JP2003168647A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
半導体装置の製造方法および半導体装置Info
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Abstract
電極等の低抵抗化を実現し、チャネル層等の移動度及び
信頼性を向上することを可能とし、また欠陥のないシリ
コン層等を具備し、また工程数も低減したSOI構造を
有する基板を用いた半導体装置の製造方法および半導体
装置を提供する。 【解決手段】 非晶質の第1の半導体層3a上にエピタ
キシャル成長により所定の結晶面方位をもつ結晶性絶縁
層2bを堆積する工程と、この結晶性絶縁層2b上に非
晶質の第2の半導体層3bを堆積する工程と、前記結晶
性絶縁層2bを核として前記第1及び第2の半導体層3
a,3bを固相成長し、多結晶または単結晶化する工程
と、前記第1、第2の半導体層3a,3bに機能素子を
組み込む工程とを具備する半導体装置の製造方法。
Description
方法及び装置に関する。
な不揮発性半導体メモリ(EEPROM)や論理演算素
子及び薄膜トランジスタなどに代表されるように、シリ
コン系素子の微細化及び高性能化が要求されている。こ
れらの素子のうち例えば不揮発性半導体メモリや論理演
算素子は、性能を維持していくために、微細化されるほ
どゲート絶縁膜を薄膜化する必要がある。しかし、従来
のシリコン酸化膜やシリコン窒化膜では、薄膜化すると
リーク電流が増大するという問題を本質的に有してお
り、これらの膜で素子の微細化及び高性能化の実現が困
難になってきている。
化膜やシリコン窒化膜よりも高い誘電率を有する高誘電
体膜、例えばチタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフ
ニウム酸化物などを用いて、酸化膜換算膜厚はそのまま
に実際の膜厚を厚くして、リーク電流を低減し高い絶縁
特性を達成する技術も開発されている。しかしさらなる
絶縁特性の向上が求められている。
多結晶シリコンを用いて、pタイプ及びnタイプのドー
ピングを行い仕事関数の調整及び抵抗の低減を図ること
が成されている。しかしゲート電極等のさらなる低抵抗
化が求められている。
ランジスタにおいては、高機能化、高性能化及び高速化
のためにチャネルシリコン層のキャリア移動度を増加す
ることや素子の信頼性を向上することが要求されてい
る。このためにチャネルシリコン層の形成条件、例えば
成膜条件やレーザーアニール条件などを最適化し、チャ
ネルシリコン層を多結晶化して結晶粒径などを制御する
方法が検討されている。しかしさらなるチャネルシリコ
ン層等の移動度向上及び信頼性の向上が求められてい
る。
OI(Silicon On Insulator)基
板と呼ばれる絶縁膜上に形成された単結晶シリコンをチ
ャネルとするトランジスタの開発が行われている。
中に表面から酸素イオンを高加速電圧でイオン注入し高
温でアニールして、基板中間に層状のSiO2を形成し
ていたが、この方法ではイオンにより表面のシリコン膜
に欠陥が入るという問題がある。また、シリコン酸化膜
が形成されたシリコン基板と通常のシリコン基板をこの
シリコン酸化膜をはさんで張り合わせ、一方のシリコン
基板の表面を研磨してSOI基板を形成する方法があ
る。この方法は工程数が多く基板が高価になるという問
題がある。
長させ、その上にシリコン膜を気相成長させる方法が提
案されている(例えば非特許文献1参照)。しかしなが
ら、成長膜の配向性が低く、膜質の均一性に欠け信頼性
のある機能素子を形成することができない。
イド、フィジックス発行「ジャパン・ジャーナル・アプラ
イド・フィジックス」、第40巻(2001年8月)(第
4769−4773頁)
膜等の絶縁特性の向上、ゲート電極等の低抵抗化、チャ
ネルシリコン層等の移動度向上及び信頼性の向上が課題
となっている。また、SOI基板において、シリコン膜
に欠陥が入る問題や工程数が多くなることにより基板が
高価になる問題がある。
たもので、ゲート絶縁膜等の絶縁特性を向上し、ゲート
電極等の低抵抗化を実現し、チャネル層等の移動度及び
信頼性を向上することを可能とした半導体装置及びその
製造方法を提供することを目的とする。
また工程数も低減したSOI構造を有する基板を用いた
半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
に、本発明は、非晶質半導体層と所定の結晶面方位に配
向した結晶性絶縁層とを接触させこの絶縁層を核として
前記非晶質半導体層を固相成長させ、結晶面方位がそろ
った多結晶、または単結晶の結晶性半導体層にする工程
と、前記結晶性半導体層をベースに機能素子を形成する
工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方
法を得るものである。
非晶質半導体層の上に温度300℃から700℃で、酸
素分圧10−8から10−5Torrで希土類金属を酸
化物として堆積することが好ましい。
い。
0)または(111)であることが好ましい。
℃から1000℃の範囲とするのが実用的である。
縁層がCeO2であることがけ好ましい。
タキシャル成長により所定の結晶面方位をもつ結晶性絶
縁層を堆積する工程と、前記絶縁層上に非晶質の第2の
