(57)【要約】【課題】  Ｇｅベース材料上にゲルマニウム酸窒化物層を生成すること。【解決手段】  ゲート誘電体として用いるために、６ｎｍより薄い等価酸化物厚をもつ薄いゲルマニウム酸窒化物層をＧｅベース材料上に生成する方法が開示される。この方法は二ステップのプロセスを含む。第一に、窒素がＧｅベース材料の表面層に組込まれる。第二に、窒素組込みステップ後に酸化ステップが続く。本方法は、ＭＯＳトランジスタなどのＧｅベース電界効果デバイスのための高品質ゲート誘電体の厚さに対する優れた制御をもたらす。薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を有するデバイスの構造及びこのようなデバイスから作られるプロセッサも同様に開示される。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム酸窒化物層をＧｅベース材料の上に生成する方法であって、第一濃度の窒素を前記Ｇｅベース材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅベース材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、前記表面層における前記第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。
【請求項２】
前記生成された酸窒化物層が、約６ｎｍより薄い等価酸化物厚さ（ＥＯＴ）を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記生成された酸窒化物層が、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｇｅベース材料が、本質的にＧｅで構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記窒素含有気体がＮＨ３である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記熱的条件が、１秒ないし３００秒の間に加えられる４５０℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、適用量の窒素を前記第一表面にイオン注入することによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記イオン注入ステップにおいて、前記適用量の窒素が１ｃｍ２当り約１Ｅ１５ないし１ｃｍ２当り２Ｅ１６の間の値になるように選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオン注入ステップにおいて、注入エネルギーが０．５ＫｅＶないし１０ＫｅＶの間になるように選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記イオン注入ステップがスクリーン層を介して実行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を窒素含有プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記窒素含有プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗの間のパワーで、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記組込まれた第一濃度の窒素の積算値が、１ｃｍ２当り約１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏからなる群から選択された化学種、及びこれら化学種の組合せに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱的条件が、約１分ないし３０分の間に加えられる５００℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を有酸素プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記有酸素プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗの間のパワーで、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップの前に、前記第一表面を洗浄するステップをさらに含み、前記洗浄ステップが、少なくとも一回の酸化及び酸化物除去サイクルを適用するステップを含み、前記酸化がＨ２Ｏ２含有溶液を用いて遂行され、前記酸化物除去が、ＨＦ、ＨＣｌ、又はこれらの混合物である剥離剤により遂行される、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一表面が少なくとも二つの位置を有し、前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記少なくとも二つの位置で、異なる第一濃度の組込まれた窒素を生成するように実行されて、該少なくとも二つの位置に生成されたゲルマニウム酸窒化物層が異なるＥＯＴを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
高性能Ｇｅベース電界効果デバイスを製造する方法であって、前記デバイスがゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含み、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の生成が、第一濃度の窒素を前記Ｇｅベース材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅベース材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、前記表面層における前記第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。
【請求項２２】
