JP3607194B2 - Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, and semiconductor substrate - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、半導体基板、とりわけ歪みSi層を活性領域とする半導体装置、半導体装置の製造方法、半導体基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
Si半導体素子、とりわけMOSFETトランジスタの性能は、大規模集積回路(LSI)の進歩と共に年々向上している。しかしながら、近年リソグラフィ技術の微細化への限界、Siの理論的移動度へのキャリア移動度への接近などが指摘され、MOSFETのさらなる高性能化への困難さが増している。
【0003】
また、一般に半導体素子の高性能化への施策として、例えばSiよりも理論的移動度の速いGaAs半導体結晶やSiC半導体結晶などのSiとは異なる結晶を用いてより高性能化を実現する方法が検討されている。
【0004】
しかしながらGaAs半導体結晶やSiC結晶では、現在多く用いられているSiデバイスの製造プロセスとの混在が困難であるため、素子開発に多大な時間と労力が必要であり、実際に大量生産を行う場合には製造ラインの完全な見直しや置き換えが要求される。
【0005】
そこで、現在多く用いられているSiデバイス製造プロセス技術や製造装置のノウハウを生かしつつ、より短い開発期間、より低い投資効率で実現可能な高性能Si系半導体素子の開発が切望されている。
【0006】
このために、Siの電子移動度を向上させSi−MOSFETを高性能化する研究が行われている。Siの移動度を向上させる方法のひとつとしてSi層に歪みを印加する技術が注目されている。一般に半導体層に歪みを印加すると、そのバンド構造が変化し、チャネル中のキャリアの散乱が抑制されるため電子移動度の向上が期待できる。
【0007】
具体的には、Si基板上にSiよりも格子定数の大きな材料からなる混晶層、例えばGeを20%含むSiGe混晶層(以下、単にSiGe層という)を格子緩和するように厚く(数μm)形成し、この格子緩和SiGe層上に薄いSi層(数nm)を形成すると、SiGeとSiの格子定数の差によって歪みのかかった歪Si層が形成される。
【0008】
このような歪Si層をMOSFETのチャネルに用いると、歪みのないSi層をチャネルに用いた場合の約1.76倍と大幅な電子移動度の向上を達成できることが報告されている(J.Welser, J.L.Hoyl,S.Tagkagi, and J.F.Gibbons,IEDM 94−373)。
【0009】
また、Siの電子移動度を向上させる別の方法として、MOSFETのチャネル長をより短くする短チャネル化の方法がある。しかしながら短チャネル化をすすめると浮遊容量の影響が大きくなるため、期待通りに電子移動度を向上することが困難になる。
【0010】
これを解決するため、Si基板上に絶縁膜を介してSi層を形成したSOI(silicon on insulator)層中にチャネル層を設ける構造が注目されている。この構造では絶縁膜により完全にアイソレーションされるので、浮遊容量の低減や素子分離が容易となり、さらなる低消費電力化、高集積化が実現すると期待されている。
【0011】
そこで電子移動度の向上を期待できる歪Si層を、浮遊容量の低減や素子分離が容易となるSOI構造に適用した半導体素子構造に適用する試みがされてきた。図1を参照しこの構造について説明する。
【0012】
先ず、図1Aに示すように、予めSi基板1上にSiO絶縁膜2と10nm〜30nmのSOI層3が形成されたSOI基板を準備し、このSOI基板上にSiより格子定数の大きいGe濃度20%のSiGe層4をSOI層3よりも十分厚く形成する。
【0013】
次に、図1Bに示すように、窒素雰囲気中で1100℃のアニールを1時間施すことによってSiGe層4からSOI層3に印加された引っ張り歪み(STRAIN)によって、SOI層3が塑性変形し格子緩和する。同時にSiGe層4も格子緩和する。この塑性変形によってSOI層3中には貫通転位やミスフィット転位などの転位33が発生する。
【0014】
次に、格子緩和SiGe層4上に薄膜のSiを形成することによって、引っ張り歪みを有する歪Si層5を形成できる。
【0015】
従来SOI層3中に発生する転位33の大部分は、格子緩和したSOI層3中に生じ、かつこの層中に閉じこめられるため、格子緩和SiGe層4中には伝搬しないと考えられてきた。
【0016】
しかしながら、格子緩和のために窒素雰囲気中で1時間1100℃の条件でアニールを施すと1個/10μm程度の密度で、SiGe層4の表面にも伝播し、この欠陥が歪Si層5の結晶性を劣化させることが分かった。この後の歪Si層5にMOSFET等の半導体素子を形成するのであるが、歪Si層5の結晶性の劣化は半導体素子の特性を大きく劣化させる可能性がある。このことは半導体素子が微細化されるほど顕著になると予想される。
【0017】
また、SiGe層4を格子緩和させるときに生じた欠陥は、この後のゲート、電極などの形成プロセスやイオンドーピング後の結晶性回復アニールなどの高温処理過程でも増幅する場合があり、さらに歪Si層5の結晶性を劣化させる可能性がある。
【0018】
SOI層3に発生し格子緩和させるための転位33をSiGe表面に伝播させないためにはSiGe層4を数μm以上形成しなければならない。
【0019】
しかしながら浮遊容量の影響を抑えるといったSOI基板構造の効果を十分に発揮するためにはSiO絶縁層2からチャネル層である歪Si層5までの厚みを極力抑えることが必要である。したがって数μmのSiGe層4を形成しなければならないこの方法ではSOI基板構造の効果を十分発揮できない。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の方法では、SOI基板上に形成されるチャネル層となる歪Si層を備えた半導体デバイスは、欠陥を抑えるためにはSOI基板絶縁膜上の膜厚が厚くなり、SOI基板絶縁膜上の膜厚を薄く形成すれば欠陥が増幅するという問題を有している。
【0021】
そこで本発明は、SOI基板絶縁層上の膜厚の薄膜化およびチャネル層となる歪層の欠陥の低減を両立でき、十分な歪みをチャネル層に印加し、より高性能な半導体素子を低コストに形成できる半導体装置、半導体基板の製造方法、半導体基板を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に実質的に接して形成され格子緩和した第1の半導体層と
前記第1の半導体層上に形成されその格子定数が前記第1の半導体層の格子定数よりも小さくかつ引っ張り格子歪を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に選択的に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜直下の前記第2の半導体層の表面に形成されたチャネル領域と、
少なくとも前記第2の半導体に、前記チャネル領域を介して互いに離れて設けられたソース・ドレイン領域とを具備し、
前記第1の半導体層はSiGe層であり、かつ前記基板側のGe組成が30atm%以下で、前記第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大である傾斜組成を有し、前記第2の半導体層がSiであり、
前記第1の半導体層の厚さは80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが100nm以下であることを特徴とする半導体装置である。
【0023】
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
第1の半導体層が第2の半導体層上に形成された積層層を形成する工程と、
前記基板と前記積層層とを前記絶縁膜及び前記第1の半導体層を合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の少なくとも一部とが残るように前記積層層を除去し、格子緩和された前記第1の半導体層と、引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
第1の半導体層が第2の半導体層上に形成された積層層を形成する工程と、
前記積層層の前記第1の半導体層上に絶縁膜を積層する工程と
前記基板と前記積層層とを、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記第1の半導体層上に形成された絶縁膜とを合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の少なくとも一部とが残るように前記積層体を除去し、格子緩和された前記第1の半導体層と、引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【0024】
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記基板上に形成された絶縁膜と前記第1の半導体層とを合わせるように、前記基板と前記半導体基板とを貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し、前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記基板と前記半導体基板とを、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記第1の半導体層上に形成された絶縁膜とを合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し、前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【0025】
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記基板上に形成された絶縁膜と前記第1の半導体層とを合わせるように、前記基板と前記半導体基板とを貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記基板と前記半導体基板とを、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記第1の半導体層上に形成された絶縁膜とを合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し、前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、
基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に実質的に接して形成され格子緩和した第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成されその格子定数が前記第1の半導体層の格子定数よりも小さくかつ引っ張り格子歪を有する第2の半導体層とを有し、
前記第1の半導体層はSiGe層であり、かつ前記基板側のGe組成が30atm%以下で、前記第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大である傾斜組成を有し、前記第2の半導体層がSiであり、
前記第1の半導体層の厚さは10nm以上80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは10nm以上50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが30nm以上100nm以下であることを特徴とする半導体基板である。
【0026】
本発明において前記第2の半導体層の格子定数は第1の半導体層の格子定数よりも小さいものを使用する。第1の半導体層として代表的な材料は、SiGeであり、第2の半導体層として代表的な材料はSiである。
【0027】
ところで、SiとGeの共有結合半径は、それぞれ1.17および1.22である。
【0028】
通常のエピタキシャル成長技術でSi基板上でSiGe層とSi層をこの順で積層すると、図2Aに示すようにSiGe層4′の格子は下のSi層3の格子に整合して縦長に変形し、SiGe層4′に図の縦方向の引っ張り歪が生じる。このようなSiGe層4′上に形成されたSi層5′は十分な引っ張り歪が加わらない。
【0029】
また例えば特開平11−121377号公報にはB(ホウ素)の共有結合半径が0.88であることを利用してSiGe層にドーパント濃度の1020〜1021原子/cmのBを添加させたものである。この技術はSOI基板作成時の水素剥離法においてカット後のCMPを不要にするものである。図2Bはこの技術における格子整合を模式的に示したものであり、Si層にB添加SiGe層4´´が積層されており、さらにSi層5´を積層する。B添加SiGe層4´´はエッチングストッパとして使用されるもので後で除去される。上記の文献ではSi層5´をデバイス層とすることができるとしているがこのSi層は工程中においてSiGe(B)層4´´から熱拡散されるBを含有し残留圧縮歪を有することになる。このデバイス層としてのSi層5´には歪は加わらない。
【0030】
また、デバイス層として歪Si層を形成するためには前述の図1A及び図1BのようにしてSi/SiGe/Siの3層構造を形成する方法によっても達成できるが、Si層5に転位33が伝播するという問題があった。
本発明の半導体装置及び半導体基板では図2Cに示すように格子緩和されたSiGe層4をシリコン酸化膜上2上に実質的に接して形成し、その上にSi層5を張り合わせ法などにより形成する。このときSi層5には格子緩和SiGe層4により、図の横方向に十分な引っ張り歪が生じる。また、図2Aに示すような転位33が生じたSOI層3も持たないため、歪Si層5の結晶性を劣化させるという問題点も生じない。
【0031】
また、本発明の製造方法は、SiGe層を格子緩和させるために従来技術のような高温アニール工程を用いる必要がない。このため高温アニールより貫通転位などがSOI層に導入されこれらがチャネルを形成する歪Siデバイス層に到達して素子特性を劣化させることがない。したがって本発明ではSiGe層の厚さを従来技術より薄くすることができ、絶縁層上のSiGe層、Si層の合計厚さを従来の約2/3程度にまで薄膜化することが可能になる。従ってSOI構造の効果を失わずに、欠陥のない高品質で十分な歪みを半導体デバイス層に印加できる。
【0032】
本発明において、第1の半導体層の厚さは80nm以下、第2の半導体層の膜厚は10nm以上50nm以下、第1の半導体層及び第2の半導体層の合計の総厚さが100nm以下であることが望ましい。それにより欠陥のない良好な歪半導体膜を形成できる。
【0033】
