JP4834838B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
<3> 上記<2>において、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有するのがよい。
<5> 上記<1>〜<4>のいずれかにおいて、第2の金属種は、第1の酸化物層中、基板側で第2の金属種の濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するのがよい。
<7> 上記<1>〜<5>のいずれかにおいて、第2の金属種がSc、Y、La及びLuからなる群から選ばれるのがよい。
<8> 上記<1>〜<7>のいずれかにおいて、第1の金属種がHfであり、第2の金属種がYであり、第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になり、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは0at%より大きく25at%以下であるのがよい。
<9> 上記<1>〜<8>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板、好ましくはSi基板又はGe基板であるのがよい。
<11> 上記<10>において、第1の酸化物層のHfO2−Y2O3におけるYの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは0at%より大きく25at%以下であるのがよい。
<13> 上記<12>において、第1の酸化物層のHfO2−Y2O3におけるYの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは0at%より大きく25at%以下であるのがよい。
<15> 上記<1>〜<7>及び<14>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<16> 上記<2>〜<7>、並びに<14>及び<15>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がLaとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になるのがよい。
<18> 上記<2>〜<7>、並びに<14>及び<15>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がLaとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になるのがよい。
<19> 上記<18>における、第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下であるのがよく、好ましくは半導体装置の比誘電率が20以上であり且つLa量が、LaとHfとの合計を100at%としたとき、40〜60at%であるのがよい。
上記<14>〜<19>において、第1の酸化物層が非結晶であるのがよい。
<21> 上記<1>〜<7>及び<20>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<22> 上記<1>〜<7>、並びに<20>及び<21>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がCeとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になるのがよい。
<24> 上記<1>〜<7>並びに<20>及び<21>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がCeとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になるのがよい。
<25> 上記<24>における、第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは20〜50at%であるのがよい。
3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種M’を添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
堆積層を熱処理してMO2−M’xOy層(x及びyはM’の酸化数によって決まる整数)を形成する第1の酸化物層形成工程;を有する上記方法。
<27> 上記<26>において、堆積層形成工程前に、14(IVB)族半導体基板上に3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種M’の酸化物M’aOb(a及びbは第2の金属種M’によって決まる整数)を堆積させ、その後、熱処理を行って第2の金属種と14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物からなる第2の酸化物層形成工程をさらに有するのがよい。
<29> 上記<27>又は<28>において、第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃、好ましくは600〜800℃で行うのがよい。
<31> 上記<26>〜<30>のいずれかにおいて、第1の酸化物層中に含まれる前記第2の金属種M’の量が、第2の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下となるように、堆積層形成工程において第2の金属種M’を添加するのがよい。
<33> 上記<26>〜<32>のいずれかにおいて、第2の金属種がSc、Y、La、Ce及びLuからなる群から選ばれるのがよい。
<34> 上記<26>〜<32>のいずれかにおいて、第2の金属種がSc、Y、La及びLuからなる群から選ばれるのがよい。
<36> 上記<26>〜<35>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<38> 上記<37>において、第1の酸化物層のHfO2−Y2O3におけるYの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは0at%より大きく25at%以下であるのがよい。
<40> 上記<39>において、第1の酸化物層のHfO2−Y2O3におけるYの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは0at%より大きく25at%以下であるのがよい。
<42> 上記<26>〜<34>及び<41>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<43> 上記<27>〜<34>、並びに<41>及び<42>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がLaとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になるのがよい。