前記高性能Ｇｅベース電界効果デバイスがＧｅＭＯＳトランジスタである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
Ｇｅベース電界効果デバイスであって、６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、Ｇｅベース電界効果デバイス。
【請求項２５】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２４に記載のＧｅベース電界効果デバイス。
【請求項２６】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が、電荷のトンネリングに対してＳｉＯ２ゲート誘電体より大きな抵抗を有し、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量は、前記ＳｉＯ２ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量と少なくとも同じ程度に大きい、請求項２４に記載のＧｅベース電界効果デバイス。
【請求項２７】
前記デバイスがＧｅＭＯＳトランジスタである、請求項２４に記載のＧｅベース電界効果デバイス。
【請求項２８】
高性能プロセッサであって、少なくとも一つのＧｅベース電界効果デバイスを含んだチップを少なくとも一つ含み、前記デバイスが６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、高性能プロセッサ。
【請求項２９】
前記プロセッサがデジタル・プロセッサである、請求項２８に記載の高性能プロセッサ。
【請求項３０】
前記プロセッサが少なくとも一つのアナログ回路を含む、請求項２８に記載の高性能プロセッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス及びシステムに関する。特に、本発明は、（例えば、薄いゲート誘電体として用いるために、）ゲルマニウム酸窒化物層をＧｅベース材料上に生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の集積回路は膨大な数のデバイスを含む。より小さなデバイスは、性能を高め、信頼性を改善するための鍵である。ＭＯＳ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、一般に、絶縁されたゲート電界効果トランジスタを意味する歴史的暗示をもつ名称）型デバイスが小さくなるにつれて、技術がより複雑になり、デバイスの一世代から次世代への期待される性能の向上を維持するためには、新規な方法が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ゲート誘電体は、ＭＯＳ型電界効果デバイスの縮小化にとって主要な問題の一つである。このことは、通常のシリコン・デバイス、及び、より進歩した（例えば、ＳｉＧｅ、Ｇｅの）デバイスの両方に対して言えることである。
【０００４】
Ｇｅベースのデバイスにおいては、事態はかなり複雑である。「Ｇｅベース」という用語は、典型的には、Ｇｅ濃度が約３０から４０％より高いＳｉＧｅ化合物を指す。Ｇｅベースという用語はまた、本質的に純粋なＧｅ材料を含む。これまで、Ｇｅベース材料に関しては、信頼性のある高品質のゲート誘電体は見出されていない。ゲルマニウム酸化物は低品質で水溶性である。二成分（binary）金属酸化物（例えば、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２）がゲート誘電体として用いられた場合には、〜４０％の電子移動度の低下を示す。ゲルマニウム酸窒化物の品質及び縮小可能性は、これまでＳｉＯ２／Ｓｉ系より劣ると考えられていた。
【０００５】
Ｇｅベースのデバイスは、キャリア移動度が良好であり、特に正孔に対するキャリア移動度が良好であるために、通常のＳｉベースのデバイスに対する高性能の代替物である。これまで調査され報告されたＧｅ基板上の全てのゲート絶縁体の中で、ゲルマニウム酸窒化物が最良の潜在的性能を示している。しかし、Ｇｅの熱的酸化／酸窒化の速度はＳｉのそれより遥かに速い。このことは、薄いゲルマニウム酸窒化物膜を良好なプロセス制御状態で成長させること、及び／又は、約６ｎｍより薄い等価酸化物厚さ（equivalent oxide thickness:ＥＯＴ）をもつように成長させることを困難にする。（典型的なゲート誘電体材料はＳｉＯ２であるので、この材料が比較基準を与えることになる。ゲルマニウム酸窒化物の誘電率［約６から９］はＳｉＯ２のそれとは異なるので、厚さに関する限り、有意な値は、ＳｉＯ２に対比した等価厚さである。この等価は静電容量を指すもので、ゲルマニウム酸窒化物層と同じ単位面積当りの静電容量を有するＳｉＯ２層の厚さを意味する。）
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第一の態様によれば、ゲルマニウム酸窒化物層をＧｅベース材料上に生成する方法が提供され、本方法は、第一濃度の窒素を該Ｇｅベース材料の第一表面の下にある表面層に組込む（incorporate）ステップと、該Ｇｅベース材料の該第一表面を有酸素環境に曝すことにより該酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、該表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する。
【０００７】
生成された酸窒化物層は約６ｎｍより薄い等価酸化物厚さ（ＥＯＴ）を有することが好ましい。
【０００８】
生成された酸窒化物層は０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有することが好ましい。
【０００９】
Ｇｅベース材料は、本質的にＧｅで構成されることが好ましい。
【００１０】
一実施形態においては、第一濃度の窒素を組込むステップが、第一表面を熱的条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行される。
【００１１】
窒素含有気体はＮＨ３であることが好ましい。
【００１２】
熱的条件は、１秒ないし３００秒の間に加えられる４５０℃ないし７００℃の間の温度になるように選択されることが好ましい。
