JP4105044B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ(Metal-Oxide-Semiconductor)型ＦＥＴはその性能向上のため、微細化・高密度化を繰り返し、素子のサイズは益々小さくなっている。例えばトランジスタ動作を確認できるＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜の膜厚は研究段階で１ｎｍを切るところまで達している。これはＳｉＯ_２の６原子層分に相当する。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化を伴う微細化は、リーク電流の増加を招き、消費電力の増大という望ましくない結果を引き起こす。このため、微細化を図りつつもリーク電流の増加を抑える技術が必要となる。
【０００３】
微細化を図りつつもリーク電流の増加を抑える方法として、従来のＳｉＯ_２膜やＳｉＯＮ膜に代わる、Ｈｆ酸化物などの、より誘電率の高い材料（高誘電率膜）を用いることが考えられている。高誘電率膜を用いると、誘電率が高いため、ＳｉＯ_２膜換算膜厚（以下、ＥＯＴ(Equivalent Oxide Thickness)とも云う）を薄くしつつもリーク電流を低減できるという利点がある。反面、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、ＳｉＯ_２膜を用いた場合に比べてキャリア移動度が低下して駆動力が劣化するという問題があり、キャリア移動度の低下を防ぐ技術の開発が必要とされている。
【０００４】
また、微細化による性能向上には物理的限界が必ず来るため、微細化に頼らない素子の高性能化技術も必要となる。バンドエンジニアリング、３次元構造化など、これまでのＭＯＳＦＥＴに新しい発想を盛り込んだ新構造ＭＯＳＦＥＴが例として挙げられる。極薄膜ＳＯＩ(Silicon on Insulator)型ＭＯＳＦＥＴ、Ｆｉｎ型ＭＯＳＦＥＴ、歪みＳｉ−ＭＯＳＦＥＴなどがその候補である。
【０００５】
極薄膜ＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴの特徴は、基板中にＳｉＯ_２膜を埋め込み、チャネル領域を薄くしたことである。低不純物濃度で完全空乏化を実現できるため、ショ−トチャネル効果の抑制とスイッチングの高速化を可能とする。しかし、埋め込みＳｉＯ_２膜による圧縮歪をチャネル領域のＳｉが受けるために、電子の移動度が低下する問題がある。また、基板電位をとるために、ＳｉＯ_２膜のエッチング後にＳｉをエピタキシャル成長させるという複雑で緻密な製造工程を取る必要があり、製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００６】
Ｆｉｎ型ＭＯＳＦＥＴは極薄膜ＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴの発展型ともいうべきもので、埋め込みＳｉＯ_２膜上に形成されたＦｉｎ状のチャネル領域を有することを特徴とする。左右をゲート電極で挟まれたダブルゲートＭＯＳＦＥＴであるために、ショ−トチャネル効果の抑制に加えて、従来のシングルゲートＭＯＳＦＥＴよりもオン電流を増大させることができると期待されている。
【０００７】
しかし、従来のＦｉｎ型ＭＯＳＦＥＴでは、極薄膜ＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴ同様、埋め込みＳｉＯ_２膜による圧縮歪をチャネルが受ける構造になっているために、電子の移動度が低下する問題が発生すると予想される。また、基板電位を印加する為には、極薄膜ＳＯＩ型ＭＯＳＦＥＴと同様に複雑で緻密な工程を行う必要がある（例えば、特許文献１参照）。また、周囲をゲート電極で囲まれた構造であるために、ゲート電極からのボロンの突き抜けが顕著であり、閾値の制御が難しいという問題がある。
【０００８】
ＳｉＧｅを用いた歪みＳｉ−ＭＯＳＦＥＴは、絶縁膜上にＳｉＧｅ層を含んだ基板（以下、ＳＧＯＩ(SiGe on Insulator)基板とも云う）を作り、その上にＳｉをエピタキシャル成長させることを特徴とする。チャネル領域のＳｉがＳｉＧｅ層から引っ張り歪を受けるため、キャリア移動度の向上を図ることが出来る。ｎ−ＭＯＳＦＥＴにおいては８０％程度、ｐ−ＭＯＳＦＥＴにおいては２０％程度のキャリア移動度の向上が確認されている。ｐ−ＭＯＳＦＥＴにおいて移動度の顕著な向上が見られない原因に関しては、定量的にはよく理解されていないが、ＳｉＧｅ層上にチャネル領域となるＳｉ層を形成する場合には引っ張り歪しか与えられないことが一因ではないかと言われている。圧縮歪をチャネル領域に加えることによって移動度が向上する可能性があり、ＳｉＧｅをチャネルとした圧縮歪型ｐ−ＭＯＳＦＥＴも研究されている。報告では１３０％の正孔移動度向上が確認されており、より高い圧縮歪を受けたＳｉからなるチャネル領域を形成することでｐ−ＭＯＳＦＥＴの駆動力が向上する可能性は高い。しかし、ＳｉＧｅ基板（またはＳＧＯＩ基板）の製法は、ＳＩＭＯＸ法や、張り合わせ法、酸化濃縮法という複雑な手法を用いるため、製造コストが高くなる欠点があり、プロセス上容易に引っ張り歪、圧縮歪を与えられる技術の開発が必要である。また、チャネル領域が薄くなってくると、ＳｉＧｅ基板から拡散したＧｅや、貫通転位によるキャリア散乱が顕著になってくるため、ＳｉＧｅを用いない歪Ｓｉの製造方法が必要とされている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１１８２５５
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、微細化の追求による性能向上が限界を迎える時が必ず訪れるため、微細化に頼らない、新しいＭＯＳＦＥＴ構造の提案が必要である。
【００１１】
しかし、その候補として上げられている極薄膜ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴ、Ｆｉｎ型−ＭＯＳＦＥＴ、歪Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴは各々問題を抱えている。極薄膜ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴやＦｉｎ型−ＭＯＳＦＥＴでは、埋め込みＳｉＯ_２膜による圧縮歪をチャネル領域のＳｉが受けるために、電子の移動度が低下する問題があり、歪Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴではチャネル領域薄膜化に伴って、チャネル領域に拡散したＧｅによるキャリア散乱が顕著となり、移動度が低下する問題がある。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、Ｆｉｎ型−ＭＯＳＦＥＴにおいて、トランジスタ特性の大幅な改善を図ることのできる電界効果トランジスタと、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、半導体基板上に形成され前記半導体基板と面間隔の異なる結晶質を含む金属酸化物を少なくとも含む第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され前記半導体基板とは結晶の面間隔が異なる凸型形状のチャネル領域と、前記チャネル領域の両側の前記第１の絶縁膜上に形成されるソース・ドレイン領域と、前記チャネル領域の直上に形成される第２の絶縁膜と、前記ソース・ドレイン領域とは異なる前記チャネル領域の側面に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記ソース・ドレイン領域とは異なる前記チャネル領域の側面に少なくとも形成されるゲート電極と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
なお、前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むように構成しても良い。
【００１５】
なお、前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の面間隔は、酸素組成比を化学量論比よりも少なくすることで酸素組成比が化学量論比であるときの面間隔と異なっているように構成しても良い。
【００１６】
なお、前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも一つは、金属酸化物とチャネル領域との間に結晶質の岩塩構造金属酸化物を挟むように構成しても良い。
【００１７】
なお、前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の組成を部分的に変調させた領域が前記チャネル領域に接するように前記第１の絶縁膜に設けられ、前記半導体基板と前記チャネル領域を電気的に接続させるように構成しても良い。
【００１８】
なお、前記第２の絶縁膜が、半導体基板と面間隔の異なる結晶質を含む金属酸化物を少なくとも含むように構成しても良い。
【００１９】
なお、前記第１の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜が前記チャネル領域に与える歪の方向は、同一であるように構成しても良い。
【００２０】
なお、前記第２の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むように構成しても良い。
【００２１】
なお、前記第２の絶縁膜に含まれる金属酸化物の面間隔は、酸素組成比を化学量論比よりも少なくすることで酸素組成比が化学量論比であるときの面間隔と異なっているように構成しても良い。
【００２２】
なお、前記第２の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも一つは、金属酸化物とチャネル領域との間に結晶質の岩塩構造金属酸化物を挟むように構成しても良い。
【００２３】
なお、前記ゲート絶縁膜が、半導体基板と面間隔の異なる結晶質を含む金属酸化物を少なくとも含むように構成しても良い。
【００２４】
なお、前記第１の絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜が前記チャネル領域に与える歪の方向は、互いに異なるように構成しても良い。
【００２５】
なお、前記ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むように構成しても良い。
【００２６】
なお、前記ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化物の面間隔は、酸素組成比を化学量論比よりも少なくすることで酸素組成比が化学量論比であるときの面間隔と異なっているように構成しても良い。
【００２７】
なお、前記ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも一つは、金属酸化物とチャネル領域との間に結晶質の岩塩構造金属酸化物を挟むように構成しても良い。
【００２８】
また、本発明の第２態様による電界効果トランジスタの製造方法は、半導体基板上に、前記半導体基板と面間隔の異なる結晶質である金属酸化物からなる金属酸化膜を少なくとも含む第１の絶縁膜を形成する工程、その後、前記第１の絶縁膜に含まれる前記金属酸化膜の一部の領域の導電性を変化させる工程とを含むことを特徴とする。
【００２９】
なお、前記導電性を変化させる工程は、前記金属酸化膜の一部の領域の酸素組成比を変調させる工程を含むように構成しても良い。
【００３０】
なお、前記金属酸化膜の一部の領域の酸素組成比の変調は、イオン打ち込み、熱処理、レーザー照射、電子線照射、電磁波照射のいずれかにより行うように構成しても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるＦｉｎ型ＭＩＳ(Metal Insulator Semiconductor)ＦＥＴの構成を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は第１実施形態によるＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴの斜視図、図２は図１に示す切断面Ａ−Ａで切断したときの断面図、図３は図１に示す切断面Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００３２】
この実施形態によるＭＩＳＦＥＴは、Ｓｉからなる半導体基板１ｂの表面に結晶性の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜３が形成され、この絶縁膜３の上に凸型のチャネル領域（チャネル層）５ｂが形成されている。絶縁膜３を構成する金属酸化物の結晶の所定方向の面間隔（以下、面間隔という）がＳｉの面間隔とは異なる。このため、チャネル領域５ｂにおけるＳｉは絶縁膜３から応力をうけ、歪みＳｉ層が形成されている。このチャネル領域５ｂの両側に、チャネル領域５ａと導電型が異なるソース領域１０ａおよびドレイン領域１０ｂが形成された構成となっている。また、チャネル領域５ｂの直上部には絶縁膜６ａが形成されている。チャネル領域５ｂの側面上にはゲート絶縁膜７が形成されている。ゲート絶縁膜７の周囲には、ポリシリコンからなるゲート電極９ａが形成されている。すなわち、本実施形態においては、チャネル領域５ｂにおけるＳｉの面間隔は半導体基板１ｂにおけるＳｉの面間隔と異なるように構成されている。ここで、本実施形態のＭＩＳＦＥＴがｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくし、チャネル層におけるＳｉの面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、ｐ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、金属酸化物の面間隔をＳｉより大きく、または、小さくし、チャネル層におけるＳｉの面間隔を、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。
【００３３】
次に、本実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴの製造方法を、図４乃至図９を参照して説明する。図４（ａ）乃至図４（ｅ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図５（ａ）乃至図５（ｅ）は図４（ａ）乃至図４（ｅ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図６（ａ）乃至図６（ｅ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図７（ａ）乃至図７（ｅ）は図６（ａ）乃至図６（ｅ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図８（ａ）乃至図８（ｃ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図９（ａ）乃至図９（ｃ）は図８（ａ）乃至図８（ｃ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図である。
【００３４】
まず、（００１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて、打ち込みによるダメ−ジを回復するために、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このような熱処理を行うことによって、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるＳｉ層５ａが形成される（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。これにより、後述の工程で剥離を容易に行うことが可能となる。
【００３５】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａの表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ａを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば５００℃とし、Ｐｒ_６Ｏ_１１を蒸着源として用いて金属酸化物Ｐｒ_２Ｏ_３を例えば５ｎｍ蒸着し、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａを形成する（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。このとき、Ｓｉ層５ａの、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ａと金属酸化物Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａの間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂが形成される。また、本実施形態においては、酸素分圧を１×１０^−７Ｔｏｒｒに精密に制御することにより、酸化物Ｐｒ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、Ｘ線回折評価より、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａは面方位（００１）方向に配向したエピタキシャル層であり、ＳｉＯ_２層３ｂとＰｒ_２Ｏ_３層３ａとの界面に対して平行方向、すなわち面方位（００１）方向のＰｒ_２Ｏ_３の面間隔は５．５２Åであることがわかっている。この値は面方位（００１）方向のＳｉの面間隔に対して１．７％大きい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｐｒ_２Ｏ_３からなる絶縁膜３は面方位（００１）方向に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認されている。
【００３６】
次に、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法を用いて例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する。このとき、Ｓｉ層５のＰｒ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５とＰｒ_２Ｏ_３層３ａの間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃが形成される。つまり、この製造方法では、Ｓｉ層５ａと、Ｓｉ層５との間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂ、膜厚５ｎｍのＰｒ_２Ｏ_３層３ａ、および膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃからなる３層積層構造の絶縁膜３が形成された構成となっている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【００３７】
次に、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）。その後、中間層２を境に基板１ｂを剥離することによって、金属酸化物Ｐｒ_２Ｏ_３からなる絶縁膜３上にＳｉ層５ａを露出する。続いて、例えばＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)法を用いてＳｉ層５ａの露出した表面を平坦化する。（図４（ｅ）、図５（ｅ）参照）。
【００３８】
次に、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように膜厚が５０ｎｍのＳｉＯ_２を全面に被膜し絶縁膜６を形成する。なお、この後に続いて、絶縁膜６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、チャネルとして用いるＳｉ層５ａに不純物プロファイルを形成することも可能である。続いて、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法などの異方性エッチング法を用いて絶縁膜６およびＳｉ層５ａをパタ−ニングし、凸型のチャネル層５ｂおよび絶縁膜６ａを形成する。このとき、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ａとの間に形成されたＳｉＯ_２層３ｂも同時にパターニングされる。
