラエチル
(TEOS)層を含む上記(30)に記載の製造方法。 (33)誘電体スタックが、重合体を含む上記(30)
に記載の製造方法。 (34)レジストに続いてフォトリソグラフィを用いて
エッチ・ウインドウを画定する上記(30)に記載の製
造方法。 (35)一連の反応性イオン・エッチング(RIE)工
程を使用してエッチ・ウインドウを誘電体スタックに転
写する上記(30)に記載の製造方法。 (36)一連の反応性イオン・エッチング(RIE)工
程の各工程が、エッチングされると仮定される誘電体ス
タックの各層について最適化される上記(30)に記載
の製造方法。 (37)一連の反応性イオン・エッチング(RIE)工
程が、誘電体スタック全体を通じて、垂直側壁を有する
ゲート・ホールをエッチングするように最適化される上
記(30)に記載の製造方法。 (38)水平面から側壁層を除去した後、ゲート・ホー
ル底部に薄いゲート酸化物を形成させる上記(30)に
記載の製造方法。 (39)ゲート導体が、ポリシリコンまたはタングステ
ンを含む上記(30)に記載の製造方法。 (40)ゲート・ホール周囲の誘電体スタックの部分を
覆うゲート導体を除去するために、化学機械研磨(CM
P)を使用する上記(30)に記載の製造方法。 (41)ゲート・ピラー形成後、誘電体スタック全体を
除去する上記(30)に記載の製造方法。 (42)側壁スペーサを、誘電体スタックとは別に除去
する上記(30)に記載の製造方法。 (43)トランジスタが、ゲート長(LG)が150n
m未満の装置である上記(30)に記載の製造方法。 (44)トランジスタが、ゲート長(LG)がサブリソ
グラフィの装置である上記(30)に記載の製造方法。 (45)MOSFETが、PMOS、NMOS、または
CMOSトランジスタである上記(30)に記載の製造
方法。 (46)ソースおよびドレイン領域がドーパントの注入
により形成され、上記ソースおよびドレイン領域がそれ
ぞれ、ゲート・ピラー縁部の下に位置するチャネルと接
合されていない上記(30)に記載の製造方法。 (47)有効ゲート長が、ゲートの長さ(LG)によっ
て規定される上記(30)に記載の製造方法。 (48)さらに、ゲート・ホールの底部に犠牲酸化物を
形成するステップと、次に、犠牲酸化物をエッチングに
より除去するステップと、金属酸化物半導体電界効果ト
ランジスタを加熱するステップを含む上記(30)に記
載の製造方法。 (49)パッド酸化物層を半導体構造上に形成させてか
ら、上記誘電体スタック上にエッチ・ウインドウを画定
する上記(30)に記載の製造方法。
(1) A drain region and a source region adjacent to the channel region, a thin gate oxide located on the channel region, and a gate conductor located on the gate oxide, wherein the gate conductor has vertical side walls, and A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) having a junction between a source region and a channel region and not joining the drain region and the channel region. (2) The transistor according to (1), wherein the gate oxide is a thermally grown gate oxide. (3) The transistor according to (1), wherein the gate conductor is polysilicon. (4) The transistor according to (1), wherein the gate conductor is tungsten. (5) The transistor according to (1), which is a sub-0.1 micron device having a gate length L of less than 0.1 μm. (6) The transistor according to (1), wherein the thickness of the gate oxide is in the range of several nanometers. (7) The MOSFET is a PMOS, NMOS, or C
The transistor according to the above (1), which is a MOS transistor. (8) The transistor according to (1), wherein the channel region includes undoped silicon. (9) The transistor according to (1), wherein the channel region is silicon doped with B, In, or any combination thereof. (10) The above (1), wherein the channel region is silicon doped with P, As, Sb, or any combination thereof.
A transistor according to claim 1. (11) The transistor according to (1), wherein a boundary surface between the source region and the channel region and a boundary surface between the drain region and the channel region are clearly defined. (12) The transistor according to (1), wherein the slope of the boundary surface between the source region and the channel region and between the drain region and the channel region is steep. (13) The transistor according to (1), wherein the effective gate length is defined by the length of the gate conductor. (14) forming a dielectric stack having at least one pad oxide layer on the semiconductor structure; and forming an etch stack on the dielectric stack having the same lateral dimensions and shape as the gate pillar to be formed. Defining a window; defining a gate hole in the dielectric stack by transferring the etch window to the dielectric stack using reactive ion etching (RIE); Depositing the gate conductor to fill the gate stack, removing the gate conductor covering a portion of the dielectric stack around the gate hole, and opening the dielectric stack such that the gate pillar having vertical sidewalls is opened. Removing at least a part of a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET)
Manufacturing method. (15) The dielectric stack comprises a nitride layer, preferably Si
The process according to (14) containing 4 N 3 layers. (16) The method according to (14), wherein the dielectric stack includes a tetraethyl orthosilicate (TEOS) layer. (17) The method according to (14), wherein the thickness of the pad oxide is 5 nm to 20 nm. (18) The manufacturing method according to the above (14), wherein the etch window is defined using photolithography subsequent to the resist. (19) The method of (14) above, wherein the etch window is transferred to the dielectric stack using a series of reactive ion etching (RIE) steps. (20) The method according to (14), wherein after the step of defining the gate hole in the dielectric stack, the pad oxide layer at the bottom of the gate hole is removed. (21) The method according to (14), wherein a thin gate oxide is formed at the bottom of the gate hole. (22) The manufacturing method according to the above (14), wherein the gate conductor contains polysilicon or tungsten. (23) Chemical mechanical polishing (CM) to remove the gate conductor covering the portion of the dielectric stack around the gate hole