半導体層を形成する工程と、前記絶縁層を核として前記
第2の半導体層を固相成長させ結晶性層を形成する工程
と、前記結晶性層に機能素子を形成する工程とを具備す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法を得るもので
ある。
でよい。
絶縁層を核として固相成長させ結晶化された層となるよ
うにすることができる。
非晶質Si層を堆積する工程と、前記非晶質Si層上に
CeO2絶縁層を成長させ所定の結晶面方位に配向した
結晶性絶縁層を堆積する工程と、前記CeO2の結晶性
絶縁層を核として前記非晶質Si層を固相成長させ多結
晶または単結晶半導体基板に形成する工程と、この半導
体基板に機能素子を形成する工程とを具備することを特
徴とする半導体装置の製造方法を得るものである。
の結晶面方位に配向した結晶性絶縁層をエピタキシャル
成長する工程と、前記絶縁層上に非晶質の第2の半導体
層を形成する工程と、前記絶縁層を核として前記第2の
半導体層を固相成長させる工程と、前記絶縁層および前
記第2の半導体層をゲート絶縁膜およびゲート電極とな
る領域を残してエッチング除去する工程と、前記領域の
両側の前記第1の半導体層にこの半導体層と異なる導電
型の不純物を拡散し、ソース及びドレイン領域を形成し
MISトランジスタを形成する工程と、を具備する半導
体装置の製造方法を得るものである。
導体層上に所定の結晶面方位に配向した結晶性絶縁層を
成長する工程と、前記絶縁層上に非晶質の第2の半導体
層を形成する工程と、前記絶縁層を核として少なくとも
前記第1の半導体層を固相成長させる工程と、前記絶縁
層および前記第2の半導体層を、ゲート絶縁膜およびゲ
ート電極となる領域を残してエッチング除去する工程
と、前記領域の両側の前記第1の半導体層にこの半導体
層と異なる導電型の不純物を拡散し、ソース及びドレイ
ン領域を形成しMISトランジスタを形成する工程と、
を具備してなる半導体装置の製造方法を得るものであ
る。
の半導体層間に結晶面方位をもつエピタキシャル成長さ
れた結晶性絶縁層を有し、前記第1の半導体層と第2の
半導体層の少なくとも一方は前記絶縁層を核として非晶
質層から固相成長された結晶面方位が単一に配向してい
る多結晶または単結晶の半導体層であり、前記絶縁層を
ゲート絶縁膜とし、前記第1の半導体層をソース、ドレ
イン領域とし、前記第2の半導体層をゲート電極として
なるMISトランジスタを含む半導体装置を得るもので
ある。
第1の半導体層と、前記半導体層上にエピタキシャル成
長された希土類酸化物からなる絶縁層と、前記絶縁層上
に形成された多結晶或いは単結晶の第2の半導体層とを
具備し、少なくとも前記第2の半導体層を使用した機能
素子を備えてなることを特徴とする半導体装置を得るも
のである。
少なくとも一方がシリコンからなることが好ましい。
2、Dy2O3、Y2O3、La 2O3、Pr2O3、
Gd2O3、SrTiO3,SrZrO3,Sr(Ti
Zr)O3,SrCeO3、MgO,Cao,SrO,
BaO、MgAl2O4、Al2O3の少なくとも一種
からなることが好ましい。とりわけ、成膜性からCeO
2が好ましい。
なくとも一方の結晶面方位が単一に配向していることが
好ましい。
形態について詳細に説明する。また、本発明は、以下の
実施形態に限定されるものではなく、種々工夫して用い
ることができる。図1は、本発明による半導体装置の構
造断面図である。
型シリコン基板1a上に、シリコン酸化物等からなる第
1の絶縁層2aが形成されている。この第1の絶縁層2
a上にはシリコン等からなる第1の半導体層3aが形成
されている。この第1の半導体層3aの出発構造は非晶
質であり、表面が平坦に形成されている。この第1の半
導体層3a上には、酸化セリウム(CeO2)等の希土
類酸化物からなる第2の絶縁層2bがエピタキシャル成
長されている。この酸化セリウムの第2の絶縁層2bは
下地の結晶性を問わず、結晶面方位が一定の方向にそろ
った多結晶または単結晶の層になる。この第2の絶縁層
2bの結晶面方位として(111)、(110)を構成
させやすい。この第2の絶縁層2b上には、シリコン等
からなる第2の半導体層3bが形成されている。
縁層2bは、所定の結晶面方位例えば(111)であ
り、多結晶構造の場合、方位が単一にそろって配向され
る。これを核として、その接触面から第1及び第2の半
導体層3a及び3bを、非晶質から多結晶或いは単結晶
に固相成長する。ここで非晶質から多結晶或いは単結晶
に固相成長させた層は、第1及び第2の半導体層3a及
び3bの両方或いはどちらか一方のみでもよい。固相成
長された層は絶縁層2bと同じ(111)配向の多結晶
または単結晶となる。また、この相は出発構造の形状を
そのまま受け継ぎ、表面が平坦のまま結晶面方位がそろ
っている。このため、結晶界面が層厚方向に規則的に延
びた均質な構造となる。
化ケイ素が主成分であるガラス基板1b上にシリコン等
からなる出発構造が非晶質の第1の半導体層3aが形成
されている。この層面は平坦に形成される。この第1の
半導体層3a上には、酸化セリウム(CeO2)等の希
土類酸化物からなる結晶性絶縁層2bがエピタキシャル
成長され所定の結晶面方位例えば(111)の多結晶構
造であり、方位が単一にそろって形成されている。この
絶縁層2b上には、シリコン等からなる出発構造が非晶
