JP3845616B2 - Field effect transistor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造の電界効果トランジスタ(FET:Field-Effect-Transistor)及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタは、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)型FETの微細度を高めることにより性能向上を果たしてきたが、製造プロセスが進化するにつれて微細度の追求による性能向上に陰りが見え始めている。トランジスタの微細化とは、ゲート絶縁膜の膜厚や、ゲート長等のMOSFETの各部分を長さ方向と横方向のサイズを同時に縮小することであるが、そのサイズが原子サイズに近づいている為に微細化の効果に限界が見え始めているのである。
【0003】
例えば、従来から用いられているSiO2からなるゲート絶縁膜では、2nm以下の膜厚領域になると直接トンネル電流が流れ始めるため、ゲートリーク電流の抑制ができず消費電力の増加等の問題を回避できない。このため、SiO2よりも誘電率が高い材料(高誘電体)をゲート絶縁膜に用いて、SiO2換算膜厚(以下、EOT(Equivalent Oxide Thickness)とも云う)を抑えつつ、物理膜厚を稼いでリーク電流を抑えることが必要となる。
【0004】
しかしながら、高誘電体ゲート絶縁膜を用いた場合にはSiO2の場合に比べ、界面準位密度の増加や高誘電体膜中の不純物散乱により、キャリア移動度が低下してトランジスタの特性が劣化してしまうという大きな問題点がある。このようなキャリア移動度の低下を補うため、チャネル層に歪Siを用いるトランジスタの開発が進められている。
【0005】
歪Siトランジスタは、Siの結晶格子が、接している別の結晶の格子間隔に影響されて歪む効果を利用して、チャネル層のキャリア移動度を高めるものである。シリコン・ゲルマニウム(SiGe)層の上に、トランジスタのキャリア移動通路であるチャネル層となるシリコン結晶を形成させることで、SiGe層に接したチャネル層のSi結晶が歪み、より高いキャリア移動度が実現できる。しかし、その基板となるSGOI(SiGe on Insulator)基板を作るにはSOI(Si on Insulator)基板上にSiGeを堆積した後、SiGeを酸化し、酸化によりGeを濃縮した後に酸化膜を剥離、その上にSiをエピタキシャル成長させる、という複雑な工程を経る必要がある(例えば、非特許文献1参照)。また、チャネル層に引張性の内部応力や格子歪みを与えてトランジスタの移動度の向上を図るために、SiGeを用いて歪みSiを製造する他の方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
このように、FET形成工程が煩雑化・複雑化するためにプロセスの歩留まりが低下しコスト上昇等の問題を引き起こすことが予想される。さらに、歪みSi層の薄膜化に伴い、SiGe層から拡散したGeによる散乱の効果が顕著になり、キャリア移動度が劣化するといった問題も抱えている。
【0007】
なお、チャネル層に引張性の内部応力や格子歪みを与えてトランジスタの移動度の向上を図るために、チャネル層下部に設けられるアンダーコート絶縁膜や、ゲート絶縁膜の材料として酸化シリコン、窒化シリコンを用いることが知られている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
また、チャネル層上にSiO2などのアモルファス層が形成されることなく、Si基板に直接接合した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させて極薄のゲート絶縁膜を実現することができることが知られている(例えば、非特許文献2参照)。しかし、この非特許文献2にはチャネル層が歪みSiとなっていることは記載されていない。
【0009】
【非特許文献1】
T. Mizuno et al., IEDM, p.934(1999)
【非特許文献2】
Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480(2002)
【特許文献1】
特開2001−284558公報
【特許文献2】
特開2002−176061公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、微細度の追求によるトランジスタ性能向上に陰りが見え始めている現在、歪Siトランジスタのようにトランジスタ構造自体に新しい工夫を導入することが必要となる。
【0011】
しかし従来型のSGOI基板を用いた方法では、FET形成工程が煩雑化・複雑化するために歩留まりが低下しコスト上昇等の問題を引き起こすことが予想され、さらに、歪みSi層の薄膜化に伴い、SiGe層から拡散したGeによる散乱の効果が顕著になり、キャリア移動度が劣化するといった問題も抱えていた。
【0012】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることのできる電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の様態による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、このチャネル領域上に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる金属酸化物層を少なくとも含むゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域とを備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0014】
また、本発明の第2の態様による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、前記基板と前記チャネル領域の間に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる金属酸化物層を少なくとも含む絶縁膜と、前記チャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、を備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0015】
なお、前記金属酸化物層は、少なくとも一種類以上の希土類元素を含む希土類酸化物から構成されていても良い。
【0016】
なお、前記金属酸化物層は、Ce、Dy、Y、Gd、La、Prのいずれか一種類以上の金属元素を含んでいても良い。
【0017】
なお、前記金属酸化物層は、金属と酸素の組成比が化学量論比よりも少なくても良い。
【0018】
なお、前記金属酸化物層の格子間隔は、金属と酸素の組成比が化学量論比であるときの格子間隔と異なっていても良い。
【0019】
なお、前記金属酸化物層と前記チャネル領域との間に結晶質の岩塩構造金属酸化物が設けられていても良い。
【0020】
なお、前記岩塩構造金属酸化物は、Mg、Ca、Sr、Baのいずれか一種類以上の金属元素を含んでいても良い。
【0021】
また、本発明の第3の態様による電界効果トランジスタは、基板に形成される半導体領域と、この半導体領域に形成される第1導電型のチャネル領域と、前記基板と前記チャネル領域の間に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる第1の金属酸化物層を少なくとも含む第1の絶縁膜と、前記チャネル領域上に形成され前記基板と格子間隔が異なる結晶質からなる第2の金属酸化物層を少なくとも含むゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、このゲート電極の両側の前記半導体領域に形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、を備え、前記基板の少なくともチャネル領域の格子間隔が変調していることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の第4の態様による電界効果トランジスタの製造方法は、基板上に結晶質の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜を形成し、前記金属酸化物中の酸素組成比を化学量論比から減じる工程と、前記絶縁膜上にゲート電極及びこのゲート電極の各側の前記基板にソース・ドレイン領域をそれぞれ形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする。
【0023】
なお、前記酸素組成比を化学量論比から減じる工程は、前記絶縁膜に、熱処理、レーザー照射、電子線照射、および電磁波照射の少なくとも一つを行うことが好ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【0025】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるMISFETの断面構成を図1に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の表面にチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上には結晶性の金属酸化膜を少なくとも含むゲート絶縁膜7が形成されている。ゲート絶縁膜7を構成する金属酸化膜の格子間隔がSiとは異なるため、チャネル領域5におけるSiはゲート絶縁膜7から応力をうけ、歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。つまり、本実施形態においては、チャネル領域5におけるSiの格子間隔は半導体基板1におけるSiの格子間隔と異なるように構成されている。ここで、nチャネルMISFETの場合には、金属酸化膜の格子定数をSiより大きくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を引っ張り応力により広げる。これにより、チャネル層5における電子の移動度を高めることが可能となる。一方、pチャネルMISFETの場合には、金属酸化膜の格子定数をSiより大きく、または小さくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を、引っ張り応力、または圧縮応力により変化させる。これにより、チャネル層5における正孔の移動度を高めることが可能となる。
【0026】
次に、本実施形態によるMISFETの製造方法を、nチャネルMISFETを例にとって図2および図3を参照して説明する。
【0027】
まず、図2(a)に示すように、(001)面方位を持つシリコン基板1上に素子分離領域2を形成した後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとなる領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行い、チャネル領域5のSi表面を水素で終端化する。
【0028】
次に、このシリコン基板1を電子ビーム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、Pr6O11を蒸着源として用いて金属酸化物Pr2O3を5nm蒸着し、金属酸化膜7aを形成する(図2(b)参照)。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Pr2O3からなる金属酸化膜7aの配向性を高め結晶性を向上させた。またこのとき、チャネル層5の表面のSiが酸化されて、チャネル層5とPr2O3からなる金属酸化膜7aの間には、膜厚0.5nmのSiO2層7bが形成された。つまり、絶縁膜7は、膜厚0.5nmのSiO2層7bと膜厚5nmのPr2O3層7aからなる積層構造となっている(図2(b)参照)。
【0029】
X線回折評価より、Pr2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.52Åである(Siに対して格子定数は1.7%大きい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Pr2O3層7aは(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0030】
次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図2(c)参照)。
【0031】
続いて、図3(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極7をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物を導入したソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0032】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図3(b)参照)。続いて、図3(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、nチャネルMISFETが完成する。
【0033】
次に、図2および図3に示した構造を持つnチャネルMISFETのゲート絶縁膜の特性について詳細に述べる。通常、絶縁膜として用いる金属酸化物が結晶質のものであっても、その格子定数がチャネル層5のSiに影響を与えることはない。しかし、今回、我々は面方位(001)に強く配向し、結晶性が高いPr2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに引っ張り応力が加わり、格子定数が変化することを見出した。
【0034】
図4は、図2乃至図3に示した構造を持つnチャネルMISFETにおける絶縁膜7とチャネル領域5の拡大図であり、Pr2O3層7a、SiO2層7b、およびチャネル領域5における断面構造を示す模式図である。図5は透過型電子顕微鏡(以下、TEM(Transparent Electron Microscope))を用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図4に示しように、Pr2O3層7a、SiO2層7bとシリコン基板の界面近傍のSi、界面から50nm離れたシリコン基板のSi、および上記界面から250nm離れた半導体基板1のSiである。上記界面から250nm離れたSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。図5から分かるようにPr2O3層7aの格子定数は、上記界面から250nm離れたSi層に比べて+1.7%増加しているが、この結果は、X線回折から得られる金属酸化物Pr2O3の格子定数の値に一致する。さらに、このPr2O3層7aに引っ張られる形で界面でのSiが歪んでおり、格子定数の変化は+0.5%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が+0.4%大きくなっている。
【0035】
この結果から、Siと格子間隔が異なり、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜7とすることにより、チャネル領域5のSi層の格子間隔を変化させることができることが示された。結晶性を高めることにより金属酸化物の弾性定数が大きくなる、つまり、定性的に考えると結晶が硬くなっているものと考えられる。このため、金属酸化物の格子定数が、Siに対して大きく影響を与え、界面から50nmの深さにおいても格子変形が起こるものと考えられる。
【0036】
次に、本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のPr2O3層を含むゲート絶縁膜7を有するトランジスタと、比較例としてアモルファスであるSiONをゲート絶縁膜として有するトランジスタとを製作し、本実施形態と比較例との特性を比較した。図6は、共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmである、SiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例のトランジスタと、Pr2O3/SiO2積層構造からなる絶縁膜を有する本実施形態のトランジスタのId−Vg特性を示したものである。
【0037】
SiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例のnチャネルMISFETにおけるSファクターは92mV/decadeであり、この値は、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のnチャネルMOSFETに比較してかなり劣化している。これは、チャネル領域との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0038】
一方、Pr2O3層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態のnチャネルMISFETのSファクターは75mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかる。また、電流駆動力も本実施形態は比較例に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に引っ張り歪みが加わることにより電子の移動度が向上したことと、さらに、チャネル層との界面にSiO2が存在することで界面準位密度が低減できたことによる。
【0039】
以上、説明したように、本実施形態によれば、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることでチャネル領域のSiに引っ張り応力を与えることができ、電子移動度を高めることによりトランジスタ特性の大幅な改善が可能となる。また、歪みSiを発生させるためにSOI上にSiGeを堆積、その後、酸化してGeを濃縮、その上にSiをエピタキシャル成長させる、といった複雑な工程を経る必要がない。このため、基板として、従来通りのSi基板もしくはSOI基板を用いることが出来、大幅なコストダウンが可能である。
【0040】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態によるpチャネルMISFETについて説明する。この実施形態によるpチャネルMISFETは、図1に示す第1実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、チャネル層5のSiに圧縮応力を加えるために、Siより格子定数の小さい金属酸化膜、例えば、Dy2O3を用いている。作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同じように行う。チャネル層5は、砒素元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。Dy2O3金属酸化膜7aは、電子ビーム蒸着法を用いて形成した。Dy2O3を蒸着源として用いて金属酸化物Dy2O3を5nm蒸着し、Dy2O3からなる金属酸化膜7aを形成する。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Dy2O3の配向性を高め結晶性を向上させた。また、チャネル層5表面のSiが酸化されて、チャネル層5とDy2O3からなる金属酸化膜7aとの間には、膜厚が0.5nmのSiO2層7bが形成されている。つまり、絶縁膜7は、膜厚が0.5nmのSiO2層7bと膜厚が5nmのDy2O3層7aからなる積層構造となっている。
【0041】
X線回折評価より、Dy2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Dy2O3層は面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。また、電子線回折を用いた格子定数評価の結果、面方位(001)に強く配向し、結晶性が高いDy2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなることが確認された。Dy2O3層7aの格子定数の変化は−1.8%であり、このDy2O3層7aに付随して界面におけるSiが歪んでおり、格子定数の変化は−0.5%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.4%変化していた。この結果から、Siより格子間隔が小さく、且つ結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜とすることにより、チャネル領域のSi層の格子間隔を小さくできることが示された。
【0042】
本実施形態によるDy2O3層7aを含むゲート絶縁膜7を有するトランジスタと、比較例としてアモルファスであるSiONからなるゲート絶縁膜を有するトランジスタとを製作し、本実施形態と比較例の特性を比較した。共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmのSiONからなるゲート絶縁膜を有する比較例によるpチャネルMISFETと、Dy2O3/SiO2積層構造からなるゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したところ、SiONゲート絶縁膜を有する比較例におけるSファクターは、120mV/decadeであり、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のpチャネルMOSFETに比較してかなり劣化していた。これは、チャネル層との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0043】
一方、Dy2O3層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのSファクターは100mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかった。また、本実施形態は、電流駆動力も比較例に比べ向上していることが確認された。これは、チャネル層のSi層に圧縮応力が加わることにより正孔の移動度が向上したことと、さらに、チャネル層との界面にSiO2が存在することで界面準位密度が低減できたことによる。
【0044】
以上のように、本実施形態によれば、pチャネルMISFETにおいても、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、トランジスタ特性の大幅な改善が可能となる。
【0045】
第1または第2実施形態では、結晶性の金属酸化物としてPr2O3またはDy2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることが確認された。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、電子ビーム蒸着法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、分子線エピタキシー(MBE)法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0046】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させ得るからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることが確認された。
【0047】
上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。
【0048】
一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いれば良い。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から―1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0049】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態によるnチャネルMISFETについて説明する。
