JP2010080617A - 電界効果トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低閾値動作が可能な電界効果トランジスタを提供する。
【解決手段】n型半導体領域2と、半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域12a、12bと、ソース領域とドレイン領域との間の半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜4と、第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜8と、第2絶縁膜上に形成されたゲート電極10と、を備え、第1絶縁膜と第2絶縁膜との界面を含む界面領域7に、Be、Bから選ばれた少なくとも1つの第1添加物質が導入されており、第1添加物質の面密度が、界面領域内の第1絶縁膜側においてピークを有している。
【選択図】図12
【解決手段】n型半導体領域2と、半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域12a、12bと、ソース領域とドレイン領域との間の半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜4と、第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜8と、第2絶縁膜上に形成されたゲート電極10と、を備え、第1絶縁膜と第2絶縁膜との界面を含む界面領域7に、Be、Bから選ばれた少なくとも1つの第1添加物質が導入されており、第1添加物質の面密度が、界面領域内の第1絶縁膜側においてピークを有している。
【選択図】図12
Description
本発明は、電界効果トランジスタおよびその製造方法に関する。
従来、MISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)のチャネルに誘起される電荷量を確保するために、ゲート絶縁膜を薄膜化することによって容量を大きくする手法が採られてきた。その結果として、ゲート絶縁膜であるSiO2膜の薄膜化が推し進められ、現在は1nmを大きく切る厚さにまで到達しようとしている。
ここに至り、SiO2膜では、ゲート漏れ電流が大きくなり、待機電力の散逸から消費電力が押さえられないところまで来ている。例えば、膜厚0.8nmのSiO2膜は、ゲート漏れ電流が1kA/cm2にまで達しており、消費電力の面での問題が極めて大きい。
消費電力を低下させるためには、膜厚を厚くすることが有効である。このため、SiO2膜より誘電率の高い物質(high−k dielectric)を用いることにより、SiO2膜より厚くても電荷量を確保できる絶縁膜が検討されている。誘電率が高く安定な物質として多くの金属酸化物が知られている。
このような特性を有する絶縁膜として、現在、特に有望視されているものとして、HfO2、ZrO2、これらのシリケートからなる膜(HfSiO、ZrSiO)、およびそれらの窒化物からなる膜(HfON、ZrON、HfSiON、ZrSiON)などが挙げられる。
ところが、これらの絶縁膜をゲート絶縁膜として用いると、小さな閾値が得られないという問題が新たに発生する。これは、ゲート絶縁膜とゲート金属との界面近傍において、界面分極が発生するためである。実効仕事関数がSiのミッドギャップ付近にピン止めされて、小さな閾値が実現出来なくなっている。この原因は、pチャネルMISトランジスタ(以下、pMISトランジスタともいう)では、酸素欠陥とゲート金属との間の電荷移動であり、nチャネルMISトランジスタ(以下、nMISトランジスタともいう)では、絶縁膜中の余分な酸素とゲート金属との間の電荷移動である。
この問題を解決するために、pMISトランジスタではAlを、nMISトランジスタではLaをゲート絶縁膜に拡散し、ピン止め位置を変化させる方法が、非特許文献1、非特許文献2に提案されている。
M.Kadoshima et.al., 2007 VLSI Technology Digest P66. P.Sivasubramani et.al., 2007 VLSI Technology Digest P68.
M.Kadoshima et.al., 2007 VLSI Technology Digest P66. P.Sivasubramani et.al., 2007 VLSI Technology Digest P68.
前述した非特許文献1、非特許文献2に開示される技術を用いた場合、pMISトランジスタではAlを、nMISトランジスタではLaをゲート絶縁膜にそれぞれ拡散し、ピン止め位置を変化させている。しかし、Alを拡散したpMISトランジスタでは、
(1)十分低い閾値を実現するだけの、十分な量の電圧シフトが得られない、
(2)移動度が劣化する、
(3)電圧シフト量そのものが、成膜工程での酸素分圧や温度に大きく依存する、
(4)ゲート電極への電圧印加による経時変化が大きい、
という問題が挙げられる。
(1)十分低い閾値を実現するだけの、十分な量の電圧シフトが得られない、
(2)移動度が劣化する、
(3)電圧シフト量そのものが、成膜工程での酸素分圧や温度に大きく依存する、
(4)ゲート電極への電圧印加による経時変化が大きい、
という問題が挙げられる。
つまり、次世代以降のCMIS(Complementary-Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタにおいて要求される性能、例えば低閾値動作を満たすには、実効仕事関数を最適化する別の技術が必須である。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、低閾値動作が可能な電界効果トランジスタおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様による電界効果トランジスタは、n型半導体領域と、前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備え、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、Bから選ばれた少なくとも1つの第1添加物質が導入されており、前記第1添加物質の面密度が、前記界面領域内の前記第1絶縁膜側においてピークを有していることを特徴とする。
また、本発明の第2の態様による電界効果トランジスタは、n型半導体領域と、前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備え、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、B、Alから選ばれた少なくとも1つの第2添加物質と、フッ素とが導入されており、前記フッ素の面密度が前記界面領域においてピークを有し、かつ前記第2添加物質の面密度が前記界面領域内の前記第1絶縁膜側においてピークを有するとともにこのピークの位置が前記フッ素の面密度のピーク位置よりも前記半導体基板側にあることを特徴とする。
また、本発明の第3の態様による電界効果トランジスタは、n型半導体領域と、前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備え、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、V、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Te、Poから選ばれる少なくとも1つの第3添加物質と、窒素とが導入されており、前記窒素の面密度が前記界面領域においてピークを有し、かつ前記第3添加物質の面密度が前記界面領域内の前記第2絶縁膜側においてピークを有するとともにこのピークの位置が前記窒素の面密度のピーク位置よりも前記ゲート電極側にあることを特徴とする。
また、本発明の第4の態様による電界効果トランジスタは、n型半導体領域と、前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備え、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、B、Alから選ばれる少なくとも1つの第2添加物質が導入されるとともにV、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Te、Poから選ばれる少なくとも1つの第3添加物質が導入されており、前記第2添加物質の面密度が前記界面領域内の第1絶縁膜側にピークを有し、前記第3添加物質の面密度が前記界面領域内の第2絶縁膜側にピークを有することを特徴とする。
また、本発明の第5の態様による電界効果トランジスタの製造方法は、n型半導体領域に、離間されたソースおよびドレイン領域を形成する工程と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜上に金属原子を含む物質を堆積して、前記金属原子を含む物質からなる島状核を形成する工程と、前記島状核を覆うように第2絶縁膜を形成する工程と、前記金属原子を含む物質が、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に拡散して、前記第1絶縁膜或いは前記第2絶縁膜を構成する物質と置換する工程と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、低閾値動作が可能な実効仕事関数を有するpMISトランジスタを提供することができる。
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、本発明の一実施形態に用いられる実効仕事関数の制御について説明する。
絶縁膜を構成する物質の価数と、添加物質の価数の関係
絶縁膜が物質Mと酸素から構成されており、この物質Mを添加物質Aが置換する場合について考える。添加物質Aが物質Mよりも、価数が小さい場合には、絶縁膜中では、実効的に、マイナスの電荷と感じられることになる。反対に、添加物質Aが物質Mよりも、価数が大きい場合には、絶縁膜中では、実効的にプラスの電荷と感じられることになる。ここで、実効的に感じられる電荷(余分な電荷)と言った場合には、注意が必要である。それは、添加物質Aが酸素と絶縁物質を作り、それがそのまま絶縁物質として絶縁膜中に拡散した場合には、実効的に感じられる電荷が発生しないという点である。
絶縁膜が物質Mと酸素から構成されており、この物質Mを添加物質Aが置換する場合について考える。添加物質Aが物質Mよりも、価数が小さい場合には、絶縁膜中では、実効的に、マイナスの電荷と感じられることになる。反対に、添加物質Aが物質Mよりも、価数が大きい場合には、絶縁膜中では、実効的にプラスの電荷と感じられることになる。ここで、実効的に感じられる電荷(余分な電荷)と言った場合には、注意が必要である。それは、添加物質Aが酸素と絶縁物質を作り、それがそのまま絶縁物質として絶縁膜中に拡散した場合には、実効的に感じられる電荷が発生しないという点である。
例えば、HfO2膜の中に、Al2O3(或いは、La2O3)が分散した状態は、余分な電荷を生じない。この場合、絶縁膜は、nHfO2+mAl2O3(n、mは適当な正の整数)の様に記述できる。それに対し、HfO2の金属Hfを、金属Al(或いは、金属La)が置換した場合には、Alが置換したサイトは、本来、Hfの+4価が存在していたサイトに、+3価のAlが入り込んだ状態になり、実効的にマイナス一価(−1)が存在していることになる。どちらの状態になるか、つまり、どちらの状態がより安定かは、イオン半径に大きく依存している。これの詳細は後述する。また、HfO2の金属Hfを、金属Taが置換した場合には、Taが置換したサイトは、本来Hfの+4価が存在していたサイトに、+5価のTaが入り込んだ状態になり、実効的にプラス一価(+1)が存在していることになる。
同様に、SiO2膜の中にLa2O3が分散した状態は、nSiO2+mLa2O3(n、mは適当な正の整数)と記述でき、余分な電荷を生じない。特に、絶縁膜を構成する物質がシリコンの場合は、シリケートと呼ばれている。例えば、La2SiO5(=SiO2+La2O3)は、Laシリケートの一種である。それに対し、SiO2中のSiを、金属Alで置換した場合には、Alが置換したサイトは、本来Siの+4価が存在していたサイトに、+3価のAlが入り込んだ状態になり、実効的にマイナス一価(−1)が存在していることになる。また、SiO2中のSiを、Asで置換した場合には、Asが置換したサイトは、本来Siの+4価が存在していたサイトに、+5価のAsが入り込んだ状態になり、実効的にプラス一価(+1)が存在していることになる。
絶縁膜を構成する物質のイオン半径と、添加物質のイオン半径の関係
一般に、イオン半径が小さい物質は、より少量の酸素が配位し易い。例えば、Siのイオン半径は、0.4オングストローム程度であり、酸素が4つ配位して、四面体を構成する。それに対し、イオン半径が大きい物質は、より多くの酸素が配位し易い。例えば、Hfのイオン半径は、0.78オングストローム程度であり、酸素が7〜8つ配位して、フッ化カルシウム構造を構成する。ここで、シリコンと酸素を含む絶縁膜は、シリコンと酸素が四面体構造を作っているので、イオン半径の小さい物質であれば、シリコンと置換することが可能となる。しかし、イオン半径が大きいものは、シリコンと置換して四面体構造をとると、酸化物として非常に不安定な状態となってしまう。この場合には、シリコンと置換するのではなく、イオン半径の大きな物質自体が、酸素と、より大きな配位数をもった状態(酸素がより多く配位した状態)を構成する方が安定である。この状態が、シリケートである。
一般に、イオン半径が小さい物質は、より少量の酸素が配位し易い。例えば、Siのイオン半径は、0.4オングストローム程度であり、酸素が4つ配位して、四面体を構成する。それに対し、イオン半径が大きい物質は、より多くの酸素が配位し易い。例えば、Hfのイオン半径は、0.78オングストローム程度であり、酸素が7〜8つ配位して、フッ化カルシウム構造を構成する。ここで、シリコンと酸素を含む絶縁膜は、シリコンと酸素が四面体構造を作っているので、イオン半径の小さい物質であれば、シリコンと置換することが可能となる。しかし、イオン半径が大きいものは、シリコンと置換して四面体構造をとると、酸化物として非常に不安定な状態となってしまう。この場合には、シリコンと置換するのではなく、イオン半径の大きな物質自体が、酸素と、より大きな配位数をもった状態(酸素がより多く配位した状態)を構成する方が安定である。この状態が、シリケートである。
次に、大きなイオン半径を持った物質M(例えばHf)と酸素を含む絶縁膜は、その大きなイオン半径を持った物質Mと酸素が6〜8配位構造を作っているので、イオン半径の大きい添加物質Aであれば、大きなイオン半径を持った物質Mと置換することが可能となる。しかし、イオン半径が小さい物質は、大きなイオン半径を持った物質Mと置換して6〜8配位構造をとると、酸化物として非常に不安定な状態となってしまう。この場合には、大きなイオン半径を持った物質Mと置換するのではなく、イオン半径の小さい物質自体が、酸素と、より小さな配位数(4配位など)をもった状態を構成する方が安定である。
Si基板/SiO2膜/高誘電体膜という積層構造を考える。ここで、高誘電体膜は、大きなイオン半径を持った物質Mの絶縁性酸化膜で構成している。この時、大きなイオン半径を持った物質Aを添加すると、この物質Aは、高誘電体膜側に偏る可能性が高い。少なくとも、電荷を持った状態を、偏らせることは可能である。それに対し、小さいイオン半径を持った物質Bを添加すると、この物質Bは、SiO2膜に偏る可能性が高い。少なくとも、電荷を持った状態を、偏らせることは可能である。この偏りを有効利用することにより、上記SiO2膜と高誘電体膜との界面において、固定分極を人工的に作りだし、この固定分極により、閾値を制御する方法を、本発明者達は考え出した。
ここで、イオン半径に関してまとめる。本発明の一実施形態では、Si基板/SiO2膜/高誘電体膜という積層構造を考え、この高誘電体膜は、大きなイオン半径を持った物質Mの絶縁性酸化膜で構成する。本発明の一実施形態では、上記積層構造において、SiO2膜側に偏在するか、或いは、高誘電体膜側に偏在するか、が重要である。
そこで、本発明の一実施形態におけるイオン半径の大小の定義は、4配位以下になりやすい状態を小さいイオン半径と定義し、6配位以上になりやすい状態を大きいイオン半径と定義する。酸素と4配位を作るイオンは、酸素のイオン半径との理論比が0.225であり、酸素のイオン半径は1.40オングストロームであるので、酸素と4配位を作るイオン半径は、0.32オングストロームである。また、酸素と6配位を作るイオンは、酸素のイオン半径との理論比が0.414であるので、酸素と6配位を作るイオン半径は、0.58オングストロームである。この理論比は、多くのセラミックスの教科書に記載されている(例えば、柳田博明著「セラミックスの化学 第二版」(丸善)P12)。
上記、0.32オングストロームと0.58オングストロームの中間の値、0.45オングストローム以下であれば、酸素と4配位を作ると期待できるが、0.45オングストロームより大きく0.58オングストローム未満の値では、4配位も6以上の配位も可能と予想される。本明細書では、0.45オングストロームより大きく0.58オングストローム未満の範囲を中間領域と呼ぶ。また、中間領域の物質のイオン半径を、中間のイオン半径と呼ぶ。
以下に、具体的なイオン半径を示す。括弧の中はイオン半径をオングストローム単位で記してある。周期律表では、下に行く程大きなイオン半径を有すると予想される。
(a)低価数で小さいイオン半径の物質(0.45Å以下):
Be(0.33)、B(0.22)
(b)低価数で中間のイオン半径の物質:
Al(0.49)
(c)低価数で大きいイオン半径の物質(0.58Å以上):
Mg(0.62)、Ca(1.03)、Sr(1.21)、Ba(1.43)、Sc(0.84)、Y(0.96)、Laなどのランタノイド(1.18〜0.85)、Acなどのアクチノイド(1.22〜0.95)、Zn(0.74)、Cd(0.97)、Hg(1.10)、Ga(0.62)、In(0.81)、Tl(0.95)
とまとめられる。ここで、ランタノイドとは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、
Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luであり、Laから順番にイオン半径が小さくなっていく、いわゆるランタノイド収縮が起こっている。しかし、一番小さいLuでも0.85オングストロームと十分に大きな値をとっているので、6以上の高配位をとると考えられる。アクチノイドとは、Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,Amなどであるが、現実的にはAc(1.22),Th(1.19)が有効であり、他のアクチノイドは、現状では、放射性物質と関係しており、使われていない。Ac,Thとも大きなイオン半径を持っていることから、6以上の高配位をとると考えられる。将来、Ac,Th以外の物質でも、放射性物質と分離されるのであれば、使用可能である。
(d)高価数で小さいイオン半径の物質:
P(0.33)、As(0.44)、S(0.29)、Se(0.40)
(e)高価数で中間のイオン半径の物質:
V(0.56)、Cr(0.49)、Te(0.56)
(f)高価数で大きいイオン半径の物質:
Nb(0.69)、Ta(0.68)、Mo(0.62)、W(0.62)、Sb(0.62)、Bi(0.72)、Po(0.67)
とまとめられる。
(a)低価数で小さいイオン半径の物質(0.45Å以下):
Be(0.33)、B(0.22)
(b)低価数で中間のイオン半径の物質:
Al(0.49)
(c)低価数で大きいイオン半径の物質(0.58Å以上):
Mg(0.62)、Ca(1.03)、Sr(1.21)、Ba(1.43)、Sc(0.84)、Y(0.96)、Laなどのランタノイド(1.18〜0.85)、Acなどのアクチノイド(1.22〜0.95)、Zn(0.74)、Cd(0.97)、Hg(1.10)、Ga(0.62)、In(0.81)、Tl(0.95)
とまとめられる。ここで、ランタノイドとは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、
Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luであり、Laから順番にイオン半径が小さくなっていく、いわゆるランタノイド収縮が起こっている。しかし、一番小さいLuでも0.85オングストロームと十分に大きな値をとっているので、6以上の高配位をとると考えられる。アクチノイドとは、Ac,Th,Pa,U,Np,Pu,Amなどであるが、現実的にはAc(1.22),Th(1.19)が有効であり、他のアクチノイドは、現状では、放射性物質と関係しており、使われていない。Ac,Thとも大きなイオン半径を持っていることから、6以上の高配位をとると考えられる。将来、Ac,Th以外の物質でも、放射性物質と分離されるのであれば、使用可能である。
(d)高価数で小さいイオン半径の物質:
P(0.33)、As(0.44)、S(0.29)、Se(0.40)
(e)高価数で中間のイオン半径の物質:
V(0.56)、Cr(0.49)、Te(0.56)
(f)高価数で大きいイオン半径の物質:
Nb(0.69)、Ta(0.68)、Mo(0.62)、W(0.62)、Sb(0.62)、Bi(0.72)、Po(0.67)
とまとめられる。
イオン半径が中間的な物質(Al、Cr、V、Te)に関しては、成膜プロセスに依存して、偏らせることが可能となる。例えば、SiO2膜の上に、Alを成膜して、Alの拡散に十分な熱工程を通すことで、Alを拡散させ、その後に、高誘電体膜を成膜すれば、多くのAlは、SiO2膜側に偏って分布することになる。しかし、SiO2膜の上に、Alを成膜して、Alの拡散に十分な熱工程を通さずに、高誘電体膜を成膜し、その後に、Alの拡散に十分な熱工程を通すことで、Alを拡散させた場合は、界面の両側に分布すると考えられる。このように、プロセス依存性が出てくるので、それを上手に使ってやることで、より高性能のトランジスタを作成することが出来る。
また、中間のイオン半径を持つ物質のうち、Al、Crは0.49オングストロームと比較的小さいイオン半径を持ち、V、Teは0.56オングストロームと大きめのイオン半径を持つ。その結果、Al、CrはSiO2膜側で電荷となり易く、高誘電体膜側では、電荷としてではなく、Al酸化物、Cr酸化物として分布する傾向がある。つまり、SiO2膜側、高誘電体膜側の両側に分布し得るが、電荷として分布するのは、SiO2膜側と考えられる。
現実のSiO2膜と高誘電体膜との界面に、Alを導入してSiO2膜側でマイナス電荷とした場合、界面の酸素欠陥と固定分極を作成することが出来る。これが、非特許文献1、2に記されたpMISの閾値シフトのメカニズムであるが、これでは、閾値シフトが200meV程度であり、不十分であった。つまり、中間的なイオン半径の物質であり、SiO2側で電荷となる物質を単独で使い、酸素欠陥と組み合わせて閾値シフトを起こさせても、十分な量のシフトを起こさせることが出来ない。原因は、主に、膜の形成過程において、多くのAlが高誘電体膜側に拡散してしまうことである。
