JP2001077112A - 積層体，積層体の製造方法及び半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子の微細化，高集積化に対応しうる
比誘電率の高いかつ絶縁特性の良好な膜の形成方法及び
これを利用した半導体素子を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板１を酸処理などによって洗浄
し、加熱して表面の付着物を除去する。次に、Ｓｉ基板
１の表面にプラズマ化された窒素を供給して、ラジカル
窒素のサーファクタント効果により、Ｓｉ基板１の表面
上に、Ｓｉ結晶とは格子整合していないＡｌＮ結晶層８
０を形成する。ＡｌＮ結晶層８０の格子間距離は、Ａｌ
Ｎ結晶体本来の格子定数にほぼ一致するので、Ｓｉ基板
１と格子整合している場合のように、Ａｌ結晶層８０に
は、Ｓｉ基板１との格子定数の相違に起因する歪みが内
在することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結晶層の上にIII
族元素の窒化物膜を積層してなる積層体、その製造方法
及びこの積層体を利用した半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、Ｓｉ基板上に形成されるＣＭＯＳ
デバイスにおいては、デバイスを構成するＭＯＳトラン
ジスタ等の素子の微細化、各素子の高集積化の進展には
著しいものがある。このような微細化，高集積化の進展
に伴い、ＭＯＳトランジスタなどの要素であるゲート絶
縁膜の単位面積当たりの容量値の向上の要請が強まって
いる。これは、省電力の目的でＭＯＳデバイスの各素子
を動作させるための電源電圧が低電圧化されている一方
で、従来と変わらない素子動作に必要な電荷を確保しよ
うとすると、ゲート絶縁膜の単位面積当たりの容量値を
高くする必要があるからである。

【０００３】このゲート絶縁膜の容量値を高くするに
は、大きく分けて２つの途がある。第１の方法はゲート
絶縁膜を薄膜化する方法であり、第２の方法はゲート絶
縁膜をより高誘電率を有する材料によって構成する方法
である。すなわち、ゲート絶縁膜の高性能化に関しては
薄膜化と高誘電率化の二つのアプローチがある。

【０００４】ここで、ゲート絶縁膜の薄膜化に関して
は、Ｓｉ基板の熱酸化を更に高精度に行なうことによっ
て達成しようとするための工夫が特に数多くなされてい
る。Ｓｉ基板の熱酸化によって二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）
絶縁膜を形成する方法は、酸化膜の形成が容易であるこ
と、この酸化膜が低い界面準位密度，高い耐電圧特性，
小さい電流リークなどというゲート絶縁膜としては非常
に優れた特性を有していること、酸化膜の形成プロセス
が素子の微細化，高集積化にも十分対応できることなど
の利点を有しているので、現在Ｓｉ基板上に形成される
ＣＭＯＳトランジスタにおいては、熱酸化法以外にゲー
ト絶縁膜の製造方法として実用化されている方法はない
といっても過言ではない。従って、今後のゲート絶縁膜
の高性能化についても、このＳｉＯ₂ 膜をいかに薄膜化
するかについて検討しているものが多い。例えば、今後
のＳｉ系トランジスタ開発の将来展望を調査した「THE
NATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS (TH
E SEMICONDUCTOR INDUSTRYASSOSIATION in the U.S.A.)
74頁 Table 22 」（第１の文献）に開示されているよ
うに、西暦１９９７年に４〜５ｎｍであったゲート絶縁
膜の厚みが、２００１年には２〜３ｎｍになると予想さ
れている。そして、ＳｉＯ₂ 膜の薄膜化の要望に応える
ための検討として、例えば熱酸化の方法に急熱急冷の短
時間酸化を用いたものに関する「信学技報(THECNICAL R
EPORT OF IEICE.) ED98-9, SDM98-9 (1998-04) 15 頁」
（第２の文献）に開示されている方法がある。この文献
中の方法によると、形成されたＳｉＯ₂ 膜の膜厚は１．
５ｎｍである。

【０００５】また、ゲート絶縁膜を形成する材料を高誘
電率化する方法の例として、「APPLIED PHYSICS LETTER
S 72, 2835 (1998) 」（第３の文献）に開示されている
方法がある。この文献の方法では、ゲート絶縁膜として
ＳｉＯ₂ 単層膜のみを用いるのでは無く、ＳｉＯ₂ ／Ｔ
ａ₂ Ｏ₅ ／ＳｉＯ₂ の積層膜（３層膜）を用いている。
このように積層された状態でＴａ₂ Ｏ₅ の比誘電率が２
０〜２５と大きいことを利用して単位面積当たりの蓄積
電荷量を高めつつ、高誘電率材料の絶縁膜をＳｉ基板に
接触させると両者間の界面に高い密度で界面準位が導入
されるのを回避すべく、Ｓｉの直接熱酸化によって形成
された極薄のＳｉＯ₂ 層を両者の間に介在させているの
である。

【０００６】また、以上とは別な要請から、ＳｉＯ₂ 以
外の材料によりゲート絶縁膜を構成しようとする試みも
ある。例えば「特願平１−６４７８９」（第４の文献）
に開示されている方法では、Ｘ線露光などで高エネルギ
ー放射線が照射された時のゲート絶縁膜の耐性を高める
ために、ＳｉＯ₂ に代えてイットリア安定化立方晶ジル
コニア（以下、ＹＳＺと略記する）によりゲート絶縁膜
を構成している。ＳｉＯ₂ やＴａ₂ Ｏ₅ が一般的にはア
モルファス状態であるのに対して、ここで用いられてい
るＹＳＺは結晶性を有する。

【０００７】さらに別な要請から、ＳｉＯ₂ 以外の材料
によりゲート絶縁膜を構成しようとする試みがある。例
えば「JAPAN JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 35, 4987,
(1996)」（第５の文献）に開示されている方法では、電
界効果型トランジスタのゲート絶縁膜として、強誘電性
を持つ薄膜を用いてメモリー効果のあるトランジスタを
実現することのための検討を行なっている。ここでは、
特に強誘電性を持つＰｂＺｒ_1-x Ｔｉ_x Ｏ₃ （ＰＺＴ）
の薄膜をゲート絶縁膜として用いている。しかしなが
ら、このＰＺＴ膜は直接Ｓｉ基板上に形成することが困
難であるので、ＰＺＴ膜とＳｉ基板との間にＣｅＯ₂ な
どの他の材料からなる絶縁膜を介在させている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記各
文献におけるＳｉＯ₂ 膜の薄膜化や新たなゲート絶縁膜
材料の開発には、以下に示すような幾つかの問題点があ
る。

【０００９】第１の文献においては、２００６年にゲー
ト膜厚１．５〜２ｎｍが達成されると予想されている
が、それ以降、ＳＩＯ₂ 膜の厚みを１．５ｎｍよりも薄
くすることが実現可能であるとは考えられておらず、ま
た、それ以外の解決策も考えられていない。すなわち、
ＳｉＯ₂ 膜を１．５ｎｍ以下に薄膜化した状態でデバイ
スのゲート絶縁膜として用いることは不可能であると考
えられている。１．５ｎｍより薄い膜厚を有するＳｉＯ
₂ 膜においては、膜中を直接トンネル電流が流れてしま
うためと考えられている。このような直接トンネル電流
の発生はＤＲＡＭのメモリセルトランジスタにおいて特
に重大な問題となる。よって、直接トンネル電流が発生
しない膜厚で、所望の電荷を確保するためには、より高
い誘電率を持ち、かつ諸特性（界面準位の密度が小さい
ことなど）がＳｉＯ₂ 膜並みである新規なゲート絶縁膜
材料が要望されている。

【００１０】第２の文献においては、１．５ｎｍの極め
て薄いＳｉＯ₂ 膜が形成されており、破壊耐圧、リーク
特性、高周波特性などの特性は良好であることが報告さ
れているが、一方、信頼性に関して重大な欠点が存在す
る。すなわち、極薄のＳｉＯ ₂ 膜をゲート絶縁膜として
用いた場合、ゲート電極からの不純物（ボロンなど）の
突き抜けの発生が顕著になるのである。例えば第２の文
献中には、ＰＭＯＳＦＥＴにおいて多結晶シリコンから
なるゲート電極をゲート絶縁膜上に設けた場合、ドーパ
ントとして用いているボロン（Ｂ）がゲート電極中から
ＳｉＯ₂ 膜を通ってＳｉ基板中へと突き抜けてしまう様
子が報告されている。

【００１１】第３の文献においては、耐圧向上を得るた
めに導入した３層膜の構造により、ＳｉＯ₂ 換算厚みを
２．３ｎｍにしうることが報告されているが、その界面
準位密度は、２．３ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ₂ 膜の３
倍もある。

【００１２】第４の文献においては、ＹＳＺからなるゲ
ート絶縁膜を形成しているが、ＹＳＺは自動車エンジン
の酸素センサーに用いられるほど、分子やイオンを通し
やすい性質を有しているので、イオン伝導などの寄与に
よってゲート電極とチャネルの間でリーク電流が発生し
やすい。すなわち、高い耐圧や信頼性を有するゲート絶
縁膜を得ることが難しい。

【００１３】第５の文献においては、強誘電体膜である
ＰＺＴ膜を形成する前に、ＣｅＯ₂膜からなるバッファ
層を形成する必要がある。ＰＺＴ以外の強誘電体材料に
おいても、Ｂｉ，Ｐｂ，Ｔａ，Ｓｒ，Ｂａなどの重金属
を含むものが多いので、これらの金属がＳｉ基板中へ拡
散してチャネルの電気特性に悪影響を与えるおそれが大
きい。同文献におけるSECONDARY ION MASS SPECTROMETR
Y （ＳＩＭＳ）測定の結果でも、ＰｂがＳｉ基板中まで
拡散していることが報告されている。加えて、これらの
強誘電体材料が複合材料の酸化物であることから、強誘
電体膜とＳｉ基板との界面にＳｉＯ₂ 領域が形成される
可能性が大きい。両者間の界面にＳｉＯ ₂ 領域が形成さ
れると、ＭＯＳトランジスタ構造におけるゲート電極に
印加される電圧の大部分が誘電率の低いＳｉＯ₂ 領域に
印加されることが多く、強誘電体膜自体にかかる実効電
圧が低くなって、効率よくスイッチングが行われないな
どの問題もある。