本発明の半導体装置及び半導体基板において、第2の半導体層はSi、第1の半導体層は、第2の半導体層側のGe組成が100%未満、第2の半導体層と反対側が0%より大であるSiGe層であるが望ましい。さらに望ましくは第2の半導体層がSiであり、第1の半導体層は少なくとも第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大きいSiGe層であることが望ましい。
【0034】
また、本発明において、第1の半導体層を傾斜組成として第1の半導体層の格子間距離を厚さ方向に不均一としてもよい。例えば第1の半導体層の、第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大であるSiGe層であり、第2の半導体層と反対側のGe組成が30atm%未満であることが望ましい。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
【0036】
(第1の実施形態)
図3は本発明の第1の実施例に係る半導体基板の製造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
【0037】
先ず、図3Aに示すように、Si基板1上に予めSi酸化膜2を形成する。Si酸化膜2は、dry酸化膜、wet酸化膜等の熱酸化膜やCVD(Chemical Vapor Deposition)膜、溶液処理によるwet酸化膜など広く用いられる方法で形成できる。
【0038】
次に、図3Bに示すように、別のSi基板21上に予めSiGe層4を形成する。SiGe層4は基本的にはアンドープとされる。またSiGe層4は少なくともSi基板21側のGe組成が100%未満、表面側のGe組成が0%より大きいことが必要である。さらにSiGe層4は高性能化のために30atm%より大、少なくともSi基板21側のGe組成を30atm%より大とすることが望ましい。Ge組成を30atm%より大きくすると、歪Si層における電子移動度を高くすることができるからである。一方、SiGe層4のGe組成は80atm%以下であることが望ましい。
【0039】
SiGe層4は、CVD(Chemical Vapor Deposition)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、スパッタープロセスなどにより形成することができる。SiGe層4をCVDで形成する場合は、Siの原材料ガスとGeの原材料ガスを、例えば550℃に加熱したSi基板21上に導入して積層する。
【0040】
次に、Si酸化膜2の上面2sとSiGe層4の上面4sを合わせて、基板1と21を張り合わせる。張り合わせ方法の一例としては、数百度(例えば400〜700℃)程度の事前アニールと、張り合わせ面を強固にするための高温アニール(例えば、窒素中、1100℃、1時間)が施される。この工程ではSiGe層4を格子緩和させていないので転位の発生はない。
【0041】
次に、図3Cに示すようにSi基板21を剥離する。このときSi基板21から受けていた圧縮歪が開放されSiGe層4が格子緩和される。
【0042】
このときSi基板21の表面のSi層5をごく薄く残すようにするとSiGe層4が格子緩和されると同時に、Si層5に引っ張り歪が導入される。こうすることで転位やピットや突起のない良好な歪Si層5を形成できる。
【0043】
このようにしてSi基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜2と、このSi酸化膜2上に張り合わせにより形成された格子緩和SiGe層4と、この格子緩和SiGe層4上に形成された歪Si層5からなる半導体基板が形成される。
【0044】
Si酸化膜2と格子緩和SiGe層4とは実質的には直接接しているがその界面に0〜5nmより好ましくは0〜2nmの界面バッファ層を有していてもよい。この界面バッファ層は例えばSiからなるものが挙げられる。
【0045】
研磨或いは剥離工程をSiGe層4までおよぼして、先ずSiGe層4を格子緩和させ、次にMBEやCVD法によってシリコン層をごく薄く再成長させることによって歪Si層5を形成することも可能である。
【0046】
このように予めSiGe層4が形成されていたSi基板21を除去することによってSiGe層4を格子緩和させるには10nm以上80nm以下、このSiGe層4に形成される歪Si層5の膜厚は10以上50nm以下、SiGe層4と歪Si層5の総厚さが30以上100nm以下であることが望ましい。それにより欠陥のない良好な歪半導体膜を形成できる。
【0047】
また、Si基板21の除去あるいは薄膜化は、研磨、例えば薬液や研磨剤を用いて厚みを薄くする化学研磨や化学機械研磨、また薄膜化後の厚みの均一性を改善できるPACE(plasma assisted chemical dry etching)法などを用いればよい。また事前にSiGe層4またはSi基板21に水素を注入し、その後水素を注入した面から剥離する水素剥離法やSi基板21を酸化後HF溶液などで剥離する薄膜化法などを用いてもよい。
【0048】
本発明では、張り合わせ工程前のSi基板21上に、例えば50nmと十分に薄いSiGe薄膜4を形成した場合は、SiGe層4が圧縮歪みを印加された層として存在する。しかしながらこの圧縮されたSiGe層4は、張り合わせ後、Si基板21を薄膜化あるいは剥離することによってSi基板21からSiGe層4への歪み印加効果が薄れる。こうしてSiGe層4は歪みを開放することができる。その結果、本発明の目的であるSiデバイス層へ歪みを印加するストレッサーとしての機能を発揮する。
【0049】
Si基板21を除去する際の位置は、Si基板21の厚み、結晶性などのプロセスの仕様によって異なる。この時、例えば溶液エッチング、あるいは水素注入後の剥離工程を用いた場合は、剥離後の表面に荒れが生じることがある。特にPACE法ではプロセスに起因の欠陥が表面から導入されることもある。
【0050】
これらの場合は、薄膜化後に例えば水素、アルゴン、窒素、酸素などの雰囲気中にてアニールを施して、Si基板21の結晶表面あるいは結晶内部の回復を行う工程を付加すると、より均一で高品質な薄膜プロセスが実現する。
【0051】
Si基板1やSi基板21は、CZ、FZ、MCZ基板などが用いられる。特に、Si基板21を薄膜化あるいは剥離後にその表面をそのままSiデバイス層として利用する場合は、結晶性向上のために酸素析出の少ないFZ基板の適用が効果的である。
【0052】
また、Si基板21中の不純物の密度や種類を選択することによって、所望の抵抗値をSi基板21の表面に事前に作り込むことも可能である。
【0053】
以上のようにして形成された所望の厚みの歪Siデバイス層5を有するSOI構造は、図1に示す半導体基板と比べて、Si酸化膜絶縁層2上の合計厚みを2/3程度にまで薄くすることが可能である。また、SiGe層4表面に現れる転位密度は、10%以上低減し、より高品質な歪Siデバイス層5を形成できる。
【0054】
図12は上述の歪シリコン層5に形成されたMISFET(MOSFET)の断面図である。このMISFETは以下のようにして形成される。まず歪Si層5の表面を熱酸化して10nm程度の薄いゲート酸化膜101が形成される。次に閾値電圧調整用のたとえばn型不純物イオンがゲート酸化膜101を介してチャネル領域に注入され、n型チャネル領域が形成される。
【0055】
次にゲート酸化膜101上にゲート電極102となるポリシリコン膜2を減圧CVD法により形成した後、このポリシリコン膜をRIE(Reactive Ion Etching)によりパターンニングして、ゲート電極102が形成される。
【0056】
次にゲート電極102をマスクにして、リンイオンなどのn型不純物イオンを選択的に注入した後、例えば800℃程度のアニール処理を施すことにより、n型ソース領域103、n型ドレイン領域104がゲート電極102に自己整合的に形成される。このようにしてnチャネル型MISFETが形成されるが、不純物をp型に変更することによりpチャネル型MISFETも同様にして形成できる。
【0057】
上記のように形成されたMISFETは、歪Si層中に形成されているので、チャネル領域における電子散乱が抑制され電子移動度が向上する。またMISFETは厚さ100nm以下の薄いSOI層に形成されているので、電子移動度の向上に加えて寄生容量も低減される。この結果駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0058】
(第2の実施形態)
図4は本発明の第2の実施例に係る半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【0059】
本実施例においては、Si基板21上にエピタキシャルSi層6を形成後、SiGe層4を積層し、このSiGe層4上にSi酸化膜9を形成したものが張り合わせ基板の一方として使用される。
【0060】
先ず、図4Aに示すように、Si基板1上に予め第1の実施例と同様にSi酸化膜2を形成する。
【0061】
次に図4Bに示すようにあらかじめ別のSi基板21上に素子形成層となるSi層6がエピタキシャル法により形成され、このSi層6上に第1の実施例と同様にSiGe層4が形成される。SiGe層4は基本的にはアンドープとされる。またSiGe層4は少なくともSi層6側のGe組成が100%未満、Si層6とは反対側のGe組成が0%より大であることが必要である。さらにSiGe層4は、高性能化のために少なくともSi層6側、より望ましくは全体のGe組成を30atm%より大とすることが望ましい。Ge組成を30atm%より大きくすると、歪Si層における電子移動度を高くすることができるからである。一方、SiGe層4のGe組成は80atm%以下であることが望ましい。
【0062】
さらにこの後SiGe層4上にSi酸化膜9を形成する。
【0063】
次に、図4Cに示すように、Si酸化膜2の上面2sとSi酸化膜9の上面9sと合わせて、2つのSi基板1及び21を実施例1と同様に張り合わせる。この結果図4Cに示すように、Si酸化膜2とSi酸化膜9が一体化してSi酸化膜12となる。張り合わせ後はSi基板12の剥離が行われる。
【0064】
張り合わせ後に、水素注入によって剥離を行う場合はSi層6とSi基板21の界面もしくは、Si層6側に水素を注入後、Si基板21が剥離される。このようにすることでSi基板21から受けていた圧縮歪が開放されSiGe層4が格子緩和されると同時に素子形成層となるSi層6に歪が導入される。
【0065】
このようにして、Si基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜12と、このSi酸化膜12上に張り合わせにより形成された格子緩和SiGe層4と、この格子緩和SiGe層4上に形成された歪Si層6からなる半導体基板が形成される。
【0066】
このようにして形成された歪Si層6は、CZ基板中に含まれる酸素析出や不純物が少なく、所望の抵抗値を有する理想的な薄膜層が実現する。
【0067】
Si酸化膜2と格子緩和SiGe層4とは実質的には直接接しているがその界面に0〜5nmより好ましくは0〜2nmの界面バッファ層を有していてもよい。この界面バッファ層は例えばSiからなるものが挙げられる。
【0068】
第2の実施例では、予め素子形成層となるSi層6を所望の電気特性を示すように形成できるので再成長過程を必要としない。また、SiGe層4を形成した後に、さらにシリコン酸化膜9を形成し、酸化膜2と9同士を張り合わせすることによって、よりSiGe層4に与える影響を低減できる。
【0069】
また、清浄雰囲気中にてプロセスが連続に進行する場合以外で、例えば大気中を介してプロセスを行う場合は、SiGe層4の上に酸化膜が形成されている場合が想定され、意図せずに図4B中のシリコン酸化膜9の形成されることもある。
【0070】
以後、第1の実施例と同様に図12に示すMISFETが歪Si層に形成される。第2の実施例においても駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0071】
(第3の実施形態)
図5は本発明の第3の実施例に係る半導体基板の製造方法を段階的に示す半導体基板の断面図である。
【0072】
第3の実施例は、図5Cに示すSiGe層7が膜厚方向に組成の分布を有することである。即ち図6に示すようにSiGe層7中のGe濃度がSi基板1側にて低濃度、歪Si層8側にて高濃度になるように結晶成長が行われる。これによりSiGe層7の格子間距離を厚さ方向に不均一となる。
【0073】
このときSi基板1側のGe組成が0%より高く、Si層8側のGe組成が100%未満であることが必要である。具体的にはSi基板1側のGe濃度が0atm%より高く30atm%以下で、歪Si層8側のGe濃度が30atm%より大きく100atm%未満、より好ましくは80atm%以下であるようにSiGe層7中のGe組成を制御することが望ましい。
【0074】
このようにSiGe層7の組成を制御することによって、Si酸化膜2とSiGe層7の界面から発生した転位はSiGe層7中をループが形成するように進行し、SiGe層7と歪Si層8の界面には届かない。よってより良好な歪Si層8を提供できる。
【0075】
以下半導体基板の製造方法を説明する。
【0076】
先ず、図5Aに示すように、Si基板1上に第1の実施形態と同様に予めSi酸化膜2を形成する。
【0077】
次に、図5B及び図6に示すように、Si基板21上にSiGe層7を形成する。このときのGe組成は、上記したようSi基板21からGe組成が徐々に少なくなるように制御した。
【0078】
次に、Si酸化膜2の上面2sとSiGe層7の上面7sを合わせるように、2つのSi基板と21を第1の実施例と同様に張り合わせる。
【0079】
次に、第1の実施例と同様にSi基板21を剥離し、SiGe層7を格子緩和させる。
【0080】
このときSi基板21の表面のSi層をごく薄く残すようにするとSiGe層4が格子緩和されると同時に、Si層8に引っ張り歪が導入される。こうすることで転位やピットや突起のない良好な歪Si層8を形成できる。
【0081】
このようにして、Si基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜2と、このSi酸化膜2上に張り合わせにより形成されGeの組成が徐々に変化した格子緩和SiGe層7と、この格子緩和SiGe層7上に形成された歪Si層8からなる半導体基板が形成される。
【0082】
Si酸化膜2と格子緩和SiGe層7とは実質的には直接接しているがその界面に0〜5nmより好ましくは0〜2nmの界面バッファ層を有していてもよい。この界面バッファ層は例えばSiからなるものが挙げられる。
【0083】
研磨或いは剥離工程をSiGe層7までおよぼして、先ずSiGe層7を格子緩和させ、次にMBEやCVD法によってシリコン層をごく薄く再成長させることによって歪Si層8を形成することも可能である。
【0084】
また、本実施例では、SiGe層7中のGe濃度は、Si酸化膜2に近いほど低いため、Si酸化膜2とSiGe層7の界面で発生した欠陥はSi酸化膜2側に閉じこめられて、張り合わせ後のSiGe層7の歪Si層8との界面は格子緩和したSiGe層が得られる。それにより良好に緩和したSiGe層7の上に、引っ張り歪みを有する歪Si層8が形成される。
