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JP2006156977A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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JP2006156977A JP2005310533A JP2005310533A JP2006156977A JP 2006156977 A JP2006156977 A JP 2006156977A JP 2005310533 A JP2005310533 A JP 2005310533A JP 2005310533 A JP2005310533 A JP 2005310533A JP 2006156977 A JP2006156977 A JP 2006156977A
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Abstract

【課題】マスクや微細パターンなしにナノ粒子を利用し、ナノスケールのp−n接合素子またはCMOSのようなナノスケールの半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板上に複数のナノ粒子を分散させるステップと、ナノ粒子を覆うように半導体基板上に絶縁層を形成するステップと、絶縁層及びナノ粒子の上部を部分的に除去するステップと、絶縁層内のナノ粒子を選択的に除去するステップと、ナノ粒子が除去された部分を介し、半導体基板を部分的にドーピングすることにより、半導体基板内にドーピングされた半導体層を部分的に形成するステップとを含むことを特徴とするナノスケールの半導体素子の製造方法である。
【選択図】図2C

Description

本発明は、ナノ粒子を利用したナノスケールの半導体素子の製造方法に係り、マスクや微細パターンなしにナノ粒子を利用し、ナノスケールのp−n接合素子またはCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)のようなナノスケールの半導体素子を製造する方法に関する。
半導体技術の発達により、半導体素子が高集積度化している。かかる半導体素子の高集積度化には、主にマイクロリソグラフィ技術の発達が大きく寄与している。しかし、これまで半導体素子の基本的な製造方式には、大きな変化がなかった。すなわち、基板上に物質の層を重ね、その上にフォトレジストのようなマスクを形成した後、マイクロリソグラフィ工程を介し、前記マスクをパターニングした後、適切なガス気圧でマスク及び物質の層を選択的にエッチングする半導体素子の製造方式には大きな変化がなかった。半導体素子の集積度を高めるための研究には、主に、さらに短い波長の光源を利用して、マスクをさらに微細にパターニングする技術と、かかる微細なパターンを適切にエッチングする技術とに集中されていた。
しかし、かかる光学的な技術を利用して、マスクを微細にパターニングする技術には、限界がある。現在、線間幅が90nmである半導体の製造技術は商用化されているが、それ以下の線間幅にパターニングするには、多くの困難さがある。従って、半導体素子の集積度をさらに高めるためには、新しい半導体製造技術が要求されている。かかる新しい半導体製造技術として、最近提示されているのがナノ粒子を利用した製造技術である。
特許文献1は、ナノ粒子を利用してナノ構造物を製造する方法について開示している。前記米国特許によれば、図1Aに図示されているように、基板1上に物質層2を形成し、その上にナノ粒子3をコーティングする。その後、図1Bに図示されているように、垂直にイオンビーム8を照射してエッチング工程を行う。それにより、イオンビーム8に直接露出された部分が除去されつつ、シリンダ状のナノ構造物4が基板1上に形成される。
しかし、前記特許文献1は、従来と同様に、ナノ粒子をマスクとしてのみ利用している。従って、前記特許文献1は、図1Bに図示されているような単純な構造だけが製造でき、フォトレジストマスクを利用する従来の複雑な工程を減少させることができない。
米国特許第4407695号明細書
従って、本発明の目的は、マスクや微細パターンなしにナノ粒子を利用し、ナノスケールのp−n接合素子またはCMOSのようなナノスケールの半導体素子の製造方法を提供することである。
また、本発明のもう一つの目的は、マスクや微細パターンのない、さらに簡単な半導体製造方法を提供することである。
本発明の形態によると、ナノスケールの半導体素子の製造方法は、半導体基板上に複数のナノ粒子を分散させるステップと、前記ナノ粒子を覆うように前記半導体基板上に絶縁
層を形成するステップと、前記絶縁層及びナノ粒子の上部を部分的に除去するステップと、前記絶縁層内のナノ粒子を選択的に除去するステップと、前記ナノ粒子が除去された部分を介し、前記半導体基板を部分的にドーピングすることにより、前記半導体基板内にドーピングされた半導体層を部分的に形成するステップとを含むことを特徴とする。