【００１４】本発明の目的は、上述のようなすでに報告
されているゲート絶縁膜材料とは異なる優れた特性を発
揮しうる材料をゲート絶縁膜材料として用いることによ
り、素子の微細化，高集積化の進展に十分対応しうる膜
の製造方法及びこれを用いた半導体素子を提供すること
にある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の積層体は、結晶
層を有する基板と、上記結晶層の主面の上にエピタキシ
ャル成長され、上記結晶層の方位に倣った方位で上記結
晶層とは格子非整合な結晶格子を有し上記結晶層よりも
原子同士の結合力が大きい結晶性化合物膜とを備えてい
る。

【００１６】これにより、結晶性化合物膜と下地の結晶
層との間で結晶格子の位置が正確に一致している必要が
ないことから、結晶性化合物膜中には下地の結晶層との
格子整合に起因する歪みが生じない。したがって、歪み
に起因する界面準位などの少ない窒化物膜などの結晶性
化合物膜が得られる。したがって、例えば窒化物膜をゲ
ート絶縁膜として用いた特性の優れたＭＩＳ型トランジ
スタや、窒化物膜上にさらに結晶性の強誘電体膜を設け
たＭＦＩＳ型トランジスタや、窒化物膜を容量絶縁膜と
するキャパシタなど、積層体を各種デバイスに応用する
ことが可能となる。

【００１７】上記結晶性化合物膜がIII 族元素の窒化物
膜である場合に、III 族元素の窒化物膜は特に結晶化し
やすく原子同士の結合力が大きいことから、格子非整合
な結晶膜が容易に得られる。

【００１８】上記結晶層がＳｉ結晶層であり、上記Ｓｉ
結晶層の主面が（１１１）面である場合に、特に、結晶
層上に格子非整合な状態で窒化物膜などの結晶性化合物
膜を設けることが容易となる。

【００１９】その場合、上記結晶性化合物膜がＡｌＮ膜
である場合に、下地の結晶層の方位についての情報を維
持しつつ格子非整合な状態が確実に得られる。

【００２０】本発明の第１の積層体の製造方法は、基板
の結晶層の主面の上に、III 族元素の原子層及びＮ原子
層のうちいずれか一方の原子層を形成する工程（ａ）
と、上記一方の原子層の上に、III 族元素の原子層及び
Ｎ原子層のうちの他方の原子層を形成する工程（ｂ）と
を交互に繰り返すことにより、結晶性のIII 族元素の窒
化物膜を上記結晶層の上にエピタキシャル成長させる方
法である。

【００２１】この方法により、下地の結晶層の情報を受
け継いだ結晶性の窒化物膜が形成され、高い結晶性によ
る高い比誘電率などの優れた特性を発揮できると共に、
この結晶性の窒化物膜の上に、他の結晶性の膜を形成す
ることが可能になるので、優れた特性を有する各種デバ
イスのプロセスに組み入れることができる。

【００２２】上記工程（ａ）では、Ｎ原子層を形成し、
上記工程（ｂ）では、III 族元素の原子層を形成するこ
とにより、上記基板の主面の結晶格子とは非整合な結晶
格子位置に結晶性のIII 族元素の窒化物膜を上記結晶層
の上にエピタキシャル成長させることにより、Ｎ原子が
結晶層の主面に付着したときのサーファクタント効果を
利用して、下地の結晶層の方位に関する情報を受け継ぎ
つつ、格子は下地の結晶層の格子とは整合していない結
晶性の窒化物膜が形成される。

【００２３】上記結晶層は，Ｓｉ結晶層であり、上記Ｓ
ｉ結晶層の主面は（１１１）面である場合に、もっとも
大きいサーファクタント効果が得られる。

【００２４】上記工程（ｂ）では、Ａｌ原子層を形成す
ることにより、上記窒化物膜としてＡｌＮ膜が形成さ
れ、ＡｌＮ膜が容易に結晶体を形成すると共に高い比誘
電率を有することを利用して、上述の作用効果を顕著に
発揮することができる。

【００２５】上記Ｎ原子層の堆積は、窒素ガスをプラズ
マ化してなるラジカル窒素を上記結晶層の主面上に供給
する分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）により行なわれる
ことにより、活性化されたラジカル窒素が下地の結晶層
の主面に付着したときに、高いサーファクタント効果が
発揮される。

【００２６】上記窒素ガスのプラズマ化を、プラズマセ
ルを用いて行なうことにより、プラズマ化されたラジカ
ル窒素の供給の制御を容易かつ正確に行なうことができ
る。

【００２７】本発明の第２の積層体の製造方法は、基板
のＳｉ結晶層の主面を窒素，水素，硫黄及びマグネシウ
ムのうちいずれか１つを含む雰囲気中に曝し、Ｓｉ結晶
層の主面上のダングリングボンドを終端させる工程
（ａ）と、上記Ｓｉ結晶層の上に、結晶性のＡｌＮ層を
形成する工程（ｂ）とを備えている。

【００２８】この方法により、下地となるＳｉ結晶層の
表面におけるダングリングボンドが終端された状態でＡ
ｌＮ層が形成されるので、界面準位密度の小さい劣化特
性などの優れたＡｌＮ膜が得られる。

【００２９】上記工程（ｂ）の前に、上記Ｓｉ結晶層の
表面部を窒化して窒化珪素層を形成する工程をさらに備
え、上記工程（ｂ）では、上記窒化珪素層の上に結晶性
のＡｌＮ層を形成することにより、Ｓｉ結晶層の表面に
おけるダングリングボンドをより確実に終端させること
ができる。

【００３０】上記工程（ｂ）では、上記ＡｌＮ膜に酸
素，水素及び硫黄のうち少なくともいずれか１つを添加
することにより、上記ＡｌＮ層内における上記Ｓｉ結晶
層との格子不整合に起因する歪みを緩和することが好ま
しい。

【００３１】本発明の半導体素子は、半導体層を有する
基板と、上記半導体層の上に設けられ、ＡｌＮ層を有す
る絶縁膜と、上記絶縁膜の上に設けられた導体からなる
電極とを備えている。

【００３２】これにより、熱酸化法により形成されたシ
リコン酸化膜よりも誘電率の高いＡｌＮ層を有する絶縁
膜全体の単位面積当たりの容量値が高くなる。また、結
晶性を有する緻密なＡｌＮ層内には、欠陥や界面準位が
ほとんどないので、シリコン酸化膜と同等の良好な信頼
性を発揮することができる。そして、この絶縁膜を電界
効果トランジスタのゲート絶縁膜や、ＭＩＳキャパシタ
の容量絶縁膜として用いることが可能となる。

【００３３】上記ＡｌＮ層が、上記半導体層の上にエピ
タキシャルに成長された単結晶層であることが好まし
い。

【００３４】上記半導体層がＳｉ結晶層であり、上記半
導体層の主面位が（１１１）面である場合には、上記Ａ
ｌＮ層が稠密六方晶となり、その主面が（０００１）面
となる。

【００３５】上記半導体層がＳｉ結晶層であり、上記半
導体層の主面位が（１００）面である場合には、上記Ａ
ｌＮ層が立方晶となり、その主面が（１００）面とな
る。

【００３６】上記半導体層の表面におけるダングリング
ボンドがアルミニウム，窒素，水素，硫黄及びマグネシ
ウムのうちいずれか１つによって終端されていることに
より、上記ＡｌＮ層と半導体層との間の界面における界
面準位の密度を低減することができる。

【００３７】上記絶縁膜をゲート絶縁膜とし、かつ、上
記ＡｌＮ層と上記半導体層の間に介在する窒化珪素層を
さらに設けることにより、下地のＳｉ基板の結晶性をそ
のまま保持しつつ、窒化珪素層の存在によって半導体基
板の表面におけるダングリングボンドがさらに低減し、
半導体基板との界面における界面準位の密度が極めて小
さくなる。また、窒化珪素層により、ＡｌＮ層を通して
半導体基板側へ不純物が拡散するのを抑制することもで
きる。

【００３８】上記半導体素子において、上記絶縁膜をゲ
ート絶縁膜とし、かつ、上記ＡｌＮ層の上に形成されＡ
ｌＮよりも高い誘電率を有する誘電体材料及び強誘電性
を有する材料のうち少なくともいずれか１つにより構成
される誘電体層をさらに設けることにより、半導体素子
が電界効果トランジスタの構造を有している場合には、
例えばＭＦＩＳＦＥＴとして機能する半導体素子が得ら
れる。その場合、結晶性の高いＡｌＮ層の上に誘電体層
を設けることにより、結晶性の高い正方晶の誘電体層が
得られる。したがって、より誘電率の高い高誘電体膜
や、より残留分極保持特性のよい強誘電体膜が得られる
ことになる。

【００３９】上記半導体素子において、上記絶縁膜をゲ
ート絶縁膜とし、かつ、上記ＡｌＮ膜の上に形成された
ＡｌＮよりも高い誘電率を有する誘電体材料及び強誘電
性を有する材料のうち少なくともいずれか１つにより構
成される誘電体層をさらに設け、上記誘電体層の上側及
び下側のうち少なくともいずれか一方に結晶性を有する
導電性膜が設けられている場合には、例えばＭＦＭＩＳ
ＦＥＴとして機能する半導体素子が得られる。

【００４０】上記半導体素子において、上記ＡｌＮ層
に、酸素，水素，硫黄のうち少なくともいずれか１つを
含ませて、上記ＡｌＮ層内における上記半導体基板との
格子不整合に起因する歪みを緩和することにより、経時
劣化の少ない絶縁膜を有し信頼性の高い半導体素子が得
られる。

【００４１】上記半導体素子において、上記ＡｌＮ層の
半導体基板との格子不整合を拡大させて、上記ＡｌＮ層
の誘電率を高めることもできる。

【００４２】

【発明の実施の形態】−ＡｌＮの基本特性について− 本発明の実施形態について説明する前に、本発明におい
てゲート絶縁膜などの新たな材料として用いるＡｌＮ膜
の基本特性について説明する。

