JP4309869B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、微細な構造を有する半導体装置およびその作成方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a fine structure and a manufacturing method thereof.
ナノメートルスケールの微細な半導体結晶を用いた構造は、各種デバイスへの応用が可能で、その作成方法を含め盛んに報告されている。しかしながら従来の技術は通常の量産可能な半導体製造に合い容れない特殊な方法を用いたものが殆どである。 Structures using nanometer-scale fine semiconductor crystals can be applied to various devices, and have been actively reported including their fabrication methods. However, most of the conventional techniques use a special method that is not suitable for ordinary mass production of semiconductors.
すなわち減圧CVDあるいはプラズマCVDを用いて気相中で微細結晶を形成し、低温に冷却された基板上に堆積させる方法では、微細素子の量産工程で問題となるパーティクルの発生等により、従来の半導体プロセスとは整合性が悪い。また気相中で形成される微細結晶同士が基板表面で複合化し、所望の微細結晶を均一に分布させることも困難であった。 That is, in the method of forming fine crystals in the gas phase using low-pressure CVD or plasma CVD and depositing them on a substrate cooled to a low temperature, the conventional semiconductors are caused by the generation of particles that are a problem in the mass production process of fine elements. It is not consistent with the process. In addition, it is difficult for the fine crystals formed in the gas phase to be complexed on the substrate surface and to uniformly distribute the desired fine crystals.
一方、従来大規模集積回路において、MOSと呼ばれる半導体素子が利用されてきた。その集積度は年々上昇し、256MビットDRAMにおいてはそのゲート長が0.25μm(1996年)、1GビットDRAMにおいては0.18μm(2000年)、4GビットDRAMにおいては0.13μm(2005年)というように微細化の進展が予測されている。 On the other hand, a semiconductor element called MOS has been used in a conventional large scale integrated circuit. The degree of integration increases year by year, and the gate length of 256 Mbit DRAM is 0.25 μm (1996), 1 Gbit DRAM is 0.18 μm (2000), and 4 Gbit DRAM is 0.13 μm (2005). Thus, progress in miniaturization is predicted.
しかしながら、現在のフォトリソグラフィ技術を利用した微細化技術には限界があり、フォトリソグラフィ技術の次の技術といわれる電子ビーム(EB)露光、X線リソグラフィにも問題が山積している。 However, there is a limit to the current miniaturization technology using photolithography technology, and there are many problems in electron beam (EB) exposure and X-ray lithography, which are the next technologies of photolithography technology.
EB装置を利用した露光においては、電子ビームの半径は10nmのオーダーに達するが、レジストの解像度の限界によりせいぜい50nmが加工限界とされている。 In exposure using the EB apparatus, the radius of the electron beam reaches the order of 10 nm, but the processing limit is 50 nm at most due to the resolution limit of the resist.
また、X線を用いた微細加工においては、シンクロトロン光を利用するために、装置として莫大な設備投資が必要となり、その割には生産能率が上がらず実用化は現実的でないとされている。さらに、X線は放射線であるために、人体に悪影響を及ぼすことが難点とされている。 In addition, in microfabrication using X-rays, in order to use synchrotron light, enormous capital investment is required as an apparatus, and the production efficiency is not increased for that, and practical application is not realistic. . Furthermore, since X-rays are radiation, it is difficult to adversely affect the human body.
以上の点から、0.05μm(50nm)以下のゲート長を持つ半導体素子の量産化は現段階では困難とされている。 From the above points, mass production of semiconductor elements having a gate length of 0.05 μm (50 nm) or less is considered difficult at this stage.
一方、素子の微細化の観点から、単一電子素子といわれる微細化素子が検討されている。この素子においては、素子のキャパシタンスCが十分に小さく、トンネルジャンクションに蓄えられる帯電エネルギー(e2 /(2C))が温度揺らぎ(kTにほぼ等しい)に対して十分に大きいときに(e2 /(2C)>kT)、電子のトンネリングが抑制される、いわゆるクーロンブロッケイドという原理を利用している。この性質を利用することにより電流電圧特性に閾値が生じる。低消費電力という特性と併せて、この閾値の存在により、3端子トランジスタ、メモリ等の様々な応用の提案が数多く為されている。 On the other hand, from the viewpoint of element miniaturization, a miniaturized element called a single electronic element has been studied. In this device, when the capacitance C of the device is sufficiently small and the charging energy (e 2 / (2C)) stored in the tunnel junction is sufficiently large with respect to temperature fluctuation (approximately equal to kT) (e 2 / (2C)> kT), which utilizes the principle of so-called Coulomb blockade, in which electron tunneling is suppressed. By utilizing this property, a threshold value is generated in the current-voltage characteristic. In addition to the characteristic of low power consumption, the existence of this threshold value has led to many proposals for various applications such as a three-terminal transistor and a memory.
実際にクーロンブロッケイド効果を発現させるためには、通常デバイスとして室温動作をさせようとすると、キャパシタンスの大きさとしてaF(10-18 ファラッド)程度の小さいトンネルジャンクションを形成する必要がある。 In order to actually exhibit the Coulomb blockade effect, when a normal device is operated at room temperature, it is necessary to form a tunnel junction having a small capacitance of about aF (10 −18 farad).
非特許文献1や非特許文献2等の文献に見られるような特殊な方法を用いてクーロンブロッケイド効果の室温での動作確認を行っている例はあるものの、現在の通常の半導体製造技術では、このような小さいジャンクションを作製するのは極めて困難である。
Although there is an example in which the operation check at room temperature of the Coulomb blockade effect is performed using a special method such as that found in Non-Patent
但し、クーロンブロッケイド効果は、現実に室温動作することが確認されていることから、LSIの回路の中に実際に組み込むことが可能な新しい技術として期待されている。 However, since the Coulomb blockade effect has been confirmed to actually operate at room temperature, it is expected as a new technology that can be actually incorporated into an LSI circuit.
しかしながら、従来の単一電子素子、およびその製造方法には、以下のような問題が存在し、実際にLSIの素子応用には至っていない。 However, the conventional single electronic device and the manufacturing method thereof have the following problems, and have not yet been actually applied to LSI devices.
(1)通常のLSI作製プロセスにおけるフォトマスクを用いた作製方法では、リソグラフィの微細化の限界から、十分高温でクーロンブロッケイドが観測できるほど小さなキャパシタンスの作製は困難である。 (1) In a manufacturing method using a photomask in a normal LSI manufacturing process, it is difficult to manufacture a capacitance that is small enough to allow the Coulomb blockade to be observed at a sufficiently high temperature because of the limit of lithography miniaturization.
(2)クーロンブロッケイドの本質的なトンネリングの性質を決定するトンネル障壁そのものについて、従来その特性は製造方法からの大きな制限があり、回路に応じた特性を持つ単一電子素子を作製することは困難であった。 (2) Regarding the tunnel barrier itself that determines the intrinsic tunneling properties of Coulomb blockade, the characteristics of the tunnel barrier itself have been greatly limited from the manufacturing method, and it is not possible to produce a single electronic device having characteristics according to the circuit. It was difficult.
(3)通常の単一電子素子において電子がトンネリングする部分は、酸化膜等の絶縁体若しくはバンド図においてエネルギー障壁の高い物質を用いて形成されたトンネルジャンクションであるが、電子の感じるエネルギー障壁が高いために、エネルギー障壁の厚さは薄くしないと、電子自体のトンネリング確率が指数関数的に減ってしまう。このため、特に酸化膜の厚さを極めて繊細にコントロールする必要があり、これが均一な素子を作ることを一層困難なものにしていた。
本発明の第1の課題は、量産可能な半導体製造工程に容易に組み込める半導体微結晶の作成方法を提供し、またこれを利用した半導体装置を提供することにある。 A first object of the present invention is to provide a method for producing a semiconductor microcrystal that can be easily incorporated into a mass-produced semiconductor manufacturing process, and to provide a semiconductor device using the method.
本発明の第2の課題は、50nm以下のゲート長を持つ半導体素子、特にMOS型素子の構造と、量産可能で人体にも有害な影響を与えない製造方法を提供することにある。 The second object of the present invention is to provide a structure of a semiconductor device having a gate length of 50 nm or less, particularly a MOS device, and a manufacturing method that can be mass-produced and does not have a harmful effect on the human body.
本発明の第3の課題は、微細なゲート長を有し、制御性の良い単一電子素子およびその製造方法を提供することにある。 A third object of the present invention is to provide a single electronic device having a fine gate length and good controllability and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するために本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層上に形成され、第1の半導体微結晶の上に第2の絶縁層を介して第2の半導体微結晶が積み上げられた少なくとも1つの二重半導体微結晶と、前記少なくとも1つの二重半導体微結晶を覆うように、前記第1の絶縁層の上に選択的に形成された第3の絶縁層と、前記第3の絶縁層上に形成され、少なくとも相対する2辺を有する導電層と、前記導電層の前記相対する2辺に沿った前記半導体基板の表面に、前記導電層を挟むように形成された1対の不純物添加領域とを具備することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a first insulating layer formed on the semiconductor substrate, a first semiconductor microcrystal formed on the first insulating layer. At least one double semiconductor microcrystal on which a second semiconductor microcrystal is stacked via a second insulating layer, and the first insulation so as to cover the at least one double semiconductor microcrystal A third insulating layer selectively formed on the layer, a conductive layer formed on the third insulating layer and having at least two opposite sides, and along the two opposite sides of the conductive layer And a pair of impurity-doped regions formed so as to sandwich the conductive layer on the surface of the semiconductor substrate.
さらに、前記二重半導体微結晶の直径が50nm以下であることを特徴とする。 Furthermore, the diameter of the double semiconductor microcrystal is 50 nm or less.
本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に、非晶質および多結晶のいずれかよりなるIV族原子の層を、500℃以下の低温で厚さ0.3nm以上5nm以下に形成する工程と、前記IV族原子の層を形成した後に、600℃以上850℃以下の高温加熱により前記IV族原子の層を塊状化せしめて、IV族原子からなり、二次元状に分布しかつ互いに独立した直径50nm以下の半球状微細結晶を形成する工程とを具備することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a layer of group IV atoms made of either amorphous or polycrystalline on a substrate to a thickness of 0.3 nm or more and 5 nm or less at a low temperature of 500 ° C. or less. And after the formation of the group IV atom layer, the group IV atom layer is agglomerated by heating at a high temperature of 600 ° C. or more and 850 ° C. or less to form a group IV atom, which is distributed two-dimensionally and independent of each other. And a step of forming a hemispherical fine crystal having a diameter of 50 nm or less.
上記の製造方法は、前記基板がシリコン酸化膜からなり、前記IV族原子の層がシリコンからなることが好ましい。 In the manufacturing method described above, it is preferable that the substrate is made of a silicon oxide film and the layer of group IV atoms is made of silicon.
あるいは、前記基板がシリコン酸化膜からなり、前記IV族原子の層がゲルマニウムからなるようにしてもよい。 Alternatively, the substrate may be made of a silicon oxide film, and the group IV atom layer may be made of germanium.
