特許 6957428 半導体装置、及び、半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6957428

(24)【登録日】2021年10月8日

(45)【発行日】2021年11月2日

(54)【発明の名称】半導体装置、及び、半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20211021BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20211021BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 301B

   H01L29/78 301G

【請求項の数】13

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2018-173112(P2018-173112)

(22)【出願日】2018年9月14日

(65)【公開番号】特開2020-47669(P2020-47669A)

(43)【公開日】2020年3月26日

【審査請求日】2020年7月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】清水 達雄

【審査官】 市川 武宜

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１８１６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１８１６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００６５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０３８９５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６４７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、
ゲート電極と、
前記ダイヤモンド層と前記ゲート電極との間に位置し、酸化物を含むゲート絶縁層と、
前記ダイヤモンド層と前記ゲート絶縁層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域と、
を備え、
前記ダイヤモンド層、前記領域、及び、前記ゲート絶縁層の前記元素の濃度分布は、前記領域にピークを有し、
前記ピークの前記ゲート絶縁層の側に存在する前記元素の量が、前記ピークの前記ダイヤモンド層の側に存在する前記元素の量よりも多い、半導体装置。

【請求項2】

前記ピークの前記元素の濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^２２ｃｍ^−３以下である請求項１記載の半導体装置。

【請求項3】

前記元素の濃度分布の前記ピークに対する半値全幅は５ｎｍ以下である請求項１又は請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、
ゲート電極と、
前記ダイヤモンド層と前記ゲート電極との間に位置し、酸化物を含むゲート絶縁層と、
前記ダイヤモンド層と前記ゲート絶縁層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域と、
を備え、
前記領域は、前記元素の原子が３個の炭素原子と結合する第１の結合構造を有する半導体装置。

【請求項5】

前記領域は、炭素原子と結合する酸素原子と前記酸素原子と結合するシリコン原子を含む第２の結合構造を有する請求項４記載の半導体装置。

【請求項6】

前記領域の中の前記第１の結合構造は、前記領域の中の前記第２の結合構造よりも少ない請求項５記載の半導体装置。

【請求項7】

前記酸化物は、酸化シリコンである請求項１ないし請求項６いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項8】

前記ダイヤモンド層は、第１導電型の第１のダイヤモンド領域、第２導電型の第２のダイヤモンド領域、及び、第２導電型の第３のダイヤモンド領域を有し、
前記第１のダイヤモンド領域の少なくとも一部は、前記ゲート絶縁層を間に挟んで前記ゲート電極に対向し、
前記第２のダイヤモンド領域は前記ゲート電極の一方の端部に対向する前記ダイヤモンド層の中に位置し、前記第３のダイヤモンド領域は前記ゲート電極の他方の端部に対向する前記ダイヤモンド層の中に前記第２のダイヤモンド領域と離間して位置する請求項１ないし請求項７いずれか一項記載の半導体装置。

【請求項9】

前記第１導電型がｐ型であり、前記第２導電型がｎ型である請求項８記載の半導体装置。

【請求項10】

｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層の上に第１の酸化シリコン層を形成し、
窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で第１の熱処理を行い、
前記第１の熱処理の後に、前記第１の酸化シリコン層を剥離し、前記ダイヤモンド層の上に第２の酸化シリコン層を形成し、
前記第１の熱処理の後にゲート電極を形成する半導体装置の製造方法。

【請求項11】

前記第１の酸化シリコン層を形成した後、前記第１の熱処理の前に、非酸化性雰囲気で第２の熱処理を行う請求項１０記載の半導体装置の製造方法。

【請求項12】

｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層の上に第１の酸化シリコン層を形成し、
窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で第１の熱処理を行い、
前記第１の熱処理の後にゲート電極を形成し、
前記第１の熱処理は、ＮＯ、ＰＯ、ＡｓＯ、ＳｂＯ、ＢｉＯ、ＮＯＣｌ_３、ＰＯＣｌ_３、ＡｓＯＣｌ_３、ＳｂＯＣｌ_３、ＢｉＯＣｌ_３から選択される少なくとも一種の酸素含有ガスをＮ_２、Ａｒ、Ｈｅから選択される少なくとも一種の希釈ガスで希釈して、熱処理温度が１１５０℃以上１３００℃以下、酸素含有ガスの濃度が５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下、で行う半導体装置の製造方法。

