JP2002246594A - 窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウム/窒化アルミニウム・ヘテロ構造ゲート誘電体スタック・ベースの電界効果トランジスタおよびその形成方法 - Google Patents
窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウム/窒化アルミニウム・ヘテロ構造ゲート誘電体スタック・ベースの電界効果トランジスタおよびその形成方法Info
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Abstract
で薄いゲート誘電体を使用する方法および構造を提供す
ることにある 【解決手段】 構造(例えば電界効果トランジスタ)お
よびこの構造を製作する方法は、ソース領域、ドレイン
領域およびこれらの間のチャネル領域を有する基板と、
チャネル領域の上に配置された絶縁層と、絶縁層の上に
配置されたゲート電極を備え、絶縁層が、チャネル領域
の上に配置された窒化アルミニウムを含む層を含む。
Description
スに関し、詳細には電界効果トランジスタに関する。
型金属酸化膜半導体(CMOS)デバイスの高誘電率ゲ
ート誘電体は一般に、二酸化シリコン・ゲート誘電体を
利用している。製造可能なデバイスで使用されている他
のゲート誘電体は、ゲート誘電体スタックの一部として
酸窒化シリコン層をさらに含む。CMOSデバイスが小
型化するにつれ、スケーリング則はパラメータe/dの
低減を要求する。eおよびdはそれぞれ、誘電体層の誘
電率および厚さである。誘電率が3.8である二酸化シ
リコンなどの固定ゲート誘電材料では、デバイスが小さ
くなるにつれてその厚さも薄くならざるをえない。しか
し物理的な厚さが約1.5〜1.7ナノメートルを下回
ると、誘電体層は、許容できないほど大量のリーク電流
を伝える。
2の問題は、誘電体層が、自体への不純物またはドーパ
ント原子の拡散に対して透過性になることである。その
結果、このような誘電体層は、自体の下にあるシリコン
基板を保護することができない。
の上記の問題およびその他の問題を考慮すると、本発明
の目的は、電界効果トランジスタなどの半導体デバイス
で薄いゲート誘電体を使用する方法および構造を提供す
ることにある。
誘電体を使用することにある。
は、電界効果トランジスタが、ソース領域、ドレイン領
域およびこれらの間のチャネル領域を含む基板と、チャ
ネル領域の上に配置された絶縁層と、絶縁層の上に配置
されたゲート電極を含み、絶縁層が、チャネル領域の上
に配置された窒化アルミニウムを含む層を含む。
域の上に配置された酸化アルミニウムの層を含み、前記
窒化アルミニウムが酸化アルミニウムの上または下に配
置されることが好ましい。
域の上に配置された二酸化シリコンの層を含み、前記窒
化アルミニウムが二酸化シリコンの上または下に配置さ
れることが好ましい。
域の上に配置された窒化シリコンの層を含み、前記窒化
アルミニウムが窒化シリコンの上または下に配置される
ことが好ましい。
なくとも1層の誘電体層(例えば窒化アルミニウム)を
含むことが好ましく、下位層が酸化アルミニウム(また
は二酸化シリコンまたは窒化シリコン)、上位層が窒化
アルミニウムである2層の誘電体層を含むことがより好
ましい。これらの材料は、アモルファス材料、多結晶材
料または単結晶材料のいずれかとすることができる。
は、さまざまな技法のいずれかでシリコン表面に直接に
付着させることが好ましい。
二酸化シリコン・ゲート誘電体に代わる、シリコン相補
型金属酸化膜半導体(CMOS)トランジスタ用の高誘
電率ゲート誘電体を提供する。これが達成されるのは以
下の理由による。先に述べたとおり、関連するスケーリ
ング・パラメータは比e/dである。ただしeは誘電
率、dは膜厚である。誘電体が二酸化シリコンであると
きには、eが3.8という低い値に制限されることに留
意されたい。一方、窒化アルミニウムの誘電率は少なく
とも約9〜16の範囲にある。そのため、窒化アルミニ
ウム誘電体層では、物理的な厚さを、二酸化シリコン層
の少なくとも2.5倍にすることができ、それにもかか
わらず同じe/d比を維持する。言い換えると、二酸化
シリコン膜と、この二酸化シリコン膜よりも2.5倍以
上厚い窒化アルミニウム・フィルムとを互いに電気的に
等価であると言うことができる。それでも窒化アルミニ
ウム層は、その物理的な厚さのため、二酸化シリコン層
よりもはるかに低いリーク電流しか伝えない。
要とする将来の小型トランジスタは、窒化アルミニウム
・ベースの誘電体を使用することができ、これによって
リーク電流が小さくより小型で高速のデバイスを得るこ
とができる。
体層を通した不純物およびドーパントの拡散を防ぎ、そ
の下のシリコン基板を保護する。
の他の目的、態様および利点は、図面を参照した本発明
の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からいっそう深
