JP2004214386A - Field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造の電界効果トランジスタ(FET:Field−Effect−Transistor)及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタは、MOS(Metal−Oxide−Semiconductor)型FETの微細度を高めることにより性能向上を果たしてきたが、製造プロセスが進化するにつれて微細度の追求による性能向上に陰りが見え始めている。トランジスタの微細化とは、ゲート絶縁膜の膜厚や、ゲート長等のMOSFETの各部分を長さ方向と横方向のサイズを同時に縮小することであるが、そのサイズが原子サイズに近づいている為に微細化の効果に限界が見え始めているのである。
【0003】
例えば、従来から用いられているSiO2からなるゲート絶縁膜では、2nm以下の膜厚領域になると直接トンネル電流が流れ始めるため、ゲートリーク電流の抑制ができず消費電力の増加等の問題を回避できない。このため、SiO2よりも誘電率が高い材料(高誘電体)をゲート絶縁膜に用いて、SiO2換算膜厚(以下、EOT(Equivalent Oxide Thickness)とも云う)を抑えつつ、物理膜厚を稼いでリーク電流を抑えることが必要となる。
【0004】
しかしながら、高誘電体ゲート絶縁膜を用いた場合にはSiO2の場合に比べ、界面準位密度の増加や高誘電体膜中の不純物散乱により、キャリア移動度が低下してトランジスタの特性が劣化してしまうという大きな問題点がある。このようなキャリア移動度の低下を補うため、チャネル層に歪Siを用いるトランジスタの開発が進められている。
【0005】
歪Siトランジスタは、Siの結晶格子が、接している別の結晶の格子間隔に影響されて歪む効果を利用して、チャネル層のキャリア移動度を高めるものである。シリコン・ゲルマニウム(SiGe)層の上に、トランジスタのキャリア移動通路であるチャネル層となるシリコン結晶を形成させることで、SiGe層に接したチャネル層のSi結晶が歪み、より高いキャリア移動度が実現できる。しかし、その基板となるSGOI(SiGe on Insulator)基板を作るにはSOI(Si on Insulator)基板上にSiGeを堆積した後、SiGeを酸化し、酸化によりGeを濃縮した後に酸化膜を剥離、その上にSiをエピタキシャル成長させる、という複雑な工程を経る必要がある(例えば、非特許文献1参照)。また、チャネル層に引張性の内部応力や格子歪みを与えてトランジスタの移動度の向上を図るために、SiGeを用いて歪みSiを製造する他の方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
このように、FET形成工程が煩雑化・複雑化するためにプロセスの歩留まりが低下しコスト上昇等の問題を引き起こすことが予想される。さらに、歪みSi層の薄膜化に伴い、SiGe層から拡散したGeによる散乱の効果が顕著になり、キャリア移動度が劣化するといった問題も抱えている。
【0007】
なお、チャネル層に引張性の内部応力や格子歪みを与えてトランジスタの移動度の向上を図るために、チャネル層下部に設けられるアンダーコート絶縁膜や、ゲート絶縁膜の材料として酸化シリコン、窒化シリコンを用いることが知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
また、チャネル層上にSiO2などのアモルファス層が形成されることなく、Si基板に直接接合した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させて極薄のゲート絶縁膜を実現することができることが知られている(例えば、非特許文献2参照)。しかし、この非特許文献2にはチャネル層が歪みSiとなっていることは記載されていない。
【0009】
【非特許文献1】
T. Mizuno et al., IEDM, p.934(1999)
【非特許文献2】
Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480(2002)
【特許文献1】
特開2001−284558公報
【特許文献2】
特開2002−176061公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、微細度の追求によるトランジスタ性能向上に陰りが見え始めている現在、歪Siトランジスタのようにトランジスタ構造自体に新しい工夫を導入することが必要となる。
【0011】
しかし従来型のSGOI基板を用いた方法では、FET形成工程が煩雑化・複雑化するために歩留まりが低下しコスト上昇等の問題を引き起こすことが予想され、さらに、歪みSi層の薄膜化に伴い、SiGe層から拡散したGeによる散乱の効果が顕著になり、キャリア移動度が劣化するといった問題も抱えていた。
【0012】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることのできる電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の様態による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、このチャネル領域上に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる金属酸化物層を少なくとも含むゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域とを備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0014】
また、本発明の第2の態様による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、前記基板と前記チャネル領域の間に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる金属酸化物層を少なくとも含む絶縁膜と、前記チャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、を備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0015】
なお、前記金属酸化物層は、少なくとも一種類以上の希土類元素を含む希土類酸化物から構成されていても良い。
【0016】
なお、前記金属酸化物層は、Ce、Dy、Y、Gd、La、Prのいずれか一種類以上の金属元素を含んでいても良い。
【0017】
なお、前記金属酸化物層は、金属と酸素の組成比が化学量論比よりも少なくても良い。
【0018】
なお、前記金属酸化物層の格子間隔は、金属と酸素の組成比が化学量論比であるときの格子間隔と異なっていても良い。
【0019】
なお、前記金属酸化物層と前記チャネル領域との間に結晶質の岩塩構造金属酸化物が設けられていても良い。
【0020】
なお、前記岩塩構造金属酸化物は、Mg、Ca、Sr、Baのいずれか一種類以上の金属元素を含んでいても良い。
【0021】
また、本発明の第3の態様による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、前記基板と前記チャネル領域の間に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる第1の金属酸化物層を少なくとも含む第1の絶縁膜と、前記チャネル領域上に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる第2の金属酸化物層を少なくとも含むゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、を備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の第4の態様による電界効果トランジスタの製造方法は、基板上に結晶質の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜を形成し、前記金属酸化物中の酸素組成比を化学量論比から減じる工程と、前記絶縁膜上にゲート電極及びこのゲート電極の各側の前記基板にソース・ドレイン領域をそれぞれ形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする。
【0023】
なお、前記酸素組成比を化学量論比から減じる工程は、前記絶縁膜に、熱処理、レーザー照射、電子線照射、および電磁波照射の少なくとも一つを行うことが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0025】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるMISFETの断面構成を図1に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の表面にチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上には結晶性の金属酸化膜を少なくとも含むゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7を構成する金属酸化膜の格子間隔がSiとは異なるため、チャネル領域5におけるSiはゲート絶縁膜7から応力をうけ、歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。つまり、本実施形態においては、チャネル領域5におけるSiの格子間隔は半導体基板1におけるSiの格子間隔と異なるように構成されている。ここで、nチャネルMISFETの場合には、金属酸化膜の格子定数をSiより大きくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を引っ張り応力により広げる。これにより、チャネル層5における電子の移動度を高めることが可能となる。一方、pチャネルMISFETの場合には、金属酸化膜の格子定数をSiより大きく、または小さくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を、引っ張り応力、または圧縮応力により変化させる。これにより、チャネル層5における正孔の移動度を高めることが可能となる。
【0026】
次に、本実施形態によるMISFETの製造方法を、nチャネルMISFETを例にとって図2および図3を参照して説明する。
【0027】
まず、図2(a)に示すように、(001)面方位を持つシリコン基板1上に素子分離領域2を形成した後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとなる領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行い、チャネル領域5のSi表面を水素で終端化する。
【0028】
次に、このシリコン基板1を電子ビーム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、Pr6O11を蒸着源として用いて金属酸化物Pr2O3を5nm蒸着し、金属酸化膜7aを形成する(図2(b)参照)。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Pr2O3からなる金属酸化膜7aの配向性を高め結晶性を向上させた。またこのとき、チャネル層5の表面のSiが酸化されて、チャネル層5とPr2O3からなる金属酸化膜7aの間には、膜厚0.5nmのSiO2層7bが形成された。つまり、絶縁膜7は、膜厚0.5nmのSiO2層7bと膜厚5nmのPr2O3層7aからなる積層構造となっている(図2(b)参照)。
【0029】
X線回折評価より、Pr2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.52Åである(Siに対して格子定数は1.7%大きい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Pr2O3層7aは(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0030】
次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図2(c)参照)。
【0031】
続いて、図3(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極7をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物を導入したソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0032】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図3(b)参照)。続いて、図3(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、nチャネルMISFETが完成する。
【0033】
次に、図2および図3に示した構造を持つnチャネルMISFETのゲート絶縁膜の特性について詳細に述べる。通常、絶縁膜として用いる金属酸化物が結晶質のものであっても、その格子定数がチャネル層5のSiに影響を与えることはない。しかし、今回、我々は面方位(001)に強く配向し、結晶性が高いPr2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに引っ張り応力が加わり、格子定数が変化することを見出した。
【0034】
図4は、図2乃至図3に示した構造を持つnチャネルMISFETにおける絶縁膜7とチャネル領域5の拡大図であり、Pr2O3層7a、SiO2層7b、およびチャネル領域5における断面構造を示す模式図である。図5は透過型電子顕微鏡(以下、TEM(Transparent Electron Microscope))を用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図4に示しように、Pr2O3層7a、SiO2層7bとシリコン基板の界面近傍のSi、界面から50nm離れたシリコン基板のSi、および上記界面から250nm離れた半導体基板1のSiである。上記界面から250nm離れたSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。図5から分かるようにPr2O3層7aの格子定数は、上記界面から250nm離れたSi層に比べて+1.7%増加しているが、この結果は、X線回折から得られる金属酸化物Pr2O3の格子定数の値に一致する。さらに、このPr2O3層7aに引っ張られる形で界面でのSiが歪んでおり、格子定数の変化は+0.5%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が+0.4%大きくなっている。
【0035】
この結果から、Siと格子間隔が異なり、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜7とすることにより、チャネル領域5のSi層の格子間隔を変化させることができることが示された。結晶性を高めることにより金属酸化物の弾性定数が大きくなる、つまり、定性的に考えると結晶が硬くなっているものと考えられる。このため、金属酸化物の格子定数が、Siに対して大きく影響を与え、界面から50nmの深さにおいても格子変形が起こるものと考えられる。
【0036】
次に、本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のPr2O3層を含むゲート絶縁膜7を有するトランジスタと、比較例としてアモルファスであるSiONをゲート絶縁膜として有するトランジスタとを製作し、本実施形態と比較例との特性を比較した。図6は、共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmである、SiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例のトランジスタと、Pr2O3/SiO2積層構造からなる絶縁膜を有する本実施形態のトランジスタのId−Vg特性を示したものである。
【0037】
SiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例のnチャネルMISFETにおけるSファクターは92mV/decadeであり、この値は、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のnチャネルMOSFETに比較してかなり劣化している。これは、チャネル領域との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0038】
一方、Pr2O3層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態のnチャネルMISFETのSファクターは75mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかる。また、電流駆動力も本実施形態は比較例に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に引っ張り歪みが加わることにより電子の移動度が向上したことと、さらに、チャネル層との界面にSiO2が存在することで界面準位密度が低減できたことによる。
【0039】
以上、説明したように、本実施形態によれば、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることでチャネル領域のSiに引っ張り応力を与えることができ、電子移動度を高めることによりトランジスタ特性の大幅な改善が可能となる。また、歪みSiを発生させるためにSOI上にSiGeを堆積、その後、酸化してGeを濃縮、その上にSiをエピタキシャル成長させる、といった複雑な工程を経る必要がない。このため、基板として、従来通りのSi基板もしくはSOI基板を用いることが出来、大幅なコストダウンが可能である。
【0040】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるpチャネルMISFETについて説明する。この実施形態によるpチャネルMISFETは、図1に示す第1実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、チャネル層5のSiに圧縮応力を加えるために、Siより格子定数の小さい金属酸化膜、例えば、Dy2O3を用いている。作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同じように行う。チャネル層5は、砒素元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。Dy2O3金属酸化膜7aは、電子ビーム蒸着法を用いて形成した。Dy2O3を蒸着源として用いて金属酸化物Dy2O3を5nm蒸着し、Dy2O3からなる金属酸化膜7aを形成する。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Dy2O3の配向性を高め結晶性を向上させた。また、チャネル層5表面のSiが酸化されて、チャネル層5とDy2O3からなる金属酸化膜7aとの間には、膜厚が0.5nmのSiO2層7bが形成されている。つまり、絶縁膜7は、膜厚が0.5nmのSiO2層7bと膜厚が5nmのDy2O3層7aからなる積層構造となっている。
【0041】
X線回折評価より、Dy2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Dy2O3層は面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。また、電子線回折を用いた格子定数評価の結果、面方位(001)に強く配向し、結晶性が高いDy2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなることが確認された。Dy2O3層7aの格子定数の変化は−1.8%であり、このDy2O3層7aに付随して界面におけるSiが歪んでおり、格子定数の変化は−0.5%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.4%変化していた。この結果から、Siより格子間隔が小さく、且つ結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜とすることにより、チャネル領域のSi層の格子間隔を小さくできることが示された。
【0042】
本実施形態によるDy2O3層7aを含むゲート絶縁膜7を有するトランジスタと、比較例としてアモルファスであるSiONからなるゲート絶縁膜を有するトランジスタとを製作し、本実施形態と比較例の特性を比較した。共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmのSiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例によるpチャネルMISFETと、Dy2O3/SiO2積層構造からなるゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したところ、SiONゲート絶縁膜を有する比較例におけるSファクターは、120mV/decadeであり、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のpチャネルMOSFETに比較してかなり劣化していた。これは、チャネル層との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0043】
一方、Dy2O3層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのSファクターは100mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかった。また、本実施形態は、電流駆動力も比較例に比べ向上していることが確認された。これは、チャネル層のSi層に圧縮応力が加わることにより正孔の移動度が向上したことと、さらに、チャネル層との界面にSiO2が存在することで界面準位密度が低減できたことによる。
【0044】
以上のように、本実施形態によれば、pチャネルMISFETにおいても、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、トランジスタ特性の大幅な改善が可能となる。
【0045】