<45> 上記<27>〜<34>、並びに<41>及び<42>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がLaとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になるのがよい。
<46> 上記<45>における、第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下であるのがよく、好ましくは半導体装置の比誘電率が20以上であり且つLa量が、LaとHfとの合計を100at%としたとき、40〜60at%であるのがよい。
上記<41>〜<46>において、第1の酸化物層が非結晶であるのがよい。
<48> 上記<26>〜<34>及び<47>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<49> 上記<26〜<34>、並びに<47>及び<48>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がCeとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になるのがよい。
<51> 上記<26>〜<34>並びに<47>及び<48>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がCeとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になるのがよい。
<52> 上記<51>における、第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下、好ましくは20〜50at%であるのがよい。
<54> 上記<53>において、14(IVB)族半導体基板と第1の酸化物層との間に、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素と第3の金属種とからなる酸化物からなる第2の酸化物層を有するのがよい。
<55> 上記<54>において、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有するのがよい。
<57> 上記<53>〜<56>のいずれかにおいて、第3の金属種は、第1の酸化物層中、基板側で第3の金属種の濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するのがよい。
<59> 上記<53>〜<57>のいずれかにおいて、第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO2−SiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が20以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種M”の量は、第3の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、0at%より大きく30at%以下であるのがよく、好ましくは半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種M”の量は、第3の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、3at%より大きく15at%以下であるのがよい。
<60> 上記<53>〜<59>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
Si又はGeである第3の金属種M”を添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
前記堆積層を熱処理してMO2−M”O2層を形成する第1の酸化物層形成工程;を有する上記方法。
<62> 上記<61>において、堆積層形成工程前に、14(IVB)族半導体基板上にSi又はGeである第3の金属種M”の酸化物M”O2を堆積させ、その後、熱処理を行って第3の金属種と14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物からなる第2の酸化物層形成工程をさらに有するのがよい。
<64> 上記<62>又は<63>において、第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃で行うのがよい。
<65> 上記<62>〜<64>のいずれかにおいて、半導体装置が、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有するのがよい。
<67> 上記<61>〜<66>のいずれかにおいて、第1の酸化物層形成工程における熱処理により、第1の酸化物層中、第3の金属種は、第1の酸化物層中、基板側でその濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するように、第1の酸化物層が形成されるのがよい。
<69> 上記<61>〜<67>のいずれかにおいて、第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO2−SiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が20以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種M”の量は、第3の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、0at%より大きく30at%以下であるのがよく、好ましくは半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種M”の量は、第3の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、3at%より大きく15at%以下であるのがよい。
<70> 上記<61>〜<69>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
<72> 上記<71>において、14(IVB)族半導体基板と第1の酸化物層との間に、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素と金属種Tiとからなる酸化物からなる第2の酸化物層を有するのがよい。
<73> 上記<72>において、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有するのがよい。