【００１３】
一実施形態においては、第一濃度の窒素を組込むステップが、適用量の窒素（nitrogen dose）を第一表面にイオン注入することによって実行される。
【００１４】
イオン注入される適用量の窒素が１ｃｍ２当り約１Ｅ１５ないし１ｃｍ２当り２Ｅ１６の間の値になるように選択されることが好ましい。
【００１５】
イオン注入ステップにおいて、注入エネルギーが０．５ＫｅＶないし１０ＫｅＶの間になるように選択されることが好ましい。
【００１６】
好ましい実施形態においては、イオン注入ステップがスクリーン層を介して実行される。
【００１７】
一実施形態においては、第一濃度の窒素を組込むステップが、第一表面を窒素含有プラズマに曝すことによって実行される。
【００１８】
窒素含有プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗの間のパワーで、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられることが好ましい。
【００１９】
好ましい実施形態においては、組込まれた第一濃度の窒素の積算値が１ｃｍ２当り約１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間である。
【００２０】
一実施形態においては、有酸素環境に曝すステップが、第一表面を熱的条件下で、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏからなる群から選択された化学種、及びこれら化学種の組合せに曝すことによって実行される。
【００２１】
熱的条件は、１分ないし３０分の間に加えられる５００℃ないし７００℃の間の温度になるように選択されることが好ましい。
【００２２】
一実施形態においては、有酸素環境に曝すステップが、第一表面を有酸素プラズマに曝すことによって実行される。
【００２３】
有酸素プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗの間のパワーで、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられることが好ましい。
【００２４】
好ましい実施形態においては、第一濃度の窒素が組込まれる前に第一表面が洗浄される。本実施形態においては、この洗浄は、少なくとも一回の酸化及び酸化物除去サイクルの適用を含み、該酸化はＨ２Ｏ２含有溶液を用いて遂行され、該酸化物除去は、ＨＦ、ＨＣｌ、又はこれらの混合物である剥離剤によって遂行される。
【００２５】
好ましい実施形態においては、第一表面が少なくとも二つの位置を有し、第一濃度の窒素を組込むステップが、該少なくとも二つの位置において、異なる第一濃度の組み込まれた窒素を生成するように実行されて、該少なくとも二つの位置に生成されたゲルマニウム酸窒化物層は異なるＥＯＴを有する。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、薄いゲルマニウム酸窒化物層を制御された方法で成長させる問題に対する一つの解決法が提供される。この解決法は、二ステップ・プロセスの使用を含む。第一ステップは、第一濃度の窒素をＧｅベース材料の第一表面の下方にある表面層に組込むステップである。この窒素リッチ（nitrogen-rich）領域が、第二の酸化ステップにおいて、ゲルマニウムの酸化／酸窒化速度を制御する拡散／反応障壁として作用することが好ましい。このような制御が、管理可能で再生可能な方法により、極薄（ultrathin）ゲルマニウム酸窒化物を成長させることを可能にすることが好ましい。この薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が、Ｇｅベースの電界効果デバイスの改善された特性及びより高い性能を可能にすることが好ましい。
【００２７】
本発明の方法は、誘電体形成の二つの独立した制御を提供することが好ましい。第一に、初期ステップは、Ｇｅベース材料基板の表面領域／表面下（subsurface）領域への窒素の組込みを生じ、したがって、その拡散障壁「力（power）」及び誘電率を生成するものであることが好ましい。第二に、その後の酸化ステップは、ゲルマニウム酸窒化物膜の最終的な厚さを制御するものであることが好ましい。
【００２８】
好ましい実施形態によれば、６ｎｍより薄い、好ましくは５ｎｍより薄いＥＯＴをもつ良質のゲルマニウム酸窒化物の絶縁体層を、Ｇｅベース材料上に生成する方法が教示される。
【００２９】
好ましい実施形態によれば、良質のゲルマニウム酸窒化物の絶縁体層をゲート誘電体として含むＧｅベースの電界効果デバイスを製造する方法が教示される。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態によれば、Ｇｅベース材料上に、好ましくは６ｎｍより薄いＥＯＴをもち、良質のゲルマニウム酸窒化物ゲート絶縁体層を有するＧｅベースの電界効果デバイスを備えるチップを含むプロセッサが教示される。
【００３１】
別の態様によれば、高性能Ｇｅベース電界効果デバイスの製造方法が提供され、このデバイスはゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含み、このゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の生成は、第一濃度の窒素をＧｅベース材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅベース材料の該第一表面を有酸素環境に曝すことにより該酸窒化物層の成長を誘起するステップとを含み、該表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する。
【００３２】
高性能Ｇｅベース電界効果デバイスはＧｅＭＯＳトランジスタであることが好ましい。
【００３３】
ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体は、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有することが好ましい。
