JP2015135841A

JP2015135841A - 酸化アルミニウム薄膜の形成方法

Info

Publication number: JP2015135841A
Application number: JP2014005611A
Authority: JP
Inventors: アミンエルムチョーキル; Moutaouakil Amine El; 松崎　秀昭; Hideaki Matsuzaki; 秀昭松崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-07-27
Anticipated expiration: 2034-01-16
Also published as: JP6039591B2

Abstract

【課題】ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面に、高い絶縁性を備えた状態でより薄い酸化アルミニウム薄膜が形成できるようにする。【解決手段】ステップＳ１０１で、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層１０１を形成する。ステップＳ１０２で、半導体層１０１の表面を酸化することで、半導体層１０１の表面に酸化層１０５を形成する（第１工程）。ステップＳ１０３で、酸化層１０５を加熱するとともに酸化層１０５の表面を酸素プラズマ１２１で処理することで、酸化層１０５に含まれているＩｎ2Ｏ3を分解して完全に除去する（第２工程）。ステップＳ１０４で、酸化層１０５を加熱するとともに酸化層１０５の表面を酸素プラズマ１２１で処理することで酸化層１０５に含まれているＡｓ2Ｏ3を分解して完全に除去し、酸化層１０５がＡｌ2Ｏ3１０６から構成された状態とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面に、酸化アルミニウム薄膜を形成する酸化アルミニウム薄膜の形成方法に関する。

近年、更なる高速動作および省電力などのために、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）などの半導体装置では、更なる微細化が進められている。このような微細化を実現するための技術の１つに、ゲート絶縁層などの絶縁層の薄層化がある。しかしながら、絶縁層の薄層化は、リーク電流の増大を招くという問題がある。これに対し、従来より一般的に用いられているシリコン系の絶縁材料に代わり、より高い誘電率を有する酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）から絶縁層を構成し、薄層化をすることなく、微細化を実現する技術が開発されている。

例えば、ＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物から構成された電界効果型トランジスタにおいて、ＩｎＡｌＡｓからなる障壁層の上に、Ａｌ₂Ｏ₃からなる絶縁層を介してゲート電極を形成する技術が提案されている。このようなＡｌ₂Ｏ₃薄膜の形成技術として、原子層成長（Atomic Layer Deposition；ＡＬＤ）法が知られている。ＡＬＤ法は、原料となる有機化合物の１分子層を形成対象の表面に吸着させることによる成膜方法であり、非常に薄い層を形成することが可能である。例えば、数ナノメートル〜１０ナノメートルの厚さのＡｌ₂Ｏ₃薄膜が、実現されている（非特許文献１参照）。

S. M. George, "Atomic Layer Deposition: An Overview", Chem. Rev. , vol.110, pp.111-113, 2010. Y. H. Wang and K. W. Lee, "Selective Oxidation on High-Indium-Content InAlAs/InGaAs Metamorphic High-Electron-Mobility Transistors", Semiconductor Technologies, Jan Grym (Ed.), ISBN: 978-953-307-080-3, InTech, DOI: 10.5772/8571, 2010.

しかしながら、ＡＬＤ法では、形成したＡｌ₂Ｏ₃薄膜と半導体層との界面品質を良好なものとするために、Ａｌ₂Ｏ₃薄膜の成膜の前後に、洗浄やアニール処理が必要になることが知られており、手間を要するという問題があった。

また、ＡＬＤ法で１０ｎｍ以下の膜厚に形成した場合、膜質が充分でないことに起因してリーク電流が増大し、ゲート特性を劣化させてしまう。このため、ＡＬＤ法で形成した１０ｎｍより薄いＡｌ₂Ｏ₃薄膜は、絶縁層として用いることが事実上困難であり、充分な微細化の要求を満たせないという問題があった。