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に幅100nm以下の帯状のシリコン酸化膜層を形成する工程と、前記基板上に、非晶質および多結晶のいずれかよりなるシリコン層を、500℃以下の低温で厚さ0.5乃至5nmに堆積する工程と、730乃至850℃の高温で前記シリコン層を塊状化せしめて、前記帯状のシリコン酸化膜層上に1列に整列された複数のシリコン微結晶を形成する工程とを具備することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a band-shaped silicon oxide film layer having a width of 100 nm or less on a silicon substrate, and a silicon layer made of either amorphous or polycrystalline on the substrate, The silicon layer is agglomerated at a low temperature of 500 ° C. or lower at a thickness of 0.5 to 5 nm and at a high temperature of 730 to 850 ° C., and aligned in a row on the band-shaped silicon oxide layer. And a step of forming a plurality of silicon microcrystals.
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に8原子層以下のゲルマニウム薄膜結晶層を形成する工程と、600乃至800℃の熱処理で前記ゲルマニウム薄膜層を塊状化せしめて、直径100nm以下の複数のゲルマニウム微結晶を形成する工程と、前記複数のゲルマニウム微結晶形成後、前記シリコン基板上にシリコン結晶層を形成し、前記複数のゲルマニウム微結晶を埋め込む工程とを具備することを特徴とする。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the germanium thin film layer is agglomerated by a step of forming a germanium thin film crystal layer of 8 atomic layers or less on a silicon substrate and a heat treatment at 600 to 800 ° C. A step of forming a plurality of germanium microcrystals; and a step of forming a silicon crystal layer on the silicon substrate and embedding the plurality of germanium microcrystals after the formation of the plurality of germanium microcrystals. .
本発明の半導体装置(請求項9)は、第1導電型の不純物を含む第1のシリコン層と、前記第1のシリコン層上に形成された不純物を含まない第2のシリコン層と、前記第2のシリコン層上に形成された直径100nm以下の複数のゲルマニウム微結晶と、前記第2のシリコン層上に前記複数のゲルマニウム微結晶を埋め込むように形成された、不純物を含まない第3のシリコン層と、前記第3のシリコン層上に形成された、第2導電型の不純物を含む第4のシリコン層とを具備することを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention (Claim 9) includes a first silicon layer containing impurities of a first conductivity type, a second silicon layer containing no impurities formed on the first silicon layer, A plurality of germanium microcrystals having a diameter of 100 nm or less formed on the second silicon layer, and a third layer that does not contain impurities and is formed to embed the plurality of germanium microcrystals on the second silicon layer. It is characterized by comprising a silicon layer and a fourth silicon layer formed on the third silicon layer and containing a second conductivity type impurity.
本発明の半導体装置の製造方法は、IV族原子を含む基板上に、前記IV族原子の第1の酸化膜を形成する工程と、前記第1の酸化膜上に前記IV族原子を含む第1の層を形成する工程と、前記第1の層上に前記IV族原子の第2の酸化膜を形成する工程と、前記第2の酸化膜上に、非晶質および多結晶のいずれかよりなる前記IV族原子の第2の層を、500℃以下の低温で厚さ0.3ないし5nmに形成する工程と、600乃至850℃で加熱処理することにより前記第2の層を塊状化せしめて、前記IV族原子からなる直径50nm以下の複数の微結晶を形成する工程と、前記複数の微結晶をマスクとして、前記微結晶の下部以外の前記第2の酸化膜、前記第1の層をエッチングにより除去する工程とを具備することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a first oxide film of the group IV atom on a substrate including a group IV atom, and a step of forming the group IV atom including the IV group atom on the first oxide film. 1 layer, a step of forming a second oxide film of the group IV atom on the first layer, and an amorphous or polycrystalline layer on the second oxide film. And forming the second layer of group IV atoms into a thickness of 0.3 to 5 nm at a low temperature of 500 ° C. or less, and heat-treating at 600 to 850 ° C. to agglomerate the second layer. At least, a step of forming a plurality of microcrystals having a diameter of 50 nm or less made of the group IV atoms, and using the plurality of microcrystals as a mask, the second oxide film other than the lower portion of the microcrystals, the first And a step of removing the layer by etching.
本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の所定の領域に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された直径50nm以下の複数の半導体微細構造と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成され、前記複数の半導体微細構造を埋め込む第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記半導体基板上に、前記ゲート電極に沿って形成された1対の不純物拡散層とを具備し、前記複数の半導体微細構造の各々は、層間絶縁膜を介して上下に分離された2つ半導体微結晶を少なくとも含むことを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a first gate insulating film formed in a predetermined region of the semiconductor substrate, and a plurality of semiconductor fine particles having a diameter of 50 nm or less formed on the first gate insulating film. A structure, a second gate insulating film formed on the first gate insulating film and embedding the plurality of semiconductor microstructures, a gate electrode formed on the second gate insulating film, and the gate electrode A pair of impurity diffusion layers formed along the gate electrode on the semiconductor substrate on both sides of the semiconductor substrate, and each of the plurality of semiconductor microstructures is vertically separated through an interlayer insulating film It contains at least two semiconductor microcrystals.
本発明では、基板上に薄く堆積した基板とは異なる材質の薄膜層が、表面が酸化されない条件で高温加熱したときに塊状化する性質を利用して半導体微結晶を作成する。薄膜層を堆積した後に高清浄雰囲気で高温加熱することにより生ずる塊状化を利用することにより、通常の半導体製造工程と互換性の高い半導体微結晶作成技術が提供できる。 In the present invention, a semiconductor microcrystal is formed by utilizing the property that a thin film layer made of a material different from the substrate thinly deposited on the substrate is agglomerated when heated at a high temperature under the condition that the surface is not oxidized. By utilizing the agglomeration generated by heating at a high temperature in a highly clean atmosphere after depositing the thin film layer, a semiconductor microcrystal production technique having high compatibility with a normal semiconductor manufacturing process can be provided.
上記第2の目的を達成するために、本発明の半導体装置(請求項12)は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成され、直径50nm以下の塊状導体が帯状に連続して形成されたゲート電極と、前記帯状ゲート電極の両側に沿って、これを挟むように、前記半導体基板上に形成された第1と第2の不純物添加領域とを具備することを特徴とする。 In order to achieve the second object, a semiconductor device of the present invention (Claim 12) includes a semiconductor substrate and a bulk conductor having a diameter of 50 nm or less formed in a band shape on the semiconductor substrate via a gate insulating film. A gate electrode formed continuously; and first and second impurity-doped regions formed on the semiconductor substrate so as to sandwich the gate electrode along both sides of the belt-like gate electrode. And
また上記半導体装置の製造方法は、半導体基板上の素子領域に形成された絶縁膜を横切るように粒子を打ち込み、前記絶縁膜表面に複数のダメージ箇所を形成する工程と、前記複数のダメージ箇所を核として、前記絶縁膜上に直径50nm以下の複数の塊状導体を形成し、かつ前記複数の塊状導体を連続させて帯状導体を形成する工程と具備することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device includes a step of implanting particles so as to cross an insulating film formed in an element region on a semiconductor substrate and forming a plurality of damaged portions on the surface of the insulating film; and Forming a plurality of massive conductors having a diameter of 50 nm or less on the insulating film as nuclei, and forming the strip conductors by continuing the plurality of massive conductors.
前記複数の塊状導体を形成する工程は、前記絶縁膜の表面マイグレーションより大きな表面マイグレーションを有する材料を均一に成長させた後、加熱処理により前記材料を塊状化せしめるものであることを特徴とする。 The step of forming the plurality of massive conductors is characterized in that after the material having a surface migration larger than the surface migration of the insulating film is uniformly grown, the material is agglomerated by heat treatment.
絶縁膜(酸化膜)の上に電子ビーム(EB)等によりダメージを与えた後、シリコンのエピタキャル成長を行うと、結晶成長の初期過程においてそのダメージを与えた場所からシリコンの固まりが成長し始める。その大きさは結晶成長の時間にもよるが、50nmを切る大きさのドット状のものが制御性よく形成される。 When silicon is epitaxially grown after being damaged by an electron beam (EB) or the like on the insulating film (oxide film), a mass of silicon begins to grow from the damaged position in the initial stage of crystal growth. . Although the size depends on the time of crystal growth, dots having a size of less than 50 nm are formed with good controllability.
MOS型半導体素子において、ゲート電極を作成する部分に対して、ゲート酸化膜を形成した後、EBのビーム径を絞りEBの間隔が数十nmになるようにしてEBを打ち込む。その後この結晶成長を行い、その成長の初期過程で生成するドットの大きさを打ち込んだ電子ビームの帯に合わせると、シリコンドットの帯が生成される。このドットの帯の端を通常の電極パッドにつなぐことにより、ドットの大きさに依存するゲート長を持つ3端子のMOS型FETが形成される。 In a MOS type semiconductor device, after forming a gate oxide film on a portion where a gate electrode is to be formed, EB is implanted so that the beam diameter of the EB is reduced so that the interval between the EBs is several tens of nm. Thereafter, this crystal growth is performed, and when the size of the dot generated in the initial stage of the growth is matched with the band of the electron beam that has been implanted, a band of silicon dots is generated. By connecting the end of the dot band to a normal electrode pad, a three-terminal MOS FET having a gate length depending on the dot size is formed.
この工程はレジストを用いるのではないため、レジスト自体の限界がゲート長の制限をすることはなく、制御性は良くなる。また、X線のように大きな設置面積と人体への悪影響も無く、生産技術としても優れていることが特徴としてあげられる。 Since this step does not use a resist, the limit of the resist itself does not limit the gate length, and the controllability is improved. In addition, it has a large installation area and no adverse effects on the human body like X-rays, and is also characterized by excellent production technology.
本発明の第3の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板上の所定の領域を取り囲むように形成され、各々の直径が50nm以下の複数の突起と、前記複数の突起の表面を含む前記所定の領域にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記所定の領域を挟んで対向し、不純物が添加された第1と第2の半導体層と、前記所定の領域内で、前記ゲート電極に電圧が印加される時に前記複数の突起の間の前記基板表面に形成される反転層とを具備することを特徴とする。 In order to achieve the third object of the present invention, a semiconductor device of the present invention is formed so as to surround a predetermined region on a semiconductor substrate, each of a plurality of protrusions each having a diameter of 50 nm or less, and the plurality of protrusions A gate electrode formed on the predetermined region including the surface of the first electrode through a gate insulating film; first and second semiconductor layers to which impurities are added opposite to the predetermined region; and the predetermined region And an inversion layer formed on the substrate surface between the plurality of protrusions when a voltage is applied to the gate electrode in the region.