第1または第2実施形態では、結晶性の金属酸化物としてPr2O3またはDy2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることが確認された。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、電子ビーム蒸着法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、分子線エピタキシー(MBE)法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0046】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させ得るからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることが確認された。
【0047】
上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。
【0048】
一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いれば良い。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から―1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0049】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるnチャネルMISFETについて説明する。
【0050】
本実施形態によるnチャネルMISFETは、図1に示す第1実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiに引っ張り応力を加えるために、酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物、例えば、Ce酸化物を用いる。本実施形態におけるnチャネルMISFETの作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同様である。基板としては、(111)面方位を持つSiを用い、チャネル領域は、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。Ce酸化物はMBE法を用いて形成する。チャネル領域のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、この基板をMBE装置に導入する。基板温度を例えば700℃とし、金属Ceを蒸発源として用いてCeを0.6モノレイヤ蒸着した後、オゾンO3または酸素ガスを供給して、Ce酸化物からなる絶縁膜を5nmの厚さで成膜する。成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrとした。このような成膜方法を用いることにより、界面にSiO2などのアモルファス層が形成されること無く、Siに直接接合し、面方位(111)方向に配向した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させることができる。この方法を用いて極薄ゲート絶縁膜を実現できることを、本発明者らはすでに報告している(Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41,2480(2002))。なお、この文献には、Siが歪むことは記載されておらず、その後の本発明者の知見によってSiが歪むことが明らかになった。
【0051】
次に、第3実施形態によるnチャネルMISFETのゲート絶縁膜の特性について詳細に述べる。図7は、Ce酸化物からなるゲート絶縁膜8とチャネル領域の拡大図であり、Ce酸化物層8とシリコンからなるチャネル領域5の断面構造の模式図である。図8は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図7に示しように、Ce酸化物からなるゲート絶縁膜8、Ce酸化物/Si界面近傍のSi、上記界面から50nm離れたSi、および上記界面から250nm離れたSiである。上記界面から250nm離れたSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。Ce酸化物の格子定数はSiよりも+0.8%程度大きくなっている。さらに、それに付随して界面におけるSiは+0.75%歪んでいる。さらに、界面から50nm離れたSiにおいても格子定数は変化しており、+0.65%と大きな値であることがわかった。CeO2はSiに直接接合しており、格子定数の違いがより直接的にSi層に影響を及ぼすため、Si層は大きく歪み、格子定数の変化はCeO2層8とほぼ同じ程度まで大きくなっていることがわかる。
【0052】
バルクのCe酸化物であるCeO2の格子定数は5.411Åと報告されている。つまり、Siの格子定数(5.430Å)に比較してCeO2の格子定数は小さいはずである。しかし、本発明者らの実験結果はこれまでのCeO2の格子定数の報告値とは全く逆の傾向であり、図8に示すようにCe酸化物の格子定数はSiよりも大きいことがわかった。これらの原因について、詳細に検討を行った結果、Ce酸化物中の酸素組成比が変化することにより、格子定数が変化するという新たな知見を得た。
【0053】
図9にCe酸化物(CeOx)における酸素組成比と格子定数の関係を示す。酸素組成比はエネルギー分散蛍光X線法(EDX)により測定した。酸素組成比が化学量論比(x=2.0)のときの格子定数は5.411Åであり、これまでのCe酸化物(CeO2)の格子定数の報告値と一致する。一方、酸素組成比が化学量論比より小さくなり、x<2.0の場合には格子定数が大きくなることがわかった。このように、Ce酸化物の格子定数が酸素組成比により大きく変化するのは、Ce酸化物が強いイオン結合を持つ結晶であることによると考えられる。
【0054】
図10(a)、(b)にCe酸化物における酸素欠損の模式図を示す。結晶中の格子位置の酸素が抜けることにより、抜けた酸素と結合していたCe原子の格子位置が、他の酸素との結合に引っ張られることにより元の格子位置から変位する。この結果、格子間の平均距離は大きくなり格子定数が大きくなるものと考えられる。
【0055】
本実施形態に示したCe酸化物の格子定数はSiに比べて+0.8%となっており、図9の特性グラフから酸素組成比は1.77であることがわかった。酸素組成比が減少するのは、MBE成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrと低く設定しているためである。酸素分圧を制御することによりCe酸化物の酸素組成比を変化させることができ、酸素分圧を1×10−7Torrとしたときは、酸素組成比は1.89となった。
【0056】
次に、Siと格子間隔の異なる結晶質のCe酸化膜をゲート絶縁膜として有するnチャネルMISFETと、アモルファスSiONからなるゲート絶縁膜を有するnチャネルMISFETの特性を比較した。図11は、SiO2換算膜厚(EOT)が1nmである、SiON、酸素組成比の異なるCe酸化物(CeO1.77、CeO1.89、CeO2.00)をゲート絶縁膜として有するn−チャネルMISFETのId−Vg特性を示す。
【0057】
アモルファスSiONからなるゲート絶縁膜を有するn−チャネルMISFETのSファクターは、92mV/decadeであり、SiO2からなるゲート絶縁膜を用いた通常のn−チャネルMISFETの場合より劣化している。これは、チャネル領域との界面に窒素が拡散してきており、界面準位密度が増加しているためである。
【0058】
Ce酸化物に注目すると、酸素組成比が小さくなるにつれ、Sファクターは小さくなり、さらに、電流駆動力が向上していることがわかる。酸素組成比が化学量論比であるx=2.0のときのSファクターは120mV/decadeであり、SiONの場合よりさらに劣化している。これはCe酸化物中の不純物散乱(例えば、ゲート電極からのボロンの拡散)により、電子移動度が低下しているためと考えられる。しかし、酸素組成比の減少とともにSファクターは低下し、x=1.77では61mV/decadeまで改善されている。これは、酸素組成比が小さくなるにつれCe酸化物の格子間隔が大きくなることによりチャネルのSiの格子間隔も大きくなり、電子の移動度が向上するためである。Ce酸化物中の不純物散乱による電子移動度の低下を補い、歪みの効果による電子移動度の向上のほうが大きく寄与するためであると考えられる。
【0059】
なお、結晶性の金属酸化物としてCeO2を用いた場合について述べたが、イオン結合性の高い結晶であれば同等の効果が得られる。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。
【0060】
結晶性のCe酸化物は単結晶の場合を示したが、結晶方位が配向した多結晶の場合も同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、MBE法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法法など他の成膜方法を用いてもよい。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、酸素組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることが確認された。
【0061】
なお、第1及び第2実施形態においては面方位が(001)のSi基板上に、第3実施形態においては面方位が(111)のシリコン基板上にMISFETを形成したが、面方位は(001)、(111)のいずれでもよい。また、MISFETが形成されるシリコン基板は面方位が(110)であっても良いし、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0062】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるpチャネルMISFETについて説明する。本実施形態によるpチャネルMISFETは、第2実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、結晶性の金属酸化物とチャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟んだことを特徴とする。作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同様である。
【0063】
チャネル領域は、砒素元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。岩塩構造金属酸化物としてはSrO、金属酸化膜としてはDy2O3を用い、これら2種類の金属酸化物はMBE法で形成した。チャネル領域のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、この基板をMBE装置に導入する。基板温度を例えば300℃とし、金属Srを蒸発源として用いてSrを2原子層蒸着した後、酸素ガスを供給して、SrO層を形成する。
【0064】
次に、例えば基板温度を700℃として、金属Dyと酸素ガスを供給して、Dy2O3層を5nm形成する。成膜時における酸素分圧は1×10−7Torrとした。Si上にSrOを2原子層成膜することにより、第2の実施形態で示したようなSiO2層が形成されることなく、Dy2O3層が形成された。SrOが酸素の拡散を防ぐためである。つまり、絶縁膜は、SrO層2原子層とDy2O3層5nmからなる積層構造となっている。このような方法で形成されたDy2O3の配向性は高く、結晶性が良好であることがX線回折評価から確認された。また、Dy2O3層は面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。
【0065】
電子線回折を用いた格子定数評価の結果、チャネル層のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなること確認した。Dy2O3の格子定数の変化は−1.8%であり、界面近傍におけるSiの格子定数の変化は−0.8%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.7%変化していた。このSiの格子定数の変化量は、SrO層を用いていない第2の実施形態に比べて、約2倍程度まで増大している。アモルファスのSiO2層が形成されないため金属酸化膜における格子間隔の相違がより直接的にSi層に加わったことと、SrOの格子定数が5.12ÅとDy2O3よりもさらに小さいために圧縮応力を加える効果がより高まったためである。ここでは、SrO層の厚さを2原子層としたが、SrO層の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましいことがわかった。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、SiO2層が発生してしまうからである。
【0066】
以上述べたようなSrO層とDy2O3層を含むゲート絶縁膜を有するトランジスタと、アモルファスであるSiONをゲート絶縁膜として有するトランジスタとの特性を比較した。共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmである、SiONからなるゲート絶縁膜と、Dy2O3/SrO積層構造からなるゲート絶縁膜をそれぞれ有するpチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したところ、SiONからなるゲート絶縁膜におけるSファクターは、120mV/decadeであり、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のpチャネルMOSFETのそれに比較してかなり劣化している。これは、チャネル層との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0067】
一方、Dy2O3/SrO層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのSファクターは90mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかった。また、本実施形態は、電流駆動力もSiONの場合に比べ向上していることが確認された。これは、チャネル層のSi層により大きな圧縮応力が加わることにより正孔の移動度がさらに向上したことによる。
【0068】
以上説明したように、本実施形態によれば、岩塩構造の金属酸化物を挿入することによりSiと格子間隔が異なる金属酸化物を用いる効果がより高まることが明らかとなった。
【0069】
なお、本実施形態では、SrOを用いた場合を示したが、他の岩塩構造を持つ金属酸化物を用いてもよい。特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。
【0070】
Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、上記Si層上に形成される膜厚の大きい結晶性の金属酸化物で主に決まるので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。
【0071】
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態によるMISFETの断面構成を図12に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の中に、Siとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜3が埋設されている。半導体基板1にはチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側の半導体基板1に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上にはゲート絶縁膜7が形成されている。チャネル領域5におけるSiは、金属酸化物から応力を受けて歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。
【0072】
本実施形態によるMISFETがnチャネルMISFETの場合には、金属酸化物からなる絶縁膜3の格子定数をSiより大きくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を引っ張り応力により広げる。これにより、チャネル層における電子の移動度を高めることが可能となる。一方、本実施形態によるMISFETがpチャネルMISFETの場合には、金属酸化物の格子定数をSiより大きく、または、小さくし、チャネル層におけるSiの格子間隔を、引っ張り応力、または圧縮応力により変化させる。これにより、チャネル層における正孔の移動度を高めることが可能となる。
【0073】
次に、本実施形態によるnチャネルMISFETの作製方法を、図13および図14を参照にして説明する。
【0074】
まず、(001)面方位を持つシリコン基板1の表面に希フッ酸処理を行い、シリコン基板1の表面を水素で終端化する。続いて、図13(a)に示すように、このシリコン基板1をスパッタ装置に導入し、基板温度を例えば600℃とし、La2O3を蒸着源として用いてシリコン基板1上に金属酸化物La2O3を10nm蒸着し、絶縁膜3を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、La2O3の配向性を高め結晶性を向上させた。また、シリコン基板1の表面のSiが酸化されて、シリコン基板1と金属酸化物La2O3からなる絶縁膜3aの間には、膜厚が2nmのSiO2層3bが形成された。X線回折評価より、La2O3層3aは(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.70Åであり、Siに対して格子定数は5.0%大きいことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、La2O3層3aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0075】
次に、CVD法を用いて膜厚100nmのSiからなるチャネル層5を成膜する(図13(b)参照)。このとき、金属酸化物La2O3からなる絶縁膜3aとチャネル層5との間には、膜厚が1nmのSiO2層3c形成された。つまり、絶縁膜3は、膜厚2nmのSiO2層3b、膜厚10nmのLa2O3層3a、膜厚1nmのSiO2層3cからなる積層構造となっている。
【0076】
次に、チャネル層5の両側に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンの元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル層5に急峻な不純物プロファイルを形成する(図13(c)参照)。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、チャネル層5のシリコン表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化する。
【0077】
次に、熱酸化を行うことにより、SiO2からなるゲート絶縁膜7を例えば3nm成膜する。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図13(d)参照)。
【0078】
続いて、図14(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル層5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物を導入したソース・ドレイン領域11a、11bを形成する(図14(a)参照)。
【0079】
次に、CVD法によりSiO2からなる層間絶縁膜13を全面に堆積する(図14(b)参照)。続いて、図14(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11b上およびゲート電極上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート電極15cが形成され、nチャネルMISFETが完成する(図14(c)参照)。
【0080】
次に、図13および図14に示した構造を持つnチャネルMISFETのチャネル層5の特性について詳細に述べる。図15は、SiO2層3b/La2O3層3a/SiO2層3cの積層構造からなる絶縁膜3と、チャネル層5の拡大図であり、断面構造を模式的に示したものである。図16は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図15に示したように、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSi層、La2O3層3a、Siチャネル層5とSiO2層3cと界面近傍のSi層、この界面から50nm離れた位置のSi層、この界面から100nm離れた位置のSi層(SiO2ゲート絶縁膜7とチャネル層5の界面近傍のSi)である。
【0081】
図16は、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。La2O3層3aの格子定数は、基準となるSi層に比べて5.0%増加している。この結果は、X線回折から得られる金属酸化物La2O3の格子定数の値に一致する。チャネル層5とSiO2層3cとの界面近傍におけるチャネル層5のSiはLa2O3層3aに付随して+1.0%歪んでいる。さらに、この界面から50nm離れた位置におけるSiにおいても格子定数は変化しており、+0.8%歪んでいることがわかった。また、この界面から100nm離れた位置のチャネル層5(すなわち、SiO2ゲート絶縁膜7と、チャネル層5の界面近傍のSi)におけるSiでも+0.6%歪んでいることが確認された。この結果から、Siより格子間隔が大きく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜を基板中に埋設することで、チャネル領域5のSi層の格子間隔を大きくできることが示された。
【0082】