【0085】
また、図中の各層の厚み、アニール温度、アニール時間、張り合わせ後に剥離あるいは研磨で残すSi基板層21の厚みなどの差異によって、緩和の程度が異なり、プロセス条件によっては、圧縮比歪みを有するあるいは歪みの無いSiデバイス層を形成することも可能である。
【0086】
以後、第1の実施例と同様に図12に示すMISFETが歪Si層に形成される。第3の実施例においても駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0087】
(第4の実施形態)
図7は本発明の第4の実施例に係る半導体基板の製造方法を示す断面図である。
【0088】
第4の実施例では、図7Bに示すSi基板21上のSiGe層7中のGe濃度が図8に示すように膜厚方向に濃度勾配を有し、Ge濃度の最も高い部分が界面ではなくSiGe層7の膜中に位置する。その後、Ge濃度勾配の高い部分が表面となるように剥離あるいは薄膜化工程が施され、図7B及び図8に点線で示される面が薄膜化されたSiGe層7の上面7sとなる。このようにSiGe層7の組成を制御した基板を用いることによって得られた図7Cに示される半導体基板はSi酸化膜2とSiGe層7´の界面から発生した転位はSiGe層7中をループが形成するように進行し、SiGe層7´と歪Si層8の界面には届かない。よってより良好な歪Si層を提供できる。
【0089】
さらに、張り合わせ前のSiGe層7の結晶成長が、Si基板21上に低Ge濃度から開始するので、ミスマッチによる欠陥が導入され難く、良質な結晶性を有するSiGe層7´が得られる。
【0090】
以下、半導体基板の製造方法を説明する。
【0091】
先ず、図7Aに示すように、Si基板1上に予め第1の実施形態と同様にSi酸化膜2を形成する。
【0092】
次に、図7B及び図8に示すように、Si基板21上に予めSiGe層7をGe組成比が膜方向に0atm%→35atm%→0atm%となるように形成する。続いてSiGe7のGe組成比が最も高い中央部まで薄膜化し、SiGe層7´とする。この結果SiGe層7´の上面7sにはGe組成比35atm%の面が露出される。
【0093】
次に、Si酸化膜2の上面2sとSiGe7´の上面7とを合わせるように2つのSi基板1と21を第1の実施例と同様に張り合わせる。続いて、第1の実施例と同様にSi基板21を除去し、SiGe層7´を格子緩和させる。このときSi基板21の表面のSi層をごく薄く残すようにするとSiGe層4が格子緩和されると同時に、Si層8に引っ張り歪が導入される。こうすることで転位やピットや突起のない良好な歪Si層8を形成できる。
【0094】
このようにして、Si基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜2と、このSi酸化膜2上に張り合わせにより形成されGeの組成が徐々に変化した格子緩和SiGe層7と、この格子緩和SiGe層7´上に形成された歪Si層8からなる半導体基板が形成される。これにより第3の実施例と同様な効果を得ることができる。
【0095】
Si酸化膜2と格子緩和SiGe層7´とは実質的には直接接しているがその界面に0〜5nmより好ましくは0〜2nmの界面バッファ層を有していてもよい。この界面バッファ層は例えばSiからなるものが挙げられる。
【0096】
研磨或いは剥離工程をSiGe層7までおよぼして、先ずSiGe層7を格子緩和させ、次にMBEやCVD法によってシリコン層をごく薄く再成長させることによって歪Si層8を形成することも可能である。
【0097】
以後第1の実施例と同様に図12に示すMISFETが歪Si層8に形成される。第4の実施例においても駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0098】
(第5の実施形態)
図9は本発明の第5の実施例に係る半導体基板の製造方法を示す半導体基板の断面図である。
【0099】
第5の実施例では、Si基板21上に、転位が導入される格子緩和SiGe層40と格子緩和したSiGe層11からなるSiGe層を形成する。SiGe層40は、充分に厚く、かつGe濃度が結晶成長と共に変化する層であって、いわゆるバッファ層としての役割を果たす。例えば、SiGeバッファ層40はSi基板21上でのGe濃度が0atm%であり、結晶成長と共にGe濃度が増加し、2μmの厚みにてGe濃度が30atm%となる傾斜組成を有する構造とする。
【0100】
以下半導体基板の製造方法を説明する。
【0101】
先ず、図9Aに示すように、Si基板1上に第1の実施例と同様に予めSi酸化膜2を形成する。
【0102】
次に、図9Bに示すように、別のSi基板21上に上記したようなGe組成のSiGeバッファ層40を十分に厚く形成し格子緩和させる。このときSiGeバッファ層4中には転位33が発生するが十分に厚いのでその上に形成される半導体層に対し影響を与えない。次に、この格子緩和したSiGeバッファ層4上に格子緩和した結晶状態の良好なSiGe層11を形成する。SiGeの各層の成長方法は第1の実施例に順ずる。
【0103】
次に、Si酸化膜2の上面2sと格子緩和したSiGe層11の上面11sを合わせるように第1の実施例と同様に2つのSi基板1と21を張り合わせる。
【0104】
次に、Si基板21とSiGeバッファ層40を研磨あるいは水素注入法になどにより除去する。次に、格子緩和したSiGe層11上に歪Si層8を形成する。(図9C)
このようにして、Si基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜2と、このSi酸化膜2上に張り合わせにより形成された格子緩和SiGe層11と、この格子緩和SiGe層11上に形成された歪Si層8からなる半導体基板が形成される。
【0105】
SiGeバッファ層40は、SiGeバッファ層40中のSi基板21側に格子ミスマッチで生じる貫通転位、ミスフィット転位などの欠陥が閉じこめられる。その結果SiGeバッファ層40の表面側では、転位が無く格子緩和したSiGe層が実現される。
【0106】
このSiGeバッファ層40の表面側Ge濃度は、Siデバイス層に所望の歪みが印加されるような濃度であって、典型的には30atm%より大きく80atm%以下であり、膜厚方向のGe濃度分布が均一である必要はない。このSiGe層40の形成に引き続いて、SiGeバッファ層4の表面側組成と同等の組成を有するSiGe層11を成長させることで、転位などの欠陥密度を低減した高品質緩和SiGe層11が形成される。
【0107】
ここで課題となるのはバッファ層として数μmのSiGe層40の結晶成長には原材料と成長時間がかかりプロセスコストが要求されることにある。前述のように張り合わせ後の薄膜化プロセスによって歪チャネル層と緩和SiGe層の積層構造が実現できる。しかしながら張り合わせ前に所望の厚さのSiGe層が得られるように例えば0.3μm程度の深さカット面で40c(図9B)に水素注入を行い、貼りあわせ後剥離を行うようにしてもよい。このようにすれば剥離後に残る格子緩和SiGeバッファ層を再利用できるためプロセスの簡略化、半導体資源の節約が可能で、ひいては基板製造コストの低減が実現できる。
【0108】
以後第1の実施例と同様に図12に示すMISFETが歪Si層8に形成される。第5の実施例においても駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0109】
(第6の実施形態)
図10は本発明の第6の実施例に係る半導体基板の製造方法を示す半導体基板の断面図である。
【0110】
第6の実施例では時10Bで示すSi基板21上に、転位を導入される格子緩和SiGeバッファ層40、格子緩和SiGeバッファ層40上に格子緩和SiGe層11、歪Si層10、別の格子緩和SiGe層13を連続して形成後に、張り合わせプロセスを行う。
【0111】
先ず、図10Aに示すように、Si基板1上に第1の実施例と同様に予めSi酸化膜2を形成する。
【0112】
次に、図10Bに示すように、別のSi基板21上に第5の実施例と同様に予めSiGeバッファ層40を厚く形成し格子緩和させる。この格子緩和したSiGeバッファ層40上に、格子緩和SiGe層11、歪Si層10、格子緩和SiGe層13を続けて成長する。
【0113】
次に、図6(c)に示すように、Si酸化膜2の上面2sと格子緩和SiGe膜13の上面13sをあわせるようにSi基板1と21を第1の実施例と同様に張り合わせる。
【0114】
次に、歪Si層10が表面に出るように研磨あるいは水素注入法によりSi基板21、格子緩和SiGeバッファ層40、格子緩和SiGe層11を除去する。(図10C)
このようにして、Si基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜2と、このSi酸化膜2上に張り合わせにより形成され格子緩和SiGe層13と、この格子緩和SiGe層13上に形成された歪Si層10からなる半導体基板が形成される。
【0115】
本実施例ではSi基板21上に形成された格子緩和SiGe層11上のSi層10は自ずと引っ張り歪みを受けており、さらにその上のSiGe層13は緩和した層となる。
【0116】
格子緩和SiGe層13は貼り合わせ後の絶縁層2とSiGe層13からの界面から発生する欠陥を低減するために、第3あるいは第4の実施例のように、Ge組成に勾配をつけてもよい。
【0117】
また、格子緩和SiGe層13の上には、第2の実施例のように、予め絶縁層9を形成してから張り合わせを行っても良い。
【0118】
第6の実施例では、緩和率の高いSiGe層13の上に歪みの印加されたSi層10を直接形成することが出来る上、格子緩和SiGe層13中のGe濃度を30atm%より大きく100atm%未満の間で任意に選ぶことが可能であり、更には、絶縁層2上のSiGe層13と歪Siデバイス層10の厚みをそれぞれ10nm以下にすることも可能である。
【0119】
その結果、絶縁膜2上の合計厚みを40nm以下に抑えることが容易でありSOI効果を十分に達成し、かつ十分な歪みをSiデバイス層10に印加できる。
【0120】
以後第1の実施例と同様に第6の実施例においても駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0121】
(第7の実施形態)
図11は本発明の第7の実施例に係る半導体基板の製造方法を示す半導体基板の断面図である。
【0122】
本実施例は、貼り合わせ基板の一方としてSi基板21の替わりにSiGe基板31を用い、SiGe基板31上に再成長した格子緩和SiGe層11と歪Si層10と格子緩和SiGe層13とSi酸化膜9を形成した構造で説明する。
【0123】
先ず、図11Aに示すように、Si基板1上に第1の実施例と同様に予めSi酸化膜2を形成する。
【0124】
次に、図11Bに示すように、SiGe基板31上に第1の実施例と同様に予めSiGe層11を形成し、このSiGe層11上に、Si層10、SiGe層13(Si層10側のGe組成が30atm%より大)、Si酸化膜9を続けて成長する。
【0125】
次に、Si酸化膜2の上面2sとSi酸化膜9の上面9sを合わせるようにSi基板1とSiGe基板31を第1の実施例と同様に張り合わせる。次に、Si層10が表面に出るように研磨あるいは水素注入法などによりSiGe基板31、SiGe層11を除去する。
【0126】
このようにして、図11Cに示すようにSi基板1と、このSi基板1上に形成されたSi酸化膜12と、このSi酸化膜12上に張り合わせにより形成され格子緩和SiGe層13と、この格子緩和SiGe層13上に形成された歪Si層10からなる半導体基板が形成される。
【0127】
この場合貼りあわせのためにはSi酸化膜2あるいはSi酸化膜9の少なくとも一方があればよい。また、張り合わせ工程や薄膜化工程あるいは剥離工程中にSiGe層13と絶縁層9の接合面から発生する恐れのある欠陥を閉じこめる効果を得るには、絶縁層に接するSiGe層13中のGe濃度を不均一にするとよい。
【0128】
本実施例では、基板31がストレッサーとなる層11と同じSiGe組成を持つ場合を示したが、基板上に形成する層中で組成制御を行って、所望の濃度に設定することも可能である。
【0129】
以後第1の実施例と同様に図12に示すMISFETが歪Si層10に形成される。第6の実施例においても、駆動力に優れたMISFETを得ることができる。
【0130】
また、上記第1乃至第7の実施例では、歪みを印加する層(第1の半導体層)がSiGe層、デバイス層(第2の半導体層)がSi層の場合について説明したが、第2の半導体層に引っ張り歪が生じるよう、第2の半導体層の格子定数が第1の半導体層の格子定数よりも小さくなるよう格子定数の異なる2層の組み合わせで有れば、どの様な結晶を選んでも良く、具体的には、Si、GaAs、SiC、GaN、GaAlAs、InGaP、InGaPAs、Al、BN、BNC、C、高濃度に不純物添加されたSi(不純物B)、Si(不純物P)、Si(不純物As)、SiNx、ZnSeなどの物質の内、2種類の物質の組み合わせにて、本発明の効果が得られる。但し第1の半導体層中に含有されるBの濃度は1×1020atm%未満であることが望ましい。
【0131】
上記第1乃至第7の実施例では、基板1,21、31としては、Si基板、SiGe基板を用いたが、GaAs、ZnSe、SiC、Ge、サファイア、有機ガラス、無機ガラス、プラスティックのいずれかであっても良い。
【0132】
上記第1乃至第7の実施例では絶縁膜2、9としてSi酸化膜を使用したが、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、などの他の絶縁膜であっても良い。
【0133】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、従来困難であった、ストレッサとしての歪み層から伝搬する欠陥によるデバイス層の結晶性劣化が低減されると共に、SOI構造上の絶縁層上の合計厚みをより薄くすることが可能である。従って、素子特性の劣化を抑え、低消費電力化、高集積化が可能となり、半導体素子の高性能化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図2】本発明及び従来の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図3】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図4】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図5】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図6】本発明の半導体基板におけるSiGe層のGe組成を示す図。
【図7】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図8】本発明の半導体基板におけるSiGe層のGe組成を示す図。
