半導体装置
【課題】 本発明は、小さいヒステリシスを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置における基板として、従来からシリコン単結晶基板が用いられてきたが、近年、電子およびホールの移動度がシリコンよりも大きい点で、ゲルマニウム基板が着目されている。
【０００３】
一方、実効的な膜厚（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ：ＥＯＴ）を低減するために、トランジスタのゲート絶縁膜は、従来の熱酸化膜から高誘電体材料を含む堆積膜へ代わろうとしている。
【０００４】
近年、高誘電体膜をゲルマニウム基板上に形成するための種々の方法が検討、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、High-k/Geゲートスタック構造のMOSキャパシタの容量測定において、ヒステリシスが大きい結果が得られるという報告が幾つか成されている（例えば、非特許文献２参照。）。ヒステリシスは、トランジスタ動作時に閾値シフト、閾値ばらつきの原因となるため、問題である。
【非特許文献１】C. O. Chui, “A Germanium NMOSFET Process Integrating Metal Gate and Improved Hi-κ Dielectrics”, IEDM (2003) p.437
【非特許文献２】H. Kim, “Local epitaxial growth of ZrO2 on Ge(100) substrates by atomic layer epitaxy” Appl. Phys. Lett. 29 SEPTEMBER 2003, 83, p.2647
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて、小さいヒステリシスを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質であるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、小さいヒステリシスを有する半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１１】
なお、実施の形態においては、CMOSFET（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）について説明するが、無論、MOSFET単体についても適用できる。
【００１２】
また、EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）、EEPROM（Electrically EPROM）、フラッシュメモリ等のPROMについても、同様に各実施の形態を適用できる。
【００１３】
さらに、上述した半導体素子が集積化したメモリ、ロジック回路等、並びにこれらが同一チップ上に混載されるシステムLSI等も本発明の範囲内である。
【００１４】
本実施の形態に係わるＣＭＯＳＦＥＴの一例について、図６を参照して説明する。
【００１５】
図６は、本実施の形態に係るＣＭＯＳＦＥＴの一例のゲート長方向の断面模式図である。
【００１６】
図６に示すように、半導体基板１上にｐ型半導体層２およびｎ型半導体層３が形成されている。ｐ型半導体層２にはｎ−ＭＯＳＦＥＴが形成され、ｎ型半導体層３にはｐ−ＭＯＳＦＥＴが形成され、両者の間には素子分離４が形成されている。ｎ−ＭＯＳＦＥＴおよびｐ−ＭＯＳＦＥＴは、互いに相補的に働き、CMOSFETを構成する。
【００１７】
ｎ−ＭＯＳＦＥＴについて説明する。ｐ型半導体層２上面には、後述する第１もしくは第２の高誘電体膜を有するゲート絶縁膜５が形成される。ゲート絶縁膜５上にはゲート電極６が形成されている。ゲート絶縁膜５およびゲート電極6を、ゲート長方向に挟むようにゲート側壁１５が形成されている。ゲート絶縁膜５直下には、ｐ型半導体層２上面のGeを主成分として含むチャネル領域が形成されている。チャネル領域をゲート長方向に挟むｐ型半導体層２表面には、第１のソース・ドレイン領域９が形成されている。第１のソース・ドレイン領域９は、チャネル領域をゲート長方向に挟むエクステンション領域およびエクステンション領域をゲート長方向に挟みエクステンション領域より深く形成された拡散層からなる。第１のソース・ドレイン領域９上には、コンタクト電極１０が形成されている。
【００１８】
ｐ−ＭＯＳＦＥＴについても、ｎ−ＭＯＳＦＥＴと同様に、ｎ型半導体層３、ゲート絶縁膜５、ゲート電極８、ゲート側壁１５、第２のソース・ドレイン領域１１およびコンタクト電極１０が形成されている。
【００１９】
第１の高誘電体膜とは、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有する膜である。このような高誘電体膜としては、例えば、ZrSiO、HfSiO、LaSiO、ZrSiON、HfSiON、LaSiON、ZrAlSiO、HfAlSiO、LaAlSiO、ZrAlSiON、HfAlSiON、LaAlSiON等が挙げられる。
【００２０】
第２の高誘電体膜とは、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質の膜である。このような高誘電体膜としては、例えば、ZrON、HfON、LaON、ZrSiO、HfSiO、LaSiO、ZrSiON、HfSiON、LaSiON、ZrAlSiO、HfAlSiO、LaAlSiO、ZrAlSiON、HfAlSiON、LaAlSiON等が挙げられる。
【００２１】
なお、La系元素とは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのいずれかの元素である。特にLaが好ましい。
【００２２】
ゲート絶縁膜５の厚さは制限を受けるものではなく、ワンモノレイヤー以上あればよいが、ゲート容量低下をなるべく低減するためには極力薄膜化することが必要であり、具体的にはSiO2換算膜厚で2 nm以下が望ましい。
【００２３】
半導体基板１は、Si、SiGe、Ge、歪Si等を用いる。
【００２４】