本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のLa2O3層を含む絶縁膜をシリコン基板1に埋設したトランジスタと、比較例となる歪みSGOIトランジスタの特性を比較する。図17に、周知の方法により作製された比較例となる歪みSGOIトランジスタの断面構造を示す。この歪みSGOIトランジスタは、歪みSiを作製するために、シリコン基板101、SiGe層102、絶縁膜103、および図示しないシリコン層からなるSOI基板上にSiGe層104を堆積、その後、酸化してGeを濃縮する。この濃縮によって、Geが濃縮されたSiGe層104上に生じるSiO2膜を剥離し、その後、SiGe層104上にSi層105をエピタキシャル成長させる、といった複雑な工程を必要としている。これにより、Si層105は歪みSiとなる。Si層105上にSiO2からなるゲート絶縁膜107およびゲート電極108を形成し、このゲート電極108の両側のSi層105およびSiGe層104に不純物を導入することにより、ソース領域109aおよびドレイン領域109bを形成する。
【0083】
一方、本実施形態による方法では、基板としてSi基板を用いることが出来、大幅なコストダウンが可能である。図18は、共に3nmのSiO2ゲート絶縁膜を有するSGOI構造の比較例によるnチャネルMISFETと、La2O3層を埋設して作製した本実施形態によるnチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したものである。
【0084】
歪みSGOI構造の比較例によるnチャネルMISFETにおけるSファクターは、75mV/decadeである。
【0085】
これに対して、La2O3層を埋設した本実施形態によるnチャネルMISFETのSファクターは70mV/decadeであり、歪みSGOI構造を有する比較例に比べて、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、本実施形態は、電流駆動力も比較例に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分な引っ張り歪みが加えることが可能となり、電子の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0086】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜を基板に埋設することでチャネル領域のSiに引っ張り応力を与えることができる。また、本実施形態によれば、従来の歪みSGOIを用いるような複雑な工程を経ることなく、電子移動度を高めることによりトランジスタ特性の改善が可能となる。
【0087】
第5の実施形態では、絶縁膜3aを構成する結晶性の金属酸化物としてLa2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることが確認された。
【0088】
また、結晶性の金属酸化物の成膜方法として、スパッタ法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、電子ビーム蒸着法、MBE法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0089】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させうるからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0090】
第5実施形態においては、nチャネルMISFETの場合について述べたが、pチャネルMISFETについても同様の方法で実施することができる。上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。
【0091】
また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いればよい。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から−1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0092】
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態によるnチャネルMISFETについて説明する。本実施形態によるnチャネルMISFETは、図12に示す第5実施形態によるnチャネルMISFETと同様の構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiに引っ張り応力を加えるために、絶縁膜3として金属と酸素の組成比が化学量論比より少ない金属酸化物、例えば、Ce酸化物を基板に埋設する。
【0093】
本実施形態におけるnチャネルMISFETの作製方法は、図13、図14に示した方法とほぼ同様であるが、基板としては、(111)面方位を持つシリコン基板を用いる。Ce酸化物はMBE法を用いて形成する。基板のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、MBE装置に導入する。基板温度を例えば700℃とし、金属Ceを蒸発源として用いてCeを0.6モノレイヤ蒸着した後、オゾンO3または酸素ガスを供給して、Ce酸化物からなる絶縁膜を5nmの厚さ成膜する。成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrとした。このような成膜方法を用いることにより、界面にSiO2などのアモルファス層が形成されること無く、Siに直接接合し(111)方向に配向した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させることができる。以下、図13(b)乃至図14(b)に示すのと、同様の工程を行ってnチャネルMISFETを完成させる。
【0094】
上記の方法で、成膜したCe酸化物の金属と酸素の組成比は1.77であり格子定数はSiに比べて+0.8%となっていた。第3実施形態で述べたように、Ce酸化物の酸素組成比が減少するのは、MBE成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrと低く設定しているためである。酸素分圧を制御することによりCe酸化物の金属と酸素の組成比を変化させることができ、酸素分圧を1×10−7Torrとしたときは、組成比が1.89となり格子定数の変化はほぼ0%である。組成比x=1.77のCe酸化物の上に形成したSiチャネル層における歪みは+0.75%であった。組成比x=1.89のCe酸化物の上に形成したSiチャネル層における歪みはほぼ0%であった
本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のCe酸化物をSi基板に埋設したトランジスタと、比較例となる歪みSGOIトランジスタの特性を比較する。
【0095】
図19は共に3nmのSiO2ゲート絶縁膜を有するSGOI構造のnチャネルMISFETと、組成比の異なるCe酸化物(CeO1.77、CeO1.89、CeO2.00)を埋設して作製したnチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したものである。歪みSGOIのnチャネルMISFETにおけるSファクターは、75mV/decadeである。Ce酸化物に注目すると、金属と酸素の組成比が小さくなるにつれ、Sファクターは小さくなり、さらに、電流駆動力が向上していることがわかる。金属と酸素の組成比が化学量論比であるx=2.0のときのSファクターは120mV/decadeと劣化している。このときのCe酸化物の格子定数はSiより小さく、チャネル層のSiには圧縮歪みが加わるため、電子の移動度が低下しSファクターが劣化する。組成比の減少とともにSファクターは向上し、x=1.77では61mV/decadeまで低下している。これは、金属と酸素の組成比が小さくなるにつれCe酸化物の格子間隔が大きくなることによりチャネルのSiの格子間隔も大きくなり、電子の移動度が向上するためである。組成比x=1.77のCe酸化物を埋設したnチャネルMISFETのSファクターは、歪みSGOIと比較して、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、電流駆動力も歪みSGOIの場合に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分な引っ張り歪みが加えることが可能となり、電子の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0096】
なお、結晶性の金属酸化物としてCeO2を用いた場合について述べたが、イオン結合性の高い結晶であれば同等の効果が得られる。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性のCe酸化物は単結晶の場合を示したが、結晶方位が配向した多結晶の場合も同等の効果が得られる。
【0097】
また、本実施形態においては結晶性の金属酸化物の成膜方法として、MBE法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法法など他の成膜方法を用いても良い。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、金属と酸素の組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0098】
なお、第5実施形態においては面方位が(001)のSi基板上に、第6実施形態においては面方位が(111)のシリコン基板上にMISFETを形成したが、面方位は(001)、(111)のいずれでもよい。また、MISFETが形成されるシリコン基板は面方位が(110)であっても良いし、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0099】
さらに、第5及び第6実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、結晶性の金属酸化物とチャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。
【0100】
また、Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に膜厚の大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。
【0101】
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態によるMISFETの断面構成を図20に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の中にSiとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化を含む絶縁膜3が埋設されている。半導体基板1にはチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側の半導体基板1に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上にはSiとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を少なくとも含むゲート絶縁膜7が形成されている。チャネル領域5は絶縁膜3に含まれる金属酸化物、及びゲート絶縁膜7に含まれる金属酸化物から応力をうけ、歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。
【0102】
次に、本実施形態によるpチャネルMISFETの作製方法について図21乃至図23を参照して説明する。まず、(001)面方位を持つSi基板1の表面に希フッ酸処理を行い、Si基板1の表面を水素で終端化する。続いて、このSi基板1を電子ビーム蒸着装置に導入し基板温度を例えば700℃とし、Y2O3を蒸着源として用いてSi基板1上に金属酸化物Y2O3を10nm蒸着し、金属酸化物Y2O3を含む絶縁膜3を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、Y2O3層3aの配向性を高め結晶性を向上させた。また、Si基板1の表面のSiが酸化されて、Si基板1と金属酸化物Y2O3層3aとの間には、膜厚が1nmのSiO2層3b形成された(図21(a)参照)。X線回折評価より、Y2O3層3aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.30Åである(Siに対して格子定数は2.4%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Y2O3層3aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0103】
次に、CVD法を用いて膜厚が100nmのSiチャネル層5を成膜する(図21(b)参照)。このとき、金属酸化物Y2O3層3aとチャネル層5との間には、膜厚が1nmのSiO2層3cが形成された。つまり、絶縁膜3は、膜厚が1nmのSiO2層3b、膜厚が10nmのY2O3層3a、膜厚が1nmのSiO2層3cからなる積層構造となっている(図21(b)参照)。
【0104】
次に、チャネル層5の両側に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、膜厚50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンの元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル層5に急峻な不純物プロファイルを形成する(図21(c)参照)。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、チャネル層5のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化する。
【0105】
次に、Si基板1を電子ビーム蒸着装置に導入し基板温度を例えば700℃とし、Y2O3を蒸着源として用いてチャネル層5上に金属酸化物Y2O3を10nm蒸着し、ゲート絶縁膜7を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、Y2O3層7aの配向性を高め結晶性を向上させた。X線回折評価より、Y2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.30Åである(Siに対して格子定数は2.4%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Y2O3層7aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。このとき、ゲート絶縁膜12に含まれる金属酸化物La2O3層7aとチャネル層5との間には、膜厚1nmのSiO2層7bが形成された。つまり、ゲート絶縁膜7は、膜厚1nmのSiO2層7bと、膜厚10nmのLa2O3層7aからなる積層構造となっている(図21(d)参照)。
【0106】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図22(a)参照)。続いて、図22(b)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル層5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0107】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積(図23(a)参照)する。続いて、図23(b)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、pチャネルMISFETが完成する。
【0108】
次に、図21乃至図23に示した構造を持つ本実施形態によるpチャネルMISFETのチャネル層の特性について詳細に述べる。図24は、SiO2層3c/Y2O3層3a/SiO2層3bの積層構造からなる絶縁膜3、チャネル層5、Y2O3層7a/SiO2層7bの積層構造からなるゲート絶縁膜7の拡大図であり、断面構造を模式的に示したものである。図25は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図24に示しように、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSi、絶縁膜3におけるY2O3層3a、Siチャネル層5とSiO2層7bとの界面近傍のSiチャネル層、この界面から50nm離れた位置のSiチャネル層、この界面から100nm離れた位置のSiチャネル層(ゲート絶縁膜7/Siチャネル層5界面近傍のSi)、ゲート絶縁膜7におけるY2O3層7aである。SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。絶縁膜3におけるY2O3層3aの格子定数の変化は−2.4%であり、X線回折から得られた結果と一致する。Siチャネル層5とSiO2層7bとの界面近傍におけるチャネル層5のSiはY2O3層7aに付随して−1.0%歪んでいる。さらに、この界面から50nm離れた位置のSi層においても格子定数は、−1.0%変化している。また、この界面から100nm離れた位置のチャネル層(ゲート絶縁膜7とSiチャネル層5との界面近傍のSi)におけるSiも−1.0%歪んでいることが確認された。ゲート絶縁膜7におけるY2O3層7aの格子定数の変化も−2.4%であり、X線回折から得られた結果と一致する。ここでの大きな特徴は、Siとは格子間隔が異なる結晶性の金属酸化物を含む絶縁膜3をSi基板1に埋設することと、さらに、Siとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を含むゲート絶縁膜7を用いることで、チャネル層5のSiに均一の歪みを与えることが可能なことである。つまり、チャネル層のSiは、上下に設けられた2つの結晶性の金属酸化物から同じように応力を受けるため、深さ方向に均一の歪みが発生する。
【0109】
本実施形態のよる、Siと格子間隔の異なる結晶質のY2O3層を含む絶縁膜をSi基板に埋設するとともに、Siと格子間隔の異なる結晶質のY2O3層をゲート絶縁膜に含むトランジスタと、比較例となる歪みSGOI構造のトランジスタの特性を比較する。図26に、本実施形態によるpチャネルMISFETと、比較例によるpチャネルMISFETのId−Vg特性を示す。比較例による歪みSGOIのpチャネルMISFETにおけるSファクターは81mV/decadeである。一方、本実施形態によるY2O3層を用いたpチャネルMISFETのSファクターは70mV/decadeであり、比較例に比べて、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、本実施形態は、電流駆動力も歪みSGOIの場合に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分で、且つ、深さ方向に均一な圧縮歪みが加えることが可能となり、正孔の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0110】
第7実施形態では、絶縁膜3aおよび7を構成する結晶性の金属酸化物としてY2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。
【0111】
結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることを確認した。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、電子ビーム法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、MBE法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0112】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させうるからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0113】
第7実施形態では、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、Y2O3を用いたが、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要はなく、必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に上述の金属酸化物から選択することが可能である。
【0114】
また、第7実施形態においては、pチャネルMISFETの場合について述べたが、nチャネルMISFETについても同様効果を得ることができる。上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。
【0115】
また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いればよい。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から―1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0116】
さらに、第7実施形態では、チャネル層のSiに応力を加えるためにY2O3を用いたが、金属と酸素の組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。これまで詳述したように、結晶性の金属酸化物としては、イオン結合性の高い結晶を選択すればよい。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物を用いることができる。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性の金属酸化物は、単結晶でも、結晶方位が配向した多結晶でもよい。結晶性の金属酸化物の成膜方法としては、MBE法、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの方法を用いることができる。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、金属と酸素の組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0117】