【００３９】
次に、図６（ｃ）、図７（ｃ）に示すようにチャネル領域５ｂの周囲に、膜厚が３ｎｍのＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜７を形成する。この時、例えばＦｉｎのチャネル領域の高さ（ゲート幅）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの幅（チャネル領域深さ）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの長さを２００ｎｍとする。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６（ｄ）、図７（ｄ）参照）。
【００４０】
次に、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａを形成する（図６（ｅ）、図７（ｅ）参照）。その後、ゲート電極９ａ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１０ａ、１０ｂを形成する（図８（ａ）、図９（ａ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜１１を全面に堆積する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【００４１】
次に、図８（ｃ）、図９（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン領域１０ａ、１０ｂ上にコンタクトホ−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１２ａ、１２ｂおよびゲート電極１２ｃを形成し、Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴが完成する。
【００４２】
次に、図４（ａ）乃至図９（ｃ）に示した構造を持つＦｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの絶縁膜３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、その面間隔がチャネル層の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Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａを形成することにより、チャネル領域のＳｉに、チャネル方向に引っ張り応力が加わり、面間隔が変化することを見出した。図１０は、図４（ａ）乃至図９（ｃ）に示した構造を持つｎ−ＭＩＳＦＥＴにおける絶縁膜３とチャネル領域５ｂの拡大図であり、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ、ＳｉＯ_２層３ｂ、３ｃとチャネル領域５ｂにおけるＭＩＳＦＥＴの断面構造を示す模式図である。図１１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面間隔の変化を示す。
【００４３】
ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の面間隔である。測定ポイントは図１０に示したように、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｂとＳｉ層５ｂの界面から２０ｎｍ離れたチャネル領域５ｂのＳｉの位置▲１▼、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｂとＳｉ層５ｂの界面近傍のＳｉの位置▲２▼、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ中の位置▲３▼、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｃとＳｉ層５の界面から２５０ｎｍ離れた基板５のＳｉの位置▲４▼である。なお、図１１の縦軸は、２５０ｎｍ離れた基板５中のＳｉの面間隔、すなわち▲４▼の位置における値を基準として、各測定位置での面間隔の変化を示している。
【００４４】
Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａの面間隔の変化は＋１．７％であり、Ｘ線回折から得られた結果と一致する。さらに、このＰｒ_２Ｏ_３層３ａに引っ張られる形で界面でのＳｉが歪んでおり、Ｐｒ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｂとＳｉ層５ｂの界面近傍の位置▲２▼における面間隔の変化は＋０．５％であることがわかった。界面から２０ｎｍ離れたチャネル領域５ｂ中のＳｉの位置▲１▼でも面間隔の変化は起こっており、面間隔が＋０．４％大きくなっている。
【００４５】
この結果から、Ｓｉと面間隔が異なり、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜をチャネル領域５ｂの下地絶縁膜とすることにより、チャネル領域のＳｉ層の面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、金属酸化物の面間隔が、Ｓｉに対して大きく影響を与え、界面から２０ｎｍ離れたチャネル領域５ｂにおいても格子変形が起こるものと考えられる。
【００４６】
次に、本実施形態による、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質のＰｒ_２Ｏ_３層３を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴと、ＳｉＯ_２膜を下地絶縁膜とする旧Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴ、そしてＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉのｎ−ＭＩＳＦＥＴの特性を図１２および図１３を参照して説明する。なお、歪Ｓｉのｎ−ＭＩＳＦＥＴと、新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの歪み量は同じ値にしてある。図１２は、実効電界と電子の実効移動度との関係を示す特性図、図１３は、ゲート電圧ＶｇとＩｄ／ｗ（ドレイン電流Ｉｄとチャネル幅ｗとの比）の関係を示した特性図である。ここで、実効電界とは実際にゲート絶縁膜に印加される電界であり、実効移動度とは実効電界が印加されたときのキャリア（本実施形態では電子）の移動度を意味する。
【００４７】
まず、図１２に示す実効電界と電子移動度の関係に注目する。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）が下地絶縁膜がＳｉＯ_２膜の旧Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの特性曲線、実線（中太線）がＳｉＧｅを用いたＧｅ濃度１０％の歪Ｓｉのｎ−ＭＩＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）が下地絶縁膜がＰｒ_２Ｏ_３の新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの特性曲線である。なお、ユニバーサルカーブとは、Ｆｉｎ型でない通常の平坦型ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜がＳｉＯ_２であるときの、実効電界と、実効移動度との関係を示す曲線である。
【００４８】
図１２から分かるように、下地絶縁膜がＳｉＯ_２膜の旧Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの移動度は、ユニバ−サルカ−ブに対して低下している。これは、チャネル領域が下地のＳｉＯ_２膜から圧縮歪を受け、電子の有効質量が重くなり、移動度が低下するためである。一方、チャネル領域に引っ張り歪を導入している歪Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴではユニバ−サルカ−ブよりも移動度が向上している。これは歪によって電子の有効質量が軽くなったことによる。そしてＰｒ_２Ｏ_３層を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴでは、下地絶縁膜がＳｉＯ_２膜である旧Ｆｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの移動度を大きく上回り、歪み量は同じであるにもかかわらず歪Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ以上に移動度が向上している。これは、金属酸化膜を下地絶縁膜とすることで、ＳｉＯ_２膜による圧縮歪みから解放されることに加え、Ｇｅや貫通転位によるキャリアの散乱を回避できるからである。
【００４９】
次に、図１３に示すゲート電圧ＶｇとＩｄ／ｗの関係に注目する。チャネル層に引っ張り歪を導入することによって、歪みＳｉのｎ−ＭＩＳＦＥＴよりも２倍以上にＩｄ／ｗが向上している。これは、Ｆｉｎ型チャネルを形成していることに加え、金属酸化膜を下地絶縁膜とすることで、Ｇｅや貫通転位によるキャリアの散乱を回避でき、移動度の向上を果たすことが出来たからである。
【００５０】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、ＳＧＯＩ基板を用いた歪みＳｉのｎ−ＭＩＳＦＥＴと異なりＧｅによるキャリア散乱が発生することがないため、同じ歪み量でも電子移動度の向上を果たすことが出来る。また、下地絶縁膜をＳｉＯ_２膜とした従来の旧Ｆｉｎ型トランジスタで発生する電子移動度の低下問題を解消できるため、Ｆｉｎ型の利点である、Ｉｄが２倍にできる特徴を活かすことが可能となり、歪ＳｉＭＩＳＦＥＴの２倍以上のＩｄ／ｗを実現することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態であるｐ−ＭＩＳＦＥＴについて説明する。本実施形態のｐ−ＭＩＳＦＥＴは、チャネル層のＳｉに圧縮応力を加えるために、Ｓｉより面間隔の小さい金属酸化膜、例えば、Ｄｙ_２Ｏ_３を用いた構成となっている。すなわち、第１実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、絶縁膜３を構成する金属酸化膜をＰｒ_２Ｏ_３からＤｙ_２Ｏ_３に置き換えるとともに、チャネル層５ａの導電型をｎ型、ソース領域１０ａおよびドレイン領域１０ａの導電型をｐ型とした構成となっている。製造方法は、図４（ａ）乃至図９（ｃ）に示した方法とほぼ同等である。Ｄｙ_２Ｏ_３からなる金属酸化膜は、本実施形態では、電子ビ−ム蒸着法を用いて形成している。本実施形態のｐ−ＭＩＳＦＥＴも、第１実施形態と同様に、絶縁膜３は膜厚が５ｎｍのＤｙ_２Ｏ_３層を膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層で挟んだ積層構造となっている。なお、Ｄｙ_２Ｏ_３層を形成する際に、第１実施形態と同様に、酸素分圧を１×１０^−７Ｔｏｒｒに精密に制御することにより、Ｄｙ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。
【００５２】
Ｘ線回折評価より、Ｄｙ_２Ｏ_３層は面方位（００１）方向に配向したエピタキシャル層であり、ＳｉとＰｒ_２Ｏ_３の界面に対して平行方向、すなわち面方位（００１）のＤｙ_２Ｏ_３の面間隔は５．３３Åであることがわかっている。この値は、面方位（００１）のＳｉの面間隔より１．８％小さい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｄｙ_２Ｏ_３層は（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ている。電子線回折を用いた面間隔評価の結果、面方位（００１）に強く配向し、結晶性が高いＤｙ_２Ｏ_３層を形成することにより、チャネル層のＳｉに圧縮応力が加わり、面間隔が小さくなることを確認した。
【００５３】
また、Ｄｙ_２Ｏ_３のＳｉとの界面に対して平行方向、すなわち面方位（００１）のＤｙ_２Ｏ_３の面間隔の変化は−１．８％であり、このＤｙ_２Ｏ_３層に付随して界面におけるＳｉが歪んでおり、界面に対して平行方向の面間隔の変化は−０．５％であることがわかった。界面から２０ｎｍ離れたＳｉでも面間隔の変化は起こっており、面間隔が−０．４％変化していた。この結果から、Ｓｉより面間隔が小さく、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層の面間隔を小さくできることが示された。
【００５４】
次に、本実施形態によるＳｉと面間隔の異なる結晶質のＤｙ_２Ｏ_３層を下地絶縁膜とするＦｉｎ型のｐ−ＭＯＳＦＥＴと、ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉのｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性を、図１４を参照して説明する。図１４は実効電界と正孔移動度の関係を示す特性図である。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）がＳｉＧｅを用いたＧｅ濃度１３％の歪Ｓｉのｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）が下地絶縁膜がＤｙ_２Ｏ_３の新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線である。
【００５５】
図１４から分かるように、チャネル領域に引っ張り歪を導入している歪Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴでは移動度がユニバ−サルカ−ブよりも向上しており、引っ張り歪を導入した効果が見られる。しかし、圧縮歪を導入したＤｙ_２Ｏ_３層を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴの場合には、より効果が得られており、歪Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴを上回っている。これは、Ｓｉよりも面間隔の小さな金属酸化膜を下地絶縁膜とすることで、チャネル領域に圧縮歪を導入することができ、引っ張り歪の場合よりも正孔の有効質量が軽くなったことと、Ｇｅによる散乱を回避できることが原因であると考えられる。
【００５６】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、チャネル領域に圧縮歪みを与えることができ、ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉトランジスタよりも効果的に正孔移動度を向上させることが可能である。
【００５７】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、Ｓｉと面間隔が異なる金属酸化物を含む絶縁膜を埋め込み絶縁膜として用いることで、チャネル領域に引っ張り歪み、圧縮歪みの両方を与えることが可能である。そのため、ｎ−ＭＩＳＦＥＴばかりでなくｐ−ＭＩＳＦＥＴにおいてもＦｉｎ型トランジスタ特性の大幅な駆動力向上が可能となる。
【００５８】
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の面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。
【００５９】
第１及び第２実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＰｒ_２Ｏ_３とＤｙ_２Ｏ_３を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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場合も示したが、配向が全て揃った単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな面間隔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−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−（ＭＢＥ）法など他の成膜方法を用いてもよい。
【００６０】
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−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より面間隔の大きな金属酸化物を選定する。一方、ｐ−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と面間隔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、金属酸化物の面間隔を選定する。１種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の面間隔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（Ｅｕ_ｘＤｙ_１−ｘ）_２Ｏ_３を用いることにより、金属酸化物のＳｉに対する面間隔の変化を０から−１．８％の間で任意に変化させることができる。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態であるｎ−ＭＩＳＦＥＴについて説明する。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。すなわち、図１乃至図９（ｃ）に示す第１実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、絶縁膜３を構成する金属酸化膜をＰｒ_２Ｏ_３からＣｅ酸化物に置き換えた構成となっている。なお、本実施形態においては、後述するように、絶縁膜３はＣｅ酸化物層のみの単層からなっている。本実施形態におけるｎ−ＭＩＳＦＥＴの製造方法は、図４（ａ）乃至図９（ｃ）に示した方法とほぼ同等である。
【００６２】
基板としては、（１１１）面方位を持つＳｉを用いる。Ｃｅ酸化物はＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)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Ｏ_３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ＳｉＯ_２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。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, Ext. Abst. Inter. Conf. on Solid State Devices and Materials, Tokyo, p.174 (2001) 参照）。
【００６３】
次に、第３の実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の特性について図１５および図１６を参照して詳細に述べる。この実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴは、第１実施形態において絶縁膜３をＣｅ酸化物からなるように構成したものである。図１５は、Ｃｅ酸化物からなる絶縁膜とチャネル領域の拡大図であり、Ｃｅ酸化物からなる絶縁膜とチャネル領域の断面構造の模式図である。図１６は、ＴＥＭを用いて測定した電子線回折像から得られた面間隔の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の面間隔である。測定ポイントは図１５に示したように、Ｃｅ酸化物からなる絶縁膜とＳｉ界面から２０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉの位置▲１▼、第１の絶縁膜のＣｅ酸化物とＳｉの界面近傍のチャネル領域のＳｉの位置▲２▼、第１の絶縁膜のＣｅ酸化物の位置▲３▼、界面から２５０ｎｍ離れた基板側のＳｉの位置▲４▼である。
【００６４】