ここで、前記ナノ粒子の直径は、30nm以下であり、前記ナノ粒子は、金属性材料および半導体材料のうち少なくともいずれか一つからなることを特徴とする。
本発明によれば、前記絶縁層内のナノ粒子を選択的に除去した後、前記ナノ粒子が除去された位置の絶縁層の側壁下部を部分的に除去することにより、前記半導体基板が外部に露出される部分を拡張させるステップをさらに含むことができる。
また、前記半導体基板を部分的にドーピングするステップは、ドーパントを半導体基板内に注入または拡散させることによって行われることを特徴とする。
このとき、前記半導体基板は、p型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた半導体層は、n型半導体層である。または、前記半導体基板は、n型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた半導体層は、p型半導体層である。
一方、本発明による半導体素子の製造方法は、前記ドーピングされた半導体層の上面に金属層を形成するステップと、前記絶縁層を選択的に除去して半導体基板を露出させるステップと、前記半導体基板と金属層の上面及び金属層の側面に均一な厚さに誘電体層を蒸着するステップと、前記誘電体層上に多結晶シリコン層を蒸着するステップと、前記金属層が表れるまで前記誘電体層及び多結晶シリコン層を除去するステップとをさらに含む。
ここで、前記ドーピングされた半導体層の上面に金属層を形成するステップは、前記ドーピングされた半導体層及び絶縁層の上面に全体的に金属物質を蒸着するステップと、前記絶縁層が表れるまで金属物質を平坦に除去するステップとを含む。
また、前記半導体基板と金属層の上面及び金属層の側面に均一な厚さに誘電体層を蒸着するステップは、原子層堆積(Atomic Layer Deposition)技術を利用して行われることを特徴とする。
本発明によれば、比較的工程が複雑であり、時間及び費用が多くかかるリソグラフィ技術を使用せずとも、半導体素子を製造することが可能である。また、本発明によれば、いままでの限界であった90nmを超え、30nm以下の線間幅を有する半導体素子を製造することが可能である。従って、半導体素子の集積度を革新的に上昇させることができる。
以下、添付された図面を参照し、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
図2Aから図2Cは、本発明の基本的な概念を説明するための図面である。まず、図2Aに図示されているように、基板10上に所定の直径を有するナノ粒子11を所定の間隔で整列する。その後、図2Bに図示されているように、前記ナノ粒子11を完全に覆うように基板10上に絶縁層13を形成する。そして、図2Cに図示されているように、ナノ粒子11を選択的に除去した後、除去した場所に、必要によって、適切なドーピング物質を注入または拡散させることにより、基板10の特定部分をp−ドーピングまたはn−ド
ーピングさせる。その後、目的によってさまざまな付加的な工程を行うことで、多様なナノスケールの半導体素子を製造できる。
なお、本願で用いているナノ粒子の用語は、粒子の直径が100nm以下の超微小粒子を含む概念であり、粒子の直径が好ましくは50nm以下、より好ましくは30nm以下の粒子として定義している。
従来の場合、このような構造を形成するためには、基板上にp型半導体層またはn型半導体層を形成し、マイクロリソグラフィ技術を利用し、前記半導体層を微細にパターニングした後、絶縁材料を挿入するなどの複雑な工程を行わなければならなかった。しかし、本発明では、従来の技術とは異なり、マイクロリソグラフィ技術を利用する複雑な工程を行わない。前記マイクロリソグラフィ工程は、半導体の製造工程のうちで、特に多くの時間と費用とを必要とするために、半導体の製造時間及び費用の観点でも、本発明は有用である。さらに、従来の技術によれば、前記p型半導体またはn型半導体パターンの幅及び間隔を90nm以下に製造することは困難であったが、本発明によれば、前記ナノ粒子11の直径及び間隔を適切に選択することによって、p型半導体25(図3F)またはn型半導体15(図2C)パターンの幅及び間隔を数nmから数十nmほどに製造することが可能である。
さて、前述の本発明の原理を応用した具体的な半導体素子の製造方法についての実施例を説明する。
図3Aから図3Fは、本発明により、ナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。
