JP2001284349A - シリコン基材装置のための高誘電率ゲート酸化物 - Google Patents
シリコン基材装置のための高誘電率ゲート酸化物Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 シリコン基材装置のための改良されたゲート
酸化物材料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｍｎ2Ｏ3形の高誘電性希土類酸化物（例
えばＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3）を１０-7ｔｏｒｒよりも低
いか、またはこれと等しい酸素分圧下で清浄なシリコン
（１００）基板表面上で成長させて、通常の超薄ＳｉＯ
2誘電体内に存在するトンネル電流を排除し、シリコン
基板と誘電体との間の界面での生来の酸化物層の生成を
回避する受容可能なゲート酸化物（誘電率（ε≒１８）
および厚さの点で）を作る。エピタキシャル膜は正規の
シリコン基板上で成長させて高誘電性ゲート酸化物を作
ることができる。
酸化物材料およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｍｎ2Ｏ3形の高誘電性希土類酸化物（例
えばＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3）を１０-7ｔｏｒｒよりも低
いか、またはこれと等しい酸素分圧下で清浄なシリコン
（１００）基板表面上で成長させて、通常の超薄ＳｉＯ
2誘電体内に存在するトンネル電流を排除し、シリコン
基板と誘電体との間の界面での生来の酸化物層の生成を
回避する受容可能なゲート酸化物（誘電率（ε≒１８）
および厚さの点で）を作る。エピタキシャル膜は正規の
シリコン基板上で成長させて高誘電性ゲート酸化物を作
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はシリコン基材装置の
ための改良されたゲート酸化物材料およびその製造方法
に関するものであり、さらに特に、Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2
Ｏ3を（１８のオーダの誘電率εを示す）のような希土
類酸化物を使用して、約１０Åのトンネル深さよりも大
きい厚さを維持しながら所望の絶縁特性を持つゲート酸
化物を製造することに関するものである。
ための改良されたゲート酸化物材料およびその製造方法
に関するものであり、さらに特に、Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2
Ｏ3を（１８のオーダの誘電率εを示す）のような希土
類酸化物を使用して、約１０Åのトンネル深さよりも大
きい厚さを維持しながら所望の絶縁特性を持つゲート酸
化物を製造することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路技術の進歩につれて、ＭＯＳＦ
ＥＴのゲート長さはますます短くなっている。さらに、
ゲート誘電体、典型的にはゲート酸化物の厚さはますま
す薄くなっている。非常に薄いゲート酸化物（例えば、
５０Å未満）はサブミクロンＭＯＳ装置のためにしばし
ば必要である。
ＥＴのゲート長さはますます短くなっている。さらに、
ゲート誘電体、典型的にはゲート酸化物の厚さはますま
す薄くなっている。非常に薄いゲート酸化物（例えば、
５０Å未満）はサブミクロンＭＯＳ装置のためにしばし
ば必要である。
【０００３】装置の寸法は技術の進歩とともに急速に小
さくなっているので、薄いゲート酸化物の電場は増大し
続けている。このような増大する電場の重要な部分は酸
化物界面、または薄い酸化物内での増大したトラップ発
生である。交互のトラップによるトラップ発生、および
チャンネル電子の捕獲は低周波（１／ｆ）ノイズおよび
相互コンダクタンス（ｇm）低下の増大を招く。５０Å
以下の超薄ゲート酸化物に対しては、トンネル電流も重
大となり、装置特性の加速された劣化を生じる。まさ
に、通常のＳｉＯ2ゲート酸化物の薄さは今や１０Åの
量子トンネル限界に近づいている。
さくなっているので、薄いゲート酸化物の電場は増大し
続けている。このような増大する電場の重要な部分は酸
化物界面、または薄い酸化物内での増大したトラップ発
生である。交互のトラップによるトラップ発生、および
チャンネル電子の捕獲は低周波（１／ｆ）ノイズおよび
相互コンダクタンス（ｇm）低下の増大を招く。５０Å
以下の超薄ゲート酸化物に対しては、トンネル電流も重
大となり、装置特性の加速された劣化を生じる。まさ
に、通常のＳｉＯ2ゲート酸化物の薄さは今や１０Åの
量子トンネル限界に近づいている。
【０００４】ゲート酸化物のＳｉＯ2厚さを減少させる
連続した試みに変わって、いくつかのグループはＳｉＯ
2（ε＝３．９）よりも実質的に大きい誘電率（ε）を