【図9】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図10】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図11】本発明の半導体基板の製造方法を説明するための基板断面図。
【図12】本発明の半導体装置を説明するための素子断面図。
【符号の説明】
1・・・・Si基板
2・・・・絶縁層(Si酸化膜層)
3・・・・SOI層
4・・・・SiGe層
5・・・・歪Si層
6・・・・歪エピタキシャルSi層
7・・・・傾斜組成SiGe層
8・・・・再成長で形成する歪Si層
9・・・・絶縁層
10・・・・歪Si層
11・・・・SiGe層
12・・・・絶縁層
13・・・・SiGe層
21・・・・Si基板
31・・・・SiGe基板
33・・・・転位
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, a semiconductor substrate, in particular, a semiconductor device having a strained Si layer as an active region, a method for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
The performance of Si semiconductor elements, especially MOSFET transistors, has been improving year by year with the progress of large scale integrated circuits (LSIs). However, in recent years, limitations to lithography technology miniaturization, approach to carrier mobility to the theoretical mobility of Si, etc. have been pointed out, and the difficulty in further increasing the performance of MOSFETs has increased.
[0003]
In general, as a measure for improving the performance of a semiconductor device, there is a method for realizing higher performance by using a crystal different from Si, such as a GaAs semiconductor crystal or SiC semiconductor crystal having a theoretical mobility faster than that of Si. It is being considered.
[0004]
However, GaAs semiconductor crystals and SiC crystals are difficult to mix with Si device manufacturing processes that are widely used at present, so a great deal of time and effort is required for element development. Requires a complete review and replacement of the production line.
[0005]
Therefore, development of a high-performance Si-based semiconductor element that can be realized with a shorter development period and lower investment efficiency while making full use of the Si device manufacturing process technology and manufacturing equipment know-how that are currently widely used is eagerly desired.
[0006]
For this reason, research has been conducted on improving the electron mobility of Si and improving the performance of Si-MOSFETs. As one of the methods for improving the mobility of Si, a technique for applying strain to the Si layer has attracted attention. In general, when strain is applied to a semiconductor layer, the band structure is changed, and scattering of carriers in the channel is suppressed, so that an improvement in electron mobility can be expected.
[0007]
Specifically, a mixed crystal layer made of a material having a larger lattice constant than Si, for example, a SiGe mixed crystal layer containing 20% Ge (hereinafter, simply referred to as a SiGe layer) on the Si substrate is thickened (several). μm) and a thin Si layer (several nm) is formed on this lattice-relaxed SiGe layer, a strained Si layer is formed which is strained by the difference in lattice constant between SiGe and Si.
[0008]
It has been reported that when such a strained Si layer is used for a channel of a MOSFET, a significant improvement in electron mobility can be achieved, which is about 1.76 times that when an unstrained Si layer is used for a channel (J. Welser, JL Hoyl, S. Tagkagi, and JF Gibbons, IEDM 94-373).
[0009]
As another method for improving the electron mobility of Si, there is a method for shortening the channel length of the MOSFET. However, if the channel length is shortened, the effect of stray capacitance increases, and it becomes difficult to improve the electron mobility as expected.
[0010]
In order to solve this problem, a structure in which a channel layer is provided in an SOI (silicon on insulator) layer in which an Si layer is formed on an Si substrate via an insulating film has been attracting attention. Since this structure is completely isolated by the insulating film, it is expected that the stray capacitance can be reduced and the element can be easily separated, and further lower power consumption and higher integration can be realized.
[0011]
Therefore, attempts have been made to apply a strained Si layer that can be expected to improve electron mobility to a semiconductor element structure applied to an SOI structure that facilitates reduction of stray capacitance and element isolation. This structure will be described with reference to FIG.
[0012]
First, as shown in FIG.2An SOI substrate having an insulating film 2 and an SOI layer 3 having a thickness of 10 nm to 30 nm is prepared, and a SiGe layer 4 having a lattice constant larger than Si and having a Ge concentration of 20% is formed on the SOI substrate to be sufficiently thicker than the SOI layer 3. .
[0013]
Next, as shown in FIG. 1B, the SOI layer 3 is plastically deformed by the tensile strain (STRAIN) applied from the SiGe layer 4 to the SOI layer 3 by annealing at 1100 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. ease. At the same time, the lattice relaxation of the SiGe layer 4 is also achieved. Due to this plastic deformation, dislocations 33 such as threading dislocations and misfit dislocations are generated in the SOI layer 3.
[0014]
Next, by forming a thin Si film on the lattice-relaxed SiGe layer 4, the strained Si layer 5 having tensile strain can be formed.
[0015]
Conventionally, it has been considered that most of the dislocations 33 generated in the SOI layer 3 are generated in the lattice relaxed SOI layer 3 and confined in this layer, and therefore do not propagate into the lattice relaxed SiGe layer 4.
[0016]
However, when annealing is performed at 1100 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere for lattice relaxation, 1 piece / 10 μm2It was found that this defect propagated to the surface of the SiGe layer 4 at a moderate density, and this defect deteriorated the crystallinity of the strained Si layer 5. A semiconductor element such as a MOSFET is formed on the strained Si layer 5 thereafter, but the crystallinity of the strained Si layer 5 may greatly deteriorate the characteristics of the semiconductor element. This is expected to become more prominent as semiconductor elements are miniaturized.
[0017]
In addition, defects generated when the lattice relaxation of the SiGe layer 4 may be amplified even in a high-temperature treatment process such as a subsequent gate or electrode formation process or crystallinity recovery annealing after ion doping. There is a possibility that the crystallinity of the layer 5 is deteriorated.
[0018]
In order to prevent dislocations 33 generated in the SOI layer 3 and causing lattice relaxation from propagating to the SiGe surface, the SiGe layer 4 must be formed to have a thickness of several μm or more.