図１６においては、２５０ｎｍ離れた基板側のＳｉの位置▲４▼の面間隔を基準として、面間隔の変化を示している。Ｃｅ酸化物の▲３▼の位置における面間隔は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Ｃｅ酸化物とＳｉの界面近傍のチャネル領域のＳｉの位置▲２▼では＋０．７５％歪んでいる。さらに、第１の絶縁膜のＣｅ酸化物とＳｉ界面から２０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉの位置▲１▼においても面間隔は変化しており、＋０．６５％と大きな値であることがわかった。ＣｅＯ_２はＳｉに直接接合しており、面間隔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、面間隔の変化はＣｅＯ_２層とほぼ同じ程度まで大きくなっていることがわかる。
【００６５】
バルクのＣｅ酸化物であるＣｅＯ_２の面間隔は５．４１１Åと報告されている。つまり、Ｓｉの面間隔（５．４３０Å）に比較してＣｅＯ_２の面間隔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ＣｅＯ_２の面間隔の報告値とは全く逆の傾向であり、図１６に示すようにＣｅ酸化物の面間隔は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、面間隔が変化するという新たな知見を得た。図１７にＣｅ酸化物（ＣｅＯｘ）における酸素組成比と面間隔の関係を示す。酸素組成比はエネルギ−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）のときの面間隔は５．４１１Åであり、これまでのＣｅ酸化物（ＣｅＯ_２）の面間隔の報告値と一致する。
【００６６】
一方、酸素組成比が化学量論比より小さくなり、ｘ＜２．０の場合には面間隔が大きくなることがわかった。このように、Ｃｅ酸化物の面間隔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。図１８（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（図１８（ａ）→図１８（ｂ））、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。結果として、格子間の平均距離は大きくなり面間隔が大きくなるものと考えられる。
【００６７】
本実施形態に示したＣｅ酸化物では、面間隔はＳｉに比べて＋０．８％となっており、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。
【００６８】
次に、本実施形態によるＳｉと面間隔の異なる結晶質のＣｅ酸化膜を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を説明する。図１９は実効電界と電子の実効移動度との関係を示したものである。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線がＣｅ酸化物の酸素組成比を変化させた場合の新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの電子移動度を示している。酸素組成比の減少とともに移動度が向上していることがわかる。これは、酸素組成比が小さくなるにつれＣｅ酸化物の面間隔が大きくなることによりチャネルのＳｉの面間隔も大きくなり、電子の移動度が向上するためである。
【００６９】
次に、チャネル領域のＳｉの歪み量を同じにした場合のＣｅ酸化膜を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、Ｐｒ_２Ｏ_３を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を、図２０を参照して説明する。図２０は実効電界と電子の実効移動度との関係を示したものである。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）がＰｒ_２Ｏ_３を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）がＣｅ酸化膜を下地絶縁膜とする新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線である。Ｃｅ酸化膜を下地絶縁膜とすることによって、移動度が向上していることがわかる。
【００７０】
そこで、低角入射面内(in-plane)Ｘ線回折法を用いて、本実施形態のようにＣｅ酸化物がＳｉに直接接合し直接接合膜の場合と、Ｃｅ酸化物とＳｉとの界面にＳｉＯ_２膜がある場合のＳｉの回折スペクトルを測定した。なお、Ｓｉの歪み量はどちらの場合も同じとなるようにした。この測定結果によれば、直接接合膜の場合では、半値幅がバルクのＳｉとほぼ同じで、界面にＳｉＯ_２膜が存在する場合には、半値幅が大きくなることがわかった。これは、平均的には同じ歪み量でありながら、界面にＳｉＯ_２膜が存在する場合には歪のばらつきが大きく、直接接合膜の場合にはそのばらつきが小さいことを示している。界面にＳｉＯ_２膜が存在する場合には、金属酸化膜に傾角粒界が発生し、局所的に一定方向の面間隔が異なることを我々は見出しており、これが歪み量のばらつきを引き起こしていると考えられる。歪み量のばらつきは、移動度のばらつき、さらには移動度の低下を引き起こす。従って、ばらつきを低減できる直接接合膜を用いたために移動度が向上したことをこの結果は示している。
【００７１】
以上、詳述したように、直接接合膜を用いた本実施形態によれば、チャネル領域に均一に引っ張り歪みを与えることができ、界面にＳｉＯ_２膜が存在するトランジスタよりも電子移動度を向上させることが可能である。
【００７２】
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。
【００７３】
なお、結晶性の金属酸化物としてＣｅＯ_２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、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。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−ム蒸着法法など他の成膜方法を用いてもよい。
【００７４】
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Ｓｉ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Ｓｉ基板は面方位が（１１０）であっても良いし、上記面方位から角度がずれていても良い。
【００７５】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態であるｐ−ＭＩＳＦＥＴについて説明する。本実施形態ｐ−ＭＩＳＦＥＴ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構成となっている。すなわち、図１乃至図３に示す第１実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、絶縁膜３を構成する金属酸化膜とチャネル層５ａとの間に岩塩構造の金属酸化物を挟むとともに、チャネル層５ａの導電型をｎ型にソース領域１０ａおよびドレイン領域１０ａの導電型をｐ型とした構成となっている。製造方法は、図４（ａ）乃至図９（ｃ）に示した方法とほぼ同等である。岩塩構造金属酸化物としてはＳｒＯ、金属酸化膜としてはＤｙ_２Ｏ_３を用い、これら２種類の金属酸化物はＭＢＥ法で形成している。
【００７６】
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。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、Ｄｙ_２Ｏ_３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実施形態で示したようなＳｉＯ_２層が形成されることなく、Ｄｙ_２Ｏ_３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Ｄｙ_２Ｏ_３層５ｎｍからなる積層構造となっている。
【００７７】
このような方法で形成されたＤｙ_２Ｏ_３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、Ｄｙ_２Ｏ_３層は（００１）方向に配向したエピタキシャル膜であり、ＳｉとＤｙ_２Ｏ_３の界面に対して平行方向、すなわち面方位（００１）方向のＤｙ_２Ｏ_３の面間隔は５．３３Åであることがわかっている。この値は、面方位（００１）のＳｉの面間隔に比べて１．８％小さい。電子線回折を用いた面間隔評価の結果、チャネル層のＳｉに圧縮応力が加わり、面間隔が小さくなることを確認した。Ｄｙ_２Ｏ_３の面間隔の変化は−１．８％であり、界面近傍におけるＳｉの界面平行方向の面間隔の変化は０．８％であることがわかった。界面から２０ｎｍ離れたＳｉでも面間隔の変化は起こっており、界面平行方向の面間隔が−０．７％変化していた。このＳｉの面間隔の変化量は、ＳｒＯ層を用いていない第２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ＳｉＯ_２層が形成されないため金属酸化膜における面間隔の相違がより直接的にＳｉ層に加わったことと、ＳｒＯの面間隔が５．１２ÅとＤｙ_２Ｏ_３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。
【００７８】
ここでは、ＳｒＯ層の厚さを２原子層としたが、ＳｒＯ層の厚さは１〜３原子層の範囲にあることが望ましいことがわかっている。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、ＳｉＯ_２層が発生してしまうからである。
【００７９】
以上述べたようなＳｒＯ層とＤｙ_２Ｏ_３層を含む下地絶縁膜を有する新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴと、Ｄｙ_２Ｏ_３層のみの新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴ、そしてＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉのｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性を、図２１を参照して説明する。図２１は実効電界と正孔移動度の関係を示した特性図である。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）がＳｉＧｅを用いたＧｅ濃度１３％の歪Ｓｉのｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（中太線）が下地絶縁膜がＤｙ_２Ｏ_３層のみの新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）がＳｒＯ層とＤｙ_２Ｏ_３層を含む下地絶縁膜を有する新Ｆｉｎ型ｐ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線である。
【００８０】
図２１から分かるように、下地絶縁膜がＤｙ_２Ｏ_３層のみでも圧縮歪を導入でき、またＧｅによるキャリアの散乱を回避できるため、歪Ｓｉのｐ−ＭＯＳＦＥＴよりも正孔の移動度が向上している。ところが、ＳｒＯ層とＤｙ_２Ｏ_３層の積層構造にした場合には、さらに移動度向上が見られた。これは、ＳｒＯ層を挟むことでチャネル層のＳｉ層に十分な圧縮歪みを加えることが可能となったからである。
【００８１】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、チャネル領域に効果的に圧縮歪みを与えることができ、ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉトランジスタよりも効果的に正孔移動度を向上させることが可能である。
【００８２】
以上のように、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と面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。本実施例では、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。Ｓｉに引っ張り応力を与えたい場合には、Ｓｉより面間隔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より面間隔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層における面間隔の変化は、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より面間隔の小さなＳｒＯを挟んで、その上にＳｉより面間隔の大きなＰｒ_２Ｏ_３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。
【００８３】
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の面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。
【００８４】
また、第４実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＤｙ_２Ｏ_３を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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場合も示したが、配向が全て揃った単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな面間隔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−ム蒸着法を用いた場合を示しているが、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。
【００８５】
なお、第４実施形態においては面方位が（００１）のＳｉ基板を用いた例を示しているが、面方位は（１１１）、（１１１）、（１１０）のいずれでもよい。また、上記面方位から角度がずれていても良い。
【００８６】
第４実施形態においては、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合について述べたが、ｐ−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−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より面間隔の大きな金属酸化物を選定する。一方、ｐ−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と面間隔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、金属酸化物の面間隔を選定する。１種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の面間隔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（Ｅｕ_ｘＤｙ_１−ｘ）_２Ｏ_３を用いることにより、金属酸化物のＳｉに対する面間隔の変化を０から−１．８％の間で任意に変化させることができる。
【００８７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態によるＭＩＳＦＥＴの構成を、図１乃至図９（ｃ）を参照して説明する。この実施形態によるＭＩＳＦＥＴは、図１乃至図３に示す第１実施形態のＭＩＳＦＥＴにおいて、絶縁膜６ａが結晶性の金属酸化膜を少なくとも含むように構成されるとともに、絶縁膜３，６ａに含まれる金属酸化膜の面間隔がともにＳｉに対して大きいか、ともに小さいように構成されている。従って、チャネル領域５ｂにおけるＳｉは、絶縁膜３と絶縁膜６ａの両方から応力を受けて、歪Ｓｉ層となっている。
【００８８】
つまり、本実施形態においては、チャネル領域３におけるＳｉの面間隔は半導体基板１ｂにおけるＳｉの面間隔と異なるように構成されている。ここで、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、絶縁膜３、６ａを構成する金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくし、チャネル層５ａにおけるＳｉの面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、ｐ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、絶縁膜３、６ａを構成する金属酸化膜の面間隔をともにＳｉより大きく、または、小さくし、チャネル層におけるＳｉの面間隔を、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５ａにおける正孔の移動度を高めることが可能となる。さらに、チャネル層の上下にＳｉと面間隔の異なる金属酸化膜を配置しているため、チャネル層全域において深さ方向に均一な格子変調を発生させることが出来るため、第１乃至第４実施形態と比較してキャリア移動度の向上が見込まれる。
【００８９】
次に、本実施形態によるＭＩＳＦＥＴの製造方法を、ｎ−ＭＩＳＦＥＴを例にとって、図４（ａ）乃至図９（ｃ）を参照して説明する。
【００９０】
まず、（００１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて打ち込みダメ−ジを回復するため、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このようにすることにより、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるＳｉ層５ａが形成される（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。これにより、後述の工程で剥離を容易に行うことが可能となる。
【００９１】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ａを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｌａ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着し、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａを形成する（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。このとき、Ｓｉ層５ａの、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ａとＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂが形成される。また、酸素分圧を５×１０^−７Ｔｏｒｒに精密に制御することにより、金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、Ｘ線回折評価より、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａは面方位（００１）方向に配向したエピタキシャル層であり、ＳｉＯ_２層３ｂとＬａ_２Ｏ_３層３ａの界面に対して平行方向、すなわち面方位（００１）方向のＬａ_２Ｏ_３の面間隔は５．７０Åであることがわかっている。この値は、面方向（００１）のＳｉの面間隔に対して５．０％大きい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｌａ_２Ｏ_３層は（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ている。
【００９２】
次に、ＣＶＤ法を用いてＳｉを堆積し、例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。このとき、Ｓｉ層５のＬａ_２Ｏ_３層側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５とＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃが形成される。つまり、絶縁膜３は、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂ、膜厚５ｎｍのＬａ_２Ｏ_３層３ａ、および膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃからなる３層積層構造となっている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【００９３】