ｐ型半導体層２、ｎ型半導体層３は、そのチャネル領域がGeを主成分とするものであればよい。具体的には、Ge濃度は、50%以上100％以下である。50％以上であると、ドーパントの活性化温度を低減でき効果的である。電子およびホールの実効移動度を増加させるため、より好ましいGe濃度は、80％以上であり、さらに好ましくは、100％である。なお、このGe濃度は、不純物濃度等を含まない、半導体元素全量に対する濃度とする。また、SiとGeはそれぞれに対して全率固溶であり任意の濃度で混ざる事が可能である。
【００２５】
ｐ型半導体層２、ｎ型半導体層３について、そのチャネル領域のGeの面方位は、（100）が好ましい。
【００２６】
ゲート電極６、８は、多結晶シリコン（poly-Si）、SiGe等の半導体化合物、400℃乃至600℃程度の耐熱性を有する金属、400℃乃至600℃程度の耐熱性を有する金属化合物等を用いる。
【００２７】
ソース／ドレイン領域９、１１は、高濃度不純物拡散層として浅い接合および深い接合を組み合わせたものの他、シリサイド層等、各世代のトランジスタで必要な構造を適宜選択して用いればよい。以下の実施例でも、特に断らない限り、それぞれ必要な構造に置き換えることは無論有効である。
【００２８】
コンタクト電極１０としては、NiSiｘの他、金属的な電気伝導特性を示す、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Ir、Co、Ti、Er、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、Er等の種々のシリサイドや上記Siの少なくとも一部がGeに置き換わったメタルジャーマナイド(MGex)が挙げられる。
【００２９】
素子分離４、ゲート側壁１５は、絶縁性材料を用いる。なお、可能な場合には、該箇所は、空洞としてもよい。
【００３０】
本実施の形態によれば、実施例にて後述するように、半導体装置のヒステリシスを小さくすることができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態によれば、実施例にて後述するように、半導体装置のチャネル移動度を向上できる。
【００３２】
第１の高誘電体膜は、金属元素MおよびSiについて、M/(M+Si)比が10％以上90%以下であることが好ましい。
【００３３】
10％以上であると、比誘電率が8以上となる為に、例えばゲート絶縁膜のSiO2換算膜厚1nmを達成する為に物理膜厚を2nm以上に設定することが可能となる。これにより、ゲートリーク電流を著しく低下させることが可能となる。90％以下であると、図3(b)で示したような、600℃程度まで非晶質状態を保つ機能が維持される。
【００３４】
より好ましいM/(M+Si)比は、比誘電率がたとえば12程度となる25％以上であり、さらに好ましくは、比誘電率が例えば16程度となる40％以上である。このような比誘電率の増大により、同じSiO2換算膜厚に対して物理膜厚をさらに厚く設定することが可能となり、ゲートリーク電流がさらに低減する。上限については、M/(M+Si)比が高いほど比誘電率が高くなるが、その反作用としてGe/高誘電体膜のバンドオフセットが低下し、リーク電流が増加する現象が見られる。バンドオフセットを低下させない為に、M/(M+Si)比は70%以下であることがもっとも望ましい。
【００３５】
ゲート絶縁膜は、第１の高誘電体膜および第２の高誘電体膜の双方に該当する高誘電体膜であると好ましい。すなわち、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有し、非晶質である膜であると好ましい。これは、これらの酸化物の比誘電率がSiO2よりも高い為に、SiO2換算膜厚を1nm以下に薄くすることが可能となる為である。また、非晶質酸化物であれば、ゲート電極、あるいは基板からの不純物拡散耐性が強くなる、結晶酸化物特有の空間的な特性揺らぎに起因するデバイス特性、たとえばしきい値電圧のばらつきなどの課題を回避できるためである。
【００３６】
金属元素Mは、Zrであると好ましい。これは、Zrを含む酸化物の比誘電率が12〜30程度と高く、さらにバンドギャップが5eV以上であるために、ゲートリーク電流を低く抑制しつつ、SiO2換算膜厚を低減化できるためである。また、Zr、Siを含む酸化物は、600℃程度の温度で非晶質状態を保持できるがゆえ、前述の非晶質酸化物特有の効果を発揮することが可能である。
【００３７】
また、金属元素Mは、Hfであると好ましい。これは、Hfを含む酸化物の比誘電率が12〜30程度と高く、さらにバンドギャップが5eV以上であるために、ゲートリーク電流を低く抑制しつつ、SiO2換算膜厚を低減化できるためである。また、Hf、Siを含む酸化物は、700℃程度の温度で非晶質状態を保持できるがゆえ、前述の非晶質酸化物特有の効果を発揮することが可能である。
【００３８】
高誘電体膜は、Nを含んだ場合、N濃度は、5at.％以上30at.%％以下が好ましく、より好ましくは10at.％以上20at.％以下である。N濃度が5at.%以上あれば、高温プロセスにおいて酸化物を非晶質状態で保持することが原理的に可能となり、より望ましくは10at.%以上のN濃度であればほぼ完全な非晶質状態を実現できる。非晶質維持作用は、N濃度が高いほど有効であり、特に高温環境を考慮した時には、N濃度は高ければ高いほどよい。しかし、N濃度が高すぎると、酸化物のバンドギャップが狭くなり、膜の絶縁性が劣化してしまう。典型的にはN濃度30at.%以上でこの傾向が顕著になることから、N濃度は30at.%以下、バンドギャップを窒素添加無しの場合と同等に保持するという目的からは20at.%以下であることが望ましい。
【００３９】
また、高誘電体膜は、Nを含んだ場合、ゲート絶縁膜中の膜厚方向における窒素の濃度のピークは、膜厚中心より上面側、すなわち、ゲート電極側にある方が好ましい。
【００４０】
高誘電体膜は、Geを含んだ場合、Ge濃度は、0.5at.％以上26at.％以下が好ましく、より好ましくは1at.％以上3at.％以下である。これは、0.5at.%以上のGeが高誘電体膜に含まれることで、Geとの界面の組成不連続性が緩和される界面特性が安定化する為であり、より望ましくは1at.%以上のGeが含まれるとよい。また、26at.%以上のGeが添加された高誘電体膜はその比誘電率が著しく劣化するため、Ge濃度は26at.%以下が良い。比誘電率がGe添加なしの場合から大きく劣化しないためにはGe濃度は3at.%以下であることがもっとも望ましい。