上述したＡＬＤ法の他に、液相酸化（Liquid Phase Oxidation；ＬＰＯ）法による選択的酸化を用いたＡｌ₂Ｏ₃薄膜の形成技術がある（非特許文献２参照）。液相酸化法では、アンモニア水などでｐＨを調整した硝酸カリウム溶液を、対象となる基板や半導体層に接触させて酸化している。しかしながら、この技術では、ＩｎＡｌＡｓの表面に、Ａｌ₂Ｏ₃と同時に、Ａｓ₂Ｏ₃およびｎ型半導体のＩｎ₂Ｏ₃も形成されてしまう。このため、高い絶縁性が要求される絶縁層として充分な膜質を得ることができないという問題があった。これらのように、従来の技術では、半導体装置の微細化の要求に対し、ＩｎＡｌＡｓ層の表面には充分な薄さのＡｌ₂Ｏ₃薄膜が形成できないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面に、高い絶縁性を備えた状態でより薄い酸化アルミニウム薄膜が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る酸化アルミニウム薄膜の形成方法は、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面を酸化することで、半導体層の表面に酸化アルミニウムを含んで構成された酸化層を形成する第１工程と、酸化層を加熱するとともに酸化層の表面を酸素プラズマで処理することで酸化層に含まれている酸化インジウムを分解して除去する第２工程と、酸化層に含まれている酸化インジウムを分解して除去した後、酸化層を加熱するとともに酸化層の表面を酸素プラズマで処理することで酸化層に含まれている酸化ヒ素を分解して除去し、半導体層の表面に酸化アルミニウム薄膜を形成する第３工程とを備え、第２工程では、酸化ヒ素が分解しない範囲の温度で酸化層を加熱し、第３工程では、酸化アルミニウムが分解しない範囲の温度で酸化層を加熱する。

上記酸化アルミニウム薄膜の形成方法において、第１工程では、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層を加熱するとともに半導体層の表面を酸素プラズマで処理することで、半導体層の表面に酸化層を形成すればよい。

上記酸化アルミニウム薄膜の形成方法において、第１工程では、液相酸化法により半導体層の表面に酸化層を形成するようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面に、高い絶縁性を備えた状態でより薄い酸化アルミニウム薄膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における酸化アルミニウム薄膜の形成方法を説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における酸化アルミニウム薄膜の形成方法を説明するための説明図である。

まず、ステップＳ１０１で、図１の（ａ）に示すように、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層１０１を形成する。半導体層１０１の表面には、アルミニウム（Ａｌ）１０２，インジウム（Ｉｎ）１０３，ヒ素（Ａｓ）１０４が存在している。半導体層１０１は、例えば、ＩｎＰ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成する電界効果トランジスタを構成する障壁層である。

次に、ステップＳ１０２で、半導体層１０１の表面を酸化することで、図１の（ｂ）に示すように、半導体層１０１の表面に酸化層１０５を形成する（第１工程）。例えば、半導体層１０１を加熱するとともに半導体層１０１の表面を酸素プラズマ１２１で処理することで、半導体層１０１の表面に酸化層１０５を形成すればよい。例えば、所定のプラズマ処理装置内で、基板加熱機構などにより酸化層１０５を４００〜５００℃程度に加熱した状態で、酸素プラズマ１２１を照射すればよい。酸化層１０５は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）１０６を含み、この時点では、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）１０７，酸化ヒ素（Ａｓ₂Ｏ₃）１０８も含まれている。酸化層１０５の形成では、拡散化物が分解しない範囲の温度条件とする。

次に、ステップＳ１０３で、酸化層１０５を加熱するとともに酸化層１０５の表面を酸素プラズマ１２１で処理することで、図１の（ｃ）に示すように、酸化層１０５に含まれているＩｎ₂Ｏ₃を分解して完全に除去する（第２工程）。ここでは、Ａｓ₂Ｏ₃が分解しない範囲の温度で酸化層１０５を加熱してＩｎ₂Ｏ₃を分解する。Ｉｎ₂Ｏ₃は、Ａｓ₂Ｏ₃より低い温度で分解する。なお、酸化アルミニウムの分解温度は、Ａｓ₂Ｏ₃の分解温度より高いため、上記温度条件では、Ａｌ₂Ｏ₃も分解しない。この処理により、Ｉｎ₂Ｏ₃が分解され、Ｉｎ１０３が酸化層１０５より脱離し、酸化層１０５は、Ａｌ₂Ｏ₃１０６に加えてＡｓ₂Ｏ₃１０８が含まれたものとなる。

