DE10233663A1 - Production of a SOI substrate comprises preparing a SOI substrate by embedding a trenched oxide layer between a crystalline silicon layer and a silicon substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Substrats (Silicon-On-Insulator) für einen SOI-Feldeffekttransistor gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for the production of a SOI substrate (Silicon-On-Insulator) for one SOI field effect transistor according to claim 1.
Sogenannte fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) devices mit ultradünnen Kanalbereichen werden als vielversprechende Alternative für konventionelle bulk-Substrat-Transistoren in künftigen CMOS-Generationen angesehen. Bei derartigen SOI-MOSFETs handelt es sich um Feldeffekttransistoren, welche auf einem SOI-Substrat mit einer dünnen, einkristallinen Siliziumschicht (TOP-Siliziumschicht), welche auf einer darunter vergrabenen Oxidschicht angeordnet ist, prozessiert werden. Als besonders interessant für zukünftige CMOS-Generationen haben sich SOI-MOSFETs erwiesen, bei welchen die Schichtdicke des Siliziumfilms kleiner als die Tiefe der Verarmungszone ist, welche sich von der Silizium-Siliziumdioxid-Grenzfläche in die Siliziumschicht hinein erstreckt. Bei Threshholdspannung ist somit die Siliziumschicht vollständig verarmt, so daß derartige SOI-MOSFETs als fully depleted (FD) bezeichnet werden.So-called fully depleted silicon-on-insulator (FD-SOI) devices with ultra-thin Channel areas are seen as a promising alternative to conventional bulk-substrate transistors in future CMOS generations considered. Such SOI MOSFETs are field effect transistors, which on a SOI substrate with a thin, single-crystalline silicon layer (TOP-silicon layer), which is arranged on an oxide layer buried underneath, be processed. Have been particularly interesting for future generations of CMOS SOI MOSFETs proven in which the layer thickness of the silicon film is smaller than the depth of the depletion zone, which extends from the silicon-silicon dioxide interface into the Silicon layer extends into it. So at Threshhold voltage is the silicon layer completely impoverished, so that SOI MOSFETs are referred to as fully depleted (FD).
Durch Herunterskalieren der Schichtdicke der einkristallinen Siliziumschicht des SOI-Substrats, welche bei bekannten SOI-MOSFETs der Body- bzw. Kanaldicke des Transistors entspricht, können Kurzkanaleffekte effektiv unterdrückt werden. Jedoch sind hierzu ultradünne Kanaldicken von 5 bis 10 nm notwendig. Die von S. Takagi et al. in IEDM Tech. Dic. (1997) Seite 219 veröffentlichten Simulationen zeigen, daß dies auch für undotierte Kanalgebiete gilt. Die Simulationen belegen außerdem, daß der Kanalbereich eine Schichtdicke von weniger als 10 nm haben sollte, um die Anforderungen der ITRS-Road Map, insbesondere an den Off-Strom des Transistors, zu erfüllen.By scaling down the layer thickness of the monocrystalline silicon layer of the SOI substrate, which in known SOI MOSFETs of the Body or channel thickness of the transistor corresponds to short-channel effects effectively suppressed become. However, ultra-thin channel thicknesses of 5 to 10 are required nm necessary. The data from S. Takagi et al. in IEDM Tech. Dic. (1997) Page 219 published Simulations show that this also for undoped Channel areas apply. The simulations also show that the channel area has a layer thickness of less than 10 nm should meet the requirements of the ITRS road map, especially to meet the off-current of the transistor.
Die zur Prozessierung derartiger SOI-MOSFETs notwendigen SOI-Substrate können mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise wurden anfänglich Laser- sowie Zonenschmelzrekristallisationsverfahren, sogenannte Epitaxial Lateral Overgrowth-Verfahren wowie SIMOX-Verfahren eingesetzt. In jüngerer Zeit kommen zumeist Wafer-Bonding Verfahren (beispielsweise ELTRAN oder UNIBOND) zum Einsatz, mit welchem eine defektarme, dünne, einkristalline Siliziumschicht auf einer vergrabenen SiO2-Schicht (buried oxide; BOX) angeordnet werden kann.The SOI substrates required for processing such SOI MOSFETs can be produced using different methods. For example, laser and zone melt recrystallization processes, so-called epitaxial lateral overgrowth processes and SIMOX processes, were initially used. Recently, wafer bonding methods (for example ELTRAN or UNIBOND) have mostly been used, with which a low-defect, thin, single-crystal silicon layer can be arranged on a buried SiO 2 layer (buried oxide; BOX).
