JP2001068467A - シリコンとの金属酸化物インタフェースを備える半導体構造の作成方法 - Google Patents

シリコンとの金属酸化物インタフェースを備える半導体構造の作成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄く安定な、シリコンとの結晶性ケイ酸塩イ
ンタフェースを作成する方法を提供する。 【解決手段】 半導体構造を作成する方法は：表面１２
を有するシリコン基板１０を設ける段階；シリコン基板
１０の表面１２上に非晶質二酸化シリコン１４を形成す
る段階；非晶質二酸化シリコン１４の上に金属酸化物１
８を設ける段階；半導体構造を加熱してシリコン基板１
０の表面１２に隣接するシード層２０からなるインタフ
ェースを形成する段階；およびシード層２０上に高誘電
率酸化物２２の１つ以上の層を形成する段階；を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にシリコン基板と
金属酸化物との間の結晶性金属酸化物インタフェースを
備える半導体構造の作成方法に関し、さらに詳しくは、
シード層と高誘電率酸化物とを備えるインタフェースを
作成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】規則
正しく安定したシリコン（Si）面は、数多くの装置用途
たとえば高密度メモリや次世代MOS装置などのための強
誘電体または高誘電率酸化物において、シリコン上に単
結晶薄膜を続いてエピタキシャル成長させるのにきわめ
て望ましい。特に単結晶酸化物たとえばペロブスカイト
などを引き続き成長させるためには、シリコン面上に規
則正しい遷移層を配置することが枢要である。
【０００３】Si(100)上にBaO，BaTiO３などのこれらの
酸化物の成長には、分子線エピタキシを摂氏８５０度超
で用いてSi(100)上に１／４単層のBaをデポジションす
ることによるBaSi２（立方晶）テンプレートによると報
告されているものがある。たとえば以下の文献を参照さ
れたい。R. McKee他著Appl.Phys.Lett. 59(7),pp.782-7
84(１９９１年８月１２日);R. McKee他著Appl.Phys.Let
t. 63(20),pp.2818-2820(１９９３年１１月１５日);R.
McKee他著Mat.Res.Soc.Symp.Proc., Vol.21, pp.131-13
5(１９９１年)；１９９３年７月６日出願の米国特許第
５，２２５，０３１号「PROCESS FOR DEPOSITING AN OX
IDE EPITAXIALLY ONTO A SILICON SUBSTRATE AND STRUC
TURES PREPARED WITH THE PROCESS」；１９９６年１月
９日出願の米国特許第５，４８２，００３号「PROCESS
FOR DEPOSITING EPITAXIAL ALKALINE EARTH OXIDE ONTO
A SUBSTRATE AND STRUCTURES PREPARED WITH THE PROC
ESS」。c(4x2)構造をもつケイ化ストロンチウム（SrSi
２）インタフェース・モデルが提案された。たとえば、
R. McKee他著Phys.Rev.Lett. 81(14), 3014(１９９８年
１０月５日)を参照されたい。しかし、この提案された
構造の原子レベルのシミュレーションでは、高温におい
ては安定でない場合があることが示唆される。
【０００４】SrOバッファ層を用いてシリコン(100)上に
SrTiO３を成長させた。これについては、T.Tambo他著Jp
n. J.Appl.Phys., Vol.37(１９９８年), pp.4454-4459
を参照されたい。しかし、SrO層が厚い（１００Å）の
で、トランジスタ薄膜に関する用途が制約され、成長の
間、結晶性が維持されない。
【０００５】さらに、SrOまたはTiOｘの厚い酸化物層
（６０〜１２０Å）を用いてSrTiO３を成長させた。B.