質の第2の半導体層3bが形成されている。
縁層2bにより、これを核として、第1及び第2の半導
体層3a、3bを、非晶質から多結晶或いは単結晶に固
相成長する。ここで非晶質から多結晶或いは単結晶に固
相成長する層は、第1及び第2の半導体層3a及び3b
の両方或いはどちらか一方のみでもよい。固相成長され
た層の配向は結晶性絶縁層2bの配向と同じ例えば(1
11)となる。
タキシャル成長する絶縁膜であれば、酸化セリウム膜に
限定されない。
2O3、Y2O3、La2O3、Pr2O 3、Gd2O
3が適用可能である。さらに、SrTiO3,SrZr
O3,Sr(TiZr)O3,SrCeO3などのペロ
ブスカイト系酸化物、MgO,Cao,SrO,BaO
などの岩塩構造酸化物、MgAl2O4などのスピネル
構造酸化物やAl2O3が適用可能である。
する層の結晶面の方位は核となる結晶性絶縁層に応じ
て、(111)(110)(100)などに形成され
る。
の構造を用いて、例えば第1の半導体層3aをチャネル
領域、絶縁層2bをゲート絶縁膜、第2の半導体層3b
をゲート電極としてSOI構造を有する電界効果トラン
ジスタ(図3、図5)を構成することができる。
リコン膜3a及び3bのサンプルの(111)配向率を
調べ、従来のイオンインプラで作製したSOI基板上に
形成した多結晶シリコン膜のサンプルと比較した。
化させたサンプルは、ドットマークAで示すように全て
のサンプルで単結晶化していた。また多結晶シリコンに
固相成長させたサンプルは、サークルマークBで示すよ
うにほぼ100%(111)軸方向に一軸配向した膜を
得ることが可能となる。一方、イオンインプラで作製し
たSOI基板上に多結晶シリコン膜を形成したもので
は、三角マークCで示すように高々70%(111)軸
方向に配向した膜であり、(111)軸方向以外に配向
した結晶粒もランダムに生成される。
代表される高誘電率の希土類酸化物を用い、これをゲー
ト絶縁膜として電界効果トランジスタを作製すること
で、ゲート絶縁膜の誘電率が8以上となり、リーク電流
を低減させ、実行酸化膜厚(teff)が1.0nmの
極めて高性能なトランジスタを作製することができる。
構造を有するnチャネル電界効果トランジスタの断面図
を示す。
シリコン酸化物等からなる埋め込み絶縁膜2aが形成さ
れている。この埋め込み絶縁膜2aは、例えば図1
(a)に示す第1の絶縁層2aを用いることができる。
酸化物等からなる素子分離膜4が形成されている。素子
分離膜4の間の埋め込み絶縁膜2a上には、単結晶化さ
れたp型シリコン層3aが形成されている。
(a)の半導体層3aを用いることができる。この層
は、例えばエピタキシャル成長した結晶性絶縁層2bを
核として非晶質から単結晶に固相成長することによって
形成される。
n型シリコン層3bが形成されている。このシリコン層
3bは、例えば図1(a)の第2の半導体層3bを用い
ることができる。この層は、例えばエピタキシャル成長
した結晶性絶縁層2bを核として、非晶質から単結晶に
固相成長することによって形成することができる。
3bと結晶性絶縁層2bをエッチングし、ゲート電極3
bパターンとゲート絶縁膜2bパターンを形成する。こ
のゲート電極および絶縁膜の両側のシリコン層3aに
は、例えばリンのイオン注入によってn型ソース、拡散
領域5及びn型ドレイン拡散領域5bが形成されてい
る。このゲート絶縁膜2bは、例えば図1(a)の第2
の絶縁層2bに相当する。
れたシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜6が前面に堆積
され、ゲート電極3b、ソース拡散領域5a及びドレイ
ン拡散領域5bの位置にコンタクト孔が形成され、配線
となるAl電極7がスパッタにより形成されパターニン
グされている。
した(111)配向した多結晶シリコン層の膜厚とシー
ト抵抗との関係を示す図である。比較のために曲線B
に、従来のシリコン酸化膜上に非晶質シリコン膜を形成
し、熱処理によって多結晶化させた場合のランダムに配
向している多結晶シリコンの膜厚とシート抵抗との関係
を示している。
向した多結晶シリコン膜(曲線A)のシート抵抗は、従
来の多結晶シリコン膜(曲線B)と比較すると、低くな
っていることが分かる。シート抵抗は、同一膜厚で約3
0%低減することができる。
リコン膜をチャネルに利用した薄膜トランジスタの断面
図を示す。
(111)配向した多結晶シリコン膜3aが形成されて
いる。多結晶シリコン膜3aは、例えば図1(b)に示
す第1の半導体層3aを用いることができる。この層
は、高配向に成長した絶縁層2bを核として、非晶質か
ら多結晶に固相成長して形成される。また、ガラス基板
1b上の多結晶シリコン膜3aの一部分には、シリコン
を酸化してなる素子分離膜4が形成されている。
イオン注入によってn型ソース拡散領域5a及びn型ド
レイン拡散領域5bが形成されている。また、多結晶シ
リコン層3a上には、例えば酸化セリウム等の希土類酸
化物からなるゲート絶縁膜2bが形成されている。この
ゲート絶縁膜2bは、例えば図1(b)に示すエピタキ
シャル成長した結晶性絶縁層2bを用いることができ
る。
コン3bからなるゲート電極3bが形成されている。こ
のゲート電極3bは、例えば図1(b)に示す第2の半
導体層3bを用いることができる。この層は、エピタキ
シャル成長した結晶性絶縁層2bを核として、非晶質か