【0050】
本実施形態によるnチャネルMISFETは、図1に示す第1実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiに引っ張り応力を加えるために、酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物、例えば、Ce酸化物を用いる。本実施形態におけるnチャネルMISFETの作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同様である。基板としては、(111)面方位を持つSiを用い、チャネル領域は、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。Ce酸化物はMBE法を用いて形成する。チャネル領域のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、この基板をMBE装置に導入する。基板温度を例えば700℃とし、金属Ceを蒸発源として用いてCeを0.6モノレイヤ蒸着した後、オゾンO3または酸素ガスを供給して、Ce酸化物からなる絶縁膜を5nmの厚さで成膜する。成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrとした。このような成膜方法を用いることにより、界面にSiO2などのアモルファス層が形成されること無く、Siに直接接合し、面方位(111)方向に配向した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させることができる。この方法を用いて極薄ゲート絶縁膜を実現できることを、本発明者らはすでに報告している(Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480(2002))。なお、この文献には、Siが歪むことは記載されておらず、その後の本発明者の知見によってSiが歪むことが明らかになった。
【0051】
次に、第3実施形態によるnチャネルMISFETのゲート絶縁膜の特性について詳細に述べる。図7は、Ce酸化物からなるゲート絶縁膜8とチャネル領域の拡大図であり、Ce酸化物層8とシリコンからなるチャネル領域5の断面構造の模式図である。図8は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図7に示しように、Ce酸化物からなるゲート絶縁膜8、Ce酸化物/Si界面近傍のSi、上記界面から50nm離れたSi、および上記界面から250nm離れたSiである。上記界面から250nm離れたSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。Ce酸化物の格子定数はSiよりも+0.8%程度大きくなっている。さらに、それに付随して界面におけるSiは+0.75%歪んでいる。さらに、界面から50nm離れたSiにおいても格子定数は変化しており、+0.65%と大きな値であることがわかった。CeO2はSiに直接接合しており、格子定数の違いがより直接的にSi層に影響を及ぼすため、Si層は大きく歪み、格子定数の変化はCeO2層8とほぼ同じ程度まで大きくなっていることがわかる。
【0052】
バルクのCe酸化物であるCeO2の格子定数は5.411Åと報告されている。つまり、Siの格子定数(5.430Å)に比較してCeO2の格子定数は小さいはずである。しかし、本発明者らの実験結果はこれまでのCeO2の格子定数の報告値とは全く逆の傾向であり、図8に示すようにCe酸化物の格子定数はSiよりも大きいことがわかった。これらの原因について、詳細に検討を行った結果、Ce酸化物中の酸素組成比が変化することにより、格子定数が変化するという新たな知見を得た。
【0053】
図9にCe酸化物(CeOx)における酸素組成比と格子定数の関係を示す。酸素組成比はエネルギー分散蛍光X線法(EDX)により測定した。酸素組成比が化学量論比(x=2.0)のときの格子定数は5.411Åであり、これまでのCe酸化物(CeO2)の格子定数の報告値と一致する。一方、酸素組成比が化学量論比より小さくなり、x<2.0の場合には格子定数が大きくなることがわかった。このように、Ce酸化物の格子定数が酸素組成比により大きく変化するのは、Ce酸化物が強いイオン結合を持つ結晶であることによると考えられる。
【0054】
図10(a)、(b)にCe酸化物における酸素欠損の模式図を示す。結晶中の格子位置の酸素が抜けることにより、抜けた酸素と結合していたCe原子の格子位置が、他の酸素との結合に引っ張られることにより元の格子位置から変位する。この結果、格子間の平均距離は大きくなり格子定数が大きくなるものと考えられる。
【0055】
本実施形態に示したCe酸化物の格子定数はSiに比べて+0.8%となっており、図9の特性グラフから酸素組成比は1.77であることがわかった。酸素組成比が減少するのは、MBE成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrと低く設定しているためである。酸素分圧を制御することによりCe酸化物の酸素組成比を変化させることができ、酸素分圧を1×10−7Torrとしたときは、酸素組成比は1.89となった。
【0056】
次に、Siと格子間隔の異なる結晶質のCe酸化膜をゲート絶縁膜として有するnチャネルMISFETと、アモルファスSiONからなるゲート絶縁膜を有するnチャネルMISFETの特性を比較した。図11は、SiO2換算膜厚(EOT)が1nmである、SiON、酸素組成比の異なるCe酸化物(CeO1.77、CeO1.89、CeO2.00)をゲート絶縁膜として有するn−チャネルMISFETのId−Vg特性を示す。
【0057】
アモルファスSiONからなるゲート絶縁膜を有するn−チャネルMISFETのSファクターは、92mV/decadeであり、SiO2からなるゲート絶縁膜を用いた通常のn−チャネルMISFETの場合より劣化している。これは、チャネル領域との界面に窒素が拡散してきており、界面準位密度が増加しているためである。
【0058】
Ce酸化物に注目すると、酸素組成比が小さくなるにつれ、Sファクターは小さくなり、さらに、電流駆動力が向上していることがわかる。酸素組成比が化学量論比であるx=2.0のときのSファクターは120mV/decadeであり、SiONの場合よりさらに劣化している。これはCe酸化物中の不純物散乱(例えば、ゲート電極からのボロンの拡散)により、電子移動度が低下しているためと考えられる。しかし、酸素組成比の減少とともにSファクターは低下し、x=1.77では61mV/decadeまで改善されている。これは、酸素組成比が小さくなるにつれCe酸化物の格子間隔が大きくなることによりチャネルのSiの格子間隔も大きくなり、電子の移動度が向上するためである。Ce酸化物中の不純物散乱による電子移動度の低下を補い、歪みの効果による電子移動度の向上のほうが大きく寄与するためであると考えられる。
【0059】
なお、結晶性の金属酸化物としてCeO2を用いた場合について述べたが、イオン結合性の高い結晶であれば同等の効果が得られる。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。
【0060】
結晶性のCe酸化物は単結晶の場合を示したが、結晶方位が配向した多結晶の場合も同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、MBE法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法法など他の成膜方法を用いてもよい。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、酸素組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることが確認された。
【0061】
なお、第1及び第2実施形態においては面方位が(001)のSi基板上に、第3実施形態においては面方位が(111)のシリコン基板上にMISFETを形成したが、面方位は(001)、(111)のいずれでもよい。また、MISFETが形成されるシリコン基板は面方位が(110)であっても良いし、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0062】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態によるpチャネルMISFETについて説明する。本実施形態によるpチャネルMISFETは、第2実施形態によるMISFETとほぼ同じ構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、結晶性の金属酸化物とチャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟んだことを特徴とする。作製方法は、図2および図3に示した方法とほぼ同様である。
【0063】
チャネル領域は、砒素元素のイオン打ち込みを行うことにより形成する。岩塩構造金属酸化物としてはSrO、金属酸化膜としてはDy2O3を用い、これら2種類の金属酸化物はMBE法で形成した。チャネル領域のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、この基板をMBE装置に導入する。基板温度を例えば300℃とし、金属Srを蒸発源として用いてSrを2原子層蒸着した後、酸素ガスを供給して、SrO層を形成する。
【0064】
次に、例えば基板温度を700℃として、金属Dyと酸素ガスを供給して、Dy2O3層を5nm形成する。成膜時における酸素分圧は1×10−7Torrとした。Si上にSrOを2原子層成膜することにより、第2の実施形態で示したようなSiO2層が形成されることなく、Dy2O3層が形成された。SrOが酸素の拡散を防ぐためである。つまり、絶縁膜は、SrO層2原子層とDy2O3層5nmからなる積層構造となっている。このような方法で形成されたDy2O3の配向性は高く、結晶性が良好であることがX線回折評価から確認された。また、Dy2O3層は面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。
【0065】
電子線回折を用いた格子定数評価の結果、チャネル層のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなること確認した。Dy2O3の格子定数の変化は−1.8%であり、界面近傍におけるSiの格子定数の変化は−0.8%であることがわかった。界面から50nm離れたSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.7%変化していた。このSiの格子定数の変化量は、SrO層を用いていない第2の実施形態に比べて、約2倍程度まで増大している。アモルファスのSiO2層が形成されないため金属酸化膜における格子間隔の相違がより直接的にSi層に加わったことと、SrOの格子定数が5.12ÅとDy2O3よりもさらに小さいために圧縮応力を加える効果がより高まったためである。ここでは、SrO層の厚さを2原子層としたが、SrO層の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましいことがわかった。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、SiO2層が発生してしまうからである。
【0066】
以上述べたようなSrO層とDy2O3層を含むゲート絶縁膜を有するトランジスタと、アモルファスであるSiONをゲート絶縁膜として有するトランジスタとの特性を比較した。共にSiO2換算膜厚(EOT)が1.5nmである、SiONからなるゲート絶縁膜と、Dy2O3/SrO積層構造からなるゲート絶縁膜をそれぞれ有するpチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したところ、SiONからなるゲート絶縁膜におけるSファクターは、120mV/decadeであり、SiO2をゲート絶縁膜として有する通常のpチャネルMOSFETのそれに比較してかなり劣化している。これは、チャネル層との界面付近に窒素が拡散し、界面準位密度が増加しているためである。
【0067】
一方、Dy2O3/SrO層を含むゲート絶縁膜を有する本実施形態によるpチャネルMISFETのSファクターは90mV/decadeであり、大幅に改善されていることがわかった。また、本実施形態は、電流駆動力もSiONの場合に比べ向上していることが確認された。これは、チャネル層のSi層により大きな圧縮応力が加わることにより正孔の移動度がさらに向上したことによる。
【0068】
以上説明したように、本実施形態によれば、岩塩構造の金属酸化物を挿入することによりSiと格子間隔が異なる金属酸化物を用いる効果がより高まることが明らかとなった。
【0069】
なお、本実施形態では、SrOを用いた場合を示したが、他の岩塩構造を持つ金属酸化物を用いてもよい。特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。
【0070】
Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、上記Si層上に形成される膜厚の大きい結晶性の金属酸化物で主に決まるので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。
【0071】
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態によるMISFETの断面構成を図12に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の中に、Siとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜3が埋設されている。半導体基板1にはチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側の半導体基板1に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上にはゲート絶縁膜7が形成されている。チャネル領域5におけるSiは、金属酸化物から応力を受けて歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。
【0072】
本実施形態によるMISFETがnチャネルMISFETの場合には、金属酸化物からなる絶縁膜3の格子定数をSiより大きくし、チャネル層5におけるSiの格子間隔を引っ張り応力により広げる。これにより、チャネル層における電子の移動度を高めることが可能となる。一方、本実施形態によるMISFETがpチャネルMISFETの場合には、金属酸化物の格子定数をSiより大きく、または、小さくし、チャネル層におけるSiの格子間隔を、引っ張り応力、または圧縮応力により変化させる。これにより、チャネル層における正孔の移動度を高めることが可能となる。
【0073】
次に、本実施形態によるnチャネルMISFETの作製方法を、図13および図14を参照にして説明する。
【0074】
まず、(001)面方位を持つシリコン基板1の表面に希フッ酸処理を行い、シリコン基板1の表面を水素で終端化する。続いて、図13(a)に示すように、このシリコン基板1をスパッタ装置に導入し、基板温度を例えば600℃とし、La2O3を蒸着源として用いてシリコン基板1上に金属酸化物La2O3を10nm蒸着し、絶縁膜3を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、La2O3の配向性を高め結晶性を向上させた。また、シリコン基板1の表面のSiが酸化されて、シリコン基板1と金属酸化物La2O3からなる絶縁膜3aの間には、膜厚が2nmのSiO2層3bが形成された。X線回折評価より、La2O3層3aは(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.70Åであり、Siに対して格子定数は5.0%大きいことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、La2O3層3aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0075】
次に、CVD法を用いて膜厚100nmのSiからなるチャネル層5を成膜する(図13(b)参照)。このとき、金属酸化物La2O3からなる絶縁膜3aとチャネル層5との間には、膜厚が1nmのSiO2層3c形成された。つまり、絶縁膜3は、膜厚2nmのSiO2層3b、膜厚10nmのLa2O3層3a、膜厚1nmのSiO2層3cからなる積層構造となっている。
【0076】
次に、チャネル層5の両側に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンの元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル層5に急峻な不純物プロファイルを形成する(図13(c)参照)。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、チャネル層5のシリコン表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化する。
【0077】
次に、熱酸化を行うことにより、SiO2からなるゲート絶縁膜7を例えば3nm成膜する。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図13(d)参照)。
【0078】
続いて、図14(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル層5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物を導入したソース・ドレイン領域11a、11bを形成する(図14(a)参照)。
【0079】
次に、CVD法によりSiO2からなる層間絶縁膜13を全面に堆積する(図14(b)参照)。続いて、図14(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11b上およびゲート電極上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート電極15cが形成され、nチャネルMISFETが完成する(図14(c)参照)。
【0080】
次に、図13および図14に示した構造を持つnチャネルMISFETのチャネル層5の特性について詳細に述べる。図15は、SiO2層3b/La2O3層3a/SiO2層3cの積層構造からなる絶縁膜3と、チャネル層5の拡大図であり、断面構造を模式的に示したものである。図16は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図15に示したように、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSi層、La2O3層3a、Siチャネル層5とSiO2層3cと界面近傍のSi層、この界面から50nm離れた位置のSi層、この界面から100nm離れた位置のSi層(SiO2ゲート絶縁膜7とチャネル層5の界面近傍のSi)である。
【0081】
図16は、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。La2O3層3aの格子定数は、基準となるSi層に比べて5.0%増加している。この結果は、X線回折から得られる金属酸化物La2O3の格子定数の値に一致する。チャネル層5とSiO2層3cとの界面近傍におけるチャネル層5のSiはLa2O3層3aに付随して+1.0%歪んでいる。さらに、この界面から50nm離れた位置におけるSiにおいても格子定数は変化しており、+0.8%歪んでいることがわかった。また、この界面から100nm離れた位置のチャネル層5(すなわち、SiO2ゲート絶縁膜7と、チャネル層5の界面近傍のSi)におけるSiでも+0.6%歪んでいることが確認された。この結果から、Siより格子間隔が大きく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜を基板中に埋設することで、チャネル領域5のSi層の格子間隔を大きくできることが示された。
【0082】
本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のLa2O3層を含む絶縁膜をシリコン基板1に埋設したトランジスタと、比較例となる歪みSGOIトランジスタの特性を比較する。図17に、周知の方法により作製された比較例となる歪みSGOIトランジスタの断面構造を示す。この歪みSGOIトランジスタは、歪みSiを作製するために、シリコン基板101、SiGe層102、絶縁膜103、および図示しないシリコン層からなるSOI基板上にSiGe層104を堆積、その後、酸化してGeを濃縮する。この濃縮によって、Geが濃縮されたSiGe層104上に生じるSiO2膜を剥離し、その後、SiGe層104上にSi層105をエピタキシャル成長させる、といった複雑な工程を必要としている。これにより、Si層105は歪みSiとなる。Si層105上にSiO2からなるゲート絶縁膜107およびゲート電極108を形成し、このゲート電極108の両側のSi層105およびSiGe層104に不純物を導入することにより、ソース領域109aおよびドレイン領域109bを形成する。
【0083】
一方、本実施形態による方法では、基板としてSi基板を用いることが出来、大幅なコストダウンが可能である。図18は、共に3nmのSiO2ゲート絶縁膜を有するSGOI構造の比較例によるnチャネルMISFETと、La2O3層を埋設して作製した本実施形態によるnチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したものである。
【0084】
歪みSGOI構造の比較例によるnチャネルMISFETにおけるSファクターは、75mV/decadeである。
【0085】
これに対して、La2O3層を埋設した本実施形態によるnチャネルMISFETのSファクターは70mV/decadeであり、歪みSGOI構造を有する比較例に比べて、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、本実施形態は、電流駆動力も比較例に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分な引っ張り歪みが加えることが可能となり、電子の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0086】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、Siと格子間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜を基板に埋設することでチャネル領域のSiに引っ張り応力を与えることができる。また、本実施形態によれば、従来の歪みSGOIを用いるような複雑な工程を経ることなく、電子移動度を高めることによりトランジスタ特性の改善が可能となる。
【0087】
第5の実施形態では、絶縁膜3aを構成する結晶性の金属酸化物としてLa2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることが確認された。
【0088】
また、結晶性の金属酸化物の成膜方法として、スパッタ法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、電子ビーム蒸着法、MBE法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0089】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させうるからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0090】