上述したように酸化層１０５に含まれているＩｎ₂Ｏ₃を分解して除去した後、ステップＳ１０４で、酸化層１０５を加熱するとともに酸化層１０５の表面を酸素プラズマ１２１で処理することで、酸化層１０５に含まれているＡｓ₂Ｏ₃を分解して完全に除去し、図１の（ｄ）に示すように、酸化層１０５がＡｌ₂Ｏ₃１０６から構成された状態とする。ここでは、Ａｌ₂Ｏ₃が分解しない範囲の温度で酸化層１０５を加熱する。このことにより、半導体層１０１の表面には、酸化アルミニウム薄膜である酸化層１０５が形成されることになる（第３工程）。

ここで、Ｉｎ₂Ｏ₃およびＡｓ₂Ｏ₃が共存している状態で、Ａｓ₂Ｏ₃が分解する温度にまで加熱すると、Ｉｎ₂Ｏ₃が変性して分解されない状態となる。このため、上述したように、Ａｓ₂Ｏ₃を分解する段階では、Ｉｎ₂Ｏ₃が除去されていることが重要となる。

以上に説明したように、本発明では、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面を酸化した後、まずＩｎ₂Ｏ₃を分解除去し、次いで、Ａｓ₂Ｏ₃を分解除去して酸化アルミニウム薄膜を形成するようにしたので、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面に、高い絶縁性を備えた状態でより薄い酸化アルミニウム薄膜が形成できるようになる。例えば、１０ｎｍ〜１ｎｍ以下の層厚で、リーク電流の少ない高品質な酸化アルミニウム薄膜が形成できる。

また、本発明により形成した酸化アルミニウム薄膜を、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜として用いると、良好な特性を持つ電界効果型トランジスタを実現することができる。電界効果型トランジスタへの適用にあたっては、本発明により形成した酸化アルミニウム薄膜上にＨｆ、Ｔａ、Ｚｒ等による酸化膜や、他の高誘電率材料，絶縁膜などを堆積した上でゲート電極を形成してもよい。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、加熱状態で酸素プラズマを作用させることで、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面を酸化するようにしたが、液相酸化法により、上記半導体層の表面に酸化層を形成してもよい。

ただし、酸素プラズマを用いて酸化層の形成を行うことで、以降のＩｎ₂Ｏ₃を分解除去、およびＡｓ₂Ｏ₃の分解除去を、同じ装置内で連続して行うことが可能となり、工程を短縮することができる。また、液体酸化法では、酸化に時間を要するが、酸素プラズマを用いて酸化層の形成を行うことで、この時間を短縮することができる。なお、いずれにおいても、本発明では、ＡＬＤ装置を用いる必要はない。

１０１…半導体層、１０２…アルミニウム（Ａｌ）、１０３…インジウム（Ｉｎ）、１０４…ヒ素（Ａｓ）、１０５…酸化層、１０６…酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、１０７…酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、１０８…酸化ヒ素（Ａｓ₂Ｏ₃）、１２１…酸素プラズマ。

Claims

ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層の表面を酸化することで、前記半導体層の表面に酸化アルミニウムを含んで構成された酸化層を形成する第１工程と、
前記酸化層を加熱するとともに前記酸化層の表面を酸素プラズマで処理することで前記酸化層に含まれている酸化インジウムを分解して除去する第２工程と、
前記酸化層に含まれている酸化インジウムを分解して除去した後、前記酸化層を加熱するとともに前記酸化層の表面を酸素プラズマで処理することで前記酸化層に含まれている酸化ヒ素を分解して除去し、前記半導体層の表面に酸化アルミニウム薄膜を形成する第３工程と
を備え、
前記第２工程では、酸化ヒ素が分解しない範囲の温度で前記酸化層を加熱し、
前記第３工程では、酸化アルミニウムが分解しない範囲の温度で前記酸化層を加熱することを特徴とする酸化アルミニウム薄膜の形成方法。
請求項１記載の酸化アルミニウム薄膜の形成方法において、
前記第１工程では、ＩｎＡｌＡｓからなる半導体層を加熱するとともに前記半導体層の表面を酸素プラズマで処理することで、前記半導体層の表面に前記酸化層を形成する
ことを特徴とする酸化アルミニウム薄膜の形成方法。
請求項１記載の酸化アルミニウム薄膜の形成方法において、
前記第１工程では、液相酸化法により前記半導体層の表面に前記酸化層を形成する
ことを特徴とする酸化アルミニウム薄膜の形成方法。