【００４３】図７は、Ｓｉに対するＡｌＮ及びＳｉＯ₂
のエネルギーバンドのバンド不連続値を比較するための
バンド図である。

【００４４】同図に示されるように、ＳｉＯ₂ のバンド
ギャップ（伝導帯−価電子帯のエネルギーレベルの差，
つまり禁止帯の幅）は約９ｅＶである。そして、ＳｉＯ
₂ の価電子帯端とＳｉの価電子帯端との間には約−４．
７ｅＶのバンド不連続が存在する。また、ＳｉＯ₂ の伝
導帯端とＳｉの伝導帯端との間には約３．２ｅＶのバン
ド不連続が存在する。一方、ＡｌＮのバンドギャップは
約６．４ｅＶである。そして、ＡｌＮの価電子帯端とＳ
ｉの価電子帯端との間には約−３．０ｅＶのバンド不連
続が存在する。また、ＡｌＮの伝導帯端とＳｉの伝導帯
端との間には約２．１ｅＶのバンド不連続が存在する。
すなわち、ＡｌＮとＳｉとの間のバンド不連続値は、Ｓ
ｉＯ₂ とＳｉとの間のバンド不連続値の６４％（価電子
帯側），６６％（伝導帯側）である。

【００４５】しかも、ＡｌＮ膜中には、キャリアを発生
する不純物や欠陥が極くわずかしか存在しないことこと
から、高い絶縁性を保持することができる。また、Ａｌ
ＮはＳｉとの界面におけるＳｉのダングリングボンドが
少ないことから、Ｓｉとの界面における界面準位密度も
極めて低い。

【００４６】これらのことは、Ｓｉとこれに対向する導
体部材との間にＡｌＮ膜を介在させることによって、Ａ
ｌＮ膜をゲート絶縁膜やその他の障壁層として十分利用
することができることを示している。

【００４７】また、Ｓｉ結晶はダイヤモンド構造を有
し、ＡｌＮ結晶は閃亜鉛鉱型の結晶構造に類似したウル
ツ鉱型の結晶構造を有している。立方晶の一種である閃
亜鉛鉱型の結晶構造はダイヤモンド型構造における同一
種の原子を１つ置きに異種原子に置き換えた構造である
ので、ダイヤモンド型結晶体の上に閃亜鉛鉱型結晶体を
エピタキシャル成長させるのは容易である。一方、六方
晶の一種であるウルツ鉱型結晶体をダイヤモンド型結晶
体の上にエピタキシャル成長させるのは一般的には困難
である。しかし、ウルツ鉱型結晶構造と閃亜鉛型結晶構
造とは、（１１１）面においては原子の配置位置が同じ
である。すなわち、主面が（１１１）面であるＳｉ基板
（以下、（１１１）Ｓｉ基板という）上には、Ｓｉ基板
上に六方晶のウルツ鉱型のＡｌＮ層がエピタキシャル成
長する。このことは従来より知られている。

【００４８】−格子整合型ＡｌＮ層の形成− ここで、発明者は、第１に、ＡｌＮ結晶体が十分薄い場
合には、主面が（１００）面であるＳｉ基板（以下、
（１００）Ｓｉ基板という）上に、立方晶の閃亜鉛鉱型
の結晶構造を有する（１００）ＡｌＮ層が形成されるこ
とに着目した。ＡｌＮ層は、本来のウルツ鉱型結晶体で
ある場合にはもちろんのこと、閃亜鉛型結晶体である場
合にも高い結晶性を有する。

【００４９】そして、ＡｌＮを成長させるときの条件
や、Ｓｉ基板の面方位を適切に選ぶことにより、単結晶
シリコン層の上に結晶性の高いＡｌＮ膜をエピタキシャ
ル成長させることができる。

【００５０】一方、ＡｌＮの比誘電率は９であり、熱酸
化により形成されたＳｉＯ₂ の比誘電率３．９に比べて
大幅に大きい。そのために、ＡｌＮをゲート絶縁膜など
の材料として用いることにより、単位面積当たりの容量
値を大幅に向上させることができ、また、同じ容量値を
得るためにＳｉＯ₂ 膜ほど薄膜化する必要がない。つま
り、キャリアの直接トンネルリークを抑制しつつ、蓄積
電荷量の向上を図ることが可能であるので、半導体素子
の微細化，高集積化の進展にも十分対応することができ
る。

【００５１】なお、Ｓｉ基板上へのIII 族窒化物結晶薄
膜の形成に関しては、第６の文献“T. Lei and T. D. M
oustakas J. Appl. Phys. 71, 4934 (1992) ”、および
第７の文献“A. Watanabe, T. Takeuchi, K. Hirosawa,
H. Amano, K. Hiramatsu and I. Akasaki, J. Crystal
Growth, 128, 391, (1993)”がある。

【００５２】しかし、いずれの文献においても、ＡｌＮ
膜をＧａＮ膜を形成する前のバッファ層として用いるも
のであり、ゲート絶縁膜などの素子の要素として用いる
ための工夫はみられない。

【００５３】−格子非整合型ＡｌＮ層の形成− 発明者は、第２に、ある条件下においては、Ｓｉ基板の
上に格子が非整合な状態でＡｌＮ単結晶などの窒化物の
膜がエピタキシャル成長することを見いだした。このと
きのエピタキシャル成長のメカニズムはまだ十分解明さ
れているわけではないが、いわゆる表面活性剤（サーフ
ァクタント）効果が関与しているものと考えられる。サ
ーファクタント効果とは、例えば第８の文献“日本物理
学会誌Vol.53(1998) p.244-250”に記載されているよう
に、下地結晶層に付着したサーファクタント原子によ
り、下地結晶層とエピタキシャル成長層との間の界面エ
ネルギーが低減される現象をいう。同文献に記載されて
いるように、一般に、薄膜の成長様式は、下記の３通り
に分類される。

【００５４】ａ．下地上に層状に成長するFrank-van de
r Merwe 成長（Ｆ−Ｍ成長） これは、エピタキシャル成長する物質が下地結晶層の上
に１層ずつ順に成長する様式であり、結晶性化合物膜の
成長に好ましい様式といえる。

【００５５】ｂ．下地上に第１層目から島状に成長する
Volmer-Weber成長（Ｖ−Ｗ成長） これは、エピタキシャル成長する物質が成長の初期から
下地層の上に３次元的に、つまり、島状に成長する様式
である。

【００５６】ｃ．下地上に当初は層状に成長した後島状
に成長するStranski-Krastanov成長（Ｓ−Ｋ成長） これは、成長の初期には、エピタキシャル成長する物質
が下地上に１層毎に成長するが、ある膜厚を越えたとこ
ろから３次元の成長が始まる様式である。

【００５７】ここで、下地結晶層，エピタキシャル成長
する物質の単位面積あたりの表面エネルギーをそれぞれ
σ_s ，σ_g とし、両者間の単位面積あたりの界面エネル
ギーをσ_inとすると、一般的には、下記関係式（１）又
は（２） σ_s ＜σ_in＋σ_g 島状成長 （１） σ_s ＞σ_in＋σ_g 層状成長 （２） のうちいずれか一方が成り立っている。

【００５８】ここで、サーファクタントは、関係式
（１）が成り立っている下地結晶層−エピタキシャル成
長層とがある場合に、両者間の界面エネルギーσ_inを低
減することにより、関係式（２）が成り立つようにし
て、成長様式を島状成長から層状成長へと変化させるよ
うに作用する。

【００５９】また、成長初期に層状成長するような場合
には、さらに２種類の成長様式に分けられる。１つは、
エピタキシャル成長層と下地結晶層との相互作用が小さ
く、エピタキシャル成長層が下地結晶層表面の原子配列
の影響をほとんど受けずにエピタキシャル成長層自身の
格子定数をもって（つまり格子非整合に）成長する場合
である。この場合には、層厚に関係なく歪みのない状態
で層状成長を続けるはずである。もう１つは、エピタキ
シャル成長層と下地結晶層との相互作用が大きく、エピ
タキシャル成長層が下地結晶層表面の格子に整合して成
長する場合である。この場合には、エピタキシャル層の
成長につれて歪みが蓄積されるので、ある膜厚以上にな
ると、島状成長に変化することになる。

【００６０】同文献には、Ｓｉ基板上に、サーファクタ
ントとしてＡｕを付着させることにより、Ｓｉ基板上に
Ｇｅ膜を成長させる場合の臨界膜厚（格子整合による歪
みが転移の発生によって緩和されるときの膜厚）を増大
させる効果を得たことが開示されている。また、第９の
文献“個体物理 Vol.29 No.6 (1994) p.559-564”に
は、Ｓｉ／Ｇｅ／Ｓｉのヘテロエピタキシャル成長にお
いて、Ｓｂをサーファクタントとして用いることが開示
されている。

【００６１】ここで、本発明者は、Ｓｉ基板上にＡｌＮ
層を成長させる場合に、ＡｌＮ層の構成元素である窒素
原子Ｎがサーファクタントして機能することを見いだ
し、サーファクタント効果に加えて、ある条件を与える
ことにより、下地の結晶層とはほぼ完全に格子非整合な
状態で結晶性化合物膜をエピタキシャル成長させうるこ
とを実証した。そして、これを利用して、後述する実施
形態に記載するように、格子整合による歪みのない誘電
体膜や半導体膜を設けうることを見いだした。

【００６２】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態においては、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置を使っ
た分子線エピタキシ法による基本的なＡｌＮ膜の製造方
法について説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は、第１の実
施形態におけるＡｌＮ膜の形成手順を示す断面図であ
る。