【請求項13】

前記第１の熱処理は、熱処理温度が１２００℃以上１３００℃以下、かつ酸素含有ガスの濃度が５０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下で行われる請求項１２記載の半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体装置、及び、半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

次世代の半導体デバイス用の材料としてダイヤモンドが期待されている。ダイヤモンドは、シリコンや炭化珪素と比較して、広いバンドギャップ、高い破壊電界強度、高いキャリア移動度、高い熱伝導率を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能な半導体デバイスを実現することができる。

【0003】

しかし、例えば、ダイヤモンドを用いてＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を形成する場合、キャリアの移動度が低下するという問題がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，Ｔ ｅｔ ａｌ．， “Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｄｉａｍｏｎｄ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｗｉｔｈ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｏｆｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ”，Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．６，３１５８５；ｄｏｉ：１０．１０３８／ｓｒｅｐ３１５８５（２０１６）

【非特許文献2】Ｃｈｏｕ，Ｊ ｅｔ ａｌ．，“Ｎｉｔｒｏｇｅｎ−Ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ Ｄｉａｍｏｎｄ （１１１） Ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒ Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ”，Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．２０１７,２２９４−２２９８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、キャリアの移動度の低下を抑制する半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態の半導体装置は、｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、ゲート電極と、前記ダイヤモンド層と前記ゲート電極との間に位置し、酸化物を含むゲート絶縁層と、前記ダイヤモンド層と前記ゲート絶縁層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域と、を備え、前記ダイヤモンド層、前記領域、及び、前記ゲート絶縁層の前記元素の濃度分布は、前記領域にピークを有し、前記ピークの前記ゲート絶縁層の側に存在する前記元素の量が、前記ピークの前記ダイヤモンド層の側に存在する前記元素の量よりも多い。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態の半導体装置の模式断面図。

【図2】実施形態の半導体装置の窒素濃度分布を示す図。

【図3】実施形態の窒素濃度分布を示す図。

【図4】実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例の模式断面図。

【図5】実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例の模式断面図。

【図6】実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例の模式断面図。

【図7】実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例の模式断面図。

【図8】実施形態の半導体装置の製造方法の第２の例の模式断面図。

【図9】実施形態の半導体装置の製造方法の第２の例の模式断面図。

【図10】実施形態の半導体装置の製造方法の第２の例の模式断面図。

【図11】実施形態の半導体装置の作用の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材などには同一の符号を付し、一度説明した部材などについては適宜その説明を省略する。

【0009】

実施形態の半導体装置は、｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層と、ゲート電極と、ダイヤモンド層とゲート電極との間に位置し、酸化物を含むゲート絶縁層と、ダイヤモンド層とゲート絶縁層との間に位置し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む領域と、を備える。

【0010】

図１は、実施形態の半導体装置の模式断面図である。実施形態の半導体装置は、ＭＯＳＦＥＴ１００である。ＭＯＳＦＥＴ１００は、ソース領域、ドレイン領域、及び、ゲート電極が半導体層の同一面側に設けられる横型ＭＯＳＦＥＴである。また、ＭＯＳＦＥＴ１００は、電子をキャリアとするｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。

【0011】

このＭＯＳＦＥＴ１００は、ダイヤモンド層１０、ゲート絶縁層１２、ゲート電極１４、界面終端領域１６（領域）を備える。ダイヤモンド層１０の中には、ボディ領域１０ａ（第１のダイヤモンド領域）、ソース領域１０ｂ（第２のダイヤモンド領域）、ドレイン領域１０ｃ（第３のダイヤモンド領域）が設けられる。

