JP2006245133A - Substrate for semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Hiromoto Kondo
博基 近藤
Shizuaki Zaima
鎭明 財満
Masaki Ogawa
正毅 小川
Akira Sakai
酒井  朗
Mitsuo Sakashita
満男 坂下
Shinya Naito
慎哉 内藤
Tomonori Kamiyama
知紀 上山
Yukio Yasuda
幸夫 安田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the variation in grain size of silicon nano clusters in the shape of a dot by a simple method by a dry process which does not use gas irradiation, and to further reduce the grain size and increase the number density of the silicon nano clusters. <P>SOLUTION: A silicon oxide film 2 is formed in a surface layer of a silicon-contained substrate 1, and an amorphous silicon layer (a-Si layer) is formed on the silicon oxide film 2. Under a high vacuum environment, the a-Si layer is heat-treated at a temperature which is 400°C or above and less than the melting point of silicon to form a plurality of silicon nano clusters 4 in the shape of a dot on the silicon oxide film 2. By this method, the silicon nano clusters 4 can be obtained which have an average grain size of 5.5 nm or less, a number density of 2.7×10<SP>12</SP>/cm<SP>2</SP>or above, and the variation in grain size of 15% or less. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体素子用基材及びその製造方法に関する。本発明に係る半導体素子用基材は、例えば、ナノドットメモリ等の半導体ドットメモリの作製において好適に用いることができる。   The present invention relates to a semiconductor element substrate and a method for producing the same. The base material for a semiconductor element according to the present invention can be suitably used in the production of a semiconductor dot memory such as a nanodot memory, for example.

半導体ドットメモリは次世代不揮発性メモリとして期待されている。半導体ドットメモリを利用した不揮発性メモリとしては、例えば、P型のシリコン基板上にトンネル酸化膜としてのシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上にドット状のシリコンナノクラスタとしてのシリコンナノ結晶を分散して形成し、さらにこのドット状のシリコンナノ結晶が埋設するようにシリコン酸化膜上にコントロール酸化膜としての上部シリコン酸化膜を形成し、Si基板の裏面及び上部シリコン酸化膜上に電極を設けた構成を有するナノドットメモリが知られている。このナノドットメモリでは、ドットに電荷を注入することによって、長時間の電荷保持、低電圧及び低消費電力での動作、書込消去の高速化、書換回数の向上、多値動作等のデバイス特性を期待できる。こうしたデバイス特性を実現するためには、ナノドットメモリに対して以下に示すような構造が要求される。   Semiconductor dot memory is expected as a next-generation nonvolatile memory. Nonvolatile memories using semiconductor dot memories include, for example, a silicon oxide film as a tunnel oxide film formed on a P-type silicon substrate, and silicon nanocrystals as dot-like silicon nanoclusters on the silicon oxide film In addition, an upper silicon oxide film as a control oxide film is formed on the silicon oxide film so that the dot-shaped silicon nanocrystals are embedded, and an electrode is formed on the back surface of the Si substrate and on the upper silicon oxide film. A nanodot memory having a configuration in which is provided is known. In this nanodot memory, device characteristics such as long-time charge retention, operation with low voltage and low power consumption, high speed of writing and erasing, improvement of the number of rewrites, multi-value operation, etc. are obtained by injecting charges into the dots. I can expect. In order to realize such device characteristics, the following structure is required for the nanodot memory.

すなわち、電荷保持時間の確保には、シリコンナノ結晶の粒径を小さく(平均粒径:10nm以下)する必要があり、閾値シフト量の確保には、シリコンナノ結晶の数密度を高く(1×1012/cm以上)する必要があり、デバイス動作特性のバラツキの制御には、シリコンナノ結晶の粒径を均一化する必要があり、また、高速な書込消去や劣化の遅延には、トンネル酸化膜を薄膜化する必要がある。 That is, in order to ensure the charge retention time, it is necessary to reduce the particle size of the silicon nanocrystals (average particle size: 10 nm or less), and to ensure the threshold shift amount, the number density of the silicon nanocrystals is increased (1 × 10 12 / cm or more), and it is necessary to equalize the grain size of silicon nanocrystals in order to control the variation in device operating characteristics. It is necessary to reduce the thickness of the oxide film.

したがって、半導体ドットメモリを実現するためには、高密度で均一サイズ、具体的には数密度1×1012/cm2 以上、結晶粒径10nm以下であるドット状のシリコンナノ結晶を製造する技術の確率が重要である。 Therefore, in order to realize a semiconductor dot memory, a technique for manufacturing a dot-like silicon nanocrystal having a high density and a uniform size, specifically, a number density of 1 × 10 12 / cm 2 or more and a crystal grain size of 10 nm or less. The probability of is important.

このようなドット状のシリコンナノ結晶を製造すべく、CVD法(化学気相蒸着法)をはじめとした多くの手法が検討されている。しかし、CVD法等の従来の成膜技術では、成膜した膜を高密度化するために、膜表面をHF処理等の薬剤処理する必要があるなど、ウェットプロセスにより工程が複雑になるばかりか、薬剤処理に起因してデバイス特性が低下する(フッ素等がシリコン酸化膜を劣化させる)などの問題がある。   In order to manufacture such dot-shaped silicon nanocrystals, many methods including a CVD method (chemical vapor deposition method) have been studied. However, conventional film formation techniques such as CVD methods not only make the process complicated by a wet process, such as the need for chemical treatment such as HF treatment on the film surface in order to increase the density of the formed film. There is a problem that device characteristics are deteriorated due to chemical treatment (fluorine or the like deteriorates the silicon oxide film).

そこで、予め形成したアモルファス層にシリコンを含有するガス照射を利用するシンプルなドライプロセスにより、ドット状のシリコンナノ結晶を製造する方法が知られている(例えば、非特許文献1、特願2003−363411参照)。   Therefore, a method of manufacturing dot-like silicon nanocrystals by a simple dry process using silicon-containing gas irradiation in a previously formed amorphous layer is known (for example, Non-Patent Document 1, Japanese Patent Application 2003-2003). 36311).

このガス照射を利用する方法は、分子線蒸着装置内での電子銃蒸着法によって、SiO2 /Si基板(基板温度:室温)上に膜厚0.1〜3.4nmのアモルファスシリコン層(a−Si層)を形成し、その後基板温度:610℃、成長圧力:4.2×10-4TorrでSi2 6 ガスを照射することにより、ドット状のシリコンナノ結晶を製造する。この方法によれば、簡素なドライプロセスにより、数密度1×1012/cm2 、平均粒径10nmの高密度シリコンナノ結晶の製造が可能となる。 This gas irradiation method uses an electron gun vapor deposition method in a molecular beam vapor deposition apparatus to form an amorphous silicon layer (a) having a thickness of 0.1 to 3.4 nm on a SiO 2 / Si substrate (substrate temperature: room temperature). -Si layer) is formed, and then a silicon nanocrystal in the form of dots is manufactured by irradiating Si 2 H 6 gas at a substrate temperature of 610 ° C. and a growth pressure of 4.2 × 10 −4 Torr. According to this method, high-density silicon nanocrystals having a number density of 1 × 10 12 / cm 2 and an average particle diameter of 10 nm can be produced by a simple dry process.

他方、こうして得られたドット状のシリコンナノ結晶は、このシリコンナノ結晶が埋設されるようにSiO2 膜上にさらに上部a−Si層が形成され、この上部a−Si層が熱酸化により上部SiO2 膜(コントロール酸化膜)とされることで、ナノドットメモリに供される。しかし、上部a−Si層の熱酸化時にシリコンナノ結晶の表面も同時に酸化されてしまうため、上部SiO2 膜の形成後には、酸化によりシリコンナノ結晶がサイズ減少ないし消失してしまい、数密度も低下してしまうという問題がある。なお、熱酸化時の温度の低下、ガス濃度の低下、酸化時間の短縮等の熱酸化条件の変更で、酸化によるシリコンナノ結晶のサイズ減少ないし消失を防ぐことができるが、有効なプロセスの熱酸化条件の幅は狭く、プロセスの制御は困難であるという問題がある。 On the other hand, in the dot-like silicon nanocrystals thus obtained, an upper a-Si layer is further formed on the SiO 2 film so that the silicon nanocrystals are embedded, and this upper a-Si layer is formed by thermal oxidation. By using a SiO 2 film (control oxide film), it is used for a nanodot memory. However, since the surface of the silicon nanocrystal is also oxidized at the same time when the upper a-Si layer is thermally oxidized, the silicon nanocrystal is reduced in size or disappears due to the oxidation after the formation of the upper SiO 2 film. There is a problem that it falls. Note that changes in thermal oxidation conditions such as temperature reduction, gas concentration reduction, and reduction of oxidation time during thermal oxidation can prevent the size reduction or disappearance of silicon nanocrystals due to oxidation. There is a problem that the range of oxidation conditions is narrow and the process is difficult to control.

そこで、シリコンナノ結晶の酸化を防止すべく、シリコンナノ結晶を酸化防止層中に埋設したり(例えば、非特許文献2参照)、あるいはシリコンナノ結晶の表層部に酸化防止膜を形成したりする技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, in order to prevent oxidation of the silicon nanocrystal, the silicon nanocrystal is embedded in the antioxidant layer (for example, refer to Non-Patent Document 2), or an antioxidant film is formed on the surface layer portion of the silicon nanocrystal. A technique is known (see, for example, Patent Document 1).

この技術では、窒素分子ガスを用いた熱窒化処理により、シリコンナノ結晶を埋設するように酸化防止層としてのシリコン窒化層を形成したり、あるいはシリコンナノ結晶の表層部に酸化防止膜としてのシリコン窒化膜を形成したりしている。このように酸化防止層中にシリコンナノ結晶を埋設したり、あるいはシリコンナノ結晶の表層部に酸化防止膜を形成したりすれば、この酸化防止層の上に形成した上部a−Si層を熱酸化する際、あるいは表層部に酸化防止膜が形成されたシリコンナノ結晶を埋設するように形成した上部a−Si層を熱酸化する際に、シリコンナノ結晶が酸化によりサイズ減少ないし消失することを酸化防止層又は酸化防止膜により防止することができる。
米国特許第6297095号明細書 2003年秋季第64回応用物理学会学術講演会講演予稿集、第2分冊、767頁、社団法人応用物理学会、2003年8月30日発行 Hybrid Silicon Nanocrystal Silicon Nitride Memory、Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo,2003,pp.848-849、R.F.Steimle, R.A.Rao, B.Hradsky, R.Muralidhar, M.Sadd, M.Ramon, S.Straub, S.Bagchi, X.D.Wang, J.Hooker, and B.E.White Jr.
In this technology, a silicon nitride layer as an antioxidant layer is formed so as to embed silicon nanocrystals by thermal nitridation using nitrogen molecular gas, or silicon as an antioxidant film is formed on the surface layer of silicon nanocrystals. A nitride film is formed. When the silicon nanocrystals are embedded in the antioxidant layer as described above, or an antioxidant film is formed on the surface portion of the silicon nanocrystal, the upper a-Si layer formed on the antioxidant layer is heated. When oxidizing, or when thermally oxidizing an upper a-Si layer formed so as to bury a silicon nanocrystal having an anti-oxidation film formed on the surface layer, the silicon nanocrystal may be reduced in size or disappear due to oxidation. It can be prevented by an antioxidant layer or an antioxidant film.
US Pat. No. 6,297,095 Proceedings of the 64th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, Fall 2003, 2nd volume, 767, Japan Society of Applied Physics, published on August 30, 2003 Hybrid Silicon Nanocrystal Silicon Nitride Memory, Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 2003, pp. 848-849, RFSteimle, RARao, B. Hradsky, R. Muralidhar, M. Sadd, M. Ramon , S. Straub, S. Bagchi, XDWang, J. Hooker, and BEWhite Jr.

しかしながら、ガス照射を利用してドット状シリコンナノ結晶を製造する上記従来方法では、Si2 6 ガスの供給による核成長に伴い、隣接するドット状シリコンナノ結晶が重なり合って融合してしまうことから、得られるシリコンナノ結晶の粒径バラツキが大きくなり易く、その結果メモリ特性にもバラツキが生じやすいという問題があった。 However, in the above conventional method of manufacturing dot-like silicon nanocrystals using gas irradiation, adjacent dot-like silicon nanocrystals overlap and fuse with the nucleus growth by supplying Si 2 H 6 gas. However, there is a problem that the variation in the particle size of the obtained silicon nanocrystal tends to increase, and as a result, the memory characteristics tend to vary.

また、将来的にメモリ特性をさらに向上させるべく、シリコンナノ結晶のさらなる高密度化と粒径の縮小化が望まれる。   Further, in order to further improve the memory characteristics in the future, it is desired to further increase the density and reduce the particle size of silicon nanocrystals.

他方、酸化防止層としてのシリコン窒化層中にシリコンナノ結晶を埋設させることによりシリコンナノ結晶の酸化を防止する上記従来技術では、余分に形成するシリコン窒化層の分だけ厚膜化するため、デバイスが大型化するという問題があった。   On the other hand, in the above conventional technique for preventing oxidation of silicon nanocrystals by embedding silicon nanocrystals in a silicon nitride layer as an anti-oxidation layer, the device is made thicker by the amount of the silicon nitride layer to be formed extra. There was a problem of increasing the size.

一方、シリコンナノ結晶の表層部に酸化防止膜としてのシリコン窒化膜を形成することによりシリコンナノ結晶の酸化を防止する上記従来技術によれば、デバイスの大型化の問題はない。   On the other hand, according to the above-described conventional technique for preventing oxidation of silicon nanocrystals by forming a silicon nitride film as an antioxidant film on the surface layer portion of silicon nanocrystals, there is no problem of increasing the size of the device.