<75> 上記<71>〜<73>のいずれかにおいて、第1の金属種がHfであり、第1の酸化物層がHfO2−TiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が20以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる金属種Tiの量は、金属種Tiと第1の金属種との合計を100at%としたとき、20〜70at%であるのがよく、好ましくは半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる金属種Tiの量は、金属種Tiと第1の金属種との合計を100at%としたとき、40〜60であるのがよい。
<76> 上記<71>〜<75>のいずれかにおいて、金属種Tiは、第1の酸化物層中、基板側で金属種Tiの濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するのがよい。
<77> 上記<71>〜<76>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
金属種Tiを添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
前記堆積層を熱処理してMO2−TiO2層を形成する第1の酸化物層形成工程;を有する上記方法。
<79> 上記<78>において、堆積層形成工程前に、14(IVB)族半導体基板上に金属種Tiの酸化物TiO2を堆積させ、その後、熱処理を行って金属種Tiと14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物からなる第2の酸化物層形成工程をさらに有するのがよい。
<81> 上記<79>又は<80>において、第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃で行うのがよい。
<82> 上記<79>〜<81>のいずれかにおいて、半導体装置が、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有するのがよい。
<84> 上記<78>〜<83>のいずれかにおいて、第1の酸化物層形成工程における熱処理により、第1の酸化物層中、金属種Tiは、第1の酸化物層中、基板側でその濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するように、第1の酸化物層が形成されるのがよい。
<85> 上記<78>〜<84>のいずれかにおいて、14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板であるのがよい。
本発明は、14(IVB)族半導体基板;及び該基板上に存在するMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)及びM’xOy(M’は3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種であり、x及びyはM’の酸化数によって決まる整数)からなる第1の酸化物層であって高誘電率を有する第1の酸化物層;を有する半導体装置を提供する。
また、本発明は、14(IVB)族半導体基板;及び該基板上に存在するMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)及びM”O2(M”はSi又はGeである第3の金属種である)からなる第1の酸化物層であって高誘電率を有する第1の酸化物層;を有する半導体装置を提供する。
なお、本発明において、「14(IVB)族」の括弧前の数字「14」は、18族長周期型周期表に基づく族の番号である。また、括弧内の数字「IVB」は、短周期型周期表に基づく族の番号である。
M’xOyのM’は、3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種であり、x及びyはM’の酸化数によって決まる整数である。第2の金属種は、好ましくはSc、Y、La、Ce及びLuからなる群から選ばれるのがよい。また、M”O2のM”はSi又はGeである第3の金属種である。なお、上述のように、第1の酸化物層がMO2及びTiO2を有するか又はそれらから本質的になる場合、第1の金属種MからTiは除かれる。
第1の酸化物の誘電率は、MO2単独の誘電率、及びM’xOy又はM”O2又はTiO2単独の誘電率とは異なり、著しく高い。この理由は、完全な理論に基づくものではないが、MO2及びM’xOyのみからなる第1の酸化物又はMO2及びM”O2のみからなる第1の酸化物などが、ある単位胞を有し、該単位胞が特異的に高い分極率を有すると共に単位胞体積が小さいためであると考えられる。第1の酸化物は、高誘電率であるため、ゲート絶縁膜として有用である。
なお、ここで、「高誘電率」とは、比誘電率が20以上であるのがよく、好ましくは25以上であるのがよい。
なお、第2の金属種などが上述の濃度勾配を有する場合、第1の酸化物層中に含まれる第2の金属種などの量は、第1の酸化物層全体において、上述の量的関係を有するのがよい。
また、本発明の装置が第2の酸化物層を有する場合、本発明の装置は、14(IVB)族半導体基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層をこの順序で有しかつ該3層のみからなる層状構造を有するのがよい。なお、3層の層状構造のさらに上部に他の層を有し、所望の特性を有する半導体装置としてもよい。
即ち、3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種M’を添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
堆積層を熱処理してMO2−M’xOy層(x及びyはM’の酸化数によって決まる整数)を形成する第1の酸化物層形成工程;を有する方法により、製造することができる。
14(IVB)族半導体基板、第1の金属種M、第2の金属種M’などは、上述したものを用いることができる。
また、第2の酸化物層形成工程の熱処理は、10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃、好ましくは600〜800℃で行うのがよい。
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
自然酸化膜を除去したN型のSi基板上にYを0at%、4.4at%及び17at%添加したHfO2をスパッタリング法により堆積し、酸素を0.1%含む窒素雰囲気中で400℃、600℃、800℃、1000℃の各温度で熱処理を行い、N型Si基板上にHfO2−Y2O3層(本実施例において「YDH」と略記する場合がある)を形成した試料A−1を調製した。その後、HfO2−Y2O3層(YDH)側に金電極を形成し、MISキャパシタ(図1)とした。なお、図1は、MISキャパシタ1の概念図であり、該MISキャパシタ1は、Si基板3、SiO2層4、HfO2−Y2O3層5、及び金電極6を配置してなる。
試料A−1に関して、電気容量測定及び膜厚測定を行い、HfO2−Y2O3層の誘電率の変化を調べた。これらの結果を図2及び図3に示す。なお、図2において、「CET」とは、YDHの単位面積当たりの電気容量CYDHから求めたSiO2換算実効膜厚を示す。また、以下の式から、YDHの誘電率を求めた(εSiO2:SiO2の誘電率、dYDH:測定したHfO2−Y2O3層(YDH)の膜厚、εYDH:求めるHfO2−Y2O3層(YDH)の誘電率)。