ら単結晶に固相成長によって形成することができる。
れたシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜6が堆積され、
ゲート電極3b、ソース拡散領域5a及びドレイン拡散
領域5bの位置にコンタクト孔が形成され、配線となる
Al電極7がスパッタにより形成されパターニングされ
ている。
のチャネルとして用いた(111)配向した多結晶シリ
コン膜3aの実効移動度を示す。このとき比較としてガ
ラス基板に非晶質シリコン膜を堆積し、これをレーザー
によって多結晶化した膜をチャネルに用いたものを従来
の多結晶シリコン膜として、その実効移動度を示してい
る。
膜をチャネルに用いると、結晶粒界によるキャリアの散
乱で、曲線Bのように実効移動度(μeff)は、40
cm 2V−1s−1〜60cm2V−1s−1と低い上
に、サンプル間のばらつきも大きかったのに対し、本発
明による(111)配向した多結晶シリコン膜をチャネ
ルに用いることで、曲線Aのように実効移動度は約80
cm2V−1s−1と向上し、さらにサンプル間のばら
つきも小さく抑えることができることが分かる。
ありながら、(111)配向しているために、結晶粒界
におけるキャリアの散乱のポテンシャルエネルギーが均
一となり、その結果として図4に示したようにチャネル
抵抗が低下し、実効移動度が向上したためである。
の具体的な製造方法について詳細に説明する。ここでは
絶縁層が形成された基板上に、非晶質の半導体層を形成
し、この上に絶縁層をエピタキシャル成長する。そして
このエピタキシャル絶縁層を核として、非晶質の半導体
層を多結晶に固相成長したものである。
面方位(100)、比抵抗4Ωcm〜6Ωcmのp型シ
リコン基板1aを用意し、このp型シリコン基板1aの
表面に通常の熱酸化法によって厚さ0.1μm程度のシ
リコン酸化膜2aを形成する。
VD法によりモノシランガス(SiH4)やジシランガ
ス(Si2H6)等を用いて、非晶質シリコン膜3cを
形成する。この膜厚は膜をベースとして形成する機能素
子に応じて任意の厚さに調節できる。実用的には最大
0.5μmである。
E)法を用いて、厚さ5nm程度の酸化セリウム等の希
土類酸化物からなる結晶性絶縁層2bをエピタキシャル
成長する。このとき、酸化セリウム膜2bは、成膜条件
により単結晶膜や所望の粒径の多結晶膜をエピタキシャ
ル成長することができる。
BE)法により行い、成膜原料としては金属Ceとオゾ
ン(O3)を用いた。基板温度を300〜600℃、オ
ゾンの分圧を5×10−8〜1×10−7Torrに設
定して、CeO2を非晶質層上に成膜した。この条件に
おいては、X線回折評価からCeO2は(110)に配
向していることが確認された。一方、基板温度を650
〜850℃、オゾン分圧を2E−7〜1E−6Torr
に設定して、CeO2を非晶質層上に成膜した。このと
き、CeO2は(111)方向に配向していることが確
認された。基板温度・オゾン分圧とも低い場合にはCe
O2は(110)に配向し、基板温度・オゾン分圧とも
高い場合にはCeO2は(111)に配向した。つま
り、MBE法における成膜条件を制御することにより、
CeO2の配向方向を任意に制御することが可能である
ことがわかった。
00℃で、酸素供給量がセリウム供給量の1〜2倍とす
ると単結晶化し、基板温度が300℃〜500℃では多
結晶化する。このとき室温に近いほど結晶粒径は小さく
なる。また、酸素供給量をセリウム供給量の2〜5倍に
しても多結晶化する。
窒素雰囲気中600℃で熱処理を施すと、酸化セリウム
膜2bを核として、酸化セリウム膜2bと非晶質シリコ
ン膜3cの界面からシリコン結晶の核8が生成され始め
る。これは酸化セリウム膜が結晶化しており、この結晶
性を引き継いで核8が成長するために、結晶核生成速度
が速くなっているためである。
処理を加えると、これらの核8が成長する。
度の熱処理でシリコン膜3aは固相成長により多結晶化
する。核となる絶縁層が(111)配向のとき多結晶シ
リコン膜3aは、(111)配向した多結晶シリコン膜
になっている。
せるのに600℃の熱処理を施したが、この温度に限定
されるものではなく、それ以下の例えば500℃で結晶
化が進行する。したがってより融点の低いガラス基板上
に多結晶シリコン層を形成することも可能となる。
コンの固相成長で、良質な多結晶シリコン層が形成でき
ることから、従来のレーザーアニールを用いて酸化シリ
コン膜上に堆積した非晶質シリコンを結晶化する際のよ
うに、発生する突起などの生成を抑制でき、耐圧及びそ
の分布を著しく改善することが可能である。
て、上方から非晶質シリコン膜3cを結晶化させたが、
これに限定されるものではなく、例えばシリコン基板上
に酸化セリウム等の希土類酸化物からなる絶縁膜を形成
し、その上に非晶質シリコン膜を堆積して、下方から固
相成長させることも可能である。
トと制御ゲートの層間に酸化セリウム膜を用い、浮遊ゲ
ートシリコン膜と制御ゲートシリコン膜を同時に固相成
長させてもよい。この場合、不揮発性メモリの閾値のば
らつきを大幅に改善させることが可能となる。
ート電極シリコン膜を本発明により単結晶化することも
可能である。
の他の実施例の製造方法について説明する。ここでは絶
縁層が形成された基板上に、非晶質の半導体層を形成
し、この上に絶縁層をエピタキシャル成長する。そして