【００３４】
別の態様によれば、６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含むＧｅベース電界効果デバイスが提供される。
【００３５】
ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体は、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有することが好ましい。
【００３６】
好ましい実施形態においては、ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体は、電荷のトンネリング（charge tunneling）に対してＳｉＯ２ゲート誘電体より大きな抵抗をもつ一方で、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量は、ＳｉＯ２ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量と少なくとも同じ程度に大きい。
【００３７】
好ましい実施形態においては、デバイスはＧｅＭＯＳトランジスタである。
【００３８】
別の態様によれば、少なくとも一つのＧｅベース電界効果デバイスを含んだチップを少なくとも一つ含む高性能プロセッサが提供され、該デバイスは６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む。
【００３９】
前記プロセッサはデジタル・プロセッサであることが好ましい。
【００４０】
好ましい実施形態においては、プロセッサは少なくとも一つのアナログ回路を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
ここで、本発明の好ましい実施形態を、単なる一例に過ぎないものとして、以下の図を参照して説明する。
高性能のＧｅベース電界効果デバイスの製造においては、ゲート誘電体の生成に先立つ処理ステップは当技術分野において既知である。これらのステップ、例えば、デバイス分離（device isolation）、ドーパント・ウエル（dopant well）の形成などのステップは、好ましい実施形態のステップを開始する前に完了していると仮定する。しかし、薄いゲルマニウム酸窒化物層を生成する、開示される方法のステップを行う前に、一般にはウェハであり、ゲート誘電体の受け部（recipient）になるＧｅベース材料の第一表面と呼ばれる表面が、適切に洗浄されていなければならない。代表的な実施形態においては、その洗浄ステップは、酸化及びゲルマニウム酸化物除去の少なくとも一サイクルのステップを含み得るが、これらに限られるものではない。酸化は、Ｈ２Ｏ２溶液中で実行され、酸化物除去はＨＦ、又はＨＣｌ、又はこれらの混合物によって遂行されることが好ましい。洗浄ステップの後、デバイスのホスト（host）であるＧｅベース材料の第一表面は、第一濃度の窒素が該第一表面の下にある表面層に組込まれるステップの準備が整う。
【００４２】
図１は、代表的な実施形態における本方法の窒素組込みステップを示す。図１乃至図２は、窒素の組込みが、典型的にはＧｅベース材料のウェハの表面である、Ｇｅベース・ボディ（body）１６０の第一表面５を、熱的条件下又はプラズマ条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行される実施形態を示す。代表的な実施形態における反応性窒素含有気体はＮＨ３である。代替的な実施形態においては、この窒素含有反応物はＮＯであってもよいし又はＮ２Ｏであってもよい。さらに別の代替的な実施形態においては、気体ＮＨ３、ＮＯ、又はＮ２Ｏの様々な組合せを用いることができる。これら全ての化学種は、適切な状況下で窒素原子源となることができる。それぞれの場合において、これらの活性成分は、不活性成分又は搬送ガス、例えばＮ２、Ａｒ、Ｈｅに混合することができる。
【００４３】
この化学的窒素組込みステップのための熱的条件は、１秒ないし３００秒の間に加えられる４５０℃ないし７００℃の間とすることができる。この温度は、典型的には、当技術分野で良く知られている急速熱的アニール法によって加えられる。代表的な実施形態におけるこのステップの条件は、６００℃のＮＨ３活性気体に３０秒間とすることができる。この条件によって、結果として得られる窒化された薄層９０は、特質上、約０．５ｎｍないし１．５ｎｍの間の厚さとなる。この層９０は、第一濃度の窒素を組込み、この第一の濃度は、組込まれた窒素の表面密度が１ｃｍ２当り約１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間になる積算値を有する。
【００４４】
窒素組込みステップは、さらに、プラズマ窒化法により実行することもできる。この場合には、Ｇｅベース表面の第一表面が、低エネルギーの窒素含有プラズマに曝される。これは直接プラズマ・モード、又は遠隔（下流）プラズマ窒化法で行うことができる。プラズマ・パワーは約２５Ｗから１０００Ｗ迄の範囲で変化させてよく、露出は１秒ないし３００秒の間であることが好ましい。プラズマ露出中の試料温度は、およそ室温から５００℃迄であることが好ましい。Ｎ２、ＮＨ３、及びＮ２Ｏ気体をプラズマ反応炉内でＮ源として用いることができる。
【００４５】
図２は、窒素組込みステップが、適用量の窒素をＧｅベース材料ボディ（本体）１６０上の第一表面５にイオン注入７０することにより実行される場合のステップを概略的に示す。この注入エネルギーは低いものであるべきで、典型的には、０．５ＫｅＶないし１０ＫｅＶの間である。このようにして、結局、Ｎは層９０の第一表面５の近傍に位置することになる。或いは、そのような低い注入エネルギーを用いずに、しかしＮが薄層９０にあることを確実にするためには、イオン注入を、薄い１０ｎｍから３０ｎｍ迄のスクリーン層を介して実行することができる。このようなスクリーン法は当技術分野において既知である。例示的な実施形態におけるスクリーン層は、例えば、堆積されたＳｉＯ２であり、これは注入後に化学的に除去できる。注入される適用量のＮは、典型的には、１ｃｍ２当り約１Ｅ１５ないし１ｃｍ２当り２Ｅ１６の間とすることができる。