【００４１】
なお、Ge基板と高誘電体膜との間に、界面遷移層(界面層)が形成されていてもよい。界面層は、Ge基板の構成元素および高誘電体膜の構成元素のいずれかから構成される。この界面層は、異種物質であるGeと高誘電体膜の界面を構造的に無理なく接続する作用を持ち、これにより界面準位、固定電荷などの構造欠陥が減少し、デバイス特性が大きく改善する。
【００４２】
シリケート(MSixOy)とGe基板における界面層としては、MGexOy, SiGexOy, MSixOy, SiOx, GeOx, MOx, MSixGeyOz等が挙げられる。金属酸窒化物（MON）とGe基板における界面層としては、上記同様にMvSiwGexOyNz (v+w+x+y+z=1, 1≧v, w, x, y, z≧0)が挙げられる。
【実施例】
【００４３】
本発明者は、高誘電体膜/Ge基板ゲートスタック構造を有するデバイスを実際に試作し評価を行った。具体的には、高誘電体膜/Ge基板がZrO2/Ge、ZrSiO/Geであるゲートスタック構造を作製した。Ge基板の面方位は、(100)とした。高誘電体膜の膜厚は、3nmとした。Zr/(Zr+Si)比は、50%である。ZrSiOの高誘電体膜/Ge基板ゲートスタック構造を作製後、30分間500℃の窒素熱処理を行った。
【００４４】
本発明者は、上述のZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造について容量測定を行った。その結果をそれぞれ図１(a)および(b)に示す。図１(a)および(b)中、フラットバンドを基準容量値としてヒステリシスをでるた△Vfbとして定義する。
【００４５】
図１(a)および(b)に示すように、ZrO2/Ge系ではでるた△Vfb=0.67 (V)であるのに対し、ZrSiO/Ge系では△Vfb=0.057 (V)である。
【００４６】
したがって、ZrSiO/Ge系では、△Vfbが1桁以上改善されていることがわかる。ヒステリシスが小であると、しきい値ばらつきを小さくすることができる。しきい値ばらつきの低下により、電源電圧を下げることが可能となり低消費電力デバイスの実現が可能となる。なお、一般に、回路を誤動作させないためには電源電圧を少なくともしきい値ばらつきの25倍程度に設定する必要がある。商用化を鑑みると、数10ｍV程度以内のしきい値ばらつきが求められており、今回のZrSiO/Ge系の△Vfbの結果は、それを達成する値である。
【００４７】
また、本発明者は、上述のZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造について、実効ホール移動度μeff測定を行った。その結果をそれぞれ図２(a)および(b)に示す。
【００４８】
図２(a)および(b)に示すように、ZrO2/Ge系では、デバイス性能の指標の一つであるμeffの最大値が90 (cm2/Vsec)程度であるのに対し、ZrSiO/Ge系では、μeffの最大値が170 (cm2/Vsec)である。なお、図２中、Nsは、表面電荷密度を示す。
【００４９】
ZrSiO/Ge系が、ZrO2/Ge系に比して小さいヒステリシスおよび高い移動度を実現できた理由として、膜の結晶性および界面特性の違いが挙げられる。
【００５０】
まず、ZrO2/Ge系、ZrSiO/Ge系、それぞれの膜の結晶性について、図３（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、400℃、500℃および600℃の窒素熱処理後のin-plane XRD結果である。
【００５１】
図３（a）から、ZrO2/Ge系スタック構造では、400℃以上の窒素熱処理後において、ZrO2膜が結晶化していることがわかる。なお、ZrO2膜は、堆積時においては非晶質（アモルファス）であることを確認している。このため、熱処理に起因して、ZrO2膜が結晶化したと思われる。
【００５２】
図３（a）の詳細について説明する。図３（ａ）と結晶系データベースJCPDSデータとの比較から、膜はcubic ZrO2と同定できる。２θ＝30.119 o, 50.219 o, 59.738 o付近のピークは、それぞれcubic ZrO2の(111), (220), (311)に対応する。また、２θ＝45.305oのピークは、Cu Kαを線源として用いた場合のGe(220)のものである。更に、感度優先の測定のため、図３（ａ）では、他の線源によるGe(220)も混ざっており、40.7°はCuKβ,43.3°はWLαに対応する。
【００５３】
一方、ZrSiO/Ge系スタック構造では、600℃以下の窒素熱処理では図3(b)に示すように膜は結晶化しておらず非晶質（アモルファス）である。
【００５４】
なお、Si基板上のシリケートについては、主に1000℃程度の高温領域における結晶性が調べられてきた。これはSi基板中のdopantの活性化温度が1000℃程度であるためである。一方、Ge基板では、融点が938℃と低い事を反映して400℃程度でdopantの活性化を行なう事が可能である。このため、400℃から600℃という温度は素子形成のためのプロセス温度として現実的である。
【００５５】
両者のヒステリシス、移動度等の電気的特性は、この結晶性の違いに起因すると考えられる。一般に、膜が結晶化する場合、単結晶でなく多結晶になるため、結晶粒界が存在する。この結晶粒界には、不純物が分布しやすい傾向にある。そのため、トランジスタのキャリアのチャネル走行領域に結晶粒界が存在するとチャネル部のポテンシャル揺らぎを増大させると予想され、その結果ZrO2/Ge系で移動度が劣化されたのだと考えられる。ZrO2/Ge系の大きなヒステリシスも結晶粒界に起因していると考えられる。
【００５６】
一方、ZrSiO/Ge系では、膜はアモルファスであるため、ZrO2/Ge系に比して、電気的特性が向上したのだと考えられる。
【００５７】
上述の議論から、膜の結晶化耐熱性を向上させる処置を施すことが好ましいことがわかる。具体的には、窒素を含む高誘電体膜を用いることが好ましい。さらに、本発明者の実験結果から、ゲート絶縁膜中に窒素を含んでいる場合、ゲート絶縁膜中の膜厚方向における窒素の濃度のピークは、膜厚中心より上面側、すなわち、ゲート電極側にある方が好ましいことが分かった。