このエピタキシャル絶縁層を核として、非晶質の半導体
層を単結晶に固相成長し、最後に絶縁層を除去したもの
である。
面方位(100)、比抵抗4Ωcm〜6Ωcmのp型シ
リコン基板1aを用意し、このp型シリコン基板の表面
に水素と酸素の混合ガスの燃焼により厚さ約2nm程度
のシリコン酸化膜を形成し、引き続き、アンモニアガス
雰囲気中にこのシリコン酸化膜を曝して窒素原子を導入
したオキシナイトライド膜2aを形成する。
ド膜2a上に、CVD法によりモノシランガス(SiH
4)やジシランガス(Si2H6)等を用いて、膜厚
0.2μmの非晶質シリコン膜3cを形成する。
E)法を用いて、厚さ5nm程度の酸化セリウム等の希
土類酸化物からなる絶縁層2bをエピタキシャル成長す
る。このとき、酸化セリウム膜2bは、成膜条件により
単結晶から所望の粒径の多結晶膜をエピタキシャル成長
することができる。例えば、成膜時の基板温度が500
℃〜600℃で、酸素供給量がセリウム供給量の1〜2
倍とすると単結晶化し、基板温度が300℃〜500℃
では多結晶化する。このとき室温に近いほど結晶粒径は
小さくなる。また、酸素供給量をセリウム供給量の2〜
5倍にしても多結晶化する。
窒素雰囲気中600℃で熱処理を施すとことによって、
酸化セリウム膜2bを核として、この膜と非晶質シリコ
ン膜3cの界面側から非晶質シリコン膜3cから単結晶
シリコン層3dに固相成長させる。
処理を加えると、単結晶シリコン層3dが成長する。
度の熱処理で単結晶シリコン層3dが完全に固相成長さ
れる。これにより欠陥の少ないシリコン層が得られる。
溶液で酸化セリウム膜2bを剥離する。
等でパターニングし、反応性イオンエッチング法により
エッチングして、単結晶シリコン膜3dを加工すること
によって、ゲート電極部3dを作製する。
照すると、単結晶シリコン膜3dをマスクにして例えば
リンを1×1016cm−2イオン注入し、例えば、9
50℃、30秒間の熱処理を行いうことで、ソース拡散
領域及びドレイン拡散領域を形成する。次に、全面に厚
さ300nmのシリコン酸化膜をCVD法により堆積す
る。次に、異方性ドライエッチングによりシリコン酸化
膜にコンタクトホールを開口する。次に、シリコン、銅
をそれぞれ例えば0.5%ずつ含有する厚さ800nm
のアルミニウム膜を形成した後、これをパターニングし
てソース電極及びドレイン電極を形成する。こうするこ
とで機能素子としてトランジスタ構造を形成することも
可能である。
ル成長した結晶性ゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶
縁膜を核として、固相成長により単結晶或いは多結晶化
したゲート電極を形成したMOSキャパシタの絶縁破壊
寿命分布を示している。比較のために従来のシリコン酸
化物からなるゲート絶縁膜上に熱処理によって多結晶化
されたゲート電極をもつMOSキャパシタの絶縁破壊分
布を示す。なおシリコン基板はn型とした。
来の多結晶シリコン膜はそれぞれの結晶粒がランダム配
向しているため、例えばゲート電極へのドーピングの
際、結晶方位によりドーパント(不純物)がチャネル領
域まで突き抜けるなどして、絶縁破壊寿命分布は不均一
となる。
発明のように(111)配向した多結晶シリコンを用い
て、かつ固相成長により結晶粒径を制御することによ
り、多結晶シリコン膜の結晶性が均質となり、絶縁破壊
寿命分布も均一となることが分かる。
より酸化セリウム膜の成膜条件により単結晶ゲート化す
ることにより、絶縁破壊寿命分布がさらに均一となり、
かつ絶縁破壊寿命が長寿命化することが分かる。
ル絶縁膜2aを核として、固相成長した半導体層3dを
パターニングすることによってゲート電極を形成した。
これに限らず図8(e)のエピタキシャル絶縁膜を除去
することにより、SOI基板を作製することも可能であ
る。
OI基板の製造方法を示す。
ば、面方位(100)、比抵抗4Ωcm〜6Ωcmの単
結晶p型シリコン基板1aを用意し、このp型シリコン
基板1aの表面に水素と酸素の混合ガスの燃焼により厚
さ約0.1μm以上のシリコン酸化膜2aを形成する。
ば、CVD法により、モノシランガス(SiH4)やジ
シランガス)Si2H6)等を用いて、0.2μm膜厚
の非晶質シリコン膜3cをシリコン酸化膜2a上に形成
する。
ば、分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、厚さ5
nm程度の酸化セリウム等の希土類酸化物からなる絶縁
層2bを成長する。このとき、酸化セリウム膜2bは、
成膜条件により単結晶から所望の粒径の多結晶膜を高配
向に成長することができる。例えば、成膜時の基板温度
が500℃〜600℃で、酸素供給量がセリウム供給量
の1〜2倍とすると単結晶化し、基板温度が室温〜50
0℃では多結晶化する。このとき室温に近いほど結晶粒
径は小さくなる。また、酸素供給量をセリウム供給量の
2〜5倍にしても多結晶化する。
ば、窒素雰囲気中600℃で熱処理を施すと、酸化セリ
ウム膜2bを核として、この膜と非晶質シリコン層3c
との界面側から非晶質シリコン膜3cから単結晶シリコ
ン層3dが固相成長してくる。
熱処理を加えると、単結晶シリコン層が成長し、1時間
程度の熱処理で単結晶シリコン膜3dが完全に固相成長
する。
酸溶液で酸化セリウム膜2bを剥離することによって、