次に、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）。その後、中間層２を境に基板１ｂを剥離することにより、金属酸化物を含む絶縁膜３上にＳｉ層５ａを露出する。続いて、例えばＣＭＰ法を用いてＳｉ層５ａの露出した表面を平坦化する。（図４（ｅ）、図５（ｅ）参照）。なお、この後に続いて、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとして用いるＳｉ層５ａに不純物プロファイルを形成することも可能である。
【００９４】
次に、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ層５ａの表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化し、この基板をＭＢＥ装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｌａ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着し、絶縁膜６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、Ｌａ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、このとき、Ｓｉ層５ａの絶縁膜６との界面には図示しないがＳｉＯ_２からなる酸化膜が形成される。
【００９５】
続いて、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いて絶縁膜６およびＳｉ層５ａをパタ−ニングし、凸型のチャネル層５ｂ、絶縁膜６ａを形成する。このとき、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ａとの間に形成されたＳｉＯ_２層３ｂも同時にパターニングされる（図６（ｂ）、図７（ｂ）参照）。
【００９６】
次に、図６（ｃ）、図７（ｃ）に示すように、チャネル領域５ｂの周囲に、膜厚３ｎｍのＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜７を形成する。この時、例えばＦｉｎのチャネル領域の高さ（ゲート幅）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの幅（チャネル領域深さ）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの長さを２００ｎｍとする。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６（ｄ）、図７（ｄ）参照）。
【００９７】
次に、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａを形成する（図６（ｅ）、図７（ｅ）参照）。その後、ゲート電極９ａ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１０ａ、１０ｂを形成する（図８（ａ）、図９（ａ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜１１を全面に堆積する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【００９８】
次に、図８（ｃ）、図９（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン領域１０ａ、１０ｂ上にコンタクトホ−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１２ａ、１２ｂおよびゲート電極１２ｃを形成し、ｎ−ＭＩＳＦＥＴが完成する。
【００９９】
次に、本実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴのチャネル層５ａの特性について詳細に述べる。図２２は、ＳｉＯ_２層３ｂ／Ｌａ_２Ｏ_３／層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｃの積層構造からなる絶縁膜３とチャネル層５ｂ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２３は、ＴＥＭを用いて測定した電子線回折像から得られた面間隔の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の（１００）面の面間隔である。測定ポイントは図２２に示したように、Ｌａ_２Ｏ_３層６ａの位置▲１▼、Ｌａ_２Ｏ_３層６ａとＳｉ層５ｂとの界面のチャネル領域のＳｉの位置▲２▼、Ｌａ_２Ｏ_３層６ａとＳｉ層５ｂの界面から１０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉの位置▲３▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ｂの界面のチャネル領域のＳｉの位置▲４▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａの位置▲５▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５の界面から２５０ｎｍ離れたＳｉの位置▲６▼である。なお、図２２においては、Ｌａ_２Ｏ_３層６ａとＳｉ層５ｂの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層６ｂが設けられているが、このＳｉＯ_２層６ｂは、Ｌａ_２Ｏ_３層６を形成する際に形成された酸化膜である。
【０１００】
図２３においては、界面から２５０ｎｍ離れた基板側Ｓｉの位置▲６▼の面間隔を基準として、面間隔の変化を示している。Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ、６ａの面間隔の変化は＋５．０％であり、Ｘ線回折から得られた結果と一致する。Ｌａ_２Ｏ_３層６ａの界面近傍におけるチャネル層５ａのＳｉの位置▲２▼、およびＬａ_２Ｏ_３層３ａの界面近傍におけるチャネル層５ａのＳｉの位置▲４▼では、Ｌａ_２Ｏ_３に付随して＋１．０％歪んでいる。さらに、これらの界面から１０ｎｍ離れたチャネル領域５ａの中間部分に位置するＳｉ位置▲３▼においても面間隔は変化しており、＋０．８％と大きな値であることがわかった。この結果から、Ｓｉより面間隔が大きく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜を基板中、及びチャネル上部に配置することで、チャネル領域のＳｉ層の面間隔を大きくできることが示された。
【０１０１】
本実施形態による、チャネル領域の上下にＳｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３）を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、下地絶縁膜のみを金属酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３）にした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を比較する。図２４は実効電界と電子移動度の関係を示す特性図である。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）が下地絶縁膜のみを金属酸化物にした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）がチャネルの上下に金属酸化物を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線である。
【０１０２】
図２４から分かるように、チャネルの上下を金属酸化膜とした場合には、下地絶縁膜のみを金属酸化物にした場合よりも移動度が向上している。これは、チャネル領域上下にＳｉよりも面間隔の大きな金属酸化物を配置することによって、チャネル領域全域に渡ってＳｉ層に均一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による。
【０１０３】
以上、説明したように、本実施形態によれば、Ｆｉｎ型トランジスタのチャネル領域全域のＳｉに均一な引っ張り応力を与えることができ、下地絶縁膜のみを金属酸化膜とした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴよりも高い電子移動度を得ることが出来る。
【０１０４】
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の面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。
【０１０５】
本実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＬａ_２Ｏ_３を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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場合も示したが、配向が全て揃った単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな面間隔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、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−ム蒸着法、ＭＢＥ法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１０６】
本実施形態においては、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合について述べたが、ｐ−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−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より面間隔の大きな金属酸化物を選定する。一方、ｐ−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と面間隔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、金属酸化物の面間隔を選定する。１種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の面間隔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（Ｅｕ_ｘＤｙ_１−ｘ）_２Ｏ_３を用いることにより、金属酸化物のＳｉに対する面間隔の変化を０から−１．８％の間で任意に変化させることができる。
【０１０７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴについて説明する。本実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴは、チャネル層のＳｉに引っ張り応力を加えるために、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酸化物を下地絶縁膜、及びチャネル上部の絶縁膜として用いる。すなわち、第５実施形態のｎ−ＭＩＳＦＥＴにおいて、絶縁膜３および絶縁膜６ａを構成する金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３をＣｅ酸化物に置き換えた構成となっている。なお、本実施形態においては、後述するように、第５実施形態と異なり、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５の間、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ａ、およびＬａ_２Ｏ_３層６ａとＳｉ層５ａとの間には、ＳｉＯ_２層は形成されない。
【０１０８】
本実施形態におけるｎ−ＭＩＳＦＥＴの製造方法は、第５実施形態の方法とほぼ同等である。基板としては、（１１１）面方位を持つＳｉ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Ｏ_３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ＳｉＯ_２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、第５実施形態と、同様の工程を行いｎ−ＭＩＳＦＥＴを完成させる。
【０１０９】
上記の方法で、成膜したＣｅ酸化物（ＣｅＯｘ）の金属と酸素の組成比ｘは１．７７であり面間隔は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。組成比ｘ＝１．７７のＣｅ酸化物を下地絶縁膜としたＣｅ酸化膜近傍のチャネル領域のＳｉの歪みは＋０．７５％、チャネル領域中央部の歪みは＋０．６０％、チャネル領域上部の絶縁膜近傍のＳｉの歪みは＋０．５０％であった。しかし、チャネル領域の上下に配置したＣｅ酸化膜近傍のチャネル領域では、Ｃｅ酸化膜近傍のチャネル領域のＳｉの歪みは＋０．７５％、チャネル中央部の歪みは＋０．７０％、第２の絶縁膜のＣｅ酸化膜近傍のＳｉの歪みは＋０．７５％であった。チャネル上下に金属酸化膜を配置することによって、均一に歪みが与えられていることがわかる。
【０１１０】
本実施形態による、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質のＣｅ酸化物をチャネルの上下に配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、第５実施形態による、Ｌａ_２Ｏ_３をチャネルの上下に配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を比較する。図２５は実効電界と電子移動度の関係を示した特性図である。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）がＬａ_２Ｏ_３をチャネルの上下に配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線、実線（太線）がＣｅ酸化物（組成比ｘ＝１．７７）をチャネル上下の絶縁膜とする本実施形態による新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性曲線であって、チャネル領域５ａにおける歪み量は、Ｃｅ酸化物を用いた場合もＬａ_２Ｏ_３を用いた場合も同じにしてある。図２５から分かるように、Ｃｅ酸化物をチャネル上下の絶縁膜とすることで、Ｌａ_２Ｏ_３の場合よりも移動度が向上している。これは、Ｃｅ酸化物がチャネル層５ａのＳｉと直接接合することにより、チャネル領域のＳｉに与える歪み量のばらつきが減少するからである。
【０１１１】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、チャネル領域に均一に、しかもばらつきが少なく引っ張り歪みを与えることができ、金属酸化膜を直接接合させない場合に比べて電子移動度を向上させることが可能である。
【０１１２】
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。
【０１１３】
なお、結晶性の金属酸化物としてＣｅＯ_２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、ＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。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−ム蒸着法法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１１４】
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Ｓｉ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Ｓｉ基板は面方位が（１１０）であっても良いし、上記面方位から角度がずれていても良い。
【０１１５】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態によるＭＩＳＦＥＴの構成を、図１乃至図９（ｃ）を参照して説明する。この実施形態によるＭＩＳＦＥＴは、図１乃至図３に示す第１実施形態のＭＩＳＦＥＴにおいて、ゲート絶縁膜７が結晶性の金属酸化膜を少なくとも含むように構成され、かつチャネル層５ａ直下の絶縁膜３に含まれる金属酸化膜と、上記ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔がチャネル層５ａのＳｉの面間隔とそれぞれ異なるように構成されている。すなわち、Ｓｉに対して絶縁膜３の面間隔が大きければ、ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化膜の面間隔はＳｉよりも小さく、Ｓｉに対して絶縁膜３の面間隔が小さければ、ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化膜の面間隔はＳｉよりも大きくなように構成される。
【０１１６】
したがって、チャネル領域５ｂにおけるＳｉは、絶縁膜３とゲート絶縁膜７の両方から応力を受けて、均一な歪を有する歪Ｓｉ層となっている。つまり、本実施形態のＭＩＳＦＥＴがｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、絶縁膜３に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくし、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより小さくしてチャネル層５ａにおけるＳｉの面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。
【０１１７】
一方、本実施形態のＭＩＳＦＥＴがｐ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、絶縁膜３に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくし、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより小さくして、チャネル領域におけるＳｉの面間隔を引っ張り応力により変化させる。もしくは絶縁膜３に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより小さくし、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくしてチャネル層におけるＳｉの面間隔を、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。さらに、チャネル層の側面と下にＳｉと面間隔の異なる金属酸化膜を配置しているため、チャネル層の歪をさらに大きくすることができ、第１乃至第４実施形態と比較してキャリア移動度の向上が見込まれる。
【０１１８】
次に、本実施形態によるＭＩＳＦＥＴの製造方法を、ｎ−ＭＩＳＦＥＴを例にとって図４（ａ）乃至図９（ｃ）を参照して説明する。
【０１１９】
まず、（００１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて打ち込みダメ−ジを回復するため、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このようにすることにより、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるＳｉ層５ａが形成される（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。これにより、後述の工程で剥離を容易に行うことが可能となる。