第5実施形態においては、nチャネルMISFETの場合について述べたが、pチャネルMISFETについても同様の方法で実施することができる。上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。
【0091】
また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いればよい。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から−1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0092】
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態によるnチャネルMISFETについて説明する。本実施形態によるnチャネルMISFETは、図12に示す第5実施形態によるnチャネルMISFETと同様の構成を有しているが、本実施形態では、チャネル層のSiに引っ張り応力を加えるために、絶縁膜3として金属と酸素の組成比が化学量論比より少ない金属酸化物、例えば、Ce酸化物を基板に埋設する。
【0093】
本実施形態におけるnチャネルMISFETの作製方法は、図13、図14に示した方法とほぼ同様であるが、基板としては、(111)面方位を持つシリコン基板を用いる。Ce酸化物はMBE法を用いて形成する。基板のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化した後、MBE装置に導入する。基板温度を例えば700℃とし、金属Ceを蒸発源として用いてCeを0.6モノレイヤ蒸着した後、オゾンO3または酸素ガスを供給して、Ce酸化物からなる絶縁膜を5nmの厚さ成膜する。成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrとした。このような成膜方法を用いることにより、界面にSiO2などのアモルファス層が形成されること無く、Siに直接接合し(111)方向に配向した単結晶のCe酸化膜をエピタキシャル成長させることができる。以下、図13(b)乃至図14(b)に示すのと、同様の工程を行ってnチャネルMISFETを完成させる。
【0094】
上記の方法で、成膜したCe酸化物の金属と酸素の組成比は1.77であり格子定数はSiに比べて+0.8%となっていた。第3実施形態で述べたように、Ce酸化物の酸素組成比が減少するのは、MBE成膜時における酸素分圧を1×10−8Torrと低く設定しているためである。酸素分圧を制御することによりCe酸化物の金属と酸素の組成比を変化させることができ、酸素分圧を1×10−7Torrとしたときは、組成比が1.89となり格子定数の変化はほぼ0%である。組成比x=1.77のCe酸化物の上に形成したSiチャネル層における歪みは+0.75%であった。組成比x=1.89のCe酸化物の上に形成したSiチャネル層における歪みはほぼ0%であった
本実施形態による、Siと格子間隔の異なる結晶質のCe酸化物をSi基板に埋設したトランジスタと、比較例となる歪みSGOIトランジスタの特性を比較する。
【0095】
図19は共に3nmのSiO2ゲート絶縁膜を有するSGOI構造のnチャネルMISFETと、組成比の異なるCe酸化物(CeO1.77、CeO1.89、CeO2.00)を埋設して作製したnチャネルMISFETのId−Vg特性を比較したものである。歪みSGOIのnチャネルMISFETにおけるSファクターは、75mV/decadeである。Ce酸化物に注目すると、金属と酸素の組成比が小さくなるにつれ、Sファクターは小さくなり、さらに、電流駆動力が向上していることがわかる。金属と酸素の組成比が化学量論比であるx=2.0のときのSファクターは120mV/decadeと劣化している。このときのCe酸化物の格子定数はSiより小さく、チャネル層のSiには圧縮歪みが加わるため、電子の移動度が低下しSファクターが劣化する。組成比の減少とともにSファクターは向上し、x=1.77では61mV/decadeまで低下している。これは、金属と酸素の組成比が小さくなるにつれCe酸化物の格子間隔が大きくなることによりチャネルのSiの格子間隔も大きくなり、電子の移動度が向上するためである。組成比x=1.77のCe酸化物を埋設したnチャネルMISFETのSファクターは、歪みSGOIと比較して、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、電流駆動力も歪みSGOIの場合に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分な引っ張り歪みが加えることが可能となり、電子の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0096】
なお、結晶性の金属酸化物としてCeO2を用いた場合について述べたが、イオン結合性の高い結晶であれば同等の効果が得られる。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性のCe酸化物は単結晶の場合を示したが、結晶方位が配向した多結晶の場合も同等の効果が得られる。
【0097】
また、本実施形態においては結晶性の金属酸化物の成膜方法として、MBE法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法法など他の成膜方法を用いても良い。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、金属と酸素の組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0098】
なお、第5実施形態においては面方位が(001)のSi基板上に、第6実施形態においては面方位が(111)のシリコン基板上にMISFETを形成したが、面方位は(001)、(111)のいずれでもよい。また、MISFETが形成されるシリコン基板は面方位が(110)であっても良いし、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0099】
さらに、第5及び第6実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、結晶性の金属酸化物とチャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。
【0100】
また、Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に膜厚の大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。
【0101】
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態によるMISFETの断面構成を図20に示す。この実施形態によるMISFETは、Siからなる半導体基板1の中にSiとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化を含む絶縁膜3が埋設されている。半導体基板1にはチャネル領域5が形成され、このチャネル領域5の両側の半導体基板1に、チャネル領域5と導電型が異なるソース領域11aおよびドレイン領域11bが形成された構成となっている。また、チャネル領域5上にはSiとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を少なくとも含むゲート絶縁膜7が形成されている。チャネル領域5は絶縁膜3に含まれる金属酸化物、及びゲート絶縁膜7に含まれる金属酸化物から応力をうけ、歪みSi層が形成されている。ゲート絶縁膜7上には、ポリシリコンからなるゲート電極9が形成されている。
【0102】
次に、本実施形態によるpチャネルMISFETの作製方法について図21乃至図23を参照して説明する。まず、(001)面方位を持つSi基板1の表面に希フッ酸処理を行い、Si基板1の表面を水素で終端化する。続いて、このSi基板1を電子ビーム蒸着装置に導入し基板温度を例えば700℃とし、Y2O3を蒸着源として用いてSi基板1上に金属酸化物Y2O3を10nm蒸着し、金属酸化物Y2O3を含む絶縁膜3を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、Y2O3層3aの配向性を高め結晶性を向上させた。また、Si基板1の表面のSiが酸化されて、Si基板1と金属酸化物Y2O3層3aとの間には、膜厚が1nmのSiO2層3b形成された(図21(a)参照)。X線回折評価より、Y2O3層3aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.30Åである(Siに対して格子定数は2.4%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Y2O3層3aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。
【0103】
次に、CVD法を用いて膜厚が100nmのSiチャネル層5を成膜する(図21(b)参照)。このとき、金属酸化物Y2O3層3aとチャネル層5との間には、膜厚が1nmのSiO2層3cが形成された。つまり、絶縁膜3は、膜厚が1nmのSiO2層3b、膜厚が10nmのY2O3層3a、膜厚が1nmのSiO2層3cからなる積層構造となっている(図21(b)参照)。
【0104】
次に、チャネル層5の両側に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、膜厚50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンの元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル層5に急峻な不純物プロファイルを形成する(図21(c)参照)。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、チャネル層5のSi表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化する。
【0105】
次に、Si基板1を電子ビーム蒸着装置に導入し基板温度を例えば700℃とし、Y2O3を蒸着源として用いてチャネル層5上に金属酸化物Y2O3を10nm蒸着し、ゲート絶縁膜7を形成する。このとき、酸素分圧を5×10−7Torrに精密に制御することにより、Y2O3層7aの配向性を高め結晶性を向上させた。X線回折評価より、Y2O3層7aは面方位(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.30Åである(Siに対して格子定数は2.4%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Y2O3層7aは面方位(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。このとき、ゲート絶縁膜12に含まれる金属酸化物La2O3層7aとチャネル層5との間には、膜厚1nmのSiO2層7bが形成された。つまり、ゲート絶縁膜7は、膜厚1nmのSiO2層7bと、膜厚10nmのLa2O3層7aからなる積層構造となっている(図21(d)参照)。
【0106】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図22(a)参照)。続いて、図22(b)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル層5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0107】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積(図23(a)参照)する。続いて、図23(b)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、pチャネルMISFETが完成する。
【0108】
次に、図21乃至図23に示した構造を持つ本実施形態によるpチャネルMISFETのチャネル層の特性について詳細に述べる。図24は、SiO2層3c/Y2O3層3a/SiO2層3bの積層構造からなる絶縁膜3、チャネル層5、Y2O3層7a/SiO2層7bの積層構造からなるゲート絶縁膜7の拡大図であり、断面構造を模式的に示したものである。図25は、TEMを用いて測定した電子線回折像から得られた格子定数の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の格子定数である。測定ポイントは図24に示しように、SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSi、絶縁膜3におけるY2O3層3a、Siチャネル層5とSiO2層7bとの界面近傍のSiチャネル層、この界面から50nm離れた位置のSiチャネル層、この界面から100nm離れた位置のSiチャネル層(ゲート絶縁膜7/Siチャネル層5界面近傍のSi)、ゲート絶縁膜7におけるY2O3層7aである。SiO2層3bとSi基板1の界面から250nm離れた位置のSiの格子間隔を基準として、格子定数の変化を示している。絶縁膜3におけるY2O3層3aの格子定数の変化は−2.4%であり、X線回折から得られた結果と一致する。Siチャネル層5とSiO2層7bとの界面近傍におけるチャネル層5のSiはY2O3層7aに付随して−1.0%歪んでいる。さらに、この界面から50nm離れた位置のSi層においても格子定数は、−1.0%変化している。また、この界面から100nm離れた位置のチャネル層(ゲート絶縁膜7とSiチャネル層5との界面近傍のSi)におけるSiも−1.0%歪んでいることが確認された。ゲート絶縁膜7におけるY2O3層7aの格子定数の変化も−2.4%であり、X線回折から得られた結果と一致する。ここでの大きな特徴は、Siとは格子間隔が異なる結晶性の金属酸化物を含む絶縁膜3をSi基板1に埋設することと、さらに、Siとは格子間隔の異なる結晶性の金属酸化物を含むゲート絶縁膜7を用いることで、チャネル層5のSiに均一の歪みを与えることが可能なことである。つまり、チャネル層のSiは、上下に設けられた2つの結晶性の金属酸化物から同じように応力を受けるため、深さ方向に均一の歪みが発生する。
【0109】
本実施形態のよる、Siと格子間隔の異なる結晶質のY2O3層を含む絶縁膜をSi基板に埋設するとともに、Siと格子間隔の異なる結晶質のY2O3層をゲート絶縁膜に含むトランジスタと、比較例となる歪みSGOI構造のトランジスタの特性を比較する。図26に、本実施形態によるpチャネルMISFETと、比較例によるpチャネルMISFETのId−Vg特性を示す。比較例による歪みSGOIのpチャネルMISFETにおけるSファクターは81mV/decadeである。一方、本実施形態によるY2O3層を用いたpチャネルMISFETのSファクターは70mV/decadeであり、比較例に比べて、遜色が無いばかりか改善されていることが確認された。また、本実施形態は、電流駆動力も歪みSGOIの場合に比べ向上していることがわかる。これは、チャネル層のSi層に十分で、且つ、深さ方向に均一な圧縮歪みが加えることが可能となり、正孔の移動度が向上したことと、さらに、SGOI基板を用いた場合に見られるGe拡散による移動度の低下が回避されたことによる。
【0110】
第7実施形態では、絶縁膜3aおよび7を構成する結晶性の金属酸化物としてY2O3を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はSrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物でも良い。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でも同等の効果が得られる。
【0111】
結晶性の金属酸化物は、結晶方位が配向した多結晶の場合も示したが、単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな格子定数の変化が起こることを確認した。結晶性の金属酸化物の成膜方法として、電子ビーム法を用いた場合を示したが、成膜方法はCVD法、スパッタ法、MBE法など他の成膜方法を用いてもよい。
【0112】
なお、結晶性の金属酸化物のなかで、希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。希土類酸化物は、成膜条件を制御することにより結晶性を高めることが容易であり、効果的にSiの格子間隔を変化させうるからである。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、高い結晶性をもつ膜が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0113】
第7実施形態では、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、Y2O3を用いたが、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要はなく、必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に上述の金属酸化物から選択することが可能である。
【0114】
また、第7実施形態においては、pチャネルMISFETの場合について述べたが、nチャネルMISFETについても同様効果を得ることができる。上記に述べた結晶性の金属酸化物のなかで、どの金属酸化物を選定するかは、Siに引っ張り応力を与えたいのか、圧縮応力を与えたいのかによる。nチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り応力が加わったSiにおいて電子の移動度が向上するので、Siより格子定数の大きな金属酸化物を選定する。一方、pチャネルMISFETを作製する場合には、引っ張り、または、圧縮のどちらの応力においても正孔の移動度は向上するので、Siと格子定数の異なる金属酸化物を選定すればよい。
【0115】
また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の格子定数を選定する。1種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の格子定数と応力を実現できないときには、2種類以上の金属元素を含む金属酸化物を用いればよい。例えば、EuとDyの2元素を含む(EuxDy1−x)2O3を用いることにより、金属酸化物のSiに対する格子定数の変化を0から―1.8%の間で任意に変化させることができる。
【0116】
さらに、第7実施形態では、チャネル層のSiに応力を加えるためにY2O3を用いたが、金属と酸素の組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。これまで詳述したように、結晶性の金属酸化物としては、イオン結合性の高い結晶を選択すればよい。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物を用いることができる。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性の金属酸化物は、単結晶でも、結晶方位が配向した多結晶でもよい。結晶性の金属酸化物の成膜方法としては、MBE法、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの方法を用いることができる。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、金属と酸素の組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0117】
基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要がないのと同様に、一方に金属と酸素の組成比が化学量論比である金属酸化物を用い、もう一方に酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に上述の金属酸化物から選択することができる。
【0118】
なお、第7実施形態においては面方位が(001)のSi基板を用いたが、面方位は(001)、(111)、(110)のいずれでもよい。また、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0119】
さらに、第7実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、Si基板に埋設した結晶性の金属酸化物、または、ゲート絶縁膜に含まれる結晶性の金属酸化物と、チャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に厚さの大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。また、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル層との界面の両方に岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どちらか一方でも効果が得られる。
【0120】
(第8実施形態)
次に、本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図27および図28を参照して説明する。
【0121】
まず、図27(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロンとインジウム両方の元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。その後、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、表面に希フッ酸処理を行い、チャネル領域のSi表面を水素で終端化する。
【0122】
次に、このシリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物を5nmの厚さで成膜し、金属酸化物層7を形成する(図27(b)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比は化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0123】
次に、チャネル領域5上のCe酸化物層7にのみ、レーザーを照射した(図27(c)参照)。レーザー照射後、酸素組成比を測定したところ、酸素組成比はx=1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、チャネル領域5上のみに格子定数の大きなCe酸化物層7Aを作製することができる(図27(c)参照)。また、図27(c)の工程で、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。Ce酸化物層7Aの格子定数が大きくなることにより、チャネル層5のSiに+0.8%の歪みが加わっていることを確認した。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図27(d)参照)。
【0124】
次に、図28(a)に示すように、ポリシリコン膜9および絶縁膜7、7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7Aとゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。
【0125】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図28(b)参照)。続いて、図28(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図28(c)参照)。
【0126】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0127】
(第9実施形態)
次に、本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図29および図30を参照して説明する。