Die obengenannten Verfahren zur Herstellung ultradünner SOI-Substrate erzeugen sämtlich eine dünne Top-Siliziumschicht mit homogener Dicke über den gesamten Wafer. Zwar kann die Schichtdicke der Top-Siliziumschicht bis in Dickenbereiche gesenkt werden, welche für neuartige FD-SOI-MOSFETs interessant sind, jedoch hat sich die niederohmige Source- bzw. Drainkontaktierung derartiger SOI-MOSFETs als problematisch erwiesen. Werden im Herstellungsprozeß derartiger SOI-MOSFETs Lithographie- und Ätzprozesse zur Öffnung von Source- bzw. Drainfenstern eingesetzt, mit welchen zur Erstellung von Source- bzw. Drainkontakten die Top-Siliziumschicht des SOI-Substrats freigelegt werden soll, wird hierbei oftmals die äußerst dünne Top-Siliziumschicht zerstört. So stoppt bei Siliziumschichtdicken, welche unter 30 nm liegen, der Ätzschritt zum Öffnen des Fensters aufgrund der nicht ausreichenden Ätzselektivität nicht auf der Top-Siliziumschicht, sondern endet oftmals erst im darunterliegenden Siliziumsubstrat.The above manufacturing processes ultrathin Generate SOI substrates all one thin top silicon layer with homogeneous thickness over the entire wafer. Although the layer thickness of the top silicon layer down to the thickness ranges required for new FD-SOI-MOSFETs are interesting, but has the low-impedance source or drain contact such SOI MOSFETs proved problematic. Become such in the manufacturing process SOI-MOSFETs lithography and etching processes for opening of source or drain windows used with which to create the top silicon layer of the SOI substrate from source or drain contacts The extremely thin top silicon layer is often to be exposed destroyed. So stops at silicon layer thicknesses that are below 30 nm, the etching step to open the window due to insufficient etch selectivity on the top silicon layer, but often ends up in the silicon substrate below.
Versuche, in den Source- und Drainbereichen derartiger SOI-MOSFETs die Schichtdicke der Top-Siliziumschicht mittels lokaler selektiver Epitaxie lokal zu erhöhen, scheitern ebenfalls an der zu geringen Anfangsschichtdicke der einkristallinen Siliziumschicht. Zwar wäre das selbstjustierte Aufwachsen von Silizium an entsprechenden Stellen mittels lokaler Epitaxie eine geeignete Möglichkeit zur Verminderung des Anschlußwiderstandes, jedoch sind ultradünne Top-Siliziumschichten mit Dicken von weniger als 20 nm gegenüber notwendigen Vorbereitungsschritten für eine lokale Epitaxie von Silizium nicht widerstandsfähig. So muß vor einer lokalen Epitaxie von Silizium eine Vortemperung (sogenanntes Pre-bake) durchgeführt werden, um auf der Top-Siliziumschicht vorhandene Oxidreste vor der Epitaxie zu entfernen. Bei den hierzu notwendigen Temperaturen reißen Top-Siliziumschichten mit Schichtdicken von weniger als etwa 20 nm jedoch regelmäßig auf.Try in the source and drain areas such SOI MOSFETs the layer thickness of the top silicon layer using local selective Locally increase epitaxy also fail due to the insufficient initial layer thickness of the single-crystalline ones Silicon layer. Would be the self-aligned growth of silicon at appropriate points using local epitaxy is a suitable way of reducing the connection resistance, however, are ultra thin Top silicon layers with thicknesses of less than 20 nm compared to necessary Preparation steps for a local epitaxy of silicon is not resistant. So must before a local epitaxy of silicon, a preheating (so-called pre-bake) carried out to be on the top silicon layer remove existing oxide residues before epitaxy. With this necessary temperatures tear Top silicon layers with layer thicknesses of less than about 20 nm, however, regularly.