The production method according to (14), wherein P) is used. (24) The method according to (14), wherein after forming the gate pillar, the entire dielectric stack is removed. (25) The manufacturing method according to the above (14), which is a sub-0.1 micron device having a gate length L of less than 0.1 μm. (26) When the metal oxide semiconductor field effect transistor is P
The manufacturing method according to the above (14), which is a MOS, NMOS, or CMOS transistor. (27) The method according to (14), wherein the source and drain regions are formed by implanting a dopant, and the source and drain regions are not respectively joined to a channel located below an edge of the gate pillar. (28) The manufacturing method according to the above (14), wherein the effective gate length is defined by the length of the gate pillar. (29) The method according to (14), further including the step of forming a sacrificial oxide at the bottom of the gate hole, the step of removing the sacrificial oxide by etching, and the step of heating the metal oxide semiconductor field effect transistor. )). (30) forming a dielectric stack on the semiconductor structure, defining an etch window on the dielectric stack, and forming the etch window on the dielectric stack using reactive ion etching (RIE). Transferring to the stack defines a gate hole in the dielectric stack, deposits a sidewall layer, and leaves sidewall spacers inside the gate hole, thereby reducing the lateral dimension of the gate hole. Removing the sidewall layer from the horizontal plane to reduce the thickness, depositing the gate conductor to fill the gate hole, removing the gate conductor outside the gate hole, and removing at least the dielectric stack. A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) including a step of removing a part and a step of removing a sidewall spacer. Production method. (31) The dielectric stack comprises a nitride layer, preferably Si
The process according to the above (30) containing 4 N 3 layers. (32) The method according to (30), wherein the dielectric stack includes a tetraethyl orthosilicate (TEOS) layer. (33) The above (30), wherein the dielectric stack comprises a polymer.
The production method described in 1. (34) The manufacturing method according to (30), wherein the etch window is defined using photolithography subsequent to the resist. (35) The method of (30) above, wherein the etch window is transferred to the dielectric stack using a series of reactive ion etching (RIE) steps. (36) The method of (30) above, wherein each step of a series of reactive ion etching (RIE) steps is optimized for each layer of the dielectric stack that is assumed to be etched. (37) The method of (30), wherein a series of reactive ion etching (RIE) steps are optimized to etch gate holes with vertical sidewalls throughout the dielectric stack. (38) The manufacturing method according to the above (30), wherein a thin gate oxide is formed at the bottom of the gate hole after removing the side wall layer from the horizontal plane. (39) The method according to (30), wherein the gate conductor contains polysilicon or tungsten. (40) Chemical mechanical polishing (CM) to remove the gate conductor covering the portion of the dielectric stack around the gate hole
The production method according to (30), wherein P) is used. (41) The method according to (30), wherein after forming the gate pillar, the entire dielectric stack is removed. (42) The manufacturing method according to the above (30), wherein the side wall spacer is removed separately from the dielectric stack. (43) The transistor has a gate length (L G ) of 150 n
The method according to the above (30), wherein the device is smaller than m. (44) transistors, the manufacturing method according to the gate length (L G) above (30) which is a device of the sub-lithographic. (45) The method according to (30), wherein the MOSFET is a PMOS, NMOS, or CMOS transistor. (46) The manufacturing method according to (30), wherein the source and drain regions are formed by implanting a dopant, and the source and drain regions are not respectively connected to the channel located below the edge of the gate pillar. (47) the effective gate length, the production method according to (30) defined by the length of the gate (L G). (48) The method according to (30), further including the step of forming a sacrificial oxide at the bottom of the gate hole, the step of removing the sacrificial oxide by etching, and the step of heating the metal oxide semiconductor field effect transistor. )). (49) The method according to (30), wherein a pad oxide layer is formed on the semiconductor structure, and then an etch window is defined on the dielectric stack.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来のMOSFETの基本的構造を示す断面略
図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a basic structure of a conventional MOSFET.