本発明者達は、これを防ぐ方法として、界面、或いは界面近傍にプラス電荷(F、或いはTaなど)を大量に導入して、Al拡散を止める方法を提案する。Al拡散が止まるのは、Fが拡散の邪魔をしてくれるためであり、更には、フッ素のプラス電荷により、実効的にマイナスとなるAlが引き寄せられるためである。或いは、よりイオン半径の小さな物質であれば、酸素との配位数の多い高誘電体中の金属との置換が起こり難く、結果として、高誘電体膜側に入り難くなるので、B、Beを用いる方法を提案する。
他方、V、Teは高誘電体膜側で電荷となり易く、SiO2膜側では、電荷としてではなく、V酸化物、Te酸化物として分布する傾向がある。つまり、V、TeもSiO2膜側、高誘電体膜側の両側に分布し得るが、SiO2膜側ではシリケートとなり易く、電荷として分布するのは、高誘電体側と考えられる。V、Teに関しては、界面にマイナス電荷(N、或いはBなど)を大量に導入することにより、大きな閾値シフトを起こさせることが可能である。
SiO 2 膜と高誘電体膜との界面における電子状態について
SiO2膜と高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なる。それは、酸化物毎に酸素量の最適な密度が異なることから一般的に言える事実である。上記高誘電体膜の例としてHfO2膜を考えてみる。例えば、図1に示すように、酸素から構成される界面は、HfO2膜側からは4つの電子を供給され、SiO2膜側からは2つの電子を供給されると電子数の辻褄があうことになる。つまり、必要とされる酸素数はHfO2膜側からみると、4つであり、SiO2膜側からからみると2つということになる。本発明者達が行った、第一原理計算を用いた、構造計算からは、酸素が抜けて3つになるよりも、酸素が埋まって4つになる方が安定であることが分かった。基本的には、界面であっても酸素欠陥が出来ることはエネルギー面から損ということである。特に、高誘電体膜側は、イオン性を有する膜であり、プラス電荷の物質と、マイナス電荷の酸素とが、過不足なく存在する方が得になるであろうことは想像に難くない。
SiO2膜と高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なる。それは、酸化物毎に酸素量の最適な密度が異なることから一般的に言える事実である。上記高誘電体膜の例としてHfO2膜を考えてみる。例えば、図1に示すように、酸素から構成される界面は、HfO2膜側からは4つの電子を供給され、SiO2膜側からは2つの電子を供給されると電子数の辻褄があうことになる。つまり、必要とされる酸素数はHfO2膜側からみると、4つであり、SiO2膜側からからみると2つということになる。本発明者達が行った、第一原理計算を用いた、構造計算からは、酸素が抜けて3つになるよりも、酸素が埋まって4つになる方が安定であることが分かった。基本的には、界面であっても酸素欠陥が出来ることはエネルギー面から損ということである。特に、高誘電体膜側は、イオン性を有する膜であり、プラス電荷の物質と、マイナス電荷の酸素とが、過不足なく存在する方が得になるであろうことは想像に難くない。
一方、界面における酸素欠陥生成のエネルギーを計算すると、非常に小さく、SiO2膜とHfO2膜との界面においては、酸素分子を基準にして、つまり、外部に放出された酸素が酸素分子となると仮定するなら、酸素欠陥1つを生成するのに必要なエネルギーは0.3eVという小さな値であった。SiO2膜中、或いはHfO2膜中での酸素欠陥生成エネルギーが、それぞれ、5.16eV、6.38eV程度(例えば、W. L. Scopel et.al., Applied. Physics Letters 84 p13492 2004参照)であるので、界面での酸素欠陥生成エネルギーが如何に小さいかがわかる。酸素欠陥生成エネルギーが小さいということは、界面で酸素欠陥が出来やすいというばかりではなく、膜中で酸素欠陥が作られた場合には、その酸素欠陥が界面に移動して来て、界面に偏析することを意味する。このようにして、界面には酸素欠陥が集まって来て、本来はマイナス2価の酸素があった位置に何もない状況になるので、実効的にプラス2価が存在することになる。
この界面の酸素欠陥に、外部から酸素を供給すると、酸素欠陥は埋まり、酸素欠陥生成エネルギーに相当する分だけ、界面が安定になる。上記のように、その安定化のエネルギーは非常に小さく、0.3eV程度である。酸素が供給されるプロセスを通ると、界面の酸素欠陥は非常に少なくなる。他方、H2ガスを含むFGA(Forming gas anneal)などの、還元性のプロセスを通ると、界面の酸素欠陥が多量に発生することになる。このように、酸素欠陥の有無によるエネルギー差があまりないので、プロセスに非常に敏感であり、界面における酸素欠陥の量を固定することは非常に難しい。
界面にフッ素(F)を導入した場合の電子状態
SiO2膜と高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なることは既に説明した。ここで、界面にフッ素(F)を導入すると、酸素欠陥を終端して安定な構造をとることが、本発明者達が行った第一原理計算から分かった。フッ素は、マイナスの一価であり、マイナス二価の酸素を置換することになるので、実効的には、プラス一価と考えればよい。一旦入ったフッ素は安定であり、通常の半導体プロセスでは、殆ど変化しない。酸素欠陥では、酸素が入ったり、出たりするが、フッ素を導入した界面は、安定である。
SiO2膜と高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なることは既に説明した。ここで、界面にフッ素(F)を導入すると、酸素欠陥を終端して安定な構造をとることが、本発明者達が行った第一原理計算から分かった。フッ素は、マイナスの一価であり、マイナス二価の酸素を置換することになるので、実効的には、プラス一価と考えればよい。一旦入ったフッ素は安定であり、通常の半導体プロセスでは、殆ど変化しない。酸素欠陥では、酸素が入ったり、出たりするが、フッ素を導入した界面は、安定である。
SiO2膜と高誘電体膜(HfO2膜)との界面にFが導入された安定構造を図2(a)乃至図3(c)を参照して説明する。図2(a)は、この構造のエネルギーバンド図であり、横軸は逆格子空間を示し、縦軸はエネルギーを示す。図2(a)において、横軸のZ、Γ、X、M、Γ、R、Xは、逆格子空間の位置を示し、(0.0,0.0,0.5)、(0.0,0.0,0.0)、(0.5,0.0,0.0)、(0.5,0.5,0.0)、(0.0,0.0,0.0)、(0.5,0.5,0.5)、(0.5,0.0,0.0)の座標値をそれぞれ有している。図2(b)は、上記構造の界面近傍における分子模型を示す図である。図3(a)は、安定な構造となっているSiO2膜とHfO2膜との界面に酸素欠陥がある場合を示す模式図であり、酸素が抜けて酸素欠陥が形成されて界面の酸素数が3である状態を示している。図3(b)は、図3(a)に示す状態に酸素が導入されて、酸素欠陥が消滅し、界面における酸素数が4個となっている状態を示す。酸素が1個導入されるとエネルギーは0.27eV下がるので、図3(b)に示す状態は図3(a)に示す状態よりもより安定な状態となっている。図3(c)は、図3(b)に示す状態にFを導入し、2つの酸素は2つのFに置き換わった状態を示す。Fが導入されると、エネルギーはFが1つあたり3.8eV下がるので、図3(c)に示す状態は、図3(b)に示す状態よりも更に安定した状態となっている。
このように、SiO2膜と高誘電体膜との界面は、酸素量に応じて、その安定性が変化する。特に、酸素欠陥の有無により安定性が変化するが、その差は僅かである。しかし、外部からFを導入すると、選択的に界面酸素に置換して導入されることが分かる。この時、図3(c)に示すように、大きな安定化を示しており、また図2(a)に示すバンド図からわかるように、界面のバンドギャップが完全に回復している。
図4に示すように、本発明に一実施形態におけるF添加は、添加されたFがSiO2膜と高誘電体膜(例えば、HfSiON膜)との界面に局在し、局在したFが固定分極に必要な固定プラス電荷を作った構造を用いて、閾値を制御している。すなわち、局在したFは、格子間隔から考えて、SiO2膜と高誘電体膜との界面からSiO2膜側に0.61オングストローム以内、高誘電体膜側から1.2オングストローム以内に分布していると考えられる。成膜工程を工夫することで、Fは、SiO2膜と高誘電体膜との界面にピークを有するように構成することができ、これにより、界面のFを正の固定電荷として使用して、固定ダイポールの源とすることができる。ここで、成膜工程の工夫としては、シリコン基板に、前もって、Fを導入しておき、熱拡散を用いて界面に供給する方法などが考えられる。丁度界面においては、Fは安定化されるため、多量のFが界面を横切るようにすれば、安定構造が出来るためである。この時、Fが拡散して、界面を横切りさえすれば良いので、1050℃などの高温工程でも構わない。この界面におけるFは、Si基板中のFや誘電体内部のFとは区別されるべき構成である。Si基板中のFは、基板中のn型ドーパントと相互作用をして、埋め込みチャネルを作ると考えられる。また、誘電体膜内部のFは、酸素欠陥を補償して、誘電体の膜特性を向上させる。特に、リーク特性を向上させ、破壊耐性を強くする。基板中のFや誘電体膜中のFによるMOSFET特性向上に関しては、本出願人によって出願された特開2008−71976号公報に開示されている。
界面に窒素(N)を導入した場合の電子状態
SiO2膜と、高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なる。ここで、界面に窒素を導入すると、酸素欠陥を終端して安定な構造をとることが、本発明者達が行った第一原理計算から分かった。但し、酸素欠陥とのクラスター構造を作ることで安定化する。窒素は、マイナスの三価であり、マイナス二価の酸素を置換することになるので、実効的には、マイナス一価と考えればよい。一旦入った窒素、酸素欠陥のクラスターは安定であり、通常の半導体プロセスでは、殆ど変化しない。酸素欠陥では、酸素が入ったり、出たりするが、窒素を導入した界面は、安定である。
SiO2膜と、高誘電体膜との界面においては、SiO2膜側と高誘電体膜側とで、必要とされる酸素量が異なる。ここで、界面に窒素を導入すると、酸素欠陥を終端して安定な構造をとることが、本発明者達が行った第一原理計算から分かった。但し、酸素欠陥とのクラスター構造を作ることで安定化する。窒素は、マイナスの三価であり、マイナス二価の酸素を置換することになるので、実効的には、マイナス一価と考えればよい。一旦入った窒素、酸素欠陥のクラスターは安定であり、通常の半導体プロセスでは、殆ど変化しない。酸素欠陥では、酸素が入ったり、出たりするが、窒素を導入した界面は、安定である。
SiO2膜と高誘電体膜(HfO2膜)との界面にNが導入された安定構造を図5(a)乃至図6(d)を参照して説明する。図5(a)は、この構造のエネルギーバンド図であり、横軸は逆格子空間を示し、縦軸はエネルギーを示す。図5(a)において、横軸のZ、Γ、X、M、Γ、R、Xは、逆格子空間の位置を示し、図2(a)で説明した場合と同じ座標値をそれぞれ有している。図5(b)は、上記構造の界面近傍における分子模型を示す図である。図6(a)は、安定な構造となっているSiO2膜とHfO2膜との界面に酸素欠陥がある場合を示す模式図であり、酸素が抜けて酸素欠陥V0が形成されて界面の酸素数が3である状態を示している。図6(b)は、図6(a)に示す状態に酸素が導入されて、酸素欠陥が消滅し、界面における酸素数が4個となっている状態を示す。酸素が導入されるとエネルギーは酸素ひとつあたり0.27eV下がるので、図6(b)に示す状態は図6(a)に示す状態よりもより安定な状態となっている。図6(c)は、図6(b)に示す状態にNを導入し、4つの酸素は2つのNと、2つの酸素欠陥V0に置き換わった状態を示す。Nが導入されると、エネルギーは窒素1つあたり2.1eV下がるので、図6(c)に示す状態は、図6(b)に示す状態よりも更に安定した状態となっている。図6(d)は、図6(c)に示す状態において、1つの酸素欠陥V0が1つの酸素に置き換わった状態を示す。このとき、酸素欠陥V0が酸素1個と置き換わると、エネルギーが1.0eV低下するので、図6(d)に示す状態は、図6(c)に示す状態よりも更に安定した状態となっている。
このように、外部からNを導入すると、選択的に界面酸素に置換して導入されることが分かる。この時、大きな安定化を示している。図5(a)に示すバンド図からわかるように、界面のバンドギャップは完全には、回復しない。酸素欠陥が窒素と等量だけ導入された構造が1つの安定構造である。しかし、図6(d)に示すように、この酸素欠陥のうち片方は酸素により埋められる場合もあり、酸素により埋められると、更に安定化することが分かった。いずれの場合も、SiO2膜と高誘電体膜との界面位置に窒素が導入されて、安定化することが示された。
図7に示すように、本発明に一実施形態におけるN添加は、添加されたNがSiO2膜と高誘電体膜(例えば、HfSiON膜)との界面に局在し、局在したNが固定分極に必要なマイナス固定電荷を作った構造を用いて、閾値を制御している。すなわち、局在したNは、格子間隔から考えて、SiO2膜と高誘電体膜との界面からSiO2膜側に0.61オングストローム以内、高誘電体膜側から1.2オングストローム以内に分布していると考えられる。成膜工程を工夫することで、Nは、SiO2膜と高誘電体膜との界面にピークを有するように構成することができ、これにより、界面のNを負の固定電荷として使用して、固定ダイポールの源とすることができる。ここで、成膜工程の工夫としては、シリコン基板に、前もって、Nを導入しておき、熱拡散を用いて界面に供給する方法などが考えられる。丁度界面においては、Nは安定化されるため、多量のNが界面を横切るようにすれば、安定構造が出来るためである。この時、Nが拡散して、界面を横切りさえすれば良いので、1050℃などの高温工程でも構わない。或いは、第一の絶縁膜(SiO2)の表面部分に窒素を大量に導入した後で、第二の絶縁膜を形成するという工程も有効である。この場合、大量に導入する方法としては、シリコン窒化(Si3N4)膜を成膜する方法が挙げられる。また、第一の絶縁膜の表面を、低温(室温から300℃程度)プラズマ窒素にさらす方法なども挙げられる。なお、図7において、実線のグラフは界面にNを導入した場合の界面近傍のNの分布を示し、破線のグラフは界面にNを導入しない場合の界面近傍のNの分布を示している。この図から、界面に窒素を局在させることが可能であることが分かる。
SiO 2 膜/高誘電体絶縁膜の界面における固定分極の起源
SiO2膜と高誘電体膜との界面は、酸素欠陥が出来ると、マイナス二価の酸素がある場合に比較して、電子が足りないことになる。つまり、プラス二価が存在していると感じられる。上で説明したように、SiO2膜および高誘電体膜の膜中に、低価数物質が分布すると、実効的にマイナス電荷が分布した状況となる。酸素欠陥のプラスと低価数物質のマイナスとが、方向性をもつと固定分極となる。酸素欠陥生成エネルギーが小さいために、酸素欠陥は界面に集まってくる。その結果、界面にプラス電荷(酸素欠陥)があり、膜中にマイナス電荷(低価数物質)があることになり、界面があることで方向性が出現する。特に、イオン半径によって、SiO2膜と高誘電体膜との界面からいずれの方に偏って存在するかが決定される場合があることは、既に示している。その結果、界面において、明確な方向性をもった固定分極が発生する構成が存在する。
SiO2膜と高誘電体膜との界面は、酸素欠陥が出来ると、マイナス二価の酸素がある場合に比較して、電子が足りないことになる。つまり、プラス二価が存在していると感じられる。上で説明したように、SiO2膜および高誘電体膜の膜中に、低価数物質が分布すると、実効的にマイナス電荷が分布した状況となる。酸素欠陥のプラスと低価数物質のマイナスとが、方向性をもつと固定分極となる。酸素欠陥生成エネルギーが小さいために、酸素欠陥は界面に集まってくる。その結果、界面にプラス電荷(酸素欠陥)があり、膜中にマイナス電荷(低価数物質)があることになり、界面があることで方向性が出現する。特に、イオン半径によって、SiO2膜と高誘電体膜との界面からいずれの方に偏って存在するかが決定される場合があることは、既に示している。その結果、界面において、明確な方向性をもった固定分極が発生する構成が存在する。
SiO2膜と高誘電体膜では、多くの場合、nMISFETでは、実効仕事関数が大きめになり、pMISFETでは、実効仕事関数が小さめになる傾向が見られる。特に、絶縁膜を強固なものにするために、酸素アニールを施すと、実効仕事関数がシリコンのミッドギャップ方向へと動いてしまう。また、還元性のアニールを施すと、実効仕事関数が、シリコンのバンド端の方向に戻ることが分かっている。つまり、この移動は、酸素欠陥量(或いは、酸素欠陥の埋まった量)に関係していると考えられる。上記のように、酸素欠陥量は、大きなプロセス依存性があり、制御性の良い閾値を得ることが、困難な状況と言える。
次に、添加物質の量について説明する。
高誘電体膜と界面から構成される固定分極について説明する。低価数物質を添加した場合、低価数物質はマイナス電荷となり、プラス電荷が減った分だけ、高誘電体膜の内部に酸素欠陥が出来ることになる。この酸素欠陥はプラス電荷となるので、低価数物質と組むことで分極を構成することが可能である。通常は、分極の方向性がランダムであるため、マクロには分極は現れないが、界面に酸素欠陥が集結した結果、方向性が現れることになる。その結果、マクロな固定分極が出現する。
プラス電荷としては、F(フッ素)であっても同様のことが起こる。上記した酸素欠陥の代わりにFがプラス電荷として作用することになる。既に、説明したように、Fは界面において安定である。
高価数物質を添加した場合、高価数物質は、プラス電荷として作用するので、マクロな固定分極を作るには、マイナス電荷が必要である。これは、例えば窒素の添加により可能である。高誘電体膜と界面で構成される、固定分極量によるシフトX(ボルト)は、
X=(電荷面密度)×(分極の長さ)/誘電率
から計算できる。より詳細に説明すると、
X(ボルト)=(電荷面密度)×(分極の長さ)/誘電率
=(電荷面密度1.602×10−19クーロン×cm−2)×(分極の長さ×10−8cm)/(比誘電率ε)/[8.854×10−12(fard/m)]
=1.81×10−14(電荷面密度cm−2単位)×(分極の長さÅ単位)/(比誘電率)
となる。例えば、電荷面密度が1014cm−2で、誘電率20、分極の長さ5Åであれば、
X=1.81×10−14×1014×5/20=0.45(V)
となる。
X=(電荷面密度)×(分極の長さ)/誘電率
から計算できる。より詳細に説明すると、
X(ボルト)=(電荷面密度)×(分極の長さ)/誘電率
=(電荷面密度1.602×10−19クーロン×cm−2)×(分極の長さ×10−8cm)/(比誘電率ε)/[8.854×10−12(fard/m)]
=1.81×10−14(電荷面密度cm−2単位)×(分極の長さÅ単位)/(比誘電率)
となる。例えば、電荷面密度が1014cm−2で、誘電率20、分極の長さ5Åであれば、
X=1.81×10−14×1014×5/20=0.45(V)
となる。
ここで、電荷面密度について簡単に説明する。ここで用いる電荷面密度は、実効的な電荷面密度であって、通常の電荷面密度とは違う。定義としては、価数差×面密度である。また、添加する物質の複数種類に及ぶ場合は、電荷面密度は価数差×面密度の総和となる。 価数差は、本特許で扱っているSi、Ti、Zr、HfがIV価であるので、そこからの差である。価数差としては、絶対値を用いることとする。具体的に示すと、II価のBeの価数差は2、III価のB、Alの価数差は1である。V価のV、Nb、Ta、Sb、Biの価数差は1であり、VI価のMo、W、Te、Poの価数差は2である。また、F,N、酸素欠陥は、酸素からの差が価数差であり、それぞれ、絶対値なので、1、1、2となる。例えば、BとBeがSiO2側に添加されている場合は、B、Beの面密度をそれぞれ、[B]、[Be]とすると、価数差は、ぞれぞれ、1,2であるので、電荷面密度は[B]+2[Be]となる。また、V、Nb、Ta、Sb、Bi(これらの価数差は1)の面密度を[V]、[Nb]、[Ta]、[Sb]、[Bi]として、Mo、W、Te、Po(これらの価数差は2)の面密度を[Mo]、[W]、[Te]、[Po]とするなら、電荷面密度は[V]+[Nb]+[Ta]+[Sb]+[Bi]+2[Mo]+2[W]+2[Te]+2[Po]となる。また、NやFでは、電荷面密度と、面密度が一致する。それぞれ、プラスの電荷面密度と、マイナスの電荷面密度とが、一致すると考えてよい。誤差の程度は、後述する。ここで、電荷面密度は価数差×面密度であって、計算をする場は、電荷の単位を考慮している。しかし、電荷面密度は価数差を面密度に掛けているだけなので、ここでは、簡単のため、(上記計算式の説明の以外では)面密度と同じ単位で記述することとする。正確には、クーロン・cm−2が単位であるが、混乱を防ぐために、クーロン単位を除いて記述することにした。
次に、高誘電体膜(例えば、HfSiON膜)側での、添加物質の分布のピーク位置について説明する。高誘電体膜側では、通常の分極の長さは1.38Å程度であり、誘電率はおよそ20前後である。ここで、1.38Åは高誘電体を構成する金属の界面からの代表的な距離である。この距離の誤差を15%、界面位置の誤差を15%として、界面からの距離は、1.4ű0.2Åとなる(図8参照)。図8は、Ta等の大きなイオン半径を有する物質が界面に添加された場合における、SiO2膜および高誘電体膜の積層膜の膜厚方向の分布を示す。したがって、ピーク位置の界面からの距離は、1.6Å以下となる。また、最大で、1.4の5倍の7.0Åまでピーク位置をシフトさせることが可能である。この時、界面から深い位置にプラス電荷(高価数物質なので)が分布していることになる。なお、実験の誤差も考慮すると、ピーク位置は界面から1.6Åの2倍、すなわち3.2Å以下と考えられる。Ta等の大きなイオン半径を有する物質は、SiO2膜と高誘電体膜との界面において、酸素とのボンド数が多いほうが安定化するため、成膜工程を工夫することで、界面よりも高誘電体側に偏ってピークを持つようにすることができる。これにより、Ta等の大きなイオン半径を有する物質は、正の固定電荷として使用して固定ダイポールの源とすることができる。この成膜工程の工夫としては、以下で示すように、プラスとなるTaとマイナスとなるNを、両方とも導入する方法が有効である。特に、TaN膜として導入した場合の例を示しているが、初期膜厚によって、分極量を制御できるという結果が得られている。 次に、高誘電体膜(例えば、HfSiON膜)側での、添加物質によるの電荷面密度について考察する。pMISFETの閾値調整には、分極量としては0.5Vから1.0V程度が必要なので、必要とされる電荷面密度は、およそ4.0×1014cm−2〜8.0×1014cm−2となる。ここで、この数値は、上記の式から得られる。即ち1.81×10−14×(8×1014)×1.38/20=1.0(V)であることから、最大値8.0×1014cm−2が得られた。高誘電体膜材料の種類に応じて、分極の大きさ、誘電率の大きさに、それぞれ、3割程度の幅があるので、全体で6割程度の幅を考慮して、誘電体膜側で2.4×1014cm−2〜1.3×1015cm−2程度と考えられる。
