(57)【要約】  半導体素子は、少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有して良い。前記少なくとも1つのMOSFETは、主部、該主部に隣接するチャネル層、及び前記主部と前記チャネル層との間に設けられたドーパントを阻止する超格子を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。
2009535861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有する半導体素子であって、
前記MOSFETは：
主部；
該主部に隣接するチャネル層；及び
前記主部と前記チャネル層との間に存在するドーパントを阻止する超格子；
を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子は複数の層からなる複数の積層群を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有する、
半導体素子。
【請求項２】
前記主部が内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記主部が約1×1018cm-3より大きなドーパント濃度を有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記チャネル層が実質的にドーピングされていない、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記チャネル層が約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる少なくとも1つの群が実質的にドーピングされていない、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記基本半導体部分がシリコンを有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記少なくとも1層の非半導体分子層が酸素を有する、請求項7に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記少なくとも1層の非半導体分子層が、基本的に酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記チャネル層の上に存在するゲートをさらに有する、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記チャネル層の横側に隣接するソース及びドレイン領域をさらに有する、請求項10に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記ゲートが、前記半導体チャネル層に隣接するゲート絶縁層、及び該ゲート絶縁層に隣接するゲート電極層を有する、請求項10に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記少なくとも1の非半導体分子層が単分子層の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１４】
各基本半導体部分が、8分子層の厚さ未満である、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記基本半導体部分の全てが、同一分子層数の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記基本半導体部分の一部が、異なる分子層数の厚さである、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記超格子の複数の層からなる隣接群内の対向している基本半導体分子層が共に化学結合している、請求項1に記載の半導体素子。
【請求項１８】
少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を形成する工程を有する半導体素子の製造方法であって、
前記MOSFETは：
主部を形成する工程；
前記主部に隣接するドーパントを阻止する超格子を形成する工程であって、
前記ドーパントを阻止する超格子は複数の層からなる複数の積層群を有し、
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有する、工程；及び
前記ドーパントを阻止する超格子に隣接して前記主部に対向するチャネル層を形成する工程；
によって形成される、
方法。
【請求項１９】
前記主部が内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記主部が約1×1018cm-3より大きなドーパント濃度を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２１】
前記チャネル層が実質的にドーピングされていない、請求項18に記載の方法。
【請求項２２】
前記チャネル層が約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２３】
前記ドーパントを阻止する超格子の層からなる少なくとも1つの群が実質的にドーピングされていない、請求項18に記載の方法。
【請求項２４】
前記基本半導体部分がシリコンを有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも1層の非半導体分子層が酸素を有する、請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも1層の非半導体分子層が、基本的に酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２７】