まず、図3Aに図示されているように、例えば、n−Siのようなn型半導体基板20上に、数nmから数十nmのサイズを有する球形のナノ粒子21を等しく分散させる。前記ナノ粒子21の材料としては、Siのような半導体材料を使用することができ、または金属性材料を使用することもできる。次に、図3Bに図示されているように、基板20及びナノ粒子21上に、絶縁性材料を蒸着または増大させ、絶縁層23を形成する。このとき、前記絶縁層23の厚さは、前記ナノ粒子21を完全に覆うほどとなる。絶縁性材料としては、例えば金属酸化物または窒化物のような材料を使用できる。その後、図3Cに図示されているように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術を利用し、前記絶縁層23及びナノ粒子21の上面を部分的に除去して平坦化する。この場合、望ましくは、ナノ粒子21の上部半球を除去する。これにより、絶縁層23を覆っていたナノ粒子21が外部に露出される。
次に、図3Dに図示されているように、エッチング工程を介して絶縁層23はそのままで、露出されたナノ粒子21だけを選択的に除去する。ナノ粒子21が除去されることにより、絶縁層23には、半球上の空き空間24が形成される。このとき、空き空間24の底では、基板20が部分的に露出される。その後、以後のドーパントの注入または拡散工程で側壁への拡散プロファイルを良好にするために、図3Eに図示されているように、ドライエッチングなどを利用し、空き空間24の底部分を拡張させる。すなわち、空き空間24内の絶縁層23の側壁下部を部分的に除去し、基板20が露出される部分を拡張させる。
最後に、前記露出された基板20に適切なドーパントを注入または拡散させ、基板20を部分的にp型ドーピングする。ここで使用できるドーパントとしては、例えばホウ素(B)を挙げることができる。それにより、図3Fに図示されているように、ナノ粒子21があった位置の基板20の下部分に、それぞれp型半導体層25が形成される。本発明に
よれば、前記p型半導体層25のサイズは、ナノ粒子21のサイズに比例するので、ナノスケールの半導体層を形成することが可能である。
前述の説明では基板20をn型とし、基板20内に複数のp型半導体層25を形成すると説明しているが、それは例示的なものであり、基板をp型とし、前記p型基板内にn型半導体層15(図2C)を形成することも可能である。その場合、ドーパントとしては、例えばリン(P)を使用できる。
このように、マスクや微細パターンなしに形成されたナノスケールのp−n接合素子は、図4のように、発光ダイオード30に有用に使うことができる。図4に図示されているように、発光ダイオード30は、基板31、下部電極32、p型半導体層33、p−n接合素子34、n型半導体層35及び上部電極36から構成される。p−n接合素子34は、前述の通り、n型半導体基板37内にナノサイズに形成された複数のp型半導体層39から構成される。前記p型半導体層33とn型半導体層35は、p−n接合素子34に正孔と電子とをそれぞれ提供する。正孔と電子は、p−n接合素子34のp−n接合面で結合し、光を発生する。ナノスケールのp−n接合素子34の場合、非常に小さな領域に多層構造の量子点及び量子ウェルが形成されており、そこに電子と正孔とが集中するために、特に高効率高輝度の発光ダイオードを製造するのに有用に使うことができる。従って、p−n接合素子34内のp型半導体層39のサイズが小さいほど好ましい。前述のように、リソグラフィ技術により、マスクを利用してパターニングする場合、90nmまでが限界であったが、本発明によれば、CMP工程の限界(現在、20±1nmまでCMPが可能である)により、前記p−n接合素子34内のp型半導体層39の幅と高さとを20nmから30nmほどに形成できる。
一方、図5Aから図5Gは、本発明により、ナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS(Complementary Metal−Oxide Semi conductor)素子の製造方法を説明するための断面図である。
図5Aを介して分かるように、本発明により、ナノスケールのCMOS素子を製造する方法で、基板内に部分的にドーパントを注入または拡散させてナノサイズのn型またはp型半導体層を形成する過程までは、図3Aから図3Fを介して説明した過程と同一である。すなわち、基板上に複数のナノ粒子を分散させた後、その上に絶縁層を形成し、CMP及びエッチング工程を介して前記ナノ粒子を除去した後、絶縁層に生じた空き空間を介して基板にドーパントを注入または拡散させる。本実施例では、基板40は、p−Siのようなp型半導体基板である。図5Aに図示されているように、絶縁層41内の空き空間で露出されている基板40の一部分を介し、例えばPのようなドーパントを基板40に注入し、複数のn型半導体層42を形成する。すでに説明した通り、このように形成されたn型半導体層42は、20nmから30nmのサイズである。
その後、図5B及び図5Cに図示されているように、前記絶縁層41及びn型半導体層42上に金属物質43を蒸着する。金属物質43は、例えばスパッタリングやCVD(Chemical Vapor Deposition)のような公知の方法を利用して蒸着可能である。その後、CMPのような工程を利用し、絶縁層41上に形成された金属物質を除去する。従って、図5Cに図示されているように、ナノ粒子が除去されつつ生じた絶縁層41内の空き空間にだけ金属層43が残っている。すなわち、金属層43は、n型半導体層42上にだけ存在する。このように形成された金属層43は、ソースまたはドレーン電極になる。