更に、高誘電体膜側に限っては、分極の長さを、膜厚方向に大きくすることが可能である。つまり、分極の長さを、1.4Åから7.0Å程度まで大きくすることが可能である。この時、電荷面密度の下限が5倍に広がると考えられるので、0.8×1014cm−2まで下限を広げることが可能となる。更に、上記60%程度の幅を考慮すると、4.8×1013cm−2まで下限を広げることが可能となる。ここで、ピーク位置をずらす方法としては、窒素を同時に導入して、N―Ta−N−Ta・・・と並べることで実現可能である(図9参照)。図9は、TaとNが界面に添加された場合における、TaおよびNそれぞれのSiO2膜および高誘電体膜の積層膜の膜厚方向の分布を示す。実線がTaの分布を示し、破線がNの分布を示す。Nは、界面に局在させることが可能であるが、Nを多量に導入することにより、図9に示すように、界面領域(界面を含む領域)に幅を持たせることができる。これは、界面領域にHfTaSiONが形成され、分極膜となる。分布の出来から界面領域の幅は7Åと見積もることができる。
界面でNが安定であるので、その事実から、窒素と例えばTaを十分に導入することで、ピーク位置をずらすことが可能となる。TaとNにて実現する場合は、Ta量、窒素量とも、界面位置から、膜厚奥方向に一様に分布することになるので、TaN膜を界面に導入することで実現可能となる。
図8などに代表される、膜厚方向への元素の分布は、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)や角度分解のXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)などによりおおよその分布は分かる。しかし、図10に示すように、最近では、SiO2膜/界面領域/高誘電体膜のロッド状に切り出し、電界蒸発法により、詳細な三次元分布を測定する方法(atom probe method)が開発されている。この方法によれば、界面へ物質が局在する様子など、従来よりも、高い分解能で測定することが可能である。原子を一層ずつ蒸発させる方法を用いていることから、原理的には、原子一層ずつの分布が測定できることになる。分解能としては、原子層オーダーと考えて良い。
以上説明したことをまとめると、高誘電体膜側で、電荷となる物質(つまり大きいイオン半径の物質)による電荷面密度は、分極長さが長い場合まで考慮すると、4.8×1013cm−2〜1.3×1015cm−2が好ましく、0.8×1014cm−2〜8.0×1014cm−2がより好ましい。更に、分極長さが短い場合では、2.4×1014cm−2〜1.3×1015cm−2が好ましく、4.0×1014cm−2〜8.0×1014cm−2が更に好ましい。電荷として±1価の物質は、電荷面密度と物質量が一致するが、±2価の物質は、電荷面密度は、物質量の2倍になることに注意が必要である。また、電荷となる物質を複数種類、導入した場合は、それぞれの物質による電荷面密度の合計が上記範囲を満たすことが好ましい。高誘電体膜は、一つの特徴としては、高い誘電率を持つため、電荷も多く必要であるということが挙げられる。界面近傍にTaNを一層分構成した場合には、4.0×1014程度以上のTaとNが必要となる。膜厚として、1.4Å相当のTaN膜を成膜して、その上にHfSiON膜を成膜した場合に、この構造が実現できる。
また、イオン性の物質であるので、膜厚方向に分極を重ね合わせて、トータルで大きな分極を発生させることができる点も、大きな特徴の一つである。この場合は、例えばHfTaSiON膜を界面に7.0Å相当成長させれば良い。最も簡単には、1.4ÅのTaNを成膜して、その上にHfSiONを成膜して、アニールすれば良い。これは、TaNを一層分つけた上記の方法と全く同じである。つまり、初期に導入するTaN量は同じであり、アニール時間および温度により、分布が変化することを使っている。結果としては、初期に導入したTaN量により決定され、アニール時間および温度により、分極量は大きくは変わらないことが分かった。逆に言えば、初期導入量により、最終的な分極量を調整できることになる。上記の考え方から、特殊領域の幅は、7.0Å以下が適当である。これを超えることも可能だが、図11(a)、11(b)に示すように、ミクロな分極が整列するには、それなりの方向性が必要であり、小さな分極は7.0Åを超えると、ランダム性により乱され、大きさが保てなくなってくるからである。おおよそ一層毎に2%程度の劣化、5層で1割の劣化と見積もられる。その意味では、界面近傍に大きな分極を作り込む方(つまり一層で作る方)が作成も容易で、層毎の劣化もなく、有効である。以下に書くように、10%の誤差までは、十分有効であるので、7.0Å程度までは有効と言える。
プラス電荷面密度とマイナス電荷面密度の一致に関して
また、Ta量とN量を考えたとき、これらの値が一致していることが望ましい。それは分極を構成するので、しかも、価数差が両方とも1であるので、面密度も一致していることが望ましいからである。上記の最適範囲は、シフト量が0.5ボルト〜1.0ボルトを保障するという条件で決めていた。現実のシフト量を決めるには、チャネルドープのプロファイルなどから、0.05ボルト程度であれば、微調整が可能である。よって、最低値の10%程度の誤差は問題がないと言える。よって、Ta量とN量の差が、電荷面密度(=価数差×面密度)の最小値、すなわち各場合分けのそれぞれの下限値、の10%以下にとどまることが望ましいことになる。以下でも、同様に、プラス電荷と、マイナス電荷の電荷面密度がよく一致していることが望ましく、その差は、電荷面密度の最低値の10%程度までに抑えられれば問題がないと言える。
また、Ta量とN量を考えたとき、これらの値が一致していることが望ましい。それは分極を構成するので、しかも、価数差が両方とも1であるので、面密度も一致していることが望ましいからである。上記の最適範囲は、シフト量が0.5ボルト〜1.0ボルトを保障するという条件で決めていた。現実のシフト量を決めるには、チャネルドープのプロファイルなどから、0.05ボルト程度であれば、微調整が可能である。よって、最低値の10%程度の誤差は問題がないと言える。よって、Ta量とN量の差が、電荷面密度(=価数差×面密度)の最小値、すなわち各場合分けのそれぞれの下限値、の10%以下にとどまることが望ましいことになる。以下でも、同様に、プラス電荷と、マイナス電荷の電荷面密度がよく一致していることが望ましく、その差は、電荷面密度の最低値の10%程度までに抑えられれば問題がないと言える。
つまり、高誘電体膜側で、電荷となる物質(つまり大きいイオン半径の物質)による電荷面密度は、分極長さが長い場合まで考慮すると、4.8×1013cm−2〜1.3×1015cm−2が好ましく、0.8×1014cm−2〜8.0×1014cm−2がより好ましいことが示されているので、それぞれの下限から、プラス電荷面密度と、マイナス電荷面密度の差としては、それぞれの場合で、4.8×1012cm−2以下、0.8×1013cm−2以下が好ましいことが分かる。つまり、0.8×1013cm−2以下が好ましく、4.8×1012cm−2以下がより好ましいことになる。
また、分極長さが短い場合では、2.4×1014cm−2〜1.3×1015cm−2が好ましく、4.0×1014cm−2〜8.0×1014cm−2が更に好ましいことが分かっているので、それぞれの下限から、プラス電荷面密度と、マイナス電荷面密度の差としては、それぞれの場合で、2.4×1013cm−2以下、4.0×1013cm−2以下が好ましいことが分かる。つまり、4.0×1013cm−2以下が好ましく、2.4×1013cm−2以下がより好ましいことになる。
以下でも、差の最大値は、電荷面密度の適正範囲の下限値の10%として決めることとする。
nMISFETの閾値調整には、分極量としては0.3ボルト程度で十分なので、上記pMISFETの最適値の3割の電荷量でよいことになる。つまり、nMISFETに関しては、高誘電体膜側で、電荷となる物質(つまり大きいイオン半径の物質)による電荷面密度は、分極長さが長い場合まで考慮すると、1.4×1013cm−2〜3.9×1014cm−2が好ましく、2.4×1013cm−2〜2.4×1014cm−2がより好ましい。更に、分極長さが短い場合では、0.7×1014cm−2〜3.9×1014cm−2が好ましく、1.2×1014cm−2〜2.4×1014cm−2が更に好ましい。
次にSiO2膜側における、添加物質の分布のピーク位置と、添加物の電荷面密度の最適値について説明する。
SiO2膜側では、通常の分極の長さは0.64Å程度と小さい。分極の長さは1割程度の違いが含まれる。つまり、分極の長さは、0.64±0.03Åとなる(図12)。図12は、B等の小さなイオン半径を有する物質が界面に添加された場合における、SiO2膜および高誘電体膜の積層膜の膜厚方向の分布を示す図である。B等のイオン半径の小さい物質が界面に添加された場合には、B等のイオン半径の小さな物質のピーク位置は、界面位置およびピーク位置の誤差が±5%として、0.64±0.03Åとなる。したがって、ピーク位置の界面からの距離は、SiO2膜側に0.67Å以下となる。実験の誤差を考慮すると、0.67Åの約2倍である1.4Å未満であると考えられる。B等の小さなイオン半径を有する物質は、SiO2膜と高誘電体膜との界面において、酸素とのボンド数が少ないほうが安定化するため、成膜工程を工夫することで、界面よりもSiO2膜側に偏ってピークを持つようにすることができる。これにより、B等の小さなイオン半径を有する物質は、負の固定電荷として使用して固定ダイポールの源とすることができる。
pMISトランジスタの閾値調整には、分極量としては0.5Vから1.0V程度が必要なので、必要とされる電荷面密度は、およそ1.7×1014cm−2〜3.4×1014cm−2となる。SiO2膜材料の種類(SiO2の作り方、SiONなどのように窒素が導入された場合など)に応じて、分極の長さと誘電率の大きさに、それぞれ1割、合計2割程度の幅があるので、SiO2膜側で1.4×1014cm−2〜4.1×1014cm−2程度と考えられる。
以上をまとめると、SiO2膜側で、電荷となる物質(つまり小さいイオン半径の物質)による電荷面密度は、1.4×1014cm−2〜4.1×1014cm−2が好ましい。
更に、1.7×1014cm−2〜3.4×1014cm−2が更に好ましい。ここで、プラス電荷とマイナス電荷が入った場合の電荷量の差の最大値を、電荷面密度の適正範囲の下限値の10%として決めることとする。上記適性範囲の、それぞれの下限から、プラス電荷面密度と、マイナス電荷面密度の差としては、それぞれの場合で、1.4×1013cm−2以下、1.7×1013cm−2以下が好ましいことが分かる。つまり、1.7×1013cm−2以下が好ましく、1.4×1013cm−2以下がより好ましいことになる。電荷として±1価の物質は、電荷面密度と物質量が一致するが、±2価の物質は、電荷面密度は、物質量の2倍になることに注意が必要である。また、電荷となる物質を複数種類、導入した場合は、それぞれの物質による電荷面密度の合計が上記範囲を満たすことが好ましい。
なお、nMISFETの閾値調整には、分極量としては0.3V程度で十分なので、上記pMISFETの最適値の3割の電荷量でよいことになる。つまり、nチャネルMISFETに関しては、SiO2膜側で、電荷となる物質(つまり大きいイオン半径の物質)による電荷面密度は、0.4×1014cm−2〜1.2×1014cm−2が好ましい。更に、0.5×1014cm−2〜1.0×1014cm−2が更に好ましい。
高誘電体膜側の電荷と、SiO 2 膜側の電荷により分極を生成する場合
また、高誘電体膜側の電荷と、SiO2膜側の電荷により分極を生成する場合は、両者の和の形になる。高誘電体膜側では、分極の大きさは1.38Å程度であり、誘電率はおよそ20前後である。SiO2膜側では、通常の分極の大きさは0.64Å程度と小さい。誘電率もおよそ4前後である。pチャネルMISFETの閾値調整には、分極量としては0.5Vから1.0V程度が必要なので、必要とされる電荷面密度は、およそ1.2×1014cm−2〜2.4×1014cm−2となる。高誘電体膜材料に依存して、誘電率が3割程度変化し得ること、SiO2膜材料の種類(SiO2膜の作り方、SiONなどのように窒素が導入された場合など)に応じて、誘電率の大きさに、2割程度の幅があることから、高誘電体膜側、SiO2膜側の両側で、電荷量が同等であり、かつ1.0×1014cm−2〜3.0×1014cm−2程度と考えられる。
また、高誘電体膜側の電荷と、SiO2膜側の電荷により分極を生成する場合は、両者の和の形になる。高誘電体膜側では、分極の大きさは1.38Å程度であり、誘電率はおよそ20前後である。SiO2膜側では、通常の分極の大きさは0.64Å程度と小さい。誘電率もおよそ4前後である。pチャネルMISFETの閾値調整には、分極量としては0.5Vから1.0V程度が必要なので、必要とされる電荷面密度は、およそ1.2×1014cm−2〜2.4×1014cm−2となる。高誘電体膜材料に依存して、誘電率が3割程度変化し得ること、SiO2膜材料の種類(SiO2膜の作り方、SiONなどのように窒素が導入された場合など)に応じて、誘電率の大きさに、2割程度の幅があることから、高誘電体膜側、SiO2膜側の両側で、電荷量が同等であり、かつ1.0×1014cm−2〜3.0×1014cm−2程度と考えられる。
以上をまとめると、高誘電体膜とSiO2膜との界面の両側で、それぞれ電荷となる物質(つまり高誘電体膜側では大きなイオン半径の物質、SiO2膜側では小さいイオン半径の物質)による電荷面密度は、高誘電体膜側、SiO2膜側でよく一致(電荷補償)しており、1.0×1014cm−2〜3.0×1014cm−2が好ましい。更に、1.2×1014cm−2〜2.4×1014cm−2が更に好ましい。ここで、プラス電荷とマイナス電荷が入った場合の電荷量の差の最大値を、電荷面密度の適正範囲の下限値の10%として決めることとする。上記適性範囲の、それぞれの下限から、プラス電荷面密度と、マイナス電荷面密度の差としては、それぞれの場合で、1.0×1013cm−2以下、1.2×1013cm−2以下が好ましいことが分かる。つまり、1.2×1013cm−2以下が好ましく、1.0×1013cm−2以下がより好ましいことになる。
なお、nチャネルMISFETの閾値調整には、分極量としては0.3V程度で十分なので、上記pチャネルMISFETの最適値の3割の電荷量でよいことになる。つまり、nチャネルMISFETに関しては、高誘電体膜とSiO2膜との界面の両側で、それぞれ電荷となる物質(つまり高誘電体膜側では大きなイオン半径の物質、SiO2膜側では小さいイオン半径の物質)による電荷面密度は、0.3×1014cm−2〜0.9×1014cm−2が好ましい。更に、3.6×1013〜7.2×1013cm−2が好ましい。
固定電荷による分極の形成パターン
次に、固定電荷による分極の形成パターンについて、pMISFETの場合を図13(a)乃至図13(d)を参照して説明する。固定分極を界面に作るには、プラス電荷の起源として、
1)酸素欠陥を多量に供給する(図13(a))
2)界面で安定でありかつ酸素と置換して安定なフッ素を用いる(図13(b))又は
3)高価数物質を導入する(図13(c)、13(d))
という方法が考えられる。
次に、固定電荷による分極の形成パターンについて、pMISFETの場合を図13(a)乃至図13(d)を参照して説明する。固定分極を界面に作るには、プラス電荷の起源として、
1)酸素欠陥を多量に供給する(図13(a))
2)界面で安定でありかつ酸素と置換して安定なフッ素を用いる(図13(b))又は
3)高価数物質を導入する(図13(c)、13(d))
という方法が考えられる。
これに対して、マイナス電荷の起源として、
1)界面で安定であり、酸素と置換して安定な、窒素を用いる(図13(c))又は
2)低価数物質を導入する(図13(a)、13(b)、13(d))
という方法が考えられる。
1)界面で安定であり、酸素と置換して安定な、窒素を用いる(図13(c))又は
2)低価数物質を導入する(図13(a)、13(b)、13(d))
という方法が考えられる。
このように、図13(a)から図13(d)に示すパターンにより、pMISFETにおいて、チャネル側にマイナス電荷があり、電極側にプラス電荷があるような固定分極を作ることが出来る。この固定分極を用いることで、電極の実効仕事関数を深く(大きく)することが出来る。実効仕事関数としては、5.0eV前後にすることが可能であり、pMISの閾値を小さくすることが可能となる。
次に、固定電荷による、分極の作成パターンについて、nMISFETの場合を図14(a)乃至図14(d)を参照して説明する。固定分極を界面に作るには、プラス電荷の起源として、
1)酸素欠陥を多量に供給する(図14(a))
2)界面で安定でありかつ酸素と置換して安定なフッ素を用いる(図14(b))又は
3)高価数物質を導入する(図14(c)、14(d))
という方法が考えられる。
1)酸素欠陥を多量に供給する(図14(a))
2)界面で安定でありかつ酸素と置換して安定なフッ素を用いる(図14(b))又は
3)高価数物質を導入する(図14(c)、14(d))
という方法が考えられる。
これに対して、マイナス電荷の起源として、
1)界面で安定であり、酸素と置換して安定な、窒素を用いる(図14(c))又は
2)低価数物質を導入する(図14(a)、14(b)、14(d))
という方法が考えられる。
1)界面で安定であり、酸素と置換して安定な、窒素を用いる(図14(c))又は
2)低価数物質を導入する(図14(a)、14(b)、14(d))
という方法が考えられる。
このように、図14(a)から図14(d)に示すパターンにより、nMISFETにおいて、チャネル側にプラス電荷があり、電極側にマイナス電荷があるような固定分極を作ることが出来る。この固定分極を用いることで、電極の実効仕事関数を浅く(小さく)することが出来る。実効仕事関数としては、4.1eV前後にすることが可能であり、nMISの閾値を小さくすることが可能となる。
薄膜成長モード
本発明の一実施形態では、SiO2膜と高誘電体膜との界面に金属原子(以下、TaAlなどの合金も含むものとする)を堆積すること、或いは金属原子の酸化物を堆積することで、SiO2膜と高誘電体膜の界面近傍に固定分極を人工的に導入している。基板上への物質の堆積の過程は、おおよそ以下の3つの形式に分類されることが知られている。これを図15(a)乃至図15(c)を参照して説明する。分類A:三次元核生成(Volmer-Wever型)、分類B:単層成長(Frank-van der Merwe型)、分類C:単層上核生成(Stranski-Krastanov型)である。
本発明の一実施形態では、SiO2膜と高誘電体膜との界面に金属原子(以下、TaAlなどの合金も含むものとする)を堆積すること、或いは金属原子の酸化物を堆積することで、SiO2膜と高誘電体膜の界面近傍に固定分極を人工的に導入している。基板上への物質の堆積の過程は、おおよそ以下の3つの形式に分類されることが知られている。これを図15(a)乃至図15(c)を参照して説明する。分類A:三次元核生成(Volmer-Wever型)、分類B:単層成長(Frank-van der Merwe型)、分類C:単層上核生成(Stranski-Krastanov型)である。
分類Aは、図15(a)に示すように、SiO2膜上に金属原子(或いは金属酸化物)が凝集して核をなし、蒸着源から飛来した金属(或いは金属酸化物)が、その核に集まり、3次元的に成長する過程である。多くの薄膜形成は、この型で起こるとされている。島成長するパターンである。例えば、金属LaをSiO2膜上に蒸着させた場合は、核が3次元的に成長すると考えられる。本発明の一実施形態にて用いられる、金属の蒸着では、おおよそ、この成長パターンと考えられる。
分類Bは、SiO2膜と金属(或いは金属酸化物)の相互作用が強い場合に起こり易い型である。図15(b)に示すように、二次元の相が一層ずつ重なって、薄膜が形成されることになる、膜成長するパターンである。酸化剤を使った金属酸化物の原子層成長(Atomic Layer Deposition)などがこれにあたる。現在、Al2O3などの原子層成長が実現している。本発明の一実施形態で用いられる、金属酸化物の成長は、将来的には、この原子層成長のパターンが可能になると考えられる。
分類Cは、SiO2膜と金属(或いは金属酸化物)の相互作用が強く、かつ金属同士の相互作用も強い場合に起こる型である。まず、分類Bと同じように原子層レベルの薄膜が形成され、その上に金属同士の相互作用により三次元核が生成する(図15(c))。極めて限られた場合と言える。膜成長の上に島成長をするパターンである。
どの成長モードであるかは、SiO2膜上に実際に金属を堆積して、堆積量を変化させたものを電子顕微鏡やSTMなどで観察すれば、分かる。SiO2膜上では、金属同士、或いは金属酸化膜同士が大きな相互作用を持つので、核を形成するモード(分類A)が主要なモードである。将来的には、多くの金属酸化物の原子層成長が実現すると考えられる。
次に、本発明の実施形態を説明する。
(第1実施形態)
次に、本発明の第1実施形態によるpMISFETを、図16(a)乃至図23(b)を参照して説明する。
次に、本発明の第1実施形態によるpMISFETを、図16(a)乃至図23(b)を参照して説明する。
本実施形態によるpMISFETは、n型シリコン基板2に形成されており、以下の工程によって形成される。このpMISFETは、シリコン基板、SiO2膜、高誘電体膜の積層構造を有している。
まず、図16(a)に示すように、シリコン基板2上にSiO2膜4を形成し、このSiO2膜4上に金属または金属酸化物6を堆積する。このとき、多くの場合、島成長となる。続いて、図16(b)に示すように、金属または金属酸化物の堆積物6上に、高誘電体膜8を堆積する。その後、図16(c)に示すように、堆積物6をSiO2膜4または高誘電体膜8に拡散させる。すると、SiO2膜4と高誘電体膜8との間に金属または金属酸化物が拡散された界面領域7が形成される。なお、図16(b)に示す高誘電体膜8の成膜中にも堆積物6がSiO2膜4または高誘電体膜8に拡散すると考えられる。また、図16(a)に示す堆積物6を堆積した後に、高誘電体膜8を成膜する前に、この堆積物6をSiO2膜4に拡散させる工程を行ってもよい。
本実施形態で用いた高誘電体膜は、HfSiON膜である。このHfSiON膜は、HfSiO膜をCVD法(ここでは260℃)により成膜した後に、室温(20℃)にてプラズマ窒化を30秒間行うことで、HfSiO膜の表面側から窒化することで作成している。ここで、Si量/(Hf量+Si量)=0.25、N量/(O量+N量)=0.2、となるように、上記のように温度と時間を調整している。但し、Si量やN量に関しては、本実施形態の本質ではなく、一例に過ぎないので、従来からの高誘電体膜を、そのまま使えば良い。従来用いている工程に、少しの工程を加えることで、低閾値を持ったMISデバイスを提供することが、本実施形態の目的である。