基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要がないのと同様に、一方に金属と酸素の組成比が化学量論比である金属酸化物を用い、もう一方に酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に上述の金属酸化物から選択することができる。
【0118】
なお、第7実施形態においては面方位が(001)のSi基板を用いたが、面方位は(001)、(111)、(110)のいずれでもよい。また、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0119】
さらに、第7実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、Si基板に埋設した結晶性の金属酸化物、または、ゲート絶縁膜に含まれる結晶性の金属酸化物と、チャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に厚さの大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。また、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル層との界面の両方に岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どちらか一方でも効果が得られる。
【0120】
(第8実施形態)
次に、本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図27および図28を参照して説明する。
【0121】
まず、図27(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンとインジウム両方の元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、表面に希フッ酸処理を行い、チャネル領域のSi表面を水素で終端化する。
【0122】
次に、このシリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物を5nmの厚さで成膜し、金属酸化物層7を形成する(図27(b)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比は化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0123】
次に、チャネル領域5上のCe酸化物層7にのみ、レーザーを照射した(図27(c)参照)。レーザー照射後、酸素組成比を測定したところ、酸素組成比はx=1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、チャネル領域5上のみに格子定数の大きなCe酸化物層7Aを作製することができる(図27(c)参照)。また、図27(c)の工程で、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。Ce酸化物層7Aの格子定数が大きくなることにより、チャネル層5のSiに+0.8%の歪みが加わっていることを確認した。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図27(d)参照)。
【0124】
次に、図28(a)に示すように、ポリシリコン膜9および絶縁膜7、7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7Aとゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0125】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図28(b)参照)。続いて、図28(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図28(c)参照)。
【0126】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0127】
(第9実施形態)
次に、本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図29および図30を参照して説明する。
【0128】
まず、図29(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1の表面に希フッ酸処理を行い、シリコン基板1の表面を水素で終端化する。次に、シリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層3を10nmの厚さで成膜する(図29(a)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比xは化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0129】
次に、このCe酸化物層3にレーザーを照射した(図29(b)参照)。レーザー照射後、Ce酸化物層3Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは、1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、格子定数の大きなCe酸化物層3Aを作製することができる。ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。
【0130】
次に、CVD法を用いてSiチャネル層5を例えば100nmの厚さで成膜する(図29(c)参照)。このとき、チャネル層5のSiにはCe酸化物層3の格子定数に引っ張られて、+0.8%の歪みがあることを確認した。
【0131】
次に、Siチャネル層5の両側に素子分離領域2を形成する(図29(d)参照)。続いて、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する(図29(d)参照)。その後、SiO2膜4を介して、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、Siチャネル層5の表面に希フッ酸処理を行い、表面を水素で終端化する。
【0132】
次に、熱酸化により、SiO2からなるゲート酸化膜7を例えば3nm成膜する。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図30(a)参照)。続いて、図30(b)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する(図30(b)参照)。
【0133】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図30(c)参照)。続いて、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図30(c)参照)。
【0134】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0135】
(第10実施形態)
次に、本発明の第10の実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図31および図32を参照して説明する。
【0136】
まず、(111)面方位を持つシリコン基板の表面に希フッ酸処理を行い、このシリコン基板の表面を水素で終端化する。次に、このシリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層3を10nmの厚さで成膜する(図31(a)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比は化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0137】
次に、このCe酸化物層3にレーザーを照射した(図31(b)参照)。レーザー照射後、Ce酸化物層3Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、格子定数の大きなCe酸化物3Aを作製することができる。ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。
【0138】
次に、図31(c)に示すようにCVD法を用いてSiチャネル層5を例えば100nmの厚さで成膜する。続いて、Siチャネル層5の両側に素子分離領域2を形成する。続いて、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する(図31(c)参照)。その後、SiO2膜4を介して、ボロンとインジウム両方の元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行いチャネル層5のSi表面を水素で終端化する。
【0139】
次に、レーザーアブレーション装置に基板を導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層7を5nmの厚さで成膜する(図31(d)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比xは化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0140】
次に、図32(a)に示すように、チャネル領域5上のCe酸化物層7にのみ、レーザーを照射した。レーザー照射後、Ce酸化物層7Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、チャネル領域5上のみに格子定数の大きなCe酸化物層7Aを作製することができる(図32(a)参照)。また、ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。Ce酸化物層3A及びCe酸化物層7Aの格子定数が大きくなることにより、チャネル層5のSiには均一に+1.0%の歪みが加わっていることを確認した。
【0141】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図32(b)参照)。続いて、図32(c)に示すように、ポリシリコン膜9、Ce酸化物層7、7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7Aとゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する。続いて、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図32(c)参照)。
【0142】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0143】
(第11実施形態)
次に、第11の実施形態である電界効果トランジスタの製造方法について図33および図34を参照して説明する。本実施形態では、n型チャネルおよびp型チャネル領域を持つMISFETの製造方法を示す。
【0144】
まず、図33(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロン元素と砒素元素のイオン打ち分けを行うことにより、p型チャネルとして用いる領域5aと、n型チャネルとして用いる領域5bに急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行いチャネル領域5a、5bのSi表面を水素で終端化する。
【0145】
次に、Dy2O3酸化物を含む絶縁膜7を、Dy2O3を蒸着源として電子ビーム蒸着法を用いて形成した。Dy2O3層7aは5nmの厚さで蒸着した。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Dy2O3層7aの配向性を高め結晶性を向上させた。また、チャネル層表面のSiが酸化されて、チャネル層5a、5bと、Dy2O3酸化物層7aとの間には、膜厚0.5nmのSiO2層7bが形成された。つまり、ゲート絶縁膜7は、膜厚0.5nmのSiO2層7bと、膜厚5nmのDy2O3層7aからなる積層構造となっている。X線回折評価より、Dy2O3層7aは(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Dy2O3層7aは(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。電子線回折を用いた格子定数評価の結果、(001)に強く配向し結晶性が高いDy2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなることが確認された。Dy2O3層7aの格子定数の変化は、Siの格子定数に比べて−1.8%であり、このDy2O3層7aに付随して界面におけるSiが歪んでおり、この界面におけるSiの格子定数の変化は−0.5%であることがわかった。界面から50nm離れた位置のSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.4%変化していた。
【0146】
次に、n型チャネル層5b上のゲート絶縁膜7にのみ選択的にレーザーを照射しところ、Dy2O3の組成比が変化して、Dy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物を含むゲート絶縁膜7Aとなった。このときのDy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物の格子定数は、Siの格子定数に対して0.7%大きくなっていた。これは前述したように、結晶中の格子位置の酸素が抜けることによって、抜けた酸素と結合していたDy原子の格子位置が、他の酸素との結合に引っ張られることにより元の格子位置から変位し、結果として格子間の平均距離が大きくなり格子定数が大きくなるためである。さらにn型チャネル層5bのSiの格子定数は+0.3%大きくなっていた。これは、(001)に強く配向し、結晶性が高いDy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物の格子間隔をSiよりも大きくすることで、チャネル層のSiに引っ張り応力が加わり、格子定数が大きくなるためである。この結果から、Siより格子間隔が小さく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜とし、局所的なレーザー照射を行うことで、p型チャネルには圧縮歪み、n型チャネルには引っ張り歪みを生じさせることが可能となり、CMOSとしての性能の、大幅な向上を果たすことができるようになる。
【0147】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図33(d)参照)。続いて、図34(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびCe酸化物を含むゲート絶縁膜7,7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5a、5b上にゲート絶縁膜7とゲート電極9a、ゲート絶縁膜7Aとゲート電極9bを形成する。その後、ゲート電極9a、及びゲート電極9bをマスクとして、ボロン元素と砒素元素のイオン打ち分けと熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11b、12a、12bを形成する(図34(a)参照)。
【0148】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図34(b)参照)。続いて、図34(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11b、12a、12bおよびゲート電極9a、9b上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15b、16a、16b、およびゲート接続部15c、16cが形成され、MISFETが完成する(図34(c)参照)。
【0149】
以上述べたような、n型チャネル、p型チャネルを有し、n型チャネル側のDy酸化物の格子定数を変調させた本実施形態によるトランジスタと、比較例であるアモルファスであるSiO2をゲート絶縁膜として有する歪みSGOI構造のトランジスタとの特性を比較した。この比較結果を図35に示す。
【0150】
図35に示すように、SiO2換算膜厚(EOT)が8nmのSiO2からなるゲート絶縁膜を有するCMOSFET(以後、SGOI型CMOSとも云う)と、SiO2換算膜厚(EOT)が8nmのDy酸化物/SiO2積層構造からなる絶縁膜を有する本実施形態によるCMOSFET(以後、格子局所変調型CMOSとも云う)のゲート遅延時間の電源電圧依存性を比較した。電圧全域に渡って格子局所変調型CMOSがSGOI型CMOSを下回っており、格子局所変調型CMOSにすることにより遅延時間が低減できていることがわかる。これは、SGOI型がn型、p型共に引っ張り歪みをかけているために、電子のみ移動度が向上し、正孔の移動度があまり向上しないのに対し、格子局所変調型CMOSでは、n型では引っ張り歪み、p型では圧縮歪みがかけられているために、電子、正孔共に移動度が大幅に向上しているためである。
【0151】
以上説明したように、本実施形態によれば、nチャネルMISFET、pチャネルMISFETだけでなく、その複合のCMOSにおいても、酸素組成を制御することによりSiと格子間隔が変化する金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、特性の大幅な改善が可能となる。また、上記手法を、基板中に埋設した金属酸化物に対して行っても同様の効果が得られる。さらに、酸素組成を制御することによりSiと格子間隔が変化する金属酸化物を、基板中に埋設することと、ゲート絶縁膜として用いることを併用することによりさらなる性能の向上を果たすことが可能である。
【0152】
さらに、第8乃至第11実施形態では、チャネル層のSiに応力を加えるためにCe酸化物とDy酸化物を用いた例を示したが、これまで詳述したように、結晶性の金属酸化物としては、イオン結合性の高い結晶を選択すればよい。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物を用いることができる。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性の金属酸化物は、単結晶でも、結晶方位が配向した多結晶でもよい。
【0153】
結晶性の金属酸化物の成膜方法としては、MBE法、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの方法を用いることができる。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、酸素組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0154】
第11の実施形態に示すような場合、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要がない。一方に酸素組成比が化学量論比である金属酸化物を用い、もう一方に酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に金属酸化物を選択することができる。
【0155】
なお、第8乃至第11実施形態においては面方位が(111)のSi基板を用いたが、面方位は(001)、(111)、(110)のいずれでもよい。また、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0156】
さらに、第8乃至第11実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、Si基板に埋設した結晶性の金属酸化物、または、ゲート絶縁膜に含まれる結晶性の金属酸化物と、チャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。
【0157】
また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に厚さの大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。また、第11の実施形態のような場合には、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル層との界面の両方に岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どちらか一方でも効果が得られる。
【0158】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図2】第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図3】第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図4】第1実施形態による電界効果トランジスタのPr2O3/SiO2/Si界面の断面を示す模式図。
【図5】第1実施形態による電界効果トランジスタのPr2O3層、SiO2/Si界面、チャネル層における格子定数の変化を示す図。
【図6】第1実施形態及び比較例による電界効果トランジスタによるゲート電圧Vgとドレイン電流Idの関係を示す特性図。
【図7】本発明の第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物/Si界面の断面を示す模式図。
【図8】第3実施形態によるCe酸化物/Si界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図9】第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物の、金属と酸素の組成比と格子定数の関係を示す図。
【図10】第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物の、酸素が抜けて酸素欠損ができ、Ce酸化物の平均格子定数が大きくなることを示す模式図。
【図11】第3実施形態及び比較例による電界効果トランジスタの、Ce酸化物の金属と酸素の組成比と、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図12】本発明の第5実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図13】第5実施形態による電界効果トランジスタの製造工程断面図。