また、Yのドープ量が17at%の場合、温度依存性が少なく、1000℃においても高い誘電率(約22)を有することがわかる。
さらに、Yのドープ量が4.4at%の場合、400℃、600℃及び800℃において、高い誘電率(400℃で約25、600℃で約27、800℃で約27)を有することがわかる。
自然酸化膜を除去したP型Si基板上に金属Yを蒸着した後に、10−6Pa以下の真空中で500℃にて熱処理を行った。次に、Y/(Hf+Y)が4.4at%となるようにYをドープしたHfO2をスパッタリング法により堆積した。その後、500℃で0.1%のO2を含むN2雰囲気中で熱処理し、Si基板上にYシリケート層を有し、さらに該Yシリケート層上にHfO2−Y2O3層を有する層状構造体を得た。実施例1での図1と同様に、この構造体のHfO2−Y2O3層(YDH)側に金電極を形成し試料B−1を得た。この試料B−1を用いて、次の測定を行った。即ち、ゲート電圧と電気容量との特性(図4(a)のC−V特性)、及びゲート電圧とリーク電流との特性(図4(b)のJ−V特性)の測定を行った。
図4(a)及び(b)から、本実施例の試料は、リーク電流が小さく、ゲート絶縁膜にとって良好な電気特性を有することがわかる。
実施例6の試料B−1及び本実施例の試料B−2について、有効膜厚(EOT)とリーク電流との関係(図5)の測定を行った。
図5から、Si基板表面上のSi3N4層の有無に関わらず、ゲート絶縁膜にとって良好な電気特性を有することがわかる。
表面にGeO2を有するGe基板上にスパッタリング法によりY2O3を堆積させ、引き続いて、Y/(Hf+Y)が4.4at%となるようにYをドープしたHfO2をスパッタリング法により堆積した。その後、酸素を1%含む窒素雰囲気下、400℃又は600℃で熱処理し、Ge基板上にGeO2層を有し、該GeO2層上にY2O3層を有し、さらに該Y2O3層上にHfO2−Y2O3層を有する試料C−1を得た。堆積後(熱処理前)の試料、及び熱処理後に得られた試料のY2O3膜厚と、Y2O3/Ge界面に形成される界面層(GeO2)の膜厚を測定した。膜厚測定の結果を図6に示す。
本実施例と類似する方法として、表面にSiO2を有するSi基板上に形成されたY2O3を熱処理することによってSiO2を消失させて、Y−シリケートとSiとからなる界面を形成するという報告がある(例えば、M. Copel, Applied Physics Letters, Vol. 82, 1583-1585(2003))がある。Si基板に比べて反応性が高いGe基板を用いた本実施例の特徴は次の2点にある。即ち、1)Si基板を用いる場合(850〜940℃で反応進行が確認)よりも圧倒的な低温(600℃の熱処理)で反応が進行すること;及び2)Si基板上では超高真空などの非酸素雰囲気下での熱処理を要するのに対し、Ge基板上で酸素を含む雰囲気においても反応が円滑に進行すること;に、本実施例は特徴を有する。
Siウェーハの表面を酸化して100nmの酸化膜を成長させた後、白金を80nm堆積し、これを基板とした。この基板上に、La又はCeを添加したHfO2を、スパッタリング法を用いて成長させた。なお、La又はCeの量は、図7に示すように、0〜50at%の範囲で添加した。その後、酸素を0.1%含む窒素雰囲気中、400℃〜800℃の範囲で加熱処理を行い、HfO2−La2O3層、又はHfO2−CeO2層を形成した(なお、図7中の値は、400℃〜800℃の熱処理のうち、最も比誘電率の高い値をプロットしている)。最後に、膜表面に金を蒸着してMIMキャパシタ(金属−絶縁体−金属キャパシタ)を形成した。MIMキャパシタの電気容量を測定し,これとは別に予め測定した膜厚の値から比誘電率を算出した。算出した比誘電率を図7に示す。図7は、比較のため、実施例1と同様の方法により得られたHfO2−Y2O3層の比誘電率の値も掲載する。図7中、組成は添加元素M(Y、La又はCe)とHfの原子濃度比:M/(Hf+M)で表す。
Ceを添加した場合、添加量が少ないうちは添加効果がはっきりとは現れないが、50at%まで増やすと比誘電率は26に達した。
フッ酸で洗浄したシリコンウエーハを基板として用いた以外、実施例9と同様に、膜厚30nmのHfO2−La2O3層を成膜した。この試料に関して、結晶化温度を調べた。結晶化温度は、温度600〜1000℃でアニールし、X線回折測定を行い、ピークが検出された場合、結晶化されているとしてその結晶化温度の判定を行った。その結果を図8に示す。
図8から、Laの添加量が増加すると、結晶化温度は上昇した。特に30at%以上のLaを添加した場合は800℃、40at%以上のLaを添加した場合は900℃においても結晶化しなかった。これらのことは、Laを添加しなかったHfO2の結晶化温度が600℃以下であったのに比べて大幅な改善を意味している。
実施例10と同様に、フッ酸で洗浄したシリコンウエーハ基板上に、HfO2−La2O3層を成膜した。但し、La添加量を40at%とし、酸素を0.1%含む窒素雰囲気下で、アニール温度600℃で、種々の膜厚で成膜した。その後、金/HfO2−La2O3層/Siの構成を有するMISキャパシタを作成し、フラットバンド電圧の膜厚依存性を調べた。結果を図9に示す。膜厚を大幅に変えてもフラットバンド電圧は殆ど変化せず、膜中の固定電荷の密度が極めて低いことが分かる。これにより、Laを多量に添加したHfO2−La2O3膜は、膜中の「固定電荷」の密度を劇的に低減する効果があると考えられる。
添加元素をSi又はTiとしたこと、及び添加濃度範囲を0〜100at%としたこと以外、実施例9と同様に、HfO2−SiO2層、又はHfO2−TiO2層を成膜し、得られた膜の比誘電率を測定した。図10にHfO2−SiO2層の比誘電率の測定結果を、図11にHfO2−TiO2層の比誘電率の測定結果を、それぞれ示す。
図10から、Siを添加した場合、400℃では比誘電率上昇はみられなかったが、800℃では添加量20at%以下で、急激な比誘電率の上昇が見られる。
また、図11から、Tiを添加した場合、添加量が増えるに従って比誘電率が上昇することがわかる。
Claims (77)
- 14(IVB)族半導体基板;及び該基板上に存在するMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)及びM’xOy(M’は3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種であり、x及びyはM’の酸化数によって決まる整数)からなる第1の酸化物層であって高誘電率を有する第1の酸化物層;を有する半導体装置であって、
前記14(IVB)族半導体基板と前記第1の酸化物層との間に、前記14(IVB)族半導体基板に含まれる元素と前記第2の金属種とからなる酸化物からなる第2の酸化物層を有する半導体装置。 - 前記基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項1記載の半導体装置。