【0012】

以下、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型である場合を例に説明する。

【0013】

ダイヤモンド層１０の表面Ｓは、｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下である。オフ角は、０．５度以上４度以下であることが好ましい。

【0014】

ダイヤモンド層１０の中には、ｐ型のボディ領域１０ａ、ｎ型のソース領域１０ｂ、及び、ｎ型のドレイン領域１０ｃが設けられる。

【0015】

ボディ領域１０ａは、例えば、ボロン（Ｂ）をｐ型不純物として含む。ソース領域１０ｂ、及び、ドレイン領域１０ｃは、例えば、ヒ素（Ａｓ）をｎ型不純物として含む。

【0016】

ｐ型不純物としては、ボロン（Ｂ）のほかアルミニウム（Ａｌ）であってもよい。ｎ型不純物としては、ヒ素（Ａｓ）のほか窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）であってもよい。

【0017】

ボディ領域１０ａの少なくとも一部は、ゲート絶縁層１２を間に挟んで、ゲート電極１４と対向する。ボディ領域１０ａの少なくとも一部は、ゲート絶縁層１２に接する。

【0018】

ＭＯＳＦＥＴ１００のオン動作時には、ボディ領域１０ａのゲート絶縁層１２に接する部分に反転層が形成される。ボディ領域１０ａのゲート絶縁層１２に接する部分は、ＭＯＳＦＥＴ１００のチャネル領域として機能する。

【0019】

ソース領域１０ｂは、ゲート電極１４の一方の端部に対向するダイヤモンド層１０の中に設けられる。ドレイン領域１０ｃは、ゲート電極１４の他方の端部に対向するダイヤモンド層１０の中に設けられる。ドレイン領域１０ｃはソース領域１０ｂと離間している。ボディ領域１０ａの一部が、ソース領域１０ｂとドレイン領域１０ｃの間に挟まれる。

【0020】

ＭＯＳＦＥＴ１００のオン動作時には、ボディ領域１０ａのゲート絶縁層１２に接する部分に反転層が形成され、ソース領域１０ｂからドレイン領域１０ｃに電子が流れる。

【0021】

ゲート絶縁層１２は、ダイヤモンド層１０とゲート電極１４との間に設けられる。ゲート絶縁層１２は、酸化物を含む。酸化物は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、又は、酸化ジルコニウムである。以下、ゲート絶縁層１２に含まれる酸化物が酸化シリコンである場合を例に説明する。

【0022】

ゲート絶縁層１２の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ゲート絶縁層１２は、ＭＯＳＦＥＴ１００のゲート絶縁層として機能する。

【0023】

界面終端領域１６は、ダイヤモンド層１０とゲート絶縁層１２との間に位置する。界面終端領域１６は、終端元素を、ダングリングボンドを終端する元素として含む。終端元素は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素である。以下、界面終端領域１６に含まれる終端元素が窒素（Ｎ）である場合を例に説明する。

【0024】

図２は、実施形態の半導体装置の窒素濃度分布を示す図である。

【0025】

窒素は、ダイヤモンド層１０とゲート絶縁層１２との間の界面に偏析している。ダイヤモンド層１０、界面終端領域１６、及び、ゲート絶縁層１２の窒素の濃度分布は、界面終端領域１６内にピークを有する。

【0026】

窒素濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、５ｎｍ以下である。また、窒素濃度分布のピークに対する半値全幅は、例えば、１ｎｍ以下であることが好ましく、０．２５ｎｍ以下であることがより好ましく、０．２ｎｍ未満であることが更に好ましい。

【0027】

窒素原子は、ダイヤモンド層１０の表面Ｓの炭素原子を置換している。窒素原子はダイヤモンド層１０と３配位していることになる。言い換えれば、窒素原子は、ダイヤモンド層１０の結晶格子の炭素原子の位置にある。

