JPH05243525A

JPH05243525A - 半導体装置とその製造方法

Info

Publication number: JPH05243525A
Application number: JP4075234A
Authority: JP
Inventors: Seiki Daimon; 正機大門; Takaaki Tsurumi; 敬章鶴見; Souki Kin; 宗煕金
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1992-02-26
Publication date: 1993-09-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】シリコン基板上に高誘電率・強誘電体材料、超
伝導体材料、光学特性に富んだ非線形光学材料・磁気光
学材料・電気光学材料・音響光学材料など各種の酸化物
セラミック薄膜を成膜する際に用いて好ましい酸化物緩
衝膜、およびＤＲＡＭのキャパシタに用いて好ましい絶
縁膜を提供する。【構成】シリコン基板または酸化シリコンなどのシリコ
ン系層１，２の表面に、雰囲気温度７６０℃〜８００℃
でビスマス成分を含む気体を供給し、ケイ酸ビスマス層
３を形成する。半導性であるケイ酸ビスマス層上に強誘
電体層、酸化物光学材料層、酸化物超伝導体層を形成す
る。高誘電率ケイ酸ビスマス層をＤＲＡＭのキャパシタ
とする。ケイ酸ビスマスの結晶構造に対して下地層のシ
リコンの結晶構造および表面に形成する強誘電体等のペ
ロブスカイト構造が格子整合してケイ酸ビスマス層、強
誘電体層はエピタキシャル成長を行うことになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびその
製造方法に関し、特に、シリコン基板上に高誘電率・強
誘電体材料、超伝導体材料、光学特性に富んだ非線形光
学材料・磁気光学材料・電気光学材料・音響光学材料な
ど各種の酸化物セラミック薄膜を成膜する際に用いて好
ましい酸化物緩衝膜、およびＤＲＡＭ（ダイナミック・
ランダム・アクセス・メモリ）のキャパシタに用いて好
ましい絶縁膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＺＴ（Ｐｂ_1-xＺｒ_xＴｉＯ₃）、Ｐ
ＬＺＴ〔（Ｐｂ_1-x/100Ｌａ_x/100）（Ｚｒ_y/100Ｔｉ
_z/100）_1-x/400Ｏ₃〕、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）、ある
いは、ＳｒＴｉＯ₃など、高誘電率・強誘電体の半導体
メモリへの応用としては、主に、強誘電体の分極反転を
利用した不揮発性メモリと、高誘電率を利用したＤＲＡ
Ｍのキャパシタ絶縁膜が近年注目されている。

【０００３】強誘電体薄膜を不揮発性メモリに応用しよ
うとするのは、超高集積ＤＲＡＭと同一形式のＦＥＴト
ランジスタスイッチと強誘電体薄膜キャパシタで一つの
メモリセルを構成することにより、判別しきい値、電圧
値、動作速度、信頼性などが極めて向上するからであ
る。強誘電体は自発分極を有し、この自発分極が外部電
界によって反転できる材料であって、多くの酸化物強誘
電体はペロブスカイト形、ニオブ酸リチウム形、タング
ステンブロンズ形に属している。

【０００４】チタン酸バリウムを例にとって強誘電体薄
膜を用いた不揮発性メモリの原理を説明すると、次の通
りである。すなわち、キューリ温度である約１２０℃以
上では立方晶系に属しており正負の電化の重心が一致し
ているが、室温では相対的にイオンが変位すると共に価
電子の配置も変化して単位格子内に永久電子双極子モー
メントΣｑ_iｌ_i（Ｃ・ｍ）が生じている。結晶全体に
わたって同じ向きと大きさの変位が生じている場合、自
発分極Ｐ_Sは単位体積当たりの永久電気双極子モーメン
トと定義されるので、単位正方格子の体積をＶとする
と、Ｐ_s＝Σｑ_iｌ_iＮ（Ｃ／ｍ³）の大きさとなる。この自発分極の向きは外部印加電界に
よって電界方向に揃えることが可能である。

【０００５】そして、作製されたままの単結晶の中、あ
るいはセラミックスや薄膜の中の微結晶中では自発分極
の方向は揃っておらず磁性体における磁区の如く分域
（ドメイン）に別れているが、このような状態の処女試
料に電界を印加すると、分極Ｐと電界Ｅは図１３に示す
ようにヒステリシス曲線を描く。一度高い電圧を印加し
た後には電界が０のときにＡまたはＣの状態にあり、そ
れぞれ残留分極−Ｐ_rまたは＋Ｐ_rが保持されている。
これらの状態をそれぞれ「０」または「１」と定義すれ
ば、電界の印加方向により「０」情報または「１」情報
の書き込みが選択できる。なお、Ｐ_rとしては１０μＣ
／ｃｍ²程度の値が得られる。読み出しパルス電圧方向
（＋方向とする）と書き込まれた方向が同じ方向、すな
わちＣ状態のときＣ→Ｂに対応する（Ｐ_MAX−Ｐ_r）×
面積の電荷が流れ、逆方向、すなわちＡ状態のときＡ→
Ｂに対応する（Ｐ_MAX＋Ｐ_r）×面積の電荷が流れる。
この差、すなわち２Ｐ_r×面積が分極反転電荷であり、
この電荷量を判別測定することにより情報の読み取りが
可能となるのである。