【図2】本発明によるMOSFETの基本的構造を示す
断面略図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a basic structure of a MOSFET according to the present invention.

【図3】パッド酸化物および窒化物層で被覆された基板
を示す図である。
FIG. 3 shows a substrate coated with pad oxide and nitride layers.

【図4】STIのエッチングまたはLOCOS分離のた
めフォトレジストをパターニングした後の、製造中間工
程を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing intermediate process after patterning a photoresist for etching STI or LOCOS isolation.

【図5】STIトレンチをエッチングするためのエッチ
・マスクとしてフォトレジストを使用した後の、製造中
間工程を示す図である。
FIG. 5 illustrates an intermediate manufacturing step after using photoresist as an etch mask for etching the STI trench.

【図6】STIトレンチにTEOS層を充てんした後の
製造中間工程を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an intermediate manufacturing step after filling a TEOS layer in an STI trench.

【図7】平坦化によりTEOSと窒化物層の一部を除去
した後の製造中間工程を示す図である。
FIG. 7 is a view showing a manufacturing intermediate step after removing TEOS and a part of the nitride layer by planarization.

【図8】追加の層を形成した後の製造中間工程を示す図
である。
FIG. 8 is a diagram showing an intermediate manufacturing step after an additional layer is formed.

【図9】フォトレジスト層を追加し、リソグラフィによ
りパターニングを行い、垂直側壁を有するゲート・ホー
ルを形成した後の、製造中間工程を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing intermediate step after a photoresist layer is added, patterning is performed by lithography, and gate holes having vertical side walls are formed.

【図10】レジストを除去し、ゲート・ホール底部のT
EOSおよびパッド酸化物層をエッチングした後の、ゲ
ート・ホールを示す拡大図である。
FIG. 10: The resist is removed, and T at the bottom of the gate hole is removed.
FIG. 4 is an enlarged view showing the gate holes after etching the EOS and pad oxide layers.

【図11】側壁層を付着した後の、製造中間工程を示す
図である。
FIG. 11 is a view showing a manufacturing intermediate step after a sidewall layer is attached.

【図12】水平面から側壁層を除去し、ゲート・ホール
底部に側壁スペーサを残した、製造中間工程を示す図で
ある。
FIG. 12 is a view showing an intermediate manufacturing process in which a side wall layer is removed from a horizontal plane, and a side wall spacer is left at a bottom of a gate hole.

【図13】ゲート・ホールがポリシリコンにより充てん
された後の、製造中間工程を示す図である。ゲート・ホ
ールが充てんされる前に、ゲート・ホール底部に薄いゲ
ート酸化物層を形成させることに注意されたい。
FIG. 13 is a diagram showing an intermediate manufacturing step after the gate hole is filled with polysilicon. Note that a thin gate oxide layer is formed at the bottom of the gate hole before the gate hole is filled.