高誘電体膜に関しては、Hf、Zr、Tiの酸化膜(HfO2、ZrO2、TiO2)、これらのシリケート膜(HfSiO、ZrSiO、TiSiO)、窒化膜(HfON、ZrON、TiON、HfSiON、ZrSiON、TiSiON)などを用いることが可能であり、これらの積層膜(HfON/HfSiON/TiON膜など)も用いることができる。また、(Hf、Zr)O2混晶膜や、その窒化膜(Hf、Zr)ON、或いはそのシリケートHfZrSiO、HfZrSiONは、アモルファス状態が高温(例えば、1050℃のN2中アニールなど)でも維持されるので、これらの膜を用いれば有効である。更に、ペロブスカイト構造(SrTiO3、SrZrO3、SrHfO3など)やパイロクロア構造(La2Zr2O7、La2Hf2O7、Y2Zr2O7、Y2Hf2O7など)の酸化物、酸窒化物なども、有望である。ここでは、IV価の元素Hf、Zr、Tiを高誘電体の構成元素として選択している。これは、酸化膜が、熱的に安定であり、かつ、高い誘電率を有する、という重要な特性を有しているためである。本実施形態では、SiO2膜と高誘電体膜との界面において、添加物が偏った分布を持つことで、固定分極が発現することが、本質である。その意味では、Hf、Zr、Tiが、イオン半径の大きな元素であることも重要な意味を持っている。また、Siと同じ4価の物質を考えていることには、意味がある。添加物の価数が2価、3価、5価、6価の場合を考えているので、偏る位置、即ち、SiO2膜側に偏るか、或いは高誘電体膜側に偏るかによって電荷分布を制御することが可能となる。
次に、本実施形態のpMISFETの製造方法の詳細について図17(a)乃至図17(d)を参照して説明する。
図17(a)に示すように、n型シリコン基板2上に、熱酸化により膜厚が0.5nmのSiO2膜4を形成する。以下の実施形態でも、特に断りがなければ、シリコン基板2上のSiO2膜4は、ここで示した0.5nmの膜厚を有する熱酸化膜とする。SiO2膜4上に、第1金属酸化物として膜厚0.3nm相当のAl2O3膜6aを成膜する。その後、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を施す。この段階で、AlがSiO2膜4に拡散する(図17(b))。
続いて、図17(c)に示すように、第2金属酸化物として膜厚が0.3nm相当のTa2O5膜6bと、高誘電体膜となる膜厚が2nmのHfSiO膜との積層構造を作成する。その後、室温にてHfSiO膜をプラズマ窒化によりHfSiON膜8に変える。このHfSiON膜8は、誘電率がおよそ20、膜厚が2nmであって酸化膜換算膜厚EOTにして0.4nmである。以下の実施形態でも、特に断りが無い限り、高誘電体膜8として、HfSiON膜を用いる。
その後、図17(d)に示すように、窒素/酸素/Arの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施し、SiO2膜4と、HfSiON膜8との間に、図16(c)で示した界面領域7を形成する。この界面領域7は、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面を含む領域である。このアニール処理における混合ガス雰囲気中の酸素量には、大きな依存性はなく、O2量/(N2+O2+Ar)量が0.1%〜5%まで、pMISFETの閾値電圧のシフト特性に変化がないことが、本実施形態のpMISFETを作成した後のテスト結果から分かった。但し、酸素量が0.1%未満では、HfSiON膜の信頼性が劣化していた。具体的には、ゲート電極に電圧を加えて時間変化を見ると、閾値が大きく変動した。つまり、0.1%以上の酸素を含む混合ガス雰囲気でのアニールを行った場合は、閾値電圧のシフト量は、10時間で10mV以下であった。しかし、酸素を含まない混合ガス雰囲気中でアニールを行うか、或いは、0.1%未満の低酸素量の混合ガス雰囲気中でアニールを行った場合では、閾値電圧のシフト量は100mVを越えることが観測された。
次に、図18に示すように、TiNと、Wとの積層構造のゲート電極10を堆積し、その後、リソグラフィー技術を用いて、ゲート電極10、HfSiON膜8、界面領域7、SiO2膜4をパターニングし、ゲートを形成する。そして、このゲートをマスクとしてp型不純物をシリコン基板2に導入し、p型のソース領域12aおよびドレイン領域12bを形成し、pMISFETを形成する。なお、本実施形態においては、ゲート電極10として、コンタクトを取ることを想定して、加工性に優れるWを選択したが、導電性ポリシリコンなども用いてもよい。
このようにして形成したpMISFETにおける、膜厚方向のアルミ二ウムとタンタルの分布を調べた。その結果、アルミ二ウム(Al)が界面のSiO2膜中に多く拡散しており、マイナスの電荷となっている。SIMSによる測定結果によると、Alの分布は、SiO2膜中の界面付近、すなわち界面からおよそ0.64Åの位置にピークを有し、面密度は、およそ1.5×1014cm−2であった。また、タンタル(Ta)は、高誘電体膜(HfSiON)の界面側に拡散しており、プラス電荷となっている。SIMSによる測定結果による、Taの分布は、HfSiON膜中の界面付近、すなわち界面からおよそ1.4Åの位置にピークを有し、面密度は、およそ1.5×1014cm−2であった。
つまり、本実施形態においては、SiO2膜と高誘電体膜との積層構造において、SiO2膜側にマイナス電荷が生じ、高誘電体膜側にプラスの電荷が生じていることになる。これらの固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を、約600mV変化させており、ゲート電極の実効仕事関数にして、5.02eVであった。ここで、Al、Taの電荷の面密度がよく一致しているという特徴が見られた。AlはSiO2膜側で、TaはHfSiON膜側で電荷となっている。これに対して、AlはHfSiON膜側、TaはSiO2膜側では電荷としてではなく、自身の酸化物として存在する傾向が見られる。つまり、AlはHfSiON膜側でAl2O3として存在し、TaはSiO2膜側ではTa2O5として存在する。この特性により、余った金属Al、および金属Taが電荷ではない状態になってしまい、電荷の補償を起こしたものと考えられる。その結果、Al、Taの電荷の面密度が一致したと考えられる。
このように、電荷の補償があるので、界面での孤立した電荷(補償されていない電荷)は非常に少量である。その様子は、例えば、HfSiON膜の膜厚を変化させることで、フラットバンド電圧がどのように変化するかを観測すれば簡単に分かる。フラットバンド電圧のシフト量が膜厚に依存して、傾きを持つと、その傾きが補償されていない電荷量と考えられるからである。
本実施形態においては、Alが界面のSiO2膜4側に多く拡散しており、マイナスの電荷となり、Taが高誘電体膜8側に拡散して、プラス電荷となっている点が重要である。膜厚方向にチャネル側にマイナス、電極側にプラスという方向性を持ち、界面をまたいで、分布している。電荷量が多く、しかも、界面をまたいでいることで、距離も大きいために、大きな固定分極が構成されるからである。そのため、添加物量は少量で済むというメリットもある。特に、SiO2膜側に固定電荷を形成する添加物が入り込む場合(本実施形態ではAl)には、チャネル近傍での電荷は、出来る限り少ない方が良い。その点でも、添加物量を少なくできる、この構成は有効である。
また、この構成では、界面の酸素欠陥は関係ない。特にプラスのTaとマイナスのAlが同等に存在すれば、酸素欠陥ができる必要もないので、誘電体膜の特性を向上させるために、酸素中アニールを積極的に導入することが可能である。
次に、本実施形態の比較例について説明する。
(比較例1)
比較例1として、本実施形態のpMISFETの製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを成膜した後に行う、Arと窒素との混ガス雰囲気中における600℃、10秒間のアニール処理を省略している。すなわち、図19(a)に示すように、シリコン基板2上に、熱酸化により膜厚が0.5nmのSiO2膜4を形成する。その後、SiO2膜4上に、第1金属酸化物として膜厚0.3nm相当のAl2O3膜6aを成膜する。
(比較例1)
比較例1として、本実施形態のpMISFETの製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを成膜した後に行う、Arと窒素との混ガス雰囲気中における600℃、10秒間のアニール処理を省略している。すなわち、図19(a)に示すように、シリコン基板2上に、熱酸化により膜厚が0.5nmのSiO2膜4を形成する。その後、SiO2膜4上に、第1金属酸化物として膜厚0.3nm相当のAl2O3膜6aを成膜する。
続いて、図19(b)に示すように、第2金属酸化物として膜厚が0.3nm相当のTa2O5膜6bと、高誘電体膜となる膜厚が2nmのHfSiO膜との積層構造を作成する。その後、室温にてHfSiO膜をプラズマ窒化によりHfSiON膜8に変える。
その後、図19(c)に示すように、窒素/酸素/Arの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施す。
この比較例1においては、図19(c)に示す熱工程によって、アルミニウムは、界面の両側に拡散してしまい、SiO2膜4側に十分な量のアルミニウム(即ちマイナス電荷)を確保することが出来ない。Alなどの中間的なイオン半径を持った物質は、界面において、両側に拡散することが分かっている。しかし、高誘電体膜(HfSiON)側においては、Alの置換し得る面密度が大きいため、両側に拡散可能な場合は、高誘電体膜側に偏る傾向が見られる。Alは、本来SiO2膜側に偏らせたかったが、HfSiON側に偏ってしまうと、Al量が不十分になってしまう。HfSiON膜中のアルミ二ウムは、多くが、Al2O3として存在して、アルミネートと言われる状態になるので、電荷としては、大きな作用はしない。トータルとしては、マイナス電荷がSiO2膜4側に偏って分布することになるが、そのマイナス電荷量は、不十分である。
これに対して、大きなイオン半径のTaは、高誘電体膜中を拡散し難いので、比較例1においては、図20(a)に示すように、Taは、高誘電体膜8側に偏在する。比較例1のpMISFETにおける固定電荷による固定分極は、フラットバンドを、約400mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜4側のAl、HfSiON膜8側のTaの面密度は、両者ともにおよそ0.8×1014cm−2であり、面密度としては不十分であるため、400mVの固定分極となったと考えられる。400mVのシフト量では、十分ではなく、AlがHfSiON膜8側に多く拡散した場合には、十分なシフトが得られないことが分かる。
また、特に大きなイオン半径の物質(ここではTa)は、高誘電体膜中を拡散し難いので、初期段階での挿入位置が、固定分極量に大きな影響を及ぼす。HfSiON膜の上にTa2O5膜を形成し、即ち、Si基板2/SiO2膜4/HfSiON膜8/Ta2O5膜という構造を形成し、この構造からTaを拡散させるとすると、TaはHfTaONという形でHfSiON膜に取り込まれ、安定化する傾向がある。そのため、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面まで十分なTaが到達しない可能性が高い。つまり、Ta2O5膜、或いはTa膜をHfSiON膜8の上に成膜して、拡散させても、十分な固定分極を得るのは困難である。
また、Al2O3膜と、Ta2O5膜との積層構造をHfSiON膜8とゲート電極10との間に成膜して、拡散させた場合、SiO2膜4側のAl、HfSiON8側のTaの面密度は、およそ0.5×1014cm−2であり、量としては不十分であるため、200mVの固定分極となった。TaがHfSiON膜8の全体に取り込まれたと考えられるが、Alも同時に取り込まれていた。これは、HfSiON膜8中で、TaとAlがペアで取り込まれたためと考えることもできる。つまり、シフトに十分な量のAlおよびTaがSiO2膜4と/HfSiON膜との界面まで到達できなかったためと考えられる。
(第1変形例)
第1変形例として、上記比較例1と同様のプロセスを採用するが、SiO2膜4の代わり、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cからなる積層膜5(ONO積層膜ともいう)を有するpMISFETを形成する(図20(b))。この膜の作成方法としては、Si基板上にSi3N4膜5bを作成し、酸素中で500℃、1分の熱酸化アニールをすることで、シリコン基板との界面とSi3N4膜5bとの表面の両方を酸化することで、SiO2膜5aおよびSiO2膜5c作成した。窒素濃度の濃い膜があると、アルミ二ウムをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。拡散が抑制される理由は、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。直感的には、ボンドが多いために、イオンが拡散するときのボンドの組み換えが不自由になり、拡散に支障が出るということである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cからなるONO膜5を使うと、アルミ二ウムは、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のマイナス電荷が確保できるようになり、SiO2膜5cと、HfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Taによるプラス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約500mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜5c側のAl、HfSiON膜8側のTaの面密度は、およそ1.2×1014cm−2であり、量としては十分ではないが、500mVの固定分極となったと考えられる。
第1変形例として、上記比較例1と同様のプロセスを採用するが、SiO2膜4の代わり、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cからなる積層膜5(ONO積層膜ともいう)を有するpMISFETを形成する(図20(b))。この膜の作成方法としては、Si基板上にSi3N4膜5bを作成し、酸素中で500℃、1分の熱酸化アニールをすることで、シリコン基板との界面とSi3N4膜5bとの表面の両方を酸化することで、SiO2膜5aおよびSiO2膜5c作成した。窒素濃度の濃い膜があると、アルミ二ウムをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。拡散が抑制される理由は、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。直感的には、ボンドが多いために、イオンが拡散するときのボンドの組み換えが不自由になり、拡散に支障が出るということである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cからなるONO膜5を使うと、アルミ二ウムは、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のマイナス電荷が確保できるようになり、SiO2膜5cと、HfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Taによるプラス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約500mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜5c側のAl、HfSiON膜8側のTaの面密度は、およそ1.2×1014cm−2であり、量としては十分ではないが、500mVの固定分極となったと考えられる。
SiO2膜側に偏り、電荷を形成するII、III価の物質としては、Be、B、Alが考えられる。これらの物質がチャネルに達すると、電荷或いは、ダイポールとして作用するので、著しい移動度の劣化を引き起こす可能性がある。しかし、ONO積層膜5を用いれば、添加物がチャネルに到達しないので、移動度の劣化を最小限にとどめることが可能である。上記の第1変形例では、ONO積層膜を用いているので、pMISFETの移動度は、添加物を導入していない場合を基準にして、5%程度の劣化であり、劣化が殆どないと言える。
この点は、V、VI価の物質であるCr、P、As、S、Seなどでも同様である。これらの物質はSiO2膜側に、より多く拡散して、Siと置換することによりプラス電荷として作用する。その結果、電荷或いはダイポールがチャネル近傍に存在することになる。そこで、ONO積層膜により、チャネルにこれらの物質が到達しないようにすれば、移動度の劣化を最小限にとどめることが可能となる。後述する第3実施形態でも示すが、これらの高価数物質は、nMISFETの閾値調整に有効な物質である。
(比較例2)
比較例2として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aおよびTa2O5膜6bを共に挿入していない場合のpMISFETを形成する(図20(c))。この時、界面での固定分極は生じないと考えられ、実効仕事関数が、4.5eV程度になるため、閾値が大きなものになってしまい、このままでは使えないことになる。
比較例2として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aおよびTa2O5膜6bを共に挿入していない場合のpMISFETを形成する(図20(c))。この時、界面での固定分極は生じないと考えられ、実効仕事関数が、4.5eV程度になるため、閾値が大きなものになってしまい、このままでは使えないことになる。
(比較例3)
比較例3として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで、膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみ挿入してpMISFETを形成する。この場合は、プロセス依存性がある。Arと窒素との混ガス雰囲気中で600℃、10秒間のアニール処理を行った後に、HfSiON膜を作成し、その後、Arと窒素との混ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例3においては、図21(a)に示すように、Alは、SiO2膜4側に多く偏在し、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、250mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜側のAlの面密度は、およそ0.9×1014cm−2であり、Alのみの電荷量としては不十分であるため、250mVの固定分極に留まったと考えられる。本実施例のTaは、界面にAlを引き付ける役目を果たしていたが、比較例3では、その役目を果たす物質が無かったために、Alの界面への集中が実現できなかったことが、大きな原因の1つと考えられる。
比較例3として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで、膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみ挿入してpMISFETを形成する。この場合は、プロセス依存性がある。Arと窒素との混ガス雰囲気中で600℃、10秒間のアニール処理を行った後に、HfSiON膜を作成し、その後、Arと窒素との混ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例3においては、図21(a)に示すように、Alは、SiO2膜4側に多く偏在し、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、250mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜側のAlの面密度は、およそ0.9×1014cm−2であり、Alのみの電荷量としては不十分であるため、250mVの固定分極に留まったと考えられる。本実施例のTaは、界面にAlを引き付ける役目を果たしていたが、比較例3では、その役目を果たす物質が無かったために、Alの界面への集中が実現できなかったことが、大きな原因の1つと考えられる。
(比較例4)
比較例4として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで、膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみを挿入してpMISFETを形成した。この比較例4においては、比較例3と異なり、Arと窒素との混ガス雰囲気中で600℃、10秒間のアニール処理を行なわずに、HfSiON膜8を形成し、その後、Arと窒素との混ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例4においては、図21(b)に示すように、Alは、SiO2膜4側とHfSiO膜8側の両側に存在し、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約200mV変化させる程度の小さなものになってしまい、不十分であった。ここで、SiO2膜4側のAlの面密度は、およそ0.7×1014cm−2であり、Alのみの電荷量としては不十分であるため、200mVの固定分極に留まったと考えられる。
比較例4として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで、膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみを挿入してpMISFETを形成した。この比較例4においては、比較例3と異なり、Arと窒素との混ガス雰囲気中で600℃、10秒間のアニール処理を行なわずに、HfSiON膜8を形成し、その後、Arと窒素との混ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例4においては、図21(b)に示すように、Alは、SiO2膜4側とHfSiO膜8側の両側に存在し、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約200mV変化させる程度の小さなものになってしまい、不十分であった。ここで、SiO2膜4側のAlの面密度は、およそ0.7×1014cm−2であり、Alのみの電荷量としては不十分であるため、200mVの固定分極に留まったと考えられる。
(比較例5)
比較例5として、比較例3において、SiO2膜4をONO膜5に変えたpMISFETを形成した(図21(c))。この比較例5においては、SiO2膜5c側の界面でAlがある程度集中することが効いて、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約350mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜5c側のAlの面密度は、およそ1.3×1014cm−2であった。不十分ながら、Alを界面に集中させることが出来れば、大きさの固定分極が出来る可能性が示された。他方Alのみにて、500mVに相当する以上の、十分な固定分極を作成することが困難であることも理解できる。
比較例5として、比較例3において、SiO2膜4をONO膜5に変えたpMISFETを形成した(図21(c))。この比較例5においては、SiO2膜5c側の界面でAlがある程度集中することが効いて、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約350mV変化させる程度であった。ここで、SiO2膜5c側のAlの面密度は、およそ1.3×1014cm−2であった。不十分ながら、Alを界面に集中させることが出来れば、大きさの固定分極が出来る可能性が示された。他方Alのみにて、500mVに相当する以上の、十分な固定分極を作成することが困難であることも理解できる。