K. Moon他著Jpn.J.Appl.Phys., Vol.33（１９９４年）p
p.1472-1477を参照されたい。このようにバッファ層が
厚いとトランジスタに関する用途が制約を受ける。
【０００６】従って、薄く安定な、シリコンとの結晶性
ケイ酸塩インタフェースを作成する方法が必要である。
【０００７】
【発明を解決するための手段】表面を有するシリコン基
板を設ける段階と、シリコン基板の表面上に、ケイ酸塩
結晶性材料からなるシード層を形成する段階と、そのシ
ード層上に高誘電率酸化物の層を１層以上形成する段階
とを備える半導体構造の作成方法において、上記その他
の問題は、少なくとも部分的に解決され、上記その他の
目的が実現される。
【０００８】
【実施例】本開示は、シリコン基板とのインタフェース
を有する高誘電率（高ｋ）金属酸化物を作成する方法を
教示する。このプロセスは、酸化ストロンチウム（Sr
O），酸化バリウム（BaO），酸化カルシウム(CaO)，酸
化ジルコニウム（ZrO２），酸化ハフニウム（HfO２）な
どの金属酸化物のSiO２との固体物理反応に基づくもの
であり、アルカリ土類金属酸化物層を後で成長させるた
めに必要とされる安定なケイ酸塩シード層を形成する。
従って、SrTiO３，BaTiO３，SrBaTiO３，CaTiO３などの
ペロブスカイト(perovskite)酸化物を成長させるための
新規な方法が開示される。
【０００９】シリコン（Si）基板と１層以上の高誘電率
（高ｋ）金属酸化物との間に新規のインタフェースを形
成するために、種々の手法を用いることができる。表面
上に二酸化シリコン（SiO２）を有するSi基板をはじめ
として、いくつかの例を挙げる。二酸化シリコンは自然
酸化物として、あるいは熱的または化学的方法を利用し
て形成されるものとして開示される。SiO２は単結晶で
はなく非晶質であり、基板上に別の単結晶材料を成長さ
せるためには、単結晶酸化物層をインタフェースとして
設けることが望ましい。
【００１０】図面を参照して、図面内では同様の要素は
同様の番号で指示されるが、図１は表面１２とその上に
SiO２層１４を有するSi基板１０を示す。この特定の実
施例においては、SiO２層１４はシリコン基板１０が空
気（酸素）にさらされると自然にできる（自然酸化
物）。あるいは、SiO２層１４を当技術で周知の制御さ
れた方法、たとえば高温で表面１２上に酸素を付加する
熱的方法あるいは標準的な化学エッチ・プロセスを用い
る化学的方法で意図的に形成することもできる。層１４
は５ないし１００Åの厚みで形成され、さらに詳しく
は、１０ないし２５Åの厚みを有する。
【００１１】（以下に説明する）新規のシード層は、Sr
O，BaOなどの非晶質金属酸化物をSiO２層１４の表面１
６に摂氏０ないし９００度でデポジションすることによ
り形成される。さらに詳しくは、Si基板１０と非晶質Si
O２層１４がSiO２層１４の昇華温度未満まで（通常摂氏
９００度未満）加熱される。これは、分子線エピタキシ
・チャンバ内で、あるいは化学的または物理的蒸着チャ
ンバ内で不活性環境条件下で実行することができる。
【００１２】基板１０が適切に加熱され、その上にSiO
２層１４を有する基板１０の表面１２がストロンチウム
（Sr），バリウム（Ba），カルシウム（Ca），ジルコニ
ウム（Zr），ハフニウム（Hf）などの金属線１８に、１
ｘ１０−４mBar以下のO２圧力で酸素雰囲気内でさらさ
れると、図１に示されるように非晶質酸化物がSiO２酸
化物１４上に形成される。好適な実施例においては、金
属線は噴散セルを抵抗加熱するか、あるいは電子線（e-
beam）蒸着源から生成されるBaまたはSrである。特定の
例においては、基板１０とSiO２層１４とはSrと酸素O２
線にさらされる。SrOはSiO２と結合して、SiO２層１４
をSrSiO４またはSrSiO３などからなる、図２に示される
ような結晶状のシード層に変える。
【００１３】この段階で、シリコン基板上に安定なケイ
酸塩ができる。さらに詳しくは、シード層２０ができ
る。金属酸化物層２０の厚みは、SiO２酸化物層１４の
厚みとほぼ同じであり、さらに詳しくは、５ないし１０
０Å、好適には１０ないし２５Åの厚みである。このケ
イ酸塩層は２ｘ１の構造を示す結晶性の規則正しいもの
である。
【００１４】この特定の実施例においては、Srと酸素と
を層１４の表面１６に付加し、その後加熱すると化学反
応が起こって、SrSiO３またはSrSiO４などをシード層２
０として形成する。作成中は、この成長を反射高エネル
ギ電子回折（RHEED: reflection high energy electron
diffraction）法を用いてモニタする。この方法は当技
術においては詳細に説明されており、その場で、すなわ
ち成長チャンバ内での露出段階を実行しながら用いるこ
とができる。RHEED法は、表面の結晶構造を検出または
検知するために用いられ、本プロセスにおいては、SrSi
O４，SrSiO３などのいくつかの原子層の形成により強力