また、上記半導体素子の製造方法は、半導体基板表面に形成された第1の絶縁膜に、加速された粒子により複数のダメージ箇所を形成する工程と、500℃以下の低温で厚さ5nm以下のIV族原子からなる非晶質層を形成する工程と、600℃以上の高温加熱により、前記ダメージ箇所を核として前記非晶質層を塊状化せしめ、前記第1の絶縁膜上に互いに離隔したサイズ50nm以下の微細結晶により複数の塊状導体を形成する工程と、前記複数の塊状導体をマスクとして、前記第1の絶縁膜をエッチング除去し、第2の絶縁膜を介して全面に電極層を形成する工程とを具備することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor element includes a step of forming a plurality of damaged portions with accelerated particles in a first insulating film formed on a surface of a semiconductor substrate, and a thickness of 5 nm or less at a low temperature of 500 ° C. or less. The step of forming an amorphous layer composed of group IV atoms and high-temperature heating at 600 ° C. or higher cause the amorphous layer to be agglomerated with the damaged portion as a nucleus and separated from each other on the first insulating film. A step of forming a plurality of block conductors with a fine crystal having a size of 50 nm or less; and using the plurality of block conductors as a mask, the first insulating film is removed by etching, and an electrode layer is formed on the entire surface through the second insulating film. And a forming step.
前記複数の塊状導体を形成する工程は、前記第1の絶縁膜の表面マイグレーションより大きな表面マイグレーションを有する材料を均一に成長させた後、加熱処理により前記材料を塊状化せしめるものであることを特徴とする。 The step of forming the plurality of massive conductors is to uniformly grow a material having a surface migration larger than the surface migration of the first insulating film, and then to agglomerate the material by heat treatment. And
本発明の単一電子素子においては、電荷の数を正確にコントロールするために微細な構造を必要とするアイランド部分を、電子ビーム等でダメージを与えた後の超高真空(UHV)−CVDにより生成されたシリコン微細ドット間の反転層領域としている。 In the single electronic device of the present invention, an island portion that requires a fine structure to accurately control the number of charges is subjected to ultra high vacuum (UHV) -CVD after being damaged by an electron beam or the like. The inversion layer region between the generated silicon fine dots is used.
この方法においてアイランドの大きさを決定するのは、アイランドの周りのシリコン微細ドットの間隔とUHV−CVDにより生成するシリコン微細ドットの大きさである。従来のアイランドの大きさはリソグラフィの限界による寸法そのものに制限されていた。 In this method, the size of the island is determined by the distance between the silicon fine dots around the island and the size of the silicon fine dots generated by UHV-CVD. Conventional island sizes are limited to the dimensions themselves due to lithography limitations.
本発明においてアイランドの周囲のシリコン微細ドットの間隔を現状のリソグラフィの限界寸法とすれば、UHV−CVDによるシリコン微細ドットの大きさを制御することで、最終的に形成される反転層アイランドの大きさは、現状のリソグラフィの限界寸法より遥かに小さいものとすることができる。 In the present invention, if the distance between the silicon fine dots around the island is the critical dimension of the current lithography, the size of the inversion layer island finally formed can be controlled by controlling the size of the silicon fine dots by UHV-CVD. This can be much smaller than the critical dimensions of current lithography.
本発明において、トンネル障壁はアイランド部分とソース間、またはアイランド部分とドレイン間を結ぶ、シリコン微細ドットの間の狭窄部分である。バンド図として見ると、この部分は酸化膜等のようなポテンシャル障壁の高さを有しないので、加工寸法に対するトンネル確率の制御は容易である。 In the present invention, the tunnel barrier is a constricted portion between silicon fine dots connecting the island portion and the source or between the island portion and the drain. When viewed as a band diagram, this portion does not have the height of a potential barrier such as an oxide film, so that the tunnel probability with respect to the processing dimension can be easily controlled.
本発明により、既存の半導体量産プロセスと整合性の高い手法で、半導体基板上に微細な半導体結晶を作成する方法が提供できる。また、本発明の微粒子構造を利用して、高性能の発光ダイオード、半導体レーザー、メモリ素子等が実現できる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for forming a fine semiconductor crystal on a semiconductor substrate by a technique highly compatible with an existing semiconductor mass production process. Further, by using the fine particle structure of the present invention, a high-performance light-emitting diode, semiconductor laser, memory element, or the like can be realized.
また、本発明は直径50nm以下のシリコン微細ドットが、電子ビーム等の照射によりダメージを受けたSiO2 膜上に、選択的に制御よく形成されることを、ゲート電極の形成に利用している。このため、通常のゲート電極形成法のようにレジストの特性や限界に制限されることがない。また多大な設備投資を必要とし、汎用性がなく、取扱いが困難な上に放射線として人体への悪影響のあるX線リソグラフィのような欠点もなく、10nmオーダーのゲート長を有する半導体素子を提供することを可能にしている。 Further, the present invention utilizes the fact that silicon fine dots having a diameter of 50 nm or less are selectively formed in a controlled manner on a SiO 2 film damaged by irradiation with an electron beam or the like. . For this reason, it is not limited to the characteristics and limits of the resist unlike the ordinary gate electrode forming method. Further, the present invention provides a semiconductor device having a gate length of the order of 10 nm without requiring defects such as X-ray lithography, which requires a large capital investment, is not versatile, is difficult to handle, and has a harmful effect on the human body as radiation. Making it possible.
また、本発明の単一電子素子においては、電荷の数を正確にコントロールするために微細な構造を必要とするアイランド部分を、上記のシリコン微細ドットを利用し、このシリコン微細ドット間の反転層領域としている。 In the single electronic device of the present invention, the island portion that requires a fine structure in order to accurately control the number of charges is used for the inversion layer between the silicon fine dots, using the silicon fine dots. As an area.
本発明においてアイランドの周囲のシリコン微細ドットの間隔を現状のリソグラフィの限界寸法とすれば、UHV−CVDによるシリコン微細ドットの大きさを制御することで、最終的に形成される反転層アイランドの大きさは、現状のリソグラフィの限界寸法より遥かに小さいものとすることができる。以上の方法により、室温動作が充分可能で、制御性、再現性の良い単一電子素子を提供することが可能となる。 In the present invention, if the distance between the silicon fine dots around the island is the critical dimension of the current lithography, the size of the inversion layer island finally formed can be controlled by controlling the size of the silicon fine dots by UHV-CVD. This can be much smaller than the critical dimensions of current lithography. By the above method, it becomes possible to provide a single electronic device that can be sufficiently operated at room temperature and has good controllability and reproducibility.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1に本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の形成方法を示す。第1の実施形態では、表面を熱酸化したシリコン基板上にシリコンの微細結晶を形成する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a method of forming a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, fine silicon crystals are formed on a silicon substrate whose surface is thermally oxidized.
まず最初に、面方位(100)のシリコン基板10上に、厚さ100nmの熱酸化膜11を形成する(図1(a))。続いてこの基板を超高真空(UHV)CVD装置に導入し、基板を加熱せずに厚さ1nmの非晶質シリコン層12の堆積を行う(図1(b))。
First, a
この場合、非晶質シリコン層12の堆積のための原料はSi2 H6 ガスを用いており、この原料ガス分子をCVD装置内の基板位置を見込む位置に設置された補助ヒーターで熱分解した後に、供試基板に供給することにより、基板表面で原料分解が起こらない室温においてもシリコン薄膜の形成が可能となる。本発明に使用したUHV−CVD装置の詳細は特開平7−245236に記載されている。
In this case, Si 2 H 6 gas is used as a raw material for depositing the
この方法により作成した厚さ1nmの非晶質シリコン薄膜は極めて平坦である。また非晶質薄膜を形成する方法は、本実施形態で説明したUHV−CVD装置に限るものではない。例えば、固体シリコン原料を電子線で加熱し基板に供給する分子線結晶成長(MBE)法や、プラズマ放電により気体原料分子を分解して基板に供給するプラズマCVD法等で得られる薄膜を用いても、同様の微細結晶を形成できる。またこの薄膜は非晶質である必要もない。多結晶シリコン薄膜を用いても同じ結果が得られる。 An amorphous silicon thin film having a thickness of 1 nm prepared by this method is extremely flat. The method for forming the amorphous thin film is not limited to the UHV-CVD apparatus described in this embodiment. For example, a thin film obtained by a molecular beam crystal growth (MBE) method in which a solid silicon raw material is heated by an electron beam and supplied to the substrate, a plasma CVD method in which a gas raw material molecule is decomposed by plasma discharge and supplied to the substrate is used. The same fine crystal can be formed. The thin film need not be amorphous. The same result can be obtained using a polycrystalline silicon thin film.
この場合重要な課題は、最初の薄膜層に酸素等の不純物混入を抑制することである。初期のシリコン層に酸素が混入すると、シリコン原子のマイグレーションが抑制されるため、塊状化が進まない。特に初期シリコン層を形成する際に、基板温度を上昇させ、原料分子の表面分解により薄膜を生成するLPCVD法等の方法では、界面に多量の酸素が混入する可能性が高いので好ましくない。 In this case, an important problem is to suppress the entry of impurities such as oxygen into the first thin film layer. When oxygen is mixed into the initial silicon layer, the migration of silicon atoms is suppressed, so that agglomeration does not proceed. In particular, when forming the initial silicon layer, a method such as the LPCVD method in which the substrate temperature is raised and a thin film is formed by surface decomposition of the raw material molecules is not preferable because a large amount of oxygen is likely to be mixed into the interface.
本実施形態では、シリコン薄膜堆積時の基板温度は室温としているが、酸化膜基板中の酸素と、堆積するシリコンとが反応を起こさない範囲において基板温度を上昇させることは問題ない。この場合基板温度は500℃以下であれば、原料シリコンと基板表面の酸素との反応は低く抑えられる。しかし、シリコン原料が分子原料分解用のヒーターのように高温ソースから供給される場合は、基板温度は300℃以下が望ましい。 In this embodiment, the substrate temperature at the time of depositing the silicon thin film is room temperature, but there is no problem in raising the substrate temperature in a range in which oxygen in the oxide film substrate and the deposited silicon do not react. In this case, if the substrate temperature is 500 ° C. or less, the reaction between the raw material silicon and oxygen on the substrate surface can be kept low. However, when the silicon source is supplied from a high temperature source such as a heater for molecular source decomposition, the substrate temperature is desirably 300 ° C. or lower.
続いて、作成した薄膜層を大気に暴露せずに(表面が酸化されない状態で)800℃で加熱する。具体的にはUHV−CVDで非晶質薄膜形成後に原料分子分解用の補助ヒーターを切り、基板加熱ヒーターを昇温し基板を超高真空中で3分間加熱する。この加熱により熱酸化膜上に平坦に形成されていた非晶質シリコン層は、塊状化現象により最大直径10nm、高さ5nm程度の独立した結晶13となる(図1(c))。すなわち、熱酸化膜上にシリコンの微細結晶が形成できる。
Subsequently, the prepared thin film layer is heated at 800 ° C. without being exposed to the atmosphere (in a state where the surface is not oxidized). Specifically, after the amorphous thin film is formed by UHV-CVD, the auxiliary heater for decomposition of the raw material molecules is turned off, the temperature of the substrate heater is raised, and the substrate is heated in an ultrahigh vacuum for 3 minutes. The amorphous silicon layer formed flat on the thermal oxide film by this heating becomes an
このとき基板上に形成されたシリコン微結晶の密度は、3.5×1011/cm3 であった。これは、初期の非晶質シリコン層のシリコン原子が気相中へ脱離・蒸発することなく、基板上での質量移動により微結晶に変形したことを示している。この場合基板を加熱する時間を増加すると、一つの微結晶の大きさは大きくなるが、さらにアニールを続けるとシリコン原子が酸化膜基板の酸素と反応し脱離をはじめ、やがて微結晶は消滅する。 At this time, the density of the silicon microcrystal formed on the substrate was 3.5 × 10 11 / cm 3 . This indicates that the silicon atoms of the initial amorphous silicon layer were transformed into microcrystals by mass transfer on the substrate without desorption / evaporation into the gas phase. In this case, when the time for heating the substrate is increased, the size of one crystallite increases. However, when annealing is continued, the silicon atoms react with oxygen on the oxide film substrate and begin to desorb, and eventually the crystallites disappear. .