【００５８】
図４に、膜中窒素濃度が膜厚方向に均一であり、かつ14 at.%程度であるZrONをGe基板のゲート絶縁膜として用いたZrON/Ge系のホール移動度を示す。図４中、Nsは、表面電荷密度を示す。図2(a)に示したZrO2/Geのホール移動度の最大値90(cm2/Vsec)と比較して、ZrON/Geのホール移動度45(cm2/Vsec)と、大きく劣化しているのが分かる。このように図４に示すように、Ge基板と接する領域にNが多く含まれると移動度が劣化することが分かった。
【００５９】
窒素の濃度のピークを膜厚中心より上面側にあるようにするためには、窒素供給方法として、プラズマ窒化、ラジカル窒化等を用いることが好ましい。
【００６０】
なお、プラズマ窒化とは励起状態の窒素を用いる窒素供給手法である。また、他の窒素供給手法としては、NH3、NO、N2O等による熱窒化、あるいはＮイオン注入などが挙げられる。
【００６１】
次に、Ge基板の面方位は、（100）が好ましいことがわかった。
【００６２】
図５は、ZrSiO/Ge系のGe基板の面方位に依存した実効ホール移動度を示す図である。
【００６３】
図５に示すように、Ge基板の面方位（100）は、面方位（111）に比して高い移動度を示す。ZrSiO/(111)-Ge系では、μeffの最大値が120 (cm2/Vsec)程度であるのに対し、ZrSiO/(100)-Ge系では、μeffの最大値が170 (cm2/Vsec)である。
【００６４】
以下、半導体装置の製造方法の具体例を示す。
【００６５】
（実施例１）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrシリケート膜を3nm堆積する。
【００６６】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００６７】
（実施例２）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2/N2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrSiON膜を3nm堆積する。絶縁膜/基板界面から遠い絶縁膜側に窒素が多く含まれるようスパッタ成膜時のガス流量を調節する。
【００６８】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００６９】
（実施例３）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrシリケート膜を3nm堆積する。更に窒素プラズマ処理により絶縁膜中に窒素を導入する。
【００７０】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００７１】
ゲート絶縁膜形成工程は前記スパッタ堆積法に限らず他の物理堆積法(蒸着など)や化学気相堆積法(MO-CVD, AL-CVDなど)、一般のゲート絶縁膜形成方法で代替可能であることは言うまでも無い。
【００７２】
ゲート電極は勿論Moに限るものではなく、ゲート電極形成プロセスとしては埋め込み(ダマシン, replacement)プロセスやFUSI等を用いても良い。
【００７３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についてのヒステリシスを示す図。
【図２】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についての実効ホール移動度を示す図。
【図３】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についてのin-plane XRD結果を示す図。
【図４】ZrON/Ge系ゲートスタック構造についての実効ホール移動度を示す図。
【図５】Ge基板の面方位（100）および（111）についての実効ホール移動度を示す図。
【図６】本実施の形態に係わるＣＭＯＳＦＥＴの一例のゲート長方向の断面模式図。
【符号の説明】
【００７５】
１ 半導体基板
２ ｐ型半導体層
３ ｎ型半導体層
４ 素子分離
５ ゲート絶縁膜
６ ゲート電極
８ ゲート電極
９ 第１のソース／ドレイン領域
１０ コンタクト電極
１１ 第２のソース／ドレイン領域
１５ ゲート側壁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタを備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置における基板として、従来からシリコン単結晶基板が用いられてきたが、近年、電子およびホールの移動度がシリコンよりも大きい点で、ゲルマニウム基板が着目されている。
【０００３】
一方、実効的な膜厚（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ：ＥＯＴ）を低減するために、トランジスタのゲート絶縁膜は、従来の熱酸化膜から高誘電体材料を含む堆積膜へ代わろうとしている。
【０００４】
近年、高誘電体膜をゲルマニウム基板上に形成するための種々の方法が検討、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、High-k/Geゲートスタック構造のMOSキャパシタの容量測定において、ヒステリシスが大きい結果が得られるという報告が幾つか成されている（例えば、非特許文献２参照。）。ヒステリシスは、トランジスタ動作時に閾値シフト、閾値ばらつきの原因となるため、問題である。
【非特許文献１】C. O. Chui, “A Germanium NMOSFET Process Integrating Metal Gate and Improved Hi-κ Dielectrics”, IEDM (2003) p.437
【非特許文献２】H. Kim, “Local epitaxial growth of ZrO2 on Ge(100) substrates by atomic layer epitaxy” Appl. Phys. Lett. 29 SEPTEMBER 2003, 83, p.2647