【０００６】このような強誘電体薄膜を用いた不揮発性
メモリ（ＦＲＡＭ）としては、図１４に示す構造が提案
されており、キャパシタ３０（強誘電体）の下部電極３
１がドライブライン（ＤＬ）となり、また上部電極３２
がトランジスタに接続されている点が通常のＤＲＡＭの
構造とは異なっている。これは、良好なＰＺＴ薄膜エレ
メント３０をシリコンやポリシリコン上に作製できない
ため、白金薄膜３１上にＰＺＴ薄膜３０を作製する必要
があるためである。かかる強誘電体不揮発性メモリ（Ｆ
ＲＡＭ）は、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭの高速性とＥＥＰＲＯ
Ｍの不揮発性とを兼ね備え、しかもセル寸法は原理的に
はＤＲＡＭと同じであることから、理想的なメモリとな
り得る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、書換え
回数（分極スイッチング回数）に関しては、ＤＲＡＭと
同じようにサイクル時間を１００ｎｓ、保証期間を１０
年とすると、最低１０¹⁵回は書き換えられることが必要
であるにもかかわらず、従来の強誘電体不揮発性メモリ
の書換え回数寿命は１０¹⁰であった。これは、上述した
白金電極との界面付近の強誘電体薄膜中に酸素欠乏領域
（低酸素濃度領域、図１５参照）が存在し、この領域は
ｎ型となって空間電荷が発生し、この電荷によって強誘
電体薄膜中に異常電界が発生し分極が固定されることが
原因であると考えられている（例えば、日経マイクロデ
バイス，１９９１年６月号８３頁）。これにより、分極
の方向を繰り返し反転させると、強誘電体薄膜が疲労し
て残留分極の大きさが小さくなったり、リーク電流が増
加してしまうという問題があった。したがって、強誘電
体の長所を有効に利用するためには、成膜するにあたり
強誘電体薄膜中から酸素欠乏領域を除去して、書換え回
数寿命を改良する必要がある。

【０００８】一方、従来のＤＲＡＭのセルキャパシタに
は、Ｓｉの熱酸化による良質な酸化シリコンＳｉＯ₂薄
膜（誘電率ε_r〜３．８）が用いられてきたが、集積度
の上昇にともなうセル面積の縮小により、１ＭＤＲＡＭ
あたりから所要の静電容量に必要なＳｉＯ₂の膜厚が１
００オングストローム以下となって薄さの限界に近づい
た。そこで、ナイトライドＳｉ₃Ｎ₄（誘電率ε_r〜
７）を採用すると共に、トレンチ型キャパシタあるいは
スタック型キャパシタ等の構造的な改良によってシリコ
ン基板の平坦面の使用面積は小さいもののキャパシタと
しての面積を増加させることにより上記問題を解決して
いた。

【０００９】しかしながら、このような誘電率が高いナ
イトライドＳｉ₃Ｎ₄を採用しても、トレンチ型キャパ
シタあるいはスタック型キャパシタ等のように複雑な製
造工程の改良が必要である。また、さらなる集積度向上
の要請により高誘電率薄膜の開発が望まれているもの
の、酸化シリコン層の上に高誘電率の材料を直接堆積し
ても、酸化シリコンと高誘電率材料とが電気的に直列接
合となることから、回路全体の誘電率は誘電率が低い酸
化シリコンに支配されてしまうという問題があった。し
たがって、静電容量を高めながら製造プロセスを簡略化
する新たな技術の開発が希求されている。

【００１０】そこで本発明者らは、強誘電体等の長所を
遺憾なく発揮する半導体装置を得るためには、強誘電体
等の膜を良好にエピタキシャル成長させることが必要不
可欠であり、この良好なエピタキシャル成長を達成する
ためには、強誘電体等の薄膜を形成する基板が良質な単
結晶であること、および、基板と強誘電体等の薄膜の単
位格子の大きさが少なくとも２次元的に一致しているこ
とが必要であるという知見に基づき、鋭意研究を行っ
た。その結果、シリコンの単位格子定数（０．５４２ｎ
ｍ）に対してケイ酸ビスマスの単位格子定数（１．０４
ｎｍ）がほぼ整数倍であり、しかも、このケイ酸ビスマ
スは所定の条件で良質な結晶性を示し、さらに、このケ
イ酸ビスマス層上に形成する強誘電体等の基本構造であ
るペロブスカイト構造などの格子定数（約０．４ｎｍ）
に対してケイ酸ビスマスの格子定数は格子整合すること
を見いだし本発明を完成するに至った。

【００１１】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、シリコン基板上に高誘電率
・強誘電体材料、超伝導体材料、光学特性に富んだ非線
形光学材料・磁気光学材料・電気光学材料・音響光学材
料など各種の酸化物セラミック薄膜を成膜する際に用い
て好ましい酸化物緩衝膜、およびＤＲＡＭのキャパシタ
に用いて好ましい絶縁膜を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、シリコン基板または酸化シ
リコンなどのシリコン系層の表面にケイ酸ビスマス層を
形成したことを特徴としている。このケイ酸ビスマス層
をダイナミックランダムアクセスメモリのキャパシタと
して構成することができる。

【００１３】また、前記ケイ酸ビスマス層を半導性に構
成することも可能である。この半導性のケイ酸ビスマス
層上に強誘電体層、酸化物光学材料層、あるいは超伝導
体層を形成することが好ましい。