この場合、初めに堆積する非晶質シリコン薄膜の厚さと、塊状化を起こすための加熱温度により、形成される微細結晶の大きさを制御することが可能である。例えば、当初の非晶質層の厚さを0.5nmとし、加熱温度を730℃とすることにより、微細結晶の最大直径を5nm、高さを2nmとすることができる。この場合、初期非晶質の厚さが0.5nm以下の条件では、アニール温度が高温(800℃以上)の時に酸化膜との反応が起こり、シリコン原子の一部が脱離をするために、塊状化が進まないことがある。ここで、初期の非晶質の厚さに対して、アニール条件(温度・時間)と得られる微結晶の大きさの関係を図2(a)に示す。 In this case, the size of the fine crystal formed can be controlled by the thickness of the amorphous silicon thin film deposited first and the heating temperature for causing the agglomeration. For example, by setting the initial amorphous layer thickness to 0.5 nm and the heating temperature to 730 ° C., the maximum diameter of the fine crystal can be 5 nm and the height can be 2 nm. In this case, under the condition that the initial amorphous thickness is 0.5 nm or less, the reaction with the oxide film occurs when the annealing temperature is high (800 ° C. or higher), and some of the silicon atoms are desorbed. The agglomeration may not progress. Here, the relationship between the annealing condition (temperature and time) and the size of the microcrystal obtained is shown in FIG. 2A with respect to the initial amorphous thickness.
以上は、酸化膜上に非晶質シリコン層を堆積し、加熱により微結晶を形成せしめた例であるが、同様に酸化膜上に非晶質ゲルマニウム層を堆積し、加熱により微結晶を形成せしめることも可能である。この場合、ゲルマニウムの塊状化はシリコンと比べより低温でも起こりうるため、初期非晶質の厚さ、アニール条件と得られる微結晶の大きさは図2(b)に示す通りとなる。 The above is an example in which an amorphous silicon layer is deposited on an oxide film and microcrystals are formed by heating. Similarly, an amorphous germanium layer is deposited on an oxide film and microcrystals are formed by heating. It is also possible to squeeze. In this case, agglomeration of germanium can occur even at a temperature lower than that of silicon. Therefore, the initial amorphous thickness, annealing conditions, and the size of the obtained microcrystal are as shown in FIG.
従来充分に厚い非晶質シリコン層を表面が酸化されない条件で加熱した場合に、表面マイグレーションにより平坦な表面形状が変形し、きのこ状の固まりが形成されることが知られている。しかし非晶質層の厚さを薄くした場合に生じる塊状化現象は、本発明者等が初めて得た知見であり、独立した微結晶が形成されるためには、下地との相互作用が強くないことが重要であることを発見した。 Conventionally, it is known that when a sufficiently thick amorphous silicon layer is heated under the condition that the surface is not oxidized, a flat surface shape is deformed by surface migration and a mushroom-like lump is formed. However, the agglomeration phenomenon that occurs when the thickness of the amorphous layer is reduced is a finding obtained by the present inventors for the first time. In order to form independent microcrystals, the interaction with the base is strong. I found that not important.
本実施形態で利用した基板は表面を熱酸化したシリコン基板であるが、高温加熱が可能で、その際シリコンとのミキシングが発生しないことが満たされればいずれの基板(例えばシリコン窒化膜)でも使用可能である。ただし、塊状化を生じせしめる為には、基板の表面マイグレーションよりも、被堆積物の表面マイグレーションが大きいことが必要とされる。さらに、基板表面を予め異なる種類の薄膜層でパターニングしておけば、パターンに応じて微結晶の配置、大きさ等を制御することも可能である。 The substrate used in this embodiment is a silicon substrate whose surface is thermally oxidized, but any substrate (for example, a silicon nitride film) can be used as long as high-temperature heating is possible and mixing with silicon does not occur. Is possible. However, in order to cause agglomeration, the surface migration of the deposit is required to be larger than the surface migration of the substrate. Furthermore, if the surface of the substrate is previously patterned with different types of thin film layers, the arrangement, size, etc. of the microcrystals can be controlled according to the pattern.
また上述の通り、酸化膜上に非晶質シリコンを堆積し、加熱により塊状化せしめる場合、加熱条件によっては基板中の酸素と微結晶中のシリコン原子が反応し、微結晶が消滅することが起こりうる。しかしこれは基板が酸化膜の場合に特有の現象であり、酸素を含まない基板(例えばシリコン窒化膜)では起こり得ない。従って酸化膜上の一部を窒化膜でパターニングした基板において、窒化膜上にのみ微結晶を形成し、酸化膜上の微結晶を脱離消滅させることも可能である。 As described above, when amorphous silicon is deposited on an oxide film and is agglomerated by heating, oxygen in the substrate and silicon atoms in the microcrystal may react and the microcrystal may disappear depending on the heating conditions. It can happen. However, this is a phenomenon peculiar when the substrate is an oxide film, and cannot occur in a substrate that does not contain oxygen (for example, a silicon nitride film). Accordingly, it is possible to form microcrystals only on the nitride film and to eliminate and extinguish the microcrystals on the oxide film on a substrate in which a part of the oxide film is patterned with a nitride film.
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の形成方法を示す断面図である。第2の実施形態では、第1の実施形態で示した微細結晶を応用した素子に関するものである。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a sectional view showing a method for forming a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment relates to an element to which the fine crystal shown in the first embodiment is applied.
まず、厚さ3nm程度(あるいはそれ以下)の薄い熱酸化膜22を有するシリコン基板20(面方位(100))上に、第1の実施形態の方法でシリコン微結晶を形成する(図3(a))。第1の実施形態同様に、基板温度を室温のまま厚さ0.5nmの初期非晶質層を堆積し、その後基板温度を730℃に加熱することにより、直径5nm、高さ2nmの微結晶22を熱酸化膜21上に形成する。
First, silicon microcrystals are formed by the method of the first embodiment on a silicon substrate 20 (plane orientation (100)) having a thin
この後にCVD法により酸化シリコン膜層23を堆積し、さらに多結晶シリコン層24を堆積する。このようにして形成された積層構造の模式的断面図を図3(b)に示す。シリコン結晶基板20上にシリコン微結晶21を含むシリコン酸化膜層23、さらにその上に多結晶シリコン層24が形成された構造が実現できる。
Thereafter, a silicon
酸化膜層23および多結晶層24をそれぞれゲート酸化膜、およびゲート電極に見立てゲートサイズに加工し、さらによく知られた方法によりソース・ドレイン領域26、27を形成することにより、MOSFET構造を作成する(図3(c))。
The
このMOSFETにおいては、ゲート酸化膜23中にシリコン微結晶22が存在するために、従来のMOSFETとは異なる動作が期待できる。すなわち、例えば基板側よりシリコン微結晶に電荷を注入することにより、MOSFET動作の閾値電圧を変化させることができる。さらに、1つの微結晶に蓄積される電荷量が小さいため、微少な電荷量の蓄積をMOSFETの閾値電圧の変化として捕らえる記憶素子として使用できる。
In this MOSFET, since the
上記シリコン微結晶を含むMOSFET構造は、プラズマCVD等を用いる従来技術を用いても類似なものは作成可能であるが、種々な問題を生じる。図4は従来技術によりシリコン微結晶を作成する方法の模式図である。真空容器31にシリコン原子を含む気体分子、例えばモノシランあるいはジシラン等を導入し、プラズマ放電を発生させて、気相中で原料分子の分解を行う。
A similar MOSFET structure including silicon microcrystals can be produced using conventional techniques using plasma CVD or the like, but causes various problems. FIG. 4 is a schematic view of a method for producing silicon microcrystals according to the prior art. Gas molecules containing silicon atoms, such as monosilane or disilane, are introduced into the
この時、原料分子の分圧が適当な値に設定されれば、気相中で分解反応により発生したシリコン原子同士が、さらに結合してシリコン原子のみから成る微細な結晶33が生じる。これら微結晶を、低温に冷却した基板34に堆積させることにより、所定の基板上にシリコン微結晶を配置することができる。なお、図4において、32はガス導入口、35は基板支持台、36はガス排出口、37は上部電極である。
At this time, if the partial pressure of the raw material molecules is set to an appropriate value, the silicon atoms generated by the decomposition reaction in the gas phase are further bonded to form a
ここで基板温度が高い場合、基板表面に到達した微結晶同士がさらに反応を起こし結合することにより、より大きな結晶が生じてしまい、微結晶のサイズの制御性が低下する。通常基板を液体窒素等で冷却したシンクで低温に保持することが多い。 Here, when the substrate temperature is high, the microcrystals that have reached the substrate surface are further reacted and bonded to each other, so that a larger crystal is generated and the controllability of the size of the microcrystal is lowered. Usually, the substrate is often kept at a low temperature by a sink cooled with liquid nitrogen or the like.
これら半導体基板を室温以下の温度に冷却する工程は、通常の半導体製造工程では採用されておらず、従来の製造プロセスとは整合性が悪い。また必要以上に大量の微粒子が気相中に生じ、半導体製造工程において歩留まり低下の最大の原因となるパーティクルの発生を伴うため、量産工程には不向きである。 The process of cooling these semiconductor substrates to a temperature below room temperature is not employed in the normal semiconductor manufacturing process, and is inconsistent with the conventional manufacturing process. Further, an unnecessarily large amount of fine particles are generated in the gas phase, which is accompanied by generation of particles that cause the greatest decrease in yield in the semiconductor manufacturing process, which is not suitable for a mass production process.
また気相中で発生した微結晶を基板表面に堆積させる従来技術に基づく方法では、発生した微結晶は無秩序に基板上に到達するため、表面で微結晶が配置する間隔も無秩序となり、確率的に複数個の微結晶の複合化が発生する。これに加え、低温に冷却した基板上に気相中で生成された半導体微結晶を配置する従来技術に基づく方法では、堆積する微結晶と基板との密着性が悪いという問題がある。 In addition, in the method based on the prior art in which the microcrystals generated in the gas phase are deposited on the substrate surface, the generated microcrystals randomly reach the substrate. A plurality of microcrystals are combined. In addition, the method based on the prior art in which semiconductor microcrystals generated in the gas phase are arranged on a substrate cooled to a low temperature has a problem that the adhesion between the deposited microcrystals and the substrate is poor.