さて、図5Dに図示されているように、残りの絶縁層41を選択的にエッチングして除去することにより、n型半導体層42上の金属層43だけを残す。従って、金属層43の
間に基板40がさらに露出される。その後、図5Eに図示されているように、例えばALD(Atomic Layer Deposition)技術を利用し、前記基板40と金属層43の上面に、そして前記金属層43の側面に、高誘電率(H−k)の誘電体層44を薄く蒸着する。ALD技術は、表面反応を利用して原子層単位で薄膜を成長させる技術であり、蒸着サイクルの数により、蒸着される薄膜の厚さが決定されるために、薄膜の厚さ調節が非常に容易である。本実施例で、前記高誘電率の誘電体層44は、例えば20nm以内の厚さに形成できる。一方、ここで前記高誘電率を有する誘電体層44は、一般的にシリコン酸化膜の誘電率より高い誘電率(例えば、5以上)を有する。かかる誘電体層44は、ゲート酸化物として役割を果たす。ゲート酸化物として使用する高誘電率の誘電体層44の材料としては、さまざまな金属酸化物を使用できる。
次に、図5Fに図示されているように、前記金属酸化物の誘電体層44上に多結晶シリコン層45を蒸着または成長させる。最後に、図5Gに図示されているように、例えばCMP技術を利用し、金属層43が表れるまで前記多結晶シリコン層45及び金属酸化物誘電体層44を部分的に平坦に除去することにより、CMOSを完成する。このように、本発明の原理によって形成されたCMOSの場合、ソースとドレーンとの間の間隔及び高さが、おおむね20nmから30nm以下に形成可能である。従って、従来に比べてサイズがかなり小さなCMOSを製造することが可能であり、半導体素子の集積度をきわめて高めることができる。
本発明は、半導体関連の技術分野に効果的に適用が可能である。
ナノ粒子を利用する従来のナノ構造物の製造方法を説明するための斜視図である。 ナノ粒子を利用する従来のナノ構造物の製造方法を説明するための斜視図である。 本発明の実施形態による半導体製造方法の基本的な概念を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による半導体製造方法の基本的な概念を説明するための断面図である。 本発明の実施形態による半導体製造方法の基本的な概念を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのp−n接合素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノスケールのp−n接合素子を利用する発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の実施形態によるナノ粒子を利用してナノスケールのCMOS素子を製造する方法を説明するための断面図である。
符号の説明
10 基板、
11 ナノ粒子、
13 絶縁層、
15 n型半導体層。

Claims (21)

  1. 半導体基板上に複数のナノ粒子を分散させるステップと、
    前記ナノ粒子を覆うように前記半導体基板上に絶縁層を形成するステップと、
    前記絶縁層及び前記ナノ粒子のそれぞれの上部を部分的に除去するステップと、
    前記絶縁層内の前記ナノ粒子を選択的に除去するステップと、
    前記ナノ粒子が除去された部分を介し、前記半導体基板を部分的にドーピングすることにより、前記半導体基板内にドーピングされた半導体層を部分的に形成するステップと、
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 前記ナノ粒子の直径は、30nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  3. 前記ナノ粒子は、金属性材料および半導体材料のうち少なくともいずれか一つからなることを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の製造方法。
  4. 前記絶縁層及び前記ナノ粒子の上部を部分的に除去するステップは、前記ナノ粒子の上部半球が除去されるまで行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  5. 前記絶縁層内の前記ナノ粒子を選択的に除去した後、前記ナノ粒子が除去された位置の前記絶縁層の側壁下部を部分的に除去することにより、前記半導体基板が外部に露出される部分を拡張させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  6. 前記ナノ粒子が除去された位置の前記絶縁層の側壁下部を部分的に除去するステップは、ドライエッチングを介して行われることを特徴とする請求項5に記載の半導体素子の製造方法。