く理解されよう。
参照する。これらの図には、本発明に基づく方法および
構造の好ましい実施形態が示されている。
ッチング・デバイス、増幅デバイスなどの半導体デバイ
スを形成する方法100を示す。
ン領域103、およびソース領域とドレイン領域の間に
形成されたチャネル領域104を有する基板101を用
意する。基板は、シリコン等から形成されることが好ま
しい。
ウム層105(または二酸化シリコンまたは窒化シリコ
ン)を、ソース領域とドレイン領域の間のチャネル領域
上に付着させる。繰り返しになるが、酸化アルミニウム
(または二酸化シリコンまたは窒化シリコン)105の
形成は任意選択であることに留意されたい。この層を形
成する場合には、酸化アルミニウム(または二酸化シリ
コンまたは窒化シリコン)の厚さが約0.1nmから約
2.0nmであることが好ましい。
6を、酸化アルミニウム(または二酸化シリコンまたは
窒化シリコン)(前の段階で形成した場合)の上に付着
させる。
または窒化シリコン)105を前の段階で付着させなか
った場合には、窒化アルミニウム106をチャネルの上
に直接に付着させる。酸化アルミニウムの形成は任意選
択であることに留意されたい。窒化アルミニウムの厚さ
は約0.1nmから約10nmであることが好ましい。
酸化アルミニウム(または二酸化シリコンまたは窒化シ
リコン)層がその下にない場合でも、窒化アルミニウム
の厚さを変更する必要は必ずしもないことに留意された
い。
に、金属またはポリシリコンから形成されたゲート電極
107を形成する。
イスの構造を示す。先に述べたとおりこの構造は、少な
くとも1層の誘電体層(例えば窒化アルミニウム)を含
み、または下位層が酸化アルミニウム、上位層が窒化ア
ルミニウムである2層の誘電体層を含む。これらの材料
は、アモルファス材料、多結晶材料または単結晶材料の
いずれかとすることができる。この実施形態で説明する
状況では、上位層が窒化アルミニウムである。ただしこ
の状況を逆にすることができる。すなわち、最初の層を
窒化アルミニウムとし、第2の層を二酸化シリコン、酸
化アルミニウムまたは窒化シリコンとすることができ
る。
ランジスタのそれである。しかし、このトランジスタの
変形物もこれと同じヘテロ構造誘電体を使用することが
できる。
たは二酸化シリコンまたは窒化シリコン)および窒化ア
ルミニウムは、Si表面に直接に付着させる。これは、
超高真空物理蒸着(UHV PVD)を含むさまざまな
技法によって達成することができる。
結果(キャパシタンス−電圧および電流−電圧)を示
す。これらの結果は、キャパシタンスが実際に存在する
ことを示している。
アルミニウム/シリコン(サンプル344)キャパシタ
およびアルミニウム/窒化アルミニウム/酸化アルミニ
ウム/シリコン(サンプル345)キャパシタの電気的
結果が示されている。
は5nm、サンプル345の酸化アルミニウムの厚さは
4nm、窒化アルミニウム層の厚さは0.8nmと見積
もられた。
で1.3nm、サンプル345で1.5nmの相当厚
(二酸化シリコンに対する)を有し、リーク電流が、同
じ相当厚で二酸化シリコンよりも7桁(サンプル34
5)および5桁(サンプル344)低い良質の界面を示
している(発明者らはまた、それよりも薄い厚さでは二
酸化シリコンを受け入れ可能に製作することができる相
当厚約0.9nmの窒化アルミニウム・ベースの誘電フ
ィルムを例証した)。
ル(例えば窒化アルミニウムおよび酸化アルミニウム/
窒化アルミニウム誘電体ヘテロ構造)の電流密度プロッ
ト、ならびに従来の構造で使用される二酸化シリコンと
の比較を示すグラフである。
と非常に低い電流密度、特に従来のゲート誘電体(二酸
化シリコンなど)に比べて非常に低い電流密度を得るこ
とができることを示している。
有かつ自明でない態様では、本発明のデバイスが少なく
とも1層の誘電体層(例えば窒化アルミニウム)を含む
ことが好ましく、一層が窒化アルミニウム、もう一層が
酸化Al、二酸化シリコンまたは窒化シリコンである2
層の誘電体層を含むことがより好ましい。
ン(または二酸化シリコンまたは窒化シリコン)ゲート
誘電体に代わる、シリコン相補型金属酸化膜半導体(C
MOS)トランジスタ用の高誘電率ゲート誘電体を提供
する。これによって、リーク電流を低く保つ電気的によ
り薄いゲート誘電体が得られ、良好な電気特性を有する
Siとの界面が提供される。
明を説明したが、添付の請求項の趣旨および範囲に含ま
れる修正とともに本発明を実施できることを当業者は理
解しよう。
の事項を開示する。
れらの間のチャネル領域を含む基板と、前記チャネル領
域の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層の上に配置さ
れたゲート電極を備え、前記絶縁層が、前記チャネル領
域の上に配置された窒化アルミニウムを含む層を含む電
界効果トランジスタ。 (2)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された酸化アルミニウムの層を含み、前記窒化アルミ