【００１４】上記目的を達成するために、本発明の半導
体装置の製造方法は、シリコン基板または酸化シリコン
などのシリコン系層の表面に、雰囲気温度が７６０℃か
ら８００℃の状態下でビスマス成分を含む気体を供給
し、ケイ酸ビスマス層を形成することを特徴としてい
る。

【００１５】

【作用】半導体装置のシリコン基板上に高誘電率・強誘
電体材料、超伝導体材料、光学特性に富んだ非線形光学
材料・磁気光学材料・電気光学材料・音響光学材料など
各種の酸化物セラミック薄膜を成膜して、これら酸化物
セラミック薄膜特有の長所を引き出すためには、酸化物
セラミック薄膜を良好にエピタキシャル成長させること
が必要不可欠である。この良好なエピタキシャル成長を
達成するためには、酸化物セラミック薄膜を形成する基
板が良質な単結晶であること、および、基板と酸化物セ
ラミック薄膜の単位格子の大きさが少なくとも２次元的
に一致していることが必要である。

【００１６】本発明では、シリコン基板または酸化シリ
コンなどのシリコン系層の表面に、雰囲気温度が７６０
℃から８００℃の状態下でビスマス成分を含む気体を供
給し、ケイ酸ビスマス層を形成する。この製造方法によ
り得られたケイ酸ビスマス層は、シリコンと同じ立方晶
の結晶構造を有しており、しかも、シリコンの単位格子
定数（０．５４２ｎｍ）に対してケイ酸ビスマスの単位
格子定数（１．０４ｎｍ）がほぼ整数倍であるので、シ
リコンの結晶を並べた上にケイ酸ビスマスの結晶を規則
正しく並べることができ（図１６（Ａ）参照）、さら
に、このケイ酸ビスマスは雰囲気温度を７６０℃から８
００℃とすれば良質な結晶性を示す（図３〜図５参
照）。したがって、このケイ酸ビスマス層の表面に形成
する酸化物セラミック薄膜が良好にエピタキシャル成長
するための要件、すなわち、酸化物セラミック薄膜を形
成する基板が良質な単結晶であること、および、基板と
酸化物セラミック薄膜の単位格子の大きさが少なくとも
２次元的に一致していることを満足することができる。

【００１７】さらに、このケイ酸ビスマス層上に形成す
る強誘電体等の基本構造であるペロブスカイト構造など
の格子定数（０．３７〜０．４ｎｍ）に対してケイ酸ビ
スマスの格子定数は格子整合するので、すなわち、ケイ
酸ビスマスの結晶を並べた上に強誘電体等の結晶を規則
正しく並べることができるので強誘電体等の結晶は良好
にエピタキシャル成長を行うことになる（図１６（Ｂ）
参照）。また、このケイ酸ビスマス層は常態では絶縁体
であるが、不純物をドーピングすることにより半導体化
できる性質を備えているので、絶縁性を必要とする膜と
しても、あるいは、半導性を必要とする膜としても用い
ることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の一実施例に係る半導体装置の示
す断面図であり、シリコン基板を構成するシリコンウエ
ハ１の表面に酸化シリコン層２が形成されている。本実
施例のシリコンウエハ１はｐ形シリコン単結晶、ｎ形シ
リコン単結晶のいずれでも良く、またシリコン単結晶を
成長させて製造する方法はＣＺ法あるいはＦＺ法のいず
れでも良い。この単結晶シリコン基板１上に形成される
酸化シリコン層２は、熱酸化や陽極酸化などのように単
結晶シリコン基板のシリコンを酸化させても良いし、あ
るいは、気相成長（ＣＶＤ）やスパッタリングなどのよ
うにシリコン基板のシリコンを酸化させずにシリコン基
板の表面に酸化膜を堆積するようにしても良い。要する
に、本発明に係るケイ酸ビスマス層３は、形成面を構成
する下地層に含まれるシリコンとビスマス成分とを反応
させることにより構成されるものであるから、下地層に
金属シリコン成分を含んであれば良い。この要件は、後
述する各実施例（図７〜図１２）の半導体装置にもいえ
ることである。

【００１９】次いで、シリコン基板１上に形成された酸
化シリコン層２上にケイ酸ビスマス層３を形成する。こ
のケイ酸ビスマス層３は、化学式Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、ある
いはＢｉ₄Ｓｉ₃Ｏ₁₂で表され、格子定数が１．０４ｎ
ｍの立方晶の結晶構造を有するケイ酸ビスマスにより構
成されている。ケイ酸ビスマスは、上述したように化学
組成が単純で、シリコンと同じ立方晶の結晶構造を有
し、生成温度が比較的低温である絶縁体であり、しかも
不純物をドーピングすることにより半導体化できる性質
を備えている。また、毒性がなく成膜が容易で、しかも
原料コスト的にも有利である。

【００２０】このようなケイ酸ビスマス層３を酸化シリ
コン層２上に形成するには、酸化ビスマスあるいは金属
ビスマスを化学蒸着法、分子線ビームエピタキシャル
法、ゾルゲル法、スパッタリング法、蒸着法により酸化
シリコン層２上に堆積し、これを別途熱処理するか、あ
るいは堆積と同時に熱処理することにより、この堆積さ
れた酸化ビスマスあるいは金属ビスマスと下地層（酸化
シリコン層２）に含まれる金属シリコンとを反応させ
る。これによりシリコン基板１上にケイ酸ビスマス層３
が形成される。なおこのとき、下地層である酸化シリコ
ン層２は全て消失するが、これはＸＰＳ（Ｘ線光電子分
光法）、オージェ電子分光法などの表面分析により検証
することができる。