【図14】第5実施形態による電界効果トランジスタの製造工程断面図。
【図15】第5実施形態によるSi/SiO2/La2O3/SiO2/Si/SiO2界面の断面を示す模式図。
【図16】第5実施形態によるSi/SiO2/La2O3/SiO2/Si/SiO2界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図17】歪みSOI構造の電界効果トランジスタの構造を示す断面図。
【図18】第5実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタの、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図19】第6実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタの、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図20】本発明の第7実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図21】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図22】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図23】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図24】第7実施形態による電界効果トランジスタの、Si/SiO2/Y2O3/SiO2/Si/SiO2界面の断面を示す模式図。
【図25】第7実施形態による電界効果トランジスタの、Si/SiO2/Y2O3/SiO2/Si/SiO2界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図26】第7実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図27】本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図28】本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図29】本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図30】本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図31】本発明の第10実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図32】本発明の第10実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図33】本発明の第11実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図34】本発明の第11実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図35】第11実施形態によって製造された電界効果トランジスタ及び比較例によるトランジスタの、ドレイン電圧と遅延時間の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 素子分離領域
3 絶縁膜
3a 絶縁膜
3b SiO2膜
3c SiO2膜
5 チャネル領域(チャネル層)
7 ゲート絶縁膜
7a 絶縁膜
7b SiO2膜
9 ゲート電極
11a ソース領域
11b ドレイン領域
13 絶縁膜
15a ソース電極
15b ドレイン電極
15c ゲート接続部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field-effect transistor (FET) having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Transistors have been improved in performance by increasing the fineness of MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type FETs. However, as the manufacturing process has evolved, the performance improvement due to the pursuit of fineness has begun to fade. The miniaturization of a transistor is to simultaneously reduce the size of each portion of a MOSFET such as the thickness of a gate insulating film and a gate length in a length direction and a lateral direction, but the size is approaching an atomic size. Therefore, the limit of the effect of miniaturization is beginning to be seen.
[0003]
For example, conventionally used
[0004]
However, when a high dielectric gate insulating film is used, SiO 2 2 As compared with the case of (1), there is a big problem that the carrier mobility is reduced due to the increase of the interface state density and the impurity scattering in the high dielectric film, and the characteristics of the transistor are deteriorated. In order to compensate for such a decrease in carrier mobility, a transistor using strained Si for a channel layer has been developed.
[0005]
The strained Si transistor increases the carrier mobility of the channel layer by utilizing the effect that the crystal lattice of Si is distorted by being affected by the lattice spacing of another crystal in contact with the crystal. By forming a silicon crystal serving as a channel layer serving as a carrier transfer path of a transistor on a silicon germanium (SiGe) layer, the Si crystal of the channel layer in contact with the SiGe layer is distorted, and higher carrier mobility is realized. it can. However, in order to form an SGOI (SiGe on Insulator) substrate serving as the substrate, SiGe is deposited on a SOI (Si on Insulator) substrate, then SiGe is oxidized, Ge is concentrated by oxidation, and then an oxide film is peeled off. It is necessary to go through a complicated process of epitaxially growing Si thereon (for example, see Non-Patent Document 1). Another method of producing strained Si using SiGe is known in order to improve the mobility of a transistor by giving a tensile internal stress or lattice strain to a channel layer (for example, Patent Document 1). reference).
[0006]
As described above, since the FET forming process becomes complicated and complicated, it is expected that the yield of the process will be reduced and problems such as an increase in cost will be caused. Further, as the strained Si layer becomes thinner, the effect of scattering due to Ge diffused from the SiGe layer becomes remarkable, and the carrier mobility deteriorates.
[0007]
Note that in order to improve the mobility of the transistor by giving a tensile internal stress or lattice strain to the channel layer, an undercoat insulating film provided below the channel layer, or silicon oxide or silicon nitride as a material of the gate insulating film. Is known to be used (for example, see Patent Document 2).
[0008]
In addition, SiO 2 is formed on the channel layer. 2 It is known that an ultra-thin gate insulating film can be realized by epitaxially growing a single-crystal Ce oxide film directly bonded to a Si substrate without forming an amorphous layer such as a non-patent document. 2). However, Non-Patent
[0009]
[Non-patent document 1]
T. Mizuno et al. , IEDM, p. 934 (1999)
[Non-patent document 2]
Y. Nishikawa et al. , Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480 (2002)
[Patent Document 1]
JP 2001-284558 A
[Patent Document 2]
JP-A-2002-176061
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, as the transistor performance improvement due to the pursuit of fineness begins to fade, it is necessary to introduce a new device into the transistor structure itself, such as a strained Si transistor.
[0011]
However, in the method using the conventional SGOI substrate, the FET formation process is complicated and complicated, and it is expected that the yield will be reduced and the cost will be increased. In addition, there is a problem that the effect of scattering by Ge diffused from the SiGe layer becomes remarkable and carrier mobility is deteriorated.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field effect transistor capable of greatly improving transistor characteristics and a method of manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a field effect transistor comprising: a semiconductor region formed on a substrate; a first conductivity type channel region formed on the semiconductor region; A gate insulating film including at least a metal oxide layer made of a different crystalline material, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a source of the second conductivity type formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode A drain region, wherein a lattice spacing of at least a channel region of the substrate is modulated.
[0014]
In addition, a field effect transistor according to a second aspect of the present invention includes a semiconductor region formed on a substrate, a first conductivity type channel region formed on the semiconductor region, and a region formed between the substrate and the channel region. An insulating film including at least a crystalline metal oxide layer having a lattice spacing different from that of the substrate, a gate insulating film formed on the channel region, a gate electrode formed on the gate insulating film, A source / drain region of the second conductivity type formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode, wherein the lattice spacing of at least the channel region of the substrate is modulated.
[0015]
The metal oxide layer may be composed of a rare earth oxide containing at least one or more rare earth elements.
[0016]
The metal oxide layer may include one or more metal elements of Ce, Dy, Y, Gd, La, and Pr.
[0017]
The metal oxide layer may have a composition ratio between metal and oxygen smaller than a stoichiometric ratio.
[0018]
Note that the lattice spacing of the metal oxide layer may be different from the lattice spacing when the composition ratio of metal and oxygen is stoichiometric.
[0019]
Note that a crystalline rock salt structure metal oxide may be provided between the metal oxide layer and the channel region.
[0020]
The rock salt structure metal oxide may contain one or more metal elements of Mg, Ca, Sr, and Ba.
[0021]
Further, a field effect transistor according to a third aspect of the present invention includes a semiconductor region formed on a substrate, a first conductivity type channel region formed on the semiconductor region, and a region formed between the substrate and the channel region. A first insulating film including at least a first metal oxide layer made of crystalline material having a different lattice spacing from the substrate; and a second insulating film formed on the channel region and made of crystalline material having a different lattice spacing from the substrate. A gate insulating film including at least a metal oxide layer, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a second conductivity type source / drain region formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode. Wherein the lattice spacing of at least the channel region of the substrate is modulated.
[0022]
Further, in the method of manufacturing a field effect transistor according to the fourth aspect of the present invention, an insulating film containing at least a crystalline metal oxide is formed on a substrate, and an oxygen composition ratio in the metal oxide is determined by a stoichiometric ratio. And a step of forming a gate electrode on the insulating film and a source / drain region on the substrate on each side of the gate electrode, respectively.
[0023]
In the step of reducing the oxygen composition ratio from the stoichiometric ratio, it is preferable that at least one of heat treatment, laser irradiation, electron beam irradiation, and electromagnetic wave irradiation is performed on the insulating film.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a sectional configuration of the MISFET according to the first embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, a
[0026]
Next, the method for fabricating the MISFET according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 taking an n-channel MISFET as an example.