(第2変形例)
本実施形態の第2変形例として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみを挿入した場合のpMISFETを形成する。SiO2膜4/Al2O3膜6a/HfSiON膜8の積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込んだ。このとき、Fの打ち込み面密度を1×1015cm−2、打ち込エネルギー10keVとした。なお、以下の比較例および他の実施形態でも、特に断りがなければ、Fイオンの打ち込みはこの条件にて行う。
本実施形態の第2変形例として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Ta2O5膜6bを挿入しないで膜厚が0.3nmのAl2O3膜6aのみを挿入した場合のpMISFETを形成する。SiO2膜4/Al2O3膜6a/HfSiON膜8の積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込んだ。このとき、Fの打ち込み面密度を1×1015cm−2、打ち込エネルギー10keVとした。なお、以下の比較例および他の実施形態でも、特に断りがなければ、Fイオンの打ち込みはこの条件にて行う。
この第2変形例においては、Si基板2上に1nmの犠牲膜となるSiO2膜を作成して、フッ素イオン打ち込みを行い、その後、犠牲膜を一旦剥離する。その後、SiO2膜4/Al2O3膜6a/HfSiON膜8と順次、形成した。この形成工程において、Al2O3膜6aを形成した後、比較例3と同様に、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を行ない、その後、HfSiON膜8を形成し、その後、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。
この第2変形例のpMISFETにおいては、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約500mV変化させることが出来る十分なものであった。この第2変形例においては、窒素とArの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理により、チャネル中のフッ素イオンの多くの部分を、SiO2膜4とHfSiO膜8との界面に集中させることが可能となる(図22参照)。
また、第2変形例においては、アルミ二ウムをSiO2膜4に拡散するために用いたアニール処理は、600℃の低温であるので、この時は、フッ素は絶縁膜中には拡散せず、フッ素の多くはチャネル中に残留している。その後、HfSiON膜8を成膜した後に施した、高温の熱処理(1050℃)では、チャネル中からほぼ全てのフッ素が外方拡散して、ゲート絶縁膜4、8中に拡散する。Alが拡散したSiO2膜4とHfSiO膜8との界面において、フッ素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換されたフッ素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ小さいので、実効的にプラスの固定電荷となる。これにより、酸素欠陥が足りなくても、プラス電荷が確保できることになる。しかし、アルミ二ウムによるマイナス電荷は、SiO2膜4側に集中しているので、大きな固定分極が発現している。従来、フッ素の拡散を使って、閾値電圧を制御する場合、低温熱処理のみを用いて、チャネルが埋め込みチャネル的な描像となるようにしている。この場合、あまり多くのフッ素を導入するとチャネルが荒れてしまうので、あまり大きなフラットバンド電圧のシフトは望めない。従来は、大きくても200mV程度のシフト量である。
この第2変形例では、アルミ二ウムをSiO2膜4側に偏析させ、かつ界面にフッ素を偏析させることにより、500mVのシフトを実現している。ここで、SiO2膜4側のAlの面密度は、およそ1.7×1014cm−2であり、十分な大きさである。ピーク位置は、およそ界面から0.65Aの位置であり、かなり急峻なピークであった。また、界面におけるフッ素の量も、丁度この値に一致しており、およそ1.7×1014cm−2である。この値が一致していることも、この構成、すなわちAlとFによる固定分極がSiO2膜4とHfSiON膜8との界面に存在する構成の特徴である。ここで、フッ素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、急峻なピークを形成している。この位置が、即ち界面位置である。この界面以外では、フッ素は、外方拡散を起こし、外部へ放出されてしまう。Alの位置、Fの位置を、図10で説明したロッド切り出し方法を用いて試料を作成し、電界蒸発法を用いて3次元分布を測定した。この測定結果によれば、界面からSiO2膜4側にAlのピークがあり、界面位置にFのピークがある。すなわち、Alのピーク位置は、Fのピーク位置よりも、Si基板側にあり、SiO2膜中に存在している。ピーク間隔は0.64Åであり、Fのピークである界面位置から丁度一層分だけSiO2膜4側にAlが分布している。
また、本変形例において、SiO2膜4をONO膜5(図20(b)参照)に変える工夫を加えれば、SiO2膜5cとHfSiON膜8の下側界面にAlを集中させることが出来るので、更に大きな固定分極が得られ、550mVのシフトが実現する。ここで、SiO2膜側のAlの面密度は、およそ1.9×1014cm−2であり、十分な大きさである。また、界面におけるフッ素の量も、丁度この値に一致しており、およそ1.9×1014cm−2である。
ここで示した、界面にFを導入するプロセスでは、特にSiO2膜と高誘電体膜との界面での酸素欠陥はFにて埋められている。その結果、電圧の長時間印加特性(BTI(Bias Temperature Instability))は大きく改善する。また、特に酸素欠陥はFにて埋められるので、酸素中アニールも必要が無くなる。Fが導入されていない場合、酸素アニールなしでは、10時間後に、100mV近いしきい値のシフトが起こっていた。しかし、Fが導入された場合は、酸素アニールなしでも、3日後でも、殆どシフトが観測されなかった。
フッ素導入効果
比較例3、4、5においては、Alを界面に挿入したたけでは、1)シフト量が不十分であること、2)SiO2膜とHfSiON膜との界面での酸素欠陥が寄与しているので、酸化性プロセス(酸素中アニールなど)、還元性プロセス(H2ガスを含むアニール)などに強く依存すること、という大きな問題点があった。しかし、第2変形例に示したフッ化した界面では、酸素欠陥は埋められてしまう。つまり、酸素欠陥は、固定分極に一切関係していない。
比較例3、4、5においては、Alを界面に挿入したたけでは、1)シフト量が不十分であること、2)SiO2膜とHfSiON膜との界面での酸素欠陥が寄与しているので、酸化性プロセス(酸素中アニールなど)、還元性プロセス(H2ガスを含むアニール)などに強く依存すること、という大きな問題点があった。しかし、第2変形例に示したフッ化した界面では、酸素欠陥は埋められてしまう。つまり、酸素欠陥は、固定分極に一切関係していない。
ONO膜の効果
また、Alが、SiO2膜中に分布する場合は、チャネルにまで到達して、移動度の劣化を引き起こすことになるが、これはONO膜にすることで、解決できる。ONO積層膜化による効果は、もう1つある。それは、SiO2膜とHfSiON膜との界面のSiO2膜側にAlなどの添加物を集中させることが可能である点である。これは、固定分極を大きくする効果を有する。
また、Alが、SiO2膜中に分布する場合は、チャネルにまで到達して、移動度の劣化を引き起こすことになるが、これはONO膜にすることで、解決できる。ONO積層膜化による効果は、もう1つある。それは、SiO2膜とHfSiON膜との界面のSiO2膜側にAlなどの添加物を集中させることが可能である点である。これは、固定分極を大きくする効果を有する。
界面窒化の効果
次に、界面窒化の効果について第3変形例および比較例6を参照して説明する。
次に、界面窒化の効果について第3変形例および比較例6を参照して説明する。
(比較例6)
比較例6として、本実施例のSiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを挿入しないで、膜厚が0.3nmのTa2O5膜6bのみ挿入したpMISFETを形成した。SiO2膜4、Ta2O5膜6b、HfSiON膜8を連続で形成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例6においては、図23(a)に示すように、TaがHfSiON膜8側に偏在するため、実効仕事関数が4.5eV程度になり、閾値が大きなものになって、このままでは使えないことが分かった。この比較例6において、SiO2膜をSiON膜に変更しても、全く変化はなかった。更に、SiO2膜をONO積層膜に変更しても、やはり効果は無かった。
比較例6として、本実施例のSiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを挿入しないで、膜厚が0.3nmのTa2O5膜6bのみ挿入したpMISFETを形成した。SiO2膜4、Ta2O5膜6b、HfSiON膜8を連続で形成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例6においては、図23(a)に示すように、TaがHfSiON膜8側に偏在するため、実効仕事関数が4.5eV程度になり、閾値が大きなものになって、このままでは使えないことが分かった。この比較例6において、SiO2膜をSiON膜に変更しても、全く変化はなかった。更に、SiO2膜をONO積層膜に変更しても、やはり効果は無かった。
しかし、次に説明する第3変形例では、界面を室温プラズマ窒化しているので、この場合は、大きな効果があった。
(第3変形例)
本実施形態の第3変形例として、SiO2膜とHfSiO膜との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを挿入しないで、膜厚が0.3nmのTa2O5膜6bのみ挿入したpMISFETを作成した。SiO2膜4を作成した後に、室温にてSiO2膜4の表面をプラズマ窒化した。その後、Ta2O5膜6b、HfSiON膜8を連続で作成し、窒素とArとの混合ガス中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。
本実施形態の第3変形例として、SiO2膜とHfSiO膜との積層構造の製造プロセスにおいて、Al2O3膜6aを挿入しないで、膜厚が0.3nmのTa2O5膜6bのみ挿入したpMISFETを作成した。SiO2膜4を作成した後に、室温にてSiO2膜4の表面をプラズマ窒化した。その後、Ta2O5膜6b、HfSiON膜8を連続で作成し、窒素とArとの混合ガス中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。
この第3変形例においては、図23(b)に示すように、SiO2膜4と、HfSiO膜8との界面では、窒素と酸素欠陥の複合構造ができ、窒素濃度が高くなる。つまり、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換された窒素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ大きいので、実効的にマイナスの固定電荷となる。これにより、界面にマイナス固定電荷が発生し、HfSiON膜8中に拡散したTaによるプラス電荷と固定分極を形成する。Taだけがあっても、マイナス電荷が界面になければ、固定分極は発生しないが、界面に窒素を導入することで固定分極を形成することが可能である。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約500mV変化させることが出来る十分なものであった。ここで、HfSiON膜8側のTaの面密度は、およそ4.5×1014cm−2であり、十分な大きさである。TaはSiO2膜4とHfSiON膜8との界面から、およそ1.5Åだけ、HfSiON膜8側に入り込んでいた。また、界面における窒素の量は、丁度この値に一致しており、およそ4.5×1014cm−2である。ここで、窒素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、急峻な立ち上がるピークを形成している。このように界面でピークを持っていることが重要である。
この第3変形例のpMISFETでも、電界蒸発法を用いて原子の3次元分布を測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素の面密度にピークが現れ、およそ1.5ÅだけHfSiON膜8側に入った位置に、Taの面密度のピークが現れていた。
窒素の分布には、少し注意が必要である。HfSiON膜8中には、元々窒素が分布しているが、この分布とSiO2膜4とHfSiON膜8との界面での窒素のピークとは明確な違いがある。HfSiON膜8中の窒素は、HfSiON膜8と電極10の界面近傍側に多く、しかも、N量/(O量+N量)を考えた時、平均でおよそ0.2となるように成膜している。これを過ぎると、酸化膜としての特性、特に、リーク特性が悪くなることから、この程度が普通である。ところが、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面では、面密度にして、N量/(O量+N量)は、0.3以上である。より好ましくは、0.5〜1.0である。つまり、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面での窒素面密度は、HfSiON膜中の窒素の面密度から急激に増加している。
SiO2膜4内(拡散したNなど)、HfSiON膜8内での窒素は、界面でのTa−N結合に寄与しないために、固定分極には効果がない。膜内部でNが分布していても、またTaとボンドを組んでいたとしても、方向がランダムなので、固定分極として発現しないためである。このように考えると、界面でのTa−Nを作り上げることが大切であり、その方法として、SiO2膜4との界面においてプラズマ窒化/Ta酸化物膜/HfSiON膜という構造が有効であった。また、この考え方から、SiO2膜4/TaN(Ta窒化膜)/HfSiON膜という構造も有効である。界面で生じる固定分極はTa窒化膜中のN量が十分であれば、例えばTa量と同程度のTaNであれば、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約500mV変化させることができる。
例えば、本出願人によって出願された特開2007−49001号公報には、V、VI価物質のみを高誘電体膜に添加する場合が開示されている。本発明の一実施形態との違いは、SiO2膜と高誘電体膜との界面において窒素のピークがなくても良い点である。本発明の一実施形態においては、界面での窒素のマイナス電荷と、V、VI価添加物のプラス電荷にて、人工的に界面ダイポールを作り出している。特開2007−49001号公報では、界面におけるSiNが不要であるが、本発明の一実施形態においては、界面にてマイナス電荷を発現させるために、界面におけるSiNが必要である。つまり、特開2007−49001号公報に記載の技術は、高誘電体膜の特性に関するものであり、本発明の一実施形態の技術は、界面特性に関するものである。特に、本発明の一実施形態における、界面での窒素は、HfSiON膜中に添加された高価数物質と同じ量が必要となる。つまり、電荷面密度として、2.4×1014から1.3×1015cm−2が好ましく、4.0×1014から8.0×1014cm−2が最適である。但し、VI価の物質では、+2の電荷となるので、窒素量は添加物の倍の量が必要となる。つまり、電荷量として、同等量が必要である。
また、TaがSiO2膜4とHfSiON膜8との界面から、HfSiON膜8側に大きく拡散した構造も可能である。この場合は、電荷面密度として、0.48×1014cm−2から1.3×1015cm−2の範囲の量が必要である。更に、0.8×1014から8.0×1014cm−2が最適である。分極の長さが長くなることで、必要となる電荷面密度は小さくなるので、分極長さが5倍程度まで可能となれば、電荷面密度は1/5程度で良いことになる。下限値は、この1/5とした。しかし、上限については、分極の長さが5倍まで行かない範囲を考えるので、上記の値と同一にする必要がある。但し、5倍の分極長さが実現できるのであれば、1.3×1015cm−2÷5=2.6×1014cm−2、8.0×1014cm−2÷5=1.6×1014cm−2などと、必要な面密度の上限を小さくすることが出来ることも重要である。
シフト量は、既に説明したように、(分極の長さ)と(添加物の面密度)の掛け算で決まっている。一旦、最適な面密度となるように物質を導入すれば、添加物が膜内に拡散しても、拡散により分極の長さが伸びる場合には、シフト量が維持されることが分かる。つまり、図11に示すように、幅の広い界面領域が形成されて、分極の長さが伸びる可能性がある構造では、拡散により分極が小さくなってしまう恐れが小さく、プロセスウインドウが広がることを意味する。VI価の物質では、+2の電荷となるので、窒素量は添加物の倍の量が必要となる。つまり、電荷量として、同等量が必要である点には注意が必要である。
低閾値を有するpMISFETを得るための、添加物は、イオン半径と、価数を考えた時、以下のようにまとめられる。
pMISFETを作成するための、界面におけるダイポールは、SiO2膜側にマイナス電荷を生じ、高誘電体側にプラス電荷を生じる場合が基本構造である。つまり、第一に、小さいイオン半径の低価数物質であるBe、B、或いは中間のイオン半径の低価数物質であるAlをSiO2膜側に分布させる。第二に、大きなイオン半径の高価数物質であるNb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Po、或いは中間のイオン半径の高価数物質であるV、Teを高誘電体膜側に分布させる。これらの組合せにより、大きなダイポールができ、添加量を適切にすることで、十分大きなフラットバンド電圧のシフトを実現できる。
ここで、上記の片側のみに電荷を分布させた場合も考えられる。第一の場合、即ち、小さいイオン半径の低価数物質であるBe、B、或いは中間のイオン半径の低価数物質であるAlをSiO2膜側に分布させた場合について簡単に説明する。この場合は、界面に酸素欠陥が出来、その酸素欠陥のプラス電荷との間でダイポールを作ることが可能である。しかし、界面における酸素欠陥は不安定であり、量も多くはない。つまり、十分な特性が得られない可能性が高い。ここで、以下の3つの方法が考えられる。
1)SiO2膜側に、低価数物質を十分に分布させる。これは、イオン半径の小さなB、BeはSiO2膜側中心に分布させることで可能である。
2)界面にFを導入して、プラス電荷を十分に確保する。
3)SiO2膜の代わりにONO膜を用い、高誘電体膜との界面付近に十分な低価数物質を蓄積させる。
1)SiO2膜側に、低価数物質を十分に分布させる。これは、イオン半径の小さなB、BeはSiO2膜側中心に分布させることで可能である。
2)界面にFを導入して、プラス電荷を十分に確保する。
3)SiO2膜の代わりにONO膜を用い、高誘電体膜との界面付近に十分な低価数物質を蓄積させる。
これらの方法を組み合わせることにより、シリコンの価電子帯の端部に十分に近い実効仕事関数をもったゲートが得られることになる。
更に、上記片側のみに電荷を分布させた場合の、第二の場合、即ち大きなイオン半径の高価数物質であるNb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Po、或いは中間のイオン半径の高価数物質であるV、Teを高誘電体膜側に分布させた場合について簡単に説明する。この場合は、界面の酸素欠陥では、界面ダイポールを発生させることは出来ない。酸素欠陥はプラス電荷となるので、プラス同士となるからである。ここで、以下の2つの方法が考えられる。
1)高誘電体膜側に、高価数物質を十分に分布させる。
2)界面にNを導入して、マイナス電荷を十分に確保する。
これらの方法を組み合わせることにより、シリコンの価電子帯の端部に十分に近い実効仕事関数をもったゲートが得られることになる。
1)高誘電体膜側に、高価数物質を十分に分布させる。
2)界面にNを導入して、マイナス電荷を十分に確保する。
これらの方法を組み合わせることにより、シリコンの価電子帯の端部に十分に近い実効仕事関数をもったゲートが得られることになる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるp型MISFETを、図24(a)乃至図24(b)を参照して説明する。
次に、本発明の第2実施形態によるp型MISFETを、図24(a)乃至図24(b)を参照して説明する。
本実施形態によるpMISFETは、シリコン基板2に形成されており、このMISFETは第1実施形態のpMISFETと同様に、シリコン基板2/SiO2膜4/高誘電体膜8の積層構造を有している。本実施形態で用いた高誘電体絶縁膜は、HfSiONである。このHfSiONは、HfSiOをCVD法により成膜した後に、室温にてプラズマ窒化を行うことで、HfSiO表面側から窒化することで作成している。第1実施形態で説明したHfSiONと同一と考えて良い。
次に、本実施形態のpMISFETの製造方法を説明する。まず、図24(a)に示すように、シリコン基板2上に、SiO2膜4と、膜厚が0.2nm相当のB2O3膜22と、膜厚が0.2nm相当のWO3膜24と、HfSiO膜との積層構造を連続的に形成し、室温にてプラズマ窒化を行ない、HfSiO膜をHfSiON膜8に変える。その後、窒素と酸素とArとの混合ガス雰囲気(酸素/(酸素+窒素+Ar)=0.1%)中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。このアニール処理により、SiO2膜4と、HfSiON膜8との間に、図18に示す界面領域7が形成される。この界面領域7は、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面を含む領域である。その後、TiN膜およびW膜を順次形成し、TiN膜およびW膜との積層構造のゲート電極10を形成する。そして、電極10、HfSiON膜8、界面領域7、およびSiO2膜4の積層構造をパターニングし、ゲートを形成する。このゲートをマスクとして、シリコン基板2にp型不純物を導入し、ソース領域12aおよびドレイン領域12bを形成し、図18に示すpMISFETを形成する。
このようにして形成した、pMISFETの膜厚方向のボロン(B)とタングステン(W)の分布を調べてみると、Bが界面領域のSiO2膜4中に多く拡散しており、マイナスの電荷となっている。SIMSの測定結果によると、Bの分布は、SiO2膜4中の界面付近にピーク有し、すなわち、界面からおよそ0.65Aの距離にピークを有し、面密度がおよそ1.4×1014cm−2であり、SiO2膜4の全体に広がっている。また、Wは、界面領域の高誘電体絶縁膜(HfSiON膜)8中に拡散しており、プラス電荷となっている。SIMSの測定結果によると、Wの分布は、HfSiON膜8中の界面付近にピークを有し、すなわち界面からおよそ1.4Aの距離にピークを有し、面密度がおよそ1.4×1014cm−2である。そして、Wは、界面から離れるに従って分布量が減っている。つまり、図24(b)に示すように、SiO2膜4と高誘電体膜8との積層構造において、SiO2膜4側にBによるマイナス電荷が生じ、高誘電体絶縁膜8側にWによるプラスの電荷が生じていることになる。これらの固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を、約580mV変化させおり、制御電極の実効仕事関数にして、5.0eVである。この時、低閾値のpMISFETが得られる。