【００６３】なお、Ｓｉ基板へのＡｌＮ絶縁膜の形成
は、後述するように、ＭＢＥ装置以外の装置を用いても
可能である。

【００６４】まず、図１（ａ）に示す工程において、素
子を作製するためのＳｉ基板１の洗浄を行なった後、Ｓ
ｉ基板１を弗化水素（ＨＦ）や弗化アンモニウム（ＮＨ
₄ Ｆ）を含む液に浸漬し、水洗，乾燥してから直ちに結
晶成長のためのＭＢＥ装置内に導入する。この時、Ｓｉ
基板表面は水素（Ｈ）原子や極薄のＳｉＯ₂ アモルファ
ス層で被覆されている。Ｓｉ基板１の主面は（１００）
面であることが望ましいが、（１１１）面や他の高次の
面、あるいはそれらを数度オフさせた面であってもよ
い。ＭＢＥ装置内においては、１００〜４００℃の範囲
までＳｉ基板１を昇温することにより、Ｓｉ基板１の表
面に残る水分や吸着ガスを除去する。

【００６５】その後、さらにＳｉ基板１を昇温して８０
０〜９００℃の範囲の温度に保持する。この時、Ｓｉ基
板１の表面を被覆していたＨ原子や薄いＳｉＯ₂ アモル
ファス層が脱離し、図１（ａ）に示すごとくダングリン
グボンド２が残される。

【００６６】そして、図１（ｄ）に示す工程において、
ＭＢＥ成長法により、Ａｌ原子層を形成するための原料
と、Ｎ原子層を形成するための原料とを交互に供給し
て、Ａｌ原子層とＮ原子層とを１原子層ずつ交互に積層
していくことにより、数１０層のＡｌＮ結晶層７が形成
される。

【００６７】ここで、図１（ａ）から図１（ｄ）に移行
する過程において、Ｓｉ基板１とＡｌＮ結晶層７とが結
合している界面領域の原子の種類によって２通りの構造
が形成される可能性がある。

【００６８】上述のように、ＡｌＮ結晶層７の（１０
０）面および（１１１）面においては、いずれもＡｌ原
子３だけで構成される面と、Ｎ原子４だけで構成される
面とが交互に現れる。したがって、図１（ｂ）に示すよ
うに、ＡｌＮ結晶層７内に、Ｓｉ基板１の表面のＳｉ原
子とＡｌ原子３とが互いに結合している界面領域５ａが
形成される場合と、図１（ｃ）に示すように、ＡｌＮ結
晶層７内に、Ｓｉ基板１の表面のＳｉ原子とＮ原子４と
が互いに結合している界面領域５ｂが形成される場合と
がある。図１（ｂ）に示す状態と図（ｂ）に示す状態と
のうちいずれが発生するかは、ＭＢＥ成長においてＡｌ
原子層形成用原料を先に供給するか、Ｎ原子層形成用原
料を先に供給するかによって定まる。

【００６９】ＡｌＮ結晶層７の特性は、ＡｌＮ結晶層７
が図１（ｂ）に示す界面領域５ａを有する場合と図１
（ｃ）に示す界面領域５ｂを有する場合とで全く等価で
はないが、いずれの場合であってもＡｌＮ結晶層７が結
晶性のよい構造を有している点では一致している。

【００７０】ただし、Ｓｉ基板１内にｐ型不純物として
機能するＡｌ原子が侵入することは好ましくないので、
図１（ｃ）に示す状態のほうが好ましい場合が多い。つ
まり、Ｎ原子層を形成するための原料ガスを先に供給す
るほうが好ましい場合が多いといえる。

【００７１】（第２の実施形態）第２の実施形態におい
ては、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置を使った分子線
エピタキシ法による基本的なＡｌＮ膜の形成方法の別例
について説明する。図２（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態
におけるＡｌＮ膜の形成工程を示す断面図である。

【００７２】まず、第１の実施形態における最初の処理
と同様に、素子を作製するためのＳｉ基板１の洗浄を行
なった後、Ｓｉ基板１を弗化水素（ＨＦ）や弗化アンモ
ニウム（ＮＨ₄ Ｆ）を含む液に浸漬し、水洗，乾燥して
から直ちに結晶成長のためのＭＢＥ装置内に導入する。
この時、Ｓｉ基板表面は水素（Ｈ）原子や極薄のＳｉＯ
₂ アモルファス層で被覆されている。Ｓｉ基板１の主面
は（１００）面であることが望ましいが、（１１１）面
や他の高次の面、あるいはそれらを数度オフさせた面で
あってもよい。ＭＢＥ装置内においては、１００〜４０
０℃の範囲までＳｉ基板１を昇温することにより、Ｓｉ
基板１の表面に残る水分や吸着ガスを除去する。

【００７３】ここで、第１の実施形態においては、その
後、さらにＳｉ基板１を昇温して８００〜９００℃の範
囲の温度に保持することにより、Ｓｉ基板の上にダング
リングボンドを残してその上にＡｌＮ結晶層を形成した
が、本実施形態においては、Ｓｉ基板１の表面に終端原
子を残してその上にＡｌＮ結晶層を形成する。

【００７４】図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の表
面が水素原子１０によって覆われている場合には、その
後の基板温度の昇温を５００℃付近までにとどめる。

【００７５】そして、図２（ｄ）に示すように、水素原
子１０をそのまま残して、これをダングリングボンドの
終端原子１２として保持する。

【００７６】一方、Ｓｉ基板１の表面がＳｉＯ₂ アモル
ファス層や他の化学種や薄膜によって覆われている場合
には、Ｓｉ基板１をさらに８００〜９００℃の範囲の温
度に保持する。この時、表面を被覆していた他の化学種
や薄いＳｉＯ₂ アモルファス層がＳｉ基板１の表面から
脱離する。すると、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板
１の表面上にダングリングボンド２が残される。そこ
で、図２（ｃ）に示すように、終端用化学種１１をＳｉ
基板１上のダングリングボンド２に供給する。

【００７７】その結果、図２（ｄ）に示すように、この
化学種１１を終端原子１２として残して、ダングリング
ボンド２を終端させる。このときに用いる終端用化学種
１１としては、水素（Ｈ），Ｍｇ，硫黄（Ｓ），窒素
（Ｎ），アルミニウム（Ａｌ）などのうちのいずれか１
つが選ばれる。

【００７８】以上のように、いずれにしても、Ｓｉ基板
１の表面上のダングリングボンドを終端原子１２によっ
て終端させてから、ＡｌＮのエピタキシャル成長処理を
行なう。

【００７９】そして、図２（ｇ）に示す工程において、
ＡｌＮ結晶層７が形成される。ここで、図２（ｄ）から
図２（ｇ）に移行する過程において、第１の実施形態に
おいて説明したように、ＭＢＥ成長を行なう際に最初に
供給する原料ガスの種類のよってＡｌＮ結晶層７の界面
領域の最下端の原子がＡｌかＮかが定まるのであるが、
Ｓｉ基板１の表面上の終端原子１２の種類によって、最
下端にＡｌ原子３が付着しやすいかＮ原子４が付着しや
すいかが変わることがある。

【００８０】そして、ＡｌＮ結晶層７の（１００）面お
よび（１１１）面においては、いずれもＡｌ原子３だけ
で構成される面と、Ｎ原子４だけで構成される面とが交
互に現れる。したがって、図２（ｅ）に示すように、Ａ
ｌＮ結晶層７内に、Ｓｉ基板１の表面の終端原子１２と
Ａｌ原子３とが互いに結合している界面領域５ａが形成
される場合と、図２（ｆ）に示すように、ＡｌＮ結晶層
７内に、Ｓｉ基板１の表面の終端原子１２とＮ原子４と
が互いに結合している界面領域５ｂが形成される場合と
がある。ＡｌＮ結晶層７の特性は、ＡｌＮ結晶層７が図
２（ｅ）に示す界面領域５ａを有する場合と図２（ｆ）
に示す界面領域５ｂを有する場合とで全く等価ではない
が、いずれの場合であっても、ＡｌＮ結晶層７が結晶性
のよい構造を有している。

【００８１】ただし、本実施形態においても、Ｓｉ基板
１内にｐ型不純物として機能するＡｌ原子が侵入するこ
とは好ましくないので、図２（ｆ）に示す状態のほうが
好ましい場合が多い。つまり、Ｎ原子層を形成するため
の原料を先に供給するほうが好ましい場合が多いといえ
る。

【００８２】本実施形態の方法によると、図２（ｄ）に
示す工程において、Ｓｉ基板１の表面におけるダングリ
ングボンドを終端原子１２によって終端させてから、Ａ
ｌＮ結晶の成長処理を行なうので、第１の実施形態の方
法に比べ、形成されたＡｌＮ結晶層７内における界面準
位の密度をより確実に低減できる効果がある。

【００８３】また、本実施形態においては、ＡｌＮ結晶
層５とＳｉ基板１との間に、終端原子１２からなる１原
子層が介在した状態となるので、終端原子１２を構成す
る化学種を適宜選択することによって、Ａｌ原子のＳｉ
基板１への侵入をより効果的に抑制することができる利
点がある。

【００８４】（第３の実施形態）第３の実施形態におい
ては、例えばＭＦＩＳＦＥＴなどとして機能する３端子
もしくは４端子型電界効果型トランジスタのゲート絶縁
膜として、ＡｌＮ結晶層に別の結晶層を積層したものを
用いる際の積層膜の形成方法について説明する。図３
（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態におけるＡｌＮ膜及
び誘電体薄膜の積層膜を形成する工程を示す断面図であ
る。

【００８５】まず、図３（ａ），（ｂ）に示す工程にお
いては、上述の第１又は第２の実施形態の形成工程を利
用して、Ｓｉ基板１の上にＡｌＮ結晶層７を形成する。

【００８６】その後、図３（ｃ）に示す工程おいて、Ａ
ｌＮ結晶層７の上に、結晶性を有する誘電体薄膜８を形
成する。この誘電体薄膜８を構成する誘電体材料として
は、少なくともその比誘電率（εr ）が直接酸化のＳｉ
Ｏ₂ 膜の比誘電率３．９よりも大きな値を持つものを用
いることが望ましい。さらに、この誘電体薄膜８の上に
ゲート電極用ポリシリコン膜９を形成する。