図5(a)は従来技術に基づいて微結晶42を基板41上に配置した場合の模式的な断面図である。基板上に球状に近い微結晶が付着した形態になる。このような形態では微結晶が配置した基板上に、さらに別な種類の被膜を堆積させる場合、例えば先の例のようにCVD法でシリコン酸化膜44を堆積する場合、この被膜44と基板41の間に‘す’43を発生する可能性が高い(図5(b))。
FIG. 5A is a schematic cross-sectional view when the
また、先の例のような複合化した微結晶も‘す’を発生する原因となる。このように発生した‘す’は、その後の熱工程で破裂あるいは収縮して周囲の構造を破壊する。このような原因によるトラブルは、集積度の高い半導体工程では致命的な不良を引き起こし、歩留まり低下を招く。 In addition, the compounded microcrystal as in the previous example also causes 'su'. The 'su' generated in this way is ruptured or shrunk in the subsequent thermal process to destroy the surrounding structure. Troubles caused by such a cause cause a fatal defect in a highly integrated semiconductor process, resulting in a decrease in yield.
一方、本発明で示された塊状化による方法では、平坦に堆積した層が塊状化を起こすため、本質的に微結晶を均質に配置することが可能となり、‘す’の発生原因となる微結晶同士の複合化は殆ど起こらない。また、微結晶と基板との密着性が高いため、この意味でも‘す’の発生を飛躍的に低減できる。 On the other hand, in the method using agglomeration shown in the present invention, since a flatly deposited layer causes agglomeration, it is possible to dispose the microcrystals essentially homogeneously, which causes the occurrence of 'soot'. There is almost no complexation between crystals. Further, since the adhesion between the microcrystal and the substrate is high, the occurrence of 'su' can be drastically reduced in this sense.
図6は、本発明の方法により、図5(b)と同様な構造を形成した例を示すもので、51はシリコン基板、52は微結晶、53はシリコン酸化膜である。図5(b)に見られるような‘す’は発生していない。 FIG. 6 shows an example in which a structure similar to that shown in FIG. 5B is formed by the method of the present invention. 51 is a silicon substrate, 52 is a microcrystal, and 53 is a silicon oxide film. There is no “s” as seen in FIG.
(第3の実施形態)
図7は本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の構成を示す斜視図である。第3の実施形態は、本発明の半導体微結晶の他の応用例を示す。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The third embodiment shows another application example of the semiconductor microcrystal of the present invention.
まず、シリコン結晶基板61上に、予め長さ1μm,幅100nm、厚さ20nmに区画されたシリコン酸化膜層の領域62を用意する(図7(a))。この酸化膜領域62の作成は、基板表面全体を熱酸化した後に、フォトエッチングプロセスでパターニングする従来方法で行うことができる。
First, on the
この加工された基板上に第1の実施形態で示した方法によりシリコン微結晶を形成する。この場合、初期非晶質シリコン層の厚さは2nmとし、基板温度を室温として堆積する。その後基板温度を830℃まで加熱し、直径30nmの微結晶を作成する。この時酸化膜領域62以外の領域(シリコン結晶が露出している領域)では、堆積された非晶質シリコンは加熱により下地結晶と均質な平坦層となる。 Silicon microcrystals are formed on the processed substrate by the method shown in the first embodiment. In this case, the initial amorphous silicon layer is deposited with a thickness of 2 nm and a substrate temperature of room temperature. Thereafter, the substrate temperature is heated to 830 ° C. to form a microcrystal having a diameter of 30 nm. At this time, in a region other than the oxide film region 62 (region where the silicon crystal is exposed), the deposited amorphous silicon becomes a flat layer that is homogeneous with the base crystal by heating.
一方短冊状の酸化膜領域62の上に堆積した非晶質シリコン層は、加熱による塊状化の際に、短冊状領域62の境界付近では、シリコン原子は酸化膜部分の外側のシリコン結晶部に移動する。また境界から離れた内側部分では、短冊状領域62の中央部に集積し微結晶を形成する。
On the other hand, when the amorphous silicon layer deposited on the strip-shaped
その結果、本実施形態のように、塊状化により発生する微結晶の大きさに対して、領域の幅が充分な大きさを持たない場合には、微結晶の位置をその領域中央部に配置することが可能となる。この結果、図7(b)示すように、酸化膜領域62の中央に微結晶が1列に配置された構造が可能となる。
As a result, as in this embodiment, when the width of the region does not have a sufficient size with respect to the size of the microcrystal generated by the agglomeration, the position of the microcrystal is arranged at the center of the region. It becomes possible to do. As a result, as shown in FIG. 7B, a structure in which microcrystals are arranged in a row at the center of the
このように、短冊状酸化膜の上に微結晶を列状に配置する手法は、短冊状の領域の幅(大きさ)や堆積する初期非晶質層の厚さ、塊状化のための加熱温度等の組み合わせにより任意に制御することが可能である。また本実施形態では、塊状化を起こす領域として酸化膜を用いているが、シリコン窒化膜等も利用できることは第1の実施形態と同様である。 As described above, the method of arranging the microcrystals in a row on the strip-shaped oxide film is based on the width (size) of the strip-shaped region, the thickness of the initial amorphous layer to be deposited, and heating for agglomeration. It can be arbitrarily controlled by a combination of temperature and the like. In the present embodiment, an oxide film is used as a region causing agglomeration, but a silicon nitride film or the like can also be used as in the first embodiment.
(第4の実施形態)
次に、シリコン結晶基板上にゲルマニウムの量子閉じ込め構造を作成する実施形態を説明する。図8は、第4の実施形態に係わる量子閉じ込め構造の基本的な作成手順を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, an embodiment in which a germanium quantum confinement structure is formed on a silicon crystal substrate will be described. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the basic procedure for creating the quantum confinement structure according to the fourth embodiment.
まず、面方位(100)のシリコン基板71上に厚さ4原子層(1.23nm)のゲルマニウム薄膜結晶層72を形成する。この例では、UHV−CVD装置を用い、GeH4 ガス分子を500℃の基板表面で熱分解する手法によりゲルマニウム薄膜結晶を作成した(図8(a))。
First, a germanium thin
ゲルマニウム結晶層をシリコン結晶基板の上に形成する場合、ゲルマニウム結晶とシリコン結晶の間に発生する歪の効果により、薄膜層の厚さが厚くなってきたときに、ドットの発生が観察されることが知られている。しかし本実施形態で用いるような温度条件で、厚さ4原子層程度あるいはそれ以下の場合は、平坦性の高い薄膜結晶層が得られる。厚さ8原子層の場合には、初期の平坦性は4原子層以下に比較して悪くなるが、以下に述べる塊状化により得られるドットの大きさは、制御されたものとなる。 When a germanium crystal layer is formed on a silicon crystal substrate, the generation of dots is observed when the thickness of the thin film layer increases due to the effect of strain generated between the germanium crystal and the silicon crystal. It has been known. However, if the thickness is about 4 atomic layers or less under the temperature conditions used in this embodiment, a thin film crystal layer with high flatness can be obtained. In the case of an 8-atomic layer, the initial flatness is worse than that of a 4-atomic layer or less, but the size of the dots obtained by the agglomeration described below is controlled.
ゲルマニウム薄膜結晶層形成後に、引き続き750℃、10分間の加熱を行う。この加熱により平坦であったゲルマニウム薄膜層が、塊状化により微細な結晶73となる。この条件では、直径50nm、高さ12nmの微細結晶が形成される(図8(b))。
After the germanium thin film crystal layer is formed, heating is subsequently performed at 750 ° C. for 10 minutes. The germanium thin film layer that has been flat by this heating becomes a
再び基板温度を600℃に設定し、Si2 H6 を原料としてシリコン結晶層74を厚さ200nm成長させる。この時ゲルマニウムの微結晶には形状の変化は起こらないため、ゲルマニウムの微細結晶部分をシリコン結晶により挟み込むことにより、量子閉じ込め構造が作成できる。
The substrate temperature is set again to 600 ° C., and the
本実施形態についても、当初作成するゲルマニウム薄膜層の厚さと塊状化の為の加熱温度により、微細結晶の大きさを制御することが可能である。ゲルマニウム薄膜層の厚さを2原子層にし、加熱温度を700℃に設定することにより、微細結晶の大きさを直径10nm、高さ2nmとすることができる。様々な条件により微結晶の大きさを図9に示す。図9の2原子層において、温度は650℃以上しか記載されていないが、低温域の余裕度は比較的大きく、600℃であっても650℃と同様なサイズの微結晶を得ることができる。 Also in this embodiment, the size of the fine crystal can be controlled by the thickness of the initially formed germanium thin film layer and the heating temperature for agglomeration. By setting the thickness of the germanium thin film layer to a diatomic layer and setting the heating temperature to 700 ° C., the size of the fine crystal can be 10 nm in diameter and 2 nm in height. The size of the microcrystal is shown in FIG. 9 under various conditions. In the diatomic layer of FIG. 9, the temperature is only described at 650 ° C. or more, but the margin in the low temperature region is relatively large, and even if it is 600 ° C., a microcrystal having the same size as 650 ° C. can be obtained. .
また、低温で平坦に形成したゲルマニウム結晶薄膜層を高温加熱して塊状化させる方法が実施し易いが、予め高温に加熱したシリコン基板上にゲルマニウム原料を供給する方法でも、微結晶を形成することは可能である。例えば750℃に加熱したシリコン基板にゲルマニウム原料を供給して170nm程度の大きさの微結晶を作成することもできる。 In addition, it is easy to carry out a method of heating and agglomerating a germanium crystal thin film layer formed flat at a low temperature, but microcrystals can also be formed by a method of supplying a germanium raw material onto a silicon substrate heated to a high temperature in advance. Is possible. For example, a germanium raw material can be supplied to a silicon substrate heated to 750 ° C. to form a microcrystal having a size of about 170 nm.
上記実施形態ではゲルマニウム微細結晶を挟み込む層は、不純物(ドーパント)を含まないシリコン層としたが、p型およびn型のドーパントを添加した層でゲルマニウム微細結晶層を挟み込むように積層してもよい。このようにしてpn接合を形成することにより、ゲルマニウム量子ドットに電流注入し、発光ダイオードを作成することが可能である。次にこのような例を説明する。 In the above embodiment, the layer sandwiching the germanium fine crystal is a silicon layer that does not contain an impurity (dopant). . By forming a pn junction in this way, it is possible to inject a current into the germanium quantum dots and produce a light emitting diode. Next, such an example will be described.
(第5の実施形態)
図10は、第4の実施形態のゲルマニウムドットの作成方法を用いて作成した発光ダイオードの断面図である。第4の実施形態と同一部分には同一番号を付して重複する説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view of a light-emitting diode produced using the germanium dot production method of the fourth embodiment. The same parts as those in the fourth embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
本実施形態においては、燐をドーパントとするn型基板70上に不純物を含まないシリコン層71を厚さ5nm、UHV−CVD法で作成し、さらに第4の実施形態の方法でゲルマニウム量子ドット73を形成し、その上に再び不純物を含まない厚さ5nmのシリコン層74、そして最上層にボロンをドーパントとするp型シリコン層75を形成して、発光ダイオードを作成している。
In the present embodiment, a
この場合ゲルマニウムの量子ドットは発光中心の役割をしており、その大きさを最大10nm程度とした場合、赤色から赤外の発光が確認できる。 In this case, germanium quantum dots serve as the emission center, and when the size is about 10 nm at the maximum, red to infrared emission can be confirmed.