【0128】
まず、図29(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1の表面に希フッ酸処理を行い、シリコン基板1の表面を水素で終端化する。次に、シリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層3を10nmの厚さで成膜する(図29(a)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比xは化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0129】
次に、このCe酸化物層3にレーザーを照射した(図29(b)参照)。レーザー照射後、Ce酸化物層3Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは、1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、格子定数の大きなCe酸化物層3Aを作製することができる。ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。
【0130】
次に、CVD法を用いてSiチャネル層5を例えば100nmの厚さで成膜する(図29(c)参照)。このとき、チャネル層5のSiにはCe酸化物層3の格子定数に引っ張られて、+0.8%の歪みがあることを確認した。
【0131】
次に、Siチャネル層5の両側に素子分離領域2を形成する(図29(d)参照)。続いて、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する(図29(d)参照)。その後、SiO2膜4を介して、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、Siチャネル層5の表面に希フッ酸処理を行い、表面を水素で終端化する。
【0132】
次に、熱酸化により、SiO2からなるゲート酸化膜7を例えば3nm成膜する。続いて、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図30(a)参照)。続いて、図30(b)に示すように、ポリシリコン膜9およびゲート絶縁膜7を、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7とゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する(図30(b)参照)。
【0133】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図30(c)参照)。続いて、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図30(c)参照)。
【0134】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0135】
(第10実施形態)
次に、本発明の第10の実施形態による電界効果トランジスタの製造方法について図31および図32を参照して説明する。
【0136】
まず、(111)面方位を持つシリコン基板の表面に希フッ酸処理を行い、このシリコン基板の表面を水素で終端化する。次に、このシリコン基板1をレーザーアブレーション装置に導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層3を10nmの厚さで成膜する(図31(a)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比は化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0137】
次に、このCe酸化物層3にレーザーを照射した(図31(b)参照)。レーザー照射後、Ce酸化物層3Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、格子定数の大きなCe酸化物3Aを作製することができる。ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。
【0138】
次に、図31(c)に示すようにCVD法を用いてSiチャネル層5を例えば100nmの厚さで成膜する。続いて、Siチャネル層5の両側に素子分離領域2を形成する。続いて、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する(図31(c)参照)。その後、SiO2膜4を介して、ボロンとインジウム両方の元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネル領域5に急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行いチャネル層5のSi表面を水素で終端化する。
【0139】
次に、レーザーアブレーション装置に基板を導入する。基板温度を例えば500℃とし、CeO2を蒸着源として用いてCe酸化物からなる金属酸化物層7を5nmの厚さで成膜する(図31(d)参照)。このとき成膜されたCe酸化物(CeOx)の酸素組成比xは化学量論比(x=2.0)であり、格子定数は5.41Åであった。
【0140】
次に、図32(a)に示すように、チャネル領域5上のCe酸化物層7にのみ、レーザーを照射した。レーザー照射後、Ce酸化物層7Aの酸素組成比を測定したところ、酸素組成比xは1.77に減少しており、格子定数は5.48Åと大きくなった。レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ酸素組成比が減少したためである。このような方法により、チャネル領域5上のみに格子定数の大きなCe酸化物層7Aを作製することができる(図32(a)参照)。また、ここでは、レーザー照射する例を示したが、加熱処理、電子線照射、電磁波照射を用いても、酸素組成比を減少させる効果が得られる。Ce酸化物層3A及びCe酸化物層7Aの格子定数が大きくなることにより、チャネル層5のSiには均一に+1.0%の歪みが加わっていることを確認した。
【0141】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図32(b)参照)。続いて、図32(c)に示すように、ポリシリコン膜9、Ce酸化物層7、7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5上にゲート絶縁膜7Aとゲート電極9を形成する。その後、ゲート電極9をマスクとしてイオン注入と熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11bを形成する。次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する。続いて、ソース・ドレイン領域11a、11bおよびゲート電極9上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15bおよびゲート接続部15cが形成され、MISFETが完成する(図32(c)参照)。
【0142】
以上説明したように、本実施形態によれば、チャネル領域に歪みSiを形成することができので、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることが可能となる。また、レーザー照射等によって歪みSiを容易に形成することができる。
【0143】
(第11実施形態)
次に、第11の実施形態である電界効果トランジスタの製造方法について図33および図34を参照して説明する。本実施形態では、n型チャネルおよびp型チャネル領域を持つMISFETの製造方法を示す。
【0144】
まず、図33(a)に示すように、(111)面方位を持つシリコン基板1に素子分離領域2を形成し、その後、例えば、厚さ50nmのSiO2膜4を全面に被膜する。続いて、SiO2膜4を介して、ボロン元素と砒素元素のイオン打ち分けを行うことにより、p型チャネルとして用いる領域5aと、n型チャネルとして用いる領域5bに急峻な不純物プロファイルを形成する。続いて、SiO2膜4をフッ化アンモニア溶液でエッチング除去した後、希フッ酸処理を行いチャネル領域5a、5bのSi表面を水素で終端化する。
【0145】
次に、Dy2O3酸化物を含む絶縁膜7を、Dy2O3を蒸着源として電子ビーム蒸着法を用いて形成した。Dy2O3層7aは5nmの厚さで蒸着した。このとき、酸素分圧を1×10−7Torrに精密に制御することにより、Dy2O3層7aの配向性を高め結晶性を向上させた。また、チャネル層表面のSiが酸化されて、チャネル層5a、5bと、Dy2O3酸化物層7aとの間には、膜厚0.5nmのSiO2層7bが形成された。つまり、ゲート絶縁膜7は、膜厚0.5nmのSiO2層7bと、膜厚5nmのDy2O3層7aからなる積層構造となっている。X線回折評価より、Dy2O3層7aは(001)方向に配向した多結晶膜であり、格子定数は5.33Åである(Siに対して格子定数は1.8%小さい)ことがわかった。X線回折の半値幅は狭く、Dy2O3層7aは(001)に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認された。電子線回折を用いた格子定数評価の結果、(001)に強く配向し結晶性が高いDy2O3層7aを形成することにより、チャネル層5のSiに圧縮応力が加わり、格子定数が小さくなることが確認された。Dy2O3層7aの格子定数の変化は、Siの格子定数に比べて−1.8%であり、このDy2O3層7aに付随して界面におけるSiが歪んでおり、この界面におけるSiの格子定数の変化は−0.5%であることがわかった。界面から50nm離れた位置のSiでも格子定数の変化は起こっており、格子定数が−0.4%変化していた。
【0146】
次に、n型チャネル層5b上のゲート絶縁膜7にのみ選択的にレーザーを照射しところ、Dy2O3の組成比が変化して、Dy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物を含むゲート絶縁膜7Aとなった。このときのDy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物の格子定数は、Siの格子定数に対して0.7%大きくなっていた。これは前述したように、結晶中の格子位置の酸素が抜けることによって、抜けた酸素と結合していたDy原子の格子位置が、他の酸素との結合に引っ張られることにより元の格子位置から変位し、結果として格子間の平均距離が大きくなり格子定数が大きくなるためである。さらにn型チャネル層5bのSiの格子定数は+0.3%大きくなっていた。これは、(001)に強く配向し、結晶性が高いDy:O=2.0:2.5を有するDy酸化物の格子間隔をSiよりも大きくすることで、チャネル層のSiに引っ張り応力が加わり、格子定数が大きくなるためである。この結果から、Siより格子間隔が小さく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜とし、局所的なレーザー照射を行うことで、p型チャネルには圧縮歪み、n型チャネルには引っ張り歪みを生じさせることが可能となり、CMOSとしての性能の、大幅な向上を果たすことができるようになる。
【0147】
次に、CVD法を用いてゲート電極となるポリシリコン膜9を全面に堆積する(図33(d)参照)。続いて、図34(a)に示すように、ポリシリコン膜9およびCe酸化物を含むゲート絶縁膜7,7Aを、例えばRIE法などの異方性エッチング法を用いてパターニングし、チャネル領域5a、5b上にゲート絶縁膜7とゲート電極9a、ゲート絶縁膜7Aとゲート電極9bを形成する。その後、ゲート電極9a、及びゲート電極9bをマスクとして、ボロン元素と砒素元素のイオン打ち分けと熱工程を行うことにより、不純物が導入されたソース・ドレイン領域11a、11b、12a、12bを形成する(図34(a)参照)。
【0148】
次に、CVD法によりSiO2膜13を全面に堆積する(図34(b)参照)。続いて、図34(c)に示すように、ソース・ドレイン領域11a、11b、12a、12bおよびゲート電極9a、9b上にコンタクトホールを開孔し、Al等の金属を蒸着して金属膜を全面に形成することによりソース・ドレイン電極15a、15b、16a、16b、およびゲート接続部15c、16cが形成され、MISFETが完成する(図34(c)参照)。
【0149】
以上述べたような、n型チャネル、p型チャネルを有し、n型チャネル側のDy酸化物の格子定数を変調させた本実施形態によるトランジスタと、比較例であるアモルファスであるSiO2をゲート絶縁膜として有する歪みSGOI構造のトランジスタとの特性を比較した。この比較結果を図35に示す。
【0150】
図35に示すように、SiO2換算膜厚(EOT)が8nmのSiO2からなるゲート絶縁膜を有するCMOSFET(以後、SGOI型CMOSとも云う)と、SiO2換算膜厚(EOT)が8nmのDy酸化物/SiO2積層構造からなる絶縁膜を有する本実施形態によるCMOSFET(以後、格子局所変調型CMOSとも云う)のゲート遅延時間の電源電圧依存性を比較した。電圧全域に渡って格子局所変調型CMOSがSGOI型CMOSを下回っており、格子局所変調型CMOSにすることにより遅延時間が低減できていることがわかる。これは、SGOI型がn型、p型共に引っ張り歪みをかけているために、電子のみ移動度が向上し、正孔の移動度があまり向上しないのに対し、格子局所変調型CMOSでは、n型では引っ張り歪み、p型では圧縮歪みがかけられているために、電子、正孔共に移動度が大幅に向上しているためである。
【0151】
以上説明したように、本実施形態によれば、nチャネルMISFET、pチャネルMISFETだけでなく、その複合のCMOSにおいても、酸素組成を制御することによりSiと格子間隔が変化する金属酸化物を含む絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることにより、特性の大幅な改善が可能となる。また、上記手法を、基板中に埋設した金属酸化物に対して行っても同様の効果が得られる。さらに、酸素組成を制御することによりSiと格子間隔が変化する金属酸化物を、基板中に埋設することと、ゲート絶縁膜として用いることを併用することによりさらなる性能の向上を果たすことが可能である。
【0152】
さらに、第8乃至第11実施形態では、チャネル層のSiに応力を加えるためにCe酸化物とDy酸化物を用いた例を示したが、これまで詳述したように、結晶性の金属酸化物としては、イオン結合性の高い結晶を選択すればよい。つまり、SrTiO3、SrZrO3、Sr(TiZr)O3、SrCeO3などのペロブスカイト構造を持つ酸化物を用いることができる。さらに、MgO、CaO、SrO、BaOなどの岩塩構造を持つ酸化物、Al2O3やスピネル構造を持つMgAl2O4でもよい。結晶性の金属酸化物は、単結晶でも、結晶方位が配向した多結晶でもよい。
【0153】
結晶性の金属酸化物の成膜方法としては、MBE法、成膜方法はCVD法、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などの方法を用いることができる。なお、結晶性の金属酸化物のなかで、イオン結合性が強い希土類元素(Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu)の中から選ばれた、少なくとも1種類以上の元素を含む希土類酸化物を用いることがさらに好ましい。そのなかでも、Ce、Dy、Y、La、Pr、Gdのいずれかを少なくとも含む酸化物を用いた場合には、酸素組成比の精密な制御が実現でき、特に高い効果が得られることを確認した。
【0154】
第11の実施形態に示すような場合、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物の両方に、両方に必ずしも同じ金属酸化物を用いる必要がない。一方に酸素組成比が化学量論比である金属酸化物を用い、もう一方に酸素組成比が化学量論比より少ない金属酸化物を用いることも可能である。必要とされる歪みの方向と歪み量に応じて、任意に金属酸化物を選択することができる。
【0155】
なお、第8乃至第11実施形態においては面方位が(111)のSi基板を用いたが、面方位は(001)、(111)、(110)のいずれでもよい。また、上記面方位から多少角度がずれていても良い。
【0156】
さらに、第8乃至第11実施形態において、チャネル層のSiをより効果的に歪ませるために、Si基板に埋設した結晶性の金属酸化物、または、ゲート絶縁膜に含まれる結晶性の金属酸化物と、チャネル層との間に、岩塩構造の金属酸化物を挟むことも効果がある。その効果は、第4実施形態に詳述したものと同等であり、岩塩構造の金属酸化物を挟むことにより結晶性の酸化物との界面にアモルファスのSiO2層が形成されないため、金属酸化膜における格子間隔の相違をより直接的にSiチャネル層に加えることである。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは1乃至3原子層の範囲にあることが望ましい。SrO、MgOなどの物質は、空気中で不安定なため、これ以上厚さを増すと、経時的に結晶性が変化して特性が劣化する。一方、1原子層より薄い場合には、酸素の拡散を抑制する効果が得られずに、アモルファスのSiO2層が発生してしまうからである。岩塩構造の酸化物の中で、特に、SrO、MgO、CaO、BaOの岩塩構造の金属酸化膜を用いた場合には、酸素拡散の抑制効果が顕著であり、トランジスタ特性の大幅な向上が可能である。Siに引っ張り応力を与えたい場合には、Siより格子定数の大きな岩塩構造の金属酸化物であるBaOを用いることが望ましい。
【0157】
また、Siに圧縮応力を加えたい場合には、Siより格子定数の小さな岩塩構造の金属酸化物であるSrO、MgO、CaOを用いることが望ましい。しかし、Si層における格子定数の変化は、主に厚さの大きい結晶性の金属酸化物で決まっているので、例えば、Siより格子定数の小さなSrOを挟んで、その上にSiより格子定数の大きなPr2O3を積層した構造では、チャネル領域におけるSiは引っ張り応力を受けるので、岩塩構造の金属酸化物と結晶性の金属酸化物は任意に組み合わせることも可能である。また、第11の実施形態のような場合には、基板に埋設したSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、ゲート絶縁膜に含まれるSiと格子間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル層との界面の両方に岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どちらか一方でも効果が得られる。
【0158】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、トランジスタ特性の大幅な改善をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図2】第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図3】第1実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図4】第1実施形態による電界効果トランジスタのPr2O3/SiO2/Si界面の断面を示す模式図。
【図5】第1実施形態による電界効果トランジスタのPr2O3層、SiO2/Si界面、チャネル層における格子定数の変化を示す図。
【図6】第1実施形態及び比較例による電界効果トランジスタによるゲート電圧Vgとドレイン電流Idの関係を示す特性図。
【図7】本発明の第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物/Si界面の断面を示す模式図。
【図8】第3実施形態によるCe酸化物/Si界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図9】第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物の、金属と酸素の組成比と格子定数の関係を示す図。
【図10】第3実施形態による電界効果トランジスタのCe酸化物の、酸素が抜けて酸素欠損ができ、Ce酸化物の平均格子定数が大きくなることを示す模式図。
【図11】第3実施形態及び比較例による電界効果トランジスタの、Ce酸化物の金属と酸素の組成比と、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図12】本発明の第5実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図13】第5実施形態による電界効果トランジスタの製造工程断面図。
【図14】第5実施形態による電界効果トランジスタの製造工程断面図。
【図15】第5実施形態によるSi/SiO2/La2O3/SiO2/Si/SiO2界面の断面を示す模式図。
【図16】第5実施形態によるSi/SiO2/La2O3/SiO2/Si/SiO2界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図17】歪みSOI構造の電界効果トランジスタの構造を示す断面図。
【図18】第5実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタの、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図19】第6実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタの、ゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図20】本発明の第7実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す断面図。
【図21】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図22】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図23】第7実施形態による電界効果トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図24】第7実施形態による電界効果トランジスタの、Si/SiO2/Y2O3/SiO2/Si/SiO2界面の断面を示す模式図。
【図25】第7実施形態による電界効果トランジスタの、Si/SiO2/Y2O3/SiO2/Si/SiO2界面の測定位置と格子定数の変化値を示す図。
【図26】第7実施形態及び比較例によるSOI型電界効果トランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示す特性図。
【図27】本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図28】本発明の第8実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図29】本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図30】本発明の第9実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図31】本発明の第10実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図32】本発明の第10実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図33】本発明の第11実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図34】本発明の第11実施形態による電界効果トランジスタの製造方法の製造工程断面図。
【図35】第11実施形態によって製造された電界効果トランジスタ及び比較例によるトランジスタの、ドレイン電圧と遅延時間の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 素子分離領域