有する代換え絶縁体、したがって誘電体厚さを比例的に
増大させることができる（したがって、酸化物を通るト
ンネル電流の機会が減少する）ものを見出す試みを行っ
た。高温アニーリング操作の間に基板／誘電体界面でＳ
ｉＯ2、または金属ケイ化物の生成を来す反応を防止す
るように、誘電体はシリコン表面に関して熱力学的に安
定であることが望ましい。現在、いくつかの「高誘電
体」酸化物が考えられている（例えばＡｌ2Ｏ3、Ｔａ2
Ｏ3、ＴｉＯ2）がいずれの場合にもゲート酸化物の成長
する間に少なくとも１０Åの厚さで界面ＳｉＯ2層が生
成する。別の試みでは、比較的薄いＳｉＮxバリヤー層
を使用するが、この層は負の酸化物成長を防止するため
に最初にシリコン表面に堆積される。しかしながら、バ
リヤー層の使用は１５Åを超える全“有効”酸化物厚さ
を次に必要とし、別の受容できない結果を来す。
連続した試みに変わって、いくつかのグループはＳｉＯ
2（ε＝３．９）よりも実質的に大きい誘電率（ε）を
有する代換え絶縁体、したがって誘電体厚さを比例的に
増大させることができる（したがって、酸化物を通るト
ンネル電流の機会が減少する）ものを見出す試みを行っ
た。高温アニーリング操作の間に基板／誘電体界面でＳ
ｉＯ2、または金属ケイ化物の生成を来す反応を防止す
るように、誘電体はシリコン表面に関して熱力学的に安
定であることが望ましい。現在、いくつかの「高誘電
体」酸化物が考えられている（例えばＡｌ2Ｏ3、Ｔａ2
Ｏ3、ＴｉＯ2）がいずれの場合にもゲート酸化物の成長
する間に少なくとも１０Åの厚さで界面ＳｉＯ2層が生
成する。別の試みでは、比較的薄いＳｉＮxバリヤー層
を使用するが、この層は負の酸化物成長を防止するため
に最初にシリコン表面に堆積される。しかしながら、バ
リヤー層の使用は１５Åを超える全“有効”酸化物厚さ
を次に必要とし、別の受容できない結果を来す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、当該技術
においては、生来の（native）ＳｉＯ2層の生成を防止
するが１０Åに近い有効厚さを示すような、シリコン基
材装置上の“薄い”ゲート誘電体として使用すべき誘電
体材料の必要性が残されている。
においては、生来の（native）ＳｉＯ2層の生成を防止
するが１０Åに近い有効厚さを示すような、シリコン基
材装置上の“薄い”ゲート誘電体として使用すべき誘電
体材料の必要性が残されている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】当該技術において残され
ている必要性は、シリコン基材装置のための改良された
ゲート酸化物材料およびその製造方法に関し、さらに特
にＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3を（たとえば、１８のオーダで
ＳｉＯ2（約４）よりも非常に大きな誘電率εを示す）
のような希土類酸化物を使用して、約１０Åのトンネル
深さよりも大きい厚さを維持しながら、所望の絶縁特性
を持つゲート酸化物を製造することに関する本発明によ
って満たされる。
ている必要性は、シリコン基材装置のための改良された
ゲート酸化物材料およびその製造方法に関し、さらに特
にＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3を（たとえば、１８のオーダで
ＳｉＯ2（約４）よりも非常に大きな誘電率εを示す）
のような希土類酸化物を使用して、約１０Åのトンネル
深さよりも大きい厚さを維持しながら、所望の絶縁特性
を持つゲート酸化物を製造することに関する本発明によ
って満たされる。
【０００７】本発明によれば、超高真空（ＵＨＶ）蒸着
法を使用して、“清浄な”シリコン基板面上にＧｄ2Ｏ3
またはＹ2Ｏ3の膜が成長する。成長の間、酸素分圧を１
０-7未満に制限することにより、シリコン基板表面の酸
化は完全に回避されることが分かった。エピタキシャル
およびアモルファス膜は共に、所望の高い誘電率特性を
持つ酸化物を生成することが分かった。
法を使用して、“清浄な”シリコン基板面上にＧｄ2Ｏ3
またはＹ2Ｏ3の膜が成長する。成長の間、酸素分圧を１
０-7未満に制限することにより、シリコン基板表面の酸
化は完全に回避されることが分かった。エピタキシャル
およびアモルファス膜は共に、所望の高い誘電率特性を
持つ酸化物を生成することが分かった。
【０００８】本発明によれば、単一ドメイン（１１０）
配向Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3膜の生成を促進するために、
好ましくは微傾斜Ｓｉ（１００）基板を使用する。好ま
しい実施例において４°ミスカット基板が使用され得
る。
配向Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3膜の生成を促進するために、