(第6の実施形態)
図11は、第4の実施形態のゲルマニウムドットの作成方法を用いて作成した発光ダイオードの他の例を示す。
(Sixth embodiment)
FIG. 11 shows another example of a light-emitting diode created using the germanium dot creation method of the fourth embodiment.
n型シリコン基板基板81上に、厚さ5μmのドーパントを含まない第1のシリコン層82を形成し、その上に第4の実施形態の方法でゲルマニウムドット83を形成する。その上に厚さ1μmでドーパントを含まない第2のシリコン層84を形成し、表面からn型不純物をイオン注入してn型領域85を形成し、さらにp型不純物をイオン注入してp型領域86を形成する。これによりpin接合が形成されて発光ダイオードとなる。
On the n-
この方法では、ゲルマニウムドット作成工程以外は通常のシリコン量産プロセスを用いているため、大口径シリコン基板上に大量の発光ダイオードを作成することができる上、素子の集積化、複合化が容易である。 In this method, since a normal silicon mass production process is used except for the germanium dot production process, a large amount of light-emitting diodes can be produced on a large-diameter silicon substrate, and elements can be easily integrated and combined. .
(第7の実施形態)
図12は、第7の実施形態に係る発光ダイオードの作成手順を示す断面図である。本実施形態では、シリコン酸化膜がパターニングされたn型シリコン基板上に選択成長法を用いてゲルマニウム量子ドット領域を作成する例を示す。
(Seventh embodiment)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the procedure for producing the light-emitting diode according to the seventh embodiment. In the present embodiment, an example is shown in which a germanium quantum dot region is formed on a n-type silicon substrate patterned with a silicon oxide film by using a selective growth method.
図12(a)に示すように、n型基板91上に形成された厚さ100nmの熱酸化膜92に、直径10nmの開口部98を設ける。次にこの開口部98内に選択成長法で厚さ10nmのシリコン層93を成長させる。さらにその上に同じく選択成長法により厚さ1.5原子層のゲルマニウム層94を積層する(図12(b))。
As shown in FIG. 12A, an
その後700℃で高温加熱して、ゲルマニウム微細結晶95を形成する(図12(c))。さらに非選択成長法で厚さ10nmのシリコン層96を成長させた後、p型ドーパントを含むシリコン層97を形成し、pinダイオード構造を作成する(図12(d))。
Thereafter, high-temperature heating is performed at 700 ° C. to form a germanium fine crystal 95 (FIG. 12C). Further, after a
このように、シリコン酸化膜に囲まれた領域に発光ダイオード部を形成することにより、屈折率の違いによる光閉じ込め構造を容易に形成できる。しかも従来のシリコンプロセスの応用で構成できるため極めて有利である。また周囲の酸化膜の形状や、他材料との組み合わせにより導波路を形成することも、既存の半導体プロセスにより可能となる。 As described above, by forming the light emitting diode portion in the region surrounded by the silicon oxide film, the light confinement structure due to the difference in refractive index can be easily formed. In addition, it is extremely advantageous because it can be configured by application of a conventional silicon process. It is also possible to form a waveguide by the shape of the surrounding oxide film or a combination with other materials by an existing semiconductor process.
(第8の実施形態)
図13は、第8の実施形態に係る面発光レーザーの断面図である。本実施形態では、第7の実施形態の構造をSOI基板上に形成している。素子分離が容易となる上、基板上下方向にも光閉じ込めが容易にできる。この構造によれば基板表面側からの光取り出しを行うことにより、多数の素子を集積した面発光レーザーが作成可能となる。
(Eighth embodiment)
FIG. 13 is a cross-sectional view of a surface emitting laser according to an eighth embodiment. In the present embodiment, the structure of the seventh embodiment is formed on an SOI substrate. In addition to element isolation, light confinement can be easily performed in the vertical direction of the substrate. According to this structure, a surface emitting laser in which a large number of elements are integrated can be produced by extracting light from the substrate surface side.
シリコン基板101上に厚さ500nmのシリコン酸化膜102を挟んで厚さ150nmのp型シリコン層(SOI層)103を有するSOI基板を用意する。この基板の表面に厚さ200nmの熱酸化膜104を形成する。この時SOI層103の厚さは50nm残る。
An SOI substrate having a p-type silicon layer (SOI layer) 103 with a thickness of 150 nm is prepared on a
続いて表面の熱酸化膜に1μm×250μmの開口部を設け、下地のSOI層103を露出させる。その結果露出したシリコン層上のみにシリコン層が成長できる。
Subsequently, an opening of 1 μm × 250 μm is provided in the thermal oxide film on the surface to expose the
この基板上に薄膜シリコン層を選択成長法を用いて100nm成長させる。この場合下側の50nmには不純物としてボロンを添加してp型層105とし、上側50nmは不純物を含まないシリコン層106とする。
A thin silicon layer is grown on the substrate to a thickness of 100 nm using a selective growth method. In this case, boron is added as an impurity to the lower 50 nm to form the p-
この上にさらに厚さ3原子層のゲルマニウム薄膜を、第4の実施形態で述べた方法により形成した後、高温加熱によりゲルマニウムドット107に変形させる。このときゲルマニウムドットの典型的な大きさは10nmとする。また、本発明の方法ではゲルマンガス分子はシリコン結晶上のみで分解する(選択成長する)ため、酸化膜上にはドットは形成されない。
Further, a germanium thin film having a thickness of 3 atomic layers is formed thereon by the method described in the fourth embodiment, and is then deformed into
この上にさらにシリコン薄膜を400nm成長させる。この時酸化膜上にも薄膜成長が起こる非選択成長のモードで行う。また膜厚400nmの内、下側50nmには不純物を添加しない層108とし、その上の350nmはヒ素を高濃度に含む層109とする。
A silicon thin film is further grown to 400 nm thereon. At this time, it is performed in a non-selective growth mode in which thin film growth also occurs on the oxide film. Further, out of the film thickness of 400 nm, the
このように作成した層はゲルマニウムの量子ドット107を含む層を中心にpin構造となっており、電流注入が可能なダイオードが構成される。ここで強励起をすることによりレーザー発振が可能となる。
The layer thus formed has a pin structure centering on the layer including the
ゲルマニウム量子ドット107を含む層は、予め用意された酸化膜層104に取り囲まれているため、光閉じ込めも可能である。また光の取り出し方向の酸化膜に関しては、予め作成された酸化膜104の対応部分を一旦削り取り、シリコン層103を露出させた後、再び熱酸化させることも有効である。
Since the layer including the
一般に化合物半導体レーザーではキャビティーの形成にへき開端面を利用しているが、本実施形態の構成ではシリコン結晶と整合性の良い熱酸化膜を利用できるため、微細な量産プロセスに整合性の悪いへき開工程を組み合わせる必要がない。 In general, compound semiconductor lasers use a cleaved end face to form cavities, but the configuration of this embodiment can use a thermal oxide film that is well-matched with silicon crystals, so that it is not compatible with fine mass-production processes. There is no need to combine processes.
(第9の実施形態)
次に、トンネル酸化膜を介して積み重ねられた2つのシリコン微粒子を有する半導体装置について説明する。図14は、その作成手順を示した半導体装置の断面図である。
(Ninth embodiment)
Next, a semiconductor device having two silicon fine particles stacked via a tunnel oxide film will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view of the semiconductor device showing the production procedure.
半導体基板110の上に形成された厚さ7nmの第1の酸化膜111の上に、厚さ5nmの多結晶シリコン層112を形成する。ただしこの層は必ずしも多結晶であることを要しない。薄膜結晶シリコン層を有するSOI基板を用いても、その後のプロセスは同じであり、同様な効果を奏する。
A
続いて、この多結晶シリコン層の表面に酸化膜113を形成する(図14(a))。この酸化膜形成は通常の熱酸化法でよく、表面に1.5nmの酸化膜を形成する。これにより多結晶シリコン層112の厚さは4.8nm程度となる。酸化膜113はCVD法による堆積酸化膜でも構わない。
Subsequently, an
続いてこの酸化膜113上に厚さ1nmの非晶質シリコン層114を形成する(図14(b))。この非晶質シリコンの形成は、500℃以下の低温で行うのが望ましい。すなわち、基板側酸化膜113(トンネル酸化膜)と上側シリコン層114の間の層変化の急峻性が要求される。 Subsequently, an amorphous silicon layer 114 having a thickness of 1 nm is formed on the oxide film 113 (FIG. 14B). The amorphous silicon is preferably formed at a low temperature of 500 ° C. or lower. That is, the steepness of the layer change between the substrate side oxide film 113 (tunnel oxide film) and the upper silicon layer 114 is required.
非晶質シリコン層114形成後に、加工された基板を800℃程度に加熱する。この加熱により最上面の非晶質シリコン層114は塊状化して粒径10nm程度の微細な結晶115となる(図14(c))。具体的には、初期の非晶質シリコン層を1nmとして、800℃で3分の加熱を加えることにより、直径10nmの半球状シリコン微粒子を形成することが可能である。
After the amorphous silicon layer 114 is formed, the processed substrate is heated to about 800 ° C. By this heating, the uppermost amorphous silicon layer 114 is agglomerated to become
多結晶シリコン層112の形成あるいは最下層酸化膜111形成から後の工程は、大気に曝さずに、同じ処理室で連続的に進めることが望ましい。大気に曝すと多結晶シリコン層112表面に自然酸化膜が形成され、酸化膜113において設計通りの膜厚が得られないことがある為である。さらに、非晶質シリコン層114を加熱して塊状化する際に、非晶質シリコン層114の表面が酸化されていないことが必要とされるからである。さらに前述のように、基板側酸化膜113と上側シリコン層114の間の層変化の急峻性が重要なファクターとなる。
It is desirable that the steps after the formation of the
続いて基板を成膜装置より取り出し、形成されたシリコン微粒子115をマスクにしてエッチングを行う。エッチングはドライエッチングでもウェットエッチングでも構わない。まず、大気取り出しにより生じた自然酸化膜及び多結晶シリコン層112上部の酸化膜層を除去した後、多結晶シリコン層112をエッチングにより削る。
Subsequently, the substrate is taken out from the film forming apparatus, and etching is performed using the formed silicon
このときマスクとなるシリコン微結晶115も同時にエッチングされるが、エッチング量を制御することにより、塊状化により得たシリコン微粒子115およびその下部の多結晶シリコンを残し、その他の領域の多結晶シリコン層112を除去することが可能である。本実施形態において、塊状化直後に直径10nmであったシリコン微粒子をマスクに使い多結晶シリコン層をエッチングすることにより、シリコン微結晶の直径が3nmになり、その下部の多結晶層のみを残すことが可能であった。
At this time, the
また多結晶シリコン層をエッチングする際に、酸化膜に対して選択性のあるエッチング法を用いることにより、多結晶シリコン層の下の酸化膜でエッチングを停止することも可能となる。ただしこの場合、表面の酸化膜の除去と多結晶シリコン層の除去に異なるエッチングを交互に繰り返す必要がある。 In addition, when the polycrystalline silicon layer is etched, the etching can be stopped at the oxide film under the polycrystalline silicon layer by using an etching method that is selective to the oxide film. However, in this case, different etchings must be alternately repeated for removing the oxide film on the surface and removing the polycrystalline silicon layer.