[0019]
However, in order to fully exhibit the effect of the SOI substrate structure that suppresses the influence of stray capacitance, SiO2It is necessary to suppress the thickness from the insulating layer 2 to the strained Si layer 5 as the channel layer as much as possible. Therefore, this method, in which the SiGe layer 4 of several μm must be formed, cannot sufficiently exert the effect of the SOI substrate structure.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, according to the conventional method, a semiconductor device including a strained Si layer serving as a channel layer formed on an SOI substrate has a large thickness on the SOI substrate insulating film in order to suppress defects. If the film thickness on the substrate insulating film is reduced, defects are amplified.
[0021]
Therefore, the present invention can achieve both a reduction in the thickness of the SOI substrate insulating layer and a reduction in defects in the strained layer serving as the channel layer, while applying sufficient strain to the channel layer to reduce the cost of a higher performance semiconductor device. An object of the present invention is to provide a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor substrate, and a semiconductor substrate that can be formed.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A substrate,
An insulating film formed on the substrate;
The lattice is relaxed and formed substantially in contact with the insulating film.A first semiconductor layer and,
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer and having a tensile lattice strain;
A gate insulating film selectively formed on the second semiconductor layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A channel region formed on the surface of the second semiconductor layer immediately below the gate insulating film;
At least the second semiconductorlayerSource / drain regions provided apart from each other through the channel region,Comprising
The first semiconductor layer is a SiGe layer, and has a gradient composition in which the Ge composition on the substrate side is 30 atm% or less and the Ge composition on the second semiconductor layer side is greater than 30 atm%, 2 semiconductor layers are Si,
The thickness of the first semiconductor layer is 80 nm or less, the thickness of the second semiconductor layer is 50 nm or less, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 100 nm or less.This is a semiconductor device.
[0023]
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a stacked layer in which a first semiconductor layer is formed on a second semiconductor layer;
Bonding the substrate and the stacked layer so as to match the insulating film and the first semiconductor layer;
The stacked layer is removed so that at least a part of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer remain, and the first semiconductor layer subjected to lattice relaxation and the tensile lattice strain applied to the first semiconductor layer. Forming a laminated structure with two semiconductor layers;
Transistors are formed in the stacked structureIt has a processThis is a method for manufacturing a semiconductor device.
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a stacked layer in which a first semiconductor layer is formed on a second semiconductor layer;
Laminating an insulating film on the first semiconductor layer of the laminated layer;
Bonding the substrate and the stacked layer so as to match the insulating film formed on the substrate and the insulating film formed on the first semiconductor layer;
The stacked body is removed so that the first semiconductor layer and at least a part of the second semiconductor layer remain, and the lattice-relaxed first semiconductor layer and the tensile lattice strain are applied. Forming a laminated structure with two semiconductor layers;
Transistors are formed in the stacked structureIt has a processThis is a method for manufacturing a semiconductor device.
[0024]
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
Transistors are formed in the stacked structureHaving a processA method for manufacturing a semiconductor device.
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the first semiconductor layer;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the insulating film formed on the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
Transistors are formed in the stacked structureIt has a processThis is a method for manufacturing a semiconductor device.
[0025]
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
Transistors are formed in the stacked structureIt has a processThis is a method for manufacturing a semiconductor device.
The present invention also provides:
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the first semiconductor layer;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the insulating film formed on the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
Transistors are formed in the stacked structureIt has a processThis is a method for manufacturing a semiconductor device.
The present invention also provides:
A substrate,
An insulating film formed on the substrate;
A first semiconductor layer formed on and substantially in contact with the insulating film and having lattice relaxation;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer and having a tensile lattice strain;
The first semiconductor layer is a SiGe layer, and has a gradient composition in which a Ge composition on the substrate side is 30 atm% or less and a Ge composition on the second semiconductor layer side is greater than 30 atm%, 2 semiconductor layers are Si,
The thickness of the first semiconductor layer is 10 nm to 80 nm, the thickness of the second semiconductor layer is 10 nm to 50 nm, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 30 nm. The semiconductor substrate has a thickness of 100 nm or less.
[0026]
In the present invention, the lattice constant of the second semiconductor layer is smaller than that of the first semiconductor layer. A typical material for the first semiconductor layer is SiGe, and a typical material for the second semiconductor layer is Si.
[0027]
By the way, the covalent bond radii of Si and Ge are 1.17 and 1.22, respectively.
[0028]
When the SiGe layer and the Si layer are laminated in this order on the Si substrate by a normal epitaxial growth technique, the lattice of the SiGe layer 4 ′ is deformed to be vertically long in alignment with the lattice of the lower Si layer 3, as shown in FIG. The tensile strain in the vertical direction in the figure is generated in the SiGe layer 4 '. The Si layer 5 ′ formed on the SiGe layer 4 ′ is not subjected to sufficient tensile strain.
[0029]
Further, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-121377, a dopant concentration of 10 is added to the SiGe layer by utilizing the fact that the covalent bond radius of B (boron) is 0.88.20-1021Atom / cm3B is added. This technique eliminates the need for CMP after cutting in the hydrogen stripping method when forming an SOI substrate. FIG. 2B schematically shows lattice matching in this technique, in which a B-added SiGe layer 4 ″ is stacked on a Si layer, and a Si layer 5 ′ is further stacked. The B-added SiGe layer 4 ″ is used as an etching stopper and is removed later. In the above document, the Si layer 5 ′ can be used as a device layer, but this Si layer contains B thermally diffused from the SiGe (B) layer 4 ″ during the process and has a residual compressive strain. Become. No strain is applied to the Si layer 5 'as the device layer.
[0030]
Further, in order to form a strained Si layer as a device layer, it can be achieved by a method of forming a three-layer structure of Si / SiGe / Si as shown in FIG. 1A and FIG. There was a problem of propagating.
In the semiconductor device and the semiconductor substrate of the present invention, as shown in FIG. 2C, the lattice-relaxed SiGe layer 4 is formed on and substantially in contact with the silicon oxide film 2, and the Si layer 5 is formed thereon by a bonding method or the like. To do. At this time, due to the lattice-relaxed SiGe layer 4 in the Si layer 5, sufficient tensile strain is generated in the lateral direction of the figure. Further, since the SOI layer 3 in which the dislocation 33 is generated as shown in FIG. 2A is not provided, there is no problem that the crystallinity of the strained Si layer 5 is deteriorated.
[0031]
In addition, the manufacturing method of the present invention does not require the use of a high-temperature annealing process as in the prior art in order to lattice relax the SiGe layer. For this reason, threading dislocations and the like are introduced into the SOI layer by high-temperature annealing, and these reach the strained Si device layer that forms the channel.elementDoes not degrade the characteristics. Therefore, in the present invention, the thickness of the SiGe layer can be made thinner than that of the prior art, and the total thickness of the SiGe layer and the Si layer on the insulating layer can be reduced to about 2/3 of the conventional thickness. . Accordingly, high-quality and sufficient strain without defects can be applied to the semiconductor device layer without losing the effect of the SOI structure.
[0032]
In the present invention, the thickness of the first semiconductor layer is 80 nm or less, the thickness of the second semiconductor layer is 10 nm or more and 50 nm or less, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 100 nm or less. It is desirable that Thereby, a good strained semiconductor film free from defects can be formed.
[0033]
In the semiconductor device and the semiconductor substrate of the present invention, the second semiconductor layer is Si, the first semiconductor layer has a Ge composition on the second semiconductor layer side of less than 100%, and the opposite side of the second semiconductor layer is less than 0%. A large SiGe layer is desirable. More preferably, the second semiconductor layer is Si, and the first semiconductor layer is preferably a SiGe layer having a Ge composition of at least the second semiconductor layer larger than 30 atm%.
[0034]
In the present invention, the first semiconductor layer may be a gradient composition, and the interstitial distance of the first semiconductor layer may be nonuniform in the thickness direction. For example, the first semiconductor layer is preferably a SiGe layer having a Ge composition on the second semiconductor layer side of greater than 30 atm%, and the Ge composition on the opposite side of the second semiconductor layer is preferably less than 30 atm%.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0036]
(First embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate for explaining a method of manufacturing a semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention.
[0037]
First, as shown in FIG. 3A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance. The Si oxide film 2 can be formed by a widely used method such as a thermal oxide film such as a dry oxide film or a wet oxide film, a CVD (Chemical Vapor Deposition) film, or a wet oxide film by solution treatment.
[0038]
Next, as shown in FIG. 3B, a SiGe layer 4 is formed in advance on another Si substrate 21. The SiGe layer 4 is basically undoped. The SiGe layer 4 must have at least a Ge composition on the Si substrate 21 side of less than 100% and a Ge composition on the surface side of greater than 0%. Further, it is desirable that the SiGe layer 4 is larger than 30 atm% and at least the Ge composition on the Si substrate 21 side is larger than 30 atm% for high performance. This is because when the Ge composition is larger than 30 atm%, the electron mobility in the strained Si layer can be increased. On the other hand, the Ge composition of the SiGe layer 4 is desirably 80 atm% or less.
[0039]
The SiGe layer 4 can be formed by CVD (Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), a sputtering process, or the like. When the SiGe layer 4 is formed by CVD, Si raw material gas and Ge raw material gas are introduced and stacked on the Si substrate 21 heated to, for example, 550 ° C.
[0040]
Next, the upper surfaces 2 s of the Si oxide film 2 and the upper surface 4 s of the SiGe layer 4 are aligned, and the substrates 1 and 21 are bonded together. As an example of the bonding method, pre-annealing of about several hundred degrees (for example, 400 to 700 ° C.) and high-temperature annealing (for example, 1100 ° C. for 1 hour in nitrogen) for strengthening the bonding surface are performed. In this process, since the lattice relaxation of the SiGe layer 4 is not performed, no dislocation occurs.
[0041]
Next, as shown in FIG. 3C, the Si substrate 21 is peeled off. At this time, the compressive strain received from the Si substrate 21 is released and the SiGe layer 4 is lattice-relaxed.
[0042]
At this time, if the Si layer 5 on the surface of the Si substrate 21 is left extremely thin, the SiGe layer 4 is lattice-relaxed and tensile strain is introduced into the Si layer 5 at the same time. By doing so, a good strained Si layer 5 free from dislocations, pits and protrusions can be formed.
[0043]
Thus, the Si substrate 1, the Si oxide film 2 formed on the Si substrate 1, the lattice relaxed SiGe layer 4 formed on the Si oxide film 2 by bonding, and the lattice relaxed SiGe layer 4 A semiconductor substrate made of the strained Si layer 5 formed on is formed.
[0044]
The Si oxide film 2 and the lattice-relaxed SiGe layer 4 are substantially in direct contact with each other, but an interface buffer layer of 0 to 5 nm, preferably 0 to 2 nm may be provided at the interface. An example of the interface buffer layer is one made of Si.
[0045]
It is also possible to form the strained Si layer 5 by extending the polishing or peeling process up to the SiGe layer 4, first relaxing the lattice of the SiGe layer 4, and then re-growing the silicon layer very thinly by MBE or CVD. .
[0046]
Thus, in order to relax the lattice of the SiGe layer 4 by removing the Si substrate 21 on which the SiGe layer 4 has been formed in advance, the thickness of the strained Si layer 5 formed on the SiGe layer 4 is 10 nm to 80 nm. It is desirable that the total thickness of the SiGe layer 4 and the strained Si layer 5 be 10 to 50 nm and 30 to 100 nm. Thereby, a good strained semiconductor film free from defects can be formed.