ここに、平均粒径が例えば5〜6nm程度のシリコンナノ結晶に対して表面窒化処理によりその表層部にシリコン窒化膜を形成する場合は、窒化に伴いシリコンナノ結晶中のシリコンが消費されるところ、膜厚が2〜3nmのシリコン窒化膜を形成してしまってはシリコンナノ結晶自体がほとんど無くなってしまうため、シリコン窒化膜を1nm以下程度に薄膜化する必要がある。   Here, when a silicon nitride film is formed on the surface layer of a silicon nanocrystal having an average particle diameter of, for example, about 5 to 6 nm by surface nitriding, silicon in the silicon nanocrystal is consumed along with nitridation. If a silicon nitride film having a film thickness of 2 to 3 nm is formed, the silicon nanocrystal itself is almost lost. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the silicon nitride film to about 1 nm or less.

ところが、窒素分子ガスを用いた熱窒化処理では、一般に酸化に比べて窒化は起こり難いこともあって、1000℃程度を超えるような高温プロセスが必要になる。高温での窒化処理では、高温化に伴い窒素がシリコンナノ結晶のより内部まで拡散し易くなるため、形成されるシリコン窒化膜の膜厚が厚くなるとともに、そのシリコン窒化膜へのシリコンの消費によりシリコンナノ結晶のサイズが過度に減少してしまう。また、窒化温度の低下、窒化時間の短縮等の熱窒化処理条件の変更によって、シリコン窒化膜の膜厚を1nm以下にすると、窒素の拡散に伴ってシリコン窒化膜中の窒素濃度が低下するため、形成されるシリコン窒化膜は窒素が不足したシリコンリッチな膜になってしまう。窒素が不足したシリコンリッチなシリコン窒化膜では、それ自身が酸化され易い上、酸素の拡散を十分に防ぐことができないため、十分な酸化防止性能を発揮することが困難になる。   However, in the thermal nitriding treatment using nitrogen molecular gas, nitriding is generally difficult to occur compared to oxidation, and a high temperature process exceeding about 1000 ° C. is required. In nitriding at high temperature, nitrogen easily diffuses into the silicon nanocrystals as the temperature rises, so that the thickness of the formed silicon nitride film increases and the consumption of silicon in the silicon nitride film increases. The size of silicon nanocrystals is excessively reduced. Further, if the silicon nitride film thickness is reduced to 1 nm or less by changing the thermal nitriding conditions such as nitriding temperature reduction and nitriding time shortening, the nitrogen concentration in the silicon nitride film decreases with the diffusion of nitrogen. The formed silicon nitride film becomes a silicon-rich film lacking nitrogen. A silicon-rich silicon nitride film lacking nitrogen is easily oxidized and oxygen diffusion cannot be sufficiently prevented, so that it is difficult to exhibit sufficient antioxidant performance.

したがって、窒素分子ガスを用いた熱窒化処理によりシリコン窒化膜を形成する上記従来技術では、1nm以下の極薄の膜厚でありながら、熱酸化に完全な酸化防止性能を発揮しうるようなシリコン窒化膜を形成することが困難であるという問題があった。   Therefore, in the above prior art in which a silicon nitride film is formed by thermal nitridation using a nitrogen molecular gas, silicon that has a very thin film thickness of 1 nm or less and can exhibit a complete antioxidant performance for thermal oxidation. There is a problem that it is difficult to form a nitride film.

よって、平均粒径が5〜6nm程度のシリコンナノ結晶に対して、窒素分子ガスを用いて熱窒化処理する上記従来技術によりシリコン窒化層を形成したとしても、熱酸化時にシリコンナノ結晶がサイズ減少ないし消失することを完全に防止することができないという問題があった。   Therefore, even if a silicon nitride layer is formed by the above-described conventional technique in which a silicon nitride crystal having an average particle size of about 5 to 6 nm is thermally nitrided using a nitrogen molecular gas, the size of the silicon nanocrystal is reduced during thermal oxidation. There is also a problem that it cannot be completely prevented from disappearing.

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ガス照射を利用しないドライプロセスによる簡素な方法により、ドット状のシリコンナノクラスタにおける粒径バラツキを抑えるとともに、さらなる粒径の縮小化及び高数密度化を図ることを第1の課題とするものである。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and by a simple method using a dry process that does not use gas irradiation, while suppressing particle size variation in dot-like silicon nanoclusters, further reducing the particle size and increasing the number of particles. The first problem is to increase the density.

また、本発明は、平均粒径が5〜6nm程度のシリコンナノクラスタであっても、そのシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、そのシリコンナノクラスタをシリコン酸化膜中に埋め込むことを可能にすることを第2の課題とするものである。   Further, the present invention provides a silicon nanocluster having an average particle size of about 5 to 6 nm, without greatly reducing the size of the silicon portion in the silicon nanocluster from the size of the original silicon nanocluster. A second problem is to make it possible to embed a cluster in a silicon oxide film.

(1)上記第1の課題を解決する請求項1記載の半導体素子用基材の製造方法は、シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成するSi酸化膜形成工程と、前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成するa−Si層形成工程と、超高真空下で、前記アモルファスシリコン層を400℃以上かつシリコンの融点未満の温度で加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成するSiナノクラスタ形成工程とを備えていることを特徴とするものである。   (1) The method for manufacturing a base material for a semiconductor device according to claim 1, which solves the first problem, includes a silicon oxide film forming step of forming a silicon oxide film on a surface layer portion of a silicon-containing base material, and the silicon oxide An a-Si layer forming step of forming an amorphous silicon layer on the film; and heating the amorphous silicon layer at a temperature of 400 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon under an ultrahigh vacuum on the silicon oxide film And a Si nanocluster forming step of forming a plurality of dot-like silicon nanoclusters.

ここに、上記シリコン含有基材におけるシリコン含有とは、純粋なシリコン基材であっても、必要に応じて又は不可避的にシリコン以外の他の元素を含んでいてもよい意である。   Here, the silicon content in the silicon-containing base material means that it may be a pure silicon base material or may contain other elements other than silicon as necessary or unavoidably.

また、上記シリコンナノクラスタにおけるナノクラスタとは、所定サイズ(平均粒径が10nm程度以下)の粒状の塊をいい、その内部構造は問わず、結晶構造のものでも非晶質のものでも含まれる。   In addition, the nanocluster in the silicon nanocluster refers to a granular lump having a predetermined size (average particle size of about 10 nm or less), and the internal structure is not limited, and includes a crystalline structure or an amorphous structure. .

この半導体素子用基材の製造方法では、まずシリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成し、その後このシリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成する。そして、超高真空下で、このアモルファスシリコン層を400℃以上かつシリコンの融点未満の温度で加熱処理してシリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成する。このようにシリコン酸化膜上に形成されたアモルファスシリコン層を超高真空下で加熱処理すると、アモルファスシリコン層中のシリコン原子は表面泳動により凝集してドット状のシリコンナノクラスタとなる。仮に加熱処理条件が超高真空でない場合、アモルファスシリコン層の表面が酸化されてシリコン酸化膜がアモルファスシリコン層の表層部に形成されると、このシリコン酸化膜によりシリコン原子の表面泳動が阻害されるため、アモルファスシリコン層中のシリコン原子の凝集が妨げられ、シリコンナノクラスタが形成されない。この点、請求項1記載の製造方法では、超高真空雰囲気で加熱処理することから、アモルファスシリコン層の表面が酸化されることもなく、シリコン原子の表面泳動による凝集が良好に行われ、ドット状のシリコンナノクラスタの平均粒径や粒径バラツキを小さくすることができるとともにシリコンナノクラスタの高密度化を効果的に図ることができる。なお、アモルファスシリコン層ではなく多結晶シリコン層を超高真空下で加熱処理する場合は、結晶粒界の存在がシリコン原子の拡散を阻害し、形成されるドット状のシリコンナノクラスタの粒径バラツキや部位による密度バラツキが生じ易くなり、結果として高密度化を図ることが困難になると考えられる。   In this semiconductor element substrate manufacturing method, a silicon oxide film is first formed on the surface layer portion of a silicon-containing substrate, and then an amorphous silicon layer is formed on the silicon oxide film. Then, the amorphous silicon layer is heat-treated at a temperature of 400 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon under ultra-high vacuum to form a plurality of dot-like silicon nanoclusters on the silicon oxide film. When the amorphous silicon layer thus formed on the silicon oxide film is heat-treated under an ultrahigh vacuum, silicon atoms in the amorphous silicon layer are aggregated by surface migration to form dot-like silicon nanoclusters. If the heat treatment condition is not ultra-high vacuum, the surface of the amorphous silicon layer is oxidized and a silicon oxide film is formed on the surface layer of the amorphous silicon layer. This silicon oxide film inhibits surface migration of silicon atoms. Therefore, aggregation of silicon atoms in the amorphous silicon layer is prevented, and silicon nanoclusters are not formed. In this respect, in the manufacturing method according to claim 1, since the heat treatment is performed in an ultra-high vacuum atmosphere, the surface of the amorphous silicon layer is not oxidized, and the agglomeration of the silicon atoms by surface migration is favorably performed. It is possible to reduce the average particle size and particle size variation of the silicon nanoclusters and to effectively increase the density of the silicon nanoclusters. Note that when a polycrystalline silicon layer, not an amorphous silicon layer, is heat-treated under an ultrahigh vacuum, the presence of crystal grain boundaries inhibits the diffusion of silicon atoms, resulting in a variation in the particle size of the formed dot-like silicon nanoclusters. It is considered that the density variation due to and part is likely to occur, and as a result, it is difficult to increase the density.

したがって、請求項1記載の製造方法によれば、超高真空下でアモルファスシリコン層を加熱処理するという簡素なドライプロセスにより、ドット状のシリコンナノクラスタにおける粒径バラツキを抑えるとともに、さらなる粒径の縮小化及び高数密度化を図ることが可能となる。   Therefore, according to the manufacturing method of claim 1, the simple dry process of heat-treating the amorphous silicon layer under an ultra-high vacuum suppresses the particle size variation in the dot-like silicon nanoclusters, and further increases the particle size. It is possible to reduce the size and increase the number density.

また、こうして得られた請求項1に係る半導体素子用基材は、例えば半導体ドットメモリに好適に利用することができ、しかもメモリ特性の大幅な向上を期待できる。   Further, the semiconductor element substrate according to claim 1 thus obtained can be suitably used for, for example, a semiconductor dot memory, and a significant improvement in memory characteristics can be expected.

好適な態様において、前記a−Si層形成工程では、前記アモルファスシリコン層の膜厚を1.0nm未満にする。シリコン酸化膜上に形成するアモルファスシリコン層の膜厚を1.0nm未満にすることにより、形成されるシリコンナノクラスタにおける平均粒径の縮小化及び粒径バラツキの狭小化並びに高数密度化を効果的に図ることができるので、膜厚が1.0nm未満のアモルファスシリコン層を所定の真空状態及び所定温度で加熱処理すれば、平均粒径が7nm未満、数密度が2.0×1012/cm2 以上、粒径バラツキが20%以下のシリコンナノクラスタを得ることができる。 In a preferred aspect, in the a-Si layer forming step, the film thickness of the amorphous silicon layer is made less than 1.0 nm. By reducing the film thickness of the amorphous silicon layer formed on the silicon oxide film to less than 1.0 nm, it is possible to reduce the average particle size, narrow the particle size variation, and increase the number density in the formed silicon nanoclusters. Therefore, if an amorphous silicon layer having a film thickness of less than 1.0 nm is heat-treated at a predetermined vacuum state and a predetermined temperature, the average particle diameter is less than 7 nm and the number density is 2.0 × 10 12 / Silicon nanoclusters having a size of cm 2 or more and a particle size variation of 20% or less can be obtained.

請求項3記載の半導体素子用基材は、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、前記シリコンナノクラスタは、平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.7×1012/cm2 以上、粒径バラツキが15%以下であることを特徴とするものである。 The base material for a semiconductor device according to claim 3, wherein the base material includes a silicon-containing base material having a silicon oxide film on a surface portion, and a plurality of dot-like silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film. The substrate is characterized in that the silicon nanocluster has an average particle size of 5.5 nm or less, a number density of 2.7 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 15% or less. It is.

この半導体素子用基材では、平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.7×1012/cm2 以上、粒径バラツキが15%以下とされており、ドット状のシリコンナノクラスタにおける平均粒径の縮小化及び粒径バラツキの狭小化並びに高数密度化が効果的に図られている。このため、この半導体素子用基材は、例えば半導体ドットメモリに好適に利用することができ、しかもメモリ特性の大幅な向上を期待できる。 In this substrate for a semiconductor element, the average particle size is 5.5 nm or less, the number density is 2.7 × 10 12 / cm 2 or more, and the particle size variation is 15% or less. Reduction of the average particle size, narrowing of the particle size variation, and high number density are effectively achieved. For this reason, this base material for a semiconductor element can be suitably used for, for example, a semiconductor dot memory, and a significant improvement in memory characteristics can be expected.

(2)上記第2の課題を解決する請求項4記載の半導体素子用基材の製造方法は、シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成するSi酸化膜形成工程と、前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成するa−Si層形成工程と、前記アモルファスシリコン層を少なくとも加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成するSiナノクラスタ形成工程と、前記シリコンナノクラスタの前記シリコン酸化膜との界面を除く表面に、室温〜1000℃の温度範囲でプラズマ窒化処理を施すことにより、該表面の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜を形成するSiN薄膜形成工程とを備えていることを特徴とするものである。   (2) The method for manufacturing a semiconductor element substrate according to claim 4 for solving the second problem includes a silicon oxide film forming step of forming a silicon oxide film on a surface layer portion of a silicon-containing substrate, and the silicon oxide A-Si layer forming step of forming an amorphous silicon layer on the film, and Si nanocluster forming step of forming a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters on the silicon oxide film by at least heat-treating the amorphous silicon layer And a surface of the silicon nanocluster excluding the interface with the silicon oxide film is subjected to plasma nitriding in a temperature range of room temperature to 1000 ° C., thereby forming a plasma silicon nitride thin film on a surface layer portion of the surface And a forming step.