- 前記第1の酸化物層中に含まれる前記第2の金属種M’の量は、第2の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項1又は2記載の装置。
- 前記第2の金属種は、前記第1の酸化物層中、前記基板側で前記第2の金属種の濃度が高く、前記基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有する請求項1〜3のいずれか1項記載の装置。
- 前記第2の金属種がSc、Y、La、Ce及びLuからなる群から選ばれる請求項1〜4のいずれか1項記載の装置。
- 前記第2の金属種がSc、Y、La及びLuからなる群から選ばれる請求項1〜4のいずれか1項記載の装置。
- 前記第1の金属種がHfであり、前記第2の金属種がYであり、前記第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になり、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項1〜6のいずれか1項記載の装置。
- 前記14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項1〜7のいずれか1項記載の装置。
- 前記14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がYとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になる請求項1〜8のいずれか1項記載の装置。
- 前記第1の酸化物層のHfO2−Y2O3において、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項9記載の装置。
- 前記14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がYとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になる請求項1〜8のいずれか1項記載の装置。
- 前記第1の酸化物層のHfO2−Y2O3において、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項11記載の装置。
- 前記第1の金属種がHfであり、前記第2の金属種がLaであり、前記第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になり、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項1〜6のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項1〜6及び請求項13のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がLaとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になる請求項1〜6、並びに請求項13及び14のいずれか1項記載の装置。
- 第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項15記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がLaとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になる請求項1〜6、並びに請求項13及び14のいずれか1項記載の装置。
- 第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項17記載の装置。
- 第1の金属種がHfであり、第2の金属種がCeであり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になり、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項1〜6のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項1〜6及び請求項19のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がCeとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になる請求項1〜6、並びに請求項19及び20のいずれか1項記載の装置。
- 第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項21記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がCeとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になる請求項1〜6、並びに請求項19及び20のいずれか1項記載の装置。
- 第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項23記載の装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
14(IVB)族半導体基板上に3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種M’の酸化物M’ a O b (a及びbは第2の金属種M’によって決まる整数)を堆積させ、その後、熱処理を行って第2の金属種と14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物からなる第2の酸化物層形成工程;
3(IIIA)族及びランタノイドからなる群から選ばれる第2の金属種M’を添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を第2の酸化物層上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
前記堆積層を熱処理してMO2−M’xOy層(x及びyはM’の酸化数によって決まる整数)を形成する第1の酸化物層形成工程;を有する上記方法。 - 前記第1の酸化物層形成工程の熱処理を600〜1000℃で行う請求項25記載の方法。
- 前記第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃で行う請求項25又は26記載の方法。
- 前記半導体装置が、前記基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項25〜27のいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の酸化物層中に含まれる前記第2の金属種M’の量が、第2の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下となるように、堆積層形成工程において第2の金属種M’を添加する請求項25〜28のいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の酸化物層形成工程における熱処理により、前記第1の酸化物層中、前記第2の金属種は、前記第1の酸化物層中、前記基板側でその濃度が高く、前記基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するように、前記第1の酸化物層が形成される請求項25〜29のいずれか1項記載の方法。