【図14】ポリシリコンを平坦化により除去した後の、
製造中間工程を示す図である。
FIG. 14 shows the state after the polysilicon is removed by planarization.
It is a figure which shows a manufacturing intermediate process.

【図15】数層からなる誘電体スタックを、垂直側壁を
有するポリシリコン・ゲート・ピラーが残るように除去
した後の、製造中間工程を示す図である。
FIG. 15 illustrates the intermediate manufacturing steps after removing the dielectric stack consisting of several layers so that the polysilicon gate pillars with vertical sidewalls remain.

【図16】ドーパントを導入して、ソースおよびドレイ
ン領域を画定した後の、製造中間工程を示す図である。
FIG. 16 illustrates an intermediate manufacturing step after dopants have been introduced to define source and drain regions.

【図17】本発明による他の実施形態を示す断面略図で
ある。
FIG. 17 is a schematic sectional view showing another embodiment according to the present invention.

【図18】本発明によるさらに他の実施形態を示す断面
略図である。
FIG. 18 is a schematic sectional view showing still another embodiment according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 MOSFET 11 シリコン基板 12 ドレイン領域 13 ゲート・ピラー 14 ソース領域 15 酸化物層 16 ゲート側壁 17 チャネル 18 ドレイン・チャネル接合部 20 FET 21 半導体基板 22 ドレイン領域 23 ポリシリコン・ゲート 24 ソース領域 25 パッド酸化物層 26 側壁 29 ドレイン・チャネル接合部 30 基板 31 窒化物層 32 フォトレジスト 33 エッチ・ウインドウ 35 パッド酸化物層 36 TEOS 37 層31の上面 38 窒化物層 39 TEOS層 40 ゲート・ホール 41 ポリシリコン 43 ソース 44 ドレイン 46 酸化物層 49 ゲート酸化物 50 ホール 64 ゲート・ホール DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 MOSFET 11 Silicon substrate 12 Drain region 13 Gate pillar 14 Source region 15 Oxide layer 16 Gate side wall 17 Channel 18 Drain-channel junction 20 FET 21 Semiconductor substrate 22 Drain region 23 Polysilicon gate 24 Source region 25 Pad oxide Layer 26 Sidewall 29 Drain-Channel Junction 30 Substrate 31 Nitride Layer 32 Photoresist 33 Etch Window 35 Pad Oxide Layer 36 TEOS 37 Top of Layer 31 38 Nitride Layer 39 TEOS Layer 40 Gate Hole 41 Polysilicon 43 Source 44 Drain 46 Oxide layer 49 Gate oxide 50 Hole 64 Gate hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチュアート・エム・バーンズ アメリカ合衆国06840 コネチカット州 ブルックフィールド ドッグウッド・レ ーン 6 (72)発明者 フセイン・アイ・ハナフィー アメリカ合衆国10598 ニューヨーク州 ゴールデンズ・ブリッジ アパッチ・サ ークル ピー・オー・ボックス243 (72)発明者 ユアン・タウル アメリカ合衆国10506 ニューヨーク州 ベッドフォード フィンチ・レーン 11 (72)発明者 ウィリアム・シー・ウィル アメリカ合衆国06830 コネチカット州 グリーニッチ オールド・フィールド・ ポイント・ロード 11 アパートメント 1−ビー (56)参考文献 特開 平6−169082(JP,A) 特開 平8−306672(JP,A) 特開 平7−263679(JP,A) 特開 平9−321285(JP,A) 特開 平9−121050(JP,A) 特開 平2−25072(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/3065 H01L 21/8238 H01L 27/092 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (72) Inventor Stuart M. Burns United States 06840 Brookfield, Dogwood Lane, Connecticut 6 (72) Inventor Hussein I Hanaphy United States 10598 Goldens Bridge, New York Apache Apache Circle P.O. Box 243 (72) Inventor Ewan Taull United States 10506 New York Bedford Finch Lane 11 (72) Inventor William Sea Will United States 06830 Greenwich, Connecticut Old Field Point Road 11 Apartment 1-B (56) References JP-A-6-169082 (JP, A) JP-A-8-306672 (JP A) JP-A-7-263679 (JP, A) JP-A-9-321285 (JP, A) JP-A-9-121050 (JP, A) JP-A-2-25072 (JP, A) (58) Survey Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 21/3065 H01L 21/8238 H01L 27/092