ここに、上記シリコン含有基材におけるシリコン含有とは、純粋なシリコン基材であっても、必要に応じて又は不可避的にシリコン以外の他の元素を含んでいてもよい意である。   Here, the silicon content in the silicon-containing base material means that it may be a pure silicon base material or may contain other elements other than silicon as necessary or unavoidably.

また、上記シリコンナノクラスタにおけるナノクラスタとは、所定サイズ(平均粒径が10nm程度以下)の粒状の塊をいい、その内部構造は問わず、結晶構造のものでも非晶質のものでも含まれる。   In addition, the nanocluster in the silicon nanocluster refers to a granular lump having a predetermined size (average particle size of about 10 nm or less), and the internal structure is not limited, and includes a crystalline structure or an amorphous structure. .

この半導体素子用基材の製造方法では、シリコン酸化膜の上に形成されたアモルファスシリコン層を少なくとも加熱処理してシリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成し、その後シリコンナノクラスタのシリコン酸化膜との界面を除く表面に、室温〜1000℃の温度範囲でプラズマ窒化処理を施すことにより、該表面の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜を形成する。   In this method of manufacturing a substrate for a semiconductor element, at least an amorphous silicon layer formed on a silicon oxide film is heated to form a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters on the silicon oxide film, and then silicon nanoclusters are formed. A plasma silicon nitride thin film is formed on the surface layer of the surface by subjecting the surface excluding the interface with the silicon oxide film to plasma nitriding treatment in the temperature range of room temperature to 1000 ° C.

このようにプラズマ窒化処理を利用することにより、内部エネルギーが高くエネルギー的に活性な窒素ラジカルをシリコンナノクラスタの窒化に用いることができるので、室温〜1000℃という低温も含む広い温度範囲で、短時間で極薄の窒化膜形成が可能となる。このような低温窒化によると、窒素がシリコンナノクラスタ中に拡散し難いため、シリコンナノクラスタの表面部分だけが窒化される。このため、シリコンナノクラスタの表層部に例えば1nm以下という極薄(数原子層分の厚さ)のプラズマ窒化シリコン薄膜を形成することができる。しかも、こうして形成されたプラズマ窒化シリコン薄膜においては、薄膜化されている分だけ膜中の窒素濃度が高くなるので、化学量論組成(Si:N=3:4)とすることも可能となる。このため、このプラズマ窒化シリコン薄膜においては、窒素欠損に起因して酸化防止性能が低下するようなことがなく、十分な酸化防止性能を発揮することができる。   By utilizing the plasma nitriding treatment in this manner, nitrogen radicals having high internal energy and energetically active can be used for nitriding silicon nanoclusters. Therefore, in a wide temperature range including a low temperature of room temperature to 1000 ° C., it is short. An extremely thin nitride film can be formed in time. According to such low-temperature nitridation, since nitrogen hardly diffuses into the silicon nanocluster, only the surface portion of the silicon nanocluster is nitrided. For this reason, an ultrathin (thickness of several atomic layers) plasma silicon nitride thin film of, for example, 1 nm or less can be formed on the surface portion of the silicon nanocluster. Moreover, in the plasma silicon nitride thin film formed in this way, the nitrogen concentration in the film is increased by the thickness of the thin film, so that the stoichiometric composition (Si: N = 3: 4) can be obtained. . For this reason, in this plasma silicon nitride thin film, the antioxidant performance is not deteriorated due to nitrogen deficiency, and sufficient antioxidant performance can be exhibited.

したがって、プラズマ窒化処理を利用する本発明方法によれば、1nm以下という極薄の膜厚でありながら、例えば1000℃程度の高温で行う熱酸化時にも完全な酸化防止性能を発揮しうるようなプラズマ窒化シリコン薄膜を形成することが可能となる。また、このプラズマ窒化シリコン薄膜が表層部に形成されたシリコンナノクラスタにおいては、プラズマ窒化シリコン薄膜の膜厚が1nm以下であることから、シリコン部分のサイズが元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少していない。   Therefore, according to the method of the present invention using the plasma nitriding treatment, it is possible to exhibit complete antioxidation performance even during thermal oxidation performed at a high temperature of about 1000 ° C., for example, while having an extremely thin film thickness of 1 nm or less. A plasma silicon nitride thin film can be formed. Moreover, in the silicon nanocluster in which the plasma silicon nitride thin film is formed on the surface layer portion, since the film thickness of the plasma silicon nitride thin film is 1 nm or less, the size of the silicon portion is greatly reduced from the size of the original silicon nanocluster. Not done.

よって、平均粒径が5〜6nm程度のシリコンナノクラスタであっても、そのシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、そのシリコンナノクラスタをシリコン酸化膜中に埋め込むことができるようになる。   Therefore, even if the silicon nanocluster has an average particle size of about 5 to 6 nm, the silicon nanocluster is oxidized by silicon without greatly reducing the size of the silicon portion in the silicon nanocluster from the size of the original silicon nanocluster. It becomes possible to embed in the film.

すなわち、この半導体素子用基材の製造方法では、前記SiN薄膜形成工程の後に、前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部アモルファスシリコン層を形成する上部a−Si層形成工程と、前記上部アモルファスシリコン層を酸化処理して、前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜を形成する上部Si酸化膜形成工程とを順に実施することにより、たとえこの上部Si酸化膜形成工程で例えば1000℃程度の高温で熱酸化をしたとしても、平均粒径が5〜6nm程度以下のシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく上部シリコン酸化膜中に埋め込むことが可能となる。   That is, in this method of manufacturing a substrate for a semiconductor device, after the SiN thin film formation step, an upper amorphous silicon layer is formed on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters on which the plasma silicon nitride thin film is formed. An upper a-Si layer forming step to be formed, and an upper silicon oxide film on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanocluster in which the plasma silicon nitride thin film is formed by oxidizing the upper amorphous silicon layer By sequentially performing the upper Si oxide film forming step of forming the upper silicon oxide film, even if the upper Si oxide film forming step is thermally oxidized at a high temperature of about 1000 ° C., for example, the average particle size is about 5 to 6 nm or less. Size of silicon part in silicon nanoclusters from the size of original silicon nanoclusters It can be embedded in the listening reduced upper silicon oxide film without causing become.

このように請求項4又は5記載の製造方法によれば、シリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、そのシリコンナノクラスタを上部シリコン酸化膜中に埋め込むことができる。このため、アモルファスシリコン層からドット状のシリコンナノクラスタを形成する段階で、所望のサイズのシリコンナノクラスタを形成することにより、そのサイズから大きく減少していないサイズのシリコン部分をもつシリコンナノクラスタを上部シリコン酸化膜中に埋設した半導体素子用基材を得ることができるので、これを例えば半導体ドットメモリに適用すれば所望のメモリ特性をもつ半導体ドットメモリを得ることが可能となる。また、仮に請求項1乃至3に係る半導体素子用基材をこの製造方法に適用すれば、平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.7×1012/cm2 以上、粒径バラツキが15%以下のシリコンナノクラスが上部酸化膜中に埋設した半導体素子用基材を得ることが可能となり、これを例えば半導体ドットメモリに適用すればメモリ特性の大幅な向上を期待できる。 As described above, according to the manufacturing method of claim 4 or 5, the silicon nanoclusters are placed in the upper silicon oxide film without greatly reducing the size of the silicon portion in the silicon nanoclusters from the size of the original silicon nanoclusters. Can be embedded. For this reason, at the stage of forming dot-shaped silicon nanoclusters from the amorphous silicon layer, by forming silicon nanoclusters of a desired size, silicon nanoclusters having a silicon portion of a size not greatly reduced from the size are formed. Since a semiconductor element substrate embedded in the upper silicon oxide film can be obtained, if this is applied to, for example, a semiconductor dot memory, a semiconductor dot memory having desired memory characteristics can be obtained. Further, if the semiconductor element substrate according to claims 1 to 3 is applied to this manufacturing method, the average particle size is 5.5 nm or less, the number density is 2.7 × 10 12 / cm 2 or more, and the particle size variation. It is possible to obtain a substrate for a semiconductor element having a silicon nanoclass of 15% or less embedded in the upper oxide film, and if this is applied to, for example, a semiconductor dot memory, a significant improvement in memory characteristics can be expected.

また、熱酸化時におけるシリコンナノクラスタの酸化を防止すべく、酸化防止膜中にシリコンナノクラスタを埋設する場合は、前述のとおり厚膜化によるデバイスの大型化の問題がある。この点、請求項4又は5記載の製造方法では、シリコンナノクラスタの表層部に酸化防止膜としてのプラズマ窒化シリコン薄膜を形成するのみなので、そのような問題もない。   Further, when silicon nanoclusters are embedded in the antioxidant film in order to prevent oxidation of the silicon nanoclusters during thermal oxidation, there is a problem of increasing the size of the device by increasing the thickness as described above. In this respect, in the manufacturing method according to claim 4 or 5, since only a plasma silicon nitride thin film as an antioxidant film is formed on the surface layer portion of the silicon nanocluster, there is no such problem.

請求項6記載の半導体素子用基材は、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、前記シリコンナノクラスタは、前記シリコン酸化膜との界面を除く表層部に、プラズマ窒化処理により形成された、膜厚が1nm以下のプラズマ窒化シリコン薄膜を有していることを特徴とするものである。   The base material for a semiconductor device according to claim 6, wherein the base material includes a silicon-containing base material having a silicon oxide film on a surface layer portion, and a plurality of dot-like silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film. The silicon nanocluster has a plasma silicon nitride thin film having a thickness of 1 nm or less formed by plasma nitriding treatment on a surface layer portion excluding an interface with the silicon oxide film. It is a feature.

この半導体素子用基材は、好適な態様において、前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に形成された上部シリコン酸化膜をさらに備えている。   In a preferred embodiment, the substrate for a semiconductor element further includes an upper silicon oxide film formed on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters.

この請求項6又は7に記載の半導体素子用基材では、シリコンナノクラスタのシリコン酸化膜との界面を除く表層部に前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成されているので、このシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、そのシリコンナノクラスタを上部シリコン酸化膜中に埋設させることができる。このため、ドット状のシリコンナノクラスタを所望のサイズで形成することにより、そのサイズから大きく減少していないサイズのシリコン部分をもつシリコンナノクラスタを上部シリコン酸化膜中に埋設させた半導体素子用基材とすることができるので、これを例えば半導体ドットメモリに適用すれば所望のメモリ特性をもつ半導体ドットメモリを得ることが可能となる。   In the substrate for a semiconductor element according to claim 6 or 7, since the plasma silicon nitride thin film is formed on the surface layer portion excluding the interface with the silicon oxide film of the silicon nanocluster, the silicon portion in the silicon nanocluster The silicon nanoclusters can be embedded in the upper silicon oxide film without greatly reducing the size of the original silicon nanoclusters. For this reason, by forming dot-shaped silicon nanoclusters with a desired size, a silicon nanocluster having a silicon portion whose size is not greatly reduced from the size is embedded in the upper silicon oxide film. Therefore, if this is applied to, for example, a semiconductor dot memory, a semiconductor dot memory having desired memory characteristics can be obtained.

(1)請求項1又は2記載の半導体素子用基材の製造方法は、Si酸化膜形成工程と、a−Si層形成工程と、Siナノクラスタ形成工程とを備えている。   (1) The method for producing a semiconductor element substrate according to claim 1 or 2 comprises a Si oxide film forming step, an a-Si layer forming step, and a Si nanocluster forming step.

前記Si酸化膜形成工程では、シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成する。シリコン酸化膜を形成する方法は特に限定されず、例えば所定の酸素濃度を有する酸素含有雰囲気中で、シリコン含有基材を所定温度に加熱する公知の熱酸化処理を施すことにより、シリコン含有基材の表層部に所定膜厚のシリコン酸化膜を形成することができる。熱酸化処理時の条件は特に限定されず、形成しようとするシリコン酸化膜の膜厚や周辺プロセスとの関連に応じて適宜設定可能である。例えば、シリコン酸化膜の膜厚を1〜5nm程度とする場合は、酸素含有雰囲気の酸素濃度は15〜25%程度、熱酸化処理時の温度及び時間は900〜1100℃程度及び10〜30秒程度とすることができる。   In the Si oxide film forming step, a silicon oxide film is formed on the surface layer portion of the silicon-containing base material. The method for forming the silicon oxide film is not particularly limited. For example, by performing a known thermal oxidation process in which the silicon-containing substrate is heated to a predetermined temperature in an oxygen-containing atmosphere having a predetermined oxygen concentration, A silicon oxide film having a predetermined thickness can be formed on the surface layer portion. The conditions during the thermal oxidation treatment are not particularly limited, and can be appropriately set according to the thickness of the silicon oxide film to be formed and the relationship with the peripheral process. For example, when the film thickness of the silicon oxide film is about 1 to 5 nm, the oxygen concentration in the oxygen-containing atmosphere is about 15 to 25%, and the temperature and time during the thermal oxidation treatment are about 900 to 1100 ° C. and 10 to 30 seconds. Can be about.

前記シリコン含有基材としては、前述のとおり、純粋なシリコン基材であっても、必要に応じて又は不可避的にシリコン以外の他の元素を含んでいてもよく、例えばp型シリコン基板やn型シリコン基板を用いることができる。   As described above, the silicon-containing base material may be a pure silicon base material, or may contain other elements other than silicon as necessary or inevitably. For example, a p-type silicon substrate or n A type silicon substrate can be used.