- 前記第2の金属種がSc、Y、La、Ce及びLuからなる群から選ばれる請求項25〜30のいずれか1項記載の方法。
- 前記第2の金属種がSc、Y、La及びLuからなる群から選ばれる請求項25〜30のいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の金属種がHfであり、前記第2の金属種がYであり、前記第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になり、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項25〜32のいずれか1項記載の方法。
- 前記14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項25〜33のいずれか1項記載の方法。
- 前記14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がYとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になる請求項25〜34のいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の酸化物層のHfO2−Y2O3において、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項35記載の方法。
- 前記14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がYとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−Y2O3のみから本質的になる請求項25〜36のいずれか1項記載の方法。
- 前記第1の酸化物層のHfO2−Y2O3において、Yの量は、YとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項37記載の方法。
- 第1の金属種がHfであり、前記第2の金属種がLaであり、前記第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になり、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項25〜32のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項25〜32及び請求項39のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がLaとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になる請求項25〜32、並びに請求項39及び40のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項41記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がLaとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−La2O3のみから本質的になる請求項25〜32、並びに請求項39及び40のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層のHfO2−La2O3において、Laの量は、LaとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく60at%以下である請求項43記載の方法。
- 第1の金属種がHfであり、第2の金属種がCeであり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になり、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項25〜32のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項25〜32、及び請求項45のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板がSi基板であり、第2の酸化物層がCeとSiとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になる請求項25〜32、並びに請求項45及び46のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項47記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板がGe基板であり、第2の酸化物層がCeとGeとからなる酸化物のみから本質的になり、第1の酸化物層がHfO2−CeO2のみから本質的になる請求項25〜32、並びに請求項45及び46のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層のHfO2−CeO2において、Ceの量は、CeとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく50at%以下である請求項49記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板;及び該基板上に存在するMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)及びM”O2(M”はSi又はGeである第3の金属種である)からなる第1の酸化物層であって高誘電率を有する第1の酸化物層;を有する半導体装置であって、
第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO 2 −SiO 2 のみから本質的になり、Siの量は、SiとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく30at%以下である、上記半導体装置。 - 14(IVB)族半導体基板と第1の酸化物層との間に、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素と第3の金属種であるSiとからなる酸化物(ただし、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素がSiのみである場合、該酸化物はSiO 2 である)からなる第2の酸化物層を有する請求項51記載の装置。
