JP3116048B2 - 強誘電体層を有する半導体素子及びその製法 - Google Patents

強誘電体層を有する半導体素子及びその製法

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JP3116048B2 JP03320884A JP32088491A JP3116048B2 JP 3116048 B2 JP3116048 B2 JP 3116048B2 JP 03320884 A JP03320884 A JP 03320884A JP 32088491 A JP32088491 A JP 32088491A JP 3116048 B2 JP3116048 B2 JP 3116048B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はMFS型半導体素子及び
その製法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より図7に示すように、不純物拡散
層102が形成された半導体基板101上に、強誘電体
層103及び電極104がこの順で積層されてなるMF
S型半導体素子及びそれを用いてなる半導体装置が用い
られている。
【0003】しかるに従来のMFS型半導体素子におい
ては、半導体基板101にSi基板やGaAs基板を用
い、強誘電体103にPZT系強誘電体を用いているた
め、次のような問題が生じている。
【0004】格子定数の相違が大きいため、結晶性の
良い強誘電体膜が得られない。
【0005】強誘電体構成元素のイオン、例えばPZ
T系強誘電体の場合、PbイオンなどがSi基板やGa
As基板中に拡散してしまう。
【0006】Si基板やGaAs基板とPZT系強誘
電体層との界面にSiO2などの不要な膜が生成され
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の問題点に鑑みなされたものであって、格子定数の相
違を小さくすることにより結晶性の良い強誘電体膜が成
膜でき、しかも強誘電体構成元素のイオンが半導体基板
中に拡散することが少ないMFS型半導体素子及びその
製法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子は、
SiC基板からなる半導体基板と、該半導体基板の表層
部に所定の間隔をおいて形成された不純物拡散層と、前
記半導体基板上で前記不純物拡散層間に橋架された強誘
電体層と、該強誘電体層上に積層された電極とからなる
ことを特徴としている。
【0009】本発明の半導体素子においては、前記Si
C基板がSi基板上に積層されているのが好ましい。ま
た、本発明の半導体素子においては、前記強誘電体がP
b元素含有ペロブスカイト構造体であるのが好ましい。
【0010】本発明の半導体素子の製法は、Si基板に
SiC層を形成し、ついで強誘電体層およびゲート電極
をこの順で前記SiC層に形成することを特徴としてい
る。
【0011】
【作用】本発明においては、半導体基板としてPZT系
強誘電体と格子定数の相違が少なく、かつ不純物拡散係
数が小さいSiC基板を用いているので、結晶性の良い
強誘電体膜を成膜することができる。また、SiCは化
学的に安定であるので、強誘電体構成元素のイオンが半
導体基板へ拡散することが防止できる。
【0012】また、本発明の製法によればSi基板にS
iC層を成膜形成しているので、半導体素子の大型化に
対応することができる。
【0013】
【実施例】以下添付図面を参照しながら本発明の実施例
について説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定
されるものではない。
【0014】図1は本発明の半導体素子を用いた強誘電
体メモリトランジスタの一実施例の要部断面図、図2は
図1に示すメモリトランジスタの電圧と分極の関係を示
すグラフ、図3は本発明の半導体素子の第1実施例の成
膜プロセスの一実施例の説明図、図4は本発明の半導体
素子の第2実施例の成膜プロセスの一実施例の説明図、
図5は本発明の半導体素子の第3実施例の成膜プロセス
の一実施例の説明図、図6は本発明の半導体素子の第4
実施例の成膜プロセスの一実施例の説明図を示す。
【0015】図1に示す強誘電体メモリトランジスタ
は、n型不純物拡散層2が形成されたp型SiC基板1
上に、このn型不純物拡散層2に橋架して積層された強
誘電体層3およびこの強誘電体層3上に積層されたゲー
ト電極4からなる半導体素子の所定部分を層間絶縁膜で
絶縁し、しかるのち不純物拡散層2に配線層導電膜6を
形成してなるものである。
【0016】図1に示す実施例において、基板としてp
型SiC基板1を用いるのは、格子定数が4.36Å