前記a−Si層形成工程では、前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成する。アモルファスシリコン層を形成する方法は特に限定されず、例えば公知の分子線蒸着装置を用いた電子銃蒸着法を利用することができる。電子銃蒸着法の条件も特に限定されず、形成しようとするアモルファスシリコン層の膜厚や周辺プロセスに応じて適宜設定可能である。例えば、アモルファスシリコン層の膜厚を0.1〜1.0nm程度とする場合は、蒸着チャンバの基底真空度は1×10-6〜1×10-11 Torr程度、温度は10〜40℃程度とすることができる。 In the a-Si layer forming step, an amorphous silicon layer is formed on the silicon oxide film. The method for forming the amorphous silicon layer is not particularly limited, and for example, an electron gun vapor deposition method using a known molecular beam vapor deposition apparatus can be used. The conditions of the electron gun vapor deposition method are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the thickness of the amorphous silicon layer to be formed and the peripheral process. For example, when the film thickness of the amorphous silicon layer is about 0.1 to 1.0 nm, the base vacuum degree of the deposition chamber is about 1 × 10 −6 to 1 × 10 −11 Torr, and the temperature is about 10 to 40 ° C. It can be.

ここに、アモルファスシリコン層の膜厚は、このアモルファスシリコン層から形成するドット状のシリコンナノクラスタにおける平均粒径、粒径バラツキ、数密度及び部位による密度バラツキに影響を及ぼす。すなわち、アモルファスシリコン層の膜厚が厚すぎると、Siナノクラスタ形成工程でシリコン原子の凝集により最初に形成されるシリコンナノクラスタが大きくなるため、隣接するシリコンナノクラスタ同士が重なり合い、最終的に形成されるシリコンナノクラスタの粒径、粒径バラツキ及び密度バラツキが大きくなり、また数密度も低下してしまう。そこで、アモルファスシリコン層の膜厚は1.0nm未満とすることが好ましく、0.7nm未満とすることがより好ましく、0.3nm未満とすることが特に好ましい。アモルファスシリコン層の膜厚が1.0nm未満のときは平均粒径9nm以下、数密度1×1012/cm2 以上、粒径バラツキ30%以下のシリコンナノクラスタを形成することができ、0.7nm未満のときは平均粒径6nm以下、数密度2×1012/cm2 以上、粒径バラツキ20%以下のシリコンナノクラスタを形成することができ、アモルファスシリコン層の膜厚が0.3nm未満のときは平均粒径5nm以下、数密度3×1012/cm2 以上、粒径バラツキ15%以下のシリコンナノクラスタを形成することができる。一方、アモルファスシリコン層の膜厚が薄すぎると、アモルファスシリコン層からシリコンナノクラスタを形成することが困難となるため、アモルファスシリコン層の膜厚は0.05nm以上とすることが好ましい。 Here, the film thickness of the amorphous silicon layer affects the average particle diameter, the particle diameter variation, the number density, and the density variation due to the site in dot-like silicon nanoclusters formed from the amorphous silicon layer. In other words, if the amorphous silicon layer is too thick, the silicon nanoclusters initially formed by the aggregation of silicon atoms in the Si nanocluster formation process will increase, so that adjacent silicon nanoclusters will overlap and eventually form The particle size, particle size variation, and density variation of the silicon nanoclusters to be produced increase, and the number density also decreases. Therefore, the thickness of the amorphous silicon layer is preferably less than 1.0 nm, more preferably less than 0.7 nm, and particularly preferably less than 0.3 nm. When the film thickness of the amorphous silicon layer is less than 1.0 nm, silicon nanoclusters having an average particle size of 9 nm or less, a number density of 1 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 30% or less can be formed. When it is less than 7 nm, silicon nanoclusters having an average particle size of 6 nm or less, a number density of 2 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 20% or less can be formed, and the film thickness of the amorphous silicon layer is less than 0.3 nm In this case, silicon nanoclusters having an average particle size of 5 nm or less, a number density of 3 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 15% or less can be formed. On the other hand, if the film thickness of the amorphous silicon layer is too thin, it is difficult to form silicon nanoclusters from the amorphous silicon layer. Therefore, the film thickness of the amorphous silicon layer is preferably 0.05 nm or more.

前記Siナノクラスタ形成工程では、超高真空下で、好ましくは10-6〜10-11 Torr、より好ましくは10-8〜10-11 Torrの超高真空下で、前記アモルファスシリコン層を400℃以上かつシリコンの融点未満の温度で加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成する。 In the Si nanocluster formation step, the amorphous silicon layer is formed at 400 ° C. under an ultrahigh vacuum, preferably 10 −6 to 10 −11 Torr, more preferably 10 −8 to 10 −11 Torr. A plurality of dot-shaped silicon nanoclusters are formed on the silicon oxide film by heat treatment at a temperature lower than the melting point of silicon.

10-6Torrよりも真空度合いが低いと、加熱処理時にアモルファスシリコン層の表面が酸化され、その酸化膜によりシリコン原子の表面泳動が阻害され、アモルファスシリコン層中のシリコン原子の凝集が妨げられるおそれがあり、そうするとシリコンナノクラスタの形成が困難となる。一方、10-11Torrよりも高い真空度は、真空度そのものの安定な制御が困難となる。 If the degree of vacuum is lower than 10 −6 Torr, the surface of the amorphous silicon layer is oxidized during the heat treatment, and the surface migration of silicon atoms is hindered by the oxide film, which may prevent the aggregation of silicon atoms in the amorphous silicon layer. Then, it becomes difficult to form silicon nanoclusters. On the other hand, when the degree of vacuum is higher than 10 −11 Torr, it is difficult to stably control the degree of vacuum.

加熱処理時の加熱温度が400℃よりも低いと、シリコン原子の表面泳動が阻害され、シリコン原子の凝集が起こりにくくなり、シリコンナノクラスタの高数密度化等が困難となる。一方、シリコンの融点(1415℃)以上では、シリコンが液化するため、凝集による粒状形成は起きない。なお、加熱温度が400℃以上かつシリコンの融点未満の範囲内にあれば、シリコンナノクラスタの粒径、粒径バラツキ及び数密度は加熱温度にほとんど依存しない。また、加熱処理時の加熱時間はシリコンナノクラスタの粒径、粒径バラツキ、数密度及び形状にある程度影響を及ぼし、1〜5分程度とすることが好ましい。加熱時間が1分よりも短いと、シリコン原子の表面泳動が十分に起こらず、シリコン原子が凝集しにくくなり、シリコンナノクラスタの形状を均一な粒状とするのが困難となる。一方、加熱時間が5分よりも長い場合でも、シリコンナノクラスタの粒径、粒径バラツキ、数密度及び形状は、それ以上変化しなくなる。   When the heating temperature during the heat treatment is lower than 400 ° C., surface migration of silicon atoms is hindered, and silicon atoms are less likely to aggregate, making it difficult to increase the number density of silicon nanoclusters. On the other hand, when the melting point of silicon (1415 ° C.) or higher, since silicon is liquefied, granular formation due to aggregation does not occur. If the heating temperature is in the range of 400 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon, the particle size, particle size variation, and number density of silicon nanoclusters hardly depend on the heating temperature. The heating time during the heat treatment has some influence on the particle size, particle size variation, number density, and shape of the silicon nanoclusters, and is preferably about 1 to 5 minutes. When the heating time is shorter than 1 minute, the surface migration of silicon atoms does not occur sufficiently, the silicon atoms are difficult to aggregate, and it is difficult to make the shape of the silicon nanoclusters uniform. On the other hand, even when the heating time is longer than 5 minutes, the particle size, particle size variation, number density, and shape of the silicon nanoclusters no longer change.

こうして、超高真空下で加熱処理するという簡素なドライプロセスにより、ドット状のシリコンナノクラスタにおける粒径バラツキを抑えるとともに、さらなる粒径の縮小化及び高数密度化を図ることが可能となる。   In this way, it is possible to reduce the particle size variation in the dot-like silicon nanoclusters and to further reduce the particle size and increase the number density by a simple dry process in which heat treatment is performed under an ultrahigh vacuum.

したがって、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、前記シリコンナノクラスタの平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.7×1012/cm2 以上、粒径バラツキが15%以下である半導体素子用基材を製造することができる。 Accordingly, a silicon element substrate comprising a silicon-containing substrate having a silicon oxide film on a surface portion and a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film, wherein the silicon nanocluster A substrate for a semiconductor element having an average particle size of 5.5 nm or less, a number density of 2.7 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 15% or less can be produced.

また、こうして得られた半導体素子用基材は、前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜(コントロール酸化膜)を形成することにより、例えば半導体ドットメモリに好適に利用することができ、そのメモリ特性を大幅に向上させることができる。   In addition, the substrate for a semiconductor element thus obtained is suitable for a semiconductor dot memory, for example, by forming an upper silicon oxide film (control oxide film) on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters. The memory characteristics can be greatly improved.

このときの上部シリコン酸化膜の形成方法としては特に限定されず、例えば公知の電子銃蒸着法により上部アモルファスシリコン層を形成し、この上部アモルファスシリコン層を熱酸化等により酸化処理して上部シリコン酸化膜とすればよい。なお、上部アモルファスシリコン層の膜厚は1〜30nm程度とすることができ、上部シリコン酸化膜の膜厚は2〜60nm程度とすることができる。そして、コントロール酸化膜としての上部シリコン酸化膜上にゲート電極を形成することによりフローティングゲート型のナノドットメモリとすることができる。   The method of forming the upper silicon oxide film at this time is not particularly limited. For example, an upper amorphous silicon layer is formed by a known electron gun vapor deposition method, and the upper amorphous silicon layer is oxidized by thermal oxidation or the like to be oxidized. A film may be used. The thickness of the upper amorphous silicon layer can be about 1 to 30 nm, and the thickness of the upper silicon oxide film can be about 2 to 60 nm. Then, by forming a gate electrode on the upper silicon oxide film as the control oxide film, a floating gate type nanodot memory can be obtained.

ここに、上記上部シリコン酸化膜を形成する場合は、上部アモルファスシリコン層の熱酸化処理時にシリコンナノクラスタが酸化によりサイズ減少ないし消失することを効果的に防ぐべく、請求項5記載の半導体素子用基材の製造方法を適用して、シリコンナノクラスタの前記シリコン酸化膜との界面を除く表面にプラズマ窒化処理を施すことにより、該表面の表層部に酸化防止用薄膜としてのプラズマ窒化シリコン薄膜を形成してから上部アモルファスシリコン層の形成及び該上部アモルファスシリコン層の熱酸化処理を行うことが好ましい。なお、このように酸化防止用薄膜としての窒化シリコン薄膜を形成することなくそのまま上部アモルファスシリコン層の形成及び該上部アモルファスシリコン層の熱酸化処理を行う場合は、熱酸化処理時におけるシリコンナノクラスタの酸化によるサイズ減少ないし消失を防ぐには、熱酸化処理条件を厳密に制御する必要がある。   6. The semiconductor device according to claim 5, wherein when the upper silicon oxide film is formed, the silicon nanoclusters are effectively prevented from being reduced in size or lost due to oxidation during the thermal oxidation treatment of the upper amorphous silicon layer. By applying a substrate manufacturing method and performing plasma nitriding treatment on the surface of the silicon nanocluster excluding the interface with the silicon oxide film, a plasma silicon nitride thin film as an anti-oxidation thin film is formed on the surface layer of the surface. It is preferable to form the upper amorphous silicon layer and to thermally oxidize the upper amorphous silicon layer after the formation. When the upper amorphous silicon layer is formed and the upper amorphous silicon layer is thermally oxidized without forming the silicon nitride thin film as the oxidation-preventing thin film, the silicon nanoclusters at the time of the thermal oxidation process are In order to prevent size reduction or disappearance due to oxidation, it is necessary to strictly control the thermal oxidation treatment conditions.

なお、この半導体素子用基材は、半導体ドットメモリ以外にも可視発光素子等のデバイス等への適用が期待できる。   This base material for a semiconductor element can be expected to be applied to a device such as a visible light emitting element in addition to a semiconductor dot memory.

(2)請求項4記載の半導体素子用基材の製造方法は、Si酸化膜形成工程と、a−Si層形成工程と、Siナノクラスタ形成工程と、SiN薄膜形成工程とを備えている。   (2) A method for producing a semiconductor element substrate according to claim 4 comprises a Si oxide film forming step, an a-Si layer forming step, a Si nanocluster forming step, and a SiN thin film forming step.

前記Si酸化膜形成工程では、シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成する。シリコン酸化膜を形成する方法は特に限定されず、例えば所定の酸素濃度を有する酸素含有雰囲気中で、シリコン含有基材を所定温度に加熱する公知の熱酸化処理を施すことにより、シリコン含有基材の表層部に所定膜厚のシリコン酸化膜を形成することができる。熱酸化処理時の条件は特に限定されず、形成しようとするシリコン酸化膜の膜厚や周辺プロセスに応じて適宜設定可能である。例えば、シリコン酸化膜の膜厚を1〜20nm程度とする場合は、酸素含有雰囲気の酸素濃度は1〜100%程度、熱酸化処理時の温度及び時間は700〜1100℃程度及び1秒〜180分程度とすることができる。   In the Si oxide film forming step, a silicon oxide film is formed on the surface layer portion of the silicon-containing base material. The method for forming the silicon oxide film is not particularly limited. For example, by performing a known thermal oxidation process in which the silicon-containing substrate is heated to a predetermined temperature in an oxygen-containing atmosphere having a predetermined oxygen concentration, A silicon oxide film having a predetermined thickness can be formed on the surface layer portion. The conditions during the thermal oxidation treatment are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the thickness of the silicon oxide film to be formed and the peripheral process. For example, when the thickness of the silicon oxide film is about 1 to 20 nm, the oxygen concentration in the oxygen-containing atmosphere is about 1 to 100%, the temperature and time during the thermal oxidation process are about 700 to 1100 ° C., and 1 second to 180. It can be about minutes.