【0028】

界面終端領域１６における窒素濃度分布のピークの窒素濃度は、例えば、１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^２２ｃｍ^−３以下である。ピークの窒素濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２１ｃｍ^−３以下であることが好ましい。

【0029】

窒素濃度分布は、ピークに対して非対称な分布を有する。窒素濃度分布のピークに対してゲート絶縁層１２の側に存在する窒素の量が、ピークに対してダイヤモンド層１０の側に存在する窒素の量よりも多い。

【0030】

ダイヤモンド層１０の窒素の濃度は、例えば、２×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

【0031】

窒素の濃度及び分布は、例えば、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定することが可能である。

【0032】

図３は、実施形態の界面終端領域の説明図である。図３（ａ）は第１の結合構造、図３（ｂ）は第２の結合構造の説明図である。

【0033】

界面終端領域１６は、窒素原子（Ｎ）が３個の炭素原子（Ｃ）と結合する第１の結合構造を有する。第１の結合構造では、窒素原子（Ｎ）が３配位である。終端元素の原子である窒素原子（Ｎ）は、ダイヤモンド層１０の側に位置する３個の炭素原子（Ｃ）と結合することにより、表面Ｓのダングリングボンドを消滅させている。

【0034】

界面終端領域１６は、炭素原子（Ｃ）と結合する酸素原子（Ｏ）と、酸素原子（Ｏ）と結合するシリコン原子（Ｓｉ）を含む第２の結合構造を有する。第２の結合構造では、炭素原子（Ｃ）とシリコン原子（Ｓｉ）が、間に酸素原子（Ｏ）を挟んで結合している。炭素原子（Ｃ）は、ダイヤモンド層１０の側に位置する。シリコン原子（Ｓｉ）と酸素原子（Ｏ）は、ゲート絶縁層１２の側に位置する。

【0035】

界面終端領域１６領域の中の第１の結合構造は、例えば、界面終端領域１６領域の中の第２の結合構造よりも少ない。界面終端領域１６領域の中の第１の結合構造は、例えば、界面終端領域１６領域の中の第２の結合構造の１０分の１以下である。

【0036】

界面終端領域１６の中の第１の結合構造及び第２の結合構造の有無、第１の結合構造と第２の結合構造の量の大小関係は、例えば、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）や、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）により判定することが可能である。

【0037】

ゲート電極１４は、ゲート絶縁層１２の上に設けられる。ゲート電極１４は、ダイヤモンド層１０との間にゲート絶縁層１２を挟む。

【0038】

ゲート電極１４には、例えば、ｎ型不純物又はｐ型不純物を含む多結晶シリコンが適用可能である。

【0039】

次に、実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例について説明する

【0040】

実施形態の半導体装置の製造方法は、｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下の表面を有するダイヤモンド層の上に第１の酸化シリコン層を形成し、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を含む雰囲気中で第１の熱処理を行い、第１の熱処理の後にゲート電極を形成する。

【0041】

図４、図５、図６、図７は、実施形態の半導体装置の製造方法の第１の例の模式断面図である。

【0042】

最初に、ｐ型のボディ領域１０ａ、ｎ型のソース領域１０ｂ、及び、ｎ型のドレイン領域１０ｃを有するダイヤモンド層１０を準備する（図４）。ダイヤモンド層１０の表面Ｓは、｛１１１｝面に対するオフ角が１０度以下である。例えば、ｐ型のダイヤモンド層１０に設けた溝に、ｎ型のダイヤモンドを選択エピタキシャル成長させることで、ｎ型のソース領域１０ｂ、及び、ｎ型のドレイン領域１０ｃは形成される。