好ましくは微傾斜Ｓｉ（１００）基板を使用する。好ま
しい実施例において４°ミスカット基板が使用され得
る。
【０００９】たとえば、１９Åの対応ＳｉＯ2厚さでＧ
ｄ2Ｏ3層に対して１Ｖで１０-1Ａ／ｃｍ2から１０-5Ａ
／ｃｍ2の値の漏れ電流密度を改善するために後処理ガ
スアニール法を使用することもできる。
ｄ2Ｏ3層に対して１Ｖで１０-1Ａ／ｃｍ2から１０-5Ａ
／ｃｍ2の値の漏れ電流密度を改善するために後処理ガ
スアニール法を使用することもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明のその他の面は、以下の説
明、および添付図面を参照することにより明らかになる
であろう。
明、および添付図面を参照することにより明らかになる
であろう。
【００１１】希土類酸化物は熱力学的エネルギー考察に
基づいて種々の半導体の応用に適した候補物である。本
発明によれば、シリコン（１００）表面上にゲート酸化
物として誘電体Ｇｄ2Ｏ3（ε〜１２）またはＹ2Ｏ3（ε
〜１８）を形成できることがわかった。両方の物質は、
ＳｉＯ2の誘電性（ε＝３．９）と比較した際に所要の
「高い」誘電性を示すが、Ｙ2Ｏ3は、その高い誘電率お
よび酸化物中に磁性イオンがないことにより、好ましい
と考えられる。
基づいて種々の半導体の応用に適した候補物である。本
発明によれば、シリコン（１００）表面上にゲート酸化
物として誘電体Ｇｄ2Ｏ3（ε〜１２）またはＹ2Ｏ3（ε
〜１８）を形成できることがわかった。両方の物質は、
ＳｉＯ2の誘電性（ε＝３．９）と比較した際に所要の
「高い」誘電性を示すが、Ｙ2Ｏ3は、その高い誘電率お
よび酸化物中に磁性イオンがないことにより、好ましい
と考えられる。
【００１２】本発明の重要な面は成長した酸化物内の望
ましくないドメインの生成を排除するために微傾斜Ｓｉ
（１００）基板を使用することであり、したがって、単
一ドメイン（１１０）配向ゲート酸化物が供給される。
図１は所定の傾斜角で“ミスカット”された微傾斜Ｓｉ
（１００）基板１０の例を示し、ここで４°から６°の
範囲の傾斜角が好ましいことがわかった。ミスカット面
１２は２重原子層の面階段１４を見せており、したがっ
て、Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3の単一バリアントの成長の核
となるための約８０Å（４°ミスカットに対して）の間
隔の単一ドメインシリコンコンテラスを与える。
ましくないドメインの生成を排除するために微傾斜Ｓｉ
（１００）基板を使用することであり、したがって、単
一ドメイン（１１０）配向ゲート酸化物が供給される。
図１は所定の傾斜角で“ミスカット”された微傾斜Ｓｉ
（１００）基板１０の例を示し、ここで４°から６°の
範囲の傾斜角が好ましいことがわかった。ミスカット面
１２は２重原子層の面階段１４を見せており、したがっ
て、Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3の単一バリアントの成長の核
となるための約８０Å（４°ミスカットに対して）の間
隔の単一ドメインシリコンコンテラスを与える。
【００１３】本発明の高誘電ゲート酸化物構造体を作る
ために、多室（multi-chamber）超高真空系を使用する
ことができる。誘電体の成長の前に、シリコンウエハを
浄化し、次に水素不活性化（例えば、緩衝ＨＦ酸を使
用）して不純物のない表面を作る。次に、基板を例えば
４５０℃から５００℃の範囲の温度に加熱して、不純物
または酸化物のないシリコン表面を生成させる。次に、
粉末充填したＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3のセラミック源をＵ
ＨＶ系内電子線源として使用し、所望のエピタキシャル
誘電体膜の堆積物を供給する。本発明の一つの態様によ
れば、ＵＨＶ室内の酸素分圧は成長のあいだ１０-7ｔｏ
ｒｒ以下に維持する必要があり、ここでこのような圧力
は基板と誘電体との間の界面で生来のＳｉＯ2層の生成
を本質的に排除することがわかった。前記のように、原
子層スケールでの界面の構造および化学的性質を制御す
る可能性は臨界的なものである。
ために、多室（multi-chamber）超高真空系を使用する
ことができる。誘電体の成長の前に、シリコンウエハを
浄化し、次に水素不活性化（例えば、緩衝ＨＦ酸を使
用）して不純物のない表面を作る。次に、基板を例えば
４５０℃から５００℃の範囲の温度に加熱して、不純物
または酸化物のないシリコン表面を生成させる。次に、
粉末充填したＧｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3のセラミック源をＵ
ＨＶ系内電子線源として使用し、所望のエピタキシャル
誘電体膜の堆積物を供給する。本発明の一つの態様によ
れば、ＵＨＶ室内の酸素分圧は成長のあいだ１０-7ｔｏ
ｒｒ以下に維持する必要があり、ここでこのような圧力