SOI基板が形成される。
して脱水素処理、脱酸素処理、欠陥除去処理を行っても
よい。また、化学機械的研磨法や活性酸素による犠牲酸
化などにより、単結晶シリコン層3dの表面の平坦化を
行ってもよい。
と、単結晶シリコン膜3dを下地として、さらにシリコ
ンを気相エピタキシャル成長させて膜厚をかせいでもよ
い。
来のイオン注入や貼り合わせによる方法により形成され
たSOI基板より、工程数を削減することができ、安価
にSOI基板を作製することができる。また、酸化膜上
のシリコン層の膜厚も非晶質シリコン膜3cの膜厚で制
御可能であるため、所望のSOI構造を容易に得ること
が可能である。また、イオン注入を用いることがないの
で単結晶シリコン膜に欠陥が導入されることがない。
トランジスタの断面図を示す。
絶縁膜をエピタキシャル成長し、この上に単結晶シリコ
ンからなるゲート電極をエピタキシャル成長したトラン
ジスタについて説明する。
コン基板1b上に、通常の選択酸化法を用いて素子分離
絶縁膜4が形成されている。このシリコン基板1bに、
例えばリンのイオン注入によってn型ソース拡散領域5
a及びn型ドレイン拡散領域5bが形成されている。
えば酸化セリウム等の希土類酸化物からなるゲート絶縁
膜2bがエピタキシャル成長されている。さらにその上
にn型の単結晶シリコン層3aがエピタキシャル成長し
ている。
れ、そこに開口されたコンタクト孔に、配線となるAl
電極7がスパッタにより形成されパターニングされてい
る。
おいても、極めて良好なゲート絶縁膜2a及びシリコン
基板1b界面が達成でき、例えば界面準位密度などの欠
陥を低減し、またゲート絶縁膜2bの高い誘電率のため
リーク電流の低減が可能となり、さらにチャネル移動度
の向上やトランジスタ特性の向上が得られる。
b上にエピタキシャル成長しているので、トランジスタ
特性をさらに良好かつ均質にし、素子の信頼性も大幅に
向上させることが可能となる。
界効果トランジスタの製造方法について、詳細に説明す
る。
ば、面方位(111)、比抵抗4Ωcm〜6Ωcmのp
型シリコン基板1aを用意し、このp型シリコン基板1
aの表面に通常の選択酸化法によって厚さ0.6μm程
度のシリコン酸化物からなる素子分離絶縁膜4を形成す
る。
により、シリコン基板1a上に、nm厚の酸化セリウム
等の希土類酸化物からなる絶縁膜2bをエピタキシャル
成長する。基板温度を650〜850℃、オゾン分圧を
2×10−7〜1×10− 6Torrに設定して、Ce
O2を成膜した。このとき、CeO2は(111)方向
に配向する。
化セリウム膜2b上に、ゲート電極となる厚さ200n
mの非晶質シリコン膜3cを堆積する。
晶質シリコン膜3cを、例えば、600℃、窒素雰囲気
中で熱処理することによって、単結晶シリコン層3dを
固相成長させる。このとき非晶質シリコン膜3cは酸化
セリウム膜2bの結晶性を引き継ぎエピタキシャル成長
し単結晶化する。
トマスクでパターニングした後、単結晶シリコン膜3d
及び酸化セリウム膜2bを反応性イオンエッチング法に
よりエッチングして、ゲート電極3d及びゲート絶縁膜
2bを形成する。
ば、リンを4×1016cm−2イオン注入し、ゲート
電極3d及びソース拡散領域5aならびにドレイン拡散
領域5bとなる部分へリンを導入する。このとき注入さ
れたリンイオンは単結晶シリコンゲート電極内部及びシ
リコン基板内部で加速エネルギーに依存するピーク深さ
を中心にして分布する。その後、例えば、950℃、3
0秒間の熱処理を行い、リンを活性化させ、ゲート電極
3d及びソース拡散領域5aならびにドレイン拡散領域
5bを活性化する。
チタン薄膜、厚さ50nmのチタンナイトライド薄膜を
スパッタ法により、順次堆積する。さらに、窒素雰囲気
中、700℃で1分間の熱処理により、チタン薄膜をす
べてシリコン基板と反応させ、ゲート電極3d上及びソ
ース拡散領域5aならびにドレイン拡散領域5b上にの
みチタンシリサイド膜を形成してもよい。この後、例え
ば、フッ化水素酸の水溶液、硫酸と過酸化水素の混合溶
液によって、チタンナイトライド膜及び絶縁膜上の未反
応のチタン薄膜を選択的に剥離する。
厚さ300nmのシリコン酸化膜6をCVD法により堆
積する。次に、異方性ドライエッチングによりシリコン
酸化膜にコンタクトホールを開口する。
ン及び銅をそれぞれ例えば0.5%ずつ含有する厚さ8
00nmのアルミニウム膜を形成した後、これをパター
ニングして電極7を形成する。この後、450℃で15
分間水素を10%含む窒素雰囲気で熱処理した。
絶縁膜2bをエピタキシャル成長させることができ、か
つ単結晶シリコンからなるゲート電極3dを有する電界
効果トランジスタを形成させることが可能となる。
ジスタでは、ゲート絶縁膜2b及びシリコン基板1aと
の界面及びゲート絶縁膜2bとゲート電極3dとの界面
に欠陥が少ないものである。
な高誘電率の希土類酸化物を用いることで、リーク電流
の抑制され、かつ実効膜厚1.0nm以下のトランジス
タが実現できると同時に、単結晶ゲート化することによ
り、トランジスタ特性等のばらつきが少なく均質で、か
つ高信頼性が実現される。
セリウム膜を例にとって説明したが、これに限定される
ものではなく、シリコン基板1a上でエピタキシャル成
長する絶縁膜であれば同様な構造及び効果を得ることが
できる。
施形態で説明した酸化セリウムのほか、希土類酸化物と