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて、小さいヒステリシスを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の半導体装置は、Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質であるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、小さいヒステリシスを有する半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１１】
なお、実施の形態においては、CMOSFET（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）について説明するが、無論、MOSFET単体についても適用できる。
【００１２】
また、EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）、EEPROM（Electrically EPROM）、フラッシュメモリ等のPROMについても、同様に各実施の形態を適用できる。
【００１３】
さらに、上述した半導体素子が集積化したメモリ、ロジック回路等、並びにこれらが同一チップ上に混載されるシステムLSI等も本発明の範囲内である。
【００１４】
本実施の形態に係わるＣＭＯＳＦＥＴの一例について、図６を参照して説明する。
【００１５】
図６は、本実施の形態に係るＣＭＯＳＦＥＴの一例のゲート長方向の断面模式図である。
【００１６】
図６に示すように、半導体基板１上にｐ型半導体層２およびｎ型半導体層３が形成されている。ｐ型半導体層２にはｎ−ＭＯＳＦＥＴが形成され、ｎ型半導体層３にはｐ−ＭＯＳＦＥＴが形成され、両者の間には素子分離４が形成されている。ｎ−ＭＯＳＦＥＴおよびｐ−ＭＯＳＦＥＴは、互いに相補的に働き、CMOSFETを構成する。
【００１７】
ｎ−ＭＯＳＦＥＴについて説明する。ｐ型半導体層２上面には、後述する第１もしくは第２の高誘電体膜を有するゲート絶縁膜５が形成される。ゲート絶縁膜５上にはゲート電極６が形成されている。ゲート絶縁膜５およびゲート電極6を、ゲート長方向に挟むようにゲート側壁１５が形成されている。ゲート絶縁膜５直下には、ｐ型半導体層２上面のGeを主成分として含むチャネル領域が形成されている。チャネル領域をゲート長方向に挟むｐ型半導体層２表面には、第１のソース・ドレイン領域９が形成されている。第１のソース・ドレイン領域９は、チャネル領域をゲート長方向に挟むエクステンション領域およびエクステンション領域をゲート長方向に挟みエクステンション領域より深く形成された拡散層からなる。第１のソース・ドレイン領域９上には、コンタクト電極１０が形成されている。
【００１８】
ｐ−ＭＯＳＦＥＴについても、ｎ−ＭＯＳＦＥＴと同様に、ｎ型半導体層３、ゲート絶縁膜５、ゲート電極８、ゲート側壁１５、第２のソース・ドレイン領域１１およびコンタクト電極１０が形成されている。
【００１９】
第１の高誘電体膜とは、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有する膜である。このような高誘電体膜としては、例えば、ZrSiO、HfSiO、LaSiO、ZrSiON、HfSiON、LaSiON、ZrAlSiO、HfAlSiO、LaAlSiO、ZrAlSiON、HfAlSiON、LaAlSiON等が挙げられる。
【００２０】
第２の高誘電体膜とは、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質の膜である。このような高誘電体膜としては、例えば、ZrON、HfON、LaON、ZrSiO、HfSiO、LaSiO、ZrSiON、HfSiON、LaSiON、ZrAlSiO、HfAlSiO、LaAlSiO、ZrAlSiON、HfAlSiON、LaAlSiON等が挙げられる。
【００２１】
なお、La系元素とは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luのいずれかの元素である。特にLaが好ましい。
【００２２】
ゲート絶縁膜５の厚さは制限を受けるものではなく、ワンモノレイヤー以上あればよいが、ゲート容量低下をなるべく低減するためには極力薄膜化することが必要であり、具体的にはSiO2換算膜厚で2 nm以下が望ましい。
【００２３】
半導体基板１は、Si、SiGe、Ge、歪Si等を用いる。
【００２４】
ｐ型半導体層２、ｎ型半導体層３は、そのチャネル領域がGeを主成分とするものであればよい。具体的には、Ge濃度は、50%以上100％以下である。50％以上であると、ドーパントの活性化温度を低減でき効果的である。電子およびホールの実効移動度を増加させるため、より好ましいGe濃度は、80％以上であり、さらに好ましくは、100％である。なお、このGe濃度は、不純物濃度等を含まない、半導体元素全量に対する濃度とする。また、SiとGeはそれぞれに対して全率固溶であり任意の濃度で混ざる事が可能である。
【００２５】
ｐ型半導体層２、ｎ型半導体層３について、そのチャネル領域のGeの面方位は、（100）が好ましい。
【００２６】
ゲート電極６、８は、多結晶シリコン（poly-Si）、SiGe等の半導体化合物、400℃乃至600℃程度の耐熱性を有する金属、400℃乃至600℃程度の耐熱性を有する金属化合物等を用いる。
【００２７】
ソース／ドレイン領域９、１１は、高濃度不純物拡散層として浅い接合および深い接合を組み合わせたものの他、シリサイド層等、各世代のトランジスタで必要な構造を適宜選択して用いればよい。以下の実施例でも、特に断らない限り、それぞれ必要な構造に置き換えることは無論有効である。
【００２８】
コンタクト電極１０としては、NiSiｘの他、金属的な電気伝導特性を示す、V、Cr、Mn、Y、Mo、Ru、Rh、Hf、Ta、W、Ir、Co、Ti、Er、Pt、Pd、Zr、Gd、Dy、Ho、Er等の種々のシリサイドや上記Siの少なくとも一部がGeに置き換わったメタルジャーマナイド(MGex)が挙げられる。
【００２９】
素子分離４、ゲート側壁１５は、絶縁性材料を用いる。なお、可能な場合には、該箇所は、空洞としてもよい。
【００３０】