【0043】

次に、ダイヤモンド層１０の表面Ｓに第１の酸化シリコン層３０を形成する（図５）。第１の酸化シリコン層３０は、ゲート絶縁層１２の一部となる。

【0044】

第１の酸化シリコン層３０は、例えば、ＣＶＤ法により形成される堆積膜である。第１の酸化シリコン層３０は、ダイヤモンド層１０の酸化を抑制する観点から、例えば、３００℃以下の温度で堆積される。第１の酸化シリコン層３０の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0045】

次に、非酸化性雰囲気で第２の熱処理を行う。第２の熱処理は、例えば、窒素雰囲気中で１０００℃以上１３００℃以下の温度で行う。

【0046】

第２の熱処理は、第１の酸化シリコン層３０のデンシファイアニールとして機能する。第２の熱処理により、第１の酸化シリコン層３０が緻密な膜となる。

【0047】

次に、窒素（Ｎ）を含む雰囲気中で第１の熱処理を行う。第１の熱処理は、例えば、一酸化窒素雰囲気中で１１５０℃以上１３００℃以下の温度で行う。

【0048】

さらに、第１の熱処理は、例えばＮＯを５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下にＮ_２希釈することが望ましい。

【0049】

第１の熱処理は一酸化窒素（ＮＯ）、ＰＯ、ＡｓＯ、ＳｂＯ、ＢｉＯ、ＰＯＣｌ_３、ＡｓＯＣｌ_３、ＳｂＯＣｌ_３、ＢｉＯＣｌ_３から選択されるガス（酸素含有ガス）の雰囲気中で、１１５０℃以上１３００℃以下の温度で行われる。

【0050】

第１の熱処理のための雰囲気は、界面からＣを取り除きＣＯとして飛ばすため、酸素が微量に含まれることが有効である。そのため上記の酸素含有ガスを、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅなどによって希釈ガスとして使うことが有効である。

【0051】

第１の熱処理において熱処理温度を高温にするほど、酸素含有ガス濃度（酸素ガス濃度）は低濃度であることが好ましい。例えば、熱処理温度が１１５０℃以上１３００℃以下では５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下が望ましい。熱処理温度が１２００℃以上１３００℃以下では、５０ｐｐｍ以上３５０ｐｐｍ以下が望ましい。例えば１２００℃で２５０ｐｐｍの条件が挙げられる。

【0052】

第１の熱処理により、ダイヤモンド層１０と第１の酸化シリコン層３０との界面に界面終端領域１６が形成される（図６）。第１の熱処理により、ダイヤモンド層１０と第１の酸化シリコン層３０との界面に存在するダングリングボンドが、窒素原子により終端される。

【0053】

第１の熱処理の際、ダイヤモンド層１０の表面Ｓから一酸化炭素（ＣＯ）として炭素が放出されるため、ダングリングボンドを有する炭素原子の窒素原子による置換が促進される。

【0054】

また、第１の熱処理により、窒素の一部は、第１の酸化シリコン層３０の中に残留する。

【0055】

次に、第１の酸化シリコン層３０上に、ゲート電極１４を形成する（図７）。ゲート電極１４は、例えば、ｎ型不純物又はｐ型不純物を含む多結晶シリコンである。

【0056】

次に、ゲート電極１４、第１の酸化シリコン層３０、界面終端領域１６をパターニングする。

【0057】

以上の製造方法により、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１００が形成される。

【0058】

次に、実施形態の半導体装置の製造方法の第２の例について説明する

【0059】

第２の例の半導体装置の製造方法は、第１の熱処理の後に、第１の酸化シリコン層を剥離し、ダイヤモンド層の上に第２の酸化シリコン層を形成する点で、第１の例と異なっている。

【0060】

図８、図９、図１０は、実施形態の半導体装置の製造方法の第２の例の模式断面図である。

【0061】

第１の熱処理により、ダイヤモンド層１０と第１の酸化シリコン層３０との界面に界面終端領域１６を形成するまでは第１の例と同様である（図８）。

【0062】

次に、第１の酸化シリコン層３０を剥離する（図９）。第１の酸化シリコン層３０は、例えば、ウェットエッチングにより剥離される。界面終端領域１６は、ダイヤモンド層１０の表面Ｓに残留する。