Von Uchida et al. wurde daher in IEDM Techn. Dig. 2001 ("Experimental Evidences of Quantum-Mechanical Effects on Low-field Mobility, Gate-Channel Capacitance, and Threshold Voltage of Utrathin Body SOI MOSFETs) SOI-MOSFETs vorgeschlagen, welche auf SOI-Substraten vergleichsweise dicken Top-Siliziumschichten prozessiert werden. Die Top-Siliziumschicht wird jedoch während der MOSFET-Prozessierung in den Kanalgebieten lokal "gedünnt". Ausgehend von SOI-Substraten mit 200 nm dicken Siliziumschichten wurden SOI-MOSFETs hergestellt, bei welchen die Body- bzw. Kanaldicke auf bis zu 7 nm gesenkt wurde. Die Schichtdicke der Top-Siliziumschicht in den Source- und Drainbereichen der SOI-MOSFETs lag dabei in einem Bereich, welcher eine lokale Epitaxie zur Verminderung des Kontaktwiderstandes ermöglichen würde.By Uchida et al. was therefore in IEDM Techn. Dig. 2001 ("Experimental Evidences of Quantum-Mechanical Effects on low-field mobility, gate-channel capacity, and threshold Voltage of Utrathin Body SOI MOSFETs) SOI MOSFETs proposed which are comparatively thick top silicon layers on SOI substrates be processed. The top silicon layer however, during the MOSFET processing locally "thinned" in the channel areas. outgoing of SOI substrates SOI MOSFETs were manufactured with 200 nm thick silicon layers, in which the Body or channel thickness was reduced to 7 nm. The layer thickness the top silicon layer in the source and drain areas of the SOI MOSFETs there was an area which is a local epitaxy to reduce contact resistance would enable.
Jedoch weist das in der oben genannten Veröffentlichung von Uchida et al. vorgeschlagene Herstellungsverfahren für ultradünne SOI-MOSFETs gravierende Nachteile, insbesondere bei der Herstellung von Kurzkanal-MOSFETs auf. So ist der Source-Drainwiderstand eines derart hergestellten SOI-MOSFETs, insbesondere bei einer Kurzkanalgeometrie, zu hoch, was zu unbefriedigenden Transistoreigenschaften führt.However, in the above-mentioned Uchida et al. Proposed manufacturing processes for ultra-thin SOI-MOSFETs have serious disadvantages, especially in the manufacture of short-channel MOSFETs. The source-drain resistance of an SOI-MOSFET manufactured in this way is too high, in particular in the case of a short-channel geometry, which leads to unsatisfactory transis gate properties leads.
Angesichts der obengenannten Nachteile ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Substrats für einen SOI-Feldeffekttransistor anzugeben, welches die Prozessierung eines ultradünnen SOI-MOSFETs mit verringertem Source-Drain-Widerstand gestattet.Given the above disadvantages it is an object of the invention to provide a method for producing a SOI substrate for specify an SOI field effect transistor, which is the processing of an ultra thin SOI MOSFETs with reduced source-drain resistance allowed.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is accomplished through a process according to claim 1 solved. Preferred embodiments are subject to the dependent Expectations.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Substrats für einen SOI-Feldeffekttransistor folgende Schritte in dieser Reihenfolge:
- (a) Bereitstellen eines SOI-Substrats, bei welchem eine vergrabene Oxidschicht zwischen einer kristallinen Siliziumschicht und einem Substrat eingebettet ist;
- (b) Aufbringen einer Hartmaskenschicht auf zumindest einem Bereich der Siliziumschicht;
- (c) Öffnen eines Fensters in der Hartmaskenschicht zum Freilegen der Siliziumschicht in einem Fensterbereich;
- (d) Abtragen der Siliziumschicht in dem Fensterbereich durch einen Trockenätzprozeß von einer ersten Siliziumschichtdicke d1 auf eine zweite Siliziumschichtdicke d2; und
- (e) Abtragen der Siliziumschicht in dem Fensterbereich durch lokale Oxidation des Siliziums und nachfolgendes naßchemisches Ätzen des gebildeten Siliziumoxids auf eine dritte Siliziumschichtdicke d3.
- (a) providing an SOI substrate in which a buried oxide layer is embedded between a crystalline silicon layer and a substrate;
- (b) applying a hard mask layer on at least a region of the silicon layer;
- (c) opening a window in the hard mask layer to expose the silicon layer in a window area;
- (d) removing the silicon layer in the window area by a dry etching process from a first silicon layer thickness d1 to a second silicon layer thickness d2; and
- (e) removing the silicon layer in the window area by local oxidation of the silicon and subsequent wet chemical etching of the silicon oxide formed to a third silicon layer thickness d3.