上記の方法により、酸化膜の上にシリコン微粒子を2重に積み重ねた微粒子構造116が作成できる(図14(d))。このようにして作成した2重微粒子116を利用して、図15に示すような記憶素子の構成が可能である。
By the above method, a
2重微粒子116含む基板上に、CVD法により酸化膜117を厚さ25nmで堆積し、2重微粒子116を埋め込む。酸化膜117を堆積後に、多結晶シリコン層118を形成し、ゲート電極に加工し、さらにソースおよびドレイン領域(不純物添加領域)119を形成することにより2重微粒子を含むナノクリスタルメモリーが完成する。この2重微粒子を浮遊ゲートとして使用すれば、より微細な制御が可能なメモリが実現される。
An oxide film 117 is deposited to a thickness of 25 nm by a CVD method on the substrate including the double
ここで、図15に示すナノクリスタルメモリの動作に関し説明する。まず基板110、ゲート電極118間にゲート電極側が正電位となるような強い電場を印加する。このときゲート酸化膜にトンネル電流が流れ、二重微粒子116の下部に電子が蓄積される。ひとたび二重微粒子中に蓄積された電子は、酸化膜のバリア内に閉じ込められるために、基板−ゲート電極間の電場を弱めても放出され難く保持される。二重微粒子の下部に電子が蓄積された状態でソース−ドレイン間に電圧を加え電流を流すと、微粒子下部の電子により生ずる電場のために、ソース−ドレイン間の電流が制御される。
Here, the operation of the nanocrystal memory shown in FIG. 15 will be described. First, a strong electric field is applied between the
次に、ゲート電極−基板間にゲート電極側を正電位とする弱い電場を加えると、二重微粒子下部にあった電子は二重微粒子上部に移動する。この場合も二重微粒子の上部と下部はトンネル酸化膜で分離されているために、ゲート電極−基板間の電場を戻しても、電子は二重微粒子上部に止まる。この状態では二重微粒子下部に電子が蓄積されていた場合と比べ、チャネルに与える電場は弱められる。従ってソース−ドレイン間に電圧を印加し電流を流そうとした場合流れやすくなる。 Next, when a weak electric field having a positive potential on the gate electrode side is applied between the gate electrode and the substrate, the electrons existing under the double fine particles move to the top of the double fine particles. Also in this case, since the upper part and the lower part of the double fine particles are separated by the tunnel oxide film, even if the electric field between the gate electrode and the substrate is returned, the electrons stop at the upper part of the double fine particles. In this state, the electric field applied to the channel is weakened as compared with the case where electrons are accumulated under the double fine particles. Therefore, it becomes easy to flow when applying a voltage between the source and the drain to flow a current.
すなわち、二重微粒子の上部あるいは下部への電子の移動により、ソース−ドレイン間の電流の流れ易さが変化する。このことはMOSFETのしきい値電圧の変化として検出することが可能である。二重微粒子の上下間の電子の移動はゲート電極に加える電圧の正負により制御が可能である。 That is, the ease of current flow between the source and the drain changes due to the movement of electrons to the upper or lower part of the double fine particles. This can be detected as a change in the threshold voltage of the MOSFET. The movement of electrons between the upper and lower sides of the double fine particles can be controlled by positive / negative of the voltage applied to the gate electrode.
従来のナノクリスタルメモリでは、チャンネルからゲート酸化膜を介して微粒子に導入された電子を、微粒子中に保持することにより、記憶保持動作を行っているために、微粒子中への電子の導入の容易さ(即ち記憶書込みの容易さ、速さ)と微粒子への電子の保持の安定性(即ち記憶の保持時間)は相反する事象であった。 In the conventional nanocrystal memory, the electrons introduced from the channel through the gate oxide film to the fine particles are held in the fine particles, so that the memory retention operation is performed, so that the electrons can be easily introduced into the fine particles. There were conflicting events (ie, ease of writing and speed of storage) and stability of retention of electrons in the microparticles (ie, retention time of memory).
一方本発明においては、二重微粒子とチャネル間のゲート酸化膜は7nmと比較的厚く設定するため、ひとたび二重微粒子に閉じ込められた電子は、安定的に保持できる。さらに記憶のON/OFFは二重微粒子内の薄いトンネル酸化膜間の電子の移動で行うため、より高速動作が可能となる。 On the other hand, in the present invention, since the gate oxide film between the double fine particles and the channel is set to be relatively thick as 7 nm, electrons once confined in the double fine particles can be stably held. Further, since ON / OFF of the memory is performed by movement of electrons between thin tunnel oxide films in the double fine particles, higher speed operation is possible.
(第10の実施形態)
図16は、本発明の第10の実施形態に係る3重微粒子構造を作成する手順を示す断面図で、図17が本実施形態の完成品の断面図である。
(Tenth embodiment)
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a procedure for creating a triple fine particle structure according to the tenth embodiment of the present invention, and FIG. 17 is a cross-sectional view of a finished product of this embodiment.
半導体基板120上に形成された第1の酸化膜121の上に、厚さ5nmの第1の多結晶シリコン層122、さらに厚さ3nmの第2の酸化膜層123、さらにその上に再び厚さ5nmの第2の多結晶シリコン層124を積層し、最上層には厚さ3nmの第3の酸化膜層125を形成する(図16(a))。
On the
次に、第3の酸化膜層125の上に厚さ1nmの非晶質ゲルマニウム層126を堆積する(図16(b))。この後のプロセスは先の第9の実施形態とほぼ同じである。非晶質ゲルマニウム層126の表面を大気に曝さない条件で加熱処理を加え、塊状化現象によりゲルマニウムの微粒子127を形成する(図16(c))。ここで、ゲルマニウム微粒子の大きさは直径10nmである。
Next, an
さらにこのゲルマニウム微粒子127をマスクに、下層の酸化膜125、123および多結晶シリコン層124、122をエッチングする(図17)。ゲルマニウム微粒子をマスクとして下層の多結晶シリコン層をエッチングする場合は、エッチング時の選択比が高くとれるので、下層シリコン層が複数ある場合でもエッチングすることが可能となる。この方法により、図17示すように薄い酸化膜で区分された3重の微粒子を積層した3重微粒子構造128の作成が可能となる。
Further, using the germanium
図18は、2重微粒子構造の応用例を示す。薄い酸化膜で分離された2重微粒子116を複数個基板110上に1列に配列し、各々の2重微粒子には片側の微粒子にのみ電荷を注入する。このとき電荷同士の反発力により、ライン上で隣接する2重微粒子の同じ側(上側若しくは下側)の微粒子には安定して電荷を保持することができず、互に異なる側の微粒子に電荷が蓄積される。従って複数の2重微粒子を整列させると、上側と下側の微粒子に交互に電荷が蓄積される(図18(a))。
FIG. 18 shows an application example of a double fine particle structure. A plurality of double
この場合、ラインの1端の2重微粒子の電荷の位置を逆転させると隣接する2重微粒子の電荷位置も反転する。この反転現象は、次々とライン上で隣接する2重微粒子に伝播していく(図18(b))。従ってライン上で1端に位置する2重微粒子の電荷の位置をある周期(周波数)で反転させると、その周期信号を次々と伝播させることが可能となり、あたかも電気配線の如く振る舞うことができる。 In this case, when the position of the charge of the double fine particle at one end of the line is reversed, the charge position of the adjacent double fine particle is also reversed. This inversion phenomenon propagates to the adjacent double fine particles on the line one after another (FIG. 18B). Therefore, if the position of the electric charge of the double fine particles located at one end on the line is inverted at a certain period (frequency), the periodic signal can be propagated one after another, and it can behave as if it is an electrical wiring.
次に、本発明の微細構造を応用した、微細なゲート電極構造を有する半導体素子に関する実施の形態を説明する。 Next, an embodiment relating to a semiconductor element having a fine gate electrode structure to which the fine structure of the present invention is applied will be described.
(第11の実施形態)
図19、図20は本発明の第11の実施形態に係るMOS型半導体装置のゲート電極の形成方法を説明するための模式的な平面図である。この半導体装置の製造方法を以下に説明する。
(Eleventh embodiment)
19 and 20 are schematic plan views for explaining the method for forming the gate electrode of the MOS type semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention. A method for manufacturing this semiconductor device will be described below.
まず、図19(a)に示すように、シリコン基板上に能動素子が形成される素子領域131を取り囲むように、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)により素子分離領域132を形成する。
First, as shown in FIG. 19A, an
次に図19(b)に示すように、素子領域131のゲートが形成される部分に、ゲート絶縁膜(不図示)を形成後、電子ビームを20〜30nm間隔で連続的に打ち込む。このとき電子ビームはゲート幅方向のLOCOS領域を含んで直線的に打ち込む。この電子ビームの打ち込みにより、ゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)の結晶構造が破壊されてダメージ箇所133が形成される。
Next, as shown in FIG. 19B, after forming a gate insulating film (not shown) in a portion where the gate of the
次に、この基板を超高真空(UHV)CVD装置に導入し、基板を加熱せずに非晶質シリコンの微細ドット134を形成する(図19(b))。図21(a),(b)は、夫々ゲート部分のダメージ箇所133の部分と、この上に形成されたシリコン微細ドットの形状を説明するための拡大斜視図である。
Next, the substrate is introduced into an ultra high vacuum (UHV) CVD apparatus, and amorphous silicon
この場合非晶質シリコンを作製するための原料はSi2 H6 ガスを用いており、この原料ガスをCVD装置内の基板表面を見込む位置に設置された補助ヒーターで熱分解した後に、これを基板に供給することにより、基板表面に膜厚5nmの非晶質シリコンの薄膜を形成する。この方法により作成した5nmの非晶質シリコン薄膜は極めて均一である。 In this case, Si 2 H 6 gas is used as a raw material for producing amorphous silicon, and this raw material gas is thermally decomposed by an auxiliary heater installed at a position where the substrate surface in the CVD apparatus is viewed, and then this is used. By supplying to the substrate, an amorphous silicon thin film having a thickness of 5 nm is formed on the substrate surface. The 5 nm amorphous silicon thin film prepared by this method is extremely uniform.
続いて850℃で加熱すると、非晶質シリコンの表面マイグレーションはシリコン酸化膜のそれよりも小さいので、非晶質シリコンは凝縮して高さ25nm、直径50nm程度のドット状になり、かつ互いに電気的に接続されて帯状のゲート電極になる。この方法によれば原料分解が起こらない温度においても、シリコン微細ドットを形成することが可能である。 Subsequently, when heated at 850 ° C., the surface migration of the amorphous silicon is smaller than that of the silicon oxide film, so the amorphous silicon is condensed into dots having a height of about 25 nm and a diameter of about 50 nm and are electrically connected to each other. Are connected to form a strip-like gate electrode. According to this method, it is possible to form silicon fine dots even at a temperature at which raw material decomposition does not occur.