ニウムが前記酸化アルミニウムの上に配置された上記
(1)に記載のトランジスタ。 (3)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された酸化アルミニウムの層を含み、前記窒化アルミ
ニウムが前記酸化アルミニウムの下に配置された上記
(1)に記載のトランジスタ。 (4)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された二酸化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニ
ウムが前記二酸化シリコンの上に配置された上記(1)
に記載のトランジスタ。 (5)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された二酸化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニ
ウムが前記二酸化シリコンの下に配置された上記(1)
に記載のトランジスタ。 (6)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された窒化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニウ
ムが前記窒化シリコンの上に配置された上記(1)に記
載のトランジスタ。 (7)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に配
置された窒化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニウ
ムが前記窒化シリコンの下に配置された上記(1)に記
載のトランジスタ。 (8)前記絶縁層がさらに、前記窒化アルミニウムの上
に配置された二酸化シリコンの層を含む上記(2)に記
載のトランジスタ。 (9)前記絶縁層がさらに、前記酸化アルミニウムの下
に配置された二酸化シリコンの層を含む上記(2)に記
載のトランジスタ。 (10)前記絶縁層がさらに、前記窒化アルミニウムの
上に配置された二酸化シリコンの層を含む上記(4)に
記載のトランジスタ。 (11)前記絶縁層がさらに、前記窒化アルミニウムの
上に配置された酸化アルミニウムの層を含む上記(1)
に記載のトランジスタ。 (12)前記絶縁層がさらに、前記酸化アルミニウムの
上に配置された二酸化シリコンの層を含む上記(11)
に記載のトランジスタ。 (13)前記絶縁層がさらに、前記二酸化シリコンの上
に配置されたシリコン層を含む上記(12)に記載のト
ランジスタ。 (14)ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間の
チャネル領域を含む基板と、前記チャネル領域の上に配
置された絶縁層と、前記絶縁層の上に配置されたゲート
電極を備え、前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配
置された酸化アルミニウムを含む第1の層、および前記
第1の層の上に配置された窒化アルミニウムを含む第2
の層を含む電界効果トランジスタ。 (15)ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間の
チャネル領域を含む基板と、前記チャネル領域の上に配
置された絶縁層と、前記絶縁層の上に配置されたゲート
電極を備え、前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配
置された窒化アルミニウムを含む層を含む半導体デバイ
ス。 (16)電界効果トランジスタを含む上記(15)に記
載の半導体デバイス。 (17)ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間の
チャネル領域を含む基板と、前記チャネル領域の上に配
置された絶縁層と、前記絶縁層の上に配置されたゲート
電極を備え、前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配
置された窒化アルミニウムを含む層を含む多端子デバイ
ス。 (18)電界効果トランジスタを含む上記(17)に記
載の多端子デバイス。 (19)ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間の
チャネル領域を含む基板を形成する段階と、前記チャネ
ル領域の上に絶縁層を配置する段階と、前記絶縁層の上
にゲート電極を配置する段階を含み、前記絶縁層が、前
記チャネル領域の上に配置された窒化アルミニウムを含
む層を含む電界効果トランジスタの形成方法。 (20)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された酸化アルミニウムの層を含み、前記窒化アル