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体構造上に窒化物層と該窒化物層上の
オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)層とを含む誘電
体スタックを形成する工程と、反応性イオン・エッチング(RIE)を使用して、 前記
TEOS層上に、前記誘電体スタック上のレジストに形
成されたエッチ・ウインドウを転写する工程と、前記TEOS層が前記窒化物層より3倍以上速いエッチ
ング選択性でもって 反応性イオン・エッチング(RI
E)を使用して、前記TEOSに転写されたエッチ・ウ
インドウを前記誘電体スタックに転写することにより、
前記誘電体スタック内にゲート・ホールを画定する工程
と、 側壁層を付着する工程と、 前記ゲート・ホールの内側に側壁スペーサが残り、これ
により前記ゲート・ホールの横方向寸法が減少するよう
に、水平面から前記側壁層を除去する工程と、 前記ゲート・ホールを充てんするようにゲート導体を付
着する工程と、 前記ゲート・ホールの外側のゲート導体を除去する工程
と、 前記誘電体スタックの少なくとも一部を除去する工程
と、 前記側壁スペーサを除去する工程とを含み、 前記窒化物層に画定されたゲート・ホールは、前記誘電
体スタック内にゲート・ホールを画定する工程におい
て、前記TEOS層に転写されたエッチ・ウィンドウを
精密に転写することにより、実質的に垂直な側壁を有す
ることを特徴とする 金属酸化物半導体電界効果トランジ
スタ(MOSFET)の製造方法。
A nitride layer on a semiconductor structure and a nitride layer on the nitride layer
Forming a dielectric stack including a tetraethylorthosilicate (TEOS) layer; and using reactive ion etching (RIE) to form the dielectric stack.
Form a resist on the dielectric stack on the TEOS layer
Transferring the formed etch window; and etching the TEOS layer at least three times faster than the nitride layer.
Reactive ion etching with a ring selectivity (RI
E) transferring the etch window transferred to the TEOS to the dielectric stack using E)
Defining a gate hole in the dielectric stack; depositing a sidewall layer; leaving sidewall spacers inside the gate hole to reduce lateral dimensions of the gate hole. Removing the sidewall layer from a horizontal surface; attaching a gate conductor to fill the gate hole; removing a gate conductor outside the gate hole; and at least one of the dielectric stacks. removing a portion, seen including a step of removing the sidewall spacers, the gate hole defined in said nitride layer, said dielectric
In the process of defining gate holes in the body stack
The etch window transferred to the TEOS layer
Has substantially vertical sidewalls due to precise transfer
A method for manufacturing a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).
【請求項2】前記誘電体スタックが、窒化物層、好まし
くはSi4N3層を含む請求項1に記載の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the dielectric stack comprises a nitride layer, preferably a Si4N3 layer.
【請求項3】前記誘電体スタックが、重合体を含む請求
項1に記載の製造方法。
3. The method of claim 1, wherein said dielectric stack comprises a polymer.
【請求項4】レジストに続いてフォトリソグラフィを用
いてエッチ・ウインドウを画定する請求項1に記載の製
造方法。
4. The method of claim 1, wherein the etch window is defined using photolithography following the resist.
【請求項5】一連の反応性イオン・エッチング(RI
E)工程を使用してエッチ・ウインドウを前記誘電体ス
タックに転写する請求項1に記載の製造方法。
5. A series of reactive ion etching (RI)
The method of claim 1, wherein an etch window is transferred to the dielectric stack using step E).
【請求項6】一連の反応性イオン・エッチング(RI
E)工程の各工程が、エッチングされると仮定される前
記誘電体スタックの各層について最適化される請求項1
に記載の製造方法。
6. A series of reactive ion etching (RI)
2. The method of claim 1, wherein each step of E) is optimized for each layer of the dielectric stack that is assumed to be etched.
The production method described in 1.
【請求項7】一連の反応性イオン・エッチング(RI
E)工程が、前記誘電体スタック全体を通じて、垂直側