前記シリコン含有基材としては、前述のとおり、純粋なシリコン基材であっても、必要に応じて又は不可避的にシリコン以外の他の元素を含んでいてもよく、例えばp型シリコン基板やn型シリコン基板を用いることができる。   As described above, the silicon-containing base material may be a pure silicon base material, or may contain other elements other than silicon as necessary or inevitably. For example, a p-type silicon substrate or n A type silicon substrate can be used.

前記a−Si層形成工程では、前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成する。アモルファスシリコン層を形成する方法は特に限定されず、例えば公知の分子線蒸着装置を用いた電子銃蒸着法を利用することができる。電子銃蒸着法の条件も特に限定されず、形成しようとするアモルファスシリコン層の膜厚や周辺プロセスに応じて適宜設定可能である。例えば、アモルファスシリコン層の膜厚を0.1〜1.0nm程度とする場合は、蒸着チャンバの基底真空度は1×10-6〜1×10-11 Torr程度、温度は10〜40℃程度とすることができる。 In the a-Si layer forming step, an amorphous silicon layer is formed on the silicon oxide film. The method for forming the amorphous silicon layer is not particularly limited, and for example, an electron gun vapor deposition method using a known molecular beam vapor deposition apparatus can be used. The conditions of the electron gun vapor deposition method are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the thickness of the amorphous silicon layer to be formed and the peripheral process. For example, when the film thickness of the amorphous silicon layer is about 0.1 to 1.0 nm, the base vacuum degree of the deposition chamber is about 1 × 10 −6 to 1 × 10 −11 Torr, and the temperature is about 10 to 40 ° C. It can be.

ここに、アモルファスシリコン層の膜厚は、このアモルファスシリコン層から形成するドット状のシリコンナノクラスタにおける平均粒径、粒径バラツキ、数密度及び部位による密度バラツキに影響を及ぼす。すなわち、アモルファスシリコン層の膜厚が厚すぎると、Siナノクラスタ形成工程でシリコン原子の凝集により最初に形成されるシリコンナノクラスタが大きくなるため、隣接するシリコンナノクラスタ同士が重なり合い、最終的に形成されるシリコンナノクラスタの粒径、粒径バラツキ及び密度バラツキが大きくなり、また、数密度も低下してしまう。   Here, the film thickness of the amorphous silicon layer affects the average particle diameter, the particle diameter variation, the number density, and the density variation due to the site in dot-like silicon nanoclusters formed from the amorphous silicon layer. In other words, if the amorphous silicon layer is too thick, the silicon nanoclusters initially formed by the aggregation of silicon atoms in the Si nanocluster formation process will increase, so that adjacent silicon nanoclusters will overlap and eventually form The particle size, particle size variation, and density variation of the silicon nanoclusters to be produced increase, and the number density also decreases.

そこで、アモルファスシリコン層の膜厚は1.0nm未満とすることが好ましく、0.7nm未満とすることがより好ましく、0.3nm未満とすることが特に好ましい。一方、アモルファスシリコン層の膜厚が薄すぎると、アモルファスシリコン層からシリコンナノクラスタを形成することが困難となるため、アモルファスシリコン層の膜厚は0.05nm以上とすることが好ましい。   Therefore, the thickness of the amorphous silicon layer is preferably less than 1.0 nm, more preferably less than 0.7 nm, and particularly preferably less than 0.3 nm. On the other hand, if the film thickness of the amorphous silicon layer is too thin, it is difficult to form silicon nanoclusters from the amorphous silicon layer. Therefore, the film thickness of the amorphous silicon layer is preferably 0.05 nm or more.

前記Siナノクラスタ形成工程では、前記アモルファスシリコン層を少なくとも加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成する。このアモルファスシリコン層を少なくとも加熱処理してドット状のシリコンナノクラスタを形成する方法としては特に限定されない。ただし、この半導体素子用基材を例えば半導体ドットメモリに適用する場合は、メモリ特性向上の観点より、シリコンナノクラスタの平均粒径を10nm以下とすることが好ましく、7nm以下とすることがより好ましく、5nm以下とすることが特に好ましい。   In the Si nanocluster formation step, the amorphous silicon layer is at least heat-treated to form a plurality of dot-like silicon nanoclusters on the silicon oxide film. There is no particular limitation on the method for forming the dot-shaped silicon nanocluster by at least heat-treating the amorphous silicon layer. However, when this substrate for a semiconductor element is applied to, for example, a semiconductor dot memory, the average particle size of silicon nanoclusters is preferably 10 nm or less, more preferably 7 nm or less, from the viewpoint of improving memory characteristics. It is particularly preferable that the thickness be 5 nm or less.

例えば、前記シリコン含有基材を1×10-4〜1×10-3Torr程度の圧力下で300〜800℃程度の温度に加熱した状態で、前記アモルファスシリコン層に対して原料ガス(ジシランガスやトリシランガス等のシラン系ガス)を0.5〜10ミリリットル/min程度の流量で1秒〜30分程度の時間だけ照射することによって、ドット状のシリコンナノクラスタを形成することができる。このガス照射を利用してドット状のシリコンナノクラスタを形成する場合は、アモルファスシリコン層の膜厚が0.3nm以下のときは平均粒径8.9nm以下、数密度1.4×1012/cm2 以上、粒径バラツキ±1.5nm以下のシリコンナノクラスタを形成することができ、アモルファスシリコン層の膜厚が0.1nm以下のときは平均粒径5.6nm以下、数密度2.6×1012/cm2 以上、粒径バラツキ±0.9nm以下のシリコンナノクラスタを形成することができる。 For example, in a state where the silicon-containing substrate is heated to a temperature of about 300 to 800 ° C. under a pressure of about 1 × 10 −4 to 1 × 10 −3 Torr, a raw material gas (disilane gas or Dot-like silicon nanoclusters can be formed by irradiating a silane-based gas such as trisilane gas) at a flow rate of about 0.5 to 10 ml / min for a time of about 1 second to 30 minutes. When forming dot-like silicon nanoclusters using this gas irradiation, when the film thickness of the amorphous silicon layer is 0.3 nm or less, the average particle size is 8.9 nm or less, and the number density is 1.4 × 10 12 / cm 2 or more, it is possible to form the following silicon nanoclusters particle size variation ± 1.5 nm, the average particle size 5.6nm or less when a thickness of the amorphous silicon layer is 0.1nm or less, the number density 2.6 Silicon nanoclusters with × 10 12 / cm 2 or more and particle size variations of ± 0.9 nm or less can be formed.

また、請求項1記載の製造方法を利用して、超高真空下、前記アモルファスシリコン層を400℃以上かつシリコンの融点未満の温度で、1〜5分程度加熱処理することによって、ドット状のシリコンナノクラスタを形成することもできる。この超真空下での加熱処理を利用してドット状のシリコンナノクラスタを形成する場合は、アモルファスシリコン層の膜厚が1.0nm未満のときは平均粒径9nm以下、数密度1×1012/cm2 以上、粒径バラツキ30%以下のシリコンナノクラスタを形成することができ、0.7nm未満のときは平均粒径6nm以下、数密度2×1012/cm2 以上、粒径バラツキ20%以下のシリコンナノクラスタを形成することができ、アモルファスシリコン層の膜厚が0.3nm未満のときは平均粒径5nm以下、数密度3×1012/cm2 以上、粒径バラツキ15%以下のシリコンナノクラスタを形成することができる。 In addition, by using the manufacturing method according to claim 1, the amorphous silicon layer is heated at a temperature of 400 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon for about 1 to 5 minutes under ultrahigh vacuum, thereby forming a dot-like shape. Silicon nanoclusters can also be formed. In the case of forming dot-like silicon nanoclusters by using the heat treatment under ultra-vacuum, when the film thickness of the amorphous silicon layer is less than 1.0 nm, the average particle diameter is 9 nm or less and the number density is 1 × 10 12. / Cm 2 or more and silicon nanoclusters having a particle size variation of 30% or less can be formed. When the size is less than 0.7 nm, the average particle size is 6 nm or less, the number density is 2 × 10 12 / cm 2 or more, and the particle size variation is 20 % Of silicon nanoclusters can be formed. When the film thickness of the amorphous silicon layer is less than 0.3 nm, the average particle size is 5 nm or less, the number density is 3 × 10 12 / cm 2 or more, and the particle size variation is 15% or less. Of silicon nanoclusters can be formed.

前記SiN薄膜形成工程では、前記シリコンナノクラスタの前記シリコン酸化膜との界面を除く表面に、室温〜1000℃の温度範囲(ここで、室温とは、通常、10〜40℃である)でプラズマ窒化処理を施すことにより、該表面の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜を形成する。プラズマ窒化処理では、エネルギー的に活性な窒素ラジカルを利用して窒化することから、熱窒化処理と比較して低温での窒化膜形成が可能となる。プラズマ窒化処理を利用した低温窒化によれば、プラズマ窒化シリコン薄膜の薄膜化が可能であり、例えば1nm以下という極薄のプラズマ窒化シリコン薄膜を形成することができる。しかもこうして形成されたプラズマ窒化シリコン薄膜は、化学量論組成(Si:N=3:4)又はそれに近い組成となり、その結果窒素欠損に起因して酸化防止性能が低下するようなことがなく、十分な酸化防止性能の発揮が可能となる。   In the SiN thin film forming step, plasma is applied to the surface of the silicon nanoclusters excluding the interface with the silicon oxide film in a temperature range of room temperature to 1000 ° C. (where room temperature is usually 10 to 40 ° C.). By performing nitriding treatment, a plasma silicon nitride thin film is formed on the surface layer portion of the surface. In the plasma nitriding process, nitriding is performed using energetically active nitrogen radicals, so that a nitride film can be formed at a lower temperature than in the thermal nitriding process. According to low temperature nitridation using plasma nitriding treatment, it is possible to reduce the thickness of the plasma silicon nitride thin film, and it is possible to form an extremely thin plasma silicon nitride thin film of, for example, 1 nm or less. Moreover, the plasma silicon nitride thin film thus formed has a stoichiometric composition (Si: N = 3: 4) or a composition close thereto, and as a result, the antioxidant performance does not deteriorate due to nitrogen deficiency, It is possible to exhibit sufficient antioxidant performance.

したがって、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、前記シリコンナノクラスタは、前記シリコン酸化膜との界面を除く表面の表層部に、プラズマ窒化処理により形成された、膜厚が1nm以下のプラズマ窒化シリコン薄膜を有している半導体素子用基材を製造することができる。   Accordingly, a silicon element substrate comprising a silicon-containing substrate having a silicon oxide film on a surface portion and a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film, wherein the silicon nanocluster Manufacturing a substrate for a semiconductor device having a plasma silicon nitride thin film having a thickness of 1 nm or less formed by plasma nitriding treatment on a surface layer portion of a surface excluding an interface with the silicon oxide film it can.

そして、この半導体素子用基材に対して、前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部アモルファスシリコン層を形成する上部a−Si層形成工程と、前記上部アモルファスシリコン層を酸化処理して、前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜を形成する上部Si酸化膜形成工程とを順に実施することにより、前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に形成された上部シリコン酸化膜をさらに備えた半導体素子用基材を製造することができる。そして、こうして得られた半導体素子用基材は、例えば半導体ドットメモリに好適に利用することができ、そのメモリ特性を大幅に向上させることができる。   Then, an upper a-Si layer forming step of forming an upper amorphous silicon layer on the silicon oxide film so as to embed the silicon nanoclusters on which the plasma silicon nitride thin film is formed with respect to the semiconductor element substrate. And an upper Si oxide film forming step of forming an upper silicon oxide film on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters on which the plasma silicon nitride thin film is formed by oxidizing the upper amorphous silicon layer By sequentially performing the above, it is possible to manufacture a substrate for a semiconductor device further including an upper silicon oxide film formed on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters. And the base material for semiconductor elements obtained in this way can be utilized suitably, for example for a semiconductor dot memory, and the memory characteristic can be improved significantly.

なお、この半導体素子用基材は、半導体ドットメモリ以外にも可視発光素子等のデバイス等への適用が期待できる。   This base material for a semiconductor element can be expected to be applied to a device such as a visible light emitting element in addition to a semiconductor dot memory.

ここに、プラズマ窒化処理する際の温度が室温よりも低いと、窒化が不十分になる。一方、1000℃よりも高いと、シリコンナノクラスタ中への窒素の拡散が促進される結果、窒素分子ガスを用いた高温での熱窒化処理と同様、プラズマ窒化シリコン薄膜の膜厚増加によりシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズが大きく減少する。   Here, if the temperature at the time of plasma nitriding is lower than room temperature, nitriding becomes insufficient. On the other hand, when the temperature is higher than 1000 ° C., the diffusion of nitrogen into the silicon nanocluster is promoted. The size of the silicon part in the cluster is greatly reduced.

このプラズマ窒化処理の他の条件は、例えば窒素ガス分圧:1×10-6Torr〜大気圧程度、RF電源電力:50〜1000w、処理時間:1秒〜20分程度とすることができる。 Other conditions of this plasma nitriding treatment can be, for example, nitrogen gas partial pressure: 1 × 10 −6 Torr to about atmospheric pressure, RF power supply power: 50 to 1000 w, and processing time: about 1 second to 20 minutes.