ミニウムが前記酸化アルミニウムの上に配置される上記
(19)に記載の方法。 (21)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された酸化アルミニウムの層を含み、前記窒化アル
ミニウムが前記酸化アルミニウムの下に配置される上記
(19)に記載のトランジスタ。 (22)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された二酸化シリコンの層を含み、前記窒化アルミ
ニウムが前記二酸化シリコンの上に配置される上記(1
9)に記載の方法。 (23)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された二酸化シリコンの層を含み、前記窒化アルミ
ニウムが前記二酸化シリコンの下に配置される上記(1
9)に記載のトランジスタ。 (24)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された窒化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニ
ウムが前記窒化シリコンの上に配置される上記(19)
に記載の方法。 (25)前記絶縁層がさらに、前記チャネル領域の上に
配置された窒化シリコンの層を含み、前記窒化アルミニ
ウムが前記窒化シリコンの下に配置される上記(19)
に記載のトランジスタ。 (26)ソース領域、ドレイン領域およびこれらの間の
チャネル領域を含む基板を形成する段階と、前記チャネ
ル領域の上に絶縁層を配置する段階と、前記絶縁層の上
にゲート電極を配置する段階を含み、前記絶縁層が、前
記チャネル領域の上に配置された窒化アルミニウムを含
む層を含む半導体デバイスの形成方法。 (27)前記絶縁層がさらに、二酸化シリコン、酸化ア
ルミニウムおよび窒化シリコンのうちの少なくとも1種
を含む上記(1)に記載のトランジスタ。
した構造を示す図である。
化アルミニウム/窒化アルミニウム誘電体ヘテロ構造の
キャパシタンス/ゲート電圧プロットを示すグラフであ
る。
化アルミニウムおよび酸化アルミニウム/窒化アルミニ
ウム誘電体ヘテロ構造)の電流密度プロット、ならびに
従来の構造で使用される二酸化シリコンとの比較を示す
グラフである。
は窒化シリコン)層 106 窒化アルミニウム層 107 ゲート電極
Claims (27)
- 【請求項1】ソース領域、ドレイン領域およびこれらの
間のチャネル領域を含む基板と、 前記チャネル領域の上に配置された絶縁層と、 前記絶縁層の上に配置されたゲート電極を備え、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された窒化
アルミニウムを含む層を含む電界効果トランジスタ。 - 【請求項2】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された酸化アルミニウムの
層を含み、 前記窒化アルミニウムが前記酸化アルミニウムの上に配
置された請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項3】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された酸化アルミニウムの
層を含み、 前記窒化アルミニウムが前記酸化アルミニウムの下に配
置された請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項4】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された二酸化シリコンの層
を含み、 前記窒化アルミニウムが前記二酸化シリコンの上に配置
された請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項5】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された二酸化シリコンの層
を含み、 前記窒化アルミニウムが前記二酸化シリコンの下に配置
された請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項6】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された窒化シリコンの層を
含み、 前記窒化アルミニウムが前記窒化シリコンの上に配置さ
れた請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項7】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された窒化シリコンの層を
含み、 前記窒化アルミニウムが前記窒化シリコンの下に配置さ
れた請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項8】前記絶縁層がさらに、 前記窒化アルミニウムの上に配置された二酸化シリコン