【００４６】
図３は、本発明の好ましい実施形態による、Ｎ組み込みステップの実行における、特徴的な窒素の組込みと熱的条件のプロットを示すもので、濃度は、核反応（nuclear reaction）分析により測定されている。縦軸上には、３０秒間の露出において、ＮＨ３が試薬気体である場合の、反応温度に対する層９０における積算濃度を示す。
【００４７】
窒素組込みステップが、第一表面５を熱的条件下又はプラズマ条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行されるか、又はＮイオン注入で実行されるかとは無関係に、窒素組込みステップで導入された窒素の量が、次の酸化ステップにおける酸化速度を決定する。窒素が多くなると再酸化反応速度（reoxidationkinetics）が遅くなる傾向があり、それゆえに膜は薄くなる。
【００４８】
図４は、本発明の好ましい実施形態による、薄いゲルマニウム酸窒化物層の生成を完了させる酸化ステップを示す。これは、第一表面５が熱的条件下又はプラズマ条件下で酸素環境に曝されるときのＧｅベース材料１６０の酸化速度を窒素含有層が制御する、好ましい実施形態の第二ステップである。窒素を組込んだ薄い表面層９０が酸窒化物層１００の生成を調整し、層９０自体もまた、酸窒化物層１００に変化させられる。
【００４９】
代表的な実施形態における酸素環境は、反応性化学種（species）としてＯ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏを含むが、その理由は、これらが酸素原子の源となり得るためである。これらの気体の組合せを用いることもできる。典型的には、反応性気体はＮ２、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性成分に混合してよい。酸化ステップをＮ２Ｏ、ＮＯなどの窒素含有気体中でも実行することができ、それは、これらが高温で分解して、酸素原子を放出するという事実のためである。同様に、酸化は、搬送不活性気体に混合されたＨ２Ｏ蒸気を用いる湿式酸化法によって実行することができる。このステップにおける温度環境は、典型的には、１分ないし３０分の間に加えられる５００℃ないし７００℃の間の温度である。酸素露出ステップが終了した後、ゲルマニウム酸窒化物層はゲート誘電体としての準備が整い、デバイスのさらに別の処理を標準的な方法で進めることができる。
【００５０】
酸化ステップは、プラズマ酸化法を用いて実行することもできる。この場合には、下に窒素含有層９０をもつ第一表面５が低エネルギーの酸素含有プラズマに曝される。これは、直接プラズマ・モード、又は遠隔（下流）プラズマ酸化法で行うことができる。プラズマ・パワーは約２５Ｗから１０００Ｗ迄の範囲で変化させてよく、露出は、１秒ないし３００秒の間であることが好ましい。プラズマ露出中の試料温度は、およそ室温から５００℃迄であることが好ましい。熱的酸化法におけるものと同じ酸素含有化学種を用いることができる。
【００５１】
図５は、窒素組込みステップが６００℃で５分間のＮＨ３への露出を含む場合における、薄いゲルマニウム酸窒化物層１００の厚さ及びＥＯＴと、酸素環境露出ステップ条件のプロットを示す。典型的なゲート誘電体材料はＳｉＯ２であるため、この材料が基準比較を与える。ゲルマニウム酸窒化物の誘電率はＳｉＯ２のそれとは異なるので、これはゲルマニウム酸窒化物層１００の厚さを薄くするだけでなく、ＳｉＯ２対比の等価厚さを与えるためにも有用である。この等価とは、単位面積当り同じ静電容量を有するＳｉＯ２層の厚さを意味する。従って、図５においては、ＥＯＴ値は標準静電容量対電圧測定の結果である。図５は、酸素露出ステップ中の熱使用量を制御することによって、微妙にゲルマニウム酸窒化物の厚さを制御できること、そしてゲルマニウム酸窒化物層のＥＯＴを前例のない５ｎｍより薄い範囲にも調節できることを示している。
【００５２】
本発明は、好ましい実施形態によれば、このように約１０ｎｍより薄いＥＯＴを有するゲルマニウム酸窒化物層を生成することができる。高性能デバイスのためのゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の好ましい範囲は、６ｎｍより薄いＥＯＴであり、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴ範囲を有することが好ましい。
【００５３】
Ｇｅベース材料が実際に本質的に純粋なＧｅである場合には、純粋なＧｅデバイスは潜在的に最良の性能を発揮し得るため、（好ましい実施形態による）本発明は特に重要である。
【００５４】
本方法は、異なる量の窒素をウェハの異なる部分に組込むことにより、付加的なプロセス上の融通性を提供すること、すなわち、複数の、例えば二重の酸窒化物誘電体厚さを、同じウェハ上において、異なるデバイス／用途のために成長させるプロセス上の融通性を提供するものであることが強調される。第一表面５は、少なくとも二つの異なる位置を有し、それらの位置では、組込まれた窒素の第一濃度が異なるものとなる形で窒素組込みステップが実行される。その結果、生成された、少なくとも二つの位置における最終的な酸窒化物層は、異なるＥＯＴを有することになる。
【００５５】
図６は、好ましくは５ｎｍより薄い等価酸化物厚さを有する、薄いゲルマニウム酸窒化物層１００のゲート誘電体を有する、Ｇｅベースの電界効果デバイス１０の概略断面図を示す。ゲート誘電体であるゲルマニウム酸窒化物１００は絶縁体であり、導電ゲート１１０をＧｅベース・ボディ１６０から分離する。
【００５６】
ゲルマニウム酸窒化物は、一般に、約４を越えることを意味する高誘電率を有し、これは、電荷のトンネリングに対して高い障壁を有する、すなわち高い抵抗を有するゲルマニウム酸窒化物となることができる。ゲート・チャネル間の静電容量を増加させるためにゲート誘電体の厚さを減少させるにつれて、ゲート誘電体の全体にわたって電荷のトンネリングに対する抵抗が重要な問題となる。標準的なゲート誘電体材料ＳｉＯ２（誘電率が３．９）はその問題を抱える。ゲルマニウム酸窒化物の誘電率はＳｉＯ２のそれより大きいので、ＳｉＯ２層と同じ単位面積当りの静電容量を有するゲルマニウム酸窒化物層は、ＳｉＯ２層より厚くなる。トンネリングに対する抵抗は層の厚さに指数関数的に依存するので、ゲルマニウム酸窒化物層は、より大きな電荷浸透（charge penetration）耐性を示す傾向になるであろう。