は基板と誘電体との間の界面で生来のＳｉＯ2層の生成
を本質的に排除することがわかった。前記のように、原
子層スケールでの界面の構造および化学的性質を制御す
る可能性は臨界的なものである。
【００１４】このような生来の酸化物膜の存在／欠失は
Ｇｄ2Ｏ3酸化物膜および下にあるシリコン基板との関連
界面の赤外吸光分析を行うことによって研究された。分
析の間にＧｄ2Ｏ3膜の完全性を維持するために、大気に
露出する前に薄アモルファスシリコン膜をＧｄ2Ｏ3膜上
のその場で堆積させた。このシリコン膜の存在はアモル
ファス前面(front)および結晶背面（back）シリコン面
のＨＦエッチングを可能にし、Ｈ−末端を残して界面の
生来の酸化物だけがＩＲ吸収スペクトルに寄与すること
を保証した。比較のために、Ｇｄ2Ｏ3誘電体膜を含有す
るそれぞれのウエハを同様にＨＦエッチングしたシリコ
ン基板（Ｇｄ2Ｏ3膜の堆積なし）と比較した。吸収結果
は６００ｃｍ-1でＧｄ2Ｏ3フォノンバンドを明らかに示
し、ここでその強度は膜厚内の大きさのものであった。
アモルファスＧｄ2Ｏ3試料と同様の結晶に対して、Ｓｉ
Ｏ2のＴＯ（１０５０ｃｍ-1）またはＬＯ（１２００〜
１２５０ｃｍ-1）に測定可能なＳｉＯ2−関連特徴の欠
失が存在した。
Ｇｄ2Ｏ3酸化物膜および下にあるシリコン基板との関連
界面の赤外吸光分析を行うことによって研究された。分
析の間にＧｄ2Ｏ3膜の完全性を維持するために、大気に
露出する前に薄アモルファスシリコン膜をＧｄ2Ｏ3膜上
のその場で堆積させた。このシリコン膜の存在はアモル
ファス前面(front)および結晶背面（back）シリコン面
のＨＦエッチングを可能にし、Ｈ−末端を残して界面の
生来の酸化物だけがＩＲ吸収スペクトルに寄与すること
を保証した。比較のために、Ｇｄ2Ｏ3誘電体膜を含有す
るそれぞれのウエハを同様にＨＦエッチングしたシリコ
ン基板（Ｇｄ2Ｏ3膜の堆積なし）と比較した。吸収結果
は６００ｃｍ-1でＧｄ2Ｏ3フォノンバンドを明らかに示
し、ここでその強度は膜厚内の大きさのものであった。
アモルファスＧｄ2Ｏ3試料と同様の結晶に対して、Ｓｉ
Ｏ2のＴＯ（１０５０ｃｍ-1）またはＬＯ（１２００〜
１２５０ｃｍ-1）に測定可能なＳｉＯ2−関連特徴の欠
失が存在した。
【００１５】Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3の結晶は大きい格子
常数（それぞれ１０．８１Åおよび１０．６０Å）を持
つ同型Ｍｎ2Ｏ3構造を有している。２重対称の（１１
０）配向Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3は４回対称の通常の（１
００）シリコン表面上で成長し、成長面内で同じ確率の
２種の（１１０）バリアントの望ましくない生成をもた
らす。とくに、おなじ確率を持つこれらの２種のバリア
ントの成長は比較的高い漏れ電流の酸化物をもたらし、
装置の考慮に当たって明らかに好ましくない。本発明に
よれば、図１に示したような微傾斜シリコン基板を使用
することによって２回対称の退化が除去される。
常数（それぞれ１０．８１Åおよび１０．６０Å）を持
つ同型Ｍｎ2Ｏ3構造を有している。２重対称の（１１
０）配向Ｇｄ2Ｏ3またはＹ2Ｏ3は４回対称の通常の（１
００）シリコン表面上で成長し、成長面内で同じ確率の
２種の（１１０）バリアントの望ましくない生成をもた
らす。とくに、おなじ確率を持つこれらの２種のバリア
ントの成長は比較的高い漏れ電流の酸化物をもたらし、
装置の考慮に当たって明らかに好ましくない。本発明に
よれば、図１に示したような微傾斜シリコン基板を使用
することによって２回対称の退化が除去される。
【００１６】以下に、さらに詳しく述べる本発明方法に
おいて後成長法を採用することもでき、後形成ガスアニ
ールは１９Åの相当ＳｉＯ2厚さで１Ｖで１０-1Ａ／ｃ
ｍ2から１０-5Ａ／ｃｍ2の値の漏れ電流密度の改善を与
えることを示した。アモルファスＹ2Ｏ3膜は１０ÅのＳ
ｉＯ2相当厚さで１Ｖで１０-6Ａ／ｃｍ2のような低い漏
れ電流を示す通常のシリコン表面上に形成することがで
きる。
おいて後成長法を採用することもでき、後形成ガスアニ
ールは１９Åの相当ＳｉＯ2厚さで１Ｖで１０-1Ａ／ｃ
ｍ2から１０-5Ａ／ｃｍ2の値の漏れ電流密度の改善を与
えることを示した。アモルファスＹ2Ｏ3膜は１０ÅのＳ
ｉＯ2相当厚さで１Ｖで１０-6Ａ／ｃｍ2のような低い漏
れ電流を示す通常のシリコン表面上に形成することがで
きる。
【００１７】図２は、３つの異なるＧｄ2Ｏ3膜の面に沿
う縦方向Ｘ−線回折走査を示す。図２の走査Ａは厚さ３
４ÅのＧｄ2Ｏ3膜と組み合わせたものであり、走査Ｂは
厚さ１２５ÅのＧｄ2Ｏ3膜と組み合わせたものであり、
走査Ｃは厚さ１９６ÅのＧｄ 2Ｏ3膜と組み合わせたもの
である。図２を参照すると、各走査のフリンジのパター
ンは空気／酸化物および酸化物／シリコン界面の間の固