してDy2O3、Y2O3、La2O3、Pr2O3、
Gd 2O3が適用可能である。さらに、SrTiO3,
SrZrO3,Sr(TiZr)O3,SrCeO3な
どのペロブスカイト系酸化物、MgO,Cao,Sr
O,BaOなどの岩塩構造酸化物、MgAl2O4など
のスピネル構造酸化物やAl2O3が適用可能である。
これらの絶縁膜の成膜条件は例えばMBE法であれば3
00℃〜700℃、酸素分圧1かける10−8〜10
−5Torr程度である。
やジシランを例にとり説明したが、これに限定されるも
のではなく、SiH2Cl2やSiCl4などの化合物
ガスでも適用可能である。
特性に関して、nチャネルMOSトランジスタを例にと
って説明したが、pチャネルMOSトランジスタにおい
ても同様な効果が得られる。
ーの画素スイッチング用多結晶薄膜トランジスタ(TF
T)を示しており、チャネルを形成する多結晶半導体薄
膜に本発明が適用される。すなわち、ガラス基板1b上
にパターニングされたゲート電極や補助容量線となるM
oなどの金属膜10上にCeO2膜の結晶性絶縁膜2b
がエピタキシャル成長により堆積される。その上に非晶
質のシリコン層3aが堆積される。この非晶質シリコン
層3aは結晶性絶縁膜2bを核として固相成長されて多
結晶層にされる。多結晶層にソース、ドレイン領域5
a,5bを拡散形成し、層間絶縁膜6を介して画素電極
9や配線層(図示しない)に接続する。結晶性絶縁膜2
bがそのままゲート絶縁膜となり、MISTFTが形成
される。
で、種々変形しても実施可能である。
ート電極等の低抵抗化を実現し、チャネル層等の移動度
及び信頼性を向上することを可能とした半導体装置及び
その製造方法を提供することが可能となる。
SOI構造を有する基板を用いた半導体装置の製造方法
を提供することが可能となる。
断面図であり、(b)は本発明にかかる半導体装置の他
の例の断面図である。
従来の方法で形成した多結晶シリコン膜の(111)配
向率を示す図。
ルトランジスタの断面図。
来の方法で形成した多結晶シリコンのシート抵抗と膜厚
の関係を示した特性図。
来の方法により形成した多結晶シリコン膜の実効移動度
を示す特性図。
かかる半導体装置の製造方法の主要工程における断面
図。
にかかる単結晶シリコンゲート電極を有する半導体装置
の製造方法の主要工程における断面図。
結晶シリコン膜及び従来の方法により形成した多結晶シ
リコン膜の絶縁破壊寿命のワイブル分布を示す特性図。
OI基板の製造方法の主要工程における断面図。
断面図。
チャネルトランジスタの製造方法の主要工程における断
面図。
断面図。
Claims (24)
- 【請求項1】 非晶質半導体層と所定の結晶面方位に配
向した結晶性絶縁層とを接触させこの絶縁層を核として
前記非晶質半導体層を固相成長させ、結晶面方位がそろ
った多結晶、または単結晶の結晶性半導体層にする工程
と、 前記結晶性半導体層をベースに機能素子を形成する工程
とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記絶縁層が前記非晶質半導体層上にエ
ピタキシャル成長されてなる請求項1記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項3】 前記絶縁層のエピタキシャル成長が非晶
質半導体層上に温度300℃から700℃、酸素分圧1
×10−8から1×10−5Torrで希土類金属を酸
化物として堆積するものである請求項2記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項4】 前記絶縁層がCeO2である請求項3記
載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記絶縁層の結晶面方位が(110)ま
たは(111)である請求項3記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項6】 非晶質半導体層が温度400℃から10
00℃で固相成長される請求項1記載の半導体装置の製
造方法。 - 【請求項7】 非晶質半導体層が固相成長される結晶性
半導体の結晶面方位が前記結晶性絶縁層の結晶面方位と
同一である請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記絶縁層が除去される工程が付加され
る請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 第1の半導体層上にエピタキシャル成長
により所定の結晶面方位をもつ結晶性絶縁層を堆積する
工程と、 前記絶縁層上に非晶質の第2の半導体層を形成する工程
と、 前記絶縁層を核として前記第2の半導体層を固相成長さ
せ結晶性層を形成する工程と、 前記結晶性層を含む機能素子を形成する工程とを具備す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 前記第1の半導体層が多結晶または単
結晶である請求項9記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項11】 前記第1の半導体層が非晶質であり、
前記絶縁層を核として固相成長させ結晶化された層とな
ることを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項12】 Siを含む絶縁基板上に非晶質Si層