本実施の形態によれば、実施例にて後述するように、半導体装置のヒステリシスを小さくすることができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態によれば、実施例にて後述するように、半導体装置のチャネル移動度を向上できる。
【００３２】
第１の高誘電体膜は、金属元素MおよびSiについて、M/(M+Si)比が10％以上90%以下であることが好ましい。
【００３３】
10％以上であると、比誘電率が8以上となる為に、例えばゲート絶縁膜のSiO2換算膜厚1nmを達成する為に物理膜厚を2nm以上に設定することが可能となる。これにより、ゲートリーク電流を著しく低下させることが可能となる。90％以下であると、図3(b)で示したような、600℃程度まで非晶質状態を保つ機能が維持される。
【００３４】
より好ましいM/(M+Si)比は、比誘電率がたとえば12程度となる25％以上であり、さらに好ましくは、比誘電率が例えば16程度となる40％以上である。このような比誘電率の増大により、同じSiO2換算膜厚に対して物理膜厚をさらに厚く設定することが可能となり、ゲートリーク電流がさらに低減する。上限については、M/(M+Si)比が高いほど比誘電率が高くなるが、その反作用としてGe/高誘電体膜のバンドオフセットが低下し、リーク電流が増加する現象が見られる。バンドオフセットを低下させない為に、M/(M+Si)比は70%以下であることがもっとも望ましい。
【００３５】
ゲート絶縁膜は、第１の高誘電体膜および第２の高誘電体膜の双方に該当する高誘電体膜であると好ましい。すなわち、Zr、HfもしくはLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有し、非晶質である膜であると好ましい。これは、これらの酸化物の比誘電率がSiO2よりも高い為に、SiO2換算膜厚を1nm以下に薄くすることが可能となる為である。また、非晶質酸化物であれば、ゲート電極、あるいは基板からの不純物拡散耐性が強くなる、結晶酸化物特有の空間的な特性揺らぎに起因するデバイス特性、たとえばしきい値電圧のばらつきなどの課題を回避できるためである。
【００３６】
金属元素Mは、Zrであると好ましい。これは、Zrを含む酸化物の比誘電率が12〜30程度と高く、さらにバンドギャップが5eV以上であるために、ゲートリーク電流を低く抑制しつつ、SiO2換算膜厚を低減化できるためである。また、Zr、Siを含む酸化物は、600℃程度の温度で非晶質状態を保持できるがゆえ、前述の非晶質酸化物特有の効果を発揮することが可能である。
【００３７】
また、金属元素Mは、Hfであると好ましい。これは、Hfを含む酸化物の比誘電率が12〜30程度と高く、さらにバンドギャップが5eV以上であるために、ゲートリーク電流を低く抑制しつつ、SiO2換算膜厚を低減化できるためである。また、Hf、Siを含む酸化物は、700℃程度の温度で非晶質状態を保持できるがゆえ、前述の非晶質酸化物特有の効果を発揮することが可能である。
【００３８】
高誘電体膜は、Nを含んだ場合、N濃度は、5at.％以上30at.%％以下が好ましく、より好ましくは10at.％以上20at.％以下である。N濃度が5at.%以上あれば、高温プロセスにおいて酸化物を非晶質状態で保持することが原理的に可能となり、より望ましくは10at.%以上のN濃度であればほぼ完全な非晶質状態を実現できる。非晶質維持作用は、N濃度が高いほど有効であり、特に高温環境を考慮した時には、N濃度は高ければ高いほどよい。しかし、N濃度が高すぎると、酸化物のバンドギャップが狭くなり、膜の絶縁性が劣化してしまう。典型的にはN濃度30at.%以上でこの傾向が顕著になることから、N濃度は30at.%以下、バンドギャップを窒素添加無しの場合と同等に保持するという目的からは20at.%以下であることが望ましい。
【００３９】
また、高誘電体膜は、Nを含んだ場合、ゲート絶縁膜中の膜厚方向における窒素の濃度のピークは、膜厚中心より上面側、すなわち、ゲート電極側にある方が好ましい。
【００４０】
高誘電体膜は、Geを含んだ場合、Ge濃度は、0.5at.％以上26at.％以下が好ましく、より好ましくは1at.％以上3at.％以下である。これは、0.5at.%以上のGeが高誘電体膜に含まれることで、Geとの界面の組成不連続性が緩和される界面特性が安定化する為であり、より望ましくは1at.%以上のGeが含まれるとよい。また、26at.%以上のGeが添加された高誘電体膜はその比誘電率が著しく劣化するため、Ge濃度は26at.%以下が良い。比誘電率がGe添加なしの場合から大きく劣化しないためにはGe濃度は3at.%以下であることがもっとも望ましい。
【００４１】
なお、Ge基板と高誘電体膜との間に、界面遷移層(界面層)が形成されていてもよい。界面層は、Ge基板の構成元素および高誘電体膜の構成元素のいずれかから構成される。この界面層は、異種物質であるGeと高誘電体膜の界面を構造的に無理なく接続する作用を持ち、これにより界面準位、固定電荷などの構造欠陥が減少し、デバイス特性が大きく改善する。
【００４２】
シリケート(MSixOy)とGe基板における界面層としては、MGexOy, SiGexOy, MSixOy, SiOx, GeOx, MOx, MSixGeyOz等が挙げられる。金属酸窒化物（MON）とGe基板における界面層としては、上記同様にMvSiwGexOyNz (v+w+x+y+z=1, 1≧v, w, x, y, z≧0)が挙げられる。
【実施例】
【００４３】
本発明者は、高誘電体膜/Ge基板ゲートスタック構造を有するデバイスを実際に試作し評価を行った。具体的には、高誘電体膜/Ge基板がZrO2/Ge、ZrSiO/Geであるゲートスタック構造を作製した。Ge基板の面方位は、(100)とした。高誘電体膜の膜厚は、3nmとした。Zr/(Zr+Si)比は、50%である。ZrSiOの高誘電体膜/Ge基板ゲートスタック構造を作製後、30分間500℃の窒素熱処理を行った。
【００４４】
本発明者は、上述のZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造について容量測定を行った。その結果をそれぞれ図１(a)および(b)に示す。図１(a)および(b)中、フラットバンドを基準容量値としてヒステリシスをでるた△Vfbとして定義する。