[0047]
Further, the removal or thinning of the Si substrate 21 is performed by polishing, for example, chemical polishing or chemical mechanical polishing for reducing the thickness using a chemical solution or an abrasive, or PACE (plasma assisted chemical) that can improve the uniformity of the thickness after the thinning. (dry etching) method or the like may be used. Alternatively, a hydrogen peeling method in which hydrogen is injected into the SiGe layer 4 or the Si substrate 21 in advance and then peeled off from the surface where hydrogen is injected, or a thinning method in which the Si substrate 21 is oxidized and then peeled off with an HF solution or the like may be used. .
[0048]
In the present invention, when the SiGe thin film 4 having a sufficiently thin thickness of, for example, 50 nm is formed on the Si substrate 21 before the bonding process, the SiGe layer 4 exists as a layer to which compressive strain is applied. However, the effect of applying strain from the Si substrate 21 to the SiGe layer 4 is reduced by thinning or peeling the Si substrate 21 after the compression of the compressed SiGe layer 4. Thus, the SiGe layer 4 can release the strain. As a result, it functions as a stressor that applies strain to the Si device layer, which is the object of the present invention.
[0049]
The position at which the Si substrate 21 is removed varies depending on process specifications such as the thickness and crystallinity of the Si substrate 21. At this time, for example, when a peeling process after solution etching or hydrogen injection is used, the surface after peeling may be roughened. In particular, in the PACE method, defects due to the process may be introduced from the surface.
[0050]
In these cases, when a thin film is annealed in an atmosphere of, for example, hydrogen, argon, nitrogen, oxygen, etc., and a process for recovering the crystal surface or the crystal inside of the Si substrate 21 is added, a more uniform and higher quality is achieved. Realizes a thin film process.
[0051]
As the Si substrate 1 and the Si substrate 21, a CZ, FZ, MCZ substrate or the like is used. In particular, when the surface of the Si substrate 21 is used as it is as a Si device layer after thinning or peeling, it is effective to use an FZ substrate with less oxygen precipitation for improving crystallinity.
[0052]
It is also possible to make a desired resistance value in advance on the surface of the Si substrate 21 by selecting the density and type of impurities in the Si substrate 21.
[0053]
The SOI structure having the strained Si device layer 5 having a desired thickness formed as described above has a total thickness on the Si oxide film insulating layer 2 of about 2/3 as compared with the semiconductor substrate shown in FIG. It is possible to make it thinner. Further, the dislocation density appearing on the surface of the SiGe layer 4 is reduced by 10% or more, and a higher quality strained Si device layer 5 can be formed.
[0054]
FIG. 12 is a cross-sectional view of a MISFET (MOSFET) formed in the strained silicon layer 5 described above. This MISFET is formed as follows. First, the surface of the strained Si layer 5 is thermally oxidized to form a thin gate oxide film 101 having a thickness of about 10 nm. Next, for example, n-type impurity ions for adjusting the threshold voltage are implanted into the channel region through the gate oxide film 101 to form an n-type channel region.
[0055]
Next, after the polysilicon film 2 to be the gate electrode 102 is formed on the gate oxide film 101 by the low pressure CVD method, the polysilicon film is patterned by RIE (Reactive Ion Etching) to form the gate electrode 102. .
[0056]
Next, n-type impurity ions such as phosphorus ions are selectively implanted using the gate electrode 102 as a mask, and then annealed at, for example, about 800 ° C., so that the n-type source region 103 and the n-type drain region 104 are gated. It is formed on the electrode 102 in a self-aligning manner. An n-channel MISFET is formed in this way, but a p-channel MISFET can be formed in the same manner by changing the impurity to p-type.
[0057]
Since the MISFET formed as described above is formed in the strained Si layer, electron scattering in the channel region is suppressed and the electron mobility is improved. In addition, since the MISFET is formed in a thin SOI layer having a thickness of 100 nm or less, parasitic capacitance is reduced in addition to improvement in electron mobility. As a result, a MISFET excellent in driving force can be obtained.
[0058]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
[0059]
In the present embodiment, an epitaxial Si layer 6 is formed on a Si substrate 21 and then a SiGe layer 4 is laminated, and a Si oxide film 9 is formed on the SiGe layer 4 is used as one of the bonded substrates.
[0060]
First, as shown in FIG. 4A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance as in the first embodiment.
[0061]
Next, as shown in FIG. 4B, a Si layer 6 that will be an element formation layer is formed in advance on another Si substrate 21 by an epitaxial method, and a SiGe layer 4 is formed on this Si layer 6 as in the first embodiment. Is done. The SiGe layer 4 is basically undoped. The SiGe layer 4 must have at least a Ge composition on the Si layer 6 side of less than 100% and a Ge composition on the opposite side of the Si layer 6 of greater than 0%. Furthermore, it is desirable that the SiGe layer 4 has at least the Si layer 6 side, and more desirably the entire Ge composition is larger than 30 atm% for high performance. This is because when the Ge composition is larger than 30 atm%, the electron mobility in the strained Si layer can be increased. On the other hand, the Ge composition of the SiGe layer 4 is desirably 80 atm% or less.
[0062]
Thereafter, a Si oxide film 9 is formed on the SiGe layer 4.
[0063]
Next, as shown in FIG. 4C, the two Si substrates 1 and 21 are bonded together in the same manner as in Example 1 together with the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 9s of the Si oxide film 9. As a result, as shown in FIG. 4C, the Si oxide film 2 and the Si oxide film 9 are integrated into a Si oxide film 12. After bonding, the Si substrate 12 is peeled off.
[0064]
When peeling is performed by hydrogen injection after bonding, hydrogen is injected into the interface between the Si layer 6 and the Si substrate 21 or the Si layer 6 side, and then the Si substrate 21 is peeled off. By doing so, the compressive strain received from the Si substrate 21 is released, and the SiGe layer 4 is lattice-relaxed, and at the same time, strain is introduced into the Si layer 6 serving as an element formation layer.
[0065]
Thus, the Si substrate 1, the Si oxide film 12 formed on the Si substrate 1, the lattice relaxed SiGe layer 4 formed on the Si oxide film 12 by bonding, and the lattice relaxed SiGe layer 4 A semiconductor substrate composed of the strained Si layer 6 formed thereon is formed.
[0066]
The strained Si layer 6 thus formed realizes an ideal thin film layer having a desired resistance value with less oxygen precipitation and impurities contained in the CZ substrate.
[0067]
The Si oxide film 2 and the lattice-relaxed SiGe layer 4 are substantially in direct contact with each other, but an interface buffer layer of 0 to 5 nm, preferably 0 to 2 nm may be provided at the interface. An example of the interface buffer layer is one made of Si.
[0068]
In the second embodiment, since the Si layer 6 serving as an element formation layer can be formed in advance so as to exhibit desired electrical characteristics, a regrowth process is not required. Further, after the SiGe layer 4 is formed, the influence on the SiGe layer 4 can be further reduced by forming the silicon oxide film 9 and bonding the oxide films 2 and 9 together.
[0069]
In addition, when the process is performed continuously in the atmosphere other than the case where the process proceeds continuously in a clean atmosphere, for example, an oxide film is formed on the SiGe layer 4 and is not intended. In addition, the silicon oxide film 9 in FIG. 4B may be formed.
[0070]
Thereafter, as in the first embodiment, the MISFET shown in FIG. 12 is formed in the strained Si layer. Also in the second embodiment, a MISFET with excellent driving force can be obtained.
[0071]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing stepwise a method of manufacturing a semiconductor substrate according to a third embodiment of the present invention.
[0072]
The third embodiment is that the SiGe layer 7 shown in FIG. 5C has a composition distribution in the film thickness direction. That is, as shown in FIG. 6, crystal growth is performed such that the Ge concentration in the SiGe layer 7 is low on the Si substrate 1 side and high on the strained Si layer 8 side. Thereby, the interstitial distance of the SiGe layer 7 becomes non-uniform in the thickness direction.
[0073]
At this time, it is necessary that the Ge composition on the Si substrate 1 side is higher than 0% and the Ge composition on the Si layer 8 side is less than 100%. Specifically, the SiGe layer is such that the Ge concentration on the Si substrate 1 side is higher than 0 atm% and 30 atm% or lower, and the Ge concentration on the strained Si layer 8 side is higher than 30 atm% and lower than 100 atm%, more preferably 80 atm% or lower. It is desirable to control the Ge composition in 7.
[0074]
By controlling the composition of the SiGe layer 7 in this way, dislocations generated from the interface between the Si oxide film 2 and the SiGe layer 7 proceed so as to form a loop in the SiGe layer 7, and the SiGe layer 7 and the strained Si layer It does not reach the interface of 8. Therefore, a better strained Si layer 8 can be provided.
[0075]
A method for manufacturing a semiconductor substrate will be described below.
[0076]
First, as shown in FIG. 5A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance as in the first embodiment.
[0077]
Next, as shown in FIGS. 5B and 6, the SiGe layer 7 is formed on the Si substrate 21. The Ge composition at this time was controlled so that the Ge composition gradually decreased from the Si substrate 21 as described above.
[0078]
Next, the two Si substrates 21 are bonded together in the same manner as in the first embodiment so that the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 7s of the SiGe layer 7 are aligned.
[0079]
Next, as in the first embodiment, the Si substrate 21 is peeled off, and the SiGe layer 7 is lattice-relaxed.
[0080]
At this time, if the Si layer on the surface of the Si substrate 21 is left very thin, the SiGe layer 4 is lattice-relaxed and tensile strain is introduced into the Si layer 8 at the same time. By doing so, a good strained Si layer 8 free from dislocations, pits and protrusions can be formed.
[0081]
In this way, the Si substrate 1, the Si oxide film 2 formed on the Si substrate 1, the lattice-relaxed SiGe layer 7 formed on the Si oxide film 2 by bonding and the composition of Ge gradually changed, A semiconductor substrate composed of the strained Si layer 8 formed on the lattice-relaxed SiGe layer 7 is formed.
[0082]
The Si oxide film 2 and the lattice-relaxed SiGe layer 7 are substantially in direct contact with each other, but may have an interface buffer layer of 0 to 5 nm, preferably 0 to 2 nm at the interface. An example of the interface buffer layer is one made of Si.
[0083]
It is also possible to form the strained Si layer 8 by extending the polishing or peeling process to the SiGe layer 7, first relaxing the lattice of the SiGe layer 7, and then re-growing the silicon layer very thinly by MBE or CVD. .
[0084]
In this embodiment, since the Ge concentration in the SiGe layer 7 is lower as it is closer to the Si oxide film 2, defects generated at the interface between the Si oxide film 2 and the SiGe layer 7 are confined to the Si oxide film 2 side. A lattice-relaxed SiGe layer is obtained at the interface between the bonded SiGe layer 7 and the strained Si layer 8. As a result, a strained Si layer 8 having tensile strain is formed on the SiGe layer 7 which has been relaxed well.