【００２１】ケイ酸ビスマス層３の製法の一具体例を挙
げれば、以下の通りである。例えば、膜厚が約５００ｎ
ｍの酸化シリコン層を形成したシリコン基板上に化学蒸
着法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてケイ酸ビスマス層を形成
する場合には、ビスマス成分を含むトリフェニルビスマ
ス（Ｂｉ（Ｃ₆Ｈ₅）₃）気体を原料とし、窒素からな
るキャリアガスと原料気体の酸化を行うための酸素とを
同時に、７０ｃｃ／分の流量でシリコン基板上に供給す
る。成膜を行う場合のシリコン基板周辺の圧力は約１０
トールとし、蒸発チャンバーの温度を８０℃、シリコン
基板の温度を７６０℃〜８００℃とする。このとき、ケ
イ酸ビスマスを構成するシリコン成分はシリコン基板上
に形成された酸化シリコン層から供給される。

【００２２】このような製法による生成物がケイ酸ビス
マスであるかどうかは、別途合成したケイ酸ビスマス粉
末（Ｂｉ₄Ｓｉ₃Ｏ₁₂）のＸ線回折図と比較することに
より検証される。図２が別途合成したケイ酸ビスマス粉
末（Ｂｉ₄Ｓｉ₃Ｏ₁₂）のＸ線回折図、図３〜図６が上
述した製法により得られた薄膜のＸ線回折図である。な
お、図３〜図６は、それぞれ基板の温度を７６０℃〜８
２０℃まで変化させた場合の生成膜のＸ線回折図を示し
ている。このＸ線回折測定は、マックサイエンス社製粉
末Ｘ線回折計（Ｘ線管球のターゲットは銅、測定時に管
球に印加する電圧は４０ｋＶ、電流は２０ｍＡ）を用い
て行った。横軸はブラッグ角、縦軸は強度を示してい
る。

【００２３】この回折結果のうち図２と図６を比較する
と、シリコン基板上に生成された膜のＸ回折図とケイ酸
ビスマス粉末のＸ線回折図は完全に一致していることか
ら、生成膜はケイ酸ビスマス（Ｂｉ₄Ｓｉ₃Ｏ₁₂）であ
ることが理解され、またこの８２０℃で作製した膜が多
結晶性であることも理解される。さらに、図３〜図５の
Ｘ線回折図から明らかなように、７６０℃〜８００℃の
基板温度条件で作製したケイ酸ビスマス層では、特定方
位の回折線の強度が極めて強くなっていることから、生
成したケイ酸ビスマス層がシリコン基板上に結晶の方位
を揃えてエピタキシャル成長していることが理解され
る。また、７６０℃〜８００℃のうち、特定方位の回折
線が最もシャープに現れているのが図４に示す７８０℃
近傍であり、この基板温度条件でケイ酸ビスマス層を成
長させるとケイ酸ビスマスの結晶性が最も良好になるこ
とも判る。なお、上述したケイ酸ビスマス層の製法は一
具体例であり、本発明のケイ酸ビスマス層の製法はこの
具体例にのみ限定されることはない。

【００２４】このように本発明に係るケイ酸ビスマス層
は、以下述べる種々の半導体装置に適用して好ましい種
々の特性を備えている。例えば、シリコンと同じ立方晶
の結晶構造を有しており、しかも、シリコンの単位格子
定数（０．５４２ｎｍ）に対してケイ酸ビスマスの単位
格子定数（１．０４ｎｍ）がほぼ整数倍であるので、図
１６（Ａ）に示すように、シリコンの結晶を並べた上に
ケイ酸ビスマスの結晶を規則正しく並べることができ
る。さらに、このケイ酸ビスマスは所定の条件、すなわ
ち基板温度を７８０℃〜８００℃とすれば良質な結晶性
を示す。したがって、エピタキシャル成長が生じる要件
（すなわち、強誘電体等の薄膜を形成する基板が良質な
単結晶であること、および、基板と強誘電体等の薄膜の
単位格子の大きさが少なくとも２次元的に一致している
こと）を満足することができる。

【００２５】さらに、このケイ酸ビスマス層上に形成す
る強誘電体等の基本構造であるペロブスカイト構造の格
子定数（０．３７〜０．４ｎｍ）に対してケイ酸ビスマ
スの格子定数（１．０４ｎｍ）は、図１６（Ｂ）に示す
ように、０．４×２√２＝１．１３≒１．０４となり、ケイ酸ビスマスの結晶を並べた上に強誘電体等
の結晶を規則正しく並べることができるので強誘電体等
の結晶は良好にエピタキシャル成長を行うことになる。
また、常態では絶縁体であるが、不純物（例えば、リン
など）をドーピングすることにより半導体化できる性質
を備えているので、絶縁性を必要とする層としても用い
ることができ、半導性を必要とする層としても用いるこ
とができる。さらに、化学組成が単純で生成温度が比較
的低温であり、毒性がなく成膜が容易であることから、
製造工程における材料の取扱が簡単で特別な管理を必要
とせず、しかも原料コスト的にも有利である。