前記チャネル層の上に存在するゲートをさらに有する、請求項18に記載の方法。
【請求項２８】
前記チャネル層の横側に隣接するソース及びドレイン領域をさらに有する、請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記ゲートを形成する工程が、前記半導体チャネル層に隣接するゲート絶縁層、及び該ゲート絶縁層に隣接するゲート電極層を形成する工程有する、請求項27に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも1の非半導体分子層が単分子層の厚さである、請求項18に記載の方法。
【請求項３１】
各基本半導体部分が、8分子層の厚さ未満である、請求項18に記載の方法。
【請求項３２】
前記基本半導体部分の全てが、同一分子層数の厚さである、請求項18に記載の方法。
【請求項３３】
前記基本半導体部分の一部が、異なる分子層数の厚さである、請求項18に記載の方法。
【請求項３４】
前記超格子の複数の層からなる隣接群内の対向している基本半導体分子層が共に化学結合している、請求項18に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体分野に関する。より具体的には本発明は、エネルギーバンドエンジニアリングに基づいて改善された特性を有する半導体、及びそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば荷電キャリアの移動度の改善のような、半導体素子の性能を改善する構造及び方法が提案されてきた。たとえば特許文献1は、シリコン、シリコン-ゲルマニウム、及び緩和したシリコンからなる歪み材料層について開示している。それらの材料層は、性能の劣化を引き起こさないように不純物を含まない領域をも有する。上部のシリコン層に2軸歪みが発生した結果、キャリア移動度が変化する。それにより、より高速及び/又はより低消費電力の素子が可能となる。特許文献2は、同様の歪みシリコン技術に基づいたCMOSインバータについて開示している。
【０００３】
特許文献3は、シリコン及びシリコン層間に挟まれた炭素層を有することで、第2シリコン層の伝導帯及び価電子帯が引っ張り歪みの影響を受ける、半導体素子について開示している。より小さな有効質量を有し、かつゲート電極に印加される電場によって誘起される電子が第2シリコン層に閉じこめられるので、n-チャネルMOSFETはより高い移動度を有すると考えられる。
【０００４】
特許文献4は、8層未満である複数の層であって、分数比つまり2元の化合物半導体層を含む複数の層が交互にエピタキシャル成長した超格子について開示している。主として電流が流れる方向は、超格子層に対して垂直である。
【０００５】
特許文献5は、超格子中での合金散乱を減少させることで高移動度が実現されるSi-Ge短周期超格子について開示している。この方針に沿って、特許文献6は、シリコンと第2材料の合金を有するチャネル層を有するMOSFETについて開示している。そのMOSFETでは、チャネル層が引っ張り歪みを受けた状態になるような割合の前記第2材料が前記シリコン格子中に置換された状態で存在することによって移動度が改善される。
【０００６】
特許文献7は、2のバリヤ領域及び前記バリヤ層の間に挟まれたエピタキシャル成長した半導体薄膜を有する量子井戸について開示している。各バリヤ領域は、一般に2から6分子層の範囲の厚さを有するSiO2/Siの繰り返し層で構成される。かなり厚いシリコン部分がバリヤ間に挟まれている。
【０００７】
ツー(Tsu)による「シリコンナノ構造素子での現象(“Phenomena  in  silicon  nanostructure  device”)」という題名が付けられた非特許文献1は、シリコン及び酸素からなる半導体-原子超格子(SAS)について開示している。Si/O超格子は、シリコン量子素子及び発光素子として有用であるものとして開示されている。特に、緑色エレクトロルミネッセンスダイオード構造が、構築及びテストされた。ダイオード構造での電流は、垂直、つまりSASの層に対して垂直に流れる。開示されたSASは、たとえば酸素原子及びCO分子のような吸着種によって分離された半導体層を有して良い。吸着した酸素分子層上でのシリコンの成長は、かなりの低欠陥密度でのエピタキシャル成長と言える。一のSAS構造は、約8原子層のシリコンである厚さ1.1nmのシリコン部分を有し、他のSAS構造は、このシリコンの2倍の厚さを有する。ルオ(Luo)他による「直接遷移型発光シリコンの化学的設計(“Chemical  Design  of  Direct-Gap  Light-Emitting  Silicon”)」という題名が付けられた非特許文献2は、ツーが作製した発光SAS構造についてさらに論じている。
【０００８】
特許文献8は、薄いシリコン及び酸素、炭素、窒素、リン、アンチモン、ヒ素又は水素で構成されることで、格子を垂直に流れる電流を4桁よりも減少させるバリヤについて開示している。絶縁層/バリヤ層は、低欠陥のシリコンを、その絶縁層上にエピタキシャル成長させることを可能にする。
【０００９】
特許文献9は、非周期フォトニックバンドギャップ(APBG)構造の原理が、電子バンドギャップエンジニアリングに合致するということを開示している。特にその出願は、たとえばバンド最小値の位置、有効質量等の材料パラメータを調節することで、所望のバンド構造特性を有する新たな非周期材料が得られる、ということを開示している。たとえば伝導率、熱伝導率、誘電率、又は透磁率のような他のパラメータもまた、材料設計を可能にするものとして開示されている。