[0085]
In addition, the degree of relaxation differs depending on the thickness of each layer in the figure, annealing temperature, annealing time, thickness of the Si substrate layer 21 left by peeling or polishing after bonding, and depending on the process conditions, the compression ratio strain may be It is also possible to form a Si device layer without distortion.
[0086]
Thereafter, as in the first embodiment, the MISFET shown in FIG. 12 is formed in the strained Si layer. Also in the third embodiment, a MISFET excellent in driving force can be obtained.
[0087]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor substrate according to a fourth embodiment of the present invention.
[0088]
In the fourth embodiment, the Ge concentration in the SiGe layer 7 on the Si substrate 21 shown in FIG. 7B has a concentration gradient in the film thickness direction as shown in FIG. 8, and the portion with the highest Ge concentration is not an interface. Located in the film of the SiGe layer 7. Thereafter, a peeling or thinning process is performed so that a portion with a high Ge concentration gradient becomes the surface, and the surface indicated by the dotted line in FIGS. 7B and 8 becomes the upper surface 7s of the thinned SiGe layer 7. In the semiconductor substrate shown in FIG. 7C obtained by using the substrate in which the composition of the SiGe layer 7 is controlled in this way, the dislocation generated from the interface between the Si oxide film 2 and the SiGe layer 7 ′ has a loop in the SiGe layer 7. It proceeds to form, and does not reach the interface between the SiGe layer 7 ′ and the strained Si layer 8. Therefore, a better strained Si layer can be provided.
[0089]
Furthermore, since the crystal growth of the SiGe layer 7 before bonding starts from a low Ge concentration on the Si substrate 21, defects due to mismatching are hardly introduced and a SiGe layer 7 ′ having good crystallinity is obtained.
[0090]
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor substrate will be described.
[0091]
First, as shown in FIG. 7A, a Si oxide film 2 is previously formed on a Si substrate 1 in the same manner as in the first embodiment.
[0092]
Next, as shown in FIGS. 7B and 8, the SiGe layer 7 is previously formed on the Si substrate 21 so that the Ge composition ratio is 0 atm% → 35 atm% → 0 atm% in the film direction. Subsequently, the SiGe layer 7 'is formed by thinning the film to the central portion where the Ge composition ratio of SiGe7 is the highest. As a result, a surface having a Ge composition ratio of 35 atm% is exposed on the upper surface 7s of the SiGe layer 7 '.
[0093]
Next, the two Si substrates 1 and 21 are bonded together in the same manner as in the first embodiment so that the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 7 of the SiGe 7 'are aligned. Subsequently, similarly to the first embodiment, the Si substrate 21 is removed, and the lattice relaxation of the SiGe layer 7 'is performed. At this time, if the Si layer on the surface of the Si substrate 21 is left very thin, the SiGe layer 4 is lattice-relaxed and tensile strain is introduced into the Si layer 8 at the same time. By doing so, a good strained Si layer 8 free from dislocations, pits and protrusions can be formed.
[0094]
In this way, the Si substrate 1, the Si oxide film 2 formed on the Si substrate 1, the lattice-relaxed SiGe layer 7 formed on the Si oxide film 2 by bonding and the composition of Ge gradually changed, Then, a semiconductor substrate composed of the strained Si layer 8 formed on the lattice-relaxed SiGe layer 7 'is formed. Thereby, the same effect as the third embodiment can be obtained.
[0095]
The Si oxide film 2 and the lattice-relaxed SiGe layer 7 'are substantially in direct contact with each other, but may have an interface buffer layer of 0 to 5 nm, preferably 0 to 2 nm at the interface. An example of the interface buffer layer is one made of Si.
[0096]
It is also possible to form the strained Si layer 8 by extending the polishing or peeling process to the SiGe layer 7, first relaxing the lattice of the SiGe layer 7, and then re-growing the silicon layer very thinly by MBE or CVD. .
[0097]
Thereafter, the MISFET shown in FIG. 12 is formed in the strained Si layer 8 as in the first embodiment. Also in the fourth embodiment, a MISFET excellent in driving force can be obtained.
[0098]
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a method of manufacturing a semiconductor substrate according to a fifth embodiment of the present invention.
[0099]
In the fifth embodiment, a SiGe layer including a lattice-relaxed SiGe layer 40 into which dislocations are introduced and a lattice-relaxed SiGe layer 11 is formed on a Si substrate 21. The SiGe layer 40 is a sufficiently thick layer whose Ge concentration changes with crystal growth, and serves as a so-called buffer layer. For example, the SiGe buffer layer 40 has a structure in which the Ge concentration on the Si substrate 21 is 0 atm%, the Ge concentration increases with crystal growth, and has a gradient composition in which the Ge concentration becomes 30 atm% at a thickness of 2 μm.
[0100]
A method for manufacturing a semiconductor substrate will be described below.
[0101]
First, as shown in FIG. 9A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance as in the first embodiment.
[0102]
Next, as shown in FIG. 9B, the SiGe buffer layer 40 having the Ge composition as described above is formed on another Si substrate 21 to be sufficiently thick, and the lattice is relaxed. At this time, dislocations 33 are generated in the SiGe buffer layer 4 but are sufficiently thick so that the semiconductor layer formed thereon is not affected. Next, the SiGe layer 11 having a good crystal state and a lattice relaxation is formed on the lattice relaxed SiGe buffer layer 4. The growth method of each layer of SiGe follows the first embodiment.
[0103]
Next, the two Si substrates 1 and 21 are bonded together in the same manner as in the first embodiment so that the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 11s of the lattice-relaxed SiGe layer 11 are aligned.
[0104]
Next, the Si substrate 21 and the SiGe buffer layer40Is removed by polishing or hydrogen injection. Next, a strained Si layer 8 is formed on the lattice-relaxed SiGe layer 11. (FIG. 9C)
Thus, the Si substrate 1, the Si oxide film 2 formed on the Si substrate 1, the lattice-relaxed SiGe layer 11 formed on the Si oxide film 2 by bonding, and the lattice-relaxed SiGe layer 11 A semiconductor substrate made of the strained Si layer 8 formed thereon is formed.
[0105]
In the SiGe buffer layer 40, defects such as threading dislocations and misfit dislocations caused by lattice mismatch are confined on the Si substrate 21 side in the SiGe buffer layer 40. As a result, on the surface side of the SiGe buffer layer 40, a lattice-relaxed SiGe layer without dislocation is realized.
[0106]
The surface-side Ge concentration of the SiGe buffer layer 40 is such that a desired strain is applied to the Si device layer, and is typically greater than 30 atm% and less than or equal to 80 atm%. The distribution need not be uniform. Subsequent to the formation of the SiGe layer 40, the SiGe layer 11 having a composition equivalent to the composition on the surface side of the SiGe buffer layer 4 is grown, whereby the high-quality relaxed SiGe layer 11 with reduced defect density such as dislocation is formed. The
[0107]
The problem here is that the crystal growth of the SiGe layer 40 having a thickness of several μm as the buffer layer requires raw materials, growth time, and process cost. As described above, the laminated structure of the strained channel layer and the relaxed SiGe layer can be realized by the thinning process after bonding. However, hydrogen injection may be performed at 40c (FIG. 9B) with a depth cut surface of about 0.3 μm, for example, so that a SiGe layer having a desired thickness is obtained before pasting, and peeling may be performed after pasting. In this way, since the lattice-relaxed SiGe buffer layer remaining after peeling can be reused, the process can be simplified, semiconductor resources can be saved, and the substrate manufacturing cost can be reduced.
[0108]
Thereafter, the MISFET shown in FIG. 12 is formed in the strained Si layer 8 as in the first embodiment. Also in the fifth embodiment, a MISFET excellent in driving force can be obtained.
[0109]
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a method of manufacturing a semiconductor substrate according to a sixth embodiment of the present invention.
[0110]
In the sixth embodiment, the lattice-relaxed SiGe buffer layer 40 into which dislocations are introduced on the Si substrate 21 shown at time 10B, the lattice-relaxed SiGe layer 11, the strained Si layer 10, and another lattice on the lattice-relaxed SiGe buffer layer 40. After the relaxed SiGe layer 13 is continuously formed, a bonding process is performed.
[0111]
First, as shown in FIG. 10A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance as in the first embodiment.
[0112]
Next, as shown in FIG. 10B, similarly to the fifth embodiment, a thick SiGe buffer layer 40 is formed on another Si substrate 21 in advance to relax the lattice. On the lattice-relaxed SiGe buffer layer 40, the lattice-relaxed SiGe layer 11, the strained Si layer 10, and the lattice-relaxed SiGe layer 13 are continuously grown.
[0113]
Next, as shown in FIG. 6C, the Si substrates 1 and 21 are bonded together in the same manner as in the first embodiment so that the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 13s of the lattice relaxation SiGe film 13 are aligned.
[0114]
Next, the Si substrate 21, the lattice-relaxed SiGe buffer layer 40, and the lattice-relaxed SiGe layer 11 are removed by polishing or hydrogen implantation so that the strained Si layer 10 comes to the surface. (FIG. 10C)
In this way, the Si substrate 1, the Si oxide film 2 formed on the Si substrate 1, the lattice relaxed SiGe layer 13 formed on the Si oxide film 2 by bonding, and the lattice relaxed SiGe layer 13 are formed. A semiconductor substrate made of the strained Si layer 10 formed on is formed.
[0115]
In this embodiment, the Si layer 10 on the lattice-relaxed SiGe layer 11 formed on the Si substrate 21 is naturally subjected to tensile strain, and the SiGe layer 13 on the Si layer 10 is a relaxed layer.
[0116]
In order to reduce defects generated from the interface between the insulating layer 2 and the SiGe layer 13 after bonding, the lattice-relaxed SiGe layer 13 can be applied with a gradient in the Ge composition as in the third or fourth embodiment. Good.
[0117]
In addition, as in the second embodiment, the insulating layer 9 may be formed in advance on the lattice-relaxed SiGe layer 13 and then bonded.
[0118]
In the sixth embodiment, the strained Si layer 10 can be directly formed on the SiGe layer 13 having a high relaxation rate, and the Ge concentration in the lattice relaxed SiGe layer 13 is greater than 30 atm% and 100 atm%. The thickness of the SiGe layer 13 and the strained Si device layer 10 on the insulating layer 2 can each be 10 nm or less.
[0119]
As a result, the total thickness on the insulating film 2 can be easily suppressed to 40 nm or less, the SOI effect can be sufficiently achieved, and sufficient strain can be applied to the Si device layer 10.
[0120]
Thereafter, as in the first embodiment, the MISFET excellent in driving force can also be obtained in the sixth embodiment.
[0121]
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate showing a method for manufacturing a semiconductor substrate according to a seventh embodiment of the present invention.
[0122]
In this embodiment, a SiGe substrate 31 is used instead of the Si substrate 21 as one of the bonded substrates. The structure in which the film 9 is formed will be described.
[0123]
First, as shown in FIG. 11A, a Si oxide film 2 is formed on a Si substrate 1 in advance as in the first embodiment.
[0124]
Next, as shown in FIG. 11B, the SiGe layer 11 is formed in advance on the SiGe substrate 31 as in the first embodiment, and the Si layer 10 and the SiGe layer 13 (on the Si layer 10 side) are formed on the SiGe layer 11. The Si oxide film 9 is continuously grown with a Ge composition of greater than 30 atm%).