Gemäß der Erfindung wird ein zweistufiger Abtragungsprozeß für die kristalline Siliziumschicht (Top-Siliziumschicht) vorgeschlagen. In einem ersten anisotropen Ätzschritt, bei welchem es sich beispielsweise um einen RIE-Prozeß (Reactive Ion Etching) handeln kann, wird zunächst die Siliziumschicht im Bereich des späteren Kanals des SOI-Transistors "vorgedünnt". Da die Ätzraten eines Trockenätzprozesses eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit aufweisen, wird die Siliziumschicht in anisotroper Weise im wesentlichen parallel zu der Normalenrichtung des Substrats gedünnt. Im Vergleich dazu ist die Ätzrate entlang den entstehenden Ätzflanken der Siliziumschicht, welche im wesentlichen parallel zu der Normalenrichtung des Substrats verlaufen, erheblich kleiner.According to the invention, a two-stage removal process for the crystalline Silicon layer (top silicon layer) proposed. In a first anisotropic etching step, which is, for example, an RIE process (Reactive Ion etching), the silicon layer in the area of the later Channel of the SOI transistor "pre-thinned". Because the etch rates a dry etching process a pronounced one directionality have, the silicon layer in an anisotropic manner essentially thinned parallel to the normal direction of the substrate. in the Comparison is the etch rate along the resulting etching flanks the silicon layer, which is substantially parallel to the normal direction of the substrate run, significantly smaller.
Mittels des Trockenätzprozesses wird die Siliziumschicht von einer Ursprungsdicke d1, welche der Schichtdicke der Top-Siliziumschicht des SOI-Ausgangssubstrats entspricht, auf eine zweite, kleinere Siliziumschichtdicke d2 abgetragen. Nachfolgend wird ein zweiter Abtragungsprozeß durchgeführt, bei welchem die bereits vorgedünnte Siliziumschicht von der zweiten Siliziumschichtdicke d2 auf eine dritte, kleinere Siliziumschichtdicke d3 mittels lokaler Oxidation des Siliziums zu SiO2 und nachfolgendem naßchemischen Ätzen des SiO2 verkleinert wird.By means of the dry etching process, the silicon layer is removed from an original thickness d1, which corresponds to the layer thickness of the top silicon layer of the SOI starting substrate, to a second, smaller silicon layer thickness d 2 . A second removal process is then carried out, in which the already thinned silicon layer is reduced from the second silicon layer thickness d 2 to a third, smaller silicon layer thickness d 3 by means of local oxidation of the silicon to SiO 2 and subsequent wet-chemical etching of the SiO 2 .
Der zweistufige Abtragungsprozeß der Siliziumschicht im Bereich des späteren Kanals der SOI-Transistors erzeugt ein Flankenprofil in der Top-Siliziumschicht, welches eine nachfolgende Prozessierung eines SOI-MOSFETs mit deutlich geringerem Source-Drainwiderstand (Kanalwiderstand) ermöglicht. Zwar lassen sich durch Abtragungsprozesse, welche auf einer lokalen Oxidation von Silizium und nachfolgendem naßchemischen Ätzen des Oxids beruhen, defektarme und glatte Ätzfronten erzielen. Jedoch weist eine derartige, "einstufig gedünnte" Siliziumschicht ein Flankenprofil auf, welches einen SOI-MOSFET mit vergleichsweise großem Kanalwiderstand ergibt. Als Ursache ist die Isotropie des auf lokaler Oxidation und naßchemischem Ätzen beruhenden Abtragungsprozesses der Siliziumschicht zu nennen. Ähnlich dem sogenannten "birds beak", wie er bei dem LOCOS-Verfahren (local oxidation of silicon) bekannt ist, werden durch den zweiten Abtragungsschritt der Siliziumschicht auch die Flankenbereiche der Top-Siliziumschicht rückgeätzt. Hierdurch kommt es zu einer unerwünschten Unterätzung der Hartmaskenschicht auf einer Längenskala, welche größenordnungsmäßig der Ätztiefe in Normalenrichtung des Substrats entspricht.The two-stage removal process of the silicon layer in the area of later Channel of the SOI transistor creates an edge profile in the top silicon layer, which clearly shows a subsequent processing of an SOI-MOSFET allows lower source-drain resistance (channel resistance). Removal processes that are carried out on a local Oxidation of silicon and subsequent wet chemical etching of the oxide based, defect-free and smooth etching fronts achieve. However, such a "one-stage thinned" silicon layer an edge profile, which a SOI MOSFET with comparatively great Channel resistance results. The cause is the isotropy of the local Oxidation and wet chemical etching based Ablation process of the silicon layer to name. Similar to so-called "birds beak" as used in the LOCOS process (local oxidation of silicon) is known, through the second removal step of the silicon layer also the flank areas of the top silicon layer etched. hereby there is an undesirable undercutting of the Hard mask layer on a length scale, which is of the order of magnitude of the etching depth in Corresponds to the normal direction of the substrate.