有の干渉によるものである。フリンジ周期は膜厚さに逆
比例しているが、フリンジ振幅の減衰は膜厚の均一性の
尺度である。したがって、各走査に示されている緩やか
な減衰から、それぞれの成長したＧｄ2Ｏ3膜が非常に均
一であるという結論が導かれる。図２（以下の図も同
様）について論じた種々の酸化物厚さは実施例としてだ
け考慮されるべきものである。一般に、本発明によって
製造された高誘電性酸化物はたとえば、１０Åから５０
０Åの範囲内の任意の厚さを含み、意図するあらゆる装
置応用に対して所望のゲート誘電特性を提供することが
できる。
う縦方向Ｘ−線回折走査を示す。図２の走査Ａは厚さ３
４ÅのＧｄ2Ｏ3膜と組み合わせたものであり、走査Ｂは
厚さ１２５ÅのＧｄ2Ｏ3膜と組み合わせたものであり、
走査Ｃは厚さ１９６ÅのＧｄ 2Ｏ3膜と組み合わせたもの
である。図２を参照すると、各走査のフリンジのパター
ンは空気／酸化物および酸化物／シリコン界面の間の固
有の干渉によるものである。フリンジ周期は膜厚さに逆
比例しているが、フリンジ振幅の減衰は膜厚の均一性の
尺度である。したがって、各走査に示されている緩やか
な減衰から、それぞれの成長したＧｄ2Ｏ3膜が非常に均
一であるという結論が導かれる。図２（以下の図も同
様）について論じた種々の酸化物厚さは実施例としてだ
け考慮されるべきものである。一般に、本発明によって
製造された高誘電性酸化物はたとえば、１０Åから５０
０Åの範囲内の任意の厚さを含み、意図するあらゆる装
置応用に対して所望のゲート誘電特性を提供することが
できる。
【００１８】本発明により微傾斜（１００）シリコン基
板上で成長したＧｄ2Ｏ3ゲート誘電体膜は（４４０）反
射に対して２θ＝４７．５°に近い広いピークを示し、
膜厚の増大につれてピークが一層シャープになることが
わかった。図３は図２と関連した３種の異なるＧｄ2Ｏ3
のセットに対する｛２２２｝反射の面内成分に垂直な面
の周りの３６０°φ走査セットを特に示す。それぞれの
場合に、成長した誘電体はシリコン階段エッジ１６（図
１参照）に平行なＧｄ2Ｏ3の［００１］軸、すなわちミ
スカット基板１０の［１１０］軸を持った一つの型のド
メイン内に主としては配向されている。図３に示された
各誘電体の厚さに対する｛２２２｝反射は両方の配向に
関連したピークを示している。図３でｗ1およびｗ2とし
て示されている２つの弱いピークは、ｓ1およびｓ2とし
て示されている２つの強いピークに関してπで分離され
ている。図３のデータを分析すると、厚さ３４ÅのＧｄ
2Ｏ3のおよそ９５％が好ましい“強い”配向で成長して
いて、厚さ１９６Åの厚い膜に対しておよそ９９％の％
増加があるという結論が得られる。この分析から、ある
“臨界”厚さ（約１００Å）を超えると望ましくない配
向のドメインがなお成長している酸化物の下方で埋没さ
れ始めるという結論が導かれる。
板上で成長したＧｄ2Ｏ3ゲート誘電体膜は（４４０）反
射に対して２θ＝４７．５°に近い広いピークを示し、
膜厚の増大につれてピークが一層シャープになることが
わかった。図３は図２と関連した３種の異なるＧｄ2Ｏ3
のセットに対する｛２２２｝反射の面内成分に垂直な面
の周りの３６０°φ走査セットを特に示す。それぞれの
場合に、成長した誘電体はシリコン階段エッジ１６（図
１参照）に平行なＧｄ2Ｏ3の［００１］軸、すなわちミ
スカット基板１０の［１１０］軸を持った一つの型のド
メイン内に主としては配向されている。図３に示された
各誘電体の厚さに対する｛２２２｝反射は両方の配向に
関連したピークを示している。図３でｗ1およびｗ2とし
て示されている２つの弱いピークは、ｓ1およびｓ2とし
て示されている２つの強いピークに関してπで分離され
ている。図３のデータを分析すると、厚さ３４ÅのＧｄ
2Ｏ3のおよそ９５％が好ましい“強い”配向で成長して
いて、厚さ１９６Åの厚い膜に対しておよそ９９％の％
増加があるという結論が得られる。この分析から、ある
“臨界”厚さ（約１００Å）を超えると望ましくない配
向のドメインがなお成長している酸化物の下方で埋没さ
れ始めるという結論が導かれる。
【００１９】図４は種々の条件下の種々のＧｄ2Ｏ3誘電
体層に対するゲート電圧の関数としての漏れ電流密度Ｊ
Lをプロットしたものである。２−ドメインおよび単一
ドメイン膜が示されていて、温度４００℃で１時間後形
成ガスアニール後の厚さ３４Åの単一ドメインＧｄ2Ｏ3
膜に対する漏れ電流／ゲート電圧をプロットしたもので
ある（図４中に“Ｄ”で表示）。図４を参照すると、漏
れ電流密度はバイアスされていないゲート（すなわち適
量電圧は０Ｖ）に対して本質的に対称形であることが明
らかである。２−ドメイン誘電体膜の漏れ電流密度は、
特に１００Åよりも薄誘電体に対して、単一ドメイン膜
と組み合わせたものよりも非常に高いことを示してい
る。図に示されているように、厚さ４４Åの２−ドメイ
ン膜に対する漏れ電流密度はバイアス０で１０-3Ａ／ｃ