[0125]
Next, the Si substrate 1 and the SiGe substrate 31 are bonded together in the same manner as in the first embodiment so that the upper surface 2s of the Si oxide film 2 and the upper surface 9s of the Si oxide film 9 are aligned. Next, the SiGe substrate 31 and the SiGe layer 11 are removed by polishing or hydrogen injection so that the Si layer 10 comes to the surface.
[0126]
In this way, as shown in FIG. 11C, the Si substrate 1, the Si oxide film 12 formed on the Si substrate 1, the lattice-relaxed SiGe layer 13 formed by bonding on the Si oxide film 12, and this A semiconductor substrate made of the strained Si layer 10 formed on the lattice-relaxed SiGe layer 13 is formed.
[0127]
In this case, at least one of the Si oxide film 2 or the Si oxide film 9 is sufficient for bonding. Further, in order to obtain an effect of confining defects that may be generated from the bonding surface between the SiGe layer 13 and the insulating layer 9 during the bonding process, the thinning process, or the peeling process, the Ge concentration in the SiGe layer 13 in contact with the insulating layer is set to be lower. It should be non-uniform.
[0128]
In the present embodiment, the case where the substrate 31 has the same SiGe composition as that of the layer 11 serving as a stressor is shown, but it is also possible to set the desired concentration by performing composition control in the layer formed on the substrate. .
[0129]
Thereafter, the MISFET shown in FIG. 12 is formed in the strained Si layer 10 as in the first embodiment. Also in the sixth embodiment, a MISFET having an excellent driving force can be obtained.
[0130]
In the first to seventh embodiments, the case where the strain applying layer (first semiconductor layer) is the SiGe layer and the device layer (second semiconductor layer) is the Si layer has been described. What kind of crystal can be used as long as the combination of two layers having different lattice constants so that the lattice constant of the second semiconductor layer is smaller than the lattice constant of the first semiconductor layer so that tensile strain is generated in the semiconductor layer? Specifically, Si, GaAs, SiC, GaN, GaAlAs, InGaP, InGaPAs, Al2O3, BN, BNC, C, a combination of two kinds of substances such as Si (impurity B), Si (impurity P), Si (impurity As), SiNx, and ZnSe doped with a high concentration of impurities, The effect of the present invention can be obtained. However, the concentration of B contained in the first semiconductor layer is 1 × 1020Desirably, it is less than atm%.
[0131]
In the first to seventh embodiments, Si substrates and SiGe substrates are used as the substrates 1, 21, and 31, but any one of GaAs, ZnSe, SiC, Ge, sapphire, organic glass, inorganic glass, and plastic is used. It may be.
[0132]
In the first to seventh embodiments, Si oxide films are used as the insulating films 2 and 9, but other insulating films such as a silicon oxynitride film and a silicon nitride film may be used.
[0133]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the crystallinity deterioration of the device layer due to the defect propagating from the strained layer as a stressor, which has been difficult in the past, is reduced, and the total thickness on the insulating layer on the SOI structure is made thinner. It is possible. Therefore, deterioration of element characteristics can be suppressed, low power consumption and high integration can be achieved, and high performance of the semiconductor element can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a substrate for explaining the present invention and a conventional method of manufacturing a semiconductor substrate.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 6 is a view showing a Ge composition of a SiGe layer in a semiconductor substrate of the present invention.
7 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention; FIG.
FIG. 8 is a view showing a Ge composition of a SiGe layer in a semiconductor substrate of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention;
FIG. 10 is a cross-sectional view of a substrate for explaining the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a substrate for explaining the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention.
FIG. 12 is an element cross-sectional view for explaining a semiconductor device of the invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Si substrate
2. Insulating layer (Si oxide film layer)
3 ... SOI layer
4 ... SiGe layer
5 ... Strained Si layer
6. Strain epitaxial Si layer
7. Gradient composition SiGe layer
8 ... Strained Si layer formed by regrowth
9. Insulating layer
10 ... Strained Si layer
11 .... SiGe layer
12 ... Insulating layer
13 ... SiGe layer
21... Si substrate
31 ... SiGe substrate
33 ... Dislocation

Claims (11)

基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に実質的に接して形成され格子緩和した第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成されその格子定数が前記第1の半導体層の格子定数よりも小さくかつ引っ張り格子歪を有する第2の半導体層と、
前記第2の半導体層上に選択的に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜直下の前記第2の半導体層の表面に形成されたチャネル領域と、
少なくとも前記第2の半導体層に、前記チャネル領域を介して互いに離れて設けられたソース・ドレイン領域と、を具備し、
前記第1の半導体層はSiGe層であり、かつ前記基板側のGe組成が30atm%以下で、前記第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大である傾斜組成を有し、前記第2の半導体層がSiであり、
前記第1の半導体層の厚さは80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが100nm以下であることを特徴とする半導体装置。
A substrate,
An insulating film formed on the substrate;
A first semiconductor layer formed on and substantially in contact with the insulating film and having lattice relaxation;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer and having a tensile lattice strain;
A gate insulating film selectively formed on the second semiconductor layer;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A channel region formed on the surface of the second semiconductor layer immediately below the gate insulating film;
A source / drain region provided at least in the second semiconductor layer so as to be separated from each other via the channel region;
The first semiconductor layer is a SiGe layer, and has a gradient composition in which the Ge composition on the substrate side is 30 atm% or less and the Ge composition on the second semiconductor layer side is greater than 30 atm%, 2 semiconductor layers are Si,
The thickness of the first semiconductor layer is 80 nm or less, the thickness of the second semiconductor layer is 50 nm or less, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 100 nm or less. A semiconductor device characterized by the above.
前記第1の半導体層の厚さは10nm以上80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは10nm以上50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが30nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The thickness of the first semiconductor layer is 10 nm to 80 nm, the thickness of the second semiconductor layer is 10 nm to 50 nm, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 30 nm. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness is 100 nm or less. 前記第1の半導体層はアンドープであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is undoped. 基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
第1の半導体層が第2の半導体層上に形成された積層層を形成する工程と、
前記基板と前記積層層とを前記絶縁膜及び前記第1の半導体層を合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の少なくとも一部とが残るように前記積層層を除去し、格子緩和された前記第1の半導体層と、引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a stacked layer in which a first semiconductor layer is formed on a second semiconductor layer;
Bonding the substrate and the stacked layer so as to match the insulating film and the first semiconductor layer;
The stacked layer is removed so that at least a part of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer remain, and the first semiconductor layer subjected to lattice relaxation and the tensile lattice strain applied to the first semiconductor layer. Forming a laminated structure with two semiconductor layers;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a transistor in the stacked structure.
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
第1の半導体層が第2の半導体層上に形成された積層層を形成する工程と、
前記積層層の前記第1の半導体層上に絶縁膜を積層する工程と
前記基板と前記積層層とを、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記第1の半導体層上に形成された絶縁膜とを合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層の少なくとも一部とが残るように前記積層体を除去し、格子緩和された前記第1の半導体層と、引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a stacked layer in which a first semiconductor layer is formed on a second semiconductor layer;
The step of laminating an insulating film on the first semiconductor layer of the laminated layer, the substrate, and the laminated layer are formed on the insulating film formed on the substrate and the first semiconductor layer. A process of bonding so as to match the insulating film;
The stacked body is removed so that the first semiconductor layer and at least a part of the second semiconductor layer remain, and the lattice-relaxed first semiconductor layer and the tensile lattice strain are applied. Forming a laminated structure with two semiconductor layers;
And a step of forming a transistor in the stacked structure.
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記基板上に形成された絶縁膜と前記第1の半導体層とを合わせるように、前記基板と前記半導体基板とを貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
And a step of forming a transistor in the stacked structure.
基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
半導体基板の表面に第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記基板と前記半導体基板とを、前記基板上に形成された絶縁膜と、前記第1の半導体層上に形成された絶縁膜とを合わせるように貼り合わせる工程と、
前記第1の半導体層が少なくとも残るように前記半導体基板を除去し前記第1の半導体層を格子緩和させる工程と、
前記第1の半導体層上に第2の半導体層を積層し、前記第1の半導体層と引っ張り格子歪を印加させた前記第2の半導体層との積層構造を形成する工程と、
前記積層構造にトランジスタを形成する工程を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the substrate surface;
Forming a first semiconductor layer on a surface of a semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the first semiconductor layer;
Bonding the substrate and the semiconductor substrate so as to match the insulating film formed on the substrate and the insulating film formed on the first semiconductor layer;
Removing the semiconductor substrate so that at least the first semiconductor layer remains, and lattice-relaxing the first semiconductor layer;
Stacking a second semiconductor layer on the first semiconductor layer and forming a stacked structure of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer to which a tensile lattice strain is applied;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a transistor in the stacked structure.
前記第1の半導体層はSiGe層であり、前記第2の半導体層はSi層であり、前記第1の半導体層は、前記第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大であり、前記第2の半導体層と反対側のGe組成が30atm%以下である傾斜組成となることを特徴とする請求項4乃至請求項7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。The first semiconductor layer is a SiGe layer, the second semiconductor layer is a Si layer, and the first semiconductor layer has a Ge composition on the second semiconductor layer side of greater than 30 atm%; 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the Ge composition on the side opposite to the second semiconductor layer has a gradient composition of 30 atm% or less. 基板と、
前記基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に実質的に接して形成され格子緩和した第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に形成されその格子定数が前記第1の半導体層の格子定数よりも小さくかつ引っ張り格子歪を有する第2の半導体層とを有し、
前記第1の半導体層はSiGe層であり、かつ前記基板側のGe組成が30atm%以下で、前記第2の半導体層側のGe組成が30atm%より大である傾斜組成を有し、前記第2の半導体層がSiであり、
前記第1の半導体層の厚さは80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが100nm以下であることを特徴とする半導体基板。
A substrate,
An insulating film formed on the substrate;
A first semiconductor layer formed on and substantially in contact with the insulating film and having lattice relaxation;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and having a lattice constant smaller than that of the first semiconductor layer and having a tensile lattice strain;
The first semiconductor layer is a SiGe layer, and has a gradient composition in which the Ge composition on the substrate side is 30 atm% or less and the Ge composition on the second semiconductor layer side is greater than 30 atm%, 2 semiconductor layers are Si,
The thickness of the first semiconductor layer is 80 nm or less, the thickness of the second semiconductor layer is 50 nm or less, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 100 nm or less. A semiconductor substrate characterized by the above.
前記第1の半導体層の厚さは10nm以上80nm以下、前記第2の半導体層の厚さは10nm以上50nm以下であり、前記第1の半導体層と第2の半導体層の総厚さが30nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項9記載の半導体基板。The thickness of the first semiconductor layer is 10 nm to 80 nm, the thickness of the second semiconductor layer is 10 nm to 50 nm, and the total thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is 30 nm. The semiconductor substrate according to claim 9, wherein the thickness is 100 nm or less. 前記第1の半導体層はアンドープであることを特徴とする請求項9記載の半導体基板。The semiconductor substrate according to claim 9, wherein the first semiconductor layer is undoped.
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