Durch das erfindungsgemäße zweistufige Abtragungsverfahren der Siliziumschicht wird dieses Problem effektiv gelöst. Dadurch, daß die Top-Siliziumschicht zunächst durch einen anisotropen Trockenätzprozeß "vorgedünnt" wird, muß lediglich eine kleinere Siliziumschichtdicke mittels des nachfolgenden Abtragungsprozesses durch lokale Oxidation und naßchemisches Ätzen entfernt werden. Folglich fällt auch die laterale Unterätzung unter die Hartmaske entsprechend geringer aus. Im Ergebnis erhält man ein Flankenprofil der Siliziumschicht, welches an den Randbereichen des gedünnten Bereichs steilere Flanken aufweist. Dies hat zur Folge, daß für den Stromfluß von einem Source- bzw. Drainkontakt in bzw. aus dem Transistorkanal ein größeres "Siliziumvolumen" in den an den Kanal angrenzenden Kontaktbereichen zur Verfügung steht. Dieser Effekt macht sich inbesondere bei Kurzkanaltransistoren bemerkbar.Through the two-stage removal process according to the invention the silicon layer effectively solves this problem. Thereby, that the Top silicon layer first is "pre-thinned" by an anisotropic dry etching process, only has to a smaller silicon layer thickness by means of the subsequent removal process removed by local oxidation and wet chemical etching become. Hence falls also the lateral undercut under the hard mask accordingly less. The result is a Edge profile of the silicon layer, which at the edge areas of the thinned Area has steeper flanks. This has the consequence that for the current flow of one Source or drain contact in or out of the transistor channel a larger "silicon volume" is available in the contact areas adjacent to the channel. This effect is particularly noticeable in short-channel transistors.
Bei der Hartmaskenschicht kann es sich beispielsweise um eine Siliziumnitrid-Hartmaskenschicht handeln, welche ganzflächig abgeschieden wird. Der Schritt (c) des Öffnens des Fensters in der Hartmaskenschicht umfaßt vorzugsweise einen Lithographie- und nachfolgenden Trockenätzschritt zur Strukturübertragung. Da durch die geometrische Abmessung des Fensters in der Hartmaskenschicht die spätere Kanallänge des SOI-MOSFETs festgelegt wird, sind im Falle von Kurzkanaltransistoren mit Gatelängen von weniger als 100 nm besondere Anforderungen an den Lithographieschritt zu stellen. Vorzugsweise wird in diesem Fall Elektronenstrahllithographie eingesetzt.The hard mask layer can be, for example, a silicon nitride hard mask layer, which is deposited over the entire surface. Step (c) of opening the window in the hard mask layer preferably comprises a lithography and subsequent dry etching step for structure transfer. Since the later channel length of the SOI-MOSFET is determined by the geometrical dimension of the window in the hard mask layer, special requirements must be placed on the lithography step in the case of short-channel transistors with gate lengths of less than 100 nm. Electron beam lithography is preferably used in this case.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die erste Siliziumschichtdicke d1 in einem Bereich von 20 nm bis 100 nm, vorzugsweise 25 nm bis 35 nm. Die Siliziumschichtdicke d1 entspricht der Schichtdicke der einkristallinen Siliziumschicht des SOI-Substrats, welche über den gesamten Wafer gleich groß ist. Da die Siliziumschichtdicke d1 zumindest 20 nm beträgt, ist die Siliziumschicht in "ungedünnten" Bereichen, d.h. insbesondere in den Source- bzw. Drainbereichen des SOI-Feldeffekttransistors, ausreichend dick, um einem Temperschritt (pre-bake) widerstehen zu können, welcher zur Vorbereitung der Source- bzw. Drainbereiche für eine lokale Siliziumepitaxie durchgeführt wird.According to a preferred embodiment the first silicon layer thickness d1 in a range from 20 nm to 100 nm, preferably 25 nm to 35 nm. The silicon layer thickness d1 corresponds to the layer thickness of the single-crystalline silicon layer of the SOI substrate, which via the entire wafer is the same size. Since the silicon layer thickness d1 is at least 20 nm the silicon layer in "undiluted" Areas, i.e. especially in the source or drain regions of the SOI field effect transistor, sufficiently thick to withstand a pre-bake step to be able which is used to prepare the source or drain areas for a local Silicon epitaxy performed becomes.