本実施形態の構造では、BがSiO2膜4中に拡散しており、マイナスの電荷となり、Wが高誘電体膜8に拡散して、プラス電荷となっている点が重要である。膜厚方向にチャネル側にマイナス、電極側にプラスという方向性を持ち、界面をまたいで、分布している。電荷量が多く、しかも、界面をまたいでいることで、距離も大きいために、大きな固定分極が構成されるからである。そのため、添加物量は少量で済むというメリットもある。特に、SiO2膜側に添加物が入り込む場合(ここではB)には、チャネル近傍での電荷は、出来る限り少ない方が良い。その点でも、添加物量を少なくできる、この構成は有効である。
次に、第2実施形態の変形例および比較例について説明する。
(第1変形例)
第2実施形態の第1変形例として、本実施形態の製造プロセスにおいて、B2O3膜22を成膜した後でかつWO3膜24を形成する前に、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を追加する。この時、Bは、SiO2膜4側に拡散する。その後、WO3膜24を形成し、HfSiO膜を形成し、HfSiO膜の表面を室温にてプラズマ窒化し、HfSiON膜8を形成する。その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。続いて、TiN膜とW膜との積層構造のゲート電極を形成し、その後、ソース領域およびドレイン領域を形成する。
第2実施形態の第1変形例として、本実施形態の製造プロセスにおいて、B2O3膜22を成膜した後でかつWO3膜24を形成する前に、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を追加する。この時、Bは、SiO2膜4側に拡散する。その後、WO3膜24を形成し、HfSiO膜を形成し、HfSiO膜の表面を室温にてプラズマ窒化し、HfSiON膜8を形成する。その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。続いて、TiN膜とW膜との積層構造のゲート電極を形成し、その後、ソース領域およびドレイン領域を形成する。
この変形例のpMISFETにおけるボロン(B)とタングステン(W)の分布を調べてみると、第2実施形態のpMISFETにおける、それぞれの分布にほぼ一致していた。つまり、図25(a)に示すように、SiO2膜4と高誘電体膜8との積層構造において、SiO2膜4側にBによるマイナス電荷が生じ、高誘電体膜8側にWによるプラスの電荷が生じていることになる。これらの固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を約580mV変化させ、制御電極の実効仕事関数にして、5.0eVであり、第2実施形態と全く同じである。
(第2変形例)
第2変形例として、本実施形態と同様のプロセスを採用するが、シリコン基板2と接するSiO2膜4の代わりに、図25(b)に示すように、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cのONO膜5を用いる。この膜の作成方法としては、Si基板上にSi3N4膜を作成し、酸素中アニールをすることで、シリコン基板2の界面とSi3N4膜表面の両方を酸化することで作成した。窒素濃度の濃い膜(Si3N4膜5b)があると、Bをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。拡散が抑制される理由は、既に第1実施形態で説明したように、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cのONO膜5を用いると、Bは、図25(b)に示すように、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のマイナス電荷の集中が可能であり、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Wによるプラス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約650mV変化させる程度であった。閾値としては、約100mVという小さなものが得られた。この時、Bはチャネルにまで達しておらず、B添加なしの場合のpMISFETと比較して、移動度の劣化が殆ど見られなかった。更に、基板に達すると、Bは反対符号のドーパントとなるので、チャネルに大きな影響があるが、それもみられなかった。
第2変形例として、本実施形態と同様のプロセスを採用するが、シリコン基板2と接するSiO2膜4の代わりに、図25(b)に示すように、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cのONO膜5を用いる。この膜の作成方法としては、Si基板上にSi3N4膜を作成し、酸素中アニールをすることで、シリコン基板2の界面とSi3N4膜表面の両方を酸化することで作成した。窒素濃度の濃い膜(Si3N4膜5b)があると、Bをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。拡散が抑制される理由は、既に第1実施形態で説明したように、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cのONO膜5を用いると、Bは、図25(b)に示すように、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のマイナス電荷の集中が可能であり、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Wによるプラス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約650mV変化させる程度であった。閾値としては、約100mVという小さなものが得られた。この時、Bはチャネルにまで達しておらず、B添加なしの場合のpMISFETと比較して、移動度の劣化が殆ど見られなかった。更に、基板に達すると、Bは反対符号のドーパントとなるので、チャネルに大きな影響があるが、それもみられなかった。
この第2変形例のpMISFETにおいて、電界蒸発法を用いた原子の3次元分布測定を行った。Bのピーク位置は、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面から、およそ1.35Aであった。また、Bのピークでの面密度は、およそ1.6×1014cm−2であり、大きな値を持っていた。このように、ONO膜5を用いると、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面を構成するSiO2膜中にBをパイルアップさせることが可能である。
(比較例1)
比較例1として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、図25(c)に示すように、B2O3膜22、WO3膜24を共に挿入していないpMISFETを形成する。この時、実効仕事関数が、4.5eV程度になるため、閾値電圧が大きなものになってしまい、このままでは使えないことが分かった。
比較例1として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、図25(c)に示すように、B2O3膜22、WO3膜24を共に挿入していないpMISFETを形成する。この時、実効仕事関数が、4.5eV程度になるため、閾値電圧が大きなものになってしまい、このままでは使えないことが分かった。
(比較例2)
比較例2として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、B2O3膜22のみ挿入したpMISFETを形成する。この比較例2においては、図26(a)に示すように、SiO2膜4側にBが拡散されてマイナスの電荷となる。このため、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約500mV変化させ、pMISFETとして有望である。しかし、Bがシリコン基板に達しており、移動度の劣化が認められ、何らかの工夫が求められる。その一例として、以下の第3変形例を示す。
比較例2として、本実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、B2O3膜22のみ挿入したpMISFETを形成する。この比較例2においては、図26(a)に示すように、SiO2膜4側にBが拡散されてマイナスの電荷となる。このため、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約500mV変化させ、pMISFETとして有望である。しかし、Bがシリコン基板に達しており、移動度の劣化が認められ、何らかの工夫が求められる。その一例として、以下の第3変形例を示す。
(第3変形例)
第2実施形態の第3変形例として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、B2O3膜22のみ挿入したpMISFETを形成した。なお、十分なフラットバンド電圧のシフト量を得るに、B2O3膜22の膜厚を第2実施形態に比べて0.35nmと少し厚めにした。また、比較例2とは異なり、図26(b)に示すように、SiO2膜4の代わりにONO膜5を用いた。
第2実施形態の第3変形例として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、B2O3膜22のみ挿入したpMISFETを形成した。なお、十分なフラットバンド電圧のシフト量を得るに、B2O3膜22の膜厚を第2実施形態に比べて0.35nmと少し厚めにした。また、比較例2とは異なり、図26(b)に示すように、SiO2膜4の代わりにONO膜5を用いた。
この第3変形例のpMISFETにおいては、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約550mV変化させる程度であり、非常に有望である。Bもシリコン基板2に達してはおらず、非常に有望である。
第2実施形態のように界面にWが存在する場合と比較すると、シフト量が少し足りないが、Bのみで実現できるというメリットもある。Bの面密度を、3次元分布をとって、測定すると、SiO2膜とHfSiON膜8との界面から、およそ1.35Aであった。Bのピークでの面密度は、およそ1.8×1014cm−2であり、Wとの組合せの場合よりも、多めのB添加が必要である。
(第4変形例)
第2実施形態の第4変形例として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込みによって導入するとともに、WO3膜24は挿入しないでB2O3膜22のみ挿入することによってpMISFETを形成する。そして、第2実施形態と同様にHfSiON膜を作成した後に、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。このアニール処理によって、第4変形例のpMISFETにおいては、図26(c)に示すように、SiO2膜4側にBが拡散されてマイナスの電荷となるが、フッ素イオンの多くがSiO2膜4とHfSiON膜8との界面に集中している。このため、界面で生じる固定分極は、フラットバンドを約575mV変化させることが出来る十分なものであった。なお、BもSiO2膜4おいて、界面近傍に集中している。
第2実施形態の第4変形例として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiO膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込みによって導入するとともに、WO3膜24は挿入しないでB2O3膜22のみ挿入することによってpMISFETを形成する。そして、第2実施形態と同様にHfSiON膜を作成した後に、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。このアニール処理によって、第4変形例のpMISFETにおいては、図26(c)に示すように、SiO2膜4側にBが拡散されてマイナスの電荷となるが、フッ素イオンの多くがSiO2膜4とHfSiON膜8との界面に集中している。このため、界面で生じる固定分極は、フラットバンドを約575mV変化させることが出来る十分なものであった。なお、BもSiO2膜4おいて、界面近傍に集中している。
HfSiON膜8を成膜した後に施した、高温の熱処理(1050℃)では、チャネル中からほぼ全てのフッ素が外方拡散して、ゲート絶縁膜中に拡散する。SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、フッ素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換されたフッ素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ小さいので、実効的にプラスの固定電荷となる。これにより、酸素欠陥が足りなくても、プラス電荷が確保できることになる。しかし、Bによるマイナス電荷は、SiO2膜側に集中しているので、大きな固定分極が発現している。従来、フッ素拡散を使って、閾値を制御する場合、低温熱処理のみを用いて、チャネルが埋め込みチャネル的な描像となるようにしている。この場合、あまり多くのフッ素を導入するとチャネルが荒れてしまうので、あまり大きなフラットバンド電圧のシフトは望めない。従来は、大きくても200mV程度のシフトである。本変形例では、BをSiO2膜4側に偏析させ、かつ、界面にフッ素を偏析させることにより、575mVのシフトを実現している。ここで、フッ素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、ピークを形成している。この界面以外では、フッ素は、外方拡散を起こし、外部へ放出されてしまう。
ここで、SiO2膜4側のBの面密度は、およそ1.8×1014cm−2であり、十分な大きさである。ピーク位置は、およそ界面から0.65Aの位置であり、かなり急峻なピークであった。また、界面におけるフッ素の量も、この値にほぼ一致しており、およそ1.8×1014cm−2である。この値が一致していることも、BとFによる固定分極がSiO2膜4とHfSiON膜8との界面に存在していることを示している。ここで、SIMSの測定による、フッ素の膜厚方向の分布は、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、急峻なピークを形成している。この位置が、即ち界面位置である。この界面以外では、フッ素は、外方拡散を起こし、外部へ放出されてしまう。
また、電界蒸発法を用いて、BおよびFの3次元分布を測定した。この測定結果によれば、界面からSiO2膜4側にBのピークがあり、界面位置にFのピークがある。すなわち、Bのピーク位置は、Fのピーク位置よりも、Si基板2側にあり、SiO2膜4中に存在している。ピーク間隔は0.64Åであり、界面Fから丁度一層分だけSiO2膜4側にBが分布している。
(第5変形例)
第2実施形態の第5変形例として、図27(a)に示すように、第5変形例のpMISFETにおいて、SiO2膜4の代わりにONO膜5を用いたpMISFETを形成する。この第5変形例のpMISFETにおいては、移動度の劣化が抑えられると同時に、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約625mV変化させた。閾値としては、約125mVであった。SiO2膜4側のBの面密度は、およそ1.9×1014cm−2であり、ピーク位置は、およそ界面から0.65Aの位置で同じであった。また、界面におけるフッ素の量も、丁度この値に一致しており、およそ1.9×1014cm−2である。
第2実施形態の第5変形例として、図27(a)に示すように、第5変形例のpMISFETにおいて、SiO2膜4の代わりにONO膜5を用いたpMISFETを形成する。この第5変形例のpMISFETにおいては、移動度の劣化が抑えられると同時に、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を、約625mV変化させた。閾値としては、約125mVであった。SiO2膜4側のBの面密度は、およそ1.9×1014cm−2であり、ピーク位置は、およそ界面から0.65Aの位置で同じであった。また、界面におけるフッ素の量も、丁度この値に一致しており、およそ1.9×1014cm−2である。
(比較例3)
比較例3として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、WO3膜24のみ挿入したpMISFETを形成した。この比較例3のpMISFETは、SiO2膜4、WO3膜24、HfSiON膜8を連続で作成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。このアニール処理により、WがHfSiON膜8側に拡散してプラス電荷となる(図27(b))。これにより、実効仕事関数が4.5eV程度になって閾値電圧が大きなものになってしまい、このままでは使えないことが分かった。
比較例3として、第2実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の製造プロセスにおいて、WO3膜24のみ挿入したpMISFETを形成した。この比較例3のpMISFETは、SiO2膜4、WO3膜24、HfSiON膜8を連続で作成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。このアニール処理により、WがHfSiON膜8側に拡散してプラス電荷となる(図27(b))。これにより、実効仕事関数が4.5eV程度になって閾値電圧が大きなものになってしまい、このままでは使えないことが分かった。
(第6変形例)
第2実施形態の第6変形例として、第2実施形態のSiO2膜4と、HfSiO膜8との積層構造に膜厚が0.2nmのWO3膜24のみを挿入するとともに、Si基板2上にSiO2膜4を形成した後、SiO2膜4の表面をプラズマ窒化したpMISFETを形成した。プラズマ窒化したSiO2膜4上に、膜厚が0.2nmのWO3膜24、HfSiON膜8を連続で形成し、第2実施形態と同様に、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。
第2実施形態の第6変形例として、第2実施形態のSiO2膜4と、HfSiO膜8との積層構造に膜厚が0.2nmのWO3膜24のみを挿入するとともに、Si基板2上にSiO2膜4を形成した後、SiO2膜4の表面をプラズマ窒化したpMISFETを形成した。プラズマ窒化したSiO2膜4上に、膜厚が0.2nmのWO3膜24、HfSiON膜8を連続で形成し、第2実施形態と同様に、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。
この第6変形例のpMISFETは、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素と酸素欠陥との複合構造ができて窒素濃度が高くなる(図27(c))。つまり、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換された窒素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ大きいので、実効的にマイナスの固定電荷となる。これにより、界面にマイナス固定電荷が発生し、HfSiON膜8中に拡散したWによるプラス電荷と固定分極を形成する。Wだけがあっても、マイナス電荷が界面になければ、固定分極は発生しないが、界面に窒素を導入することで固定分極を形成することが可能である。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約550mV変化させることが出来る十分なものであった。ここで、窒素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、ピークを形成している。このように界面でピークを持っていることは重要である。WはHfSiON膜8側に分布しており、界面からおよそ1.4Aの位置にピークをもっている。Wの面密度は、およそ1.3×1014cm−2であった。また、窒素の面密度も、同等であり、およそ1.3×1014cm−2であった。
第2実施形態において、分極を作るために、幾つかの構成が示された。代表的には、以下の4つの例がある。
1)B(マイナス)とW(プラス)
2)B(マイナス)と界面酸素欠陥(プラス)
3)B(マイナス)とF(プラス)
4)N(マイナス)とW(プラス)
1)B(マイナス)とW(プラス)
2)B(マイナス)と界面酸素欠陥(プラス)
3)B(マイナス)とF(プラス)
4)N(マイナス)とW(プラス)
それぞれの電荷の源を変化させることで、様々な拡張が可能であることは、明らかである。但し、上記2)のように酸素欠陥との組合せでは、分極にプロセス依存性が大きく反映されると考えられ、あまり好ましくない。また、Alのように中間的なイオン半径の物質は、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面の両側に拡散するので、酸素欠陥との組合せによって大きなシフトを得ることは困難である。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるnMISFETを説明する。
次に、本発明の第3実施形態によるnMISFETを説明する。
本実施形態によるnMISFETは、シリコン基板に形成されており、このMISFETは前述したSi基板/SiO2膜/高誘電体膜の積層構造を有している。本実施形態で用いる高誘電体膜は、HfSiONである。このHfSiONは、HfSiOをCVD法により成膜した後に、室温にてプラズマ窒化を行うことで、HfSiO表面側から窒化することで作成している。基本的には、第1実施形態と同様である。
高誘電体膜に関しては、Hf、Zr、Tiの酸化膜(HfO2、ZrO2、TiO2)、これらのシリケート膜(HfSiO、ZrSiO、TiSiO)、窒化膜(HfON、ZrON、TiON、HfSiON、ZrSiON、TiSiON)などを用いることが可能であり、これらの積層膜(HfON/HfSiON/TiON膜)も用いることができる。また、(Hf、Zr)O2混晶膜やその窒化膜(Hf、Zr)ON、或いはそのシリケートHfZrSiO、HfZrSiONは、アモルファス状態が高温でも維持されるので、これらの膜を用いれば有効である。
次に、本実施形態のnMISFETの製造方法について図28(a)、28(b)を参照して説明する。