ｍ2のように高いものである。単一ドメイン誘電体の漏
れ電流密度は特により薄厚さで顕著に改善される。たと
えば、３４Å膜の１ＶでのＪLは２−ドメイン膜の約?１
０-1Ａ／ｃｍ2の値から単一ドメイン誘電体の約?１０-3
Ａ／ｃｍ2の値に減少する。前記したように、成長した
誘電体を後形成ガスアニール（Ｎ2とＨ2の組み合わせ）
にかけることは漏れ電流密度をさらに改善（すなわち減
少）する。図４に示されているように、厚さ３４Åの単
一ドメイン膜上の形成ガスアニールは漏れ電流密度を約
１０-5Ａ／ｃｍ 2の値にまでさらに改善する。
体層に対するゲート電圧の関数としての漏れ電流密度Ｊ
Lをプロットしたものである。２−ドメインおよび単一
ドメイン膜が示されていて、温度４００℃で１時間後形
成ガスアニール後の厚さ３４Åの単一ドメインＧｄ2Ｏ3
膜に対する漏れ電流／ゲート電圧をプロットしたもので
ある（図４中に“Ｄ”で表示）。図４を参照すると、漏
れ電流密度はバイアスされていないゲート（すなわち適
量電圧は０Ｖ）に対して本質的に対称形であることが明
らかである。２−ドメイン誘電体膜の漏れ電流密度は、
特に１００Åよりも薄誘電体に対して、単一ドメイン膜
と組み合わせたものよりも非常に高いことを示してい
る。図に示されているように、厚さ４４Åの２−ドメイ
ン膜に対する漏れ電流密度はバイアス０で１０-3Ａ／ｃ
ｍ2のように高いものである。単一ドメイン誘電体の漏
れ電流密度は特により薄厚さで顕著に改善される。たと
えば、３４Å膜の１ＶでのＪLは２−ドメイン膜の約?１
０-1Ａ／ｃｍ2の値から単一ドメイン誘電体の約?１０-3
Ａ／ｃｍ2の値に減少する。前記したように、成長した
誘電体を後形成ガスアニール（Ｎ2とＨ2の組み合わせ）
にかけることは漏れ電流密度をさらに改善（すなわち減
少）する。図４に示されているように、厚さ３４Åの単
一ドメイン膜上の形成ガスアニールは漏れ電流密度を約
１０-5Ａ／ｃｍ 2の値にまでさらに改善する。
【００２０】アモルファス誘電体膜の研究は、結晶性膜
の場合におけるドメイン境界の不存在および表面または
界面歪の欠失により、結晶膜よりも装置への応用に対し
て一層適している。さらに、アモルファスＧｄ2Ｏ3膜の
漏れ電流はアモルファスＹ2Ｏ3膜と匹敵するものである
が、Ｙ2Ｏ3誘電率が厚さの減少に敏感でなく、約１８で
本質的に一定である点でＧｄ2Ｏ3よりも一層両立する誘
電体挙動を示す。図５は一連のアモルファスＹ2Ｏ3膜に
対するＪLのＶへの依存度を示している。図に示されて
いるように、厚さ４５Åの堆積アモルファスＹ2Ｏ3膜
は、１０Åの厚さ（“ｔeq”）の等価のＳｉＯ2に比較
して１Ｖで１０-6Ａ／ｃｍ2低い漏れ電流密度を与え
る。漏れ電流密度は形成ガスアニール（例えば、温度４
００℃で約１時間）後に他のオーダーの大きさで改善さ
れる。得られる値は厚さ１５Åの通常のＳｉＯ2誘電体
と組み合わせた最上のものよりも約５のオーダーの大き
さで一層良好である。この漏れ電流密度を超えて、１０
００℃で約１時間急速熱アニール（ＲＴＡ）を行うと、
Ｙ2Ｏ3膜は本質的に安定のままであることがわかる。
の場合におけるドメイン境界の不存在および表面または
界面歪の欠失により、結晶膜よりも装置への応用に対し
て一層適している。さらに、アモルファスＧｄ2Ｏ3膜の
漏れ電流はアモルファスＹ2Ｏ3膜と匹敵するものである
が、Ｙ2Ｏ3誘電率が厚さの減少に敏感でなく、約１８で
本質的に一定である点でＧｄ2Ｏ3よりも一層両立する誘
電体挙動を示す。図５は一連のアモルファスＹ2Ｏ3膜に
対するＪLのＶへの依存度を示している。図に示されて
いるように、厚さ４５Åの堆積アモルファスＹ2Ｏ3膜
は、１０Åの厚さ（“ｔeq”）の等価のＳｉＯ2に比較
して１Ｖで１０-6Ａ／ｃｍ2低い漏れ電流密度を与え
る。漏れ電流密度は形成ガスアニール（例えば、温度４
００℃で約１時間）後に他のオーダーの大きさで改善さ
れる。得られる値は厚さ１５Åの通常のＳｉＯ2誘電体
と組み合わせた最上のものよりも約５のオーダーの大き
さで一層良好である。この漏れ電流密度を超えて、１０
００℃で約１時間急速熱アニール（ＲＴＡ）を行うと、
Ｙ2Ｏ3膜は本質的に安定のままであることがわかる。
【００２１】厚さ１９６ÅのＧｄ2Ｏ3単一ドメインゲー
ト誘電体（形成ガスアニール後）を含むＭＯＳダイオー
ドの比キャパシタンス（Ｃ／Ａ）対電圧のデータを１０
０Ｈｚから１ＭＨｚの範囲にわたる周期の関数として図
６に示す。このような膜の誘電率（ε）を測定して約２
０の値を示した。図に示されているようにＭＯＳダイオ
ード挙動の蓄積から消耗モードへの変化は約２Ｖで起こ
り、キャリア（ホール）の反転は明らかであり、１０Ｋ
Ｈｚの周波数までＡＣ信号が同行する。図７は厚さ４５
ÅのアモルファスＹ2Ｏ3膜（後成長形成ガスアニール
後）に対するＣ／Ａ対Ｖのデータを示す。コンデンサ
は、相当する（またはよりよい）厚さ１０ÅのＳｉＯ2
に匹敵する３５から４０ｆＦ／μｍ2のような高いＣ／