Vorzugsweise liegt die dritte Siliziumschichtdicke d3 in einem Bereich von 3 nm bis 15 nm, vorzugsweise 5 nm bis 10 nm. Die dritte Siliziumschichtdicke d3 entspricht der Kanaldicke des zu prozessierenden SOI-MOSFETs. Kanaldicken von weniger als 15 nm führen zu SOI-MOSFETs mit ultradünnen Kanälen, welche als FD-SOI-MOSFETs im Vergleich zu bulk-MOSFETs vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere können in derartigen MOSFET-Architekturen Kurzkanaleffekte effektiv unterdrückt werden.Preferably, the third silicon layer thickness is d 3 in a range of 3 nm to 15 nm, preferably 5 nm to 10 nm. The third silicon layer thickness d 3 corresponds to the thickness of the channel to be processed SOI-MOSFETs. Channel thicknesses of less than 15 nm lead to SOI-MOSFETs with ultra-thin channels, which as FD-SOI-MOSFETs have advantageous properties compared to bulk-MOSFETs. In particular, short channel effects can be effectively suppressed in such MOSFET architectures.
Vorzugsweise gilt für die erste,
zweite und dritte Siliziumschichtdicke d1,
d2, d3 die Beziehung
vorzugsweise
0, 7 ≤ (d1-d2)/(d1-d3) ≤ 0,9.The relationship preferably applies to the first, second and third silicon layer thicknesses d 1 , d 2 , d 3
preferably 0.7 ≤ (d 1 -d 2 ) / (d 1 -d 3 ) ≤ 0.9.
Der Quotient (d1-d2)/(d1-d3) entspricht der Ätztiefe des Trockenätzprozesses im Verhältnis zu der Gesamtätztiefe des Trockenätzprozesses und des Oxidations-Naßätzprozesses. Dieses Verhältnis von Trockenätztiefe zu Gesamtätztiefe ist vorzugsweise größer als 0,5, so daß ein überwiegender Teil der Siliziumschicht mittels des anisotropen Ätzprozesses abgetragen wird. Vorzugsweise wird nur eine vergleichsweise geringe Schichtdicke der Siliziumschicht durch den nachfolgenden Oxidations- und naßchemischen Ätzschritt entfernt. Dies ermöglicht die Prozessierung von "gedünnten" Siliziumschichten, welche sich besonders gut für die Herstellung von FD-SOI-MOSFETs eignen.The quotient (d 1 -d 2 ) / (d 1 -d 3 ) corresponds to the etching depth of the dry etching process in relation to the total etching depth of the dry etching process and the wet oxidation etching process. This ratio of dry etching depth to total etching depth is preferably greater than 0.5, so that a predominant part of the silicon layer is removed by means of the anisotropic etching process. Preferably, only a comparatively small layer thickness of the silicon layer is removed by the subsequent oxidation and wet chemical etching step. This enables the processing of "thinned" silicon layers, which are particularly well suited for the production of FD-SOI-MOSFETs.
Vorzugsweise weist der Fensterbereich eine im wesentlichen rechtecksförmige Gestalt auf, dessen kürzere Kantenlänge im Bereich von 10 nm bis 500 nm, vorzugsweise 20 nm bis 40 nm liegt. Die kürzere Kantenlänge des rechtecksförmigen Fensterbereichs entspricht der Kanallänge des zu prozessierenden SOI-MOSFETs. Besondere Vorteile weist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren im Bereich kurzer Kanallängen auf, welche insbesondere unter 100 nm liegen.The window area preferably has an essentially rectangular one Shape up, the shorter one edge length is in the range of 10 nm to 500 nm, preferably 20 nm to 40 nm. The shorter one edge length of the rectangular The window area corresponds to the channel length of the process to be processed SOI MOSFETs. The production method according to the invention has particular advantages in the area of short channel lengths which are below 100 nm in particular.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach dem Schritt (c) des Öffnens des Fensters ein Hartmaskenspacer an Flanken des Fensters der Hartmaske gebildet, welcher nach dem Schritt (e) des Abtragens der Siliziumschicht entfernt wird. Ein derartiger Hartmaskenspacer, welcher beispielsweise aus TEOS oder aus Siliziumnitrid gebildet sein kann, wird mit einem herkömmlichen Spacerbildungsverfahren an den Flanken der Hartmaske angebracht, so daß die parallel zur Normalenrichtung des Substrats verlaufenden Flächen der Hartmaske durch den Spacer "geschützt" sind. Durch diesen Hartmaskenspacer wird eine nochmalige Verbesserung des Flankenverlaufs der Top-Siliziumschicht in dem gedünnten Kanalbereich erzielt. Insbesondere kann durch den zusätzlichen Hartmaskenspacer der Abstand zwischen den "ungedünnten" Source- bzw. Drainkontakten und dem unter dem Gate gebildeten Transistorkanal weiter verkleinert werden.According to another preferred embodiment after opening (c) a hard mask spacer on the flanks of the window of the hard mask formed after the step (e) of removing the silicon layer Will get removed. Such a hard mask spacer, which for example can be formed from TEOS or from silicon nitride, with a usual Spacer formation process attached to the flanks of the hard mask, So that the Areas of the parallel to the normal direction of the substrate Hard mask are "protected" by the spacer. Through this hard mask spacer is a further improvement of the flank course of the top silicon layer in the thinned Channel area achieved. In particular, the additional Hartmaskenspacer the distance between the "undiluted" source or drain contacts and further reduced the transistor channel formed under the gate become.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren die weiteren nachfolgenden Schritte:
- (f) Aufbringen eines Schutzoxids auf die Siliziumschicht in dem Fensterbereich;
- (g) Bilden eines Spacers an Flanken des Fensters der Hartmaske und an Flanken der Siliziumschicht in dem Fensterbereich; und
- (h) Abtragen des Schutzoxids.