  7. 前記半導体基板を部分的にドーピングするステップは、ドーパントを前記半導体基板内に注入または拡散させることによって行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記半導体基板は、p型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた半導体層は、n型半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  9. 前記半導体基板は、n型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた半導体層は、p型半導体層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  10. 半導体基板上に複数のナノ粒子を分散させるステップと、
    前記ナノ粒子を覆うように前記半導体基板上に絶縁層を形成するステップと、
    前記絶縁層及び前記ナノ粒子の上部を部分的に除去するステップと、
    前記絶縁層内の前記ナノ粒子を選択的に除去するステップと、
    前記ナノ粒子が除去された部分を介し、前記半導体基板を部分的にドーピングすることにより、前記半導体基板内にドーピングされた半導体層を部分的に形成するステップと、
    前記ドーピングされた前記半導体層の上面に金属層を形成するステップと、
    前記絶縁層を選択的に除去して前記半導体基板を露出させるステップと、
    前記半導体基板と前記金属層の上面及び前記金属層の側面に均一な厚さに誘電体層を蒸
    着するステップと、
    前記誘電体層上に多結晶シリコン層を蒸着するステップと、
    前記金属層が表れるまで前記誘電体層及び前記多結晶シリコン層を除去するステップとを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  11. 前記ナノ粒子の直径は、30nm以下であることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  12. 前記ナノ粒子は、金属性材料および半導体材料のうち少なくともいずれか一つからなることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の製造方法。
  13. 前記絶縁層及び前記ナノ粒子の上部を部分的に除去するステップは、前記ナノ粒子の上部半球が除去されるまで行われることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  14. 前記絶縁層内の前記ナノ粒子を選択的に除去した後、前記ナノ粒子が除去された位置の前記絶縁層の側壁下部を部分的に除去することにより、前記半導体基板が外部に露出される部分を拡張させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  15. 前記ナノ粒子が除去された位置の前記絶縁層の側壁下部を部分的に除去するステップは、ドライエッチングを介して行われることを特徴とする請求項14に記載の半導体素子の製造方法。
  16. 前記半導体基板を部分的にドーピングするステップは、ドーパントを前記半導体基板内に注入または拡散させることによって行われることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  17. 前記半導体基板は、p型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた半導体層は、n型半導体層であることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  18. 前記半導体基板は、n型半導体基板であり、前記半導体基板内に部分的に形成されたドーピングされた前記半導体層は、p型半導体層であることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  19. 前記ドーピングされた前記半導体層の上面に前記金属層を形成するステップは、
    前記ドーピングされた前記半導体層及び前記絶縁層の上面に全体的に金属物質を蒸着するステップと、
    前記絶縁層が表れるまで金属物質を平坦に除去するステップと、を含むこと、
    を特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  20. 前記半導体基板と前記金属層の上面及び前記金属層の側面に均一な厚さに前記誘電体層を蒸着するステップは、原子層堆積技術を利用して行われることを特徴とする請求項10に記載の半導体素子の製造方法。
  21. 前記誘電体層は、高誘電率の金属酸化物であることを特徴とする請求項20に記載の半導体素子の製造方法。
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