【００５７】
Ｇｅベースの電界効果デバイス、或いは代表的実施形態においては純粋なＧｅの電界効果デバイスを示す図６は、あらゆる種類の電界効果デバイスを代表するという意味において殆ど象徴的である。それらデバイスにおける唯一の共通の特徴は、デバイス電流が、ゲート誘電体１００といわれる絶縁体を横切る電場により動作するゲート１１０によって制御されることである。それゆえ、どの電界効果デバイスも（少なくとも一つの）ゲートとゲート絶縁体とを有する。
【００５８】
図６は、ソース／ドレイン領域１５０及びデバイス・ボディ（本体）１６０をもつＭＯＳ電界効果デバイスを概略的に示す。そのボディは、図６に示すようにバルクであってもよいし、或いは絶縁体上の薄膜であってもよい。チャネルは、単一のものでも、二重ゲート又はＦＩＮＦＥＴデバイスのように多重のものであってもよい。デバイスの基本材料は多種多様であってよい。ボディはＧｅ化合物、或いは本質的に純粋なＧｅで構成されたものであってよい。
【００５９】
代表的な実施形態においては、Ｇｅベース電界効果デバイスはＧｅＭＯＳである。さらに別の代表的な実施形態においては、Ｇｅベース電界効果デバイスは、好ましくは０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴ範囲を有するゲルマニウム酸窒化物層のゲート誘電体を有する。
【００６０】
図７は、５ｎｍより薄いＥＯＴをもつ薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を有するＧｅベースの電界効果デバイス１０を含んだチップ９０１を少なくとも一つ含む高性能プロセッサ９００の概念図を示す。プロセッサ９００は、ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体をもつＧｅベースの電界効果デバイスから利益を得ることができるどのようなプロセッサであってもよい。これらのデバイスは、一つ又はそれ以上のチップ９０１の上に多数集まって、プロセッサの部分を形成することができる。薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体をもつＧｅベースの電界効果デバイスを用いて製造されるプロセッサの代表的な実施形態は、典型的には、コンピュータの中央演算処理複合システム内に見られるデジタル・プロセッサ、ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体型電界効果デバイスにおけるキャリアの高移動度から顕著な利益を得る複合デジタル／アナログ・プロセッサ、及び、一般に、メモリをプロセッサに接続するモジュール、ルータ、レーダー・システム、高性能テレビ電話、ゲーム・モジュールなどのあらゆる通信プロセッサである。
【００６１】
本発明の多くの修正と変形が、上記の教示を考慮して可能であり、当業者には明白とすることができる。本発明の範囲は、特許請求の範囲により定義される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】代表的な実施形態の方法における窒素組込みステップを示す。
【図２】代表的な実施形態の方法における窒素組込みステップを示す。
【図３】好ましい実施形態による、窒素組込みステップの実行における窒素の組込みと熱的条件のプロットを示す。
【図４】本発明の好ましい実施形態による、薄いゲルマニウム酸窒化物層の生成を完了させる酸化ステップを示す。
【図５】本発明の好ましい実施形態による、薄いゲルマニウム酸窒化物層の厚さ及びＥＯＴと、酸素環境露出ステップ条件のプロットを示す。
【図６】本発明の好ましい実施形態による、薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を有するＧｅベース電界効果デバイスの概略断面図を示す。
【図７】本発明の好ましい実施形態による、薄いゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を有するＧｅベースの電界効果デバイスを含んだチップを少なくとも一つ含む高性能プロセッサの概念図を示す。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年7月26日(2005.7.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム酸窒化物層を本質的に純粋なＧｅ材料の上に生成する方法であって、第一濃度の窒素を前記Ｇｅ材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅ材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、組み込まれた前記第一濃度の窒素の積算値が１ｃｍ２当り約１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間であり、前記表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。
【請求項２】