【0063】

次に、ダイヤモンド層１０の表面Ｓに第２の酸化シリコン層３２を形成する（図１０）。第２の酸化シリコン層３２は、界面終端領域１６の上に形成される。第２の酸化シリコン層３２は、ゲート絶縁層１２の一部となる。

【0064】

第２の酸化シリコン層３２は、例えば、ＣＶＤ法により形成される堆積膜である。第２の酸化シリコン膜の厚さは、例えば、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0065】

第２の酸化シリコン層３２は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）をソースガスとしてＣＶＤ法により形成される酸化シリコン膜である。

【0066】

次に、非酸化性雰囲気で第３の熱処理を行う。第３の熱処理は、例えば、窒素雰囲気中で１２００℃以上１４００℃以下の温度で行う。

【0067】

第３の熱処理は、第２の酸化シリコン層３２のデンシファイアニールとして機能する。第３の熱処理により、第２の酸化シリコン層３２が緻密な膜となる。

【0068】

次に、第２の酸化シリコン層３２上に、ゲート電極１４を形成する。ゲート電極１４は、例えば、ｎ型不純物又はｐ型不純物を含む多結晶シリコンである。

【0069】

次に、ゲート電極１４、第２の酸化シリコン層３２、界面終端領域１６をパターニングする。

【0070】

以上の製造方法により、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１００が形成される。

【0071】

次に、実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。

【0072】

ダイヤモンドを用いてＭＯＳＦＥＴを形成する場合、キャリアの移動度が低下するという問題がある。キャリアの移動度が低下する一つの要因は、ダイヤモンド層とゲート絶縁層との間の界面準位（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ）であると考えられる。界面準位は、ダイヤモンド層の表面に存在する炭素のダングリングボンドによって生じると考えられる。

【0073】

実施形態のＭＯＳＦＥ１００は、ダイヤモンド層１０とゲート絶縁層１２との間に界面終端領域１６を備える。界面終端領域１６には、第１の結合構造が形成され、ダングリングボンドが低減されている。したがって、キャリアの移動度の低下が抑制されたＭＯＳＦＥＴが実現される。以下、詳述する。

【0074】

発明者らの第一原理計算により、ダイヤモンド層の表面において、ダングリングボンドを有していた炭素原子を、窒素原子で置き換えた第１の結合構造が安定に存在し得ることが明らかになった。また、ダングリングボンドを有していた炭素原子を、窒素原子で置き換えることにより、ダイヤモンドのバンドギャップ中のエネルギー準位が消滅することも明らかになった。

【0075】

図１１は、実施形態の半導体装置の作用の説明図である。図１１（ａ）がダングリングボンドを有する炭素原子が存在する場合のバンド図、図１１（ｂ）がダングリングボンドを有していた炭素原子を、窒素原子で置き換えた第１の結合構造が存在する場合のバンド図である。図１１は、シミュレーション結果である。

【0076】

図１１（ａ）に示すように、ダングリングボンドが存在する場合、ダイヤモンドのバンドギャップ中の矢印で示す位置に、エネルギー準位が存在する。このエネルギー準位が、キャリアの移動度の低下の原因になると考えられる。

【0077】

図１１（ｂ）に示すように、ダングリングボンドを有していた炭素原子を、窒素原子で置き換えることにより、ダイヤモンドのバンドギャップ中のエネルギー準位が消滅している。言い換えれば、第１の結合構造を形成することにより、ダイヤモンドのバンドギャップ中のエネルギー準位が消滅している。

【0078】

したがって、実施形態のＭＯＳＦＥＴ１００によれば、ダイヤモンド層１０の表面Ｓにおいて、ダングリングボンドが低減される。よって、界面準位が低減し、ＭＯＳＦＥＴ１００のキャリアの移動度の低下が抑制される。