Ａ値を持つ。この材料に関連する誘電率はこのような薄
い層であっても１８の値のままであることに注目すべき
である。
ト誘電体（形成ガスアニール後）を含むＭＯＳダイオー
ドの比キャパシタンス（Ｃ／Ａ）対電圧のデータを１０
０Ｈｚから１ＭＨｚの範囲にわたる周期の関数として図
６に示す。このような膜の誘電率（ε）を測定して約２
０の値を示した。図に示されているようにＭＯＳダイオ
ード挙動の蓄積から消耗モードへの変化は約２Ｖで起こ
り、キャリア（ホール）の反転は明らかであり、１０Ｋ
Ｈｚの周波数までＡＣ信号が同行する。図７は厚さ４５
ÅのアモルファスＹ2Ｏ3膜（後成長形成ガスアニール
後）に対するＣ／Ａ対Ｖのデータを示す。コンデンサ
は、相当する（またはよりよい）厚さ１０ÅのＳｉＯ2
に匹敵する３５から４０ｆＦ／μｍ2のような高いＣ／
Ａ値を持つ。この材料に関連する誘電率はこのような薄
い層であっても１８の値のままであることに注目すべき
である。
【００２２】本発明を特に好ましい実施態様に関して説
明したが、本発明の精神および範囲内で修正できること
は当業者にとって明らかであろう。たとえば、Ｇｄ2Ｏ3
およびＹ2Ｏ3は詳細に論じたが、単結晶およびアモルフ
ァスの形態のＭｎ2Ｏ3形の種々の他の希土類酸化物を使
用して、本発明の原理による高誘電性ゲート酸化物を作
ることができる。
明したが、本発明の精神および範囲内で修正できること
は当業者にとって明らかであろう。たとえば、Ｇｄ2Ｏ3
およびＹ2Ｏ3は詳細に論じたが、単結晶およびアモルフ
ァスの形態のＭｎ2Ｏ3形の種々の他の希土類酸化物を使
用して、本発明の原理による高誘電性ゲート酸化物を作
ることができる。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、シリコン基材装置のた
めの改良されたゲート酸化物材料を製造することができ
る。
めの改良されたゲート酸化物材料を製造することができ
る。
【図１】本発明の高誘電性ゲート酸化物の成長を支持す
るために好ましい微傾斜シリコン基板の例を示す図であ
る。
るために好ましい微傾斜シリコン基板の例を示す図であ
る。
【図２】３種の異なる（１１０）Ｇｄ2Ｏ3単一ドメイン
膜のセットに関するＸ線回折走査のグラフを示す図であ
る。
膜のセットに関するＸ線回折走査のグラフを示す図であ
る。
【図３】膜厚と好ましい配向の領域との間の関係を示す
Ｇｄ2Ｏ3膜の両退行配向(bothdegenerate orientation
s)から得た｛２２２｝反射を示す図である。
Ｇｄ2Ｏ3膜の両退行配向(bothdegenerate orientation
s)から得た｛２２２｝反射を示す図である。
【図４】結晶Ｇｄ2Ｏ3膜の漏れ電流密度（ＪL）対電圧
（Ｖ）のグラフを示す図である。
（Ｖ）のグラフを示す図である。
【図５】アモルファスＹ2Ｏ3膜の漏れ電流密度対電圧の
グラフを示す図である。
グラフを示す図である。
【図６】微傾斜シリコン基板上に成長した単結晶Ｇｄ2
Ｏ3に対する電圧の関数としての比キャパシタンスを示
す図である。
Ｏ3に対する電圧の関数としての比キャパシタンスを示
す図である。
【図７】通常のシリコン基板上で成長したアモルファス
Ｙ2Ｏ3に対する、電圧の関数としての比キャパシタンス
を示す図である。
Ｙ2Ｏ3に対する、電圧の関数としての比キャパシタンス
を示す図である。
１０ 微傾斜Ｓｉ（１００）基板 １２ ミスカット面 １４ 面階段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーメット レフィック コアタン アメリカ合衆国 07059 ニュージャーシ ィ，ウォーレン，チリスティ ドライヴ 56 (72)発明者 ジュエイナイ レイニエン クオ アメリカ合衆国 07060 ニュージャーシ ィ，ウォッチュング，ノッチンガム ドラ イヴ 40 (72)発明者 ジョセフ ペトラス マナーツ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，ブリアント パークウェイ 29
Claims (29)
- 【請求項１】 [１１０]方向に沿って階段状パターンを
示す主上面を形成するような所定の角ミスカット(angul
ar miscut)を示す微傾斜シリコン（１００）基板と、１
０-7ｔｏｒｒ以下の酸素分圧下で前記微傾斜シリコン基
板の階段状主表面上に、それらの間にＳｉＯ2膜を生成
することなく、所定の厚さｔに堆積された誘電率ε≧４
を示すＭｎ2Ｏ3形の希土類酸化物とを含む半導体装置。 - 【請求項２】 前記希土類酸化物は、Ｇｄ2Ｏ3を含む請
求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項３】 前記Ｇｄ2Ｏ3は、エピタキシャルＧｄ2
Ｏ3からなる請求項２に記載の半導体装置 - 【請求項４】 前記希土類酸化物は、２−ドメイン（１
００）Ｇｄ2Ｏ3構造からなる請求項２に記載の半導体装