【０１２０】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ａを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｌａ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着し、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａを形成する（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。このとき、Ｓｉ層５ａの、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ａとＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂが形成される。また、酸素分圧を５×１０^−７Ｔｏｒｒに精密に制御することにより、Ｌａ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、Ｘ線回折評価より、Ｌａ_２Ｏ_３層は面方位（００１）方向に配向したエピタキシャル層であり、ＳｉとＬａ_２Ｏ_３の界面に対して平行方向のＬａ_２Ｏ_３（００１）の面間隔は５．７０Åであることがわかっている。この値は面方位（００１）のＳｉの面間隔に対して５．０％大きい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｌａ_２Ｏ_３層は面方位（００１）方向に強く配向した結晶性の高い膜であることが確認されている。
【０１２１】
次に、ＣＶＤ法を用いてＳｉを堆積し、例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。このとき、Ｓｉ層５のＬａ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５とＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃが形成される。つまり、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂ、膜厚５ｎｍのＬａ_２Ｏ_３層３ａ、および膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃからなる３層積層構造の絶縁膜３が形成された構成となっている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【０１２２】
次に、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）。その後、中間層２を境に基板１ｂを剥離することによって、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａを含む絶縁膜３上にＳｉ層５ａを露出する。続いて、例えばＣＭＰ法を用いてＳｉ層５ａの露出した表面を平坦化する。（図４（ｅ）、図５（ｅ）参照）。
【０１２３】
次に、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、膜厚５０ｎｍのＳｉＯ_２を全面に被膜し、絶縁膜６を形成する。なお、この後に続いて、絶縁膜６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、チャネル領域となるＳｉ層５ａに不純物プロファイルを形成することも可能である。続いて、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いて絶縁膜６およびＳｉ層５ａをパターニングし、凸型のチャネル層５ｂおよび絶縁膜６ａを形成する。このとき、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ａとの間に形成されたＳｉＯ_２層３ｂも同時にパターニングされる。
【０１２４】
次に、この基板１ｂを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｄｙ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｄｙ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着しチャネル領域５ｂの周囲に、ゲート絶縁膜７を形成する（図６（ｃ）、図７（ｃ）参照）。このとき、ゲート絶縁膜７とＳｉ層５ａとの間には膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層（図示せず）が形成される。本実施形態においては、例えばＦｉｎのチャネル領域の高さ（ゲート幅）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの幅（チャネル領域深さ）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの長さを２００ｎｍとする。また、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、Ｄｙ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。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６（ｄ）、図７（ｄ）参照）。
【０１２５】
次に、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａを形成する（図６（ｅ）、図７（ｅ）参照）。その後、ゲート電極９ａ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１０ａ、１０ｂを形成する（図８（ａ）、図９（ａ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜１１を全面に堆積する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【０１２６】
次に、図８（ｃ）、図９（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン領域１０ａ、１０ｂ上にコンタクトホ−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１２ａ、１２ｂおよびゲート電極１２ｃを形成し、ｎ−ＭＩＳＦＥＴを完成する。
【０１２７】
次に、本実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴのチャネル層の特性について図２６乃至図２８を参照して説明する。図２６は、ＳｉＯ_２層３ｂ／Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｃの積層構造からなる絶縁膜３とチャネル層５ｂ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２７は、ＴＥＭを用いて測定した電子線回折像から得られた面間隔の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の（１００）面の面間隔である。測定ポイントは図２６に示すように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜６ａとＳｉ層５ｂの界面のチャネル領域のＳｉ位置▲１▼、絶縁膜６ａとＳｉ層５ｂの界面から１０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉ位置▲２▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ｂの界面のチャネル領域のＳｉ位置▲３▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａの位置▲４▼、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５の界面から２５０ｎｍ離れたＳｉ位置▲５▼である。なお、図２６においては、Ｄｙ_２Ｏ_３層７とＳｉ層５ｂの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層７ａが設けられているが、このＳｉＯ_２層７ａは、Ｄｙ_２Ｏ_３層７を形成する際に形成された酸化膜である。
【０１２８】
図２７においては、界面から２５０ｎｍ離れたＳｉ位置▲５▼の面間隔を基準として、それぞれの面間隔の変化を示している。▲４▼の位置におけるＬａ_２Ｏ_３層３ａの面間隔の変化は＋５．０％であり、Ｘ線回折から得られた結果と一致する。Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ｂの界面のチャネル領域のＳｉ位置▲３▼はＬａ_２Ｏ_３層３ａに付随して＋１．０％歪んでいる。また、絶縁膜６ａとＳｉ層５ｂの界面から１０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉ位置▲２▼で＋０．９５％、絶縁膜６ａとＳｉ層５ｂの界面のチャネル領域のＳｉ位置▲１▼でも０．９％歪んでいることが確認された。この結果から、Ｓｉより面間隔が大きく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜を基板中の絶縁膜３、及びチャネル側面のゲート絶縁膜７とすることで、チャネル全域のＳｉ層の面間隔を大きくできることが示された。
【０１２９】
本実施形態による、チャネル領域の側面と下部にＳｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３）を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、下地絶縁膜のみを金属酸化物にした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を、図２８を参照して説明する。図２８は実効電界と電子移動度の関係を示した特性図である。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）が下地絶縁膜のみを金属酸化物にした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴ、実線（太線）がチャネル領域の側面と下部に金属酸化物を配置した本実施形態による新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴのものである。チャネル領域の側面と下部に金属酸化物を配置することによって、下地絶縁膜のみを金属酸化膜とする場合よりも移動度が向上している。これは、チャネル領域の側面と下部にＳｉと面間隔の異なる、しかもそれぞれ歪の方向の異なる金属酸化物を配置することによって、チャネル領域のＳｉ層に均一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による。
【０１３０】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、Ｆｉｎ型トランジスタのチャネル領域全域のＳｉに均一な引っ張り応力を与えることができ、下地絶縁膜のみを金属酸化膜とした場合よりも高い電子移動度を得ることが出来る。
【０１３１】
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の面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。
【０１３２】
本実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＬａ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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場合も示したが、配向が全て揃った単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな面間隔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−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、ＭＢＥ法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１３３】
なお、本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（１１１）、（１１１）、（１１０）のいずれでもよい。また、上記面方位から角度がずれていても良い。
【０１３４】
本実施形態においては、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合について述べたが、ｐ−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−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、絶縁膜３にＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を、絶縁膜７にＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を含むようにする。一方、ｐ−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、絶縁膜３にＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を、絶縁膜７にＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を含むようにするか、もしくは絶縁膜３にＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を、絶縁膜７にＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を含むようにすればよい。また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の面間隔を選定する。１種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の面間隔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（Ｅｕ_ｘＤｙ_１−ｘ）_２Ｏ_３を用いることにより、金属酸化物のＳｉに対する面間隔の変化を０から−１．８％の間で任意に変化させることができる。
【０１３５】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態によるＭＩＳＦＥＴの構成を、図１乃至図９（ｃ）を参照して説明する。この実施形態によるＭＩＳＦＥＴは、図１乃至図３に示す第１実施形態のＭＩＳＦＥＴにおいて、チャネル領域５ｂの直上部に形成される絶縁膜６ａは結晶性の金属酸化膜を少なくとも含み、チャネル領域５ｂの側面に形成されるゲート絶縁膜７は結晶性の金属酸化物からなる金属酸化膜を含むように構成されている。そして、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔は、絶縁膜３に含まれる金属酸化膜および絶縁膜６ａに含まれる金属酸化膜の面間隔とはＳｉの面間隔に対して大きさがそれぞれ異なる。絶縁膜３および絶縁膜６ａに含まれる金属酸化膜の面間隔がＳｉの面間隔よりも大きいなら、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔はＳｉの面間隔よりも小さい。絶縁膜３および絶縁膜６ａの面間隔がＳｉの面間隔よりも小さいなら、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜の面間隔はＳｉの面間隔よりも大きい。
【０１３６】
したがって、チャネル領域５ｂにおけるＳｉは、絶縁膜３、絶縁膜６ａ、ゲート絶縁膜の全てから応力を受けて、均一な歪を有する歪Ｓｉ層となっている。
【０１３７】
つまり、本実施形態においては、チャネル領域５ｂにおけるＳｉの面間隔は半導体基板１ｂにおけるＳｉの面間隔と異なるように構成されている。ここで、本実施形態のＭＩＳＦＥＴがｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、絶縁膜３，６ａに含まれる金属酸化膜のチャネル方向の面間隔をＳｉの面間隔より大きくし、ゲート絶縁膜７に含まれる金属酸化膜のチャネル方向の面間隔をＳｉのそれより小さくする。これによりチャネル層におけるＳｉの面間隔を引っ張り応力により広げることが可能となり、チャネル層における電子の移動度を高めることができる。
【０１３８】
一方、本実施形態のＭＩＳＦＥＴがｐ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、金属酸化物の面間隔をＳｉより大きく、または、小さくし、チャネル層におけるＳｉの面間隔を、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。さらに、チャネル層の上下にＳｉと面間隔の異なる金属酸化膜を配置しているため、チャネル層全域において深さ方向に均一な格子変調を発生させることが出来るため、第１乃至第７実施形態と比較してキャリア移動度の向上が見込まれる。
【０１３９】
次に、本実施形態によるＭＩＳＦＥＴの製造方法をｎ−ＭＩＳＦＥＴを例にとって図４（ａ）乃至図９（ｃ）を参照して説明する。
【０１４０】
まず、（００１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて打ち込みダメ−ジを回復するため、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このようにすることにより、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるＳｉ層５ａが形成される（図４（ａ）、図５（ａ）参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。
【０１４１】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いてこの基板１ａを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｌａ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着し、Ｌａ_２Ｏ_３膜３ａを形成する（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。このとき、Ｓｉ層５ａのＬａ_２Ｏ_３膜３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ａとＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂが形成される。また、酸素分圧を５×１０^−７Ｔｏｒｒに精密に制御することにより、Ｌａ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、Ｘ線回折評価より、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａは（００１）方向に配向したエピタキシャル膜であり、ＳｉとＬａ_２Ｏ_３の界面に対して平行方向、すなわち（００１）方向のＬａ_２Ｏ_３の面間隔は５．７０Åであることがわかっている。この値は、面方位（００１）方向のＳｉの面間隔に対して５．０％大きい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ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ている。
【０１４２】
次に、ＣＶＤ法を用いて例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する（図２２（ｃ）参照）。このとき、Ｓｉ層５のＬａ_２Ｏ_３層３ａ側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５とＬａ_２Ｏ_３層３ａとの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃが形成されている。つまり、絶縁膜３は、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂ、膜厚５ｎｍのＬａ_２Ｏ_３層３ａ、および膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃからなる３層積層構造となっている（図４（ｃ）、図５（ｃ）参照）。
【０１４３】