ここに、前記プラズマ窒化シリコン薄膜の膜厚が厚すぎると、窒化に伴うシリコンの消費により、シリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズが元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少してしまう。そこで、窒化シリコン薄膜の膜厚は1nm以下とすることが好ましい。一方、窒化シリコン薄膜の膜厚が薄すぎると酸化防止層としての機能を果たし得ないため、その下限は0.05nm程度とすることが好ましい。なお、プラズマ窒化シリコン薄膜の膜厚は、プラズマ窒化処理時の温度、窒素ガス分圧、RF電源電力及び処理時間によって調整することができる。   Here, if the thickness of the plasma silicon nitride thin film is too thick, the size of the silicon portion in the silicon nanocluster is greatly reduced from the size of the original silicon nanocluster due to the consumption of silicon accompanying nitriding. Therefore, the thickness of the silicon nitride thin film is preferably 1 nm or less. On the other hand, if the silicon nitride thin film is too thin, it cannot function as an antioxidant layer, so the lower limit is preferably about 0.05 nm. The film thickness of the plasma silicon nitride thin film can be adjusted by the temperature at the time of the plasma nitriding process, the nitrogen gas partial pressure, the RF power supply power, and the processing time.

また、このSiN薄膜形成工程では、前記シリコンナノクラスタの前記シリコン酸化膜との界面を除く表面以外の部分、すなわち前記シリコンナノクラスタが形成されずに露出している前記シリコン酸化膜の表面にプラズマ窒化処理を施してもよい。こうすることで、上部シリコン酸化膜形成工程で、シリコン基板が熱酸化されてしまうことを確実に防止することができる。   Further, in this SiN thin film forming step, plasma is applied to a portion other than the surface of the silicon nanocluster except the interface with the silicon oxide film, that is, the surface of the silicon oxide film exposed without forming the silicon nanocluster. Nitriding treatment may be performed. By doing so, it is possible to reliably prevent the silicon substrate from being thermally oxidized in the upper silicon oxide film forming step.

こうして、プラズマ窒化処理を利用することにより、シリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、膜厚が極薄でありながら、窒素欠損がなく十分な酸化防止性能を発揮しうるプラズマ窒化シリコン薄膜を形成することができる。このため、平均粒径が5〜6nm程度以下のシリコンナノクラスタであっても、そのシリコンナノクラスタにおけるシリコン部分のサイズを元のシリコンナノクラスタのサイズから大きく減少させることなく、そのシリコンナノクラスタをシリコン酸化膜中に埋め込むことが可能となる。   Thus, by utilizing the plasma nitriding treatment, the thickness of the silicon portion in the silicon nanocluster is not greatly reduced from the size of the original silicon nanocluster, and the film thickness is extremely thin, but there is no nitrogen deficiency and sufficient oxidation. A plasma silicon nitride thin film capable of exhibiting the prevention performance can be formed. For this reason, even if it is a silicon nanocluster with an average particle diameter of about 5-6 nm or less, the silicon nanocluster is reduced without greatly reducing the size of the silicon portion in the silicon nanocluster from the size of the original silicon nanocluster. It can be embedded in the silicon oxide film.

前記上部a−Si層形成工程では、前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部アモルファスシリコン層を形成する。この上部アモルファスシリコン層の形成方法としては特に限定されず、例えば公知の分子線蒸着装置を用いた電子銃蒸着法を利用することができる。電子銃蒸着法の条件も特に限定されず、形成しようとする上部アモルファスシリコン層の膜厚や周辺プロセスに応じて適宜設定可能である。例えば、上部アモルファスシリコン層の膜厚を1〜30nm程度とする場合は、蒸着チャンバの基底真空度は10-6〜10-11 Torr程度、温度は10〜40℃程度とすることができる。 In the upper a-Si layer forming step, an upper amorphous silicon layer is formed on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters. The method for forming the upper amorphous silicon layer is not particularly limited, and for example, an electron gun vapor deposition method using a known molecular beam vapor deposition apparatus can be used. The conditions of the electron gun vapor deposition method are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the film thickness of the upper amorphous silicon layer to be formed and the peripheral process. For example, when the thickness of the upper amorphous silicon layer is about 1 to 30 nm, the base vacuum degree of the deposition chamber can be about 10 −6 to 10 −11 Torr and the temperature can be about 10 to 40 ° C.

前記上部Si酸化膜形成工程では、前記上部アモルファスシリコン層を酸化処理して、前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜を形成する。この上部シリコン酸化膜の形成方法としては特に限定されず、例えば所定の酸素濃度を有する酸素含有雰囲気中で所定温度に加熱する公知の熱酸化処理を施すことにより、所定膜厚の上部シリコン酸化膜を形成することができる。熱酸化処理時の条件は特に限定されず、上部アモルファスシリコン層の膜厚や周辺プロセスに応じて適宜設定可能である。例えば、膜厚1〜30nm程度の上部アモルファスシリコン層から膜厚2〜60nm程度の上部シリコン酸化膜を形成する場合は、酸素含有雰囲気の酸素濃度は1〜100%程度、熱酸化処理時の温度及び時間は700〜1100℃程度及び1秒〜180分程度とすることができる。   In the upper Si oxide film forming step, the upper amorphous silicon layer is oxidized to form an upper silicon oxide film on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters. The method for forming the upper silicon oxide film is not particularly limited. For example, a known thermal oxidation process is performed by heating to a predetermined temperature in an oxygen-containing atmosphere having a predetermined oxygen concentration, whereby an upper silicon oxide film having a predetermined thickness is formed. Can be formed. The conditions during the thermal oxidation treatment are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the thickness of the upper amorphous silicon layer and the peripheral process. For example, when an upper silicon oxide film with a film thickness of about 2 to 60 nm is formed from an upper amorphous silicon layer with a film thickness of about 1 to 30 nm, the oxygen concentration in the oxygen-containing atmosphere is about 1 to 100%, and the temperature during the thermal oxidation process And time can be made into about 700-1100 degreeC and about 1 second-180 minutes.

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。   Examples of the present invention will be specifically described below.

(実施例1)
本実施例は請求項1、2又は3に係る発明を具現化したものである。本実施例に係る半導体素子用基材は、例えば半導体ドットメモリとしてのナノドットメモリに好適に利用することができる。
Example 1
This embodiment embodies the invention according to claim 1, 2 or 3. The base material for a semiconductor element according to the present embodiment can be suitably used for, for example, a nanodot memory as a semiconductor dot memory.

この半導体素子用基材は、その断面構造が図3に模式的に示されるように、表層部にシリコン酸化膜(SiO2 膜)2をもつシリコン含有基材1と、このシリコン酸化膜2上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタ4とを備えている。そして、シリコンナノクラスタ4は、平均粒径が5.5nm、数密度が3.2×1012/cm2 、粒径バラツキが±0.8nm(15%以下)とされている。 As shown in FIG. 3, the semiconductor element substrate has a silicon-containing substrate 1 having a silicon oxide film (SiO 2 film) 2 on the surface layer, and the silicon oxide film 2. And a plurality of dot-like silicon nanoclusters 4 formed on the substrate. The silicon nanocluster 4 has an average particle size of 5.5 nm, a number density of 3.2 × 10 12 / cm 2 , and a particle size variation of ± 0.8 nm (15% or less).

この半導体素子用基材は以下のようにして製造した。   This base material for a semiconductor element was manufactured as follows.

<Si酸化膜形成工程>
まず、シリコン含有基材1として、p型シリコン基板を準備した。
<Si oxide film formation process>
First, a p-type silicon substrate was prepared as the silicon-containing base material 1.

そして、このシリコン含有基材1に対して、以下に示す条件で熱酸化処理を施すことにより、シリコン含有基材1の表層部に膜厚2.0nmのシリコン酸化膜2を形成した(図1参照)。   Then, a silicon oxide film 2 having a film thickness of 2.0 nm was formed on the surface layer portion of the silicon-containing substrate 1 by subjecting the silicon-containing substrate 1 to thermal oxidation treatment under the following conditions (FIG. 1). reference).

雰囲気 :酸素濃度20%(N2 希釈)
加熱温度:1000℃
加熱時間:15秒
<a−Si層形成工程>
次に、図示しない分子線蒸着装置(商品名「MiniBe」、エピクエスト社製)を用いて、上記シリコン含有基材1のシリコン酸化膜2に対して以下に示す条件で電子銃蒸着することにより、シリコン酸化膜2上に膜厚0.3nmのアモルファスシリコン層(a−Si層)3を形成した(図2参照)。
Atmosphere: Oxygen concentration 20% (diluted with N 2 )
Heating temperature: 1000 ° C
Heating time: 15 seconds <a-Si layer forming step>
Next, by using a molecular beam deposition apparatus (trade name “MiniBe”, manufactured by Epiquest Co., Ltd.) (not shown), electron gun deposition is performed on the silicon oxide film 2 of the silicon-containing substrate 1 under the following conditions. Then, an amorphous silicon layer (a-Si layer) 3 having a thickness of 0.3 nm was formed on the silicon oxide film 2 (see FIG. 2).

基底真空度:2.0×10-9Torr以下
基板温度 :室温(25℃)
<Siナノクラスタ形成工程>
最後に、上記アモルファスシリコン層3を以下に示す条件の超高真空下での加熱処理を施すことにより、シリコン酸化膜2上に複数のドット状のシリコンナノクラスタ4を形成した(図3参照)。
Base vacuum degree: 2.0 × 10 −9 Torr or less Substrate temperature: Room temperature (25 ° C.)
<Si nanocluster formation process>
Finally, a plurality of dot-like silicon nanoclusters 4 are formed on the silicon oxide film 2 by subjecting the amorphous silicon layer 3 to a heat treatment under ultrahigh vacuum under the following conditions (see FIG. 3). .

熱処理圧力:2.0×10-8Torr
熱処理温度:400℃
熱処理時間:2分
こうして得られた半導体素子用基材のシリコンナノクラスタ4のSEM(走査型電子顕微鏡)写真を図4に示す。このSEM写真の観察結果により、得られたシリコンナノクラスタ4は、平均粒径が4.6nm、数密度が3.1×1012/cm2 、粒径バラツキが±0.4nm(9%)であり、またほぼ均一の大きさのシリコンナノクラスタ4が均一に分散配置されていることが確認された。
Heat treatment pressure: 2.0 × 10 −8 Torr
Heat treatment temperature: 400 ° C
Heat treatment time: 2 minutes FIG. 4 shows an SEM (scanning electron microscope) photograph of the silicon nanocluster 4 of the base material for a semiconductor element thus obtained. According to the observation result of this SEM photograph, the obtained silicon nanocluster 4 has an average particle size of 4.6 nm, a number density of 3.1 × 10 12 / cm 2 , and a particle size variation of ± 0.4 nm (9%). In addition, it was confirmed that the silicon nanoclusters 4 having a substantially uniform size were uniformly distributed.

また、このシリコンナノクラスタ4を透過型電子顕微鏡により観察した結果、シリコンナノクラスタ4の結晶格子が観察され、結晶であることが確認された。   Moreover, as a result of observing the silicon nanocluster 4 with a transmission electron microscope, the crystal lattice of the silicon nanocluster 4 was observed, and it was confirmed to be a crystal.

(熱処理温度と平均粒径及び数密度との関係)
前記Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度を520℃、570℃、630℃に変更すること以外は前記実施例1と同様にして、半導体素子用基材を製造した。
(Relationship between heat treatment temperature and average particle size and number density)
A substrate for a semiconductor element was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step was changed to 520 ° C., 570 ° C., and 630 ° C.

得られた半導体素子用基材のシリコンナノクラスタ4について、前記実施例1と同様にSEM写真観察をすることにより、平均粒径及び数密度を求めた。その結果を前記実施例1の結果と併せて図5及び図6に示す。   About the silicon nanocluster 4 of the obtained base material for semiconductor elements, SEM photograph observation was carried out similarly to the said Example 1, and the average particle diameter and number density were calculated | required. The results are shown in FIGS. 5 and 6 together with the results of Example 1.

図5及び図6より、前記Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度が520℃のときは、平均粒径が5.3nm、数密度が2.8×1012/cm2 であり、またほぼ均一の大きさのシリコンナノクラスタ4が均一に分散配置されていることが確認された。なお、シリコンナノクラスタ4の粒径バラツキは±0.5nm(9%以下)であった。 5 and 6, when the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step is 520 ° C., the average particle size is 5.3 nm, the number density is 2.8 × 10 12 / cm 2 , and almost uniform. It was confirmed that the silicon nanoclusters 4 having a size were uniformly distributed. The particle size variation of the silicon nanoclusters 4 was ± 0.5 nm (9% or less).

また、前記Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度が570℃のときは、平均粒径が4.9nm、数密度が3.1×1012/cm2 であり、またほぼ均一の大きさのシリコンナノクラスタ4が均一に分散配置されていることが確認された。なお、シリコンナノクラスタ4の粒径バラツキは±0.6nm(14%以下)であった。 Further, when the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step is 570 ° C., the average particle size is 4.9 nm, the number density is 3.1 × 10 12 / cm 2 , and the silicon nanoparticle having a substantially uniform size. It was confirmed that the clusters 4 were uniformly distributed. In addition, the particle size variation of the silicon nanocluster 4 was ± 0.6 nm (14% or less).

また、前記Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度が630℃のときは、平均粒径が4.4nm、数密度が3.6×1012/cm2 であり、またほぼ均一の大きさのシリコンナノクラスタ4が均一に分散配置されていることが確認された。なお、シリコンナノクラスタ4の粒径バラツキは±0.3nm(7%以下)であった。 Further, when the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step is 630 ° C., the average particle size is 4.4 nm, the number density is 3.6 × 10 12 / cm 2 , and the silicon nanoparticle having a substantially uniform size is used. It was confirmed that the clusters 4 were uniformly distributed. In addition, the particle size variation of the silicon nanocluster 4 was ± 0.3 nm (7% or less).