3 絶縁膜
3a 絶縁膜
3b SiO2膜
3c SiO2膜
5 チャネル領域(チャネル層)
7 ゲート絶縁膜
7a 絶縁膜
7b SiO2膜
9 ゲート電極
11a ソース領域
11b ドレイン領域
13 絶縁膜
15a ソース電極
15b ドレイン電極
15c ゲート接続部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a field-effect transistor (FET) having a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Transistors have improved performance by increasing the fineness of MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) FETs. However, as the manufacturing process has evolved, the improvement in performance due to the pursuit of fineness has begun to appear as a shadow. Transistor miniaturization is to simultaneously reduce the length and lateral size of each part of the MOSFET, such as the thickness of the gate insulating film and the gate length, but the size is approaching the atomic size. Therefore, the limit to the effect of miniaturization has begun to appear.
[0003]
For example, conventionally used SiO 2 In the gate insulating film made of, since a tunnel current starts to flow directly when the film thickness is 2 nm or less, the gate leakage current cannot be suppressed, and problems such as an increase in power consumption cannot be avoided. For this reason, SiO 2 Using a material with a higher dielectric constant than that (high dielectric) for the gate insulating film, 2 While suppressing the equivalent film thickness (hereinafter also referred to as EOT (Equivalent Oxide Thickness)), it is necessary to increase the physical film thickness and suppress the leakage current.
[0004]
However, when a high dielectric gate insulating film is used, SiO 2 Compared with the above case, there is a big problem that the characteristics of the transistor are deteriorated due to a decrease in carrier mobility due to an increase in interface state density and impurity scattering in the high dielectric film. In order to compensate for such a decrease in carrier mobility, development of a transistor using strained Si for the channel layer is underway.
[0005]
The strained Si transistor increases the carrier mobility of the channel layer by utilizing the effect that the crystal lattice of Si is distorted by being affected by the lattice spacing of another crystal in contact therewith. By forming a silicon crystal that forms the channel layer, which is the carrier movement path of the transistor, on the silicon-germanium (SiGe) layer, the Si crystal in the channel layer in contact with the SiGe layer is distorted, realizing higher carrier mobility. it can. However, to make an SGOI (SiGe on Insulator) substrate as the substrate, after depositing SiGe on the SOI (Si on Insulator) substrate, the SiGe is oxidized, the Ge is concentrated by oxidation, and then the oxide film is peeled off. It is necessary to go through a complicated process of epitaxially growing Si on the top (see, for example, Non-Patent Document 1). In addition, another method of manufacturing strained Si using SiGe is known in order to improve the mobility of a transistor by applying tensile internal stress or lattice strain to the channel layer (for example, Patent Document 1). reference).
[0006]
As described above, since the FET forming process becomes complicated and complicated, it is expected that the yield of the process is lowered and problems such as an increase in cost are caused. Further, as the strained Si layer is made thinner, the effect of scattering by Ge diffused from the SiGe layer becomes remarkable, and there is a problem that the carrier mobility is deteriorated.
[0007]
Note that in order to improve the mobility of the transistor by applying tensile internal stress or lattice distortion to the channel layer, silicon oxide or silicon nitride is used as a material for the undercoat insulating film provided under the channel layer or the gate insulating film. It is known to use (for example, refer to Patent Document 2).
[0008]
In addition, SiO on the channel layer 2 It is known that an ultra-thin gate insulating film can be realized by epitaxially growing a single crystal Ce oxide film directly bonded to a Si substrate without forming an amorphous layer (eg, non-patent document). 2). However, this
[0009]
[Non-Patent Document 1]
T. Mizuno et al., IEDM, p.934 (1999)
[Non-Patent Document 2]
Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480 (2002)
[Patent Document 1]
JP 2001-284558 A
[Patent Document 2]
JP 2002-176061 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, now that the improvement in transistor performance due to the pursuit of fineness is beginning to appear, it is necessary to introduce a new device into the transistor structure itself like a strained Si transistor.
[0011]
However, in the method using the conventional SGOI substrate, it is expected that the FET forming process becomes complicated and complicated, resulting in a decrease in yield and problems such as an increase in cost. Further, the effect of scattering by Ge diffused from the SiGe layer becomes remarkable, and there is a problem that the carrier mobility is deteriorated.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a field effect transistor capable of greatly improving transistor characteristics and a method for manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A field effect transistor according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor region formed in a substrate, a first conductivity type channel region formed in the semiconductor region, and a lattice spacing between the substrate and the substrate formed on the channel region. A gate insulating film including at least metal oxide layers made of different crystalline materials, a gate electrode formed on the gate insulating film, and a second conductivity type source formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode A drain region, and the lattice spacing of at least the channel region of the substrate is modulated.
[0014]
A field effect transistor according to the second aspect of the present invention is formed between a semiconductor region formed in a substrate, a first conductivity type channel region formed in the semiconductor region, and between the substrate and the channel region. An insulating film including at least a metal oxide layer made of a crystal having a lattice spacing different from that of the substrate, a gate insulating film formed on the channel region, a gate electrode formed on the gate insulating film, and And a second conductivity type source / drain region formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode, wherein the lattice spacing of at least the channel region of the substrate is modulated.
[0015]
The metal oxide layer may be made of a rare earth oxide containing at least one kind of rare earth element.
[0016]
The metal oxide layer may contain one or more metal elements of Ce, Dy, Y, Gd, La, and Pr.
[0017]
The metal oxide layer may have a metal / oxygen composition ratio less than a stoichiometric ratio.
[0018]
The lattice spacing of the metal oxide layer may be different from the lattice spacing when the composition ratio of metal and oxygen is a stoichiometric ratio.
[0019]
A crystalline rock salt structure metal oxide may be provided between the metal oxide layer and the channel region.
[0020]
The rock salt structure metal oxide may contain one or more metal elements of Mg, Ca, Sr, and Ba.
[0021]
A field effect transistor according to the third aspect of the present invention is formed between a semiconductor region formed in a substrate, a first conductivity type channel region formed in the semiconductor region, and between the substrate and the channel region. A first insulating film including at least a first metal oxide layer made of a crystalline material having a lattice spacing different from that of the substrate; and a second insulating film formed on the channel region and made of a crystalline material having a lattice spacing different from that of the substrate. A gate insulating film including at least a metal oxide layer; a gate electrode formed on the gate insulating film; and a source / drain region of a second conductivity type formed in the semiconductor region on both sides of the gate electrode. And the lattice spacing of at least the channel region of the substrate is modulated.
[0022]
In addition, in the method for manufacturing a field effect transistor according to the fourth aspect of the present invention, an insulating film containing at least a crystalline metal oxide is formed on a substrate, and the oxygen composition ratio in the metal oxide is calculated from the stoichiometric ratio. And a step of forming a gate electrode on the insulating film and a source / drain region on the substrate on each side of the gate electrode, respectively.
[0023]
In the step of reducing the oxygen composition ratio from the stoichiometric ratio, it is preferable to perform at least one of heat treatment, laser irradiation, electron beam irradiation, and electromagnetic wave irradiation on the insulating film.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of the MISFET according to the first embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, a
[0026]
Next, the manufacturing method of the MISFET according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3 taking an n-channel MISFET as an example.
[0027]
First, as shown in FIG. 2A, after the
[0028]
Next, the
[0029]
From X-ray diffraction evaluation, Pr 2 O 3 It was found that the
[0030]
Next, a
[0031]
Subsequently, as shown in FIG. 3A, the
[0032]
Next, SiO is formed by CVD. 2 A
[0033]
Next, the characteristics of the gate insulating film of the n-channel MISFET having the structure shown in FIGS. 2 and 3 will be described in detail. Usually, even if the metal oxide used as the insulating film is crystalline, the lattice constant does not affect the Si of the
[0034]
FIG. 4 is an enlarged view of the insulating
[0035]
From this result, it is possible to change the lattice spacing of the Si layer in the
[0036]
Next, crystalline Pr having a different lattice spacing from Si according to the present embodiment. 2 O 3 A transistor having a
[0037]
The S factor in the n-channel MISFET of the comparative example having the gate insulating film made of SiON is 92 mV / decade, and this value is
[0038]
On the other hand, Pr 2 O 3 It can be seen that the S-factor of the n-channel MISFET of this embodiment having the gate insulating film including the layer is 75 mV / decade, which is greatly improved. In addition, it can be seen that the current driving force is also improved in this embodiment compared to the comparative example. This is because the electron mobility is improved by applying tensile strain to the Si layer of the channel layer, and further, SiO at the interface with the channel layer. 2 This is because the interface state density can be reduced by the presence of.