次に、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図４（ｄ）、図５（ｄ）参照）。その後、中間層２を境に基板１ｂを剥離し、金属酸化膜を含む絶縁膜３上にＳｉ層５ａを露出する。続いて、例えばＣＭＰを用いて、Ｓｉ層５ａの露出した表面を平坦化する。（図４（ｅ）、図５（ｅ）参照）。なお、この後に続いて、ボロン元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとして用いるＳｉ層５ａに不純物プロファイルを形成することも可能である。
【０１４４】
次に、図６（ａ）、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ層５ａの表面に希フッ酸処理を行い水素で終端化し、この基板をＭＢＥ装置に導入する。温度を例えば６００℃とし、Ｌａ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｌａ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着し、絶縁膜６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、Ｌａ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。また、このとき、Ｓｉ層５ａの絶縁膜６との界面には図示しないがＳｉＯ_２からなる酸化膜が形成される。
【０１４５】
次に、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いて絶縁膜６およびＳｉ層５ａをパタ−ニングし、凸型のチャネル層５ｂ、絶縁膜６ａを形成する。このとき、Ｌａ_２Ｏ_３層３ａとＳｉ層５ａとの間に形成されたＳｉＯ_２層３ｂも同時にパターニングされる。
【０１４６】
次に、この基板１ｂを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｄｙ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｄｙ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着しチャネル領域５ｂの周囲に、Ｄｙ_２Ｏ_３層を含むゲート絶縁膜７を形成する（図６（ｃ）、図７（ｃ）参照）。このとき、ゲート絶縁膜７とＳｉ層５ａとの間には膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層（図示せず）が形成される。また、この時、例えばＦｉｎのチャネル領域の高さ（ゲート幅）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの幅（チャネル領域深さ）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの長さを２００ｎｍとする。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、Ｄｙ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。
【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６（ｄ）、図７（ｄ）参照）。続いて、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａを形成する（図６（ｅ）、図７（ｅ）参照）。その後、ゲート電極９ａ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１０ａ、１０ｂを形成する（図８（ａ）、図９（ａ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜１１を全面に堆積する（図８（ｂ）、図９（ｂ）参照）。
【０１４８】
次に、図８（ｃ）、図９（ｃ）に示すように、ソース・ドレイン領域１０ａ、１０ｂ上にコンタクトホ−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１２ａ、１２ｂおよびゲート電極１２ｃを形成し、ｎ−ＭＩＳＦＥＴが完成する。
【０１４９】
次に、本実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴのチャネル層の特性について図２９乃至図３２を参照して説明する。図２９は、ＳｉＯ_２層３ｂ／Ｌａ_２Ｏ_３層３ａ／ＳｉＯ_２層３ｃの積層構造からなる絶縁膜３とチャネル層５ｂ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３０は、ＴＥＭを用いて測定した電子線回折像から得られた面間隔の変化を示す。ここで測定しているのは、界面に対して平行方向の（１００）面の面間隔である。測定ポイントは図２９に示したように、Ｌａ_２Ｏ_３からなる絶縁膜６ａ中の位置▲１▼、絶縁膜６ａとＳｉ層５ａの界面のＳｉ位置▲２▼、絶縁膜６ａとＳｉ層５ａの界面から１０ｎｍ離れたチャネル領域のＳｉ位置▲３▼、Ｌａ_２Ｏ_３からなる絶縁膜３ａとＳｉ層５ａの界面近傍のＳｉの位置▲４▼、絶縁膜３ａ中の位置▲５▼、絶縁膜３ａとＳｉ層５の界面から２５０ｎｍ離れたＳｉ位置▲６▼の６点である。なお、図２９においては、Ｓｉ層５ａとＬａ_２Ｏ_３からなる絶縁膜６ａとの間には、例えば膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層６ｂが形成され、Ｓｉ層５ａとＤｙ_２Ｏ_３からなるゲート絶縁膜７との間には、例えば膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層７ａが形成されている。ＳｉＯ_２層６ｂはＬａ_２Ｏ_３からなる絶縁膜６ａの形成時に、ＳｉＯ_２層７ａは、Ｄｙ_２Ｏ_３からなるゲート絶縁膜７の形成時に形成される酸化層である。
【０１５０】
図３０は、界面から２５０ｎｍ離れた位置▲６▼のＳｉの面間隔を基準として、それぞれの面間隔の変化を示している。絶縁膜３ａおよび絶縁膜６ａを構成するＬａ_２Ｏ_３の面間隔の変化は＋５．０％であり、Ｘ線回折から得られた結果と一致する。絶縁膜６ａとＳｉ層５ａの界面近傍におけるＳｉ位置▲２▼、及び絶縁膜３ａとＳｉ層５ａの界面近傍におけるＳｉ位置▲４▼は、Ｌａ_２Ｏ_３に付随して＋１．１％歪んでいる。さらに、この界面から１０ｎｍ離れたＳｉ位置▲３▼においても面間隔は変化しており、＋１．１％と大きな値であることがわかった。この結果から、Ｓｉより面間隔が大きく、且つ、結晶性が高い金属酸化物を含む絶縁膜を下地絶縁膜、チャネル上部絶縁膜とし、Ｓｉより面間隔が小さく、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て配置することで、チャネル領域全域のＳｉ層の面間隔を均一に、より効果的に大きくできることが示された。
【０１５１】
本実施形態によるＳｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物を下地絶縁膜、チャネル上部絶縁膜、およびゲート絶縁膜に用いた新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物をチャネル下地絶縁膜およびチャネル上部絶縁膜に用いた新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴ、およびＳｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物を下地絶縁膜、ゲート絶縁膜とした新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を比較する。図３１は実効電界と電子移動度の関係、図３２は閾値と構造の関係を示したものである。
【０１５２】
図３１の実効電界と電子移動度の関係に注目する。破線がユニバ−サルカ−ブ、実線（細線）がチャネル上下に金属酸化膜を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴ、実線（中太線）がチャネル下部とゲート絶縁膜に金属酸化膜を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴ、そして実線（太線）がチャネル領域上下の絶縁膜とゲート絶縁膜に金属酸化膜を配置した新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴのものである。ゲート絶縁膜を金属酸化膜とすることによって、移動度が向上していることがわかる。これは、ゲート金属酸化膜の面間隔を、Ｓｉよりも小さくすることで、チャネル領域全域に渡って均一に大きな引っ張り歪を与えることができるためである。
【０１５３】
次に、図３２の構造と閾値の関係に注目する。この図は、▲１▼絶縁膜３が金属酸化膜で絶縁膜６ａと絶縁膜７がＳｉＯ_２膜の場合すなわち第１実施形態の場合、▲２▼絶縁膜３と絶縁膜６ａが金属酸化膜であって絶縁膜７がＳｉＯ_２膜の場合すなわち第５実施形態の場合、▲３▼絶縁膜３と絶縁膜７が金属酸化膜、絶縁膜６ａがＳｉＯ_２膜の場合すなわち第７実施形態の場合、▲４▼絶縁膜３と、絶縁膜６ａと、絶縁膜７が金属酸化膜の場合すなわち第８実施形態の場合、のそれぞれの閾値を示したものである。ゲート電極の仕事関数は４．２ｅＶで、チャネル濃度は１０^１５ｃｍ^−３なので、閾値は全て０Ｖとなることが予想される。しかし、▲１▼絶縁膜３が金属酸化膜、絶縁膜６ａと絶縁膜７がＳｉＯ_２膜の場合には、閾値は１．２Ｖと高くなっている。これは、Ｆｉｎ型ＭＯＳＦＥＴの構造と、ゲート絶縁膜７と第絶縁膜６ａがＳｉＯ_２膜であることに原因がある。Ｆｉｎ型ＭＯＳＦＥＴはチャネルの側面をゲート電極で挟んだダブルゲート構造となっているため、シングルゲートと比べて突き抜けたボロンの量が多くなり、結果として高い閾値を示すようになるのである。ところが、▲２▼や▲３▼のように、絶縁膜６ａ、７のどちらかに金属酸化膜を挿入することによって閾値は０．４Ｖ程度まで減少する。これは、金属酸化膜によってボロンの拡散が抑えられているからである。さらに、絶縁膜６ａ、７のどちらも金属酸化膜とすることによって、閾値は閾値は０．２Ｖまで低下し、さらなる改善を図ることができる。閾値が０Ｖにならないのは、チャネル領域が絶縁されているために、電子のエネルギー準位が量子化され、サブバンドが発生しているからである（K. Uchida et al., IEDM Tech. Dig.,(2002)47）。
【０１５４】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、ゲート絶縁膜も金属酸化膜とすることによって、Ｆｉｎ型トランジスタのチャネル領域のＳｉに均一に引っ張り応力を与えることができ、チャネル上下、またはチャネル下部とチャネル側面を金属酸化膜とする場合に比べて電子移動度の向上を図ることができる。また、金属酸化膜によってボロンの拡散を抑えることで、閾値の制御をすることができ、歩留まりの向上を果たすことが可能である。
【０１５５】
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の面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。
【０１５６】
第８実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＬａ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、Ｓｒ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４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場合も示したが、配向が全て揃った単結晶金属酸化物を用いることにより、より大きな面間隔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−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、ＭＢＥ法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１５７】
なお、第８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（１１１）、（１１１）、（１１０）のいずれでもよい。また、上記面方位から角度がずれていても良い。
【０１５８】
第８実施形態においては、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合について述べたが、ｐ−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−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、絶縁膜３、６ａにＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を、絶縁膜７にＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を選定する。一方、ｐ−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、絶縁膜３、６ａにＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を用い、絶縁膜７にＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を用いるか、もしくは絶縁膜３、６ａにＳｉより面間隔の小さな金属酸化物を、絶縁膜７にＳｉより面間隔の大きな金属酸化物を用いればよい。また、与えたい応力に応じて、金属酸化物の面間隔を選定する。１種類のみの金属元素を含む金属酸化物で所望の面間隔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（Ｅｕ_ｘＤｙ_１−ｘ）_２Ｏ_３を用いることにより、金属酸化物のＳｉに対する面間隔の変化を０から−１．８％の間で任意に変化させることができる。
【０１５９】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴの構成を、図３３乃至図３５を参照して説明する。図３３は第９実施形態によるＦｉｎ型ｎ−ＭＩＳＦＥＴの斜視図、図３４は図３３に示す切断面Ａ−Ａで切断したときの断面図、図３５は図３３に示す切断面Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【０１６０】
この実施形態によるＭＩＳＦＥＴは、Ｓｉからなる半導体基板１ｂの表面に結晶性の金属酸化物を少なくとも含む絶縁膜３が形成されている。ここで、絶縁膜３に含まれる金属酸化物は、金属と酸素の組成比が化学量論比である金属酸化物である。そして、後述のチャネル領域を半導体基板１ｂと電気的に接続するために、絶縁膜３には、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、Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘからなる領域４が形成されている。Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ中には酸素の欠損が生じ、バンドギャップ内に準位が発生し、導電性の領域が形成される。このような成膜方法を用いることにより、絶縁膜３を開孔することなく、簡易な方法で半導体界面とチャネル領域を電気的に接続させることができる。
【０１６１】
領域４上に凸型のチャネル領域（チャネル層）５ｂが形成されている。絶縁膜３および領域４を構成する金属酸化物の面間隔がＳｉの面間隔より大きいため、チャネル領域５ｂにおけるＳｉは絶縁膜３および領域４から応力をうけ、歪みＳｉ層が形成されている。このチャネル領域５ｂの両側に、チャネル領域５ａと導電型が異なるソース領域１０ａおよびドレイン領域１０ｂが形成された構成となっている。また、チャネル領域５ｂの直上部には絶縁膜６ｃが形成されている。チャネル領域５ｂの側面上にはゲート絶縁膜７が形成されている。ゲート絶縁膜７の周囲には、ポリシリコンからなるゲート電極９ａが形成されている。すなわち、本実施形態においては、金属酸化膜の面間隔をＳｉより大きくし、チャネル層におけるＳｉの面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。
【０１６２】
次に、本実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴの製造方法を、図３６（ａ）乃至図４３を参照して説明する。図３６（ａ）乃至図３６（ｅ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図３７（ａ）乃至図３７（ｅ）は図３６（ａ）乃至図３６（ｅ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図３８（ａ）乃至図３８（ｅ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図３９（ａ）乃至図３９（ｅ）は図３８（ａ）乃至図３８（ｅ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図４０（ａ）乃至図４０（ｄ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図４１（ａ）乃至図４１（ｄ）は図４２（ａ）乃至図４２（ｄ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図、図４２は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図４３は図４２に対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図である。
【０１６３】
まず、（１１１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて打ち込みダメ−ジを回復するため、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このようにすることにより、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるシリコン層５ａが形成される（図３６（ａ）、図３７（ａ）（参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。
【０１６４】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ａをＭＢＥ装置に導入する。基板温度を例えば５００℃とし、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｔｉを蒸着源として用いてＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘからなる金属酸化層３ａを５ｎｍの厚さ成膜する（図３６（ｂ）、図３７（ｂ）参照）。このとき成膜されたＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘの酸素組成比は化学量論比（ｘ＝３．０）であり、Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘのとＳｉの界面に平行な方向の面間隔は５．５０Åであった。また、Ｓｉ層５ａの表面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ａとＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ層３ａの間には、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層が形成されている。つまり、絶縁膜３は、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂと、膜厚５ｎｍのＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ層３ａの積層構造を含んでいる。このとき、金属酸化層３ａの面間隔がＳｉよりも大きいために、Ｓｉに＋０．３％の歪みが加わっていることを確認した。
【０１６５】