[0027]
First, as shown in FIG. 2A, after an
[0028]
Next, the
[0029]
From the X-ray diffraction evaluation, Pr 2 O 3 The
[0030]
Next, a
[0031]
Subsequently, as shown in FIG. 3A, the
[0032]
Next, the SiO 2 The
[0033]
Next, characteristics of the gate insulating film of the n-channel MISFET having the structure shown in FIGS. 2 and 3 will be described in detail. Normally, even when the metal oxide used as the insulating film is crystalline, the lattice constant does not affect the Si of the
[0034]
FIG. 4 is an enlarged view of the insulating
[0035]
From this result, it can be seen that the lattice spacing of the Si layer in the
[0036]
Next, according to this embodiment, crystalline Pr having a different lattice spacing from Si is used. 2 O 3 A transistor having a
[0037]
The S factor of the n-channel MISFET of the comparative example having the gate insulating film made of SiON is 92 mV / decade, and this value is 2 Is considerably deteriorated as compared with a normal n-channel MOSFET having a gate insulating film. This is because nitrogen diffuses near the interface with the channel region and the interface state density increases.
[0038]
On the other hand, Pr 2 O 3 The S-factor of the n-channel MISFET of this embodiment having the gate insulating film including the layer is 75 mV / decade, which indicates that the n-channel MISFET is greatly improved. Further, it can be seen that the current driving force of the present embodiment is also improved as compared with the comparative example. This is because the electron mobility is improved by applying tensile strain to the Si layer of the channel layer, and furthermore, the SiO layer is formed at the interface with the channel layer. 2 This is because the interface state density could be reduced by the presence of.
[0039]
As described above, according to this embodiment, tensile stress can be applied to Si in the channel region by using an insulating film containing a metal oxide having a different lattice spacing from that of Si as a gate insulating film. By increasing the degree, the transistor characteristics can be significantly improved. Further, it is not necessary to go through a complicated process of depositing SiGe on the SOI to generate strained Si, then oxidizing and concentrating Ge, and epitaxially growing Si thereon. For this reason, a conventional Si substrate or SOI substrate can be used as the substrate, and the cost can be significantly reduced.
[0040]
(2nd Embodiment)
Next, a p-channel MISFET according to a second embodiment of the present invention will be described. The p-channel MISFET according to this embodiment has substantially the same configuration as the MISFET according to the first embodiment shown in FIG. 1, but a metal having a smaller lattice constant than Si is used to apply compressive stress to Si of the
[0041]
From the X-ray diffraction evaluation, Dy 2 O 3 The
[0042]
Dy according to the present embodiment 2 O 3 A transistor having a
[0043]
On the other hand, Dy 2 O 3 The S-factor of the p-channel MISFET having the gate insulating film including the layer according to the present embodiment is 100 mV / decade, which is a significant improvement. Further, it was confirmed that the current driving force of the present embodiment was improved as compared with the comparative example. This is because the mobility of holes is improved by applying compressive stress to the Si layer of the channel layer, and furthermore, the SiO layer is formed at the interface with the channel layer. 2 This is because the interface state density could be reduced by the presence of.
[0044]
As described above, according to this embodiment, even in the p-channel MISFET, the transistor characteristics can be significantly improved by using the insulating film containing the metal oxide having a different lattice spacing from Si as the gate insulating film. .
[0045]
In the first or second embodiment, Pr is used as the crystalline metal oxide. 2 O 3 Or Dy 2 O 3 As an example, the crystalline metal oxide is SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 For example, an oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 However, the same effect can be obtained. Although the crystalline metal oxide was shown to be a polycrystal in which the crystal orientation was oriented, it was confirmed that the use of the single crystal metal oxide caused a larger change in the lattice constant. Although the case where an electron beam evaporation method was used as a method for forming a crystalline metal oxide was shown, other film formation methods such as a CVD method, a sputtering method, and a molecular beam epitaxy (MBE) method were used. You may.
[0046]
Note that among the crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film forming conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, it is confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, a film having high crystallinity can be realized, and a particularly high effect can be obtained. Was.
[0047]
Which metal oxide is selected from the crystalline metal oxides described above depends on whether one wants to apply tensile stress or compressive stress to Si. In the case of manufacturing an n-channel MISFET, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected because electron mobility is improved in Si to which a tensile stress is applied.
[0048]
On the other hand, in the case of manufacturing a p-channel MISFET, the mobility of holes is improved under either tensile or compressive stress, so that a metal oxide having a different lattice constant from Si may be selected. The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be achieved with a metal oxide containing only one type of metal element, a metal oxide containing two or more types of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 By using, the change of the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0049]
(Third embodiment)
Next, an n-channel MISFET according to a third embodiment of the present invention will be described.
[0050]
Although the n-channel MISFET according to the present embodiment has substantially the same configuration as the MISFET according to the first embodiment shown in FIG. 1, in the present embodiment, an oxygen composition ratio is set in order to apply tensile stress to Si of the channel layer. Use a metal oxide having a lower stoichiometric ratio, for example, a Ce oxide. The method of manufacturing the n-channel MISFET according to the present embodiment is almost the same as the method shown in FIGS. As the substrate, Si having a (111) plane orientation is used, and the channel region is formed by ion implantation of boron element. Ce oxide is formed using the MBE method. After dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the Si surface in the channel region to terminate with hydrogen, the substrate is introduced into an MBE apparatus. The substrate temperature is set to, for example, 700 ° C., and 0.6 monolayer evaporation of Ce is performed using metal Ce as an evaporation source. 3 Alternatively, an insulating film made of Ce oxide is formed with a thickness of 5 nm by supplying oxygen gas. The oxygen partial pressure during film formation was 1 × 10 -8 Torr. By using such a film forming method, SiO 2 Without forming an amorphous layer such as this, a single crystal Ce oxide film directly bonded to Si and oriented in the (111) plane direction can be epitaxially grown. The present inventors have already reported that an extremely thin gate insulating film can be realized by using this method (Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480 (2002)). Note that this document does not describe that Si is distorted, and it has become clear from the knowledge of the present inventors that Si is distorted.
[0051]
Next, the characteristics of the gate insulating film of the n-channel MISFET according to the third embodiment will be described in detail. FIG. 7 is an enlarged view of the gate insulating film 8 made of Ce oxide and the channel region, and is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the Ce oxide layer 8 and the
[0052]
CeO, a bulk Ce oxide 2 Is reported to be 5.411 °. That is, CeO is compared with the lattice constant of Si (5.430 °). 2 Should have a small lattice constant. However, the experimental results of the present inventors show that CeO 2 The tendency was completely opposite to the reported value of the lattice constant of Ce oxide, and it was found that the lattice constant of Ce oxide was larger than that of Si as shown in FIG. As a result of investigating these causes in detail, a new finding was obtained that a change in the oxygen composition ratio in the Ce oxide causes a change in the lattice constant.
[0053]
FIG. 9 shows a Ce oxide (CeO). x 2) shows the relationship between the oxygen composition ratio and the lattice constant. The oxygen composition ratio was measured by the energy dispersive X-ray fluorescence method (EDX). When the oxygen composition ratio is a stoichiometric ratio (x = 2.0), the lattice constant is 5.411 °, and the conventional Ce oxide (CeO 2 ) Is consistent with the reported value of the lattice constant. On the other hand, it was found that when the oxygen composition ratio was smaller than the stoichiometric ratio and x <2.0, the lattice constant was large. As described above, it is considered that the lattice constant of the Ce oxide greatly changes depending on the oxygen composition ratio because the Ce oxide is a crystal having strong ionic bonds.
[0054]
FIGS. 10A and 10B are schematic diagrams of oxygen vacancies in Ce oxide. When the oxygen at the lattice position in the crystal escapes, the lattice position of the Ce atom bonded to the released oxygen is displaced from the original lattice position by being pulled by the bond to another oxygen. As a result, it is considered that the average distance between the lattices increases and the lattice constant increases.
[0055]
The lattice constant of the Ce oxide shown in this embodiment is + 0.8% as compared with that of Si, and it was found from the characteristic graph of FIG. 9 that the oxygen composition ratio was 1.77. The decrease in the oxygen composition ratio is caused by the fact that the oxygen partial pressure during MBE deposition is 1 × 10 -8 This is because Torr is set low. By controlling the oxygen partial pressure, the oxygen composition ratio of the Ce oxide can be changed. -7 When the pressure was Torr, the oxygen composition ratio was 1.89.
[0056]
Next, the characteristics of an n-channel MISFET having a crystalline Ce oxide film having a lattice spacing different from that of Si as a gate insulating film and an n-channel MISFET having a gate insulating film made of amorphous SiON were compared. FIG. 2 SiON and Ce oxides (CeO 2) having an equivalent film thickness (EOT) of 1 nm and different oxygen composition ratios 1.77 , CeO 1.89 , CeO 2.00 4) shows the Id-Vg characteristics of an n-channel MISFET having ()) as a gate insulating film.
[0057]
The S-factor of an n-channel MISFET having a gate insulating film made of amorphous SiON is 92 mV / decade, 2 Is deteriorated as compared with a normal n-channel MISFET using a gate insulating film made of This is because nitrogen has diffused into the interface with the channel region, and the interface state density has increased.
[0058]
Focusing on the Ce oxide, it can be seen that as the oxygen composition ratio decreases, the S-factor decreases and the current driving force improves. When the oxygen composition ratio is x = 2.0, which is the stoichiometric ratio, the S factor is 120 mV / decade, which is further deteriorated compared to the case of SiON. This is considered to be because the electron mobility is lowered due to impurity scattering (for example, diffusion of boron from the gate electrode) in the Ce oxide. However, as the oxygen composition ratio decreased, the S factor decreased, and when x = 1.77, the S factor was improved to 61 mV / decade. This is because, as the oxygen composition ratio decreases, the lattice spacing of Ce oxide increases, so that the lattice spacing of Si in the channel also increases, thereby improving the electron mobility. This is considered to be because the decrease in electron mobility due to impurity scattering in the Ce oxide is compensated for, and the improvement in electron mobility due to the effect of distortion contributes more.
[0059]
Note that CeO is used as a crystalline metal oxide. 2 Has been described, but the same effect can be obtained if the crystal has high ionic bondability. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 For example, an oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 May be.
[0060]
Although the case where the crystalline Ce oxide is a single crystal is shown, the same effect can be obtained also in the case of a polycrystal in which the crystal orientation is oriented. Although the case where the MBE method is used as a method for forming a crystalline metal oxide is described, other film formation methods such as a CVD method, a sputtering method, and an electron beam evaporation method may be used. Among the crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ionic bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from Yb and Lu). Among them, it is confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the oxygen composition ratio can be realized, and a particularly high effect can be obtained. Was done.
[0061]
In the first and second embodiments, the MISFET is formed on a Si substrate having a plane orientation of (001), and in the third embodiment, a MISFET is formed on a silicon substrate having a plane orientation of (111). 001) and (111). Further, the silicon substrate on which the MISFET is formed may have a plane orientation of (110) or may have an angle slightly deviated from the plane orientation.
[0062]
(Fourth embodiment)
Next, a p-channel MISFET according to a fourth embodiment of the present invention will be described. The p-channel MISFET according to the present embodiment has substantially the same configuration as the MISFET according to the second embodiment. However, in the present embodiment, in order to more effectively strain Si in the channel layer, a crystalline metal oxide It is characterized in that a metal oxide having a rock salt structure is sandwiched between an object and a channel layer. The manufacturing method is almost the same as the method shown in FIGS.
[0063]
The channel region is formed by ion implantation of an arsenic element. SrO as a rock salt structure metal oxide and Dy as a metal oxide film 2 O 3 And these two types of metal oxides were formed by the MBE method. After dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the Si surface in the channel region to terminate with hydrogen, the substrate is introduced into an MBE apparatus. The substrate temperature is set to, for example, 300 ° C., and after depositing two atomic layers of Sr using metal Sr as an evaporation source, oxygen gas is supplied to form an SrO layer.
[0064]
Next, for example, by setting the substrate temperature to 700 ° C. and supplying metal Dy and oxygen gas, 2 O 3 A layer is formed to a thickness of 5 nm. The oxygen partial pressure during film formation is 1 × 10 -7 Torr. By forming a two atomic layer film of SrO on Si,
[0065]
As a result of lattice constant evaluation using electron beam diffraction, it was confirmed that compressive stress was applied to Si of the channel layer and the lattice constant was reduced. Dy 2 O 3 Was -1.8%, and the change in the lattice constant of Si near the interface was -0.8%. Even in Si 50 nm away from the interface, the lattice constant changed, and the lattice constant changed by -0.7%. The amount of change in the lattice constant of Si is about twice as large as that in the second embodiment in which the SrO layer is not used. Amorphous SiO 2 Since no layer was formed, the difference in lattice spacing in the metal oxide film was more directly added to the Si layer, and the lattice constant of SrO was 5.12 ° and Dy. 2 O 3 This is because the effect of applying a compressive stress is further increased because the size is smaller than that. Here, the thickness of the SrO layer is 2 atomic layers, but it has been found that the thickness of the SrO layer is desirably in the range of 1 to 3 atomic layers. Since substances such as SrO and MgO are unstable in the air, if the thickness is further increased, the crystallinity changes over time and the characteristics deteriorate. On the other hand, when the thickness is smaller than one atomic layer, the effect of suppressing diffusion of oxygen cannot be obtained, and SiO 2 This is because a layer is generated.