【００８７】この誘電体薄膜８を構成する材料は、高い
結晶性を持つことが望ましいがアモルファスでも良い。
高い結晶性を有する誘電体薄膜８を形成したい場合に
は、（１１１）Ｓｉ基板上では六方晶（ウルツ鉱型構
造）の（０００１）面がＳｉ基板の（１１１）面と整合
するので、六方晶構造を有する誘電体材料を用いるほう
が好ましい。また、（１００）Ｓｉ基板上では立方晶
（閃亜鉛型構造）の（１００）面がＳｉ基板の（１０
０）面と整合するので、立方晶構造を有する誘電体材料
を用いるほうが好ましい。ただし、誘電体薄膜が極めて
薄い場合には、Ｓｉ基板１の結晶構造をそのままもつこ
とができるので、必ずしも以上の組み合わせに限定され
るものではない。

【００８８】また、誘電体薄膜８が結晶性を有する場合
には、その格子定数がＡｌＮ結晶層７の格子定数か、あ
るいはＳｉ基板１の格子定数に近いことが望ましい。具
体的に、誘電体薄膜８を構成する誘電体材料の例として
は、例えばＳｉとの格子不整合率が−０．３７％である
ＣｅＯ₂ や、Ｓｉとの格子不整合率が−５．４％である
ＺｒＯ₂ 、あるいはそれらの混晶などが考えられる。

【００８９】また、誘電体薄膜８を構成する誘電体材料
として、例えばＡｌＮとの格子不整合率が−４．５％で
あるＭｇＯなどを用いてもよい。

【００９０】以上のような材料によって誘電薄膜８を構
成することにより、ＡｌＮ結晶層７と誘電体薄膜８とを
併せた積層体全体の比誘電率εr をＳｉＯ₂ 膜の比誘電
率の２倍以上にすることができる。すなわち、ＡｌＮ結
晶層７と誘電体薄膜８とを併せた積層体全体をゲート絶
縁膜として用いることにより、単位面積当たりの容量値
の高いゲート絶縁膜を実現することができる。

【００９１】また、この誘電体薄膜８には、単に誘電率
が大きいだけでは無く、強誘電性を持った結晶性薄膜を
用いてもよい。その場合、強誘電体材料として、例えば
チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ），ＰＺＴ（ＰｂＺｒ
Ｏ₃ −ＰｂＴｉＯ₃ ），ＰＬＺＴ（Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，
Ｔｉを含む酸化物）などがある。この場合、結晶性の高
いＡｌＮ結晶層７の上に強誘電体材料を形成することに
よって、この強誘電性を持つ誘電体薄膜８の結晶性を、
アモルファス構造を有する薄膜上に誘電体薄膜８を形成
する場合に比べて格段に高くすることができる。その結
果、高い結晶性と強誘電性とを有する誘電体薄膜８の誘
電率を格段に高くすることができ、ＡｌＮ結晶層７と誘
電体薄膜８とからなる積層体全体の比誘電率（εr ）も
大幅に高くなる。

【００９２】その際、高い結晶性を有するＡｌＮ結晶層
７は、誘電率がＡｌＮよりも高い又は強誘電性を有する
誘電体薄膜８をＳｉ基板１上に積層する際のバッファ層
として機能する。

【００９３】そして、ＡｌＮ結晶層７は高い結晶性を有
しており緻密なので、重金属などを含む高誘電体材料又
は強誘電体材料からなる誘電体薄膜８からの不純物の拡
散を抑制することができるとともに、ＡｌＮ結晶層７自
体の誘電率が高いことからゲート電極に印加した電圧が
バッファ層であるＡｌＮ結晶層７にかかる割合をバッフ
ァ層としてＳｉＯ₂ 膜を用いた場合に比べて、１／２以
下に低減することができる。

【００９４】また、ＡｌＮ結晶層７が高い結晶性を有す
ることから、ＡｌＮ結晶層７の上に形成される誘電体薄
膜８も、ＡｌＮ結晶層７の結晶性を反映して高度に配向
あるいは結晶化するので、より高い誘電率を発揮し、あ
るいはより安定な残留分極保持特性を実現することがで
きる。

【００９５】（第４の実施形態）第４の実施形態におい
ては、ＭＦＭＩＳＦＥＴ等として機能する３端子もしく
は４端子型電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜とし
て、ＡｌＮ結晶の上下に別の結晶層を積層したものを用
いる際の積層膜の形成方法について説明する。図４
（ａ）〜（ｅ）は、第４の実施形態におけるＡｌＮ結晶
層，結晶性誘電体薄膜，導電性薄膜，強誘電体膜の積層
膜を形成する工程を示す断面図である。

【００９６】まず、図４（ａ），（ｂ）に示す工程にお
いては、上述の第１又は第２の実施形態の形成工程を利
用して、Ｓｉ基板１の上にＡｌＮ結晶層７を形成する。

【００９７】その後、図４（ｃ）に示す工程おいて、Ａ
ｌＮ結晶層７の上に、結晶性を有する第１の導電性薄膜
２１を形成する。結晶性を有する第１の導電性薄膜２１
を構成する材料としては例えばＣｏＳｉ₂ などが考えら
れる。

【００９８】その後、図４（ｄ）に示す工程において、
第１の導電性薄膜２１の上に高誘電性もしくは強誘電性
材料からなる結晶性誘電体薄膜２２を形成する。結晶性
誘電体薄膜２２を構成する材料としては、例えばチタン
酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ），ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ₃ −
ＰｂＴｉＯ₃ ），ＰＬＺＴ（Ｐｂ，Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉを
含む酸化物）などがある。

【００９９】次に、図４（ｅ）に示す工程において、結
晶性誘電体薄膜２２の上に第２の導電性薄膜２３を形成
する。結晶性を有する第２の導電性薄膜２３を構成する
材料としては例えばＣｏＳｉ₂ などが考えられる。

【０１００】ここで、第１の導電性薄膜２１および第２
の導電性薄膜２３は、結晶性誘電体薄膜２２の上下に設
けられているが、上方又は下方のうちいずれか一方のみ
に設けてもよい。

【０１０１】本実施形態の積層膜をパターニングして、
ゲート構造をソース・ドレイン領域とを形成することに
より、結晶性誘電体薄膜２２を不揮発性半導体記憶装置
の浮遊ゲート電極として機能させることが可能になる。
そして、結晶性誘電体薄膜２２に蓄積された電荷を、第
１の導電性薄膜２１あるいは第２の導電性薄膜２３ある
いはその両方との間で移動させることにより、データの
消去や書き込みを行なうことができる。

【０１０２】（第５の実施形態）第５の実施形態におい
ては、例えばＭＦＩＳＦＥＴなどとして機能する３端子
もしくは４端子型電界効果型トランジスタのゲート絶縁
膜として、ＡｌＮ結晶層に別の非結晶層を積層したもの
を用いる際の積層膜の形成方法について説明する。図５
（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態におけるＡｌＮ膜及
び非結晶層の積層膜を形成する工程を示す断面図であ
る。

【０１０３】まず、図５（ａ）に示す工程において、素
子を作製するためのＳｉ基板１の洗浄を行なった後、Ｓ
ｉ基板１を弗化水素（ＨＦ）や弗化アンモニウム（ＮＨ
₄ Ｆ）を含む液に浸漬し、水洗，乾燥してから直ちに窒
化と，ＭＢＥ成長を行なうための装置内に導入する。こ
の時、Ｓｉ基板表面は水素（Ｈ）原子や極薄のＳｉＯ ₂
アモルファス層で被覆されている。Ｓｉ基板１の主面は
（１００）面であることが望ましいが、（１１１）面や
他の高次の面、あるいはそれらを数度オフさせた面であ
ってもよい。装置内においては、１００〜４００℃の範
囲までＳｉ基板１を昇温することにより、Ｓｉ基板１の
表面に残る水分や吸着ガスを除去する。

【０１０４】その後、さらにＳｉ基板１を昇温して８０
０〜９００℃の範囲の温度に保持する。この時、Ｓｉ基
板１の表面を被覆していたＨ原子や薄いＳｉＯ₂ アモル
ファス層が脱離する。

【０１０５】そして、図５（ｂ）に示す工程において、
乾燥させたＮＨ₃ ガスあるいはＮ₂Ｏガス、あるいはラ
ジカル活性化した窒素ガスをＳｉ基板１上に供給し、Ｓ
ｉ基板１の表面のＳｉを窒化して、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの窒
化珪素化合物からなる非結晶性のシリコン窒化層２５を
形成する。その場合、清浄・平滑なＳｉ基板表面に高周
波セルやヘリコンプラズマセルによって発生された窒素
分子・原子励起種を照射するか、あるいは高い熱を与え
られて活性化したアンモニア、あるいはその派生分子・
イオンを照射することによって直接Ｓｉを窒化して得ら
れている。この層は１分子〜数分子層の極めて薄い層
で、アモルファス化せず、高い周期性を維持した層であ
ることが望ましい。

【０１０６】その後、図５（ｃ）に示す工程において、
ＭＢＥ成長法により、結晶性のＡｌＮ薄膜２６を積層す
る。この時、ＡｌＮ薄膜２６の下地となるシリコン窒化
層２５は非結晶性を有するが、その膜厚が非常に薄く、
かつ、新たな窒化膜をＣＶＤなどにより堆積するのでは
なくＳｉ基板１を窒化させて形成していることから、シ
リコン窒化層２５にはＳｉ基板１の結晶構造に関する規
則性が保持されている。そのため、シリコン窒化層２５
の上に形成されるＡｌＮ薄膜２６も、Ｓｉ基板１内の結
晶構造に倣ってほぼエピタキシャル成長といえる状態で
形成されることになり、高い結晶性を実現することが可
能である。

【０１０７】そして、シリコン窒化層２５が存在するこ
とにより、Ｓｉ基板１の表面のダングリングボンドが窒
素によって終端されることになり、界面準位の密度が極
めて小さくなる。すなわち、ＡｌＮ薄膜２６とシリコン
窒化層２５との積層膜を電界効果トランジスタのゲート
絶縁膜として用いることにより、高い誘電率と高い耐性
とを有するゲート絶縁膜が得られることになる。