【0079】

ダイヤモンド層１０の表面Ｓの大部分の炭素原子は、ゲート絶縁層１２の酸素原子と結合する。すなわち、界面終端領域１６の大部分では、第２の結合構造が存在する。ダイヤモンド層１０の表面Ｓの一部のダングリングボンドを有していた炭素原子が、窒素原子で置き換えられ、第１の結合構造を形成する。

【0080】

したがって、界面終端領域１６領域の中の第１の結合構造は、例えば、界面終端領域１６領域の中の第２の結合構造よりも少ない。界面終端領域１６領域の中の第１の結合構造は、例えば、界面終端領域１６領域の中の第２の結合構造の１０分の１以下、又は、１００分の１以下である。

【0081】

ダイヤモンド層１０とゲート絶縁層１２との間の界面準位は、例えば、ＭＯＳＦＥＴの閾値変動や、ゲート絶縁層１２のリーク電流の増大の原因にもなると考えられる。したがって、実施形態のＭＯＳＦＥＴ１００によれば、閾値変動やゲート絶縁層１２のリーク電流の増大が抑制される。よって、信頼性の高いＭＯＳＦＥＴ１００が実現できる。

【0082】

ゲート絶縁層１２の中に、ダイヤモンド層１０から放出された炭素や、窒素などの終端元素が残存すると、ゲート絶縁層１２の中に、有害なエネルギー準位が生成されるおそれがある。例えば、第２の例の製造方法のように、界面終端領域１６の形成後に、一旦、第１の酸化シリコン層３０を剥離し、あらたにゲート絶縁層１２となる第２の酸化シリコン層３２を形成することで、ゲート絶縁層１２の中に、有害なエネルギー準位が生成されることが抑制される。

【0083】

以上、実施形態によれば、ダイヤモンド層の表面において、ダングリングボンドが低減される。よって、ＭＯＳＦＥＴのキャリアの移動度の低下が抑制される。また、信頼性の高いＭＯＳＦＥＴが実現される。

【0084】

実施形態では、終端元素が窒素（Ｎ）である場合を例に説明したが、終端元素として、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、及び、ビスマス（Ｂｉ）からなる群から選ばれる少なくとも一つの元素を適用しても、窒素（Ｎ）の場合と同様の作用及び効果を得ることが可能である。界面終端領域１６の安定性の観点からは、特に、終端元素が窒素（Ｎ）又はリン（Ｐ）であることが好ましい。

【0085】

また、実施形態では、ゲート絶縁層１２に含まれる酸化物が酸化シリコンである場合を例に説明したが、酸化シリコン以外の酸化物を適用することも可能である。界面終端領域１６の安定性が高く、かつ、ダイヤモンド層１０やゲート電極１４との間の障壁が高くできるという点で、ゲート絶縁層１２に含まれる酸化物が酸化シリコンであることが好ましい。

【0086】

また、実施形態では、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴについて説明したが、本発明をｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴに適用することが可能である。ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴの場合、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型となる。また、ｎ型とｐ型が混載した、例えば、ＣＭＯＳなどを作成することも可能である。

【0087】

また、実施形態では、横型ＭＯＳＦＥＴを例に説明したが、本発明を、ダイヤモンド層の裏面にドレイン領域を備える縦型ＭＯＳＦＥＴに適用することも可能である。

【0088】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0089】

１０ ダイヤモンド層
１０ａ ボディ領域（第１のダイヤモンド領域）
１０ｂ ソース領域（第２のダイヤモンド領域）
１０ｃ ドレイン領域（第３のダイヤモンド領域）
１２ ゲート絶縁層
１４ ゲート電極
１６ 界面終端領域（領域）
３０ 第１の酸化シリコン層
３２ 第２の酸化シリコン層
１００ ＭＯＳＦＥＴ（半導体装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】