(3C)であり、強誘電体として用いられるPZT(格
子定数:約4.08〜4.12Å)との格子定数の相違
が小さいこと、不純物拡散係数がSiの1/100程度
と小さいこと、および高温で安定であり、特に酸化速度
が遅いのでSiO2膜などの不要な膜が生成されないた
めである。
【0017】強誘電体層3としては、ABO3型である
ペロブスカイト構造を有する、PZT、PLZT、Pb
TiO3、BaTiO3など(以下、ペロブスカイト構造
体ともいう)が用いられるが、これに限定されるもので
はなく、強誘電性を示すものならいかなるものも用いる
ことができる。その具体例としては、BaMgF4、N
aCaF3、K2ZnCl4などのハロゲン化合物、Zn
1-xCdxTe、GeTe、Sn226などのカルコゲ
ン化合物などが挙げられる。
【0018】図1に示す強誘電体メモリトランジスタに
おいては、不純物拡散層2、強誘電体層3およびゲート
電極4によりMFS型構造が形成される。なおSiC基
板と強誘電体層3との間、および(または)強誘電体層
3とゲ−ト電極4との間にバッファ層が形成されてもよ
い。そしてこのMFS型強誘電体メモリトランジスタ
は、図2に示すような特性を有する。図2において、横
軸は電界を、縦軸は分極を示す。図2より明らかなよう
に、強誘電体層3にEsat以上の電界を生じさせる電
圧(Vmax>0)をゲート電極4に印加すると、Aの
状態まで分極しチャネルが形成される。この後、ゲート
電圧を0にしてもB状態となり、分極が残留しチャネル
が形成されたままとなる。この逆に、ゲート電極4に−
Vmaxの電圧(または基板1に+Vmaxの電圧)を
印加するとCの状態まで分極し、電圧を0にするとDの
状態となる。この過程においてはチャネルは形成されな
い。
【0019】次に、本発明の半導体素子(半導体装置)
の成膜プロセスについて説明する。図3は本発明の半導
体素子の第1実施例の成膜プロセスの一実施例を示す。
図において、7はp型SiC基板、8は強誘電体薄膜、
9はゲート電極、10はn型不純物拡散層を示す。
【0020】ステップ1:p型SiC基板7上にPZT
からなる強誘電体薄膜8およびゲート電極9をこの順で
膜厚をそれぞれ3000Å、3000Åにて成膜する。
成膜は、スパッタリング法、CVD法、ゾル−ゲル法等
を用いる。ただし、結晶化のため基板温度を約650℃
で成膜するか、あるいは成膜後650℃で熱処理を行
う。(図3(a)参照)
【0021】ステップ2:エッチングすることにより、
不要部分の強誘電体薄膜8およびゲ−ト電極9を除去す
る。エッチングは強酸によるウェットエッチングも可能
であるが、微細加工性を考えるとドライエッチングが好
ましい。具体的には、ArイオンやClイオンによるイ
オンミリング、ハロゲン化合物やCH4/H2等によるR
IE等がある。(図3(b)参照)
【0022】ステップ3:p型SiC基板7の強誘電体
薄膜8およびゲート電極9が積層されている側にイオン
注入法によりPを注入する。このとき、基板温度を高く
すると(700℃程度まで)注入しやすくなる。(図3
(c)参照)
【0023】以下、従来のMOS型トランジスタと同様
にして半導体装置を作製する。
【0024】図4は本発明の第2実施例の成膜プロセス
の一実施例を示す。図において、11はn型SiCエピ
タキシャル層、12は導電膜を示す。なお、図3と同一
符号を付したものは同一または類似の要素を示す。
【0025】ステップ1:p型SiC基板7上にエピタ
キシャル成膜層によりn型SiCエピタキシャル層11
を膜厚を2μmまでに成膜する。(図4(a)参照)
【0026】ステップ2:このn型SiCエピタキシャ
ル層11上にLP−CVD法により、所定パターンでポ
リシコンからなる導電膜12を膜厚3000Åで成膜す
る。(図4(a)参照)
【0027】ステップ3:この導電膜12が形成された
p型SiC基板7上にPZTからなる強誘電体膜8を前
記と同様に膜厚を3000Åで成膜する。(図4(c)
参照)
【0028】ステップ4:強誘電体膜8を前記と同様
に、所定パターンでパタ−ニングする。しかるのち、P
tまたはAlからなる配線層13を通常の方法、例えば
スパッタリング法により、所定パターンで膜厚3000
Åで成膜する。(図4(d)参照)
【0029】図5は第3実施例の成膜プロセスの一実施
例を示す。図において、14はp型Si基板、15はn
型SiC層、16は強誘電体薄膜、17はゲート電極、
18はp型不純物拡散層を示す。
【0030】ステップ1:p型シリコン基板14上にn
型SiC層15を、常圧CVD法により、膜厚を2μm
までに成膜する。その際、反応ガスとしてSiH4、C3
8を用い、基板温度約1400℃、ガス圧力約0.1
μTorrで行う。また、n型とするために反応ガスに
PH3を適量混入する。