【０１０８】（第６の実施形態）第６の実施形態におい
ては、ＡｌＮ膜とＳｉ基板との格子不整合に起因するＡ
ｌＮ膜中の歪みを緩和するための方法について説明す
る。本実施形態においては、上記第１〜第５の実施形態
における工程を応用して説明するので、工程を示す図は
省略する。

【０１０９】本実施形態においても、上記各実施形態に
おけると同様に、素子を作製するためのＳｉ基板の洗浄
を行なった後、Ｓｉ基板を弗化水素（ＨＦ）や弗化アン
モニウム（ＮＨ₄ Ｆ）を含む液に浸漬し、水洗，乾燥し
てから直ちに結晶成長のためのＭＢＥ装置内に導入す
る。この時、Ｓｉ基板表面は水素（Ｈ）原子や極薄のＳ
ｉＯ₂ アモルファス層で被覆されている。Ｓｉ基板の主
面は（１００）面であることが望ましいが、（１１１）
面や他の高次の面、あるいはそれらを数度オフさせた面
であってもよい。ＭＢＥ装置内においてＳｉ基板を昇温
することにより、Ｓｉ基板１の表面に残る水分や吸着ガ
スを除去する。その後、さらにＳｉ基板を昇温して、Ｓ
ｉ基板１の表面を被覆していたＨ原子や薄いＳｉＯ₂ ア
モルファス層を脱離させる。

【０１１０】その後、第１〜第５の実施形態において説
明したように、Ｓｉ基板上に直接あるいは薄い窒化膜を
介してＡｌＮ膜を形成する。その際、上記第１〜第５の
実施形態において説明したＭＢＥ成長において、酸素，
水素，硫黄などを不純物としてＡｌＮ結晶層７（又はＡ
ｌＮ薄膜２６）内に連続的に添加する。酸素あるいは水
素はＭＢＥ装置中に配設されているガスバルブ又はガス
セルから供給される。その際、それぞれの分子のまま供
給することも可能であり、高周波を印加したラジカル，
イオン又は原子の状態で活性化して供給することも可能
である。また、硫黄は一般的なＫ−セルを用いて供給す
ることも可能であり、バルブクラッキングセルなどを用
いてクラッキングされた状態で供給することも可能であ
る。

【０１１１】以上の添加元素は、単独又は２種以上が混
合されて添加される。また、これらの元素の添加量はド
ーパントレベルであって、１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０
²⁰ｃｍ^-3の範囲でよい。

【０１１２】以上の添加物を含むＡｌＮ層を、各種トラ
ンジスタのゲート絶縁膜として用いても、これらの添加
物は電気特性を悪化させる原因となる電流のリークには
寄与することがなく、ゲート絶縁膜の絶縁特性を悪化さ
せることはない。

【０１１３】そして、特に上述の不純物が１×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲でＡｌＮ層に添加するこ
とにより、Ｓｉ基板とは格子定数が異なるＡｌＮ層に生
じる格子不整合に起因する歪みを緩和することができ
る。その結果、ＡｌＮ層における転位などの結晶欠陥の
導入が抑制され、ＡｌＮ層の結晶性が向上する。このよ
うに歪みが緩和されているために、時間の経過によって
生じうる特性の劣化や、加熱過程を経ることによる劣化
の進行を抑制することができ、ＡｌＮ層をゲート絶縁膜
又はゲート絶縁膜の一部として構成される半導体素子の
信頼性を向上させることができる。

【０１１４】また、以上のＡｌＮ層の歪みを緩和する方
法とは逆に、Ｓｉ基板の主面を（１００）面から傾け
て、ＡｌＮ層内の歪みを増大させることにより、ＡｌＮ
層の誘電率を向上させることも可能である。

【０１１５】（第７の実施形態）本実施形態において
は、上記第１，第２，第３，第５の実施形態に示す方法
で形成されたＡｌＮ層（ＡｌＮ結晶層７又はＡｌＮ薄膜
２６）（又はＡｌＮ層と他の薄膜との積層膜）からなる
ゲート絶縁膜を有する半導体素子の１つである電界効果
トランジスタの構造について説明する。図６は、第７の
実施形態における電界効果トランジスタの断面図であ
る。

【０１１６】同図に示すように、Ｓｉ基板５１の上には
素子分離用絶縁膜であるＬＯＣＯＳ膜５２が形成されて
いる。そして、Ｓｉ基板５１のＬＯＣＯＳ膜５２によっ
て囲まれる活性領域上には、ＡｌＮ層のみ又はＡｌＮ層
と他の薄膜とからなるゲート絶縁膜５３と、低抵抗のポ
リシリコン層５４ａ及びシリサイド層４５ｂからなるゲ
ート電極５４と、ゲート電極５４の両側面上に形成され
たシリコン酸化膜からなる絶縁体サイドウォール５５と
が設けられている。また、Ｓｉ基板１内において、ゲー
ト絶縁膜５３の直下方に位置する領域（チャネル領域）
を挟む低濃度ソース・ドレイン領域（ＬＤＤ領域）５６
と、低濃度ソース・ドレイン領域５６の外側に形成され
た高濃度ソース・ドレイン領域５７とが設けられてい
る。この低濃度ソース・ドレイン領域５６及び高濃度ソ
ース・ドレイン領域５７中の不純物は、当該電界効果ト
ランジスタがｐチャネル型である場合にはｐ型不純物
（ボロンなど）であり、当該電界効果トランジスタがｎ
チャネル型である場合にはｎ形不純物（ヒ素，リンな
ど）である。

【０１１７】上述のように、３端子又は４端子電界効果
トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜を結晶性の高いＡ
ｌＮ層（又はＡｌＮ層と他の薄膜との積層膜）によって
構成することにより、ゲート絶縁膜の単位面積当たりの
容量値を熱酸化法によって形成されるＳｉＯ₂ 膜に比べ
て大幅に向上させることができる。したがって、ＡｌＮ
層を有するゲート絶縁膜の場合、同じ容量値を有する場
合にはＳｉＯ₂ 膜よりも膜厚を大きくすることができる
ので、ゲート絶縁膜におけるキャリアの直接トンネルに
よるリークがほとんど生じない。また、ＡｌＮが大きな
バンド不連続量を持つことと、ＡｌＮ層中にキャリアを
発生する不純物や欠陥が極わずかしか存在しないことか
ら高い絶縁性を保つことができる。

【０１１８】さらに、ＡｌＮとＳｉとの結晶構造の類似
性及び格子定数の近似性により、結晶性のＳｉ基板上に
は結晶性のＡｌＮ層が結晶成長されるので、Ｓｉ基板と
の界面領域におけるダングリングボンドの発生を抑制す
ることができ、界面準位の密度も直接酸化により形成さ
れたＳｉＯ₂ 膜と同等あるいはそれ以下に抑制すること
ができる。

【０１１９】（第１〜第７の実施形態の変形例）上記各
実施形態においては、ＡｌＮ層（ＡｌＮ結晶層７又はＡ
ｌＮ薄膜２６）をＭＢＥ法により形成したが、化学気化
堆積（Chemical Vaporization Deposition：ＣＶＤ）
法、有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Ep
itaxy：ＭＯＶＰＥ）法、ハイドライド気相成長（Hydri
de Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）法、スパッタ法な
どによっても、結晶性を有するＡｌＮ層を形成すること
が可能である。

【０１２０】また、上記各実施形態においては、ＡｌＮ
層をＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜として用いた
が、ＡｌＮ層をＭＩＳキャパシタ又はＭＩＭキャパシタ
の容量絶縁膜として用いることも可能である。

【０１２１】さらに、Ｓｉ基板だけでなくＧａＡｓ基板
上に高い結晶性を有するＡｌＮ層を成長させることが可
能である。

【０１２２】（第８の実施形態）本実施形態において
は、Ｓｉ基板の上に、窒素原子Ｎをサーファクタントと
して用いることにより、格子非整合な状態でＡｌＮ結晶
層をエピタキシャル成長させた例について説明する。

【０１２３】図８は、本実施形態において用いたＭＢＥ
装置６０の構成を概略的に示す断面図である。同図に示
すように、ＭＢＥ装置６０は、真空容器６１と、真空容
器６１内を真空状態に維持するための真空ポンプ６２
と、真空容器６１の一部に取り付けられたプラズマ化セ
ル６４及びＫ−セル６５と、それぞれプラズマ化セル６
４，Ｋ−セル６５からのエピタキシャル物質の放出を制
御するためのシャッター６６，６７とを備えている。上
記プラズマ化セル６５は、窒素をプラズマ化してなるラ
ジカル窒素を真空容器６１内に放出するように構成され
ており、上記Ｋ−セル６５は、Ａｌ原子を真空容器６１
内に放出するように構成されている。そして、このＭＢ
Ｅ装置６０は、真空容器６３内に配置された被加工物で
ある基板６３の上に、プラズマ化セル６４，Ｋ−セル６
５（クヌードセンセル）から放出されたラジカル窒素と
Ａｌ原子とを１層ずつ交互に成長させることにより、Ａ
ｌＮ結晶層をエピタキシャル成長させるように構成され
ている。

【０１２４】図９は、上記プラズマ化セル６４の構成を
示す断面図である。同図に示すように、プラズマ化セル
６４は、機械的にセルを保持するためのケース７０と、
ケース７０内に配置されたＰＢＮ(Pyrolytic Boron Nit
ride）ルツボ７１と、ＰＢＮルツボ７１の周囲に巻き付
けられたコイル７２とを備えている。そして、ＰＢＮル
ツボ７１の先端にはラジカル化した窒素の供給のための
開口が設けられ、ＰＢＮルツボ７１の底部にはＮ₂ ガス
を供給するためのガス導入管７３が開口している。ガス
導入管７３は、バルブ７４を介してＮ₂ ガス供給装置
（ボンベなど）に接続されている。なお、ガス導入管７
３には、Ｎ₂ ガスの流量制御のためのマスフローメータ
７５が取り付けられていることが多い。