【００１０】
材料工学では、半導体素子中の荷電キャリアの移動度を増大させるために、かなりの努力がなされてきたにもかかわらず、依然として大きな改善が必要とされている。移動度が向上することで、素子の速度は増大し、かつ/又は素子の電力消費は減少すると考えられる。移動度が大きくなることで、素子の特徴部位を小さくし続けながらも、素子の性能を維持することができる。しかも素子のサイズが減少するにつれて、素子内部での領域が互いに接近し、かつ領域間でのドーパントの拡散が問題になる恐れがある。たとえばMOSFET素子では、主部へ注入された物質からのドーパント等はその素子のチャネルへ拡散し、素子の性能を劣化させる恐れがある。
【特許文献１】米国特許出願公開第2003/0057416号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第2003/0034529号明細書
【特許文献３】米国特許第6472685号明細書
【特許文献４】米国特許第4937204号明細書
【特許文献５】米国特許第5357119号明細書
【特許文献６】米国特許第5683934号明細書
【特許文献７】米国特許第5216262号明細書
【特許文献８】国際公開第2002/103767号パンフレット
【特許文献９】英国特許出願第2347520号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第10/647069号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第10/467069号明細書
【非特許文献１】ツー(Tsu)、Applied  Physics  and  Materials  Science  &  Processing誌、pp.391-402、2000年9月6日オンライン出版
【非特許文献２】ルオ(Luo)他、Physical  Review  Letters誌、第89巻、2002年8月12日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の背景の観点より、本発明の目的は、ドーパント拡散によって生じるチャネルの劣化を緩和するドーパント阻止層を有する半導体素子を供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による上記及び他の目的、特徴、及び利点は、少なくとも1つの金属-酸化物電界効果型トランジスタ(MOSFET)を有する半導体素子によって供される。より詳細には、前記少なくとも1つのMOSFETは、主部、該主部に隣接するチャネル層、及び前記主部と前記チャネル層との間に設けられたドーパントを阻止する超格子を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。
【００１３】
前記超格子の層構造及び束縛された（複数の）前記の非半導体分子層のため、前記超格子は前記主部と前記チャネル層との間の意図しないドーパントの拡散を有利に阻止する。しかも前記ドーパントを阻止する超格子の厚さは比較的薄くて良い。それに加えて、たとえばMOSFETチャネルの一部が前記ドーパントを阻止する超格子内に形成される場合には、前記超格子は、ドーパントを阻止する能力に加えて、特定の用途においても利用可能である改善された移動度特性をも享受する。
【００１４】
それに加えて前記主部は内部に少なくとも1つのドーピングされた領域を有して良い。例として、前記主部は約1×1018cm-3よりも大きなドーパント濃度を有して良い。さらに前記チャネル層は実質的にドーピングされなくて良い、つまりたとえば約1×1015cm-3未満のドーパント濃度を有して良い。前記ドーパントを阻止する超格子の複数の層からなる群のうちの少なくとも1つもまた実質的にドーピングされなくて良い。
【００１５】
たとえば前記基本半導体はシリコンを有して良く、前記少なくとも1層の非半導体分子層は酸素を有して良い。特に前記少なくとも1層の非半導体分子層は、基本的には酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選ばれる非半導体を有して良い。
【００１６】
前記少なくとも1つのMOSFETはさらに、前記チャネル層の上に存在して該チャネル層に隣接するゲート絶縁層を有するゲート、及び前記ゲート絶縁層に隣接して前記チャネル層に対向するゲート電極を有する。それに加えてソース及びドレイン領域は前記チャネル層に横方向で隣接して良い。
【００１７】
前記少なくとも1層の非半導体分子層は単一分子層の厚さであって良い。前記基本半導体部分は8分子層未満の厚さであって良い。たとえば前記基本半導体部分の全てが同じ分子層数の厚さであっても良い。あるいはその代わりに前記基本半導体部分の少なくとも一部が異なる分子層数の厚さであっても良い。また前記超格子の層からなる隣接する群に含まれて対向する基本半導体分子層は共に化学結合していて良い。
【００１８】
本発明の他の態様は半導体素子の作製方法に関する。当該方法は少なくとも1つのMOSFETを作製する工程を有して良い。前記少なくとも1つのMOSFETは、主部を形成する工程、該主部に隣接するドーパントを阻止する超格子を形成する工程、及び前記ドーパントを阻止する超格子に隣接して前記主部に対向するチャネル層を形成する工程によって作製される。より詳細には、前記ドーパントを阻止する超格子は、複数の層からなる複数の積層群を含んで良い。前記ドーパントを阻止する超格子の層が構成する各群は、基本半導体部分を画定する複数の積層された基本半導体分子層、及び隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された少なくとも1層の非半導体分子層を有して良い。