【００２６】図７は、上述した本発明のケイ酸ビスマス
層を用いた強誘電体メモリを示す断面図であり、シリコ
ン基板１にはｐ形シリコンを用い、イオン注入によりソ
ースおよびドレインにはｎ形拡散層４，５が形成されて
いる。これら拡散層間に位置するチャネル６の上面に
は、本発明に係るケイ酸ビスマス層３が形成されてお
り、このケイ酸ビスマス層３の上面に強誘電体層７が形
成されている。この強誘電体層７が、従来のＭＯＳ構造
における絶縁層を構成するため、本実施例のケイ酸ビス
マス層３はリン等をドーピングすることにより半導体化
しておく。強誘電体層７の上面に形成されたゲート電極
８はアルミニウムあるいはポリシリコンなどからなり、
ソース電極９およびドレイン電極１０もアルミニウムあ
るいはポリシリコンなどから構成されている。なお、図
中符号「１１」はフィールド酸化シリコン層ＳｉＯ₂で
ある。本実施例の強誘電体層７を構成する強誘電体とし
ては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ₃）、Ｂｉ
₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂等を例示することができる。

【００２７】このような強誘電体メモリを製造するに
は、まず、シリコン基板１の表面にフィールド酸化シリ
コン膜１１を局所酸化法（ＬＯＣＯＳ）により形成す
る。このフィールド酸化シリコン膜ＳｉＯ₂を形成する
には、シリコン基板１上に下敷酸化膜ＳｉＯ₂とナイト
ナイド膜Ｓｉ₃Ｎ₄を被着し、ホトエッチングによっ
て、後にトランジスタを形成する部分にナイトライド膜
Ｓｉ₃Ｎ₄を残し、ホトレジスト膜をマスクとしてＢを
イオン注入する。このＢは隣接する素子間を電気的に分
離するチャネル・ストッパの機能を司ることになる。そ
の後、水蒸気を用いた湿式酸化を行うとナイトライド膜
のない部分のシリコン基板が酸化されてフィールド酸化
シリコン膜１１が形成される。

【００２８】ついで、局所酸化法（ＬＯＣＯＳ）に用い
た下敷酸化シリコン膜とナイトライド膜を除去し、新た
に乾式あるいは塩酸酸化によってゲート酸化シリコン膜
を形成する。なお、本発明に係るケイ酸ビスマス層３
は、シリコン基板１上に直接堆積させることもできるの
で、このゲート酸化シリコン膜を省略しても良い。この
ようにして形成されたゲート酸化シリコン膜上（あるい
は直接シリコン基板上）に、既述した方法等によってケ
イ酸ビスマス層３を形成する。さらに、この結晶性が良
好なケイ酸ビスマス層３上に所望の強誘電体膜７を形成
した後に、ＳｉＨ₄ガスの熱分解等によりポリシリコン
を堆積し、導電性を付与するためにリン等を添加する。
そして、ホトエッチングとＣＦ₄ガス等を用いたドライ
エッチングによってポリシリコンゲート電極８を加工す
る。ついで、ポリシリコンゲート電極８をマスクとして
Ａｓイオンを注入して拡散層４，５を形成すると共に、
図示はしないが、層間絶縁膜とするＰを含んだＣＶＤ法
によるＳｉＯ₂膜（リンケイ酸ガラス、ＰＳＧ）を形成
する。最後に、ドライエッチングにて層間絶縁膜に電極
接続用の孔を開孔し、Ｓｉ入りアルミニウムＡｌをスパ
ッタ蒸着により堆積して、ソース電極９およびドレイン
電極１０を形成する。なお、アルミニウム電極９，１０
の加工はホトエッチングとＢＣｌ₃系ガスを用いたドラ
イエッチングによって行うことができる。

【００２９】このように構成された強誘電体メモリによ
れば、下地層を構成するケイ酸ビスマス層３が良質な単
結晶であり、シリコン基板１の格子定数と２次元的に良
好に一致しているため、強誘電体がエピタキシャル成長
をして成膜され、当該強誘電体層７が有する判別しきい
値、電圧値、動作速度、信頼性などの諸特性を遺憾なく
発揮することができる。なお、上述した強誘電体メモリ
の製造方法は一具体例であるので、本発明の半導体装置
はこれにのみ限定されるものではない。

【００３０】図８は、上述した実施例と同様に強誘電体
を用いたメモリを示す断面図であり、この場合は強誘電
体をキャパシタとし、本発明に係るケイ酸ビスマス層を
このキャパシタの下部電極として構成している。すなわ
ち、シリコン基板１にはｐ形シリコンを用い、イオン注
入によりソースおよびドレインにはｎ形拡散層４，５が
形成されており、一方の拡散層４が本実施例の強誘電体
メモリのビット線に接続される。これら拡散層間に位置
するチャネル６の上面には、ゲート酸化シリコン層１２
が形成されており、このゲート酸化シリコン層１２の上
面にポリシリコンなどからなるゲート電極１３が形成さ
れている。このゲート電極１３は本実施例の強誘電体メ
モリのワード線に接続される。他方の拡散層５の上面に
は、シリコン基板上に直接、あるいは酸化シリコン膜を
介して成膜された本発明のケイ酸ビスマス層３が形成さ
れており、さらに、このケイ酸ビスマス層３上に強誘電
体層７が形成されている。この強誘電体層７が、従来の
ＤＲＡＭ構造におけるキャパシタを構成するため、本実
施例のケイ酸ビスマス層３はリン等をドーピングするこ
とにより半導体化しておく。強誘電体層７の上面に形成
されたキャパシタの上部電極１４はポリシリコンなどの
酸化物導電体から構成されている。なお、図中符号「１
１」はフィールド酸化シリコン層ＳｉＯ₂、「１５」は
層間絶縁膜である。