【0031】ステップ2:PZTからなる強誘電体薄膜
16およびPtまたはAlからなるゲート電極17を前
記と同様に膜厚をそれぞれ3000Åおよび3000Å
で成膜する。(図5(b)参照)
【0032】ステップ3:強誘電体薄膜16およびゲー
ト電極17の不要部分を、前記と同様にエッチングによ
り除去する。(図5(c)参照)
【0033】ステップ4:p型不純物拡散層18をイオ
ン注入法によりボロンを注入することによりn型SiC
層15中の所定範囲に形成する。このとき、基板温度を
高くすると(700℃程度まで)注入しやすくなる。
(図5(d)参照)
【0034】図6は本発明の第4実施例の成膜プロセス
の一実施例を示す。図において、19はp型SiCエピ
タキシャル層、20は導電膜、21は配線層を示す。な
お、図5と同一符号を付したものは同一または類似の要
素を示す。
【0035】ステップ1:p型シリコン基板14上にn
型SiC層15を前記と同様に膜厚を2μmまでに成膜
し、しかるのち、エピヤキシャル成膜法によりp型Si
Cエピタキシャル層19を膜厚を2μmまでに成膜す
る。(図6(a)参照)
【0036】ステップ2:ポリシコンからなる導電膜2
0を前記と同様に、所定パターンにて膜厚3000Åで
成膜する。(図6(b)参照)
【0037】ステップ3:強誘電体層16を前記と同様
に膜厚3000Åで、導電膜20が成膜されたp型シリ
コン基板14上に成膜する。(図6(c)参照)
【0038】ステップ4:強誘電体層16を所定パター
ンにパターニングし、しかるのち、スパッタリング法す
ることにより、PtまたはAlからなる配線層21を所
定パターンにて膜厚3000Åで成膜する。(図6
(d)参照)
【0039】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば次の
ような効果が得られる。
【0040】格子定数の相違が小さいため、結晶性の
良い強誘電体膜が得られる。
【0041】強誘電体構成元素のイオン(Pb含有ペ
ロブスカイト構造体、例えばPZT系強誘電体の場合、
Pbイオン)などがSi基板やGaAs基板中に拡散す
ることがない。
【0042】Si基板やGaAs基板とPZT系強誘
電体層との界面にSiO2などの不要な膜が生成される
ことがない。
【0043】また、本発明の製法によればSiC層を用
いているにもかかわらず、大型の半導体素子を作製する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子用いた強誘電体メモリトラ
ンジスタの一実施例の要部断面図である。
【図2】図1に示すメモリトランジスタの電圧と分極の
関係を示すグラフである。
【図3】本発明の半導体素子の第1実施例の成膜プロセ
スの一実施例の説明図である。
【図4】本発明の半導体素子の第2実施例の成膜プロセ
スの一実施例の説明図である。
【図5】本発明の半導体素子の第3実施例の成膜プロセ
スの一実施例の説明図である。
【図6】本発明の半導体素子の第4実施例の成膜プロセ
スの一実施例の説明図である。
【図7】従来のMFS型半導体素子の要部断面図であ
る。
【符号の説明】
1 p型SiC基板 2 n型不純物拡散層 3 強誘電体層 4 ゲ−ト電極 5 層間絶縁膜 6 配線層導電膜 7 p型SiC基板 8 強誘電体薄膜 9 ゲ−ト電極 10 n型不純物拡散層 11 n型SiCエピタキシャル層 12 導電膜 13 配線層 14 p型Si基板 15 n型SiC層 16 強誘電体薄膜 17 ゲ−ト電極 18 p型不純物拡散層 19 p型SiCエピタキシャル層 20 導電膜 21 配線層
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/10 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SiCからなる半導体基板と、該半導体
    基板の表層部に所定の間隔をおいて形成された不純物拡
    散層と、前記半導体基板上で前記不純物拡散層間に橋架
    された強誘電体層と、該強誘電体層上に積層された電極
    とからなることを特徴とする半導体素子。
  2. 【請求項2】 前記SiCからなる半導体基板がSi基
    板上に積層されてなることを特徴とする請求項1記載の
    半導体素子。
  3. 【請求項3】 前記強誘電体がPb元素含有ペロブスカ
    イト構造体であることを特徴とする請求項1または2記
    載の半導体素子。
  4. 【請求項4】 Si基板にSiC層を形成し、ついで強
    誘電体層およびゲート電極をこの順で前記SiC層に形
    成することを特徴とする半導体素子の製法。
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