【００１９】
前記超格子の層構造及び束縛された（複数の）前記の非半導体分子層のため、前記超格子は前記主部と前記チャネル層との間の意図しないドーパントの拡散を有利に阻止する。しかも前記ドーパントを阻止する超格子の厚さは比較的薄くて良い。それに加えて、たとえばMOSFETチャネルの一部が前記ドーパントを阻止する超格子内に形成される場合には、前記超格子は、ドーパントを阻止する能力に加えて、特定の用途においても利用可能である改善された移動度特性をも享受する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
ここで本発明について、好適実施例が図示されている添付の図を参照しながら十分に説明する。しかし本発明は、多くの異なる形態での実施が可能であり、本明細書で記載されている実施例に限定されるものと解してはならない。むしろこれらの実施例は、この開示が十分かつ完全となり、そして本発明の技術的範囲を当業者に十分伝えられるように、供されている。本明細書全体を通して、同一参照番号は同一素子を指すものとし、ダッシュ記号は、代替実施例中の同様な素子を指すのに用いられる。
【００２１】
本発明は、原子又は分子レベルで半導体材料の特性を制御することによる、半導体素子の性能の改善に関する。さらに本発明は、半導体素子の伝導経路で用いるために改善された材料を特定、作製、及び利用することに関する。
【００２２】
出願人らは、本明細書に記載された特定の超格子が荷電キャリアの有効質量を減少させ、かつそれによって荷電キャリアの移動度が大きくなる、という仮説を立てる。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。有効質量は、参考文献中にある様々な定義によって記述される。有効質量が改善されたことを示す指標として、出願人らは、“伝導性逆有効質量テンソル(conductivity  reciprocal  effective  mass  tensor)”、Me-1及びMh-1を用いた。電子についての伝導性逆有効質量テンソルMe-1及び正孔についての伝導性逆有効質量テンソルMh-1は、それぞれ以下のように定義される。電子については、
【数１】
2009535861.tif 000003
で与えられ、正孔については、
【数２】
2009535861.tif 000004
で与えられる。ここでfはフェルミ-ディラック分布関数、EFはフェルミエネルギー、Tは温度、E(k,n)は波数ベクトルk及びn番目のエネルギーバンドに対応する状態での電子のエネルギー、指数i及びjはガリレオ座標x,y,及びzを意味し、積分はブリュアンゾーン(B.Z.)全体で取られ、かつ総和は、電子のフェルミエネルギーよりも高いエネルギーを有するバンドについて、及び正孔のフェルミエネルギーよりも低いエネルギーを有するバンドについて、それぞれ取られている。
【００２３】
出願人らによる伝導性逆有効質量テンソルの定義は、その対応する成分が大きくなることで、材料の伝導性についてのテンソル成分が大きくなるようなものである。繰り返しになるが、出願人らは、本明細書に記載されている超格子が、伝導性逆有効質量テンソルの値を、材料の伝導特性-たとえば典型的には荷電キャリア輸送の好適方向-が改善されるように設定する、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。適当なテンソル要素の逆数は、伝導性有効質量と呼ばれる。換言すれば、半導体材料の構造を評価するため、意図したキャリア輸送方向について計算された上述の電子/正孔についての伝導性有効質量が、改善された材料を明確にするのに用いられる。
【００２４】
上述の指標を用いることで、特定目的のために改善されたバンド構造を有する材料を選択することができる。そのような例の1つが、半導体素子中のチャネル領域のための超格子材料25である。ここで最初に図1を参照しながら、本発明による超格子25を有する平面型MOSFET20について説明する。しかし当業者は、本明細書で特定される材料が、たとえば個別素子及び/又は集積素子のような、多くの異なる種類の半導体素子で利用可能であることをすぐに理解するだろう。例として超格子25が誘電界面層として利用可能な他の用途はFINFETである。
【００２５】
図示されたMOSFET20は内部に1つ以上の主部への注入物29を有する基板21を有する。軽ドーピングソース/ドレイン拡張領域22,23、及び重ドーピングソース/ドレイン領域26,27もまた基板21内で注入される。図示されているように、チャネル層24は軽ドーピングソース/ドレイン拡張領域22,23間で延在する。超格子25は、ドーパントがチャネルへ拡散するのを阻止するドーパント阻止層として有利となるように、主部への注入物29とチャネル層24との間に設けられている。
【００２６】
より詳細には1つ以上の主部の注入29は、MOSFET20の電圧閾値(VT)の設定及び/又はパンチスルー効果の緩和に用いられて良い。このことは当業者には明らかである。例としては、係る主部への注入物は約1×1018cm-3よりも大きなドーパント濃度を有して良い。しかし多くの用途では、実質的にドーピングされていないチャネルを有することが望ましい。“実質的にドーピングされていない”とは、ドーパントが意図的に加えられていないことを意味する。とはいえ半導体プロセスによって依然として不純物が存在しうることは、当業者には明らかである。そのようなものとして、実質的にドーピングされていないチャネル層でのドーパント濃度はたとえば、約1×1015cm-3未満であることが好ましく、約5×1014cm-3未満であることがより好ましいと考えられる。