の層を含む請求項2に記載のトランジスタ。 - 【請求項9】前記絶縁層がさらに、前記酸化アルミニウ
ムの下に配置された二酸化シリコンの層を含む請求項2
に記載のトランジスタ。 - 【請求項10】前記絶縁層がさらに、 前記窒化アルミニウムの上に配置された二酸化シリコン
の層を含む請求項4に記載のトランジスタ。 - 【請求項11】前記絶縁層がさらに、 前記窒化アルミニウムの上に配置された酸化アルミニウ
ムの層を含む請求項1に記載のトランジスタ。 - 【請求項12】前記絶縁層がさらに、 前記酸化アルミニウムの上に配置された二酸化シリコン
の層を含む請求項11に記載のトランジスタ。 - 【請求項13】前記絶縁層がさらに、 前記二酸化シリコンの上に配置されたシリコン層を含む
請求項12に記載のトランジスタ。 - 【請求項14】ソース領域、ドレイン領域およびこれら
の間のチャネル領域を含む基板と、 前記チャネル領域の上に配置された絶縁層と、 前記絶縁層の上に配置されたゲート電極を備え、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された酸化
アルミニウムを含む第1の層、および前記第1の層の上
に配置された窒化アルミニウムを含む第2の層を含む電
界効果トランジスタ。 - 【請求項15】ソース領域、ドレイン領域およびこれら
の間のチャネル領域を含む基板と、 前記チャネル領域の上に配置された絶縁層と、 前記絶縁層の上に配置されたゲート電極を備え、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された窒化
アルミニウムを含む層を含む半導体デバイス。 - 【請求項16】電界効果トランジスタを含む請求項15
に記載の半導体デバイス。 - 【請求項17】ソース領域、ドレイン領域およびこれら
の間のチャネル領域を含む基板と、 前記チャネル領域の上に配置された絶縁層と、 前記絶縁層の上に配置されたゲート電極を備え、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された窒化
アルミニウムを含む層を含む多端子デバイス。 - 【請求項18】電界効果トランジスタを含む請求項17
に記載の多端子デバイス。 - 【請求項19】ソース領域、ドレイン領域およびこれら
の間のチャネル領域を含む基板を形成する段階と、 前記チャネル領域の上に絶縁層を配置する段階と、 前記絶縁層の上にゲート電極を配置する段階を含み、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された窒化
アルミニウムを含む層を含む電界効果トランジスタの形
成方法。 - 【請求項20】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された酸化アルミニウムの
層を含み、 前記窒化アルミニウムが前記酸化アルミニウムの上に配
置される請求項19に記載の方法。 - 【請求項21】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された酸化アルミニウムの
層を含み、 前記窒化アルミニウムが前記酸化アルミニウムの下に配
置される請求項19に記載のトランジスタ。 - 【請求項22】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された二酸化シリコンの層
を含み、 前記窒化アルミニウムが前記二酸化シリコンの上に配置
される請求項19に記載の方法。 - 【請求項23】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された二酸化シリコンの層
を含み、 前記窒化アルミニウムが前記二酸化シリコンの下に配置
される請求項19に記載のトランジスタ。 - 【請求項24】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された窒化シリコンの層を
含み、 前記窒化アルミニウムが前記窒化シリコンの上に配置さ
れる請求項19に記載の方法。 - 【請求項25】前記絶縁層がさらに、 前記チャネル領域の上に配置された窒化シリコンの層を
含み、 前記窒化アルミニウムが前記窒化シリコンの下に配置さ
れる請求項19に記載のトランジスタ。 - 【請求項26】ソース領域、ドレイン領域およびこれら
の間のチャネル領域を含む基板を形成する段階と、 前記チャネル領域の上に絶縁層を配置する段階と、 前記絶縁層の上にゲート電極を配置する段階を含み、 前記絶縁層が、前記チャネル領域の上に配置された窒化
アルミニウムを含む層を含む半導体デバイスの形成方
法。 - 【請求項27】前記絶縁層がさらに、二酸化シリコン、
酸化アルミニウムおよび窒化シリコンのうちの少なくと
も1種を含む請求項1に記載のトランジスタ。
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