次に、図３６（ｃ）、図３７（ｃ）に示すように、Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ層３ａに局所的にレーザーを照射する。レーザーが照射された領域４では、酸素組成比がｘ＝２．７に減少していた。この領域４の面間隔は５．５６Åと大きくなり、導電性の領域４が形成された。これは、レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ、バンドギャップ中に準位が発生するためである。このとき、導電性領域の面間隔がＳｉよりも大きいために、導電性領域下部の領域のＳｉに、＋１．０％の歪みが加わっていることを確認した。
【０１６６】
次に、ＣＶＤ法を用いて例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する（図３６（ｄ）、図３７（ｄ）参照）。このとき、Ｓｉ層５の金属酸化層３ａ、４側の界面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５と金蔵酸化層３ａ、４の間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃが形成される。つまり、この製造方法では、Ｓｉ層５ａと、Ｓｉ層５との間には、膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｂ、膜厚５ｎｍの金属酸化層３ａ、および膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ_２層３ｃからなる３層積層構造の絶縁膜３が形成された構成となっている（図３６（ｄ）、図３７（ｄ）参照）。
【０１６７】
次に、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図３６（ｅ）、図３７（ｅ）参照）。その後、中間層２を境に基板１ｂを剥離することによって、金属酸化物からなる絶縁膜３上にＳｉ層５ａを露出させる。続いて、例えばＣＭＰ法を用いてＳｉ層５ａの露出した表面を平坦化する（図３８（ａ）、図３９（ａ）参照）。なお、この後に続いて、元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとして用いるＳｉ層５ａに不純物プロファイルを形成することも可能である。
【０１６８】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ層５ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ｂをＭＢＥ装置に基板を導入する。基板温度を例えば５００℃とし、ＣｅＯ_２を蒸着源として用いてＣｅ酸化物からなる金属酸化物を含む絶縁膜６を５ｎｍの厚さ成膜する（図３８（ｂ）、図３９（ｂ）参照）。このとき成膜されたＣｅ酸化物の酸素組成比は化学量論比（ｘ＝２．０）であり、面間隔は５．４１Åであった。
【０１６９】
次に、Ｃｅ酸化物からなる絶縁膜６にレーザーを照射し、絶縁膜６ａとする。レーザー照射後、絶縁膜６ａ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、面間隔は５．４８Åと大きくなった（図３８（ｃ）、図３９（ｃ）参照）。これは、レーザーの照射により、酸素の欠損が生じ絶縁膜６ａを構成するＣｅ酸化物中の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、面間隔の大きなＣｅ酸化物層６ｂを作製することができる。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。また、導電性領域４及びＣｅ酸化物層６ｂの面間隔が大きくなることにより、導電性領域４上部のチャネル層５ａ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。
【０１７０】
次に、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いて、絶縁膜６ｂおよびＳｉ層５ａをパタ−ニングすることにより、図３８（ｄ）、図３９（ｄ）に示すように、領域４の直上に凸型のチャネル層５ｂを形成する。このとき、Ｓｉ層５ａと絶縁膜３との間に形成されたＳｉＯ_２層３ｂも同時にパターニングされる。
【０１７１】
次に、この基板１ｂを電子ビ−ム蒸着装置に導入する。基板温度を例えば６００℃とし、Ｄｙ_２Ｏ_３を蒸着源として用いて金属酸化物Ｄｙ_２Ｏ_３を５ｎｍ蒸着しチャネル領域５ｂの周囲にＤｙ_２Ｏ_３を含むゲート絶縁膜７を形成する（図３８（ｅ）、図３９（ｅ）参照）。この時、例えばＦｉｎのチャネル領域の高さ（ゲート幅）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの幅（チャネル領域深さ）を２０ｎｍ、Ｆｉｎの長さを２００ｎｍとする。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、Ｄｙ_２Ｏ_３の配向性を高め結晶性を向上させている。
【０１７２】
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４０（ａ）、図４１（ａ）参照）。続いて、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａを形成する（図４０（ｂ）、図４１（ｂ）参照）。その後、ゲート電極９ａ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１０ａ、１０ｂを形成する（図４０（ｃ）、図４１（ｃ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜１１を全面に堆積する（図４０（ｄ）、図４１（ｄ）参照）。
【０１７３】
次に、図４２、図４３に示すように、ソース・ドレイン領域１０ａ、１０ｂ上にコンタクトホ−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１２ａ、１２ｂおよびゲート電極１２ｃが形成され、ｎ−ＭＩＳＦＥＴが完成する。
【０１７４】
次に、図４４を参照してＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘにおける酸素組成比と面間隔、抵抗率の関係を説明する。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＝３）の時の面間隔は５．５０Åであった。一方、酸素組成比が化学量論比より小さくなり、ｘ＜３．０の場合には、面間隔が大きくなることがわかった。Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ中の面間隔が酸素組成比により大きく変化するのは、Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘが強いイオン性結合を持つ結晶であることによると考えられる。また、酸素組成比が小さくなるに連れ、抵抗率が減少することがわかる。これは、酸素組成比を減少させることで膜中に酸素の欠損が生じ、バンドギャップ内に準位が発生するためである。
【０１７５】
次に、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物を下地絶縁膜（Ｓｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘ）、チャネル上部絶縁膜（Ｌａ_２Ｏ_３）、さらにゲート絶縁膜（Ｄｙ_２Ｏ_３）とし、半導体基板とチャネル領域を電気的に接続した本実施形態による新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴと、同様の絶縁膜構成で、チャネル領域が電気的に半導体基板と絶縁されている新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの特性を比較した。図４５、図４６に、ゲート絶縁膜を膜厚５ｎｍのＤｙ_２Ｏ_３とし、下地に絶縁膜のない平面型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの閾値を基準にして、新Ｆｉｎ型ｎ−ＭＯＳＦＥＴの、チャネル部分を電気的に接続していないもの▲１▼と、本実施形態のように、接続しているもの▲２▼の差を示す。チャネル領域が電気的に接続されることにより、閾値が低下し、平面型ｎ−ＭＯＳＦＥＴとの差は０．０５Ｖまで低下することがわかる。これは、チャネル領域が電気的に接続されているために、絶縁された場合の電子エネルギ−レベルの量子化、及びサブバンド発生による閾値のシフトを回避できるからである。さらに、移動度に注目すると、チャネルを電気的に接続することにより移動度が向上していた（図４６参照）。これは、チャネル領域を半導体基板と電気的に接続することによってホ−ルの蓄積を防ぐことができ、その結果ホ−ルの蓄積が引き起すキャリア散乱による移動度低下を避けられるからである。
【０１７６】
以上、詳述したように、本実施形態によれば、従来のＳＯＩ−ＭＩＳＦＥＴやＦｉｎ−ＭＩＳＦＥＴと比較して簡単にチャネル領域を半導体基板と電気的に接続することができ、サブバンド発生による閾値変化、ホ−ルの蓄積による電子移動度の低下を防ぐことが可能となり、より効果的に移動度の向上を図ることが可能である。
【０１７７】
第９実施形態では、結晶性の金属酸化物としてＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘを例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４でも酸素組成比を減じることにより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ているが、成膜方法はＣＶＤ法、スパッタ法、電子ビ−ム蒸着法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１７８】
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の面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。
【０１７９】
第９実施形態においては、ｎ−ＭＩＳＦＥＴの場合について述べたが、ｐ−ＭＩＳＦＥＴについても同様の方法で実施することができる。
【０１８０】
なお、第９実施形態においては面方位が（００１）のＳｉ基板を用いた例を示しているが、面方位は（１１１）、（１１１）、（１１０）のいずれでもよい。また、上記面方位から角度がずれていても良い。
【０１８１】
さらに、第５〜９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基板上の結晶性の金属酸化物、または、チャネル層上部の結晶性の金属酸化物、さらに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の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ＳｉＯ_２層が形成されないため、金属酸化膜における面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。また、チャネルＳｉ層の結晶性を向上することができる。用いる岩塩構造の酸化物の厚さは１〜３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ＳｉＯ_２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より面間隔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より面間隔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層における面間隔の変化は、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より面間隔の小さなＳｒＯを挟んで、その上にＳｉより面間隔の大きなＰｒ_２Ｏ_３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、チャネル領域下部の絶縁膜に含まれる、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル領域上部の絶縁膜に含まれる、Ｓｉと面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と面間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル領域との界面の全てに岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どれか１つでも効果が得られる。
【０１８２】
なお、第９実施形態において、絶縁膜６ｃ、７が金属酸化膜の場合について述べたが、絶縁膜６ｃおよび絶縁膜７の少なくとも一方が金属酸化膜以外の絶縁物であってもよい。
【０１８３】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態によるｎ−ＭＩＳＦＥＴおよびｐ−ＭＩＳＦＥＴを有する半導体装置の構成を、図４７乃至図５９を参照して説明する。図４７は、本実施形態による半導体装置の斜視図、図４８は本実施形態による半導体装置の、図４７に示す切断面Ａ−Ａで切断した断面図、図４９は本実施形態による半導体装置の、図４７に示す切断面Ｂ−Ｂで切断した断面図である。また、
本実施形態の半導体装置の製造方法を図５０（ａ）乃至図５９に示す。図５０（ａ）乃至図５０（ｆ）は図４７に示す切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図５１（ａ）乃至図５１（ｆ）は図５０（ａ）乃至図５０（ｆ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図５２（ａ）乃至図５２（ｃ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図５３（ａ）乃至図５３（ｃ）は図５２（ａ）乃至図５２（ｃ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図であり、図５４（ａ）乃至図５４（ｃ）は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図５５（ａ）乃至図５５（ｃ）は図５４（ａ）乃至図５４（ｃ）にそれぞれ対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図、図５６は切断面Ａ−Ａにおける製造工程断面図、図５７は図５６に対応する切断面Ｂ−Ｂにおける製造工程断面図である。
【０１８４】
まず、（００１）面方位を持つＳｉ基板１ａに例えば深さ１００ｎｍの素子分離領域１３を形成する（図５０（ａ）、図５１（ａ）参照）。続いて、例えば水素イオンを５×１０^１６／ｃｍ^２のドーズ量で、ピークレンジが例えば表面から５０ｎｍの深さになるようなエネルギーで打ち込み、水素濃度の高い領域を形成する。続いて打ち込みダメ−ジを回復するために、例えば８００℃で３０分、水素雰囲気中で熱処理する。このようにすることにより、ダメ−ジが回復すると共に、水素濃度の高い領域には周囲より機械的強度の小さい中間層２が形成され、同時に、後にチャネル層となるシリコン層５ｎ、５ｐが形成される（図５０（ｂ）、図５１（ｂ）参照）。中間層２には連続的に微細な空孔が発生し、機械的強度が小さくなっている。
【０１８５】
次に、希フッ酸処理を行い、Ｓｉ基板１ａのＳｉ表面を水素で終端化する。続いて、この基板１ａをＭＢＥ装置に導入する。Ｓｒ、Ｔｉ、Ｚｒを蒸着源として用いて金属酸化物Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘを含む絶縁膜３を５ｎｍ形成する（図５０（ｃ）、図５１（ｃ）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、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの配向性を高め結晶性を向上させている。また、Ｓｉ層表面のＳｉが酸化されて、Ｓｉ層５ｎ、５ｐと金属酸化物Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘとの間には、図示しない膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層が形成されている。つまり、絶縁膜３は、膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ_２層と膜厚５ｎｍのＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ層からなる積層構造となっている。Ｘ線回折評価より、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ層は（００１）方向に配向したエピタキシャル膜であり、ＳｉとＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの界面に対して平行方向のＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ（００１）の面間隔は５．０１Åであることがわかっている。この値は、Ｓｉの面間隔に対して７．３％小さい。また、Ｘ線回折の半値幅は狭く、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ層は（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ている。電子線回折を用いた面間隔評価の結果、（００１）に強く配向して結晶性が高いＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ層を形成することにより、チャネル層のＳｉに圧縮応力が加わり、面間隔が小さくなることを確認した。Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの面間隔の変化は−７．０％であり、このＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ層に付随して界面におけるＳｉが歪んでおり、５ｎ、５ｐ共に面間隔の変化は−１．２％であることがわかった。界面から２０ｎｍ離れたＳｉでも面間隔の変化は起こっており、面間隔が−０．８％変化していた。
【０１８６】
次に、シリコン層５ｐ上の絶縁膜３にのみ局所的にレーザーを照射したところ、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの酸素組成比ｘが変化して、ｘ＝２．７の領域４ａが形成された（図５０（ｄ）、図５１（ｄ）参照）。このときのＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの面間隔は、Ｓｉの面間隔に対して−１．８％の大きさとなった。これは前述したように、イオン性の結晶中の格子位置の酸素が抜けることによって、格子間の平均距離が大きくなり面間隔が大きくなるためである。それに伴い、シリコン層５ｐのＳｉの面間隔も、Ｓｉの面間隔に対して−０．３％の大きさとなった。また、膜中に酸素欠損が発生するため、バンドギャップ中に酸素欠損による準位が生じ、領域４ａは導電性の領域となった。
【０１８７】
次に、シリコン層５ｎ上の絶縁膜３に局所的にレーザーを照射したところ、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの組成比が変化して、Ｘ＝２．５の領域４ｂが形成された（図５０（ｅ）、図５１（ｅ）参照）。このときのＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの面間隔は、Ｓｉの面間隔に対して１．８％大きくなっていた。さらにシリコン層５ｎの、領域４ｂの下部のＳｉの面間隔は＋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Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの面間隔をＳｉよりも大きくすることで、Ｓｉに引っ張り応力が加わり、面間隔が大きくなるためである。また、膜中に酸素欠損が発生するため、バンドギャップ中に酸素欠損による準位が生じ、領域４ｂは導電性の領域となっている。
【０１８８】
次に、ＣＶＤ法を用いて例えば１μｍ厚のＳｉ層５を成膜する（図５０（ｆ）、図５１（ｆ）参照）。続いて、Ｓｉ層５の表面に基板１ｂを接着する（図５２（ａ）、図５３（ａ）参照）。
【０１８９】
次に、中間層２を境に基板１ｂを剥離し、例えばＣＭＰにより表面を平坦化する。（図５２（ｂ）、図５３（ｂ）参照）。こうすることで、金属酸化膜上にＳｉ層５ｎ、５ｐが露出される。なお、この後に続いて、元素のイオン打ち込みを行うことにより、チャネルとして用いるＳｉ層５ｎ、５ｐに不純物プロファイルを形成することも可能である。