【００２７】
チャネルが直接的に主部への注入物の上に存在する、典型的な従来技術のMOSFET素子では、ドーパントがチャネルへ拡散するのを防ぐことは難しいと考えられる。超格子25は、その構造のため、主部とチャネル層24との間に存在するドーパントの意図しない拡散を有利に阻止する。このことについてはさらに後述する。
【００２８】
ゲート誘電体層37（わかりやすくするため、図1では点刻されて図示されている）は超格子25の上にあり、ゲート電極層36はゲート誘電体層の上であって、かつその超格子の反対側にある。図示されたMOSFET20には、側壁スペーサ40,41が供され、かつシリサイド層30,31が、各対応する低ドープのソース/ドレイン領域22,23上に供されている。またゲート電極層36上にはシリサイド層34が存在する。
【００２９】
出願人らは、MOSFET20の超格子25に用いられる改善された材料又は構造を特定した。より詳細には、出願人らは、電子及び/又は正孔の適切な伝導性有効質量が、シリコンでの対応する値よりも実質的に小さくなるエネルギーバンド構造を有する材料又は構造を特定した。
【００３０】
ここで加えて図2及び図3を参照すると、材料又は構造は、超格子25の形態である。その構造は、原子又は分子レベルで制御され、かつ既知の原子又は分子層堆積法を用いて作製されて良い。図2の概略的断面図を詳細に参照することで最も良く理解できるように、超格子25は、積層した状態で配置されている複数の層からなる群45a-45nを有する。
【００３１】
超格子25の複数の層からなる群45a-45nの各々は、各対応する基本半導体部分46a-46nを画定する、複数の積層された基本半導体分子層46、及びその上にエネルギーバンド修正層50を有する。エネルギーバンド修正層50は、分かりやすくするため、図2では点刻して図示されている。
【００３２】
図示されているように、エネルギーバンド修正層50は、隣接する基本半導体部分の結晶格子内部に束縛された1層の非半導体分子層を有する。つまり層45a-45nからなる隣接する群内で対向する基本半導体分子層46は共に化学結合する。たとえばシリコン分子層46の場合では、分子層の群46aの上側すなわち上部半導体分子層内のシリコン原子の一部は群46bの下側すなわち底部分子層内のシリコン原子の一部と共有結合する。これにより、結晶格子は、（複数の）非半導体分子層（たとえば（複数の）酸素分子層）が存在するにもかかわらず、複数の層からなる群を介して連続することが可能となる。もちろん、隣接する群45a-45nの対向するシリコン層の各々内のシリコン原子は非半導体原子（つまり本例では酸素）と結合するので、隣接する群45a-45nの対向するシリコン層間に完全なすなわち純粋な共有結合は存在しない。このことは当業者には明らかなことである。
【００３３】
他の実施例では、係る分子層は2層以上であることも可能である。例として、エネルギーバンド修正層50内の非半導体分子層の数は、所望のエネルギーバンド修正特性を供するため、約5分子層未満であることが好ましいと考えられる。
【００３４】
本明細書において非半導体又は半導体分子層とは、分子層に用いられる材料がバルクである場合に非半導体又は半導体であることを意味することに留意して欲しい。つまりたとえば半導体の単一分子層の材料は、必ずしもバルク又は比較的厚い層が形成されたときと同一の特性を示さなくても良い。このことは当業者には明らかである。
【００３５】
出願人らは、エネルギーバンド修正層50及び隣接する基本半導体部分46a-46nが、超格子25における平行な層の方向での適切な荷電キャリアの伝導性有効質量を、エネルギーバンド修正層50及び隣接する基本半導体部分46a-46nが存在しない従来技術よりも小さくする、という仮説を立てた。ただし出願人らはその仮説に固執しているわけではない。別の考え方をすると、この平行方向は積層方向に対して垂直である。超格子25がその垂直方向で絶縁体としても有利に機能するように、バンド修正層50はまた、超格子25が共通のエネルギーバンド構造を有するようにして良い。しかも上述したように、この構造もまた、垂直方向に超格子25の上と下に存在する層間でのドーパント及び/若しくは材料の供給又は拡散に対するバリヤを有利に供する。
【００３６】
また、たとえば図示されているMOSFET20のような半導体素子は、従来技術よりも小さな伝導性有効質量に基づいて、より大きな荷電キャリア移動度を享受する、という仮説を立てた。実施例によっては、本発明によって実現されるバンドエンジニアリングの結果として、超格子25は実質的に直接遷移型のバンドギャップをさらに有して良い。以降で詳述するように、直接遷移型のバンドギャップは、たとえば光電子素子にとって特に有利であると考えられる。当然のことだが、超格子25の上述の特性の全てが、どの用途にも利用されなければならないわけではない。たとえば用途によっては、超格子25は、そのドーパント阻止/絶縁特性、又は改善された移動度しか利用されなくても良い。あるいは別な用途では、超格子25は、そのドーパント阻止/絶縁特性とは改善された移動度の両方が利用されて良い。このことは当業者には明らかである。
【００３７】