を堆積する工程と、前記非晶質Si層上にCeO2絶縁
層をエピタキシャル成長させ所定の結晶面方位に配向し
た結晶性絶縁層を堆積する工程と、 前記CeO2の結晶性絶縁層を核として前記非晶質Si
層を固相成長させ多結晶または単結晶半導体基板に形成
する工程と、 この半導体基板に機能素子を形成する工程とを具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項13】 前記絶縁基板がガラスである請求項1
2記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項14】 前記絶縁基板がSiO2層である請求
項12記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項15】 前記絶縁基板が多結晶または単結晶の
Si基板上に形成されたものである請求項12記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項16】 Siを含む絶縁基板上に第1の非晶質
Si層を堆積する工程と、 前記非晶質Si層上に所定の結晶性方位に配向したCe
O2結晶性絶縁層をエピタキシャル成長させる工程と、 前記CeO2絶縁層上に第2の非晶質Si層を堆積する
工程と、 前記CeO2絶縁層を核として前記第1及び第2の非晶
質Si層を固相成長させ多結晶または単結晶半導体基板
に形成する工程と、 この半導体基板に機能素子を形成する工程とを具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項17】 第1の半導体層上に所定の結晶面方位
に配向した結晶性絶縁層をエピタキシャル成長する工程
と、 前記絶縁層上に非晶質の第2の半導体層を形成する工程
と、 前記絶縁層を核として前記第2の半導体層を固相成長さ
せる工程と、 前記絶縁層および前記第2の半導体層をゲート絶縁膜お
よびゲート電極となる領域を残してエッチング除去する
工程と、 前記領域の両側の前記第1の半導体層にこの半導体層と
異なる導電型の不純物を拡散し、ソース及びドレイン領
域を形成しMISトランジスタを形成する工程と、 を具備してなる半導体装置の製造方法。 - 【請求項18】 非晶質の第1の半導体層上に所定の結
晶面方位に配向した結晶性絶縁層をエピタキシャル成長
する工程と、 前記絶縁層上に非晶質の第2の半導体層を形成する工程
と、 前記絶縁層を核として少なくとも前記第1の半導体層を
固相成長させる工程と、 前記絶縁層および前記第2の半導体層を、ゲート絶縁膜
およびゲート電極となる領域を残してエッチング除去す
る工程と、 前記領域の両側の前記第1の半導体層にこの半導体層と
異なる導電型の不純物を拡散し、ソース及びドレイン領
域を形成しMISトランジスタを形成する工程と、 を具備してなる半導体装置の製造方法。 - 【請求項19】 ガラス基板上にゲート電極膜を形成す
る工程と、 前記ゲート電極膜を含む前記ガラス基板上にゲート絶縁
膜を形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜上に非晶質半導体層を堆積する工程
と、 前記非晶質半導体層上に所定の結晶面方位に配向した結
晶性絶縁層をエピタキシャル成長させる工程と、 前記絶縁層を核として前記非晶質半導体層を固相成長さ
せ多結晶または単結晶の半導体層にする工程と、 前記結晶化半導体層にソース、ドレイン領域を形成しM
ISトランジスタを得る工程とを具備してなる半導体装
置の製造方法。 - 【請求項20】 第1の半導体層と第2の半導体層間に
結晶面方位をもつエピタキシャル成長された絶縁層を有
し、前記第1の半導体層と第2の半導体層の少なくとも
一方は前記絶縁層を核として非晶質層から固相成長され
た結晶面方位が単一に配向している多結晶または単結晶
の半導体層であり、前記絶縁層をゲート絶縁膜とし、前
記第1の半導体層をソース、ドレイン領域とし、前記第
2の半導体層をゲート電極としてなるMISトランジス
タを含む半導体装置。 - 【請求項21】 多結晶或いは単結晶の第1の半導体層
と、 前記半導体層上にエピタキシャル成長された希土類酸化
物からなる絶縁層と、 前記絶縁層上に形成された多結晶或いは単結晶の第2の
半導体層とを具備し、 少なくとも前記第2の半導体層を使用した機能素子を備
えてなることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項22】 前記第1及び第2の半導体層の少なく
とも一方がシリコンからなることを特徴とする請求項2
1記載の半導体装置。 - 【請求項23】 前記絶縁層がCeO2、Dy2O3、
Y2O3、La2O3、Pr2O3、Gd2O3、Sr
TiO3,SrZrO3,Sr(TiZr)O3,Sr
CeO3、MgO,Cao,SrO,BaO、MgAl
2O4、Al2O 3の少なくとも一種からなることを特
徴とする請求項21或いは請求項22記載の半導体装
置。 - 【請求項24】 前記第1及び第2の半導体層の少なく
とも一方の結晶面方位が単一に配向していることを特徴
とする請求項21乃至請求項23のいずれかに記載の半
導体装置。
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