【００３１】このように構成した強誘電体メモリによっ
ても、強誘電体層７（キャパシタ）の下部電極を構成す
るケイ酸ビスマス層３が良質な単結晶であり、シリコン
基板１の格子定数と２次元的に良好に一致しているた
め、強誘電体がエピタキシャル成長をして成膜され、当
該強誘電体層７が有する判別しきい値、電圧値、動作速
度、信頼性などの諸特性を遺憾なく発揮することができ
る。また、上部電極１４も酸化物導電体を用いているた
め、強誘電体層７と上下電極３，１４との界面付近に生
じる酸素欠乏領域を除去することができ、その結果、こ
の酸素欠乏領域の存在が原因と考えられる書換え回数
（分極スイッチング回数）の寿命を向上させることがで
きる。

【００３２】本発明に係るケイ酸ビスマス層は、光学特
性に富んだ非線形光学材料、磁気光学材料、電気光学材
料、音響光学材料などの各種酸化物光学材料を用いた光
集積回路の下地層として用いることができる。光集積回
路は、一つの基板の表面に屈折率が僅かに高い部分を作
って光導波路とし、これを基本として、光源であるレー
ザダイオードと、および機能素子であるスイッチ・変調
器などと、光検出素子であるダイオードとを集積化する
ことによって全体としてある機能を持たせるようにして
光回路である。このような光集積回路として、電気光
学、音響光学、磁気光学、非線形光学効果を持つ材料を
基板として導波路を形成し、光を導波路中に閉じ込めた
状態で、外部入力信号によって導波光を制御することに
より従来のバルク形デバイスとは異なる新たな機能を持
つ様々な導波光形デバイスを構成することができる。

【００３３】図９は、上述した酸化物光学材料を用いた
光集積回路における本発明に係るケイ酸ビスマス層の適
用例を示す断面図であり、シリコン基板１上に既述した
手法等によってケイ酸ビスマス層３が形成されている。
このケイ酸ビスマス層３はリンなどを添加することによ
り半導体化され、その上には、所望の光学特性を備えた
酸化物光学材料からなる酸化物光学材料層１６が形成さ
れ、光導波路を構成している。図中符号「１７」は外部
入力信号を取り込む電極、「１８」は光源である半導体
レーザ層であり、図示はしないが、図中右側に光検出素
子が配置されている。

【００３４】本実施例で用いられる酸化物光学材料とし
ては、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、Ａｓ₂Ｓ
₃膜、ＹＩＧ膜／ＧＧＧ、常磁性ガラス、ＺｎＯ膜など
を例示することができ、外部入力信号による光との相互
作用によって使い分けることが好ましい。例えば、外部
入力信号が電気である場合には、電気光学効果（ポッケ
ルス効果）により屈折率を変化させ、振幅・位相変調・
光路切り換え・偏向・回折・モード変換などの機能を司
るために、導波路材料としてＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃、Ｌ
ｉＴａＯ₃、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＴを用いることが好
ましい。また、外部入力信号が音波である場合には、音
響光学効果（光弾性効果）により屈折率を変化させ、偏
向・回折・モード変換・単一側帯波発生などの機能を司
るために、導波路材料としてＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃、Ａ
ｓ₂Ｓ₃膜を用いることが好ましい。外部入力信号が磁
界である場合には、磁気光学効果（ファラデー効果）に
より偏波面を回転させ、非相反性・モード変換などの機
能を司るために、導波路材料としてＹＩＧ膜／ＧＧＧ、
常磁性ガラスを用いることが好ましい。さらに、外部入
力信号が光である場合には、非線形光学効果により分極
誘起を生じさせ、２次高調波発生・パラメトリック増幅
などの機能を司るために、導波路材料としてＴｉ拡散Ｌ
ｉＮｂＯ₃、ＺｎＯ膜、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＴを用い
ることが好ましい。

【００３５】このように構成した光集積回路によれば、
酸化物光学材料を良好にエピタキシャル成長させること
ができるため、その酸化物光学材料が備える優れた光学
特性を遺憾なく発揮させることができ、光変調器、光ス
イッチ（電気光学効果を利用する）、光アイソレータ
（磁気光学効果を利用した光を一方向にのみ通す素子で
逆光の防止に応用する）、波長変換器（非線形光学効果
を利用して波長変換を行い半導体レーザー光を青色レー
ザー光に変換する）、光変調器（音響光学効果を利用し
て光の進む方向を電気信号で制御する）、光センサ、光
磁気センサ、圧電素子などに応用して好ましい。