な鋭い光線に急激に変化する。もちろん、特定の製造プ
ロセスが提供され実行される場合は、すべての基板上で
RHEED法を実行する必要はないことを理解頂きたい。あ
るいは、結晶構造を反射差分光法，分光偏光解析法など
表面をその場で監視する任意の表面検知法を利用して監
視することもできる。
【００１５】これらのプロセスに関して与えられる温度
および圧力は、説明される特定の実施例に関して推奨さ
れるものであり、本発明は特定の温度または圧力範囲に
限定されないことを当業者には理解頂きたい。開示され
る如く、シード層２０はシリコン基板１０の（００１）
表面上に、ストロンチウム，シリコンおよび酸素原子の
列が１ｘは＜１１０＞方向に、２ｘは直交＜１１０＞方
向にある２ｘ１構造からなる。
【００１６】図３を参照して、高誘電率酸化物層２２の
形成を、シード層２０の表面２１に対して、摂氏８００
度以下、さらに詳しくは、摂氏３５０ないし６５０度の
温度で、１ｘ１０−４mBar以下のO２部分圧力下で結晶
性ケイ酸塩を同時にあるいは交互に供給することにより
行うことができる。
【００１７】単結晶高誘電率酸化物層２２、さらに詳し
くは、プロブスカイトがシード層２０の表面２１上に、
アルカリ金属（Sr，Baなど）と、酸素と、チタンなどの
遷移金属とを、摂氏８００度以下の温度で、１ｘ１０−
４mBar以下の圧力下で同時にあるいは交互に供給するこ
とにより形成される。この単結晶酸化物層２２は、たと
えば、５０ないし１０００Åの厚みからなり、実質的に
は下部構造のシード層２０と格子一致する。
【００１８】従って、シリコン１０を伴う薄い結晶性シ
ード層２０を作成する方法がここに開示される。インタ
フェースすなわちシード層２０は、単独の原子層からな
る。ケイ化酸塩層の形成をこのように強制することが、
その上にプロブスカイト膜を引き続き成長させるために
必要である。インタフェースが薄いと、より良いトラン
ジスタ用途が実現される。これは、上部構造の高誘電率
酸化物層の電気結合効果が弱化せず、原子がその結晶性
を処理中にも維持しやすくなるためにシード層２０がよ
り安定となるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複数の酸化物層がその上に形成さ
れた清浄な半導体基板の断面図である。
【図２】本発明による結晶性ケイ酸塩層で形成されるイ
ンタフェース・シード層を有する半導体基板の断面図で
ある。
【図３】本発明による図２に図示される構造上に形成さ
れる高誘電率酸化物層の断面図である。
【符号の説明】 １０ シリコン基板 ２０ シード層 ２１ シード層表面 ２２ 高誘電率酸化物層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラビンドラナス・ドローパッド アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ウエスト・タイソン・ストリート4515 (72)発明者 ツィイ・ユ アメリカ合衆国アリゾナ州ギルバート、ウ エスト・メリル・アベニュー449

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体構造を作成する方法であって：表
    面（１２）を有するシリコン基板（１０）を設ける段
    階；前記シリコン基板の前記表面に、ケイ酸塩結晶性材
    料からなるシード層（２０）を形成する段階；および前
    記シード層に１層以上の高誘電率酸化物層（２２）を形
    成する段階；によって構成されることを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】 半導体構造を作成する方法であって：表
    面（１２）を有するシリコン基板（１０）を設ける段
    階；前記シリコン基板の前記表面に、非晶質二酸化シリ
    コン（１４）を形成する段階；前記非晶質二酸化シリコ
    ンに金属酸化物（１８）を設ける段階；および半導体構
    造を加熱して、前記シリコン基板の前記表面に隣接する
    シード層（２０）からなるインタフェースを形成する段
    階；によって構成されることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 半導体構造を作成する方法であって：表
    面（１２）を有するシリコン基板（１０）を設ける段
    階；前記シリコン基板の前記表面に、非晶質二酸化シリ
    コン（１４）を形成する段階；前記非晶質二酸化シリコ
    ンに金属酸化物（１８）を設ける段階；半導体構造を加
    熱して、前記シリコン基板の前記表面に隣接するシード
    層（２０）からなるインタフェースを形成する段階；お
    よび前記シード層に１層以上の高誘電率酸化物層（２
    ２）を形成する段階；によって構成されることを特徴と
    する方法。
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