- (f) applying a protective oxide to the silicon layer in the window area;
- (g) forming a spacer on flanks of the window of the hard mask and on flanks of the silicon layer in the window area; and
- (h) removing the protective oxide.
Der Spacer an den Flanken des Fensters sowie der Siliziumschicht in dem Fensterbereich verhindert einen späteren elektrischen Kurzschluß zwischen dem Source- bzw. Drainkontakt einerseits und dem Gatekontakt andererseits. Bevorzugt wird der Spacer aus Siliziumnitrid oder TEOS gebildet.The spacer on the flanks of the window and the silicon layer in the window area prevents one later electrical short circuit between the source or drain contact on the one hand and the gate contact on the other. The spacer is preferably formed from silicon nitride or TEOS.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Verfahren die weiteren nachfolgenden Schritte:
- (i) Aufbringen eines Gateoxids auf die Siliziumschicht in dem Fensterbereich;
- (k) Aufbringen von Polysilizium zumindest auf das Gateoxid zur Bildung eines Gates des Feldeffekttransistors;
- (l) Abtragen von auf der Hartmaske aufgebrachtem Polysilizium; und
- (m) Entfernen der Hartmaske.
- (i) applying a gate oxide to the silicon layer in the window area;
- (k) applying polysilicon to at least the gate oxide to form a gate of the field effect transistor;
- (l) removing polysilicon deposited on the hard mask; and
- (m) removing the hard mask.
Ein besonderer Vorteil der Prozessierung des Gatekontakts besteht hierbei darin, daß kein zusätzlicher Lithographieschritt notwendig ist. Stattdessen handelt es sich um ein selbstjustierendes Verfahren, bei welchem die Hartmaske verwendet wird, welche zuvor zur Dünnung der Top-Siliziumschicht verwendet wurde.A particular advantage of processing the Gate contact consists in the fact that no additional lithography step necessary is. Instead, it is a self-adjusting one Method in which the hard mask is used, which previously for thinning the top silicon layer was used.
Vorzugsweise beinhaltet das Abtragen des Polysiliziums gemäß Schritt (l) einen Trockenätz- und/oder einen CMP-Prozeß (chemical mechanical polishing). Durch den Trockenätz- und/oder CMP-Prozeß wird die Polysiliziumdicke die dann bis auf die Hartmaskenhöhe abgetragen.Preferably, removal includes of the polysilicon according to step (l) a dry etching and / or a CMP process (chemical mechanical polishing). The polysilicon thickness is determined by the dry etching and / or CMP process which then up to the hard mask height ablated.
Vorzugsweise weist die Hartmaske eine Schichtdicke von 20 nm bis 100 nm auf, am meisten bevorzugt 30 nm bis 60 nm.The hard mask preferably has one Layer thickness of 20 nm to 100 nm, most preferably 30 nm to 60 nm.
