JP2002359201A - 半導体基板と電界効果型トランジスタ並びにSiGe層の形成方法及びこれを用いた歪みSi層の形成方法と電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents
半導体基板と電界効果型トランジスタ並びにSiGe層の形成方法及びこれを用いた歪みSi層の形成方法と電界効果型トランジスタの製造方法Info
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Abstract
SiGe層の形成方法及びこれを用いた歪みSi層の形
成方法と電界効果型トランジスタの製造方法において、
貫通転位密度を低減すること。 【解決手段】 Si基板1上にSiGe層3、4を備
え、前記Si基板表面又は前記SiGe層の内部の少な
くとも一部にSiGe層の表面よりも不純物濃度を高く
した高濃度領域2を備える。
Description
等に用いられる半導体基板と電界効果型トランジスタ並
びに歪みSi層等を形成するために好適なSiGe層の
形成方法及びこれを用いた歪みSi層の形成方法と電界
効果型トランジスタの製造方法に関する。
iGe(シリコン・ゲルマニウム)層を介してエピタキ
シャル成長した歪みSi層をチャネル領域に用いた高速
のMOSFET、MODFET、HEMTが提案されて
いる。この歪みSi−FETでは、Siに比べて格子定
数の大きいSiGeによりSi層に引っ張り歪みが生
じ、そのためSiのバンド構造が変化して縮退が解けて
キャリア移動度が高まる。したがって、この歪みSi層
をチャネル領域として用いることにより通常の1.5〜
8倍程度の高速化が可能になるものである。また、プロ
セスとしてCZ法による通常のシリコン基板を基板とし
て使用でき、従来のCMOS工程で高速CMOSを実現
可能にするものである。
て要望される上記歪みSi層をエピタキシャル成長する
には、シリコン基板上に良質なSiGe層をエピタキシ
ャル成長する必要があるが、SiとSiGeとの格子定
数の違いから、転位等により結晶性に問題があった。こ
のために、従来、以下のような種々の提案が行われてい
た。
い傾斜で変化させたバッファ層を用いる方法、Ge(ゲ
ルマニウム)組成比をステップ状(階段状)に変化させ
たバッファ層を用いる方法、Ge組成比を超格子状に変
化させたバッファ層を用いる方法及びSiのオフカット
基板を用いてGe組成比を一定の傾斜で変化させたバッ
ファ層を用いる方法等が提案されている(U.S.Patent
5,442,205、U.S.Patent5,221,413、PCT WO98/00857、特
開平6-252046号公報等)。
来の技術では、以下のような課題が残されている。すな
わち、上記従来の技術では、基板表面の貫通転位密度が
まだ高く、貫通転位によるトランジスタの動作不良を防
ぐために貫通転位の低減がさらに要望されている。
ので、SiGe層の貫通転位密度を低減した半導体基板
と電界効果型トランジスタ並びにSiGe層の形成方法
及びこれを用いた歪みSi層の形成方法と電界効果型ト
ランジスタの製造方法を提供することを目的とする。
決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明
の半導体基板は、Si基板と、該Si基板上の少なくと
も表面が格子緩和したSiGe層とを備え、前記Si基
板表面又は前記SiGe層の内部の少なくとも一部に、
SiGe層の表面よりも不純物濃度を高くした高濃度領
域が形成されていることを特徴とする。また、本発明の
SiGe層の形成方法は、Si基板上に少なくとも表面
が格子緩和したSiGe層をエピタキシャル成長する方
法であって、前記Si基板表面又は前記SiGe層の内
部の少なくとも一部にSiGe層の表面よりも不純物濃
度を高くした高濃度領域を形成することを特徴とする。