【００４５】
図１(a)および(b)に示すように、ZrO2/Ge系ではでるた△Vfb=0.67 (V)であるのに対し、ZrSiO/Ge系では△Vfb=0.057 (V)である。
【００４６】
したがって、ZrSiO/Ge系では、△Vfbが1桁以上改善されていることがわかる。ヒステリシスが小であると、しきい値ばらつきを小さくすることができる。しきい値ばらつきの低下により、電源電圧を下げることが可能となり低消費電力デバイスの実現が可能となる。なお、一般に、回路を誤動作させないためには電源電圧を少なくともしきい値ばらつきの25倍程度に設定する必要がある。商用化を鑑みると、数10ｍV程度以内のしきい値ばらつきが求められており、今回のZrSiO/Ge系の△Vfbの結果は、それを達成する値である。
【００４７】
また、本発明者は、上述のZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造について、実効ホール移動度μeff測定を行った。その結果をそれぞれ図２(a)および(b)に示す。
【００４８】
図２(a)および(b)に示すように、ZrO2/Ge系では、デバイス性能の指標の一つであるμeffの最大値が90 (cm2/Vsec)程度であるのに対し、ZrSiO/Ge系では、μeffの最大値が170 (cm2/Vsec)である。なお、図２中、Nsは、表面電荷密度を示す。
【００４９】
ZrSiO/Ge系が、ZrO2/Ge系に比して小さいヒステリシスおよび高い移動度を実現できた理由として、膜の結晶性および界面特性の違いが挙げられる。
【００５０】
まず、ZrO2/Ge系、ZrSiO/Ge系、それぞれの膜の結晶性について、図３（ａ）および（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、400℃、500℃および600℃の窒素熱処理後のin-plane XRD結果である。
【００５１】
図３（a）から、ZrO2/Ge系スタック構造では、400℃以上の窒素熱処理後において、ZrO2膜が結晶化していることがわかる。なお、ZrO2膜は、堆積時においては非晶質（アモルファス）であることを確認している。このため、熱処理に起因して、ZrO2膜が結晶化したと思われる。
【００５２】
図３（a）の詳細について説明する。図３（ａ）と結晶系データベースJCPDSデータとの比較から、膜はcubic ZrO2と同定できる。２θ＝30.119 o, 50.219 o, 59.738 o付近のピークは、それぞれcubic ZrO2の(111), (220), (311)に対応する。また、２θ＝45.305oのピークは、Cu Kαを線源として用いた場合のGe(220)のものである。更に、感度優先の測定のため、図３（ａ）では、他の線源によるGe(220)も混ざっており、40.7°はCuKβ,43.3°はWLαに対応する。
【００５３】
一方、ZrSiO/Ge系スタック構造では、600℃以下の窒素熱処理では図3(b)に示すように膜は結晶化しておらず非晶質（アモルファス）である。
【００５４】
なお、Si基板上のシリケートについては、主に1000℃程度の高温領域における結晶性が調べられてきた。これはSi基板中のdopantの活性化温度が1000℃程度であるためである。一方、Ge基板では、融点が938℃と低い事を反映して400℃程度でdopantの活性化を行なう事が可能である。このため、400℃から600℃という温度は素子形成のためのプロセス温度として現実的である。
【００５５】
両者のヒステリシス、移動度等の電気的特性は、この結晶性の違いに起因すると考えられる。一般に、膜が結晶化する場合、単結晶でなく多結晶になるため、結晶粒界が存在する。この結晶粒界には、不純物が分布しやすい傾向にある。そのため、トランジスタのキャリアのチャネル走行領域に結晶粒界が存在するとチャネル部のポテンシャル揺らぎを増大させると予想され、その結果ZrO2/Ge系で移動度が劣化されたのだと考えられる。ZrO2/Ge系の大きなヒステリシスも結晶粒界に起因していると考えられる。
【００５６】
一方、ZrSiO/Ge系では、膜はアモルファスであるため、ZrO2/Ge系に比して、電気的特性が向上したのだと考えられる。
【００５７】
上述の議論から、膜の結晶化耐熱性を向上させる処置を施すことが好ましいことがわかる。具体的には、窒素を含む高誘電体膜を用いることが好ましい。さらに、本発明者の実験結果から、ゲート絶縁膜中に窒素を含んでいる場合、ゲート絶縁膜中の膜厚方向における窒素の濃度のピークは、膜厚中心より上面側、すなわち、ゲート電極側にある方が好ましいことが分かった。
【００５８】
図４に、膜中窒素濃度が膜厚方向に均一であり、かつ14 at.%程度であるZrONをGe基板のゲート絶縁膜として用いたZrON/Ge系のホール移動度を示す。図４中、Nsは、表面電荷密度を示す。図2(a)に示したZrO2/Geのホール移動度の最大値90(cm2/Vsec)と比較して、ZrON/Geのホール移動度45(cm2/Vsec)と、大きく劣化しているのが分かる。このように図４に示すように、Ge基板と接する領域にNが多く含まれると移動度が劣化することが分かった。
【００５９】
窒素の濃度のピークを膜厚中心より上面側にあるようにするためには、窒素供給方法として、プラズマ窒化、ラジカル窒化等を用いることが好ましい。
【００６０】
なお、プラズマ窒化とは励起状態の窒素を用いる窒素供給手法である。また、他の窒素供給手法としては、NH3、NO、N2O等による熱窒化、あるいはＮイオン注入などが挙げられる。
【００６１】
次に、Ge基板の面方位は、（100）が好ましいことがわかった。
【００６２】
図５は、ZrSiO/Ge系のGe基板の面方位に依存した実効ホール移動度を示す図である。
【００６３】
図５に示すように、Ge基板の面方位（100）は、面方位（111）に比して高い移動度を示す。ZrSiO/(111)-Ge系では、μeffの最大値が120 (cm2/Vsec)程度であるのに対し、ZrSiO/(100)-Ge系では、μeffの最大値が170 (cm2/Vsec)である。
【００６４】
以下、半導体装置の製造方法の具体例を示す。
【００６５】
（実施例１）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrシリケート膜を3nm堆積する。