壁を有する前記ゲート・ホールをエッチングするように
最適化される請求項1に記載の製造方法。
7. A series of reactive ion etching (RI)
The method of claim 1, wherein E) is optimized to etch the gate hole having vertical sidewalls throughout the dielectric stack.
【請求項8】水平面から前記側壁層を除去した後、前記
ゲート・ホール底部に薄いゲート酸化物を形成させる請
求項1に記載の製造方法。
8. The method of claim 1, wherein after removing the sidewall layer from a horizontal plane, a thin gate oxide is formed at the bottom of the gate hole.
【請求項9】前記ゲート導体が、ポリシリコンまたはタ
ングステンを含む請求項1に記載の製造方法。
9. The method according to claim 1, wherein said gate conductor includes polysilicon or tungsten.
【請求項10】前記ゲート・ホール周囲の誘電体スタッ
クの部分を覆うゲート導体を除去するために、化学機械
研磨(CMP)を使用する請求項11に記載の製造方
法。
10. The method of claim 11, wherein chemical mechanical polishing (CMP) is used to remove a gate conductor covering a portion of the dielectric stack around the gate hole.
【請求項11】ゲート・ピラー形成後、前記誘電体スタ
ック全体を除去する請求項1に記載の製造方法。
11. The method according to claim 1, wherein after forming the gate pillar, the entire dielectric stack is removed.
【請求項12】前記側壁スペーサを、前記誘電体スタッ
クとは別に除去する請求項1に記載の製造方法。
12. The method of claim 1, wherein said sidewall spacer is removed separately from said dielectric stack.
【請求項13】前記トランジスタが、ゲート長(LG
が150nm未満の装置である請求項1に記載の製造方
法。
13. The transistor according to claim 1, wherein said transistor has a gate length (L G ).
The production method according to claim 1, wherein is a device having a diameter of less than 150 nm.
【請求項14】前記トランジスタが、ゲート長(LG
がサブ0.1ミクロンの装置である請求項1に記載の製
造方法。
14. The transistor according to claim 1, wherein said transistor has a gate length (L G ).
2. The method of claim 1, wherein is a sub-0.1 micron device.
【請求項15】前記MOSFETが、PMOS、NMO
S、またはCMOSトランジスタである請求項1に記載
の製造方法。
15. The semiconductor device according to claim 15, wherein said MOSFET is a PMOS, NMO
The manufacturing method according to claim 1, wherein the manufacturing method is S or a CMOS transistor.
【請求項16】ソースおよびドレイン領域がドーパント
の注入により形成され、前記ソースおよびドレイン領域
がそれぞれ、ゲート・ピラー縁部の下に位置するチャネ
ルと接合されていない請求項1に記載の製造方法。
16. The method of claim 1, wherein the source and drain regions are formed by implanting dopants, and wherein each of the source and drain regions is not joined to a channel located below a gate pillar edge.
【請求項17】有効ゲート長が、前記ゲート導体の長さ
(LG)によって規定される請求項1に記載の製造方
法。
17. The method according to claim 1, wherein an effective gate length is defined by a length (L G ) of the gate conductor.
【請求項18】さらに、 前記ゲート・ホールの底部に犠牲酸化物を形成するステ
ップと、 次に、前記犠牲酸化物をエッチングにより除去するステ
ップと、 金属酸化物半導体電界効果トランジスタを加熱するステ
ップを含む請求項11に記載の製造方法。
18. The method according to claim 18, further comprising: forming a sacrificial oxide at the bottom of the gate hole; removing the sacrificial oxide by etching; and heating the metal oxide semiconductor field effect transistor. The production method according to claim 11, comprising:
【請求項19】パッド酸化物層を半導体構造上に形成さ
せてから、前記誘電体スタック上にエッチ・ウインドウ
を画定する請求項1に記載の製造方法。
19. The method of claim 1, wherein a pad oxide layer is formed on the semiconductor structure and then defines an etch window on the dielectric stack.
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