【０１２５】このＭＢＥ装置６０は、ＰＢＮルツボ７１
の周囲に巻き付けられたコイル７２に高周波電力を印加
することにより、ＰＢＮルツボ７１内に導入されたＮ₂
ガスをプラズマ化して、ラジカル窒素を基板６３上に供
給するように構成されている。なお、Ｋ−セル６５にお
いては、Ａｌ材料が加熱されることにより、気化したＡ
ｌ原子が放出される。

【０１２６】図１０は、ＡｌＮ結晶層をエピタキシャル
成長させる際の，プラズマ化セル６４のシャッター６６
及びＫ−セル６５のシャッター６７の開閉のタイミング
を示す図である。まず、あるタイミングｔ１でプラズマ
化セル６４のシャッター６６を開いてラジカル窒素を放
出し、その後、タイミングｔ２でＫ−セル６５のシャッ
ター６７を開いてＡｌ原子を放出する。ここで、タイミ
ングｔ１とタイミングｔ２との時間差Δｔは約３ｍｉｎ
であり、この時間Δｔの間に、ラジカル窒素がＳｉ基板
面を覆って、その後の格子非整合な状態でのエピタキシ
ャル成長に対するサーファクタントとして機能すること
になる。そして、その後は、いずれのシャッター６６，
６７を開いて、ラジカル窒素とＡｌ原子とを連続的に放
出するが、基板上にはＮ層とＡｌ層とが１モノレイヤー
ずつ交互に形成され、ＡｌＮ結晶層がエピタキシャル成
長することになる。なお、シャッター６６，６７の開閉
を、それぞれＮ層，Ａｌ層が１モノレイヤーずつ形成さ
れる時間間隔で、交互にオンオフさせることにより、さ
らに正確にＮ層とＡｌ層とを交互に１層ずつ形成するこ
とができる。

【０１２７】図１１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態にお
けるＡｌＮ結晶層のエピタキシャル成長過程示す図であ
る。まず、図１１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１を超
高真空雰囲気中で加熱して、Ｓｉ基板１の主面を清浄化
すると、その表面にはダングリングボンド２が形成され
る。このとき、Ｓｉ基板１の主面は、Ｓｉのダイヤモン
ド構造の（１１１）面の単位胞の周期を単位「１」とす
ると、７×７の大きさの周期構造（７×７再構成構造）
を有している。

【０１２８】次に、図１１（ｂ）に示すように、まず、
プラズマ化セル６４のシャッター６６を開くことによ
り、Ｓｉ基板１の主面上にラジカル窒素（Ｎ）が供給さ
れ、Ｓｉ基板１の主面上にＮ層が形成される。その後、
Ｋ−セル６４のシャッター６７を開くことにより、Ｎ層
の上にｌ層が形成される。このとき、本実施形態におけ
るＡｌＮ結晶層のエピタキシャル成長の機構を第１の実
施形態に対応させてみると、実施形態１のごとく、Ｓｉ
基板１のＳｉ単結晶面の最上部に形成されるダングリン
グボンドに１：１に対応してＮ原子４が付着するのでは
なく、ダングリングボンに加えてそれ以外のＳｉ結晶格
子内にもＮ原子４が入り込むものと考えられる。そし
て、最初のＮ層のＮ原子４に次層のＡｌ原子が結合して
１モノレイヤーのＡｌ層が形成される。

【０１２９】その後、図１１（ｃ）に示すように、交互
にＮ層とＡｌ層とが１モノレイヤーずつ形成されてＡｌ
Ｎ結晶層８０が形成されるが、このＡｌＮ結晶層８０の
格子間距離は下地のＳｉ基板１の格子間距離とはエピタ
キシャル成長の開始当初から整合してない。つまり、Ａ
ｌＮ結晶本来の格子定数にほぼ一致した格子間距離を維
持しつつ、エピタキシャル成長が続けられることにな
る。

【０１３０】図１２は、本実施形態におけるＳｉ基板と
ＡｌＮ結晶層との積層体の縦断面におけるＴＥＭ像を示
す図である。同図に示すように、Ｓｉ基板とＡｌＮ結晶
層との境界部において、Ｓｉ基板の４格子に対してＡｌ
Ｎ結晶層の５格子が接しており、下地のＳｉ基板の結晶
格子とは非整合な結晶格子を有するＡｌＮ結晶層がエピ
タキシャル成長していることがわかる。

【０１３１】図１３は、本実施形態においてエピタキシ
ャル成長されたＡｌＮ結晶層の電子線回折像を示す図で
ある。同図に示すように、ＡｌＮ結晶層の（０００１）
面パターンが得られている。すなわち、（１１１）面を
主面とするＳｉ基板の上に、（０００１）面を主面とす
る良好な結晶性を有するＡｌＮ結晶層が得られているこ
とがわかる。しかも、下地のＳｉ基板の（１１１）面と
ＡｌＮ結晶層の（０００１）面とは、共に稠密面であ
り、結晶学上両者は実質的に同一の面である。このこと
から、ＡｌＮ結晶層は下地のＳｉ基板の結晶方位に関す
る情報を受け継いで成長しながら、下地のＳｉ基板との
界面においてＳｉの結晶格子とは非整合につまり自己の
本来の結晶構造にほぼ一致させた結晶格子位置にエピタ
キシャル成長したものといえる。

【０１３２】一方、上記第８，第９の文献に記載されて
いる技術では、理論的には、サーファクタント効果を利
用することにより格子非整合の状態でエピタキシャル成
長させうる可能性は暗示されているものの、現実に得ら
れているサーファクタント効果を利用したエピタキシャ
ル成長においては、格子整合している領域が存在してい
て、歪みが緩和される臨界膜厚が存在していることが記
載されている。つまり、単に、サーファクタント効果を
利用しただけでは、必ずしも本実施形態のようなほぼ完
全な格子非整合状態でのエピタキシャル成長が実現しな
いものと考えられる。以下、本実施形態のエピタキシャ
ル成長が実現したことの合理的な理由について論ずる。

【０１３３】このようなほぼ完全な格子非整合状態でエ
ピタキシャル成長する単結晶層が得られる理由は、上述
のようにサーファクタント効果によるものと推定される
が、その場合、さらには、Ａｌ原子とＮ原子との結合力
がＳｉ原子同士の結合力に比べて強いことが格子非整合
のエピタキシャル成長を可能ならしめているものと推定
される。つまり、サーファクタント効果に加えて、エピ
タキシャル成長される原子同士の結合力が下地結晶層に
おける原子同士の結合力よりも強いことにより、下地の
結晶格子の影響を排してその結晶本来の格子定数を維持
しつつエピタキシャル成長しうるものと考えるのが合理
的である。本実施形態の場合、ＡｌＮ結晶体の弾性定数
が、Ｃ₁₁＝３４５，Ｃ₁₂＝１２５，Ｃ₁₃＝１２０，Ｃ３
３＝３９４，Ｃ₄₄＝１１８であり、Ｓｉ結晶体の弾性定
数が、Ｃ₁₁＝１６５．７，Ｃ₁₂＝５０．６，Ｃ₄₄＝７
９．４である。したがって、ＡｌＮ結晶層の原子同士の
結合力がＳｉ基板の原子同士の結合力よりもかなり大き
く、このような原子同士の結合力の相違も関与して、本
実施形態の格子非整合によるエピタキシャル成長技術が
実現したものと考えられる。

【０１３４】このように、下地の結晶層よりも原子同士
の結合力が大きい成長層であることが格子非整合のエピ
タキシャル成長を可能ならしめていることを考慮する
と、本発明の格子非整合によってエピタキシャル成長が
可能な結晶膜は、本実施形態のようなＡｌＮ結晶層のみ
に限定されるものではないことがわかる。本実施形態に
おいては、下地の結晶層の上にエピタキシャル成長させ
る窒化物膜としてＡｌＮ結晶層を用いたが、例えば、Ｇ
ａＮ結晶体の弾性定数は、Ｃ₁₁＝２９６，Ｃ₁₂＝１３
０，Ｃ₁₃＝１５８，Ｃ₃₃＝２６７，Ｃ₄₄＝２４．１であ
り、Ｓｉ結晶体の弾性定数に比べるとかなり大きいこと
がわかる。一般に、窒化物は原子同士の結合力が大きい
ことが知られており、その中でもIII 属元素の窒化物
（ＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＢＮ，ＩｎＮなど）は
良好な結晶体を形成することが知られている。したがっ
て、Ｎ原子のサーファクタント効果を利用しつつ、各種
窒化物膜を当該窒化物膜よりも原子同士の結合力の小さ
い結晶層の上に形成することにより、格子非整合な状態
でのエピタキシャル成長を行なわせることができる。

【０１３５】また、窒素以外のサーファクタント効果を
有する元素を構成要素とする化合物結晶層であっても、
当該化合物結晶層よりも原子同士の結合力の小さい下地
結晶層の上に、本実施形態と同様の方法でエピタキシャ
ル成長させることにより、下地結晶層は格子非整合な状
態でありながら下地結晶層の結晶方位に関する情報を受
け継いだエピタキシャル成長層を得ることができる。

【０１３６】

【発明の効果】本発明の積層体又はその製造方法によれ
ば、結晶層の主面の上に、結晶層の方位に倣った方位で
結晶層とは格子非整合な結晶格子を有し、結晶層よりも
原子同士の結合力が大きい結晶性化合物膜を設けたの
で、歪みに起因する界面準位などの少ない窒化物膜など
の結晶性化合物膜が得られ、この化合物膜を利用して、
特性の優れたＭＩＳ型トランジスタ、ＭＦＩＳ型トラン
ジスタ、キャパシタなどのデバイスを提供することがで
きる。

【０１３７】本発明の半導体素子によれば、半導体基板
上に絶縁膜と導体電極とを設け、絶縁膜の少なくとも一
部をＡｌＮ結晶層により形成することにより、欠陥や界
面準位がほとんどなくシリコン酸化膜と同等の良好な信
頼性を有し誘電率の高い結晶性のＡｌＮ結晶層を利用し
て、絶縁膜全体の単位面積当たりの容量値の向上を図る
ことができ、よって、微細化，高集積化の進展に対応し
うる半導体素子の提供を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に係るＡｌ
Ｎ結晶層の形成工程を示す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施形態に係るＡｌ
Ｎ結晶層の形成工程を示す断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施形態に係るＭＦ
ＩＳＦＥＴなどに使用されるＡｌＮ結晶層，誘電体薄膜
及びゲート用ポリシリコン膜の形成工程を示す断面図で
ある。