前記生成された酸窒化物層が、約６ｎｍより薄い等価酸化物厚さ（ＥＯＴ）を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記生成された酸窒化物層が、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記Ｇｅ材料が、本質的にＧｅで構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記窒素含有気体がＮＨ３である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記熱的条件が、１秒ないし３００秒の間に加えられる４５０℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、適用量の窒素を前記第一表面にイオン注入することによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記イオン注入ステップにおいて、前記適用量の窒素が１ｃｍ２当り約１Ｅ１５ないし１ｃｍ２当り２Ｅ１６の間の値になるように選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオン注入ステップにおいて、注入エネルギーが０．５ＫｅＶないし１０ＫｅＶの間になるように選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記イオン注入ステップがスクリーン層を介して実行される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を窒素含有プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記窒素含有プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗの間のパワーで、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏからなる群から選択された化学種、及びこれら化学種の組合せに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記熱的条件が、約１分ないし３０分の間に加えられる５００℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を有酸素プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記有酸素プラズマが、約２５Ｗないし１０００Ｗとの間の出力で、およそ室温から５００℃の間の温度において、約１秒ないし３００秒の間の時間だけ加えられる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップの前に、前記第一表面を洗浄するステップをさらに含み、前記洗浄ステップが、少なくとも一回の酸化及び酸化物除去サイクルを適用するステップを含み、前記酸化がＨ２Ｏ２含有溶液を用いて遂行され、前記酸化物除去が、ＨＦ、ＨＣｌ、又はこれらの混合物である剥離剤により遂行される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第一表面が少なくとも二つの位置を有し、前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記少なくとも二つの位置で、異なる第一濃度の組込まれた窒素を生成するように実行されて、該少なくとも二つの位置に生成されたゲルマニウム酸窒化物層が異なるＥＯＴを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
高性能の本質的に純粋なＧｅ電界効果デバイスを製造する方法であって、前記デバイスがゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含み、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の生成が、第一濃度の窒素を前記Ｇｅ材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅ材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、組み込まれた前記第一濃度の窒素の積算値が１ｃｍ２当り約１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間であり、前記表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。
【請求項２１】
前記高性能Ｇｅ電界効果デバイスがＧｅＭＯＳトランジスタである、請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２３】
本質的に純粋なＧｅベース電界効果デバイスであって、６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、Ｇｅ電界効果デバイス。
【請求項２４】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２３に記載のＧｅ電界効果デバイス。
【請求項２５】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が、電荷のトンネリングに対してＳｉＯ２ゲート誘電体より大きな抵抗を有し、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量は、前記ＳｉＯ２ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量と少なくとも同じ程度に大きい、請求項２３に記載のＧｅ電界効果デバイス。
【請求項２６】
前記デバイスがＧｅＭＯＳトランジスタである、請求項２３に記載のＧｅ電界効果デバイス。
【請求項２７】
高性能プロセッサであって、少なくとも一つのＧｅ電界効果デバイスを含んだチップを少なくとも一つ含み、前記デバイスが６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、高性能プロセッサ。
【請求項２８】
前記プロセッサがデジタル・プロセッサである、請求項２７に記載の高性能プロセッサ。
【請求項２９】
前記プロセッサが少なくとも一つのアナログ回路を含む、請求項２７に記載の高性能プロセッサ。
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月30日(2007.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム酸窒化物層を本質的に純粋なＧｅ材料の上に生成する方法であって、第一濃度の窒素を前記Ｇｅ材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅ材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、組み込まれた前記第一濃度の窒素の積算値が１ｃｍ２当り１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間であり、前記表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。    