Zusammenfassend sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine Dünnung der Top-Siliziumschicht des SOI-Substrats nur in Bereichen vor, welche den Kanalbereichen des zu prozessierenden SOI-MOSFETs entsprechen, d.h. den Bereichen, welche sich unter dem Gate befinden. Dagegen wird die Siliziumschicht in den Source- und Drainbereichen nicht gedünnt. Dadurch ist die Kontaktierung prozeßtechnisch erheblich einfacher und ein hoher Anschlußwiderstand kann vermieden werden. Trotzdem sind die notwendigen ultradünnen Kanalgebiete realisierbar. Für die Prozeßkosten ist von Vorteil, daß keine zusätzliche Maske benötigt wird. Durch den vorgeschlagenen Prozeßablauf ist es möglich, Transistoren mit unterschiedlichen Kanaldicken und damit variablen elektronischen Eigenschaften herzustellen. Die Erzeugung erhöhter Source- bzw. Draingebiete (sogenannte "elevated S/D") mittels selektiver Epitaxie wird durch das gewählte Herstellungsverfahren ermöglicht.In summary, the method according to the invention sees a thinning the top silicon layer of the SOI substrate only in areas, which correspond to the channel areas of the SOI MOSFET to be processed, i.e. the areas under the gate. On the other hand the silicon layer in the source and drain regions does not thinned. As a result, the process technology makes contacting considerably easier and a high connection resistance can be avoided. Nevertheless, the necessary ultra-thin channel areas can be implemented. For the Costing is an advantage that none additional Mask needed becomes. The proposed process flow makes it possible to use transistors with different channel thicknesses and therefore variable electronic To produce properties. The generation of elevated source or drain areas (so-called "elevated S / D") by means of selective epitaxy is made possible by the chosen manufacturing process.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:The invention is described below Reference to accompanying drawings of preferred embodiments described as an example. It shows:
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines SOI-Substrats für einen SOI-Feldeffekttransistor beschrieben. Die Figuren zeigen Querschnittsansichten des Verfahrensprodukts in den wichtigsten Verfahrensstadien, wobei irrelevante Verfahrensschritte, wie beispielsweise Implantationen, nicht dargestellt werden.The invention is described below with reference to two preferred embodiments of the method according to the invention for producing a SOI substrate for an SOI field-effect transistor. The Figures show cross-sectional views of the process product in FIGS main stages of the process, irrelevant process steps such as for example, implantations are not shown.
Die Grundschritte des Herstellungsverfahrens
werden nachfolgend anhand der
In
In einem ersten Lithographie- und Ätzschritt werden
zunächst
die aktiven Gebiete (Mesen) definiert (
In
Zunächst wird die in den
Im Anschluß an den anisotropen Ätzprozeß wird eine
lokale Oxidation der Siliziumschicht C-Si zu SiO2 mit
nachfolgender naßchemischer
Rückätzung des
SiO2 verwendet. Die Oberfläche der
Siliziumschicht C-Si wird durch diesen kombinierten Oxidations-
und naßchemischen Ätzschritt
geglättet
und auf ihre endgültige
Siliziumschichtdicke d3 gedünnt. In
Der in den
Nach dem Ätzschritt werden in einem Spacerbildungsschritt
Spacer SP an den Flanken der Hartmaske HM sowie der Siliziumschicht
C-Si gebildet. Da die Hartmaske HM gegenüber der Top-Siliziumschicht
C-Si durch die zuvor gebildeten Hartmaskenspacer HS zurückversetzt
ist, ist es möglich,
die Spacer SP derart zu bilden, daß sie lediglich eine minimale
Berührungsfläche mit
der Top-Siliziumschicht C-Si aufweisen. Dies hat zur Folge, daß der Abstand zwischen
dem sich unter einem zu prozessierenden Gate des SOI-MOSFETs bildenden
Kanal und dem Source- bzw. Drainbereich
In den
Im Unterschied zu den in
Die weiteren Verfahrensschritte,
welche sich an die
- 1010
- Fensterwindow
- 1212
- Fensterbereichpane
- 1414
- Sourcebereichsource region
- 1616
- Drainbereichdrain region
- 1818
- Schutzoxidprotective oxide
- BOXBOX
- verbrabenes Oxidverbrabenes oxide
- C-SiC-Si
- Top-SiliziumschichtTop silicon layer
- GOXGOX
- Gateoxidgate oxide
- GSGS
- Gatespacergate spacers
- HMHM
- Hartmaskehard mask
- HSHS
- HartmaskenspacerHartmaskenspacer
- MSMS
- MesaspacerMesaspacer
- Poly-SiPoly-Si
- Polysiliziumpolysilicon
- SiSi
- Siliziumsubstratsilicon substrate
- SPSP
- Spacerspacer
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002133663 DE10233663A1 (en) | 2002-07-24 | 2002-07-24 | Production of a SOI substrate comprises preparing a SOI substrate by embedding a trenched oxide layer between a crystalline silicon layer and a silicon substrate |
Applications Claiming Priority (1)
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