[0066]
The SrO layer and Dy described above 2 O 3 The characteristics of a transistor having a gate insulating film including a layer and a transistor having amorphous SiON as a gate insulating film were compared. Both are SiO 2 A gate insulating film made of SiON having an equivalent thickness (EOT) of 1.5 nm; 2 O 3 Comparison of the Id-Vg characteristics of p-channel MISFETs each having a gate insulating film having a / SrO stacked structure reveals that the S factor of the gate insulating film made of SiON is 120 mV / decade. 2 Is considerably deteriorated as compared with that of a normal p-channel MOSFET having a gate insulating film. This is because nitrogen diffuses near the interface with the channel layer and the interface state density increases.
[0067]
On the other hand, Dy 2 O 3 The S-factor of the p-channel MISFET having the gate insulating film including the / SrO layer according to the present embodiment is 90 mV / decade, which is a significant improvement. In addition, it was confirmed that the current driving force of the present embodiment was improved as compared with the case of SiON. This is because the hole mobility is further improved by applying a larger compressive stress to the Si layer of the channel layer.
[0068]
As described above, according to the present embodiment, it has been clarified that the effect of using a metal oxide having a different lattice spacing from Si is further enhanced by inserting a metal oxide having a rock salt structure.
[0069]
In this embodiment, the case where SrO is used has been described, but a metal oxide having another rock salt structure may be used. In particular, when a metal oxide film having a rock salt structure of SrO, MgO, CaO, and BaO is used, the effect of suppressing oxygen diffusion is remarkable, and the transistor characteristics can be significantly improved.
[0070]
When it is desired to apply tensile stress to Si, it is preferable to use BaO which is a metal oxide having a rock salt structure having a larger lattice constant than Si. When compressive stress is to be applied to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are rock-salt metal oxides having a smaller lattice constant than Si. However, since the change in the lattice constant in the Si layer is mainly determined by the crystalline metal oxide having a large film thickness formed on the Si layer, for example, SrO having a lattice constant smaller than that of Si Has a larger lattice constant than Si 2 O 3 In the structure in which Si is stacked, Si in the channel region receives a tensile stress, so that the metal oxide having the rock salt structure and the crystalline metal oxide can be arbitrarily combined.
[0071]
(Fifth embodiment)
FIG. 12 shows a sectional configuration of the MISFET according to the fifth embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, an insulating
[0072]
When the MISFET according to the present embodiment is an n-channel MISFET, the lattice constant of the insulating
[0073]
Next, the method for fabricating the n-channel MISFET according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0074]
First, the surface of the
[0075]
Next, a
[0076]
Next,
[0077]
Next, by performing thermal oxidation, SiO 2 2 A
[0078]
Subsequently, as shown in FIG. 14A, the
[0079]
Next, the SiO 2 Is deposited on the entire surface (see FIG. 14B). Subsequently, as shown in FIG. 14C, contact holes are formed on the source /
[0080]
Next, characteristics of the
[0081]
FIG. 2 The change of the lattice constant is shown with reference to the lattice spacing of Si at a
[0082]
According to the present embodiment, crystalline La having a different lattice spacing from Si 2 O 3 The characteristics of a transistor in which an insulating film including a layer is embedded in a
[0083]
On the other hand, in the method according to the present embodiment, a Si substrate can be used as the substrate, and a significant cost reduction can be achieved. FIG. 18 shows a 3 nm SiO 2 An n-channel MISFET according to a comparative example of an SGOI structure having a gate insulating film; 2 O 3 FIG. 9 compares the Id-Vg characteristics of the n-channel MISFET according to the present embodiment manufactured by embedding the layer.
[0084]
The S factor of the n-channel MISFET according to the comparative example having the strained SGOI structure is 75 mV / decade.
[0085]
On the other hand, La 2 O 3 The S-factor of the n-channel MISFET according to the present embodiment in which the layer is buried is 70 mV / decade, and it is confirmed that the n-channel MISFET is not only inferior to the comparative example having the strained SGOI structure but is improved. In addition, it can be seen that the current driving force of the present embodiment is also improved as compared with the comparative example. This is because sufficient tensile strain can be applied to the Si layer of the channel layer, thereby improving the mobility of electrons, and further avoiding the decrease in mobility due to Ge diffusion observed when using an SGOI substrate. It depends.
[0086]
As described above in detail, according to the present embodiment, tensile stress can be applied to Si in the channel region by burying an insulating film containing a metal oxide having a different lattice spacing from Si in the substrate. Further, according to the present embodiment, it is possible to improve the transistor characteristics by increasing the electron mobility without going through a complicated process such as using a conventional strained SGOI.
[0087]
In the fifth embodiment, the crystalline metal oxide forming the insulating
[0088]
Although the case where a sputtering method is used as a method for forming a crystalline metal oxide is described, another film formation method such as a CVD method, an electron beam evaporation method, or an MBE method may be used. .
[0089]
Note that among the crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film formation conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, it was confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd was used, a film having high crystallinity could be realized, and a particularly high effect was obtained. .
[0090]
In the fifth embodiment, the case of the n-channel MISFET has been described, but the same method can be applied to the p-channel MISFET. Which metal oxide is selected from the crystalline metal oxides described above depends on whether one wants to apply tensile stress or compressive stress to Si. In the case of manufacturing an n-channel MISFET, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected because electron mobility is improved in Si to which a tensile stress is applied. On the other hand, in the case of manufacturing a p-channel MISFET, the mobility of holes is improved under either tensile or compressive stress, so that a metal oxide having a different lattice constant from Si may be selected.
[0091]
The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be achieved with a metal oxide containing only one type of metal element, a metal oxide containing two or more types of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 , The change of the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0092]
(Sixth embodiment)
Next, an n-channel MISFET according to a sixth embodiment of the present invention will be described. The n-channel MISFET according to the present embodiment has a configuration similar to that of the n-channel MISFET according to the fifth embodiment shown in FIG. 12, but in the present embodiment, an insulating material is used to apply a tensile stress to Si of the channel layer. As the
[0093]
The method of fabricating the n-channel MISFET in this embodiment is almost the same as the method shown in FIGS. 13 and 14, but uses a silicon substrate having a (111) plane orientation as the substrate. Ce oxide is formed using the MBE method. After dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the Si surface of the substrate to terminate it with hydrogen, it is introduced into an MBE apparatus. The substrate temperature is set to, for example, 700 ° C., and 0.6 monolayer evaporation of Ce is performed using metal Ce as an evaporation source. 3 Alternatively, an insulating film made of Ce oxide is formed to a thickness of 5 nm by supplying oxygen gas. The oxygen partial pressure during film formation was 1 × 10 -8 Torr. By using such a film forming method, SiO 2 A single crystal Ce oxide film directly bonded to Si and oriented in the (111) direction can be epitaxially grown without forming an amorphous layer such as that described above. Hereinafter, steps similar to those shown in FIGS. 13B to 14B are performed to complete an n-channel MISFET.
[0094]
The composition ratio of metal and oxygen of the Ce oxide formed by the above method was 1.77, and the lattice constant was + 0.8% as compared with Si. As described in the third embodiment, the decrease in the oxygen composition ratio of the Ce oxide is caused by the fact that the oxygen partial pressure during MBE film formation is 1 × 10 -8 This is because Torr is set low. By controlling the oxygen partial pressure, the composition ratio between the metal and oxygen of the Ce oxide can be changed. -7 When the pressure is Torr, the composition ratio is 1.89, and the change in the lattice constant is almost 0%. The strain in the Si channel layer formed on the Ce oxide having the composition ratio x = 1.77 was + 0.75%. The strain in the Si channel layer formed on the Ce oxide having the composition ratio x = 1.89 was almost 0%.
The characteristics of the transistor according to the present embodiment in which a crystalline Ce oxide having a different lattice spacing from Si and embedded in a Si substrate is compared with the characteristics of a strained SGOI transistor as a comparative example.
[0095]
FIG. 19
[0096]
Note that CeO is used as a crystalline metal oxide. 2 Has been described, but the same effect can be obtained if the crystal has high ionic bondability. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 For example, an oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Al 2 O 3 And MgAl2O with spinel structure 4 May be. Although the case where the crystalline Ce oxide is a single crystal is shown, the same effect can be obtained also in the case of a polycrystal in which the crystal orientation is oriented.
[0097]
In this embodiment, the case where the MBE method is used as a method of forming a crystalline metal oxide is described. However, the film forming method may be another method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method. A method may be used. Among the crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ionic bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from Yb and Lu). Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the composition ratio of metal and oxygen can be realized, and a particularly high effect can be obtained. It was confirmed.
[0098]
In the fifth embodiment, the MISFET is formed on a Si substrate having a plane orientation of (001), and in the sixth embodiment, a MISFET is formed on a silicon substrate having a plane orientation of (111). Any of (111) may be used. Further, the silicon substrate on which the MISFET is formed may have a plane orientation of (110) or may have an angle slightly deviated from the plane orientation.
[0099]
Further, in the fifth and sixth embodiments, it is also effective to interpose a rock-salt structure metal oxide between the crystalline metal oxide and the channel layer in order to more effectively strain Si in the channel layer. There is. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment. By sandwiching a metal oxide having a rock salt structure, an
[0100]
When it is desired to apply tensile stress to Si, it is desirable to use BaO which is a rock-salt metal oxide having a larger lattice constant than Si. When compressive stress is to be applied to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are rock-salt metal oxides having a smaller lattice constant than Si. However, since the change of the lattice constant in the Si layer is mainly determined by the crystalline metal oxide having a large film thickness, for example, SrO having a smaller lattice constant than Si is interposed, and the Big Pr 2 O 3 In the structure in which Si is stacked, Si in the channel region receives a tensile stress, so that the metal oxide having the rock salt structure and the crystalline metal oxide can be arbitrarily combined.
[0101]
(Seventh embodiment)
FIG. 20 shows a sectional configuration of the MISFET according to the seventh embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, an insulating
[0102]
Next, the method for fabricating the p-channel MISFET according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. First, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of the
[0103]
Next, a
[0104]
Next,
[0105]
Next, the
[0106]
Next, a
[0107]
Next, the SiO 2 The
[0108]
Next, the characteristics of the channel layer of the p-channel MISFET according to the present embodiment having the structure shown in FIGS. 21 to 23 will be described in detail. FIG. 2
[0109]
According to the present embodiment, crystalline Y having a different lattice spacing from Si 2 O 3 The insulating film including the layer is buried in the Si substrate, and the crystalline Y 2 O 3 Characteristics of a transistor including a layer in a gate insulating film and a transistor having a strained SGOI structure as a comparative example are compared. FIG. 26 shows the Id-Vg characteristics of the p-channel MISFET according to the present embodiment and the p-channel MISFET according to the comparative example. The S factor of the strained SGOI p-channel MISFET according to the comparative example is 81 mV / decade. On the other hand, according to the present embodiment, Y 2 O 3 The S-factor of the p-channel MISFET using the layer was 70 mV / decade, and it was confirmed that the p-channel MISFET was not only inferior to the comparative example but also improved. Further, it can be seen that in the present embodiment, the current driving force is also improved as compared with the case of the strained SGOI. This is because the sufficient and uniform compressive strain can be applied in the depth direction to the Si layer of the channel layer, and the mobility of holes is improved. Further, it is considered that the SGOI substrate is used. This is because the decrease in mobility due to the Ge diffusion is avoided.