p型のシリコン基板2A上に、SiO2膜4、膜厚が0.2nm相当のCrO3膜32を成膜する。その後、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を施した。この段階で、CrがSiO2膜4側に拡散する。続いて、膜厚が0.2nm相当のLa2O3膜34、HfSiO膜を、順次形成し、室温にてプラズマ窒化を行なった。このプラズマ窒化により、HfSiO膜がHfSiON膜8に変わる。その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気(0.1%酸素を含む)中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この後、TiN膜とW膜の積層膜からなるゲート電極を形成した。本実施形態においては、コンタクトを取ることを想定して、加工性に優れるWを選択したが、導電性ポリシリコンなども有望である。その後、ゲート電極、HfSiON膜8、およびSiO2膜4をパターニングして、ゲートを形成し、このゲートをマスクとしてn型不純物をシリコン基板2Aに導入し、n型ソース領域およびドレイン領域を形成することにより、nMISFETを形成する。
形成されたnMISFETの膜厚方向のCrとLaの分布を調べてみると、図28(b)に示すように、Crが界面の低誘電率層SiO2膜4中に多く拡散しており、プラスの電荷となっている。SIMSの測定結果から、Crの深さ方向の分布は、SiO2膜4の界面付近にピークを有し、すなわちピーク位置は、界面からSiO2膜4側に0.65Aの位置にあり、電荷面密度は、0.46×1014cm−2であった。ここで、Crの価数差は2であるので、電荷面密度はCrの面密度の2倍となる。即ち、Crの面密度は0.23×1014cm−2であった。一方、Laは、高誘電体膜(HfSiON膜)8中に拡散しており、マイナス電荷となっている。SIMSの測定結果から、Laの深さ方向の分布は、HfSiON膜8中の界面付近にピークを有し、すなわちピーク位置は界面からHfSiON膜8側に1.4Aにあり、面密度は0.46×1014cm−2であって、Cr量の電荷面密度によく一致している。ここで、Laの価数差は1なので、電荷面密度と面密度は一致している。つまり、SiO2膜4と高誘電体膜8の積層構造において、図28(b)に示すように、SiO2膜4側にプラス電荷が生じ、高誘電体膜8側にマイナスの電荷が生じていることになる。これらの固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を、約200mV変化させていると期待され、制御電極の実効仕事関数にして、4.15eVであった。この時、閾値電圧としては、約100mVのnMISFETが得られた。
本実施形態の構造では、Crが界面のSiO2膜4中に多く拡散しており、プラスの電荷となり、Laが高誘電体膜8側に拡散して、マイナス電荷となっている点が重要である。膜厚方向にチャネル側にプラス、電極側にマイナスという方向性を持ち、界面をまたいで、分布している。電荷量が多く、しかも、界面をまたいでいることで、距離も大きいために、大きな固定分極が構成されるからである。そのため、添加物量は少量で済むというメリットもある。特に、SiO2膜4側に添加物が入り込む場合(ここではCr)には、チャネル近傍での電荷は、出来る限り少ない方が良い。その点でも、添加物量を少なくできる、この構成は有効である。
次に、第3実施形態の変形例および比較例について説明する。
(比較例1)
比較例1として、本実施形態のnMISFETの製造プロセスにおいて、CrO3膜を成膜した後に行った、600℃、10秒間のアニール処理を省略した。この時、図29(a)Crは、界面の両側に拡散してしまい、SiO2膜側の界面近傍に十分な量のCr(即ちプラス電荷)を確保することが出来ない。Crなどの中間的なイオン半径を持った物質は、界面において、両側に拡散することが分かっている。しかし、高誘電体膜(HfSiON)側のCrの置換し得る面密度が大きいため、両側に拡散可能な場合は、高誘電体膜側に偏る傾向が見られる。600℃、10秒間のアニール処理を省略したプロセスで得られた固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を、約100mV変化させる程度であった。この場合は、Crをさらに多量に添加することで、200mV変化させることはできる。しかし、Si基板近傍にまでCrが拡散してしまい、移動度の劣化が起こる。
(比較例1)
比較例1として、本実施形態のnMISFETの製造プロセスにおいて、CrO3膜を成膜した後に行った、600℃、10秒間のアニール処理を省略した。この時、図29(a)Crは、界面の両側に拡散してしまい、SiO2膜側の界面近傍に十分な量のCr(即ちプラス電荷)を確保することが出来ない。Crなどの中間的なイオン半径を持った物質は、界面において、両側に拡散することが分かっている。しかし、高誘電体膜(HfSiON)側のCrの置換し得る面密度が大きいため、両側に拡散可能な場合は、高誘電体膜側に偏る傾向が見られる。600℃、10秒間のアニール処理を省略したプロセスで得られた固定電荷による固定分極は、フラットバンド電圧を、約100mV変化させる程度であった。この場合は、Crをさらに多量に添加することで、200mV変化させることはできる。しかし、Si基板近傍にまでCrが拡散してしまい、移動度の劣化が起こる。
(第1変形例)
第3実施形態の第1変形例として、比較例1と同様のプロセスを採用するが、シリコン基板と接するSiO2膜4の代わりに、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cの積層構造のONO膜5を用いたnMISFETを形成する(図29(b))。このONO膜5の作成方法としては、シリコン基板2A上にSi3N4膜5bを作成し、酸素中アニールをすることで、シリコン基板2Aとの界面と、Si3N4膜5bの表面の両方を酸化することで形成した。窒素濃度の濃い膜があると、クロムをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。この拡散が抑制される理由は、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cを用いると、Crは、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のプラス電荷が確保できるようになり、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Laによるマイナス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約250mV変化させる程度であり、十分な大きさを持っている。
第3実施形態の第1変形例として、比較例1と同様のプロセスを採用するが、シリコン基板と接するSiO2膜4の代わりに、SiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cの積層構造のONO膜5を用いたnMISFETを形成する(図29(b))。このONO膜5の作成方法としては、シリコン基板2A上にSi3N4膜5bを作成し、酸素中アニールをすることで、シリコン基板2Aとの界面と、Si3N4膜5bの表面の両方を酸化することで形成した。窒素濃度の濃い膜があると、クロムをはじめとする、添加物の拡散が抑制されることが分かっている。この拡散が抑制される理由は、酸素に比べ窒素のボンドの数が多いためである。このSiO2膜5a/Si3N4膜5b/SiO2膜5cを用いると、Crは、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面において、SiO2膜5c近傍に、より多く蓄積される形になる。よって、ある程度のプラス電荷が確保できるようになり、SiO2膜5cとHfSiON膜8との界面での固定分極が大きくなる。Laによるマイナス電荷と合わせて出現する、固定分極は、フラットバンド電圧を、約250mV変化させる程度であり、十分な大きさを持っている。
添加物がSiO2膜側に偏るのは、V、VI価の物質としては、Cr、P、As、S、Seが考えられる。これらの物質がチャネルに達すると、電荷或いは、ダイポールとして作用するので、著しい移動度劣化を引き起こす可能性がある。しかし、ONO積層膜を用いれば、添加物がチャネルに到達するのを防止することができるので、移動度の劣化を最小限にとどめることが可能である。ONO膜を用いた場合、nMISFETの移動度が十分に大きいものが得られている。
(比較例2)
比較例2として、第3実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32、La2O3膜34ともに挿入していない場合のnMISFETを形成した。この時、図29(c)に示すように、界面での固定分極は生じないと考えられ、閾値が大きなものになってしまい、このままでは使えないことになる。
比較例2として、第3実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32、La2O3膜34ともに挿入していない場合のnMISFETを形成した。この時、図29(c)に示すように、界面での固定分極は生じないと考えられ、閾値が大きなものになってしまい、このままでは使えないことになる。
(比較例3)
比較例3として、第3実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32のみ挿入した場合のnMISFETを形成した。この比較例3のnMISFETは、SiO2膜4を作成した後に、CrO3膜32を作成し、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を行った後に、HfSiON膜8を形成する。その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例3のnMISFETは、図30(a)に示すように、CrはSiO2膜4中に拡散してプラス電荷を形成するが、マイナス電荷がHfSiON膜8に形成されないため、界面に固定分極は出現せず、フラットバンド電圧はシフトしない。
比較例3として、第3実施形態のSiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32のみ挿入した場合のnMISFETを形成した。この比較例3のnMISFETは、SiO2膜4を作成した後に、CrO3膜32を作成し、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を行った後に、HfSiON膜8を形成する。その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例3のnMISFETは、図30(a)に示すように、CrはSiO2膜4中に拡散してプラス電荷を形成するが、マイナス電荷がHfSiON膜8に形成されないため、界面に固定分極は出現せず、フラットバンド電圧はシフトしない。
(第2変形例)
第3実施形態の第2変形例して、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32のみ挿入した場合のnMISFETを作成した。この第2変形例のnMISFETにおいては、SiO2膜4を形成した後に、CrO3膜32を形成し、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を行った。ここまでは、上記比較例3と同様であり、SiO2膜4上に成膜したCrO3膜32はSiO2膜4中にほぼ全て拡散している。その後、室温にて界面窒化を行った。即ち、SiO2膜4の表面を室温にてプラズマ窒化した。その後、HfSiON膜8を形成した。この第2変形例のnMISFETにおいては、図30(b)に示すように、SiO2膜4とHfSiO膜8との界面に、窒素と酸素欠陥との複合構造ができ、窒素濃度が高くなる。つまり、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換された窒素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ大きいので、実効的にマイナスの固定電荷となる。これにより、界面にマイナス固定電荷が発生し、SiO2膜4中に拡散したCrによるプラス電荷と固定分極を形成する。Crだけがあっても、マイナス電荷が界面になければ、固定分極は発生しないが、界面に窒素を導入することで固定分極を形成することが可能である。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約180mV変化させることが出来る十分なものであった。
第3実施形態の第2変形例して、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、CrO3膜32のみ挿入した場合のnMISFETを作成した。この第2変形例のnMISFETにおいては、SiO2膜4を形成した後に、CrO3膜32を形成し、Arと窒素との混合ガス雰囲気中で、600℃、10秒間のアニール処理を行った。ここまでは、上記比較例3と同様であり、SiO2膜4上に成膜したCrO3膜32はSiO2膜4中にほぼ全て拡散している。その後、室温にて界面窒化を行った。即ち、SiO2膜4の表面を室温にてプラズマ窒化した。その後、HfSiON膜8を形成した。この第2変形例のnMISFETにおいては、図30(b)に示すように、SiO2膜4とHfSiO膜8との界面に、窒素と酸素欠陥との複合構造ができ、窒素濃度が高くなる。つまり、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、窒素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換された窒素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ大きいので、実効的にマイナスの固定電荷となる。これにより、界面にマイナス固定電荷が発生し、SiO2膜4中に拡散したCrによるプラス電荷と固定分極を形成する。Crだけがあっても、マイナス電荷が界面になければ、固定分極は発生しないが、界面に窒素を導入することで固定分極を形成することが可能である。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約180mV変化させることが出来る十分なものであった。
ここで、窒素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、急峻な立ち上がるピークを形成している。このように界面でピークを持っていることが重要である。
SiO2膜4内に拡散した窒素およびHfSiON膜8内での窒素は、界面でのCr−N結合に寄与しないために、固定分極には効果がない。膜内部で窒素が分布していても、Crとボンドを組んでいたとしても、方向がランダムなので、固定分極として発現しないためである。このように考えると、界面でのCr−Nを作り上げることが大切であり、その方法として、Cr添加後のSiO2膜4の表面のプラズマ窒化が有効であった。この時、一旦SiO2膜4側にCrが拡散している。そして、界面での窒素は、CrがHfSiON膜8側に再度拡散することを防ぐという効果も持っている。Crは、SiO2膜4側にも、HfSiON膜8側にも拡散し得る、中間的なイオン半径を有している。これらの物質をSiO2膜4側に集中させたい場合は、まず、SiO2膜4側に拡散させ、その後、SiO2膜4の表面を窒化して、界面で拡散をブロックする構造を作ることが有効である。
なお、第1実施形態で示したように、Taを用いたpMISFETの場合は、TaNが有効であった。これは、Taのイオン半径が大きいため、ほぼ全てのTaがHfSiON膜側に拡散すると考えられるためである。
(第3変形例)
第3実施形態の第3変形例として、第2変形例において、図31(a)に示すように、SiO2膜4をONO膜5に変更した。その他のプロセスなどは、全く同じである。Si基板/SiO2膜5a/Si3N45b/SiO2膜5c(界面窒化)/HfSiON膜の界面の中で、でCrがSiO2膜2に十分に集中することになる。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約230mV変化させた。ここで、特徴としては、Crがチャネル近傍に拡散することなく、SiO2膜5a中にはCrが殆どなかった。これは、移動劣化を抑制するという、非常に重要な効果を有する。
第3実施形態の第3変形例として、第2変形例において、図31(a)に示すように、SiO2膜4をONO膜5に変更した。その他のプロセスなどは、全く同じである。Si基板/SiO2膜5a/Si3N45b/SiO2膜5c(界面窒化)/HfSiON膜の界面の中で、でCrがSiO2膜2に十分に集中することになる。界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約230mV変化させた。ここで、特徴としては、Crがチャネル近傍に拡散することなく、SiO2膜5a中にはCrが殆どなかった。これは、移動劣化を抑制するという、非常に重要な効果を有する。
(比較例4)
比較例4として、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、La2O3膜34のみ挿入した場合のnMISFETを形成した。SiO2膜4、La2O3膜34、HfSiON膜8を連続で作成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例4のnMISFETは、図31(b)に示すように、HfSiON膜8側にLaが拡散してマイナスの電荷となり、界面の酸素欠陥がプラスの電荷となるから、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約170mV変化させた。この値は、十分なものであるが、膜を安定化させるために、O2雰囲気で、800度、30秒のPDAを施すと、シフトが殆どなくなってしまった。つまり、界面における酸素欠陥が酸素にて埋められてしまったと考えられる。La2O3膜34のみを挿入した構造は、nMISFETに用いることは可能だが、酸素欠陥が関与しているため、膜特性を良くするための、酸素中アニールは使えないことが分かる。高誘電体酸化膜中では、酸素欠陥が様々な問題を引き起こすことを考えると、酸素中アニールの出来る、構成が望ましい。
比較例4として、SiO2膜4とHfSiON膜8との積層構造の形成プロセスにおいて、La2O3膜34のみ挿入した場合のnMISFETを形成した。SiO2膜4、La2O3膜34、HfSiON膜8を連続で作成し、その後、窒素とArとの混合ガス雰囲気中で、1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この比較例4のnMISFETは、図31(b)に示すように、HfSiON膜8側にLaが拡散してマイナスの電荷となり、界面の酸素欠陥がプラスの電荷となるから、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約170mV変化させた。この値は、十分なものであるが、膜を安定化させるために、O2雰囲気で、800度、30秒のPDAを施すと、シフトが殆どなくなってしまった。つまり、界面における酸素欠陥が酸素にて埋められてしまったと考えられる。La2O3膜34のみを挿入した構造は、nMISFETに用いることは可能だが、酸素欠陥が関与しているため、膜特性を良くするための、酸素中アニールは使えないことが分かる。高誘電体酸化膜中では、酸素欠陥が様々な問題を引き起こすことを考えると、酸素中アニールの出来る、構成が望ましい。
(第4変形例)
第3実施形態の第4変形例として、上記比較例4と同様に、SiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、La2O3膜34のみ挿入した場合のnMISFETを作成した。比較例4の違いは、SiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込みによって導入した点である。HfSiON膜8を形成し、その後、窒素と酸素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この第4変形例のnMISFETは、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約200mV変化させることが出来る十分なものであった。1050℃、5秒間のアニール処理により、チャネル中のフッ素イオンの多くの部分を、SiO2膜4とHfSiO膜8との界面に集中させることができる(図31(c))。HfSiON膜8を成膜した後に施した高温の熱処理(1050℃)では、チャネル中からほぼ全てのフッ素が外方拡散して、ゲート絶縁膜4、8中に拡散する。SiO2膜4とHfSiO膜8との界面において、フッ素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換されたフッ素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ小さいので、実効的にプラスの固定電荷となる。これにより、酸素欠陥が足りなくても、プラス電荷が確保できることになる。つまり、酸素中アニールを行っても、シフトを確保できることになる。比較例4のように、酸素欠陥がなくなることで、シフトがなくなってしまうということはない。酸素中アニールにより、高誘電体膜中の無用な酸素欠陥を無くすことができ、膜特性の向上が可能である。
第3実施形態の第4変形例として、上記比較例4と同様に、SiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造の形成プロセスにおいて、La2O3膜34のみ挿入した場合のnMISFETを作成した。比較例4の違いは、SiO2膜4とHfSiON膜8の積層構造を形成する前に、チャネルにフッ素イオンをイオン打ち込みによって導入した点である。HfSiON膜8を形成し、その後、窒素と酸素とArとの混合ガス雰囲気中で1050℃、5秒間のアニール処理を施した。この第4変形例のnMISFETは、界面で生じる固定分極は、フラットバンド電圧を約200mV変化させることが出来る十分なものであった。1050℃、5秒間のアニール処理により、チャネル中のフッ素イオンの多くの部分を、SiO2膜4とHfSiO膜8との界面に集中させることができる(図31(c))。HfSiON膜8を成膜した後に施した高温の熱処理(1050℃)では、チャネル中からほぼ全てのフッ素が外方拡散して、ゲート絶縁膜4、8中に拡散する。SiO2膜4とHfSiO膜8との界面において、フッ素は非常に安定であるので、酸素と置換され、固定される。この時、置換されたフッ素は、酸素に比較して、マイナス電荷が1つ小さいので、実効的にプラスの固定電荷となる。これにより、酸素欠陥が足りなくても、プラス電荷が確保できることになる。つまり、酸素中アニールを行っても、シフトを確保できることになる。比較例4のように、酸素欠陥がなくなることで、シフトがなくなってしまうということはない。酸素中アニールにより、高誘電体膜中の無用な酸素欠陥を無くすことができ、膜特性の向上が可能である。
従来、基板へのフッ素拡散を使って、閾値を制御するのは、pMISFETであり、nMISFETには用いていない。チャネルが埋め込みチャネル的な描像となり、実効仕事関数が大きくなる方向であるので、nMISFETには用いられなかった。しかし、本実施形態の第3変形例のように、高温プロセスでチャネルから追い出してしまえば、チャネルの変化による実効仕事関数変化は、無視できる。