これらの結果より、Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度が400℃以上であれば、シリコンナノクラスタ4の平均粒径が5.3nm以下となり、数密度が2.8×1012/cm2 以上になることがわかる。 From these results, if the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step is 400 ° C. or higher, the average particle size of the silicon nanoclusters 4 is 5.3 nm or less, and the number density is 2.8 × 10 12 / cm 2 or more. I understand that

また、シリコンナノクラスタ4の平均粒径及び数密度は、Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度が400℃以上であれば、熱処理温度にほとんど依存しないことがわかる。   It can also be seen that the average particle diameter and number density of the silicon nanoclusters 4 hardly depend on the heat treatment temperature if the heat treatment temperature in the Si nanocluster formation step is 400 ° C. or higher.

(a−Si層の膜厚と平均粒径、数密度及び粒径バラツキとの関係)
前記実施例1と同様のSi酸化膜形成工程を実施して、前記実施例1と同様のシリコン含有基材2を5個準備した。そして、各シリコン含有基材2に対して、アモルファスシリコン層の膜厚を種々変更すること以外は前記実施例1と同様のa−Si層形成工程をそれぞれ実施して、各シリコン含有基材2のシリコン酸化膜1上に膜厚が0.1nm、0.3nm、0.5nm,0.7nm、1.0nmと種々変更されたアモルファスシリコン層3をそれぞれ形成した。最後に、Siナノクラスタ形成工程で、各アモルファスシリコン層3に対して、以下に示す条件の超高真空下での加熱処理を施すことにより、各シリコン酸化膜1上に複数のドット状のシリコンナノクラスタ4をそれぞれ形成し、試料No.1〜5とした。
(Relationship between film thickness of a-Si layer and average particle size, number density and particle size variation)
The same Si oxide film forming step as in Example 1 was performed, and five silicon-containing base materials 2 similar to those in Example 1 were prepared. Each silicon-containing substrate 2 is subjected to the same a-Si layer forming step as in Example 1 except that the film thickness of the amorphous silicon layer is variously changed. On the silicon oxide film 1, amorphous silicon layers 3 having various thicknesses of 0.1 nm, 0.3 nm, 0.5 nm, 0.7 nm, and 1.0 nm were formed. Finally, in the Si nanocluster formation step, each amorphous silicon layer 3 is subjected to a heat treatment under ultrahigh vacuum under the following conditions to thereby form a plurality of dot-like silicon on each silicon oxide film 1. Each of the nanoclusters 4 was formed, and the sample no. 1-5.

熱処理圧力:2.0×10-9Torr
熱処理温度:570℃
熱処理時間:2分
比較のため、Siナノクラスタ形成工程で、超高真空下での加熱処理を施す代わりに、以下に示す条件でシランガス(Si2 6 )照射を行うこと以外は、前記試料No.1〜4と同様にしてシリコンナノクラスタを形成し、試料No.6〜9とした。
Heat treatment pressure: 2.0 × 10 -9 Torr
Heat treatment temperature: 570 ° C
Heat treatment time: 2 minutes For comparison, in the Si nanocluster formation process, instead of performing heat treatment under ultra-high vacuum, the above sample was subjected to silane gas (Si 2 H 6 ) irradiation under the following conditions: No. 1 to 4, silicon nanoclusters were formed, 6-9.

Si2 6 流量:21ミリリットル/min
成長圧力 :4×10-4Torr
成長温度 :570℃
成長時間 :2分
試料No.1〜9のシリコンナノクラスタについて、前記実施例1と同様にSEM写真観察をすることにより、平均粒径、数密度及び粒径バラツキを求めるとともに、粒径のヒストグラムを求めた。これらの結果を図7〜図15及び表1に示す。また、これらの結果をまとめたアモルファスシリコン層の膜厚と平均粒径及び数密度との関係を図16及び図17に示す。
Si 2 H 6 flow rate: 21 ml / min
Growth pressure: 4 × 10 −4 Torr
Growth temperature: 570 ° C
Growth time: 2 minutes Sample No. The silicon nanoclusters 1 to 9 were observed with an SEM photograph in the same manner as in Example 1 to determine the average particle size, number density, and particle size variation, and the particle size histogram. These results are shown in FIGS. 16 and 17 show the relationship between the film thickness of the amorphous silicon layer, the average particle diameter, and the number density, which summarizes the results.

Figure 2006245133
Figure 2006245133

図7〜図17及び表1からわかるように、超高真空下で加熱処理することによりシリコンナノクラスタを形成した場合は、シリコンナノクラスタの平均粒径及び粒径バラツキを効果的に減少させることができるとともに、数密度を効果的に向上させることができる。そして、アモルファスシリコン層の膜厚が0.5nm以下になれば、シリコンナノクラスタの平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.9×1012/cm2 以上、粒径バラツキが0.8nm以下(15%以下)になり、またアモルファスシリコン層の膜厚が薄くなるに連れてシリコンナノクラスタの平均粒径及び粒径バラツキがより減少するとともに数密度がより向上する傾向にあることがわかる。 As can be seen from FIGS. 7 to 17 and Table 1, when silicon nanoclusters are formed by heat treatment under ultra-high vacuum, the average particle size and particle size variation of silicon nanoclusters can be effectively reduced. And the number density can be effectively improved. If the film thickness of the amorphous silicon layer is 0.5 nm or less, the average particle size of the silicon nanoclusters is 5.5 nm or less, the number density is 2.9 × 10 12 / cm 2 or more, and the particle size variation is 0. The average particle size and the particle size variation of the silicon nanoclusters are further decreased and the number density tends to be further improved as the thickness of the amorphous silicon layer is reduced to 8 nm or less (15% or less). Recognize.

これに対し、シランガス照射によりシリコンナノクラスタを形成した場合は、アモルファスシリコン層の膜厚を0.1nmと極薄にした場合でも、シリコンナノクラスタの平均粒径が5.6nm以上、数密度が2.6×1012/cm2 以下上、粒径バラツキが0.9nm以上(16%以上)であった。 In contrast, when silicon nanoclusters are formed by silane gas irradiation, the average particle diameter of silicon nanoclusters is 5.6 nm or more and the number density is even when the amorphous silicon layer is as thin as 0.1 nm. The particle size variation was 0.9 nm or more (16% or more) and 2.6 × 10 12 / cm 2 or less.

(実施例2)
本実施例は請求項4、5、6、7又は8に係る発明を具現化したものである。本実施例に係る半導体素子用基材は、例えば半導体ドットメモリとしてのナノドットメモリに好適に利用することができる。
(Example 2)
This embodiment embodies the invention according to claim 4, 5, 6, 7 or 8. The base material for a semiconductor element according to the present embodiment can be suitably used for, for example, a nanodot memory as a semiconductor dot memory.

この半導体素子用基材は、その断面構造が図23に模式的に示されるように、表層部にシリコン酸化膜(SiO2 膜)12をもつシリコン含有基材11と、このシリコン酸化膜12上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタ(シリコンナノ結晶)14と、このシリコンナノクラスタ14を埋設するようにシリコン酸化膜12上に形成された上部シリコン酸化膜17とを備えている。 As shown in FIG. 23, the semiconductor element substrate has a silicon-containing substrate 11 having a silicon oxide film (SiO 2 film) 12 in the surface layer portion, and the silicon oxide film 12 on the surface. A plurality of dot-like silicon nanoclusters (silicon nanocrystals) 14 formed on the silicon oxide film 12 and an upper silicon oxide film 17 formed on the silicon oxide film 12 so as to bury the silicon nanoclusters 14 are provided.

そして、シリコンナノクラスタ14は、平均粒径が6.0nm、数密度が1.2×1012/cm2 とされている。また、シリコンナノクラスタ14は、シリコン酸化膜12との界面を除く表層部にプラズマ窒化処理により形成された膜厚1nm以下のプラズマ窒化シリコン薄膜(プラズマSiN薄膜)15を有している。なお、上部シリコン酸化膜12のシリコンナノクラスタ14との界面を除く表面にも、プラズマ窒化シリコン薄膜15と一体にプラズマ窒化シリコン薄膜15aが形成されている。 The silicon nanoclusters 14 have an average particle size of 6.0 nm and a number density of 1.2 × 10 12 / cm 2 . In addition, the silicon nanocluster 14 has a plasma silicon nitride thin film (plasma SiN thin film) 15 having a thickness of 1 nm or less formed by plasma nitriding on the surface layer portion excluding the interface with the silicon oxide film 12. Note that a plasma silicon nitride thin film 15 a is formed integrally with the plasma silicon nitride thin film 15 on the surface of the upper silicon oxide film 12 except for the interface with the silicon nanoclusters 14.

この半導体素子用基材は以下のようにして製造した。   This base material for a semiconductor element was manufactured as follows.

<Si酸化膜形成工程>
まず、シリコン含有基材11として、p型シリコン基板を準備した。
<Si oxide film formation process>
First, a p-type silicon substrate was prepared as the silicon-containing base material 11.

そして、このシリコン含有基材11に対して、以下に示す条件で熱酸化処理を施すことにより、シリコン含有基材11の表層部に膜厚1.7nmのシリコン酸化膜12を形成した(図18参照)。   Then, a silicon oxide film 12 having a film thickness of 1.7 nm was formed on the surface layer portion of the silicon-containing base material 11 by subjecting the silicon-containing base material 11 to thermal oxidation treatment under the following conditions (FIG. 18). reference).

雰囲気 :酸素濃度20%(N2 希釈)
加熱温度:1000℃
加熱時間:15秒
<a−Si層形成工程>
次に、前記分子線蒸着装置を用いて、上記シリコン含有基材11のシリコン酸化膜12に対して以下に示す条件で電子銃蒸着することにより、シリコン酸化膜12上に膜厚0.3nmのアモルファスシリコン層(a−Si層)13を形成した(図19参照)。
Atmosphere: Oxygen concentration 20% (diluted with N 2 )
Heating temperature: 1000 ° C
Heating time: 15 seconds <a-Si layer forming step>
Next, by using the molecular beam deposition apparatus, electron gun deposition is performed on the silicon oxide film 12 of the silicon-containing base material 11 under the conditions shown below, whereby a film thickness of 0.3 nm is formed on the silicon oxide film 12. An amorphous silicon layer (a-Si layer) 13 was formed (see FIG. 19).

基底真空度:2.0×10-9Torr以下
基板温度 :室温(25℃)
<Siナノクラスタ形成工程>
次に、以下に示す条件で、上記アモルファスシリコン層13に対してSi2 6 ガスを照射することによって、上記シリコン酸化膜12上に、平均粒径が6.0nm、数密度が1.2×1012/cm2 であるドット状のシリコンナノクラスタ(シリコンナノ結晶)14を形成した(図20参照)。
Base vacuum degree: 2.0 × 10 −9 Torr or less Substrate temperature: Room temperature (25 ° C.)
<Si nanocluster formation process>
Next, by irradiating the amorphous silicon layer 13 with Si 2 H 6 gas under the following conditions, the average particle diameter is 6.0 nm and the number density is 1.2 on the silicon oxide film 12. Dotted silicon nanoclusters (silicon nanocrystals) 14 of × 10 12 / cm 2 were formed (see FIG. 20).

Si2 6 流量:2.1ミリリットル/min
成長圧力 :4.0×10-4Torr
成長温度 :570℃
成長時間 :2分
<SiN薄膜形成工程>
次に、以下に示す条件で、上記シリコンナノクラスタ14の上記シリコン酸化膜12との界面を除く表面と、該界面を除く上記シリコン酸化膜12の表面とにプラズマ窒化処理を施すことにより、シリコンナノクラスタ14の該表面の表層部に膜厚1nm以下のプラズマ窒化シリコン薄膜15を形成するとともに、シリコン酸化膜12の該表面の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜15aを形成した(図21参照)。
Si 2 H 6 flow rate: 2.1 ml / min
Growth pressure: 4.0 × 10 −4 Torr
Growth temperature: 570 ° C
Growth time: 2 minutes <SiN thin film formation process>
Next, plasma nitridation treatment is performed on the surface of the silicon nanocluster 14 excluding the interface with the silicon oxide film 12 and the surface of the silicon oxide film 12 excluding the interface under the conditions shown below. A plasma silicon nitride thin film 15 having a thickness of 1 nm or less was formed on the surface layer portion of the surface of the nanocluster 14, and a plasma silicon nitride thin film 15a was formed on the surface layer portion of the surface of the silicon oxide film 12 (see FIG. 21).

処理圧力:1×10-3Torr
処理時間:30秒
<上部a−Si層形成工程>
次に、前記分子線蒸着装置を用いて、以下に示す条件で電子銃蒸着することにより、上記シリコンナノクラスタ14を埋設するように上記シリコン酸化膜12上(シリコン酸化膜12及びシリコンナノクラスタ14の表層部に形成されたプラズマ窒化シリコン薄膜15及び15a上)に膜厚5nmの上部アモルファスシリコン層(上部a−Si層)16を形成した(図22参照)。
Processing pressure: 1 × 10 -3 Torr
Processing time: 30 seconds <Upper a-Si layer forming step>
Next, by using the molecular beam deposition apparatus, electron gun deposition is performed under the following conditions, so that the silicon nanoclusters 14 are embedded on the silicon oxide films 12 (the silicon oxide films 12 and the silicon nanoclusters 14). An upper amorphous silicon layer (upper a-Si layer) 16 having a film thickness of 5 nm was formed on the plasma silicon nitride thin films 15 and 15a formed on the surface layer (see FIG. 22).