【００３６】図１０は、酸化物超伝導体を用いたジョセ
フソン接合素子における本発明に係るケイ酸ビスマス層
の適用例を示す断面図である。ジョセフソン接合素子
は、２つの超伝導体が薄い絶縁膜で隔てられていると
き、絶縁膜を電子対がトンネル効果で通過して生じると
いうジョセフソン効果を利用した回路素子であり、スイ
ッチ素子や高速電子計算機等に応用することができる。
この具体例では、シリコン基板１上に既述した手法等に
よってケイ酸ビスマス層３を形成し、リンなどを添加す
ることにより半導体化した後に、この上に酸化物超伝導
体からなる層１９を形成している。なお、図中符号「２
０」はジョセフソン接合素子のチャネルである。本実施
例で用いられる酸化物超伝導体としては、ＹＢａ₂Ｃｕ
₃Ｏ₇、Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀、Ｔｌ₂Ｂａ₂
Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₁₀などを挙げることができる。

【００３７】上述した酸化物超伝導体の超伝導転移温度
および臨界電流密度は、超伝導体の結晶性と密接な関係
があり、結晶性を高めないと超伝導特性を示さないこと
が知られている。しかしながら、本実施例によれば、超
伝導体の下地層を構成するケイ酸ビスマス層３が、既述
したように良質な単結晶であり、シリコン基板１の格子
定数と２次元的に良好に一致しているため、超伝導体１
９がエピタキシャル成長をして成膜され、良好な超伝導
特性を示すことになる。

【００３８】上述した酸化物超伝導体は、ジョセフソン
素子以外にも、例えば半導体装置の配線用材料として用
いることもできる。図１１は、酸化物超伝導体を半導体
装置電極や配線材料として用いるときのケイ酸ビスマス
層の応用例を示す断面図である。本実施例では、半導体
装置としてＭＯＳ形半導体を例示しており、シリコン基
板１にはｐ形シリコンを用い、イオン注入によりソース
およびドレインにはｎ形拡散層４，５が形成されてい
る。これら拡散層間に位置するチャネル６の上面には、
本発明に係るケイ酸ビスマス層３が形成されており、こ
のケイ酸ビスマス層３の上面に酸化物超伝導体からなる
ゲート電極２１が形成されている。この場合、ケイ酸ビ
スマス層３が、従来のＭＯＳ構造におけるゲート絶縁層
を構成するため、チャネル上部のケイ酸ビスマス層３は
半導体化することなく絶縁体のまま成膜する。これに対
して、ソースおよびドレインとなる拡散層４，５の上面
にもケイ酸ビスマス層３が形成され、これらケイ酸ビス
マス層上に酸化物超伝導体からなるソース電極２２およ
びドレイン電極２３が形成されている。この拡散層上に
形成するケイ酸ビスマス層３は、リン等を添加すること
により半導体化しておく。なお、図中符号「１１」はフ
ィールド酸化シリコン層ＳｉＯ₂である。

【００３９】このように構成した半導体装置では、超伝
導体からなる電極や配線２１，２２，２３の下地層が、
既述したように良質な単結晶であってシリコン基板１の
格子定数と２次元的に良好に一致しているケイ酸ビスマ
ス層３であるため、超伝導体２１，２２，２３がエピタ
キシャル成長をして成膜され、良好な超伝導特性を示す
ことになる。したがって、従来の電極・配線材料である
アルミニウムやポリシリコンなどに比べて電気抵抗が極
めて小さくなり半導体装置の消費電力を低減することが
できる。

【００４０】また、本発明に係るケイ酸ビスマス層は、
その高誘電率を利用してＤＲＡＭのキャパシタとして用
いることができる。図１２は、ＤＲＡＭのキャパシタ誘
電体膜に本発明に係るケイ酸ビスマス層を応用した具体
例を示す断面図である。シリコン基板１にはｐ形シリコ
ンを用い、イオン注入によりソースおよびドレインには
ｎ形拡散層４，５が形成されており、一方の拡散層４が
集積回路のビット線に接続される。これら拡散層間に位
置するチャネル６の上面には、ゲート絶縁層を構成する
酸化シリコン層２４が形成されており、このゲート酸化
シリコン層２４の上面にポリシリコンなどの酸化物導電
体からなるゲート電極２５が形成されている。このゲー
ト電極２５は集積回路のワード線に接続される。

【００４１】他方の拡散層５の上面には、シリコン基板
上に直接、あるいは酸化シリコン膜を介して成膜された
本発明のケイ酸ビスマス層３が形成されており、さら
に、このケイ酸ビスマス層３上にはポリシリコンなどの
酸化物導電体からなる電極２６が形成されている。この
電極２６はＤＲＡＭにおける固定電位に接続される。本
実施例のケイ酸ビスマス層３は、ケイ酸ビスマス層３自
体がＤＲＡＭ構造におけるキャパシタを構成するため、
半導体化することなく絶縁体のまま成膜する。なお、図
中符号「１１」はフィールド酸化シリコン層ＳｉＯ₂で
ある。

【００４２】このような本実施例に係るＤＲＡＭは、以
下のようにして製造することができる。すなわち、ま
ず、ｐ形シリコン基板１上に、例えばＳｉＮを用いた選
択酸化法により素子領域間の分離のためのフィールド酸
化シリコン層１１を形成する。このフィールド酸化シリ
コン層１１の上に、既述した手法によってケイ酸ビスマ
ス層３を形成し、さらに、このケイ酸ビスマス層３上に
ポリシリコンなどの導電体からなる電極２６を形成す
る。これにより、ＤＲＡＭのキャパシタが形成される。
次いで、トランジスタ集積回路のゲート電極２５とワー
ド線を形成するために、酸化シリコン層２４（ゲート絶
縁層）を形成した後に、ポリシリコンなどの酸化物導電
体を堆積してゲート電極２５を形成する。このゲート電
極２５をマスクとしてＡｓなどのｎ形イオンを注入し拡
散層４，５を形成し、その上に層間絶縁層である酸化シ
リコン層１５を形成する。なお、図示はしないが、トラ
ンジスタ集積回路のビット線に接続される電極は、層間
絶縁層１５を開孔してＳｉ入りアルミニウムをスパッタ
蒸着により堆積することにより行われる。このようなＤ
ＲＡＭの製法は、本実施例に係るＤＲＡＭを得るための
一具体例であって、特に限定されることはない。