また、本発明の半導体基板は、Si基板上に少なくとも
表面が格子緩和したSiGe層が形成された半導体基板
であって、上記本発明のSiGe層の形成方法により前
記SiGe層が形成されていることを特徴とする。
方法では、Si基板表面又はSiGe層の内部の少なく
とも一部に、SiGe層の表面よりも不純物濃度を高く
した高濃度領域が形成されるので、転位が高濃度領域の
局所的な歪みや格子欠陥等により誘発、捕捉あるいは終
端され、SiGe層表面の貫通転位を低減することがで
きると共に、いわゆるクロスハッチ等に起因した表面ラ
フネスも減少する。詳述すると、高濃度領域のドーパン
ト原子の近傍には、原子配置の局所的な歪みや点欠陥、
クラスター状の欠陥あるいは析出が存在し、成膜中に発
生するミスフィット転位等の転位は高濃度領域側で発生
しやすくなり、SiGe層の表面での転位の発生が低減
される。また、発生した転位は高濃度領域側に運動しや
すく、ドーパント原子近傍の局所的歪みや欠陥により捕
捉あるいは終端されやすく、SiGe層の最表面に現れ
て貫通転位となる転位の数が減少する。なお、SiGe
層の表面は、不純物濃度が高濃度領域より低いため、表
面側に作製されるデバイスの特性悪化を防ぐことができ
る。なお、本発明における「格子緩和」は、完全にSi
Geの格子定数まで格子緩和したものだけでなく、少し
でも格子緩和した状態も含むものとする。
不純物濃度が1×1018/cm3以上かつ1×1021/
cm3以下であることが好ましい。また、本発明のSi
Ge層の形成方法は、前記高濃度領域の不純物濃度を1
×1018/cm3以上かつ1×1021/cm3以下にする
ことが好ましい。
方法では、高濃度領域の不純物濃度が1×1018/cm
3以上かつ1×1021/cm3以下とされるので、後述す
るように1×1018/cm3以上では大幅に貫通転位の
低減されると共に、1×102 1/cm3以下であるた
め、良好な結晶性を維持することができる。
少なくとも一部にGe組成比を表面に向けて漸次増加さ
せた傾斜組成領域を備えていることが好ましい。また、
本発明の歪みSi層の形成方法は、前記SiGe層のう
ち少なくとも一部にGe組成比を表面に向けて漸次増加
させた傾斜組成領域を形成することが好ましい。
方法では、SiGe層のうち少なくとも一部にGe組成
比を表面に向けて漸次増加させた傾斜組成領域が形成さ
れるので、SiGe層中の転位の発生や成長を抑制する
ことができ、最終的なSiGe層表面の転位密度を低減
することができる。
体基板の前記SiGe層上に直接又は他のSiGe層を
介して配された歪みSi層を備えていることを特徴とす
る。また、本発明の歪みSi層の形成方法は、Si基板
上にSiGe層を介して歪みSi層を形成する方法であ
って、前記Si基板上のSiGe層を、上記本発明のS
iGe層の形成方法により成膜することを特徴とする。
基板の前記SiGe層上に直接又は他のSiGe層を介
して配された歪みSi層を備え、また上記歪みSi層の
形成方法では、Si基板上のSiGe層を、上記本発明
のSiGe層の形成方法により成膜するので、例えば歪
みSi層をチャネル領域とするMOSFET等を用いた
集積回路用の歪みSi層又は半導体基板として好適であ
る。
Ge層上の歪みSi層にチャネル領域を有する電界効果
型トランジスタであって、上記本発明の半導体基板の前
記歪みSi層に前記チャネル領域を有することを特徴と
する。また、本発明の電界効果型トランジスタの製造方
法は、SiGe層上にエピタキシャル成長された歪みS
i層にチャネル領域が形成される電界効果型トランジス
タの製造方法であって、上記本発明の歪みSi層の形成
方法により前記歪みSi層を形成することを特徴とす
る。また、本発明の電界効果型トランジスタは、SiG
e層上にエピタキシャル成長された歪みSi層にチャネ
ル領域が形成される電界効果型トランジスタであって、