基底真空度:2.0×10-9Torr以下
基板温度 :室温(25℃)
<上部Si酸化膜形成工程>
最後に、上記上部アモルファスシリコン層16を以下に示す条件で熱酸化処理して、上記シリコンナノクラスタ14を埋設するように上記シリコン酸化膜12上(シリコン酸化膜12及びシリコンナノクラスタ14の表層部に形成されたプラズマ窒化シリコン薄膜15上)に膜厚12nmの上部シリコン酸化膜17を形成した(図23参照)。
Base vacuum degree: 2.0 × 10 −9 Torr or less Substrate temperature: Room temperature (25 ° C.)
<Upper Si oxide film formation process>
Finally, the upper amorphous silicon layer 16 is thermally oxidized under the following conditions, and the silicon nanoclusters 14 are embedded on the silicon oxide film 12 (surface layer portions of the silicon oxide film 12 and the silicon nanoclusters 14). An upper silicon oxide film 17 having a film thickness of 12 nm was formed on the plasma silicon nitride thin film 15 formed on (see FIG. 23).

雰囲気 :酸素濃度20%(N2 希釈)
加熱温度:1000℃
加熱時間:15秒
(評価)
上記SiN薄膜形成工程を実施した後のシリコンナノクラスタ14について、SEM(走査型電子顕微鏡)写真観察をしたところ、平均粒径が6.0nm、数密度が1.2×1012/cm2 であった。
Atmosphere: Oxygen concentration 20% (diluted with N 2 )
Heating temperature: 1000 ° C
Heating time: 15 seconds (Evaluation)
The silicon nanoclusters 14 after performing the SiN thin film forming step were observed with an SEM (scanning electron microscope) photograph. As a result, the average particle size was 6.0 nm and the number density was 1.2 × 10 12 / cm 2 . there were.

また、上記SiN薄膜形成工程を実施した後のシリコンナノクラスタ14と、上部Si酸化膜形成工程を実施した後のシリコンナノクラスタ14とについて、TEM(透過型電子顕微鏡)写真観察をした。Siナノクラスタ形成工程後のシリコンナノクラスタ14のTEM写真を図24に、Si酸化膜形成工程後のシリコンナノクラスタ14のTEM写真を図25にそれぞれ示すように、上部シリコン酸化膜17への埋め込みの前後で、シリコンナノクラスタ14の平均粒径及び数密度に変化はなかった。したがって、プラズマ窒化シリコン薄膜15によって、シリコンナノクラスタ14の酸化を防止することができた。   Moreover, TEM (transmission electron microscope) photograph observation was performed about the silicon nanocluster 14 after implementing the said SiN thin film formation process, and the silicon nanocluster 14 after implementing the upper Si oxide film formation process. 24, a TEM photograph of the silicon nanocluster 14 after the Si nanocluster formation process and a TEM photograph of the silicon nanocluster 14 after the Si oxide film formation process are embedded in the upper silicon oxide film 17, respectively. Before and after, the average particle diameter and number density of the silicon nanoclusters 14 did not change. Therefore, oxidation of the silicon nanoclusters 14 could be prevented by the plasma silicon nitride thin film 15.

なお、このシリコンナノクラスタ14を透過型電子顕微鏡により観察した結果、シリコンナノクラスタ14の結晶格子が観察され、結晶であることが確認された。   In addition, as a result of observing this silicon nanocluster 14 with a transmission electron microscope, the crystal lattice of the silicon nanocluster 14 was observed, and it was confirmed that it was a crystal.

本発明の第1実施例に係り、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the silicon containing base material which concerns on 1st Example of this invention and has a silicon oxide film in a surface layer part. 本発明の第1実施例に係り、シリコン酸化膜上にアモルファスシリコン層を形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state where an amorphous silicon layer is formed on a silicon oxide film according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例に係り、シリコン酸化膜上にドット状のシリコンナノクラスタを形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which dot-like silicon nanoclusters are formed on a silicon oxide film according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例に係り、シリコンナノクラスタのSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。It is a SEM (scanning electron microscope) photograph of a silicon nanocluster according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施例に係り、Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度とシリコンナノクラスタの平均粒径との関係を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Example of this invention and shows the relationship between the heat processing temperature in a Si nanocluster formation process, and the average particle diameter of a silicon nanocluster. 本発明の第1実施例に係り、Siナノクラスタ形成工程における熱処理温度とシリコンナノクラスタの数密度との関係を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Example of this invention and shows the relationship between the heat processing temperature in a Si nanocluster formation process, and the number density of a silicon nanocluster. アモルファスシリコン層の膜厚を0.1nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程で超真空加熱処理を行った試料No.1のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 in which the thickness of the amorphous silicon layer was 0.1 nm and the ultra-vacuum heat treatment was performed in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 1 silicon nanocluster. アモルファスシリコン層の膜厚を0.3nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程で超真空加熱処理を行った試料No.2のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 in which the film thickness of the amorphous silicon layer was 0.3 nm and the ultra-vacuum heat treatment was performed in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 2 silicon nanocluster. アモルファスシリコン層の膜厚を0.5nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程で超真空加熱処理を行った試料No.3のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. No. 1 was obtained by setting the film thickness of the amorphous silicon layer to 0.5 nm and performing ultra-vacuum heat treatment in the Si nanocluster formation process. FIG. 3 is a diagram showing a histogram of particle diameters of 3 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を0.7nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程で超真空加熱処理を行った試料No.4のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 was prepared by setting the film thickness of the amorphous silicon layer to 0.7 nm and performing ultra-vacuum heat treatment in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 4 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を1.0nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程で超真空加熱処理を行った試料No.5のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 in which the film thickness of the amorphous silicon layer was 1.0 nm and the ultra-vacuum heat treatment was performed in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 5 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を0.1nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程でシランガス照射を行った試料No.6のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 in which the film thickness of the amorphous silicon layer was 0.1 nm and silane gas irradiation was performed in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 6 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を0.3nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程でシランガス照射を行った試料No.7のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 was obtained by setting the film thickness of the amorphous silicon layer to 0.3 nm and performing silane gas irradiation in the Si nanocluster formation process. FIG. 7 is a diagram showing a histogram of particle diameters of 7 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を0.5nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程でシランガス照射を行った試料No.8のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 was obtained by setting the film thickness of the amorphous silicon layer to 0.5 nm and performing silane gas irradiation in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 8 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚を0.7nmとし、かつ、Siナノクラスタ形成工程でシランガス照射を行った試料No.9のシリコンナノクラスタの粒径のヒストグラムを示す図である。Sample No. 1 in which the film thickness of the amorphous silicon layer was 0.7 nm and silane gas irradiation was performed in the Si nanocluster formation process. It is a figure which shows the histogram of the particle size of 9 silicon nanoclusters. アモルファスシリコン層の膜厚とシリコンナノクラスタの平均粒径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of an amorphous silicon layer, and the average particle diameter of a silicon nanocluster. アモルファスシリコン層の膜厚とシリコンナノクラスタの数密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness of an amorphous silicon layer, and the number density of a silicon nanocluster. 本発明の第2実施例に係り、表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which concerns on 2nd Example of this invention, and shows typically the silicon containing base material which has a silicon oxide film in a surface layer part. 本発明の第2実施例に係り、シリコン酸化膜上にアモルファスシリコン層を形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state where an amorphous silicon layer is formed on a silicon oxide film according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施例に係り、シリコン酸化膜上にドット状のシリコンナノクラスタを形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which dot-like silicon nanoclusters are formed on a silicon oxide film according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施例に係り、シリコンナノクラスタ及び上部シリコン酸化膜の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜を形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a plasma silicon nitride thin film is formed on the surface layer portions of silicon nanoclusters and an upper silicon oxide film according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施例に係り、シリコンナノクラスタを埋設するようにシリコン酸化膜上に上部アモルファスシリコン層を形成した状態を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an upper amorphous silicon layer is formed on a silicon oxide film so as to embed silicon nanoclusters according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2実施例に係り、シリコンナノクラスタを埋設するようにシリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜を形成した状態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which concerns on 2nd Example of this invention, and shows the state which formed the upper silicon oxide film on the silicon oxide film so that a silicon nanocluster might be embedded. SiN薄膜形成工程を実施した後のSiナノクラスタのTEM(透過型電子顕微鏡)写真である。It is a TEM (transmission electron microscope) photograph of Si nanocluster after implementing a SiN thin film formation process. 上部Si酸化膜形成工程を実施した後のシリコンナノクラスタのTEM(透過型電子顕微鏡)写真である。It is a TEM (transmission electron microscope) photograph of the silicon nanocluster after implementing an upper Si oxide film formation process.

符号の説明Explanation of symbols

1、11…シリコン含有基材 2、12…シリコン酸化膜
3、13…アモルファスシリコン層 4、14…シリコンナノクラスタ
15…プラズマ窒化シリコン薄膜 16…上部アモルファスシリコン層
17…上部シリコン酸化膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11 ... Silicon-containing base material 2, 12 ... Silicon oxide film 3, 13 ... Amorphous silicon layer 4, 14 ... Silicon nanocluster 15 ... Plasma silicon nitride thin film 16 ... Upper amorphous silicon layer 17 ... Upper silicon oxide film

Claims (7)

シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成するSi酸化膜形成工程と、
前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成するa−Si層形成工程と、
超高真空下で、前記アモルファスシリコン層を400℃以上かつシリコンの融点未満の温度で加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成するSiナノクラスタ形成工程とを備えていることを特徴とする半導体素子用基材の製造方法。
A Si oxide film forming step of forming a silicon oxide film on the surface layer portion of the silicon-containing substrate;
An a-Si layer forming step of forming an amorphous silicon layer on the silicon oxide film;
Si nanocluster formation step of forming a plurality of dot-like silicon nanoclusters on the silicon oxide film by heat-treating the amorphous silicon layer at a temperature of 400 ° C. or higher and lower than the melting point of silicon under an ultrahigh vacuum. A method for producing a base material for a semiconductor element, comprising:
前記a−Si層形成工程では、前記アモルファスシリコン層の膜厚を1.0nm未満にすることを特徴とする請求項1記載の半導体素子用基材の製造方法。   2. The method of manufacturing a substrate for a semiconductor element according to claim 1, wherein in the a-Si layer forming step, the film thickness of the amorphous silicon layer is less than 1.0 nm. 表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、
前記シリコンナノクラスタは、平均粒径が5.5nm以下、数密度が2.7×1012/cm2 以上、粒径バラツキが15%以下であることを特徴とする半導体素子用基材。
A substrate for a semiconductor device comprising a silicon-containing substrate having a silicon oxide film on a surface layer portion, and a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film,
The silicon nanocluster has a mean particle size of 5.5 nm or less, a number density of 2.7 × 10 12 / cm 2 or more, and a particle size variation of 15% or less.
シリコン含有基材の表層部にシリコン酸化膜を形成するSi酸化膜形成工程と、
前記シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン層を形成するa−Si層形成工程と、
前記アモルファスシリコン層を少なくとも加熱処理して前記シリコン酸化膜上に複数のドット状のシリコンナノクラスタを形成するSiナノクラスタ形成工程と、
前記シリコンナノクラスタの前記シリコン酸化膜との界面を除く表面に、室温〜1000℃の温度範囲でプラズマ窒化処理を施すことにより、該表面の表層部にプラズマ窒化シリコン薄膜を形成するSiN薄膜形成工程とを備えていることを特徴とする半導体素子用基材の製造方法。
A Si oxide film forming step of forming a silicon oxide film on the surface layer portion of the silicon-containing substrate;
An a-Si layer forming step of forming an amorphous silicon layer on the silicon oxide film;
Si nanocluster formation step of forming a plurality of dot-like silicon nanoclusters on the silicon oxide film by at least heat-treating the amorphous silicon layer;
A SiN thin film forming step of forming a plasma silicon nitride thin film on a surface layer portion of the surface by subjecting the surface of the silicon nanocluster excluding the interface with the silicon oxide film to a plasma nitriding treatment in a temperature range of room temperature to 1000 ° C. The manufacturing method of the base material for semiconductor elements characterized by the above-mentioned.
前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部アモルファスシリコン層を形成する上部a−Si層形成工程と、
前記上部アモルファスシリコン層を酸化処理して、前記プラズマ窒化シリコン薄膜が形成された前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に上部シリコン酸化膜を形成する上部Si酸化膜形成工程とをさらに備えていることを特徴とする請求項4記載の半導体素子用基材の製造方法。
An upper a-Si layer forming step of forming an upper amorphous silicon layer on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters on which the plasma silicon nitride thin film is formed;
An upper Si oxide film forming step of oxidizing the upper amorphous silicon layer and forming an upper silicon oxide film on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters on which the plasma silicon nitride thin film is formed; The method for producing a substrate for a semiconductor element according to claim 4, further comprising:
表層部にシリコン酸化膜をもつシリコン含有基材と、該シリコン酸化膜上に形成された複数のドット状のシリコンナノクラスタとを備えた半導体素子用基材であって、
前記シリコンナノクラスタは、前記シリコン酸化膜との界面を除く表面の表層部に、プラズマ窒化処理により形成された、膜厚が1nm以下のプラズマ窒化シリコン薄膜を有していることを特徴とする半導体素子用基材。
A substrate for a semiconductor device comprising a silicon-containing substrate having a silicon oxide film on a surface layer portion, and a plurality of dot-shaped silicon nanoclusters formed on the silicon oxide film,
The silicon nanocluster has a plasma silicon nitride thin film with a film thickness of 1 nm or less formed by plasma nitridation on the surface layer portion of the surface excluding the interface with the silicon oxide film. Element substrate.
前記シリコンナノクラスタを埋設するように前記シリコン酸化膜上に形成された上部シリコン酸化膜をさらに備えていることを特徴とする請求項6記載の半導体素子用基材。   7. The semiconductor element substrate according to claim 6, further comprising an upper silicon oxide film formed on the silicon oxide film so as to bury the silicon nanoclusters.
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JP2010050168A (en) * 2008-08-19 2010-03-04 Ulvac Japan Ltd Method of fabricating nanodot, and floating gate transistor, and method of fabricating the same

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