ここで、フッ素の膜厚方向の分布をSIMSで測定すると、SiO2膜4とHfSiON膜8との界面において、急峻なピークを形成している。この界面以外では、フッ素は、外方拡散を起こし、外部へ放出されてしまう。FがSiO2膜4とHfSiON膜との界面にピークを持ち、Laは界面からHfSiON側に1.4Aの位置にピークを持っていた。FとLaのピーク面密度は同等であり、面密度は、1.4×1014cm−2であった。
フッ素導入効果
第3実施形態の第4変形例に示す構成において、フッ素を導入しないで、Laを界面に挿入したたけでは、
1)酸素アニールを施すと、シフト量が不十分になってしまうので、誘電体膜特性向上のための酸素中アニールが十分には適用できないこと、
2)SiO2膜4/HfSiON膜8との界面での酸素欠陥が寄与しているので、酸化性プロセス(酸素中アニールなど)、還元性プロセス(H2ガスを含むアニール)などに強く依存すること、という大きな問題点があった。
第3実施形態の第4変形例に示す構成において、フッ素を導入しないで、Laを界面に挿入したたけでは、
1)酸素アニールを施すと、シフト量が不十分になってしまうので、誘電体膜特性向上のための酸素中アニールが十分には適用できないこと、
2)SiO2膜4/HfSiON膜8との界面での酸素欠陥が寄与しているので、酸化性プロセス(酸素中アニールなど)、還元性プロセス(H2ガスを含むアニール)などに強く依存すること、という大きな問題点があった。
しかし、第4変形例に示したフッ化した界面では、酸素欠陥は埋められてしまう。つまり、酸素欠陥は、固定分極に一切関係していない。
低閾値を有するnMISFETを得るための添加物は、イオン半径と、価数を考えた時、以下のようにまとめられる。
nMISFETを形成するための、界面のダイポールは、SiO2膜側にプラス電荷を生じ、高誘電体側にマイナス電荷を生じる場合が基本構造である。つまり、第一に、小さいイオン半径の高価数物質であるP、As、P、Se或いは中間のイオン半径の高価数物質であるCrをSiO2膜側に分布させる。第二に、大きなイオン半径の低価数物質であるMg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Ac、Th、Zn、Cd,Hg,Ga、In、Tlを高誘電体側に分布させることを考える。これらの組合せにより、大きなダイポールが界面にでき、量を適切にすることで、十分大きなフラットバンド電圧のシフトを実現できる。
中間のイオン半径を持つ物質は、SiO2膜と高誘電体膜(HfSiON膜、HfON膜など)との界面におけるSiO2膜を窒化し、これにより、拡散を抑えると有効である。例えば、図30(b)に示す第3実施形態の第2変形例のように、CrをSiO2膜4側に拡散させ、SiO2膜の表面を強く窒化し、その上に高誘電体膜を作成することで、中間のイオン半径を持つ物質を、SiO2膜側に閉じ込めることが可能である。逆に、高誘電体側に偏らせたければ、界面を強く窒化して、その後、CrO3膜、HfSiON膜と形成し、拡散させれば、多くのCrを高誘電体膜側に拡散させることも可能である。CrO3、Al2O3、V2O5、TeO3を片側に偏らせるには、界面の窒化が有効である。
ここで、上記片側に電荷を分布させた場合も考えられる。第一の場合、即ち、小さいイオン半径の高価数物質であるP、As、S、Se、或いは中間のイオン半径の高価数物質であるCrをSiO2膜側に分布させた場合について簡単に説明する。この場合は、界面に酸素欠陥ができても、ダイポールを作ることができない。酸素欠陥はプラス電荷となるので、プラス同士となるからである。ここで、幾つかの方法が考えられる。
(1)SiO2膜側に、高価数物質を十分に分布させる。
(2)界面にNを導入して、マイナス電荷を十分に確保する。
(3)SiO2膜をONO膜として、高誘電体との界面付近に十分な高価数物質を蓄積させる
(1)SiO2膜側に、高価数物質を十分に分布させる。
(2)界面にNを導入して、マイナス電荷を十分に確保する。
(3)SiO2膜をONO膜として、高誘電体との界面付近に十分な高価数物質を蓄積させる
これらの方法を組み合わせることにより、シリコン伝導帯の端に相当する実効仕事関数をもったゲートが得られることになる。
更に、上記片側に電荷を分布させた場合の、第二の場合、即ち、大きなイオン半径の低価数物質であるMg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、ランタノイド(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)、Ac、Th、Zn、Cd,Hg,Ga、In、Tlを高誘電体膜側に分布させた場合について簡単に説明する。この場合は、界面に酸素欠陥ができ、その酸素欠陥のプラス電荷との間でダイポールを作ることが可能である。しかし、界面の酸素欠陥は不安定であり、量も多くはない。つまり、十分な特性(安定性)が得られない。ここで、幾つかの方法が考えられる。
(1)高誘電体側に、低価数物質を十分に分布させる。
(2)界面にFを導入して、プラス電荷を十分に確保する。
(1)高誘電体側に、低価数物質を十分に分布させる。
(2)界面にFを導入して、プラス電荷を十分に確保する。
これらの方法を組み合わせることにより、シリコンの伝導帯の端に相当する実効仕事関数をもったゲートが得られることになる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態によるCMISFETについて説明する。
本発明の第4実施形態によるCMISFETについて説明する。
詳細は省くが、nMISFETには従来から用いられているLa添加による閾値調整法を用いて形成し、pMISFETには、本発明の第1または第2実施形態で説明した構造を形成することで、低閾値電圧を有するCMISデバイスが作成可能である。このように、一部は、従来の構成を採用し、一部は本発明の一実施形態の構成を採用することで、非常に簡単にCMISデバイスを作成することができる。
まず、図32(a)に示すように、シリコン基板1を用意し、このシリコン基板1にpMISFETを形成するための第1素子領域およびnMISFETを形成するための第2素子領域を形成する。第1および第2素子領域は、図示しない素子分離領域によって絶縁されている半導体領域である。半導体領域は半導体基板(本実施形態ではシリコン基板1)の一部の領域であってもよいし、半導体基板に形成されたnウェル領域3Aおよびpウェル領域3Bであってもよい。
続いて、第1乃至第3実施形態と同様に、SiO2膜4をシリコン基板1の全面に成膜する。nMISFETの形成領域3Bをレジスト(図示せず)で覆う。pMISFETの形成領域3AのSiO2膜4の表面4aを室温プラズマ窒化にて、窒化する。上記レジストを除去して、シリコン基板1の全面にTaとLaの組成比が7:3の合金42を4Å成長させる。その後、シリコン基板1の全面にHfSiO膜を低温(260℃)にてCVD成長させる。その直後に、室温にて、プラズマ窒化を行い、HfSiO膜をHfSiON膜8に変える。
次に、1050℃、5秒、0.1%O2中でアニールを行った。この時、図32(b)に示すように、界面のTaLa合金42はHfSiON膜8側に拡散して、HfSiON膜8のHfを置換する。7:3の割合で界面のHfが置換さていた。更にTiN電極(図示せず)を形成した。更にその上には、ポリシリコン電極(図示せず)を形成して、コンタクトをとる構造とした。
pMISFET側では、図32(b)に示すように、N−Taにより固定分極が出現し、nMISFET側では、界面の酸素欠陥Voと、拡散したLaにより固定分極が出現している。この時、pMISFET、nMISFETともに、バンドエッジの実効仕事関数が得られ、低閾値のCMISFETが実現できた。
本実施形態においては、nMISFETの形成領域、pMISFETの形成領域の区別なく、全体にTaLa合金を導入している点が重要である。pMISFETの形成領域のみ窒化を行うプロセスを導入するだけで、nMISFET、pMISFETの作り分けを行うことが可能である。
SiO2膜の成膜、HfSiON膜の成膜など、従来の方法を用いている。特殊な成膜は全くない。、また、アニールも、従来のSiO2膜とHfSiON膜の積層膜に用いるものと同一で構わない。
一番のポイントは、イオン半径の大きさであって、最終的に、1050℃で5秒、0.1%O2中でのアニールを行っている。この段階で、半径の大きなイオンはHfSiON膜側に、半径の小さなイオンはSiO2膜側に拡散すると考えられる。あとは、本明細書中に示された適正な組み合わせを考えればよく、図33に示された組み合わせ(pMISFETとして囲ってある部分はPMISFET向けの組合せ。囲っていない部分はnMISFET向けの組合せである。以下に簡単にまとめてある。)により、十分小さな閾値電圧を持ったpMISFET、nMISFETともに実現できる。よって、十分小さな閾値電圧を持ったCMISデバイスが実現できることになる。
本実施形態では、窒化のあるなしで簡単にnMISFET、pMISFETが作り分けられる構成とするために、La−酸素欠陥という従来の構成を敢えて選んだ。しかし、nMISFETを形成するには、基板側からマイナス電荷、プラス電荷の順番に並ぶ構造、例えばY−F、N−As、Y−Asなどの別の構成も有効である。強い酸素中アニールを使うなど、「La−酸素欠陥」という構成が使い難い場合には、本発明の一実施形態で示す他の構成を使えば良い。
以上説明した第1、第2、第3、第4実施形態やその変形例によれば、シリコンのバンド端の実効仕事関数を有するMISFETが得られる。
pMISFETの低閾値構造を設計するための添加物について簡単にまとめておく。図33に示すように、SiO2膜側でマイナス電荷となる物質(B、Be、Al)、HfSiON膜などの高誘電体膜側でプラスとなる物質(V、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Te、Po)を用いる。また、界面の酸素欠陥、あるいはF(フッ素)がプラス電荷として働き、界面でのN(窒素)がマイナスとして働く。以上のプラスとマイナスをうまく組み合わせることにより、基板側にマイナス、電極側にプラスという順番に並び、固定分極となるように構成すればよい。但し、Alと酸素欠陥の組合せに関しては、シフト量が十分ではないので、それだけでは、使えないことが分かっており、工夫が必要である。本発明で示している工夫の例としては、AlとFを組合せる例、AlとTaを組み合わせる例などが示されている。本発明の第1および第2実施形態では、添加物の種類、量、位置の最適化について、示している。
同様に、nMISFETの低閾値構造を設計するための添加物について簡単にまとめておく。図33に示すように、SiO2膜側でプラス電荷となる物質(Cr、P、As、S、Se)、HfSiONなどの高誘電体膜側でマイナスとなる物質(Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、ランタノイド、Zn、Cd、Hg、Ga、In、Tl)を用いる。なお、図33には示していなが、アクチノイド系のAc、Thも高誘電体膜側でマイナスとなる物質として有効である。また、界面の酸素欠陥、あるいはFがプラス電荷として働き、界面でのNがマイナスとして働く。以上のプラスとマイナスをうまく組み合わせることにより、基板側にプラス、電極側にマイナスという順番に並び、固定分極となるように構成すればよい。但し、Laが既に有望と分かっている。ただし、Laを用いる場合、酸素欠陥との組合せで用いているので、プロセスによっては、酸素欠陥がなくなってしまう危険性もある。その場合は、本発明の第3実施形態のように、La−As、La−界面F、界面N−Asなどと組み合わせることで、「La−酸素欠陥」では出来ない場合に対処することができる。第3実施形態では、添加物の種類、量、位置の最適化について、示している。
なお、上記の各実施形態では、シリコン基板上に形成した実施形態のMISFETを形成した構成例について説明したが、シリコン基板に限定されるものではない。シリコン基板以外の基板例えば、ガラス基板上にシリコン層を形成し、各実施形態のMISFETを形成することも可能である。或いは、本発明の一実施形態の考え方を、直接、Ge基板、GaAs基板など化合物半導体基板の全ての半導体基板に適用することが可能である。その場合は、バンド端位置が変わるので、最適な実効仕事関数も、それに合わせて変化させればよい。Ge基板、GaAS基板などの化合物半導体基板の場合、Si基板の場合と同じようにすれば、MISFETを作成することが出来る。違いは、最適な仕事関数の値がずれるだけである。例えば、Ge基板の場合、nMISFET向けには4.0eVが最適値であり、pMISFET向けには、4.66eVが最適値となる。各基板に対し、本発明の一実施形態で説明した方法により適当量のダイポールを形成してやればよい。
また、上記の各実施形態では、ソースおよびドレイン領域を、p型またはn型の不純物が導入された不純物領域で形成したMISFETであったが、ソースおよびドレイン領域を、p型半導体基板またはn型半導体基板と直接接触する金属層で形成したMISFET、すなわちショットキー型MISFETであってもよい。
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、低閾値動作が可能なMISトランジスタを得ることができる。
1 シリコン基板
2 n型シリコン基板
2A p型シリコン基板
4 SiO2膜
6 金属、金属酸化物の堆積
6a Al2O3膜
6b Ta2O5膜
7 界面領域
8 高誘電体膜(HfSiON膜)
10 ゲート電極
12a ソース領域
12b ドレイン領域
2 n型シリコン基板
2A p型シリコン基板
4 SiO2膜
6 金属、金属酸化物の堆積
6a Al2O3膜
6b Ta2O5膜
7 界面領域
8 高誘電体膜(HfSiON膜)
10 ゲート電極
12a ソース領域
12b ドレイン領域
Claims (19)
- n型半導体領域と、
前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、Bから選ばれた少なくとも1つの第1添加物質が導入されており、前記第1添加物質の面密度が、前記界面領域内の前記第1絶縁膜側においてピークを有していることを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 前記第1添加物質の面密度の前記ピークは、前記界面から1.4Å未満の距離に位置することを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。
- 前記第1添加物質の前記ピークにおける面密度を[A1]とし、
前記第1添加物質がBeの時は、k1=2として、
前記第1添加物質がBの時は、k1=1とする時、
1.4×1014≦[A1]×k1≦4.1×1014cm−2
であることを特徴とする請求項1または2記載の電界効果トランジスタ。 - n型半導体領域と、
前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、B、Alから選ばれた少なくとも1つの第2添加物質と、フッ素とが導入されており、
前記フッ素の面密度が前記界面領域においてピークを有し、かつ前記第2添加物質の面密度が前記界面領域内の前記第1絶縁膜側においてピークを有するとともにこのピークの位置が前記フッ素の面密度のピーク位置よりも前記半導体基板側にあることを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 前記第1絶縁膜中に導入された前記第2添加物質の面密度のピークは、前記界面から1.4Å未満の距離に位置することを特徴とする請求項4記載の電界効果トランジスタ。
- 前記第2添加物質の前記ピークにおける面密度を[A2]とし、
前記第2添加物質がBeの時は、k2=2として、
前記第2添加物質がB、Alの時は、k2=1とする時、
1.4×1014≦[A1]×k2≦4.1×1014cm−2
であることを特徴とする請求項4または5記載の電界効果トランジスタ。 - 前記フッ素の前記界面領域における添加面密度のピーク値を[F]とした時、
|[A2]×k2―[F]|≦1.7×1013
を満たすことを特徴とする請求項6記載の電界効果トランジスタ。 - n型半導体領域と、
前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、V、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Te、Poから選ばれる少なくとも1つの第3添加物質と、窒素とが導入されており、
前記窒素の面密度が前記界面領域においてピークを有し、かつ前記第3添加物質の面密度が、前記界面領域内の前記第2絶縁膜側においてピークを有するとともにこのピークの位置が前記窒素の面密度のピーク位置よりも前記ゲート電極側にあることを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 前記第3添加物質の面密度の前記ピークは、前記界面位置から7Å以下の距離に位置し、
前記第3添加物質の前記ピークにおける面密度を[A3]とし、
前記第3添加物質がMo、W、Te、Poの時は、k3=2として、
前記第3添加物質がV、Nb、Ta、Sb、Biの時は、k2=1とする時
0.48×1014≦[A3]×k3≦1.3×1015cm−2
を満たすことを特徴とする請求項8記載の電界効果トランジスタ。 - 前記界面領域における前記窒素の面密度のピーク値を[N]とした時、
|[A3]×k3―[N]|≦0.8×1013cm−2
を満たすことを特徴とする請求項9記載の電界効果トランジスタ。 - 前記第3添加物質の面密度の前記ピークは、前記界面から3.2Å以下の距離に位置し、
前記第3添加物質の前記ピークにおける面密度を[A3]とし、
前記第3添加物質がMo、W、Te、Poの時は、k3=2として、
前記第3添加物質がV、Nb、Ta、Sb、Biの時は、k3=1とする時、
2.4×1014≦[A3]×k3≦1.3×1015cm−2
を満たすことを特徴とする請求項8記載の電界効果トランジスタ。 - 前記界面領域における前記窒素の面密度のピーク値を[N]とした時、
|[A3]×k3―[N]|≦4.0×1013cm−2
を満たすことを特徴とする請求項11記載の電界効果トランジスタ。 - n型半導体領域と、
前記半導体領域に離間して形成されたソースおよびドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に形成され、シリコンと酸素を含む第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Tiから選ばれた少なくとも1つの物質と酸素を含む第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に、Be、B、Alから選ばれる少なくとも1つの第2添加物質が導入されるとともにV、Nb、Ta、Mo、W、Sb、Bi、Te、Poから選ばれる少なくとも1つの第3添加物質が導入されており、
前記第2添加物質の面密度が前記界面領域内の第1絶縁膜側にピークを有し、前記第3添加物質の面密度が前記界面領域内の第2絶縁膜側にピークを有することを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 前記第2添加物質の面密度の前記ピークは、前記界面から1.4Å未満の距離に位置し、
前記第3添加物質の面密度の前記ピークは、前記界面から3.2Å以下の距離に位置することを特徴とする請求項13記載の電界効果トランジスタ。 - 前記第2添加物質の前記ピークにおける面密度を[A2]とし、前記第3添加物質の前記ピークにおける面密度を[A3]とし、
前記第2添加物質がBeの時は、k2=2として、
前記第2添加物質がB、Alの時は、k2=1として、
前記第3添加物質がMo、W、Te、Poの時は、k3=2として、
前記第3添加物質がV、Nb、Ta、Sb、Biの時は、k3=1とする時、
1.0×1014≦[A2]×k2≦3.0×1014cm−2
1.0×1014≦[A3]×k3≦3.0×1014cm−2であり、
|[A2]×k2−[A3]×k3|≦1.2×1013cm−2
を満たすことを特徴とする請求項13または14記載の電界効果トランジスタ。 - 前記第1絶縁膜は、窒素を含むことを特徴とする請求項1乃至15のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
- 前記第1絶縁膜は、SiO2膜/Si3N4膜/SiO2膜の積層膜を含むことを特徴とする請求項16記載の電界効果トランジスタ。
- n型半導体領域に、離間されたソースおよびドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に金属原子を含む物質を堆積して、前記金属原子を含む物質からなる島状核を形成する工程と、
前記島状核を覆うように第2絶縁膜を形成する工程と、
前記金属原子を含む物質が、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との界面を含む界面領域に拡散して、前記第1絶縁膜或いは前記第2絶縁膜を構成する物質と置換する工程と、
を備えていることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。 - 前記金属原子を含む物質は、前記金属原子の単体金属、前記金属原子を含む酸化物、および前記金属原子を含む合金のいずれかであることを特徴とする請求項18記載の電界効果トランジスタの製造方法。
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JP2008246183A JP2010080617A (ja) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | 電界効果トランジスタおよびその製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011228429A (ja) * | 2010-04-19 | 2011-11-10 | Toshiba Corp | 電界効果トランジスタおよびその製造方法 |
JP2012083752A (ja) * | 2010-10-06 | 2012-04-26 | Xerox Corp | レンチキュラー印刷用の印刷微小凸レンズ |
JP2012124490A (ja) * | 2010-12-07 | 2012-06-28 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
JP2012199526A (ja) * | 2011-03-04 | 2012-10-18 | Semiconductor Energy Lab Co Ltd | 半導体装置 |
JP2016181673A (ja) * | 2015-03-24 | 2016-10-13 | 株式会社東芝 | 半導体装置、インバータ回路、駆動装置、車両及び、昇降機 |
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-
2008
- 2008-09-25 JP JP2008246183A patent/JP2010080617A/ja active Pending
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