[0110]
In the seventh embodiment, the crystalline metal oxide forming the insulating
[0111]
Although the crystalline metal oxide was shown to be polycrystalline in which the crystal orientation was oriented, it was confirmed that the use of a single crystal metal oxide caused a larger change in the lattice constant. Although the case where an electron beam method is used as a method for forming a crystalline metal oxide is described, another film formation method such as a CVD method, a sputtering method, or an MBE method may be used.
[0112]
Note that among the crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film formation conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, it was confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd was used, a film having high crystallinity could be realized, and a particularly high effect was obtained. .
[0113]
In the seventh embodiment, both the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si contained in the gate insulating film have Y 2 O 3 Although the same metal oxide is not necessarily used for both, it is possible to arbitrarily select from the above-mentioned metal oxides according to the required direction and amount of strain.
[0114]
Further, in the seventh embodiment, the case of the p-channel MISFET has been described, but the same effect can be obtained for the n-channel MISFET. Which metal oxide is selected from the crystalline metal oxides described above depends on whether one wants to apply tensile stress or compressive stress to Si. In the case of manufacturing an n-channel MISFET, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected because electron mobility is improved in Si to which a tensile stress is applied. On the other hand, in the case of manufacturing a p-channel MISFET, the mobility of holes is improved under either tensile or compressive stress, so that a metal oxide having a different lattice constant from Si may be selected.
[0115]
The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be achieved with a metal oxide containing only one type of metal element, a metal oxide containing two or more types of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 By using, the change of the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0116]
Further, in the seventh embodiment, Y is applied to apply stress to Si of the channel layer. 2 O 3 However, it is also possible to use a metal oxide in which the composition ratio of metal and oxygen is smaller than the stoichiometric ratio. As described above in detail, as the crystalline metal oxide, a crystal having high ionic bond may be selected. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 For example, an oxide having a perovskite structure can be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 May be. The crystalline metal oxide may be a single crystal or a polycrystal in which the crystal orientation is oriented. As a method for forming a crystalline metal oxide, an MBE method can be used, and as a film forming method, a method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method can be used. Among the crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ionic bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from Yb and Lu). Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the composition ratio of metal and oxygen can be realized, and a particularly high effect can be obtained. It was confirmed.
[0117]
The same metal oxide must be used for both the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si contained in the gate insulating film. It is also possible to use a metal oxide in which the composition ratio of metal and oxygen is stoichiometric, and use a metal oxide in which the oxygen composition ratio is smaller than the stoichiometric ratio, as in is there. The metal oxide can be arbitrarily selected from the above-described metal oxides according to the required direction and amount of strain.
[0118]
In the seventh embodiment, the Si substrate having the plane orientation of (001) is used, but the plane orientation may be any of (001), (111), and (110). Further, the angle may be slightly deviated from the plane orientation.
[0119]
Further, in the seventh embodiment, a crystalline metal oxide buried in a Si substrate or a crystalline metal oxide contained in a gate insulating film in order to more effectively strain Si in the channel layer; It is also effective to sandwich a metal oxide having a rock salt structure between the channel layer and the channel layer. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment. By sandwiching a metal oxide having a rock salt structure, an
[0120]
(Eighth embodiment)
Next, a method of manufacturing the field-effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0121]
First, as shown in FIG. 27A, an
[0122]
Next, the
[0123]
Next, only the
[0124]
Next, as shown in FIG. 28A, the
[0125]
Next, the SiO 2 The
[0126]
As described above, according to the present embodiment, since strained Si can be formed in the channel region, it is possible to significantly improve the transistor characteristics. Also, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0127]
(Ninth embodiment)
Next, a method for manufacturing the field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0128]
First, as shown in FIG. 29A, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of the
[0129]
Next, the
[0130]
Next, the
[0131]
Next,
[0132]
Next, by thermal oxidation, SiO 2 2 A
[0133]
Next, the SiO 2 The
[0134]
As described above, according to the present embodiment, since strained Si can be formed in the channel region, it is possible to significantly improve the transistor characteristics. Also, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0135]
(Tenth embodiment)
Next, a method for manufacturing the field-effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0136]
First, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of a silicon substrate having a (111) plane orientation, and the surface of the silicon substrate is terminated with hydrogen. Next, the
[0137]
Next, the
[0138]
Next, as shown in FIG. 31C, a
[0139]
Next, the substrate is introduced into the laser ablation device. The substrate temperature is set to, for example, 500 ° C., and CeO 2 Is used as an evaporation source to form a
[0140]
Next, as shown in FIG. 32A, only the
[0141]
Next, a
[0142]
As described above, according to the present embodiment, since strained Si can be formed in the channel region, it is possible to significantly improve the transistor characteristics. Also, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0143]
(Eleventh embodiment)
Next, a method for manufacturing the field-effect transistor according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a method for manufacturing a MISFET having an n-type channel and a p-type channel region will be described.
[0144]
First, as shown in FIG. 33A, an
[0145]
Next, Dy 2 O 3
[0146]
Next, only the
[0147]
Next, a
[0148]
Next, the SiO 2 The
[0149]
As described above, the transistor according to the present embodiment having the n-type channel and the p-type channel and modulating the lattice constant of the Dy oxide on the n-type channel side, and the
[0150]
As shown in FIG. 2 SiO with an equivalent thickness (EOT) of 8 nm 2 CMOSFET (hereinafter also referred to as SGOI CMOS) having a gate insulating film made of 2 Dy oxide / SiO with converted thickness (EOT) of 8 nm 2 The power supply voltage dependence of the gate delay time of the CMOSFET (hereinafter, also referred to as a lattice local modulation type CMOS) according to the present embodiment having an insulating film having a laminated structure was compared. It can be seen that the lattice local modulation type CMOS is lower than the SGOI type CMOS over the entire voltage range, and that the delay time can be reduced by using the lattice local modulation type CMOS. This is because the mobility of only electrons is improved and the mobility of holes is not significantly improved because the SGOI type applies tensile strain to both the n-type and the p-type. This is because the tensile strain is applied to the mold and the compressive strain is applied to the p-type, so that the mobility of both electrons and holes is significantly improved.
[0151]
As described above, according to the present embodiment, not only the n-channel MISFET and the p-channel MISFET but also the composite CMOS thereof includes the metal oxide whose lattice spacing changes with Si by controlling the oxygen composition. By using an insulating film as a gate insulating film, characteristics can be significantly improved. Further, the same effect can be obtained by performing the above method on a metal oxide buried in a substrate. Furthermore, it is possible to further improve the performance by burying a metal oxide whose lattice spacing changes with Si by controlling the oxygen composition in a substrate and using the metal oxide as a gate insulating film in combination. is there.
[0152]
Further, in the eighth to eleventh embodiments, examples in which a Ce oxide and a Dy oxide are used to apply a stress to Si of the channel layer have been described. As the substance, a crystal having a high ionic bond may be selected. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 For example, an oxide having a perovskite structure can be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 May be. The crystalline metal oxide may be a single crystal or a polycrystal in which the crystal orientation is oriented.
[0153]
As a method for forming a crystalline metal oxide, an MBE method can be used, and as a film forming method, a method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method can be used. Among the crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ionic bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one or more elements selected from Yb and Lu). Among them, it is confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the oxygen composition ratio can be realized, and a particularly high effect can be obtained. did.
[0154]
In the case as shown in the eleventh embodiment, both the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si contained in the gate insulating film are used. It is not necessary to use the same metal oxide for both. It is also possible to use a metal oxide whose oxygen composition ratio is a stoichiometric ratio on one side and a metal oxide whose oxygen composition ratio is smaller than the stoichiometric ratio on the other side. The metal oxide can be arbitrarily selected according to the required direction and amount of strain.
[0155]
In the eighth to eleventh embodiments, a Si substrate having a plane orientation of (111) is used, but the plane orientation may be any of (001), (111), and (110). Further, the angle may be slightly deviated from the plane orientation.
[0156]
Further, in the eighth to eleventh embodiments, the crystalline metal oxide embedded in the Si substrate or the crystalline metal oxide contained in the gate insulating film is used to more effectively distort the Si of the channel layer. It is also effective to sandwich a metal oxide having a rock salt structure between the object and the channel layer. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment. By sandwiching a metal oxide having a rock salt structure, an
[0157]
When compressive stress is to be applied to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are rock-salt metal oxides having a smaller lattice constant than Si. However, since the change of the lattice constant in the Si layer is mainly determined by the crystalline metal oxide having a large thickness, for example, the SrO having a smaller lattice constant than Si is sandwiched between the metal oxides, and the lattice constant of the SrO is smaller than that of Si. Big Pr 2 O 3 In the structure in which Si is stacked, Si in the channel region receives a tensile stress, so that the metal oxide having the rock salt structure and the crystalline metal oxide can be arbitrarily combined. In the case of the eleventh embodiment, a crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si embedded in a substrate and a crystalline metal oxide having a different lattice spacing from Si contained in a gate insulating film are provided. It is not necessary to sandwich a metal oxide having a rock salt structure on both the interface with the channel layer, and the effect can be obtained with either one.
[0158]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the transistor characteristics can be significantly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of a field-effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a manufacturing process of the method for manufacturing the field-effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view of the manufacturing process of the method for manufacturing the field-effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 4 shows Pr of the field-effect transistor according to the first embodiment. 2 O 3 / SiO 2 FIG. 2 is a schematic view showing a cross section of an / Si interface.
FIG. 5 shows Pr of the field-effect transistor according to the first embodiment. 2 O 3 Layer, SiO 2 FIG. 5 is a graph showing changes in lattice constants at the / Si interface and the channel layer.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage Vg and a drain current Id by the field-effect transistors according to the first embodiment and the comparative example.
FIG. 7 is a schematic view showing a cross section of a Ce oxide / Si interface of a field-effect transistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing measurement positions of Ce oxide / Si interfaces and change values of lattice constants according to a third embodiment.
FIG. 9 is a view showing the relationship between the composition ratio of metal and oxygen and the lattice constant of the Ce oxide of the field-effect transistor according to the third embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram showing that Ce in the field-effect transistor according to the third embodiment loses oxygen to cause oxygen deficiency and increases the average lattice constant of the Ce oxide;
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between a composition ratio of a metal of Ce oxide and oxygen, and a gate voltage and a drain current of the field-effect transistors according to the third embodiment and a comparative example.
FIG. 12 is a sectional view showing a configuration of a field-effect transistor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view showing the manufacturing process of the field-effect transistor according to the fifth embodiment.
FIG. 14 is a sectional view showing the manufacturing process of the field-effect transistor according to the fifth embodiment.
FIG. 15 shows a Si / SiO according to a fifth embodiment. 2 / La 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of an interface.
FIG. 16 shows a Si / SiO according to a fifth embodiment. 2 / La 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The figure which shows the measurement position of an interface, and the change value of a lattice constant.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating a structure of a field-effect transistor having a strained SOI structure.
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of SOI field effect transistors according to the fifth embodiment and a comparative example.
FIG. 19 is a characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of the SOI field effect transistor according to the sixth embodiment and a comparative example.
FIG. 20 is a sectional view showing the configuration of the field-effect transistor according to the seventh embodiment;
FIG. 21 is a sectional view showing the manufacturing process of the field-effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 22 is a sectional view showing the manufacturing process of the field-effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 23 is a sectional view showing the manufacturing process of the field-effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 24 shows the Si / SiO of the field-effect transistor according to the seventh embodiment. 2 / Y 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of an interface.
FIG. 25 shows the Si / SiO of the field-effect transistor according to the seventh embodiment. 2 / Y 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The figure which shows the measurement position of an interface, and the change value of a lattice constant.
FIG. 26 is a characteristic diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current of the SOI field effect transistor according to the seventh embodiment and a comparative example.
FIG. 27 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention.
FIG. 33 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a characteristic diagram showing a relationship between a drain voltage and a delay time of a field-effect transistor manufactured according to the eleventh embodiment and a transistor according to a comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate
2 Device isolation area
3 insulating film
3a Insulating film
3b SiO 2 film
3c SiO 2 film
5 Channel region (channel layer)
7 Gate insulating film
7a insulating film
7b SiO 2 film
9 Gate electrode
11a Source area
11b Drain region
13 Insulating film
15a Source electrode
15b drain electrode
15c Gate connection
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