しかも平行な層方向において荷電キャリアの適切な伝導性有効質量が上述したように小さくなるので、実施例によっては、超格子25はまた、チャネル領域24を供するのに有利に用いられても良い。より詳細には、図示された実施例では、MOSFET20のチャネル層24は超格子25のキャップ層52である。つまり、図示された超格子25は、十分な厚さで作製されることで、チャネルの一部が超格子の層45の（複数の）上側の群内に画定される。たとえば他の実施例では、第2チャネル超格子層がドーパントを阻止する超格子25上に成長して良い。このように超格子を半導体素子のチャネルに利用することについてのさらなる詳細は特許文献10に供されている。
【００３８】
キャップ層52は超格子25の上側の層の群45n上に存在する。キャップ層52は複数の基本半導体分子層46を有して良い。キャップ層52は、2から100層の基本半導体分子層を有して良く、より好適には10から50の分子層を有する。同様に他の厚さが用いられても良い。
【００３９】
各基本半導体部分46a-46nは、IV族半導体、III-V族半導体、及びII-VI族半導体からなる群から選択される基本半導体を有して良い。当然のこととして、IV族半導体という語は、IV-IV族半導体をも含む。これは当業者には明らかなことである。より具体的には、基本半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1つを有して良い。
【００４０】
各エネルギーバンド修正層50は、たとえば酸素、窒素、フッ素、及び炭素-酸素からなる群から選択される非半導体を有して良い。非半導体はまた、次の層を堆積している間も熱的に安定であるので、作製上の助けとなる。他の実施例では、非半導体は、所与の半導体プロセスとの相性が良い別の無機元素若しくは有機元素又は化合物であって良い。これは当業者には明らかなことである。より詳細には、基本半導体は、たとえばシリコン及びゲルマニウムのうちの少なくとも1つを有して良い。
【００４１】
“分子層”という語は、単原子層及び単分子層をも含んだ意味であることに留意すべきである。また単分子層によって供されるエネルギーバンド修正層50は、全ての可能なサイトが占められていない分子層をも含むことを意味していることに留意すべきである。たとえば図4の原子スケールの図を詳細に参照すると、基本半導体材料としてシリコンが、そしてエネルギーバンド修正材料として酸素が用いられている、4/1繰り返し構造が図示されている。酸素についての可能なサイトは、わずか半分しか占められていない。
【００４２】
他の実施例及び/又は各異なる材料では、当業者には明らかなことであるように、このように1/2が占められるというのは、必ずしも問題となるわけではない。特にこの概略図中でさえも、所与の分子層中の個々の酸素原子は平坦面に沿って厳密に位置合わせされていないことが分かる。これは当業者にとっては明らかなことである。例として、好適な占有範囲は、可能な酸素の全サイトの約1/8から1/2である。ただし実施例によっては他の数が用いられても良い。
【００４３】
シリコン及び酸素は、従来の半導体プロセスにおいて、現状で広範に用いられている。従って製造者らは、本明細書に記載されているこれらの材料をすぐに用いることができる。原子又は分子堆積もまた、現在広く用いられている。従って本発明に従った超格子25を含む半導体素子は、すぐに導入され、かつ実施可能である。これは当業者には明らかなことである。
【００４４】
たとえばSi/O超格子のような超格子については、たとえばシリコン分子層数は7層以下であることが望ましく、それにより超格子のエネルギーバンドは全体的に共通又は比較的均一となることで所望の利点が実現される、という仮説を立てた。しかし実施例によっては8層以上の層が用いられて良い。図3及び4に図示されている、Si/Oについての4/1繰り返し構造は、X方向での電子及び正孔の移動度が改善されていることを示すようにモデル化された。たとえば電子についての計算された伝導性有効質量は0.26（バルクシリコンでは等方的である）、X方向における4/1のSiO超格子では電子の有効質量は0.12となるので、比は0.46となる。同様に、正孔について計算すると、バルクシリコンでは0.36の値が得られ、4/1のSi/O超格子では0.16の値が得られる。その結果、比は0.44となる。
【００４５】
そのような方向の選択性という特徴は、特定の半導体素子では望ましいが、他の素子は、複数の層からなる群に対して平行な如何なる方向においても、移動度がより均一に増大することによる利点を享受すると考えられる。電子と正孔の両方の移動度を増大させることが有利なこともあれば、又はこれらの種類の荷電キャリアのうちの1種類だけの移動度を増大させることが有利な場合もある。これは当業者には明らかなことである。
【００４６】
超格子25に係る4/1のSi/O実施例についての小さな伝導性有効質量は、従来技術に係る伝導性有効質量の2/3未満である。このことは、電子と正孔の両方に当てはまる。当然のこととして、超格子25は、その中に含まれる少なくとも1種類の伝導性ドーパントをさらに有して良い。このことは当業者には明らかなことである。たとえば超格子25がチャネルの一部を供する場合には、超格子25の一部をドーピングすることが特に適切であると思われる。他の実施例では、超格子25の複数の層45からなる1つ以上の群を実質的にドーピングされていない状態にすることが好ましいと考えられる。
【００４７】
ここでさらに図4を参照すると、本発明の実施例による様々な特性を有する超格子25’の別な実施例が記載されている。この実施例では、3/1/5/1の繰り返しパターンが図示されている。より詳細には、最底部の基本半導体部分46a’は3分子層を有し、次の最底部の基本半導体部分46b’は5分子層を有する。このパターンは、超格子25’全体にわたって繰り返されている。エネルギーバンド修正層50’はそれぞれ1分子層を有して良い。そのようなSi/Oを有する超格子25’にとっては、荷電キャリア移動度の改善は、層の面内での配向に独立している。具体的な言及のない図4の他の素子は、先に図2を参照して論じたものと同一であるため、ここでさらに論じる必要はない。