【００４３】このように本発明に係るケイ酸ビスマス層
をＤＲＡＭのキャパシタとして用いると、従来のトレン
チ型あるいはスタック型などのような複雑な製造工程を
経なくとも、簡単な構造および製造工程で良好な結晶性
を有する高誘電率膜（誘電率ε_r＝５６）を形成するこ
とができる。したがって、ＤＲＡＭの製造工程を簡略化
すると同時に、集積度向上に必要とされるプレーナ型へ
の再転換が可能となり、低コスト・高集積である半導体
装置を得ることができる。

【００４４】なお、本発明は上述した実施例のみに限定
されることなく本発明の要旨を越えない範囲で種々の改
変は可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、シリ
コン基板または酸化シリコンなどのシリコン系層の表面
にケイ酸ビスマス層を形成したので、酸化物セラミック
層を良好にエピタキシャル成長させることができ、高誘
電率・強誘電体材料、超伝導体材料、光学特性に富んだ
非線形光学材料・磁気光学材料・電気光学材料・音響光
学材料など各種の酸化物セラミック薄膜を用いた諸特性
に優れた半導体装置を得ることができる。また、前記ケ
イ酸ビスマス層をＤＲＡＭのキャパシタとして用いれ
ば、トレンチ型あるいはスタック型などのような複雑な
製造工程を経なくとも、プレーナ型の簡単な構造および
製造工程で良好な結晶性を有する高誘電率膜を形成する
ことができる。これにより、低コスト・高集積のＤＲＡ
Ｍを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る半導体装置を示す断面
図であり、（Ａ）はシリコン基板上に酸化ビスマス層を
形成する前の状態を示し、（Ｂ）は酸化ビスマス層を形
成した状態を示す。

【図２】ケイ酸ビスマス粉末のＸ線回折図である。

【図３】本発明の一実施例に係るケイ酸ビスマス層を基
板温度が７６０℃の条件で形成したときのＸ線回折図で
ある。

【図４】本発明の一実施例に係るケイ酸ビスマス層を基
板温度が７８０℃の条件で形成したときのＸ線回折図で
ある。

【図５】本発明の一実施例に係るケイ酸ビスマス層を基
板温度が８００℃の条件で形成したときのＸ線回折図で
ある。

【図６】本発明の一実施例に係るケイ酸ビスマス層を基
板温度が８２０℃の条件で形成したときのＸ線回折図で
ある。

【図７】本発明の他の実施例に係る半導体装置を示す断
面図である。

【図８】本発明のさらに他の実施例に係る半導体装置を
示す断面図である。

【図９】本発明のさらに他の実施例に係る半導体装置を
示す断面図である。

【図１０】本発明のさらに他の実施例に係る半導体装置
を示す断面図である。

【図１１】本発明のさらに他の実施例に係る半導体装置
を示す断面図である。

【図１２】本発明のさらに他の実施例に係る半導体装置
を示す断面図である。

【図１３】強誘電体の電界Ｅに対する分極Ｐの関係を示
すヒステリシス曲線である。

【図１４】従来の強誘電体を用いた不揮発性ＲＡＭを示
す断面図である。

【図１５】従来の強誘電体および金属電極の断面構造と
組成比を説明する図である。

【図１６】（Ａ）はシリコン単結晶とケイ酸ビスマス結
晶の結晶構造の基本ユニットを示す平面図、（Ｂ）はケ
イ酸ビスマス結晶の結晶構造とペロブスカイト構造の基
本ユニットを示す平面図である。

【符号の説明】

１…シリコン基板（シリコン系層）２…酸化シリコン層（シリコン系層）３…ケイ酸ビスマス層７…強誘電体層１６…酸化物光学材料層１９，２１，２２，２３…酸化物超伝導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板または酸化シリコンなどのシ
リコン系層の表面にケイ酸ビスマス層を形成したことを
特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記ケイ酸ビスマス層は半導性であること
を特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】前記ケイ酸ビスマス層上に強誘電体層を形
成したことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】前記ケイ酸ビスマス層上に酸化物光学材料
層を形成したことを特徴とする請求項２に記載の半導体
装置。
【請求項５】前記ケイ酸ビスマス層上に酸化物超伝導体
層を形成したことを特徴とする請求項２に記載の半導体
装置。
【請求項６】前記ケイ酸ビスマス層はダイナミックラン
ダムアクセスメモリのキャパシタであることを特徴とす
る請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】シリコン基板または酸化シリコンなどのシ
リコン系層の表面に、雰囲気温度が７６０℃から８００
℃の状態下でビスマス成分を含む気体を供給し、ケイ酸
ビスマス層を形成することを特徴とする半導体装置の製
造方法。