このように形成されたシリコン微細ドットの帯の端に、通常の光によるリソグラフィで作成されたゲート電極用のパッド135を形成することにより、ゲート長50nmのゲート電極が作成される。このゲート電極を作成した構造に不純物イオンを打ち込むことにより電子濃度を上げ、ゲート電極の両側にソース領域136とドレイン領域137を形成する。ソース領域136とドレイン領域137の夫々の端部には、ソース電極136a、ドレイン電極137aを形成する。この構造の上に層間絶縁膜を介して上層配線を形成することにより、MOS型半導体素子が完成する。
By forming a
本発明は、SOIを用いたMOSFETを始めとして、LSI回路に用いられるすべての素子について微細電極を作成する工程に適用できる。 The present invention can be applied to a process of creating fine electrodes for all elements used in an LSI circuit, including MOSFETs using SOI.
(第12の実施形態)
図22〜図25は、本発明の第12の実施形態に係わる単一電子素子の製造方法を段階的に説明するための図である。各図の(a)は平面図、(b)は対応する平面図のA−A’線若しくはB−B’線に沿った断面図である。
(Second Embodiment)
22 to 25 are views for stepwise explaining a method for manufacturing a single electronic device according to the second embodiment of the present invention. (A) of each figure is a top view, (b) is sectional drawing along the AA 'line or BB' line of a corresponding top view.
まず、図22に示すように、半導体基板140上にLOCOS142により囲まれた素子領域141を形成した後、さらに全体を酸化するか、あるいはCVDにより膜厚100nm程度のSiO2 酸化膜143を素子領域141上に形成する。
First, as shown in FIG. 22, an
次に図23に示すように、単一電子素子のアイランド部分を形成する領域144を囲む4点に電子ビーム等を照射して、酸化膜13の結晶構造を点として破壊し、ダメージ箇所145を形成する。続いてこの基板を高真空(UHV)CVD装置に導入し、基板を加熱せずに非晶質シリコン微細ドット146を形成する。
Next, as shown in FIG. 23, four points surrounding the
この場合非晶質シリコンを作製するための原料はSi2 H6 ガスを用いており、この原料ガスをCVD装置内の基板表面を見込む位置に設置された補助ヒーターで熱分解した後に、これを基板に供給することにより、300℃以下の低温で基板表面に膜厚5nm以下の非晶質シリコンの薄膜を形成する。 In this case, Si 2 H 6 gas is used as a raw material for producing amorphous silicon, and this raw material gas is thermally decomposed by an auxiliary heater installed at a position where the substrate surface in the CVD apparatus is viewed, and then this is used. By supplying to the substrate, an amorphous silicon thin film having a film thickness of 5 nm or less is formed on the substrate surface at a low temperature of 300 ° C. or less.
本実施形態では、シリコン薄膜堆積時の基板温度は室温としているが、酸化膜基板中の酸素と堆積するシリコンとが反応を起こさない範囲において、基板温度を上昇させることは問題ない。この場合、基板温度は500℃以下であれば原料シリコンと基板表面の酸素との反応は低く抑えられる。しかしシリコン原料が分子原料分解用のヒーターのように高温ソースから供給される場合は、基板温度は300℃以下が望ましい。 In this embodiment, the substrate temperature at the time of depositing the silicon thin film is set to room temperature, but there is no problem in raising the substrate temperature as long as oxygen in the oxide film substrate does not react with the deposited silicon. In this case, if the substrate temperature is 500 ° C. or less, the reaction between the raw silicon and oxygen on the substrate surface can be kept low. However, when the silicon raw material is supplied from a high temperature source like a heater for molecular raw material decomposition, the substrate temperature is desirably 300 ° C. or lower.
続いて730〜850℃で加熱すると、非晶質シリコンの表面マイグレーションは酸化膜のそれよりも小さいので、非晶質シリコンは凝縮して直径50nm以下のサイズのドット状になり、かつ互いに独立した微細結晶を形成する。 Subsequently, when heated at 730 to 850 ° C., the surface migration of the amorphous silicon is smaller than that of the oxide film, so the amorphous silicon is condensed into dots having a diameter of 50 nm or less and independent of each other. Form fine crystals.
この微細ドットの形成は非晶質に限られるものではなく、シリコンに限らず他のIV族元素を用いてもよい。また、形成方法もUHV−CVD装置に限らず、例えば固体シリコン原料を電子線で加熱し基板に供給する分子線結晶成長(MBE)法やプラズマ放電により気体原料分子を分解して基板に供給するプラズマCVDでもかまわない。 The formation of the fine dots is not limited to amorphous, and other group IV elements may be used instead of silicon. Also, the formation method is not limited to the UHV-CVD apparatus. For example, the molecular source crystal growth (MBE) method in which a solid silicon source is heated by an electron beam and supplied to the substrate, or the gas source molecules are decomposed and supplied to the substrate by plasma discharge. Plasma CVD may be used.
なお、電子ビームによるダメージ箇所は4点に限らず、アイランドを囲む形ならば何点でもよい。但し、ダメージ箇所の間隔は、後に形成される微細ドットの径よりも若干大きい程度、例えばこの例では100乃至200nmに設定する。 Note that the number of damage points due to the electron beam is not limited to four, and any number may be used as long as it surrounds the island. However, the distance between the damaged portions is set to be slightly larger than the diameter of the fine dots to be formed later, for example, 100 to 200 nm in this example.
次に、図24に示すように、弗酸を用いて素子領域141上に形成されたSiO2 膜143をエッチング除去する。この際、上記のシリコン微細ドット146の部分がマスクとなり、シリコン微細ドット146の下にSiO2 層143が残される。
Next, as shown in FIG. 24, the SiO 2 film 143 formed on the
次に、図25に示すように素子全体にゲート酸化を行い、5nm程度のゲート酸化膜147を形成する。続いてアイランド144を含む部分の上にポリシリコン等のゲート電極148を形成する。ここでの電極材料はポリシリコンに限らず、アルミニウム等の金属でもかまわない。
Next, as shown in FIG. 25, gate oxidation is performed on the entire device to form a
次に、ソースとドレイン領域に不純物のイオン注入を行うことにより、ソースとドレイン領域の電子濃度を高める。この構造の上に層間絶縁膜を介して上層配線を形成することにより、単一電子素子が完成する。 Next, impurity ions are implanted into the source and drain regions to increase the electron concentration in the source and drain regions. A single electronic device is completed by forming an upper layer wiring via an interlayer insulating film on this structure.
本実施例においては、シリコン微細ドットの数を4個としたが、前述のようにアイランドを囲むように多数のシリコンドットを設けても良い。図26はダメージ箇所を6箇所とし、電子が蓄えられるアイランドの数を、参照番号151および152で示すように、ソース・ドレイン方向に直列の2つにした例である。この2つのアイランドを夫々制御するゲート電極153、154を設けることにより、2つのアイランドに蓄えられる電子の数に応じて多値の論理制御が可能になる。
In this embodiment, the number of silicon fine dots is four, but a large number of silicon dots may be provided so as to surround the island as described above. FIG. 26 shows an example in which the number of damaged portions is six and the number of islands in which electrons are stored is two in series in the source / drain direction as indicated by
また、図27の参照番号161および162で示すように、アイランドの数をソース・ドレイン方向に並列の2つとすることもできる。この場合はアイランドに蓄えられる電子の数が合計2個となるため、電流容量を増やすことができる。
Further, as indicated by
本発明の単一電子素子においては、電荷が蓄積するアイランド部分を形成するために、アイランドを囲む領域に電子ビーム等でダメージを与え、このダメージを中心にUHV−CVD装置内で形成されるシリコン微細ドットをマスクに弗酸等によりSiO2 膜をエッチングした後、ゲート酸化およびポリシリコン等電極層を形成するという方法をとる。 In the single electronic device of the present invention, in order to form an island portion where charges are accumulated, a region surrounding the island is damaged by an electron beam or the like, and silicon formed in the UHV-CVD apparatus centering on this damage After etching the SiO 2 film with hydrofluoric acid or the like using the fine dots as a mask, gate oxidation and a method of forming an electrode layer such as polysilicon are employed.
従って、マスクの精度としては最初のダメージの点の間隔の精度が要求されるだけである。シリコンドットに囲まれた領域に反転層(図25(b)における149)として形成される電荷蓄積アイランドの大きさは、成長したシリコンドットの大きさを合わせて決定される。このため、従来の加工技術を用いても限界加工以下のサイズを持つアイランドの形成が可能となる。 Therefore, the accuracy of the mask only requires the accuracy of the interval between the first damage points. The size of the charge storage island formed as an inversion layer (149 in FIG. 25B) in the region surrounded by the silicon dots is determined in accordance with the size of the grown silicon dots. For this reason, it is possible to form an island having a size equal to or smaller than the limit processing even by using a conventional processing technique.
本実施形態では、シリコン微細ドットの径を50nm程度としているため、平面的なゲート電極長は100nm程度となるが、シリコン微細ドットの径を25nmとすれば、ゲート長を50nm程度とすることも可能である。 In this embodiment, since the diameter of the silicon fine dot is about 50 nm, the planar gate electrode length is about 100 nm. However, if the diameter of the silicon fine dot is 25 nm, the gate length may be about 50 nm. Is possible.
10 … シリコン基板
11 … シリコン酸化膜
12 … 非晶質シリコン層
13 … シリコン微結晶
20 … シリコン基板
21 … シリコン酸化膜
22 … シリコン微結晶
23 … シリコン酸化膜
24 … 多結晶シリコン膜
25 … ゲート側壁絶縁膜
26、27 … ソース・ドレイン領域
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記半導体基板上に形成された第1の絶縁層と、
前記第1の絶縁層上に形成された少なくとも1つの二重半導体微結晶と、
前記少なくとも1つの二重半導体微結晶を埋め込むように、前記第1の絶縁層の上に形成された第3の絶縁層と、
前記第3の絶縁層上に形成され、少なくとも相対する2辺を有する導電層と、
前記導電層の前記相対する2辺に沿った前記半導体基板の表面に、前記導電層を挟むように形成された1対の不純物添加領域と、
を具備し、前記二重半導体微結晶は、
前記第1の絶縁層上に形成された第1の半導体微結晶と、
前記第1の半導体微結晶上に形成された第2の絶縁層と、
前記第2の絶縁層上に形成された第2の半導体微結晶と、
を具備する積層構造を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first insulating layer formed on the semiconductor substrate;
At least one double semiconductor microcrystal formed on the first insulating layer;
A third insulating layer formed on the first insulating layer so as to embed the at least one double semiconductor microcrystal;
A conductive layer formed on the third insulating layer and having at least two opposite sides;
A pair of impurity doped regions formed on the surface of the semiconductor substrate along the two opposite sides of the conductive layer so as to sandwich the conductive layer;
And the double semiconductor microcrystal is
A first semiconductor microcrystal formed on the first insulating layer;
A second insulating layer formed on the first semiconductor microcrystal;
A second semiconductor microcrystal formed on the second insulating layer;
A semiconductor device having a stacked structure comprising:
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