【００４８】
素子の実施例の中には、超格子25の基本半導体部分46a-46n全ては、同一の分子層数厚さであって良い。別な素子の実施例では、少なくとも一部の基本半導体部分46a-46nが異なる層数の分子層厚さであって良い。また別な素子の実施例では、超格子25の基本半導体部分46a-46n全てが、異なる層数の分子層厚さであって良い。
【００４９】
図5A-5Cでは、密度汎関数理論(DFT)を用いて計算されたバンド構造が与えられている。DFTがバンドギャップの絶対値を小さく見積もってしまうことは当業者にはよく知られている。従ってギャップより上のすべてのバンドは、適切な“シザーズ補正(scissors  correction)”によってシフトされるだろう。しかしバンドの形状は、かなりの信頼性があることが知られている。縦軸のエネルギーは、この観点を考慮した上で解釈されなければならない。
【００５０】
図5Aは、γ点(G)について計算されたバルクシリコンのバンド構造（連続線で表されている）と図1に図示されている4/1のSi/O超格子25のバンド構造（破線で表されている）を表す。図中に示されている方向は、4/1のSi/O構造のユニットセルを意味しており、Siについて通常用いられるユニットセルを表しているわけではない。とはいえ、図中の(001)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(001)方向に対応するので、予想されるSiの伝導帯の最小値の位置を示す。図中の(100)及び(010)方向は、Siについて従来用いられるユニットセルの(110)方向及び(110)方向に対応する。図に記載されているシリコンのバンドは、4/1のSi/O構造についての適切な逆格子方向でのバンドを表すために折りたたまれていることは、当業者には明らかなことである。
【００５１】
バルクシリコン(Si)とは異なり、4/1のSi/O構造の伝導帯の最小値がγ点に位置する一方で、価電子帯の最大値は、我々がZ点と呼んでいる、(001)方向でのブリュアンゾーン端部に位置しているのが分かる。付加された酸素層によって導入される摂動によってバンドが分裂したため、4/1のSi/O構造の伝導帯最小値の曲率は、Siの伝導帯最小値の曲率よりも大きくなっているのも分かるだろう。
【００５２】
図5Bは、Z点について計算されたバルクシリコンのバンド構造（連続線で表されている）と4/1のSi/O超格子25のバンド構造（破線で表されている）を表す。この図は、(100)方向での価電子帯の曲率が改善されていることを示している。
【００５３】
図5Cは、γ点及びZ点について計算されたバルクシリコンのバンド構造（連続線で表されている）と図4の超格子25’の5/1/3/1のSi/O構造のバンド構造（破線で表されている）を表す。5/1/3/1のSi/O構造が有する対称性のため、(100)方向について計算されたバンド構造と(010)方向について計算されたバンド構造とは等価である。よって伝導性有効質量及び移動度は、層に平行、つまり(001)積層方向に対して垂直な面内で等方的であることが予想される。5/1/3/1のSi/O構造の例では、伝導帯最小値と価電子帯最大値の両方が、Z点又はその付近に位置していることにも留意して欲しい。
【００５４】
たとえ曲率の増大が有効質量の減少を示すとはいえ、伝導性逆有効質量テンソルを介して、適切な比較及び区別を行って良い。これにより、出願人らは、5/1/3/1の超格子25’が実質的に直接遷移型のバンドギャップであるという仮説をさらに立てた。当業者には明らかな通り、光学遷移についての適切な行列要素は、直接遷移型バンドギャップと間接遷移型バンドギャップとの振る舞いを区別する別な指標である。
【００５５】
ここでさらに図6A-6Dを参照すると、MOSFET20の作製方法が説明されている。その方法は、シリコン基板21を供することから開始される。例として、基板は、<100>に配向した低ドープのp型又はn型単結晶シリコンの8インチウエハであって良いが、他の適切な基板が用いられても良い。本発明によると、溝60が基板内に形成され、かつ主部への注入物29が溝内60で行われる。当然のこととして、他の実施例では、溝60が形成される前に主部への注入物が実行されても良いことは明らかである。
【００５６】
続いて超格子25の材料層が溝60内に形成される。より詳細には上述したように、超格子25の材料は、原子層堆積法を用いて溝60内に堆積され、かつエピタキシャル成長したシリコンキャップ層52が上形成されることで、MOSFET20のチャネル層24が供され、かつその表面は平坦化される。
【００５７】
実施例によっては、超格子25の材料は、基板21全体にわたって堆積されるのではなく、所望の領域に選択的に堆積されて良いことに留意して欲しい。このことは当業者には明らかなことである。つまり実施例によっては、超格子は溝60なしで基板21の上側表面上に形成されて良く、かつソース/ドレイン領域22,26と23,27は超格子と横方向で隣接するようにエピタキシャル成長により形成されて良い。しかもどの実施例についても、平坦化が必要というわけではない。
【００５８】
エピタキシャル成長したシリコンキャップ層52は、ゲート酸化膜の成長中又は他の後続の酸化プロセス中にチャネルが消費されるのを防ぐのに好適な厚さを有して良い。ある所与の酸化物を成長させることで約45%の下地のシリコンが消費されるという周知の関係によると、シリコンキャップ層は、当業者に知られているような大きさにされて良い。