【０１９０】
次に、希フッ酸処理を行いＳｉ層５ｎ、５ｐの表面を水素で終端化し、膜厚が５０ｎｍのＳｉＯ_２を全面に被膜し、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜６を形成する（図５２（ｃ）、図５３（ｃ）参照）。
【０１９１】
次に、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いて、絶縁膜６およびＳｉ層５ｐ、５ｎをパタ−ニングし、図５４（ａ）、図５５（ａ）に示すように、領域４ａ、４ｂの直上に凸型のチャネル層５ｄ、５ｅを形成する。続いて、チャネル層５ｄ、５ｅの側面に、３ｎｍのＳｉＯ_２を被膜し、ＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜７を形成する（図５４（ｂ）、図５５（ｂ）参照）。
【０１９２】
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５４（ｃ）、図５５（ｃ）参照）。続いて、ポリシリコン膜９を、例えばＲＩＥ法などの異方性エッチング法を用いてパタ−ニングし、ゲート電極９ａ、９ｂを形成する（図５６（ａ）、図５７（ａ）参照）。
【０１９３】
その後、ゲート電極９ａ、９ｂ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領域１４ａ、１５ａ、ドレイン領域１４ｂ、１５ｂを形成する（図５６（ｂ）、図５７（ｂ）参照）。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜１１を全面に堆積する（図５６（ｃ）、図５７（ｃ）参照）。
【０１９４】
次に、図５８、図５９に示すように、ソース領域１４ａ、１５ａ、ドレイン領域１４ｂ、１５ｂ上にコンタクトホ−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電極１６ａ、ドレイン電極１６ｂおよびゲート電極１６ｃを形成し、ｎ−ＭＩＳＦＥＴおよびｐ−ＭＩＳＦＥＴが完成する。
【０１９５】
図６０にＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘにおける酸素組成比と面間隔、抵抗率の関係を示す。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＝３）の時の面間隔は５．０１Åであった。
【０１９６】
一方、酸素組成比ｘが化学量論比より小さくなり、ｘ＜３．０の場合には、面間隔が大きくなることがわかった。Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ中の面間隔が酸素組成比により大きく変化するのは、Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘが強いイオン性結合を持つ結晶であることによると考えられる。また、酸素組成比が小さくなるに連れ、抵抗率が減少することがわかる。これは、酸素組成比を減少させることで膜中に酸素の欠損が生じ、バンドギャップ内に準位が発生するためである。
【０１９７】
図６１に示すように、ＳｉＯ_２換算膜厚（ＥＯＴ）が３ｎｍのＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜を有するＳＧＯＩ型ＣＭＯＳと、ＳｉＯ_２換算膜厚（ＥＯＴ）が３ｎｍのＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜を有し、絶縁膜３としてＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘを有する本実施形態によるＦｉｎ型ＣＭＯＳ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Ｆｉｎ型ＣＭＯＳがＳＧＯＩ型ＣＭＯＳを下回っており、Ｆｉｎ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、Ｆｉｎ型ＣＭＯＳでは、ｎ型では引っ張り歪み、ｐ型では圧縮歪みをかけることができ、さらにＧｅによるキャリアの散乱を回避できるために、電子、正孔共に移動度が大幅に向上していることによる。
【０１９８】
第１０実施形態では、絶縁膜３として、結晶性の金属酸化物Ｓｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘ、を例にして述べたが、結晶性の金属酸化物はＳｒＴｉＯ_３、ＳｒＺｒＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３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、Ａｌ_２Ｏ_３やスピネル構造を持つＭｇＡｌ_２Ｏ_４でも酸素組成比を減じることにより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ているが、成膜方法はＣＶＤ法、スパッタ法、電子ビ−ム蒸着法など他の成膜方法を用いてもよい。
【０１９９】
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の面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。
【０２００】
なお、第１０実施形態においては、面方位は（００１）、（１１１）、（１１０）のいずれでもよい。また、上記面方位から角度がずれていても良い。
【０２０１】
さらに、第１０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、チャネル層上部の結晶性の金属酸化物、さらに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ＳｉＯ_２層が形成されないため、金属酸化膜における面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１〜３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ＳｉＯ_２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より面間隔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より面間隔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層における面間隔の変化は、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より面間隔の小さなＳｒＯを挟んで、その上にＳｉより面間隔の大きなＰｒ_２Ｏ_３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、チャネル領域下部の絶縁膜に含まれる、Ｓｉと面間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル領域上部の絶縁膜に含まれる、Ｓｉと面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と面間隔の異なる結晶質の金属酸化物と、チャネル領域との界面の全てに岩塩構造の金属酸化物を挟む必要はなく、どれか１つでも効果が得られる。
【０２０２】
なお、第１０実施形態において、絶縁膜６ａ、７がＳｉＯ_２膜の場合について述べたが、絶縁膜６ａおよび絶縁膜７のうち少なくとも一方が金属酸化膜であってもよい。
【０２０３】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、チャネル領域に任意の量の歪みを導入できる。このため、極薄膜ＳＯＩ型トランジスタや旧Ｆｉｎ型トランジスタで見られる、下地絶縁膜から受ける圧縮歪によるキャリア移動度低下問題を解決でき、また、ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉトランジスタではできなかった、ｐ型ＭＩＳＦＥＴでの大幅な移動度の向上が可能となる。さらに、局所的に絶縁膜の元素組成比を変調させるという簡単な製法でチャネル領域と基板を電気的に接続できるため、これまでに提案されている旧Ｆｉｎ型トランジスタに比べて製造コストの低減が可能である。
【０２０４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、Ｆｉｎ型−ＭＯＳＦＥＴにおいて、トランジスタ特性の大幅な改善を図ることができる。
【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斜視図。
【図２】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３】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４】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５】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６】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７】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８】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９】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１０】第１実施形態による電界効果トランジスタのＰｒ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２／Ｓｉ界面の断面を示す模式図。
【図１１】第１実施形態による電界効果トランジスタの所定の位置における面間隔の変化を示す図。
【図１２】第１実施形態及び比較例による電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図１３】第１実施形態及び比較例による電界効果トランジスタの、ゲート電圧と、チャネル幅に対するドレイン電流の比との関係を示す特性図。
【図１４】第２実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と正孔移動度の関係を示す特性図。
【図１５】第３実施形態によるＣｅ酸化物／Ｓｉ界面の測定位置を示す図。
【図１６】図１５に示す測定位置における面間隔の変化値を示す図。
【図１７】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面間隔の関係を示す図。
【図１８】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酸化物の平均面間隔が大きくなることを示す模式図。
【図１９】第３実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図２０】第３実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図２１】第４実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と正孔移動度の関係を示す特性図。
【図２２】第５実施形態によるＳｉ／ＳｉＯ_２／Ｌａ_２Ｏ_３／ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｌａ_２Ｏ_３界面の測定位置を示す図。
【図２３】図２２に示す測定位置における面間隔の変化値を示す図。
【図２４】第５実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図２５】第６実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図２６】第７実施形態によるＳｉ／ＳｉＯ_２／Ｌａ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２／Ｓｉ／ＳｉＯ_２界面の測定位置。
【図２７】図２６に示す測定位置における面間隔の変化値を示す図。
【図２８】第７実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す特性図。
【図２９】第８実施形態によるＳｉ／ＳｉＯ_２／Ｌａ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２／Ｓｉ／ＳｉＯ_２／Ｌａ_２Ｏ_３界面の測定位置を示す図。
【図３０】図２９に示す測定位置における面間隔の変化値を示す図。
【図３１】第８実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、実効電界と電子移動度の関係を示す図。
【図３２】第８実施形態および比較例おける閾値の関係を示す図。
【図３３】本発明の第９実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す斜視図。
【図３４】本発明の第９実施形態による電界効果トランジスタのＡ−Ａ断面図。
【図３５】本発明の第９実施形態による電界効果トランジスタのＢ−Ｂ断面図。
【図３６】第９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３７】第９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３８】第９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３９】第９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４０】第９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４１】第９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４２】第９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４３】第９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４４】第９実施形態による電界効果トランジスタのＳｒ（Ｔｉ_０．１６Ｚｒ_０．８４）Ｏ_ｘの、金属と酸素の組成比と面間隔の関係を示す図。
【図４５】第９実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの実効電界と電子移動度の関係を示す図。
【図４６】第９実施形態と比較例の、閾値シフト量を示す図。
【図４７】本発明の第１０実施形態による電界効果トランジスタの構成を示す斜視図。
【図４８】本発明の第１０実施形態による電界効果トランジスタのＡ−Ａ断面図。
【図４９】本発明の第１０実施形態による電界効果トランジスタのＢ−Ｂ断面図。
【図５０】第１０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５１】第１０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５２】第１０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５３】第１０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５４】第１０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５５】第１０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５６】第１０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５７】第１０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５８】第１０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５９】第１０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６０】第１０実施形態による電界効果トランジスタのＳｒ（Ｔｉ_０．４３Ｚｒ_０．５７）Ｏ_ｘの、金属と酸素の組成比と面間隔の関係を示す図。
【図６１】第１０実施形態及び比較例による新Ｆｉｎ型電界効果トランジスタの、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】
１ａ Ｓｉ基板
１ｂ Ｓｉ基板
２ 中間層
３ 絶縁膜（金属酸化膜）
３ａ 絶縁膜
４ 導電性の領域
４ａ 導電性の領域
４ｂ 導電性の領域
５ Ｓｉ層
５ａ Ｓｉ層
５ｂ チャネル領域（チャネル層）
５ｃ チャネル領域（チャネル層）
６ 絶縁膜
６ａ 絶縁膜
６ｂ 絶縁膜（金属酸化膜）
６ｃ 絶縁膜（金属酸化膜）
７ ゲート絶縁膜
７ａ ゲート絶縁膜（金属酸化膜）
８ ポリシリコン膜
９ ゲート電極
１０ａ ソース領域
１０ｂ ドレイン領域
１１ ＳｉＯ_２膜
１２ａ ソース電極
１２ｂ ドレイン電極
１２ｃ ゲート接続部
１３ 素子分離領域ＳｉＯ_２膜
１４ａ ソース領域
１４ｂ ドレイン領域
１５ａ ソース領域
１５ｂ ドレイン領域
１６ａ ソース電極
１６ｂ ドレイン電極
１６ｃ ゲート接続部
１７ａ ソース電極
１７ｂ ドレイン電極
１７ｃ ゲート接続部

Claims (9)

1. シリコン基板上に形成され前記シリコン基板と面間隔の異なる結晶質を含み酸素組成比が化学量論比より小さな組成の金属酸化物を少なくとも含む第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜上に形成され前記シリコン基板とは結晶の面間隔が異なるシリコンで形成された実質的に直方体形状の半導体領域と、
   前記半導体領域の長手方向に離間して形成されるソースおよびドレイン領域と、
   前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域に形成されるチャネル領域と、
   前記チャネル領域となる前記半導体領域の前記第１の絶縁膜と反対側の面を覆うように形成される第２の絶縁膜と、
   前記チャネル領域となる前記半導体領域の側面にそれぞれ形成される一対のゲート絶縁膜と、
   前記一対のゲート絶縁膜の前記チャネル領域とは反対側の面にそれぞれ形成される一対のゲート電極と、
   を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
2. 前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むことを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ。
3. 前記第１の絶縁膜に含まれる金属酸化物の組成を部分的に変調させた領域が前記チャネル領域に接するように前記第１の絶縁膜に設けられ、前記シリコン基板と前記チャネル領域を電気的に接続させたことを特徴とする請求項１または２記載の電界効果トランジスタ。
4. 前記第２の絶縁膜が、前記シリコン基板と面間隔の異なる結晶質を含む金属酸化物を少なくとも含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
5. 前記第１の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜が前記チャネル領域に与える歪の方向は、同一であることを特徴とする請求項４記載の電界効果トランジスタ。
6. 前記第２の絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むことを特徴とする請求項４または５記載の電界効果トランジスタ。
7. 前記ゲート絶縁膜が、前記シリコン基板と面間隔の異なる結晶質を含む金属酸化物を少なくとも含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電界効果トランジスタ。
8. 前記第１の絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜が前記チャネル領域に与える歪の方向は、互いに異なることを特徴とする請求項７記載の電界効果トランジスタ。
9. 前記ゲート絶縁膜に含まれる金属酸化物の少なくとも１つは、希土類元素から選ばれた１種類以上の金属元素を含むことを特徴とする請求項７または８記載の電界効果トランジスタ。

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