[0039]
As described above, according to the present embodiment, by using an insulating film containing a metal oxide having a lattice spacing different from that of Si as a gate insulating film, tensile stress can be applied to Si in the channel region, and electron transfer By increasing the degree, the transistor characteristics can be greatly improved. Further, it is not necessary to go through complicated steps such as depositing SiGe on the SOI to generate strained Si, then oxidizing and concentrating Ge, and epitaxially growing Si thereon. Therefore, a conventional Si substrate or SOI substrate can be used as the substrate, and the cost can be greatly reduced.
[0040]
(Second Embodiment)
Next, a p-channel MISFET according to a second embodiment of the invention will be described. The p-channel MISFET according to this embodiment has substantially the same configuration as the MISFET according to the first embodiment shown in FIG. 1, but a metal having a lattice constant smaller than that of Si in order to apply compressive stress to Si of the
[0041]
From the X-ray diffraction evaluation, Dy 2 O 3 It was found that the
[0042]
Dy according to this embodiment 2 O 3 A transistor having the
[0043]
On the other hand, Dy 2 O 3 The S-factor of the p-channel MISFET according to the present embodiment having the gate insulating film including the layer was 100 mV / decade, which was found to be greatly improved. In addition, it was confirmed that the current driving force of the present embodiment is improved as compared with the comparative example. This is because the hole mobility is improved by applying compressive stress to the Si layer of the channel layer, and further, SiO at the interface with the channel layer. 2 This is because the interface state density can be reduced by the presence of.
[0044]
As described above, according to this embodiment, even in the p-channel MISFET, transistor characteristics can be greatly improved by using an insulating film containing a metal oxide having a lattice spacing different from that of Si as a gate insulating film. .
[0045]
In the first or second embodiment, Pr is used as the crystalline metal oxide. 2 O 3 Or Dy 2 O 3 As an example, the crystalline metal oxide is SrTiO. 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 An oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 But the same effect can be obtained. Although the crystalline metal oxide is also shown in the case of a polycrystal in which the crystal orientation is oriented, it has been confirmed that a larger change in lattice constant occurs by using a single crystal metal oxide. Although the case where the electron beam evaporation method is used as the film formation method of the crystalline metal oxide is shown, other film formation methods such as a CVD method, a sputtering method, a molecular beam epitaxy (MBE) method are used as the film formation method. May be.
[0046]
Among crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one element selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film forming conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, it is confirmed that a film having high crystallinity can be realized and a particularly high effect can be obtained. It was.
[0047]
Of the crystalline metal oxides described above, which metal oxide is selected depends on whether tensile stress or compressive stress is to be applied to Si. When an n-channel MISFET is manufactured, the mobility of electrons is improved in Si to which tensile stress is applied. Therefore, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected.
[0048]
On the other hand, when a p-channel MISFET is manufactured, the mobility of holes is improved by either tensile or compressive stress, so a metal oxide having a lattice constant different from that of Si may be selected. The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be realized with a metal oxide containing only one kind of metal element, a metal oxide containing two or more kinds of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 By using this, the change in the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0049]
(Third embodiment)
Next, an n-channel MISFET according to a third embodiment of the invention will be described.
[0050]
The n-channel MISFET according to the present embodiment has substantially the same configuration as the MISFET according to the first embodiment shown in FIG. 1, but in this embodiment, in order to apply tensile stress to Si of the channel layer, the oxygen composition ratio Is a metal oxide, such as Ce oxide, which is less than the stoichiometric ratio. The manufacturing method of the n-channel MISFET in this embodiment is almost the same as the method shown in FIGS. As the substrate, Si having a (111) plane orientation is used, and the channel region is formed by ion implantation of boron element. The Ce oxide is formed using the MBE method. The Si surface of the channel region is subjected to dilute hydrofluoric acid treatment and terminated with hydrogen, and then the substrate is introduced into the MBE apparatus. The substrate temperature is set to 700 ° C., for example, and Ce is monolayer-deposited using metal Ce as an evaporation source. 3 Alternatively, an oxygen gas is supplied to form an insulating film made of Ce oxide with a thickness of 5 nm. The oxygen partial pressure during film formation is 1 × 10 -8 Torr. By using such a film formation method, SiO 2 A single crystal Ce oxide film that is directly bonded to Si and oriented in the plane orientation (111) can be epitaxially grown without forming an amorphous layer. The present inventors have already reported that an ultrathin gate insulating film can be realized using this method (Y. Nishikawa et al., Jpn. J. Appl. Phys. 41, 2480 (2002)). In addition, this document does not describe that Si is distorted, and it has become clear that Si is distorted by subsequent knowledge of the present inventors.
[0051]
Next, the characteristics of the gate insulating film of the n-channel MISFET according to the third embodiment will be described in detail. FIG. 7 is an enlarged view of the
[0052]
CeO, a bulk Ce oxide 2 The lattice constant of is reported to be 5.411Å. That is, CeO compared to the lattice constant of Si (5.430 Å). 2 The lattice constant of should be small. However, the results of our experiments show that the previous CeO 2 It was found that the lattice constant of the Ce oxide was larger than that of Si, as shown in FIG. As a result of detailed studies on these causes, new findings have been obtained that the lattice constant changes as the oxygen composition ratio in the Ce oxide changes.
[0053]
FIG. 9 shows Ce oxide (CeO x ) Shows the relationship between the oxygen composition ratio and the lattice constant. The oxygen composition ratio was measured by energy dispersive X-ray fluorescence (EDX). When the oxygen composition ratio is stoichiometric (x = 2.0), the lattice constant is 5.411Å, and the conventional Ce oxide (CeO 2 ) Is consistent with the reported lattice constant. On the other hand, it was found that the lattice constant increases when the oxygen composition ratio is smaller than the stoichiometric ratio and x <2.0. As described above, it is considered that the lattice constant of Ce oxide greatly changes depending on the oxygen composition ratio because Ce oxide is a crystal having a strong ionic bond.
[0054]
10A and 10B are schematic diagrams of oxygen vacancies in Ce oxide. When the oxygen at the lattice position in the crystal is released, the lattice position of the Ce atom bonded to the released oxygen is displaced from the original lattice position by being pulled by the bond with other oxygen. As a result, it is considered that the average distance between the lattices increases and the lattice constant increases.
[0055]
The lattice constant of the Ce oxide shown in this embodiment is + 0.8% compared to Si, and it was found from the characteristic graph of FIG. 9 that the oxygen composition ratio is 1.77. The oxygen composition ratio decreases because the oxygen partial pressure during MBE film formation is 1 × 10. -8 This is because it is set low as Torr. By controlling the oxygen partial pressure, the oxygen composition ratio of the Ce oxide can be changed, and the oxygen partial pressure is reduced to 1 × 10. -7 When it was set to Torr, the oxygen composition ratio was 1.89.
[0056]
Next, the characteristics of an n-channel MISFET having a crystalline Ce oxide film having a lattice spacing different from that of Si as a gate insulating film and an n-channel MISFET having a gate insulating film made of amorphous SiON were compared. FIG. 11 shows SiO 2 Converted film thickness (EOT) is 1 nm, SiON, and Ce oxides with different oxygen composition ratios (CeO 1.77 , CeO 1.89 , CeO 2.00 ) Shows an Id-Vg characteristic of an n-channel MISFET having a gate insulating film as a gate insulating film.
[0057]
The S-factor of the n-channel MISFET having a gate insulating film made of amorphous SiON is 92 mV / decade, and
[0058]
When attention is paid to Ce oxide, it can be seen that as the oxygen composition ratio becomes smaller, the S factor becomes smaller and the current driving ability is further improved. When the oxygen composition ratio is the stoichiometric ratio x = 2.0, the S factor is 120 mV / decade, which is further deteriorated as compared with the case of SiON. This is presumably because the electron mobility is lowered due to impurity scattering in the Ce oxide (for example, diffusion of boron from the gate electrode). However, the S factor decreases with a decrease in the oxygen composition ratio, and is improved to 61 mV / decade at x = 1.77. This is because as the oxygen composition ratio decreases, the lattice spacing of Ce oxide increases, so that the lattice spacing of Si in the channel also increases, and the electron mobility is improved. It is considered that this is because the decrease in electron mobility due to impurity scattering in Ce oxide is compensated and the improvement in electron mobility due to the effect of strain contributes more.
[0059]
As a crystalline metal oxide, CeO 2 As described above, the same effect can be obtained if the crystal has a high ion binding property. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 An oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 But you can.
[0060]
Although the crystalline Ce oxide is shown as a single crystal, the same effect can be obtained in the case of a polycrystal with oriented crystal orientation. Although the case where the MBE method is used as the film formation method for the crystalline metal oxide is shown, other film formation methods such as a CVD method, a sputtering method, and an electron beam evaporation method may be used. Among crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ion bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, More preferably, a rare earth oxide containing at least one element selected from Yb, Lu) is used. Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, it is confirmed that precise control of the oxygen composition ratio can be realized and a particularly high effect can be obtained. It was done.
[0061]
In the first and second embodiments, a MISFET is formed on a silicon substrate having a plane orientation of (001) and in the third embodiment on a silicon substrate having a plane orientation of (111). Any of (001) and (111) may be used. Further, the silicon substrate on which the MISFET is formed may have a surface orientation of (110) or may be slightly deviated from the above surface orientation.
[0062]
(Fourth embodiment)
Next, a p-channel MISFET according to a fourth embodiment of the invention will be described. The p-channel MISFET according to the present embodiment has substantially the same configuration as that of the MISFET according to the second embodiment. However, in this embodiment, in order to distort Si in the channel layer more effectively, crystalline metal oxidation is performed. A metal oxide having a rock salt structure is sandwiched between the object and the channel layer. The manufacturing method is almost the same as the method shown in FIGS.
[0063]
The channel region is formed by ion implantation of arsenic element. SrO as the rock salt structure metal oxide, Dy as the metal oxide film 2 O 3 These two types of metal oxides were formed by the MBE method. The Si surface of the channel region is subjected to dilute hydrofluoric acid treatment and terminated with hydrogen, and then the substrate is introduced into the MBE apparatus. The substrate temperature is set to 300 ° C., for example, and Sr is deposited in two atomic layers using metal Sr as an evaporation source, and then oxygen gas is supplied to form an SrO layer.
[0064]
Next, for example, the substrate temperature is set to 700 ° C., and metal Dy and oxygen gas are supplied. 2 O 3 A layer is formed to 5 nm. The oxygen partial pressure during film formation is 1 × 10 -7 Torr. By depositing SrO on Si in two atomic layers, SiO as shown in the second embodiment is obtained. 2 Dy without layer formation 2 O 3 A layer was formed. This is because SrO prevents oxygen diffusion. That is, the insulating film is composed of the
[0065]
As a result of lattice constant evaluation using electron diffraction, it was confirmed that compressive stress was applied to Si of the channel layer and the lattice constant was reduced. Dy 2 O 3 It was found that the change in the lattice constant of -1.8% and the change in the lattice constant of Si near the interface was -0.8%. The lattice constant was changed even in Si 50 nm away from the interface, and the lattice constant was changed by -0.7%. The amount of change in the lattice constant of Si is increased to about twice that of the second embodiment in which no SrO layer is used. Amorphous SiO 2 Since no layer was formed, the difference in lattice spacing in the metal oxide film was directly added to the Si layer, and the lattice constant of SrO was 5.12Å 2 O 3 This is because the effect of applying the compressive stress is further increased because the size is even smaller than the above. Here, although the thickness of the SrO layer is a diatomic layer, it has been found that the thickness of the SrO layer is preferably in the range of 1 to 3 atomic layers. Since substances such as SrO and MgO are unstable in the air, when the thickness is further increased, the crystallinity changes with time and the characteristics deteriorate. On the other hand, if it is thinner than one atomic layer, the effect of suppressing the diffusion of oxygen cannot be obtained, and
[0066]
SrO layer and Dy as described above 2 O 3 The characteristics of a transistor having a gate insulating film including a layer and a transistor having amorphous SiON as a gate insulating film were compared. Both SiO 2 A gate insulating film made of SiON having a converted film thickness (EOT) of 1.5 nm, and Dy 2 O 3 When comparing Id-Vg characteristics of p-channel MISFETs each having a gate insulating film having a / SrO stacked structure, the S factor in the gate insulating film made of SiON is 120 mV / decade, and
[0067]
On the other hand, Dy 2 O 3 The p-channel MISFET having the gate insulating film including the / SrO layer according to the present embodiment has an S factor of 90 mV / decade, which is found to be greatly improved. In addition, it was confirmed that the current driving force of the present embodiment is improved as compared with the case of SiON. This is because the hole mobility is further improved by applying a large compressive stress to the Si layer of the channel layer.
[0068]
As described above, according to the present embodiment, it has been clarified that the effect of using a metal oxide having a lattice interval different from that of Si is further increased by inserting a metal oxide having a rock salt structure.
[0069]
In addition, although the case where SrO was used was shown in this embodiment, you may use the metal oxide with another rock salt structure. In particular, when a metal oxide film having a rock salt structure of SrO, MgO, CaO, or BaO is used, the effect of suppressing oxygen diffusion is remarkable, and transistor characteristics can be greatly improved.
[0070]
When applying tensile stress to Si, it is desirable to use BaO, which is a metal oxide having a rock salt structure having a lattice constant larger than that of Si. In addition, when it is desired to apply compressive stress to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are metal oxides having a rock salt structure having a lattice constant smaller than that of Si. However, the change in the lattice constant in the Si layer is mainly determined by the crystalline metal oxide having a large film thickness formed on the Si layer, and for example, sandwiching SrO having a lattice constant smaller than that of Si. Pr having a larger lattice constant than Si 2 O 3 In the structure in which Si is laminated, Si in the channel region is subjected to tensile stress, so that a metal oxide having a rock salt structure and a crystalline metal oxide can be arbitrarily combined.