- 基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項52記載の装置。
- 第3の金属種は、第1の酸化物層中、基板側で第3の金属種の濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有する請求項51〜53のいずれか1項記載の装置。
- 第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO2−SiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種M”の量は、第3の金属種と第1の金属種との合計を100at%としたとき、3at%より大きく15at%以下である請求項51〜54のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項51〜55のいずれか1項記載の装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
Si又はGeである第3の金属種M”を添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
前記堆積層を熱処理してMO2−M”O2層を形成する第1の酸化物層形成工程;を有し、
第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO 2 −SiO 2 のみから本質的になり、Siの量は、SiとHfとの合計を100at%としたとき、0at%より大きく30at%以下である、上記方法。 - 堆積層形成工程前に、14(IVB)族半導体基板上に、第3の金属種であるSiの酸化物SiO2を堆積させ、その後、熱処理を行って第3の金属種と14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物(ただし、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素がSiのみである場合、該第2の酸化物はSiO 2 である)からなる第2の酸化物層形成工程をさらに有する請求項57記載の方法。
- 第1の酸化物層形成工程の熱処理を600〜1000℃で行う請求項57又は58記載の方法。
- 第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃で行う請求項58又は59記載の方法。
- 半導体装置が、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項58〜60のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層形成工程における熱処理により、第1の酸化物層中、第3の金属種は、第1の酸化物層中、基板側でその濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するように、第1の酸化物層が形成される請求項57〜61のいずれか1項記載の方法。
- 第1の金属種がHfであり、第3の金属種がSiであり、第1の酸化物層がHfO2−SiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる第3の金属種Siの量は、該Siと第1の金属種との合計を100at%としたとき、3at%より大きく15at%以下である請求項57〜62のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項57〜63のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板;及び該基板上に存在するMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)及びTiO2からなる第1の酸化物層であって高誘電率を有する第1の酸化物層;を有する半導体装置であって、
第1の酸化物層中に含まれる金属種Tiの量は、金属種Tiと第1の金属種との合計を100at%としたとき、20〜70at%である、上記半導体装置。 - 14(IVB)族半導体基板と第1の酸化物層との間に、14(IVB)族半導体基板に含まれる元素と金属種Tiとからなる酸化物からなる第2の酸化物層を有する請求項65記載の装置。
- 基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項66記載の装置。
- 第1の金属種がHfであり、第1の酸化物層がHfO2−TiO2のみから本質的になり、半導体装置は比誘電率が25以上であり且つ第1の酸化物層中に含まれる金属種Tiの量は、金属種Tiと第1の金属種との合計を100at%としたとき、40〜60である請求項65〜67のいずれか1項記載の装置。
- 金属種Tiは、第1の酸化物層中、基板側で金属種Tiの濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有する請求項65〜68のいずれか1項記載の装置。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項65〜69のいずれか1項記載の装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
金属種Tiを添加したMO2(Mは4(IVA)族から選ばれる第1の金属種である)を14(IVB)族半導体基板上に堆積させて堆積層を形成する堆積層形成工程;及び
前記堆積層を熱処理してMO2−TiO2層を形成する第1の酸化物層形成工程;を有し、
第1の酸化物層中に含まれる金属種Tiの量が、金属種Tiと第1の金属種との合計を100at%としたとき、20〜70at%となるように、堆積層形成工程において金属種Tiを添加する、上記方法。 - 堆積層形成工程前に、14(IVB)族半導体基板上に金属種Tiの酸化物TiO2を堆積させ、その後、熱処理を行って金属種Tiと14(IVB)族半導体基板に含まれる元素とからなる第2の酸化物からなる第2の酸化物層形成工程をさらに有する請求項71記載の方法。
- 第1の酸化物層形成工程の熱処理を600〜1000℃で行う請求項71又は72記載の方法。
- 第2の酸化物層形成工程の熱処理を10−4パスカル以下の真空雰囲気下、600〜1000℃で行う請求項72又は73記載の方法。
- 半導体装置が、基板、第2の酸化物層及び第1の酸化物層の3層のみからなる層状構造を有する請求項72〜74のいずれか1項記載の方法。
- 第1の酸化物層形成工程における熱処理により、第1の酸化物層中、金属種Tiは、第1の酸化物層中、基板側でその濃度が高く、基板から離れるにしたがって該濃度が低くなる濃度勾配を有するように、第1の酸化物層が形成される請求項71〜75のいずれか1項記載の方法。
- 14(IVB)族半導体基板が、Si、Ge、SiGe、SiC、GaN、及びC(ダイアモンド)からなる群から選ばれる基板である請求項71〜76のいずれか1項記載の方法。
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