置。 - 【請求項５】 前記希土類酸化物は、単一ドメイン（１
００）Ｇｄ2Ｏ3構造からなる請求項２に記載の半導体装
置。 - 【請求項６】 前記希土類酸化物は、Ｙ2Ｏ3からなる請
求項１に記載の半導体装置。 - 【請求項７】 前記Ｙ2Ｏ3は、エピタキシャルＹ2Ｏ3か
らなる請求項６に記載の半導体装置。 - 【請求項８】 前記希土類酸化物は、２−ドメイン（１
００）Ｙ2Ｏ3構造からなる請求項６に記載の半導体装
置。 - 【請求項９】 前記希土類酸化物は、単一ドメイン（１
００）Ｙ2Ｏ3構造からなる請求項６に記載の半導体装
置。 - 【請求項１０】 前記希土類酸化物は、１０Åから５０
０Åの範囲の厚さを含むように形成される請求項１に記
載の半導体装置。 - 【請求項１１】 前記微傾斜シリコン基板は、４°から
６°の範囲の所定の角ミスカットを含む請求項１に記載
の半導体装置。 - 【請求項１２】 前記所定の角ミスカットは、約４°で
あって、シリコン基板主表面上に約８０Åのテラス空間
を形成する請求項１１に記載の半導体装置。 - 【請求項１３】 上部主表面を含むように規定されたシ
リコン基板、および１０-7ｔｏｒｒ以下の酸素分圧下で
シリコン基板の主表面上に、それらの間にＳｉＯ2膜を
形成することなく、所定の厚さｔに堆積された誘電率ε
≧４を示すＭｎ2Ｏ3形の希土類酸化物のアモルファス酸
化物からなる半導体装置。 - 【請求項１４】 アモルファス希土類酸化物がＧｄ2Ｏ3
からなる請求項１３に記載の半導体装置。 - 【請求項１５】 前記アモルファス希土類酸化物は、Ｙ
2Ｏ3からなる請求項１３に記載の半導体装置。 - 【請求項１６】 高誘電性酸化物層を含む半導体装置の
製造方法において、次の工程、 ａ）所定の角ミスカットを示す微傾斜シリコン（１０
０）基板をその主表面上に施して、前記主表面上に階段
状パターンを形成し、 ｂ）前記シリコン主表面を清浄にして不純物、および酸
化物を除去し、 ｃ）前記基板を酸素周囲雰囲気を含む超高真空系に挿入
し、 ｄ）セラミック希土類酸化源を供給し、 ｅ）前記超高真空系内の酸素分圧を１０-7ｔｏｒｒより
も低いか、またはそれに等しいレベルに減少させ、 ｆ）所定厚さの前記セラミック希土類酸化物を該微傾斜
シリコン基板の該階段状パターン主表面上に電子線蒸着
させることからなる方法。 - 【請求項１７】 工程ａ）の実施において、前記微傾斜
シリコン（１００）を４°から６°の範囲の所定の角度
にミスカットする請求項１６に記載の方法。 - 【請求項１８】 工程ａ）の実施において、前記微傾斜
シリコン（１００）を４°から６°の範囲の所定の角度
にミスカットして、約８０Åの段高さを有する階段状パ
ターンを形成する請求項１７に記載の方法。 - 【請求項１９】 工程ｂ）の実施において、前記シリコ
ン基板を緩衝ＨＦ溶液で水素不活性化(passivation)す
ることにより清浄にする請求項１６に記載の方法。 - 【請求項２０】 工程ｄ）の実施において、セラミック
Ｇｄ2Ｏ3を供給する請求項１６に記載の方法。 - 【請求項２１】 工程ｄ）の実施において、セラミック
Ｙ2Ｏ3を供給する請求項１６に記載の方法。 - 【請求項２２】 工程ｆ）の実施において、１０Åから
５００Åの範囲の厚さを有する希土類酸化物層を形成す
る請求項１６に記載の方法。 - 【請求項２３】 さらに、次の工程、 ｇ）希土類酸化物誘電体層を、漏れ電流密度を所定値に
減少させるのに充分な温度、および時間の間ガスアニー
リングすることからなる請求項１６に記載の方法。 - 【請求項２４】 工程ｇ）の実施において、前記装置を
温度約４００℃で約１時間加熱する請求項２３に記載の
方法。 - 【請求項２５】 工程ｇ）の実施において、前記ガスア
ニールがＨ2およびＮ2の所定の混合物である請求項２３
に記載の方法。 - 【請求項２６】 工程ｇ）の実施において、温度約１０
００℃で約１時間の急速熱アニールを行う請求項２３に
記載の方法。 - 【請求項２７】 高誘電性酸化物層を含む半導体装置の
製造方法において、次の工程、 ａ）上部主表面を含むように規定されたシリコン（１０
０）基板を供給し、 ｂ）前記シリコン上部主表面を清浄にして不純物、およ
び酸化物を除去し、 ｃ）前記基板を酸素周囲雰囲気を含む超高真空系に挿入
し、 ｄ）セラミック希土類酸化源を供給し、 ｅ）前記超高真空系内の酸素分圧を１０-7ｔｏｒｒより
も低いか、またはそれに等しいレベルに減少させ、 ｆ）所定厚さの前記セラミック希土類酸化物を電子線蒸
発させて、前記ケイ素上部主表面上にアモルファス希土
類酸化物層を形成することからなる方法。 - 【請求項２８】 工程ｄ）の実施において、セラミック
Ｇｄ2Ｏ3を供給する請求項２７に記載の方法。 - 【請求項２９】 工程ｄ）の実施において、セラミック
Ｙ2Ｏ3を供給する請求項２７に記載の方法。
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