【図４】（ａ）〜（ｅ）は、第４の実施形態に係るＭＦ
ＭＩＳＦＥＴなどに使用されるＡｌＮ結晶層，結晶性誘
電体薄膜及び第１，第２の導電性薄膜の形成工程を示す
断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第５の実施形態に係るＭＩ
ＳＦＥＴなどに使用されるシリコン窒化層，ＡｌＮ薄膜
及びポリシリコン膜の形成工程を示す断面図である。

【図６】第７の実施形態に係るＭＩＳＦＥＴの構造を示
す断面図である。

【図７】Ｓｉ結晶，ＳｉＯ₂ 誘電体及びＡｌＮ結晶のエ
ネルギーバンドを示すバンド図である。

【図８】第８の実施形態において用いたＭＢＥ装置の構
成を概略的に示す断面図である。

【図９】プラズマ化セルの構成を示す断面図である。

【図１０】第８の実施形態におけるＡｌＮ結晶層をエピ
タキシャル成長させる際のプラズマ化セル，Ｋ−セルの
シャッターの開閉のタイミングを示す図である。

【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、第８の実施形態における
ＡｌＮ結晶層のエピタキシャル成長過程を示す図であ
る。

【図１２】第８の実施形態におけるＳｉ基板とＡｌＮ結
晶層との積層体の縦断面におけるＴＥＭ像を示す図であ
る。

【図１３】第８の実施形態においてエピタキシャル成長
されたＡｌＮ結晶層の電子線回折像を示す図である。

【符号の説明】

１ Ｓｉ基板 ２ ダングリングボンド ３ Ａｌ原子 ４ Ｎ原子 ５ 界面領域 ７ ＡｌＮ結晶層 ８ 誘電体薄膜 ９ ポリシリコン膜 １０ 水素原子 １１ 終端用化学種 １２ 終端原子 ２１ 第１の導電性薄膜 ２２ 結晶性誘電体薄膜 ２３ 第２の導電性薄膜 ２５ シリコン窒化層 ２６ ＡｌＮ薄膜 ５１ Ｓｉ基板 ５２ ＬＯＣＯＳ膜 ５３ ゲート絶縁膜 ５４ ゲート電極 ５４ａ 低抵抗ポリシリコン層 ５４ｂ シリサイド層 ５５ 絶縁体サイドウォール ５６ 低濃度ソース・ドレイン領域 ５７ 高濃度ソース・ドレイン領域 ６０ ＭＢＥ装置 ６１ 真空容器 ６２ 真空ポンプ ６３ 基板 ６４ プラズマ化セル ６５ Ｋ−セル ６６，６７ シャッター ７０ ケース ７１ ＰＢＮルツボ ７２ コイル ７３ ガス導入管 ７４ バルブ ７５ マスフローメータ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/822 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４４Ａ 27/105 29/78 ３０１Ｇ 29/78 ３７１ 21/8247 29/788 29/792

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結晶層を有する基板と、 上記結晶層の主面の上にエピタキシャル成長され、上記
   結晶層の方位に倣った方位で上記結晶層とは格子非整合
   な結晶格子を有し上記結晶層よりも原子同士の結合力が
   大きい結晶性化合物膜とを備えている積層体。
2. 【請求項２】 請求項１記載の積層体において、 上記結晶性化合物膜は、III 族元素の窒化物膜であるこ
   とを特徴とする積層体。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の積層体において、 上記結晶層はＳｉ結晶層であり、上記Ｓｉ結晶層の主面
   は（１１１）面であることを特徴とする積層体。
4. 【請求項４】 請求項３記載の積層体において、 上記結晶性化合物膜は、ＡｌＮ膜であることを特徴とす
   る積層体。
5. 【請求項５】 基板の結晶層の主面の上に、III 族元素
   の原子層及びＮ原子層のうちいずれか一方の原子層を形
   成する工程（ａ）と、 上記一方の原子層の上に、III 族元素の原子層及びＮ原
   子層のうちの他方の原子層を形成する工程（ｂ）とを交
   互に繰り返すことにより、結晶性のIII 族元素の窒化物
   膜を上記結晶層の上にエピタキシャル成長させることを
   特徴とする積層体の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の積層体の製造方法におい
   て、 上記工程（ａ）では、Ｎ原子層を形成し、 上記工程（ｂ）では、III 族元素の原子層を形成するこ
   とにより、上記基板の主面の結晶格子とは非整合な結晶
   格子を有する結晶性のIII 族元素の窒化物膜を上記結晶
   層の上にエピタキシャル成長させることを特徴とする積
   層体の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項６記載の積層体の製造方法におい
   て、 上記結晶層は，Ｓｉ結晶層であり、 上記Ｓｉ結晶層の主面は（１１１）面であることを特徴
   とする積層体の製造方法。
8. 【請求項８】 請求項７記載の積層体の製造方法におい
   て、 上記工程（ｂ）では、Ａｌ原子層を形成することによ
   り、上記窒化物膜としてＡｌＮ膜を形成することを特徴
   とする積層体の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項６〜８のうちいずれか１つに記載
   の積層体の製造方法において、 上記Ｎ原子層の堆積は、窒素ガスをプラズマ化してなる
   ラジカル窒素を上記結晶層の主面上に供給する分子線エ
   ピタキシ法（ＭＢＥ法）により行なわれることを特徴と
   する積層体の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項１１記載の積層体の製造方法に
    おいて、 上記窒素ガスのプラズマ化は、プラズマセルを用いて行
    なわれることを特徴とする積層体の製造方法。
11. 【請求項１１】 基板のＳｉ結晶層の主面を窒素，水
    素，硫黄及びマグネシウムのうちいずれか１つを含む雰
    囲気中に曝し、半導体基板の主面上のダングリングボン
    ドを終端させる工程（ａ）と、 上記Ｓｉ結晶層の上に、結晶性のＡｌＮ層を形成する工
    程（ｂ）とを備えている積層体の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の積層体の製造方法に
    おいて、 上記工程（ｂ）の前に、上記Ｓｉ結晶層の主面部を窒化
    して窒化珪素層を形成する工程をさらに備え、 上記工程（ｂ）では、上記窒化珪素層の上に結晶性のＡ
    ｌＮ層を形成することを特徴とする積層体の製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２又は１３記載の積層体の製
    造方法において、 上記工程（ｂ）では、上記ＡｌＮ膜に酸素，水素及び硫
    黄のうち少なくともいずれか１つを添加することによ
    り、上記ＡｌＮ層内における上記Ｓｉ結晶層との格子不
    整合に起因する歪みを緩和することを特徴とする積層体
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 半導体層を有する基板と、 上記半導体層の上に設けられ、ＡｌＮ層を有する絶縁膜
    と、 上記ゲート絶縁膜の上に設けられた導体からなる電極と
    を備えている半導体素子。
15. 【請求項１５】 請求項１４記載の半導体素子におい
    て、 上記ＡｌＮ層は、上記半導体層の上にエピタキシャルに
    成長された単結晶層であることを特徴とする半導体素
    子。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の半導体素子におい
    て、 上記半導体層はＳｉ結晶層であり、 上記半導体層の主面は（１１１）面であり、 上記ＡｌＮ層は稠密六方晶で、その主面は（０００１）
    面であることを特徴とする半導体素子。
17. 【請求項１７】 請求項１５記載の半導体素子におい
    て、 上記半導体層はＳｉ結晶層であり、 上記半導体層の主面は（１００）面であり、 上記ＡｌＮ層は立方晶で、その主面は（１００）面であ
    ることを特徴とする半導体素子。
18. 【請求項１８】 請求項１４記載の半導体素子におい
    て、 上記半導体層の表面におけるダングリングボンドがアル
    ミニウム，窒素，水素，硫黄及びマグネシウムのうちい
    ずれか１つによって終端されていることを特徴とする半
    導体素子。
19. 【請求項１９】 請求項１４〜１８のうちいずれか１つ
    に記載の半導体素子において、 上記絶縁膜はゲート絶縁膜であり、かつ、上記ＡｌＮ層
    と上記半導体層との間に介在する窒化珪素層をさらに備
    えていることを特徴とする半導体素子。
20. 【請求項２０】 請求項１４〜１８のうちいずれか１つ
    に記載の半導体素子において、 上記絶縁膜はゲート絶縁膜であり、かつ、上記ＡｌＮ層
    の上に形成されたＡｌＮよりも高い誘電率を有する誘電
    体材料及び強誘電性を有する材料のうち少なくともいず
    れか１つにより構成される誘電体層をさらに有すること
    を特徴とする半導体素子。
21. 【請求項２１】 請求項１４〜１８のうちいずれか１つ
    に記載の半導体素子において、 上記絶縁膜はゲート絶縁膜であり、かつ、上記ＡｌＮ膜
    の上に形成されたＡｌＮよりも高い誘電率を有する誘電
    体材料及び強誘電性を有する材料のうち少なくともいず
    れか１つにより構成される誘電体層をさらに有し、 上記誘電体層の上側及び下側のうち少なくともいずれか
    一方には、結晶性を有する導電性膜が設けられているこ
    とを特徴とする半導体素子。
22. 【請求項２２】 請求項１４記載の半導体素子におい
    て、 上記ＡｌＮ層には、酸素，水素，硫黄のうち少なくとも
    いずれか１つが含まれており、上記ＡｌＮ層内における
    上記半導体層との格子不整合に起因する歪みが緩和され
    ていることを特徴とする半導体素子。
23. 【請求項２３】 請求項１４記載の半導体素子におい
    て、 上記ＡｌＮ層における上記半導体層との格子不整合が拡
    大されて、上記ＡｌＮ層の誘電率が高められていること
    を特徴とする半導体素子。