【００６６】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００６７】
（実施例２）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2/N2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrSiON膜を3nm堆積する。絶縁膜/基板界面から遠い絶縁膜側に窒素が多く含まれるようスパッタ成膜時のガス流量を調節する。
【００６８】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００６９】
（実施例３）
希フッ酸処理および純水リンスされた(100) Ge基板上にスパッタ成膜方法によりAr/O2プラズマおよびSi, Zrターゲットを用いてZrシリケート膜を3nm堆積する。更に窒素プラズマ処理により絶縁膜中に窒素を導入する。
【００７０】
続いてゲートレジストをパターニング後、Moを電子線蒸着し、レジストのリフトオフによってMoゲート電極を形成する。また、ソース・ドレインの形成は、BF2イオンを加速電圧50keV、ドーズ量5x1015cm-2注入した後、500℃の窒素熱処理を30分行い形成する。
【００７１】
ゲート絶縁膜形成工程は前記スパッタ堆積法に限らず他の物理堆積法(蒸着など)や化学気相堆積法(MO-CVD, AL-CVDなど)、一般のゲート絶縁膜形成方法で代替可能であることは言うまでも無い。
【００７２】
ゲート電極は勿論Moに限るものではなく、ゲート電極形成プロセスとしては埋め込み(ダマシン, replacement)プロセスやFUSI等を用いても良い。
【００７３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についてのヒステリシスを示す図。
【図２】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についての実効ホール移動度を示す図。
【図３】ZrO2/Ge系およびZrSiO/Ge系ゲートスタック構造についてのin-plane XRD結果を示す図。
【図４】ZrON/Ge系ゲートスタック構造についての実効ホール移動度を示す図。
【図５】Ge基板の面方位（100）および（111）についての実効ホール移動度を示す図。
【図６】本実施の形態に係わるＣＭＯＳＦＥＴの一例のゲート長方向の断面模式図。
【符号の説明】
【００７５】
１ 半導体基板
２ ｐ型半導体層
３ ｎ型半導体層
４ 素子分離
５ ゲート絶縁膜
６ ゲート電極
８ ゲート電極
９ 第１のソース／ドレイン領域
１０ コンタクト電極
１１ 第２のソース／ドレイン領域
１５ ゲート側壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、
前記チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、
前記チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記金属元素Mは、Zrであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属元素Mは、Hfであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ゲート絶縁膜はNを含み、前記ゲート絶縁膜中の膜厚方向における前記Nの濃度のピークは、膜厚中心より上面側にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記チャネル領域の面方位は、(100)であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記チャネル領域において、半導体元素全量に対するGe濃度は、100％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１】
Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、
前記チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素MおよびSiを含む酸化物を有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
Geを主成分として含むチャネル領域を有する半導体基板と、
前記チャネル領域上に形成され、Zr、HfおよびLa系元素からなる群から選ばれる金属元素Mを含む酸化物を有し、非晶質であるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル領域をゲート長方向に挟むソース・ドレイン領域と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記金属元素Mは、Zrであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属元素Mは、Hfであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ゲート絶縁膜はNを含み、前記ゲート絶縁膜中の膜厚方向における前記Nの濃度のピークは、膜厚中心より上面側にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記チャネル領域の面方位は、(100)であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記チャネル領域において、半導体元素全量に対するGe濃度は、100％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−５５３４（Ｐ２００７−５５３４Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８３２３４（Ｐ２００５−１８３２３４）
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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