【００５９】
一旦超格子25の形成が完了すると、ゲート誘電層37とゲート電極層36が形成される。より詳細には、誘電材料が堆積され、かつ多結晶の堆積、パターニング、及びエッチングが実行されることで、図6Bに図示されたゲート積層体が供される。多結晶シリコンの堆積は、酸化物上へのシリコンの低圧化学気相成長(LPCVD)を意味する（低圧だから多結晶シリコン材料が形成される）。その工程はP+又はAs-をドーピングすることで多結晶シリコンを導電性にする工程を有する。またその層はたとえば約250nmの厚さであって良い。
【００６０】
それに加えて、パターニング工程は、フォトレジスト塗布、ベーキング、露光（つまりフォトリソグラフィ工程）、及びレジスト現像を実行する工程を有して良い。大抵の場合、パターンは、エッチング工程中にマスクとして機能する別な層（酸化物又は窒化物）へ転写される。エッチング工程は典型的に、材料選択性（たとえばシリコンは酸化物の10倍エッチングされる）を有し、かつリソグラフィパターンを関心材料に転写するプラズマエッチング（異方性ドライエッチング）である。
【００６１】
図示された実施例では超格子25のエッチングは必要とされないが、上述したように、ドーパントを阻止する超格子が基板21の上側表面上に形成されるそれらの実施例では、超格子25の材料は既知の半導体処理方法を用いてエッチングされて良い。しかしたとえば酸素のような非半導体が超格子25内に存在しても、その超格子は依然としてシリコン用ではなく酸素用に調製されたエッチャントによって容易にエッチング可能であることに留意して欲しい。当然のこととして、所与の注入を行うのに適切なエッチングは、超格子25及び基板21に用いられる構造及び材料に基づいて変化する。このことは当業者には明らかなことである。
【００６２】
図6Cでは、低ドープのソース/ドレイン拡張領域22,23(“LDD”)が形成される。これらの領域は、n型又はp型のLDD注入、アニーリング、及び洗浄を用いて形成される。アニーリング工程は、LDD注入前後に行われて良い。しかし具体的プロセスに依存して、アニーリング工程は省略されて良い。洗浄工程は、酸化膜の堆積前に、金属及び有機物を除去する化学エッチングである。
【００６３】
図6Dは、側壁スペーサ40,41の形成及びソース/ドレイン領域26,27の注入を図示している。SiO2層は、この目的のために堆積され、かつエッチングされて良い。適切なn型又はp型のイオン注入が、所与の注入に依存したソース/ドレイン領域26,27の形成に用いられる。続いてその構造はアニーリング及び洗浄される。続いて自己整合シリサイドが形成されることで、シリサイド層30,31及び34が形成されて良い。ソース/ドレインコンタクト32,33が形成されることで、図1に図示された最終形の半導体素子20が供される。シリサイドの形成はサリサイド化としても知られている。サリサイド化のプロセスには、金属（たとえばTi）の堆積、窒素アニーリング、金属エッチング、及び第2アニーリングが含まれる。
【００６４】
上記のことは当然のことながら、本発明を利用できるプロセス及び素子の一例に過ぎない。当業者は、他の多くのプロセス及び素子における本発明の応用及び用途を理解する。他のプロセス及び素子では、本発明の構造は、ウエハの一部の上又はウエハのほとんど全領域上に形成されて良い。それに加えて、実施例によっては、超格子25を形成するのに原子層堆積装置を用いる必要がない。たとえば分子層は、分子層制御と相性の良いプロセス条件でCVD装置を用いることによって形成することも可能である。このことは当業者には明らかなことである。本発明に従った半導体素子の作製に関するさらなる詳細は、たとえば特許文献11で見つけることができる。
【００６５】
上記説明及び関連する図に示される教示による利益を有する当業者には、本発明の修正型及び他の実施例が数多く思いつく。従って、本発明は開示された特定の実施例に限定されてはならず、かつ修正型及び変化型は「特許請求の範囲」の請求項の技術的範囲内に含まれることに留意して欲しい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明によるドーパントを阻止する超格子チャネルを有する半導体素子の概略的断面図である。
【図２】図1に図示された超格子をかなり拡大した概略的断面図である。
【図３】図1に図示された超格子の一部の原子スケールでの概略的斜視図である。
【図４】図1の素子で利用可能な超格子の別な実施例をかなり拡大した概略的断面図である。
【図５Ａ】従来技術としてのバルクシリコンについてγ点(G)で計算されたバンド構造のグラフと、図1-3に図示された4/1のSi/O超格子についてγ点(G)で計算されたバンド構造のグラフである。
【図５Ｂ】従来技術としてのバルクシリコンについてZ点で計算されたバンド構造のグラフと、図1-3に図示された4/1のSi/O超格子についてZ点で計算されたバンド構造のグラフである。
【図５Ｃ】従来技術としてのバルクシリコンについてγ点(G)とZ点の両方で計算されたバンド構造のグラフと、図4に図示された5/1/3/1のSi/O超格子についてγ点(G)とZ点の両方で計算されたバンド構造のグラフである。
【図６】A-Dは、図1の半導体素子を作製する方法を図示した一連の概略的断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年11月12日(2008.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【国際調査報告】
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