[0071]
(Fifth embodiment)
FIG. 12 shows a cross-sectional configuration of the MISFET according to the fifth embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, an insulating
[0072]
When the MISFET according to the present embodiment is an n-channel MISFET, the lattice constant of the insulating
[0073]
Next, the method for fabricating the n-channel MISFET according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0074]
First, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of the
[0075]
Next, a
[0076]
Next,
[0077]
Next, by performing thermal oxidation, SiO 2 A
[0078]
Subsequently, as shown in FIG. 14A, the
[0079]
Next, SiO is formed by CVD. 2 An interlayer insulating
[0080]
Next, the characteristics of the
[0081]
FIG. 16 shows SiO 2 The change in lattice constant is shown with reference to the lattice spacing of Si at a
[0082]
According to the present embodiment, crystalline La having different lattice spacing from Si 2 O 3 The characteristics of the transistor in which the insulating film including the layer is embedded in the
[0083]
On the other hand, in the method according to the present embodiment, a Si substrate can be used as the substrate, and the cost can be greatly reduced. FIG. 18 shows both cases of 3 nm SiO. 2 An n-channel MISFET according to a comparative example having an SGOI structure having a gate insulating film, and La 2 O 3 The Id-Vg characteristics of the n-channel MISFET according to the present embodiment manufactured by embedding layers are compared.
[0084]
The S factor in the n-channel MISFET according to the comparative example having the strained SGOI structure is 75 mV / decade.
[0085]
In contrast, La 2 O 3 The S-factor of the n-channel MISFET according to the present embodiment in which the layer was embedded was 70 mV / decade, and it was confirmed that there was no inferiority as compared with the comparative example having the strained SGOI structure. Moreover, it turns out that this embodiment is improving also the current drive force compared with the comparative example. This makes it possible to apply sufficient tensile strain to the Si layer of the channel layer, improving the electron mobility, and avoiding the decrease in mobility due to Ge diffusion, which is observed when an SGOI substrate is used. It depends on what was done.
[0086]
As described above in detail, according to the present embodiment, a tensile stress can be applied to Si in the channel region by embedding an insulating film containing a metal oxide having a lattice spacing different from that of Si in the substrate. Further, according to the present embodiment, the transistor characteristics can be improved by increasing the electron mobility without going through a complicated process using a conventional strained SGOI.
[0087]
In the fifth embodiment, La is used as the crystalline metal oxide constituting the insulating
[0088]
In addition, although the case where the sputtering method is used as the film formation method for the crystalline metal oxide is shown, other film formation methods such as a CVD method, an electron beam evaporation method, and an MBE method may be used. .
[0089]
Among crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one element selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film forming conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, it was confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd was used, a film having high crystallinity could be realized and a particularly high effect was obtained. .
[0090]
In the fifth embodiment, the case of the n-channel MISFET has been described, but the p-channel MISFET can also be implemented by the same method. Of the crystalline metal oxides described above, which metal oxide is selected depends on whether tensile stress or compressive stress is to be applied to Si. When an n-channel MISFET is manufactured, the mobility of electrons is improved in Si to which tensile stress is applied. Therefore, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected. On the other hand, when a p-channel MISFET is manufactured, the mobility of holes is improved by either tensile or compressive stress, so a metal oxide having a lattice constant different from that of Si may be selected.
[0091]
The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be realized with a metal oxide containing only one kind of metal element, a metal oxide containing two or more kinds of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 By using this, the change in the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0092]
(Sixth embodiment)
Next, an n-channel MISFET according to a sixth embodiment of the invention will be described. The n-channel MISFET according to the present embodiment has the same configuration as that of the n-channel MISFET according to the fifth embodiment shown in FIG. 12, but in this embodiment, in order to apply tensile stress to Si of the channel layer, insulation is performed. As the
[0093]
The manufacturing method of the n-channel MISFET in this embodiment is almost the same as the method shown in FIGS. 13 and 14, but a silicon substrate having a (111) plane orientation is used as the substrate. The Ce oxide is formed using the MBE method. The Si surface of the substrate is treated with dilute hydrofluoric acid and terminated with hydrogen, and then introduced into the MBE apparatus. The substrate temperature is set to 700 ° C., for example, and Ce is monolayer-deposited using metal Ce as an evaporation source. 3 Alternatively, oxygen gas is supplied to form an insulating film made of Ce oxide with a thickness of 5 nm. The oxygen partial pressure during film formation is 1 × 10 -8 Torr. By using such a film formation method, SiO 2 A single crystal Ce oxide film that is directly bonded to Si and oriented in the (111) direction can be epitaxially grown without forming an amorphous layer. Thereafter, the same process as shown in FIGS. 13B to 14B is performed to complete the n-channel MISFET.
[0094]
According to the above method, the composition ratio of the metal and oxygen of the Ce oxide formed was 1.77, and the lattice constant was + 0.8% compared to Si. As described in the third embodiment, the oxygen composition ratio of the Ce oxide decreases because the oxygen partial pressure during MBE film formation is 1 × 10. -8 This is because it is set low as Torr. By controlling the oxygen partial pressure, the composition ratio between the metal and oxygen of the Ce oxide can be changed. -7 When it is set to Torr, the composition ratio is 1.89, and the change in lattice constant is almost 0%. The strain in the Si channel layer formed on the Ce oxide having the composition ratio x = 1.77 was + 0.75%. The strain in the Si channel layer formed on the Ce oxide having the composition ratio x = 1.89 was almost 0%.
The characteristics of a transistor in which a crystalline Ce oxide having a lattice spacing different from that of Si according to the present embodiment is embedded in a Si substrate and a strained SGOI transistor as a comparative example will be compared.
[0095]
FIG. 19 shows both cases of 3 nm SiO. 2 An SGOI structure n-channel MISFET having a gate insulating film and a Ce oxide (CeO having a different composition ratio) 1.77 , CeO 1.89 , CeO 2.00 ) Are compared to compare the Id-Vg characteristics of n-channel MISFETs. The S factor in a strained SGOI n-channel MISFET is 75 mV / decade. When attention is paid to Ce oxide, it can be seen that as the composition ratio of metal and oxygen becomes smaller, the S factor becomes smaller and the current driving force is further improved. When the composition ratio of the metal and oxygen is the stoichiometric ratio x = 2.0, the S factor is deteriorated to 120 mV / decade. At this time, the lattice constant of Ce oxide is smaller than that of Si, and compressive strain is applied to Si of the channel layer. Therefore, the mobility of electrons decreases and the S factor deteriorates. As the composition ratio decreases, the S factor improves, and when x = 1.77, the S factor decreases to 61 mV / decade. This is because, as the composition ratio of metal and oxygen decreases, the lattice spacing of Ce oxide increases, so that the lattice spacing of Si in the channel also increases, and the electron mobility is improved. It was confirmed that the S-factor of the n-channel MISFET embedded with Ce oxide having a composition ratio x = 1.77 was not only inferior but improved compared to the strained SGOI. Further, it can be seen that the current driving force is also improved as compared with the strain SGOI. This makes it possible to apply sufficient tensile strain to the Si layer of the channel layer, improving the electron mobility, and avoiding the decrease in mobility due to Ge diffusion, which is observed when an SGOI substrate is used. It depends on what was done.
[0096]
As a crystalline metal oxide, CeO 2 As described above, the same effect can be obtained if the crystal has a high ion binding property. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 An oxide having a perovskite structure may be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 MgAl2O with spinel structure 4 But you can. Although the crystalline Ce oxide is shown as a single crystal, the same effect can be obtained in the case of a polycrystal with oriented crystal orientation.
[0097]
In this embodiment, the case where the MBE method is used as the film formation method for the crystalline metal oxide is shown. However, the film formation method may be another film formation method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method. A method may be used. Among crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ion bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, More preferably, a rare earth oxide containing at least one element selected from Yb, Lu) is used. Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the composition ratio of metal to oxygen can be realized, and a particularly high effect can be obtained. It was confirmed.
[0098]
In the fifth embodiment, a MISFET is formed on a Si substrate having a plane orientation of (001) and in the sixth embodiment on a silicon substrate having a plane orientation of (111). The plane orientation is (001), Any of (111) may be sufficient. Further, the silicon substrate on which the MISFET is formed may have a surface orientation of (110) or may be slightly deviated from the above surface orientation.
[0099]
Furthermore, in the fifth and sixth embodiments, it is also effective to sandwich a metal salt having a rock salt structure between the crystalline metal oxide and the channel layer in order to more effectively distort the Si of the channel layer. There is. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment, and amorphous SiO is formed at the interface with the crystalline oxide by sandwiching the metal oxide having a rock salt structure. 2 Since no layer is formed, the difference in lattice spacing in the metal oxide film is more directly added to the Si channel layer. The thickness of the rock salt structure oxide used is preferably in the range of 1 to 3 atomic layers. Since substances such as SrO and MgO are unstable in the air, when the thickness is further increased, the crystallinity changes with time and the characteristics deteriorate. On the other hand, if it is thinner than one atomic layer, the effect of suppressing the diffusion of oxygen cannot be obtained, and amorphous SiO 2 This is because a layer is generated. Among the oxides of rock salt structure, especially when the metal oxide film of rock salt structure of SrO, MgO, CaO, BaO is used, the effect of suppressing oxygen diffusion is remarkable, and transistor characteristics can be greatly improved. It is.
[0100]
In addition, when applying tensile stress to Si, it is desirable to use BaO which is a metal oxide having a rock salt structure having a lattice constant larger than that of Si. In addition, when it is desired to apply compressive stress to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are metal oxides having a rock salt structure having a lattice constant smaller than that of Si. However, the change in the lattice constant in the Si layer is mainly determined by a crystalline metal oxide having a large film thickness. For example, SrO having a lattice constant smaller than that of Si is sandwiched, and the lattice constant is larger than that of Si. Big Pr 2 O 3 In the structure in which Si is laminated, Si in the channel region is subjected to tensile stress, so that a metal oxide having a rock salt structure and a crystalline metal oxide can be arbitrarily combined.
[0101]
(Seventh embodiment)
FIG. 20 shows a cross-sectional configuration of the MISFET according to the seventh embodiment of the present invention. In the MISFET according to this embodiment, an insulating
[0102]
Next, the method for fabricating the p-channel MISFET according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. First, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of the
[0103]
Next, a
[0104]
Next,
[0105]
Next, the
[0106]
Next, a
[0107]
Next, SiO is formed by CVD. 2 A
[0108]
Next, the characteristics of the channel layer of the p-channel MISFET according to this embodiment having the structure shown in FIGS. 21 to 23 will be described in detail. FIG. 24 shows SiO 2 Layer 3c / Y 2 O 3 Layer 3a / SiO 2 Insulating film 3 having a laminated structure of
[0109]
According to the present embodiment, crystalline Y having different lattice spacing from Si 2 O 3 An insulating film including a layer is embedded in a Si substrate, and crystalline Y having a lattice spacing different from that of Si is used. 2 O 3 The characteristics of a transistor including a layer in a gate insulating film and a transistor having a strained SGOI structure as a comparative example are compared. FIG. 26 shows Id-Vg characteristics of the p-channel MISFET according to the present embodiment and the p-channel MISFET according to the comparative example. The S factor in the strained SGOI p-channel MISFET according to the comparative example is 81 mV / decade. On the other hand, Y according to this embodiment 2 O 3 The S-factor of the p-channel MISFET using the layer was 70 mV / decade, and it was confirmed that there was no inferiority as compared with the comparative example. In addition, it can be seen that the current driving force is improved in the present embodiment as compared with the case of the strain SGOI. This is sufficient for the Si layer of the channel layer, and it is possible to apply a uniform compressive strain in the depth direction, and the hole mobility is improved. Further, this is seen when an SGOI substrate is used. This is because a decrease in mobility due to Ge diffusion is avoided.
[0110]
In the seventh embodiment, Y is used as the crystalline metal oxide constituting the insulating
[0111]
Although the crystalline metal oxide is also shown in the case of a polycrystal with oriented crystal orientation, it has been confirmed that the use of a single crystal metal oxide causes a larger change in lattice constant. Although the case where the electron beam method is used as a method for forming a crystalline metal oxide is shown, other film formation methods such as a CVD method, a sputtering method, and an MBE method may be used.
[0112]
Among crystalline metal oxides, rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) It is more preferable to use a rare earth oxide containing at least one element selected from among them. This is because the rare earth oxide can easily increase the crystallinity by controlling the film forming conditions, and can effectively change the lattice spacing of Si. Among them, it was confirmed that when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd was used, a film having high crystallinity could be realized and a particularly high effect was obtained. .
[0113]
In the seventh embodiment, both the crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si included in the gate insulating film are Y. 2 O 3 However, it is not always necessary to use the same metal oxide for both, and any of the above-described metal oxides can be selected depending on the direction and amount of strain required.
[0114]
Further, in the seventh embodiment, the case of the p-channel MISFET has been described, but the same effect can also be obtained for the n-channel MISFET. Of the crystalline metal oxides described above, which metal oxide is selected depends on whether tensile stress or compressive stress is to be applied to Si. When an n-channel MISFET is manufactured, the mobility of electrons is improved in Si to which tensile stress is applied. Therefore, a metal oxide having a larger lattice constant than Si is selected. On the other hand, when a p-channel MISFET is manufactured, the mobility of holes is improved by either tensile or compressive stress, so a metal oxide having a lattice constant different from that of Si may be selected.
[0115]
The lattice constant of the metal oxide is selected according to the stress to be applied. When a desired lattice constant and stress cannot be realized with a metal oxide containing only one kind of metal element, a metal oxide containing two or more kinds of metal elements may be used. For example, it contains two elements of Eu and Dy (Eu x Dy 1-x ) 2 O 3 By using this, the change in the lattice constant of the metal oxide with respect to Si can be arbitrarily changed between 0 and -1.8%.
[0116]
Furthermore, in the seventh embodiment, in order to apply stress to Si of the channel layer, Y 2 O 3 However, it is also possible to use a metal oxide in which the composition ratio of metal to oxygen is less than the stoichiometric ratio. As described in detail so far, a crystal having a high ion binding property may be selected as the crystalline metal oxide. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 An oxide having a perovskite structure such as can be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 But you can. The crystalline metal oxide may be a single crystal or a polycrystal having a crystal orientation oriented. As a method for forming a crystalline metal oxide, an MBE method, a method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method can be used. Among crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ion bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, More preferably, a rare earth oxide containing at least one element selected from Yb, Lu) is used. Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, precise control of the composition ratio of metal to oxygen can be realized, and a particularly high effect can be obtained. It was confirmed.