【請求項２】
前記生成された酸窒化物層が、６ｎｍより薄い等価酸化物厚さ（ＥＯＴ）を有する、請求項１に記載の方法。    
【請求項３】
前記生成された酸窒化物層が、０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項２に記載の方法。    
【請求項４】
前記Ｇｅ材料が、本質的にＧｅで構成される、請求項１に記載の方法。    
【請求項５】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で窒素含有気体に曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項６】
前記窒素含有気体がＮＨ３であり、前記熱的条件が、１秒ないし３００秒の間に加えられる４５０℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項５に記載の方法。    
【請求項７】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、適用量の窒素を前記第一表面にイオン注入することによって実行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項８】
前記イオン注入ステップがスクリーン層を介して実行され、前記適用量の窒素が１ｃｍ２当り１Ｅ１５ないし１ｃｍ２当り２Ｅ１６の間の値になるように選択される、請求項７に記載の方法。    
【請求項９】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記第一表面を窒素含有プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項１０】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を熱的条件下で、Ｏ２、Ｏ３、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、Ｎ２Ｏからなる群から選択された化学種、及びこれら化学種の組合せに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項１１】
前記熱的条件が、１分ないし３０分の間に加えられる５００℃ないし７００℃の間の温度になるように選択される、請求項１０に記載の方法。    
【請求項１２】
前記有酸素環境に曝す前記ステップが、前記第一表面を有酸素プラズマに曝すことによって実行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項１３】
前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップの前に、前記第一表面を洗浄するステップをさらに含み、前記洗浄ステップが、少なくとも一回の酸化及び酸化物除去サイクルを適用するステップを含み、前記酸化がＨ２Ｏ２含有溶液を用いて遂行され、前記酸化物除去が、ＨＦ、ＨＣｌ、又はこれらの混合物である剥離剤により遂行される、請求項１に記載の方法。    
【請求項１４】
前記第一表面が少なくとも二つの位置を有し、前記第一濃度の窒素を組込む前記ステップが、前記少なくとも二つの位置で、異なる第一濃度の組込まれた窒素を生成するように実行されて、該少なくとも二つの位置に生成されたゲルマニウム酸窒化物層が異なるＥＯＴを有する、請求項１に記載の方法。    
【請求項１５】
高性能の本質的に純粋なＧｅ電界効果デバイスを製造する方法であって、前記デバイスがゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含み、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の生成が、第一濃度の窒素を前記Ｇｅ材料の第一表面の下にある表面層に組込むステップと、該Ｇｅ材料の前記第一表面を有酸素環境に曝すことにより前記酸窒化物層の成長を誘起するステップと、を含み、組み込まれた前記第一濃度の窒素の積算値が１ｃｍ２当り１Ｅ１４ないし１ｃｍ２当り３Ｅ１５の間であり、前記表面層における該第一濃度の窒素が該酸窒化物層の成長を制御する、方法。    
【請求項１６】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項１５に記載の製造方法。    
【請求項１７】
本質的に純粋なＧｅベース電界効果デバイスであって、６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、Ｇｅ電界効果デバイス。    
【請求項１８】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が０．５ｎｍないし５ｎｍの間のＥＯＴを有する、請求項１７に記載のＧｅ電界効果デバイス。    
【請求項１９】
前記ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体が、電荷のトンネリングに対してＳｉＯ２ゲート誘電体より大きな抵抗を有し、該ゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量は、前記ＳｉＯ２ゲート誘電体の単位面積当りの静電容量と少なくとも同じ程度に大きい、請求項１７に記載のＧｅ電界効果デバイス。    
【請求項２０】
高性能プロセッサであって、少なくとも一つのＧｅ電界効果デバイスを含んだチップを少なくとも一つ含み、前記デバイスが６ｎｍより薄いＥＯＴをもつゲルマニウム酸窒化物ゲート誘電体を含む、高性能プロセッサ。
【国際調査報告】
2007534149.tif 000010
2007534149.tif 000011
2007534149.tif 000012
2007534149.tif 000013