[0117]
It is necessary to use the same metal oxide for both the crystalline metal oxide with different lattice spacing from Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide with different lattice spacing from Si contained in the gate insulating film. It is possible to use a metal oxide having a stoichiometric ratio of metal and oxygen on one side and a metal oxide having a lower oxygen composition ratio than the stoichiometric ratio on the other side. is there. Depending on the direction and amount of strain required, any of the above metal oxides can be selected.
[0118]
In the seventh embodiment, the Si substrate having the (001) plane orientation is used, but the plane orientation may be any of (001), (111), and (110). Further, the angle may slightly deviate from the plane orientation.
[0119]
Furthermore, in the seventh embodiment, in order to more effectively distort the Si of the channel layer, a crystalline metal oxide embedded in the Si substrate, or a crystalline metal oxide included in the gate insulating film, It is also effective to sandwich a metal salt having a rock salt structure between the channel layer. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment, and amorphous SiO is formed at the interface with the crystalline oxide by sandwiching the metal oxide having a rock salt structure. 2 Since no layer is formed, the difference in lattice spacing in the metal oxide film is more directly added to the Si channel layer. The thickness of the rock salt structure oxide used is preferably in the range of 1 to 3 atomic layers. Since substances such as SrO and MgO are unstable in the air, when the thickness is further increased, the crystallinity changes with time and the characteristics deteriorate. On the other hand, if it is thinner than one atomic layer, the effect of suppressing the diffusion of oxygen cannot be obtained, and amorphous SiO 2 This is because a layer is generated. Among the oxides of rock salt structure, especially when the metal oxide film of rock salt structure of SrO, MgO, CaO, BaO is used, the effect of suppressing oxygen diffusion is remarkable, and transistor characteristics can be greatly improved. It is. When applying tensile stress to Si, it is desirable to use BaO, which is a metal oxide having a rock salt structure having a lattice constant larger than that of Si. In addition, when it is desired to apply compressive stress to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are metal oxides having a rock salt structure having a lattice constant smaller than that of Si. However, the change in the lattice constant in the Si layer is mainly determined by a crystalline metal oxide having a large thickness. For example, SrO having a lattice constant smaller than that of Si is sandwiched, and the lattice constant is larger than that of Si. Big Pr 2 O 3 In the structure in which Si is laminated, Si in the channel region is subjected to tensile stress, so that a metal oxide having a rock salt structure and a crystalline metal oxide can be arbitrarily combined. In addition, a crystalline salt metal oxide with a different lattice spacing from Si embedded in the substrate, a crystalline metal oxide with a different lattice spacing from Si contained in the gate insulating film, and a rock salt structure at the interface with the channel layer There is no need to sandwich the metal oxide, and the effect can be obtained with either one.
[0120]
(Eighth embodiment)
Next, a method for manufacturing a field effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0121]
First, as shown in FIG. 27A, an
[0122]
Next, the
[0123]
Next, only the
[0124]
Next, as shown in FIG. 28A, the
[0125]
Next, SiO is formed by CVD. 2 A
[0126]
As described above, according to the present embodiment, strained Si can be formed in the channel region, so that transistor characteristics can be greatly improved. Further, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0127]
(Ninth embodiment)
Next, a method for fabricating a field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0128]
First, as shown in FIG. 29A, the surface of the
[0129]
Next, the
[0130]
Next, the
[0131]
Next,
[0132]
Next, by thermal oxidation, SiO 2 A
[0133]
Next, SiO is formed by CVD. 2 A
[0134]
As described above, according to the present embodiment, strained Si can be formed in the channel region, so that transistor characteristics can be greatly improved. Further, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0135]
(10th Embodiment)
Next, a method for manufacturing a field effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0136]
First, dilute hydrofluoric acid treatment is performed on the surface of a silicon substrate having a (111) plane orientation, and the surface of the silicon substrate is terminated with hydrogen. Next, the
[0137]
Next, the
[0138]
Next, as shown in FIG. 31C, the
[0139]
Next, a substrate is introduced into the laser ablation apparatus. The substrate temperature is set to 500 ° C., for example, and CeO 2 As a vapor deposition source, a
[0140]
Next, as shown in FIG. 32A, only the
[0141]
Next, a
[0142]
As described above, according to the present embodiment, strained Si can be formed in the channel region, so that transistor characteristics can be greatly improved. Further, strained Si can be easily formed by laser irradiation or the like.
[0143]
(Eleventh embodiment)
Next, a method for manufacturing a field effect transistor according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a method for manufacturing a MISFET having an n-type channel and a p-type channel region is shown.
[0144]
First, as shown in FIG. 33A, an
[0145]
Next, Dy 2 O 3
[0146]
Next, only the
[0147]
Next, a
[0148]
Next, SiO is formed by CVD. 2 A
[0149]
As described above, the transistor according to the present embodiment having an n-type channel and a p-type channel and modulating the lattice constant of the Dy oxide on the n-type channel side is compared with amorphous SiO which is a comparative example. 2 The characteristics were compared with a transistor having a strained SGOI structure having a gate insulating film as a gate electrode. The comparison result is shown in FIG.
[0150]
As shown in FIG. 2 SiO with an equivalent film thickness (EOT) of 8 nm 2 CMOSFET having a gate insulating film made of (hereinafter also referred to as SGOI type CMOS), SiO 2 Dy oxide / SiO2 with equivalent film thickness (EOT) of 8 nm 2 The dependence of the gate delay time on the power supply voltage of the CMOSFET according to the present embodiment having an insulating film having a laminated structure (hereinafter also referred to as a lattice local modulation type CMOS) was compared. The lattice local modulation type CMOS is lower than the SGOI type CMOS over the entire voltage range, and it can be seen that the delay time can be reduced by using the lattice local modulation type CMOS. This is because the SGOI type has tensile strain applied to both the n-type and p-type, so that only the mobility of electrons is improved and the mobility of holes is not so much improved. This is because the tensile strain is applied to the mold and the compressive strain is applied to the p-type, so that the mobility of both electrons and holes is greatly improved.
[0151]
As described above, according to the present embodiment, not only the n-channel MISFET and the p-channel MISFET but also the composite CMOS thereof includes a metal oxide whose lattice spacing changes with Si by controlling the oxygen composition. By using the insulating film as the gate insulating film, the characteristics can be greatly improved. Further, the same effect can be obtained even if the above method is performed on a metal oxide embedded in a substrate. Furthermore, it is possible to achieve further improvement in performance by combining the use of a metal oxide whose lattice spacing changes with Si by controlling the oxygen composition in the substrate and using it as a gate insulating film. is there.
[0152]
Further, in the eighth to eleventh embodiments, an example in which Ce oxide and Dy oxide are used to apply stress to Si in the channel layer has been shown. However, as described in detail so far, crystalline metal oxide is used. As the product, a crystal having high ion binding property may be selected. That is, SrTiO 3 , SrZrO 3 , Sr (TiZr) O 3 , SrCeO 3 An oxide having a perovskite structure such as can be used. Further, oxides having a rock salt structure such as MgO, CaO, SrO, BaO, Al 2 O 3 MgAl with spinel structure 2 O 4 But you can. The crystalline metal oxide may be a single crystal or a polycrystal having a crystal orientation oriented.
[0153]
As a method for forming a crystalline metal oxide, an MBE method, a method such as a CVD method, a sputtering method, or an electron beam evaporation method can be used. Among crystalline metal oxides, rare earth elements having strong ion bonding properties (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, More preferably, a rare earth oxide containing at least one element selected from Yb, Lu) is used. Among them, when an oxide containing at least one of Ce, Dy, Y, La, Pr, and Gd is used, it is confirmed that precise control of the oxygen composition ratio can be realized and a particularly high effect can be obtained. did.
[0154]
In the case of the eleventh embodiment, both the crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si embedded in the substrate and the crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si included in the gate insulating film are used. It is not always necessary to use the same metal oxide for both. It is also possible to use a metal oxide whose oxygen composition ratio is a stoichiometric ratio on one side and a metal oxide whose oxygen composition ratio is lower than the stoichiometric ratio on the other side. A metal oxide can be arbitrarily selected according to the direction and amount of strain required.
[0155]
In the eighth to eleventh embodiments, the Si substrate having the (111) plane orientation is used, but the plane orientation may be any of (001), (111), and (110). Further, the angle may slightly deviate from the plane orientation.
[0156]
Furthermore, in the eighth to eleventh embodiments, in order to more effectively distort Si in the channel layer, a crystalline metal oxide embedded in the Si substrate or a crystalline metal oxide included in the gate insulating film It is also effective to sandwich a metal salt having a rock salt structure between the object and the channel layer. The effect is the same as that described in detail in the fourth embodiment, and amorphous SiO is formed at the interface with the crystalline oxide by sandwiching the metal oxide having a rock salt structure. 2 Since no layer is formed, the difference in lattice spacing in the metal oxide film is more directly added to the Si channel layer. The thickness of the rock salt structure oxide used is preferably in the range of 1 to 3 atomic layers. Since substances such as SrO and MgO are unstable in the air, when the thickness is further increased, the crystallinity changes with time and the characteristics deteriorate. On the other hand, if it is thinner than one atomic layer, the effect of suppressing the diffusion of oxygen cannot be obtained, and amorphous SiO 2 This is because a layer is generated. Among the oxides of rock salt structure, especially when the metal oxide film of rock salt structure of SrO, MgO, CaO, BaO is used, the effect of suppressing oxygen diffusion is remarkable, and transistor characteristics can be greatly improved. It is. When applying tensile stress to Si, it is desirable to use BaO, which is a metal oxide having a rock salt structure having a lattice constant larger than that of Si.
[0157]
In addition, when it is desired to apply compressive stress to Si, it is desirable to use SrO, MgO, and CaO, which are metal oxides having a rock salt structure having a lattice constant smaller than that of Si. However, the change in the lattice constant in the Si layer is mainly determined by a crystalline metal oxide having a large thickness. For example, SrO having a lattice constant smaller than that of Si is sandwiched, and the lattice constant is larger than that of Si. Big Pr 2 O 3 In the structure in which Si is laminated, Si in the channel region is subjected to tensile stress, so that a metal oxide having a rock salt structure and a crystalline metal oxide can be arbitrarily combined. Further, in the case of the eleventh embodiment, a crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si embedded in the substrate, and a crystalline metal oxide having a lattice spacing different from that of Si included in the gate insulating film. In addition, it is not necessary to sandwich a metal oxide having a rock salt structure at both the interface with the channel layer, and the effect can be obtained with either one.
[0158]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the transistor characteristics can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the method for manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 4 shows Pr of the field effect transistor according to the first embodiment. 2 O 3 / SiO 2 The schematic diagram which shows the cross section of / Si interface.
FIG. 5 shows Pr of the field effect transistor according to the first embodiment. 2 O 3 Layer, SiO 2 The figure which shows the change of the lattice constant in / Si interface and a channel layer.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the gate voltage Vg and the drain current Id of the field effect transistors according to the first embodiment and the comparative example.
FIG. 7 is a schematic view showing a cross section of a Ce oxide / Si interface of a field effect transistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a measurement position of a Ce oxide / Si interface and a change value of a lattice constant according to a third embodiment.
FIG. 9 is a view showing the relationship between the composition ratio of metal and oxygen and the lattice constant of Ce oxide of the field effect transistor according to the third embodiment.
FIG. 10 is a schematic view showing that the Ce oxide of the field effect transistor according to the third embodiment has an oxygen deficiency due to oxygen loss and an average lattice constant of the Ce oxide is increased.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the composition ratio of Ce oxide metal and oxygen, the gate voltage, and the drain current of the field effect transistors according to the third embodiment and the comparative example.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a field effect transistor according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the field effect transistor according to the fifth embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a manufacturing process of the field effect transistor according to the fifth embodiment.
FIG. 15 shows Si / SiO according to the fifth embodiment. 2 / La 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The schematic diagram which shows the cross section of an interface.
FIG. 16 shows Si / SiO according to the fifth embodiment. 2 / La 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The figure which shows the measurement position of an interface, and the change value of a lattice constant.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a structure of a field effect transistor having a strained SOI structure.
FIG. 18 is a characteristic diagram showing the relationship between the gate voltage and the drain current of the SOI field effect transistor according to the fifth embodiment and the comparative example.
FIG. 19 is a characteristic diagram showing the relationship between the gate voltage and the drain current of the SOI field effect transistor according to the sixth embodiment and the comparative example.
FIG. 20 is a sectional view showing the structure of a field effect transistor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the field effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the field effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the field effect transistor according to the seventh embodiment.
FIG. 24 shows Si / SiO of the field effect transistor according to the seventh embodiment. 2 / Y 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The schematic diagram which shows the cross section of an interface.
FIG. 25 shows Si / SiO of the field effect transistor according to the seventh embodiment. 2 / Y 2 O 3 / SiO 2 / Si / SiO 2 The figure which shows the measurement position of an interface, and the change value of a lattice constant.
FIG. 26 is a characteristic diagram showing the relationship between the gate voltage and the drain current of the SOI field effect transistor according to the seventh embodiment and the comparative example.
FIG. 27 is a manufacturing step sectional view of a method for manufacturing a field effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention;
FIG. 28 is a manufacturing step sectional view of a method for manufacturing a field effect transistor according to the eighth embodiment of the present invention;
FIG. 29 is a manufacturing process sectional view of the method for manufacturing the field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention.
30 is a manufacturing process sectional view of the method for manufacturing the field effect transistor according to the ninth embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 31 is a manufacturing step sectional view of the method for manufacturing the field effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention;
FIG. 32 is a manufacturing step sectional view of the method for manufacturing the field effect transistor according to the tenth embodiment of the present invention;
33 is a manufacturing process sectional view of the method for manufacturing the field effect transistor according to the eleventh embodiment of the present invention; FIG.
34 is a cross-sectional view showing a manufacturing step in the method for manufacturing the field effect transistor according to the eleventh embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 35 is a characteristic diagram showing the relationship between the drain voltage and the delay time of the field-effect transistor manufactured according to the eleventh embodiment and the transistor according to the comparative example.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate
2 Device isolation region
3 Insulating film
3a Insulating film
3b SiO 2 film
3c SiO 2 film
5 Channel region (channel layer)
7 Gate insulation film
7a Insulating film
7b SiO 2 film
9 Gate electrode
11a Source region
11b Drain region
13 Insulating film
15a Source electrode
15b Drain electrode
15c Gate connection
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