上記本発明の歪みSi層の形成方法により前記歪みSi
層が形成されていることを特徴とする。
に前記チャネル領域を有し、また上記電界効果型トラン
ジスタの製造方法では、上記本発明の歪みSi層の形成
方法により前記歪みSi層を形成し、また上記電界効果
型トランジスタでは、上記本発明の歪みSi層の形成方
法により前記歪みSi層が形成されるので、良質な歪み
Si層により高特性な電界効果型トランジスタを高歩留
まりで得ることができる。
を、図1及び図2を参照しながら説明する。
基板)W0及び歪みSi層を備えた半導体ウェーハ(半
導体基板)Wの断面構造を示すものであり、この半導体
ウェーハW0及び歪みSi層を備えた半導体ウェーハW
の構造をその製造プロセスと合わせて説明すると、ま
ず、図1及び図2に示すように、Si基板1上に、高濃
度ドープSi層(高濃度領域)2を減圧CVD法により
エピタキシャル成長する。
が1×1018/cm3以上かつ1×1021/cm3以下の
範囲内に設定され、ドーパントとして例えば、B(ボロ
ン)、C(炭素)、N(窒素)、Al(アルミニウ
ム)、P(リン)、Ga(ガリウム)、As(ヒ素)、
In(インジウム)、Sn(スズ)、Sb(アンチモ
ン)、Tl(タリウム)、Pb(鉛)、Bi(ビスマ
ス)及びこれらの組み合わせのものが添加される。な
お、上記に例示したように、ドーピングする元素は、そ
の導電性に関わらず任意に選択可能であり、特に表面層
ではなく内部にドーピングするため、不純物の導電性に
よるデバイス特性への影響が少ない。
成比xが0から0.3まで成膜方向に(表面に向けて)
傾斜をもって漸次増加する傾斜組成層である第1のSi
Ge層3をエピタキシャル成長する。さらに、第1のS
iGe層3上に、該第1のSiGe層3の最終的なGe
組成比(0.3)で一定組成層かつ緩和層である第2の
SiGe層4をエピタキシャル成長し、半導体ウェーハ
W0を製作する。なお、第1のSiGe層3及び第2の
SiGe層4は、減圧CVD法によりエピタキシャル成
長し、キャリアガスとしてH2を用い、ソースガスとし
てSiH4及びGeH4を用いている。これらの第1及び
第2のSiGe層2、3は、歪みSi層を成膜するため
のバッファ層として機能する。なお、第1のSiGe層
3及び第2のSiGe層4には、デバイス作製において
必要となる導電性制御を目的として1×1018/cm 3
以下のさまざまな濃度で不純物添加してよく、不純物は
添加しなくてもよい。いずれの場合も、高濃度ドープS
i層2は、表面の第2のSiGe層4よりも不純物濃度
が高い高濃度領域となる。
SiGe層4上にSiをエピタキシャル成長して歪みS
i層5を形成し、歪みSi層を備えた半導体ウェーハW
を作製する。なお、各層の膜厚は、例えば、高濃度ドー
プSi層2が1μm、第1のSiGe層3が1.5μ
m、第2のSiGe層4が0.75μm、歪みSi層5
が15〜22nmである。
上にSiGe層の最表面である第2のSiGe層4より
も不純物濃度を高くした高濃度ドープSi層2が形成さ
れるので、転位が高濃度ドープSi層2の局所的な歪み
や格子欠陥等により誘発、捕捉あるいは終端され、Si
Ge層表面の貫通転位を低減することができると共に、
いわゆるクロスハッチ等に起因した表面ラフネスも減少
する。また、高濃度ドープSi層2の不純物濃度が1×
1018/cm3以上かつ1×1021/cm3以下とされる
ので、後述する実施例で示すように、1×1018/cm
3以上では大幅に貫通転位の低減されると共に、1×1
021/cm3以下であるため、良好な結晶性を維持する
ことができる。
導体ウェーハWを用いた電界効果型トランジスタ(MO
SFET)を、その製造プロセスと合わせて図3を参照
して説明する。
の概略的な構造を示すものであって、この電界効果型ト
ランジスタを製造するには、上記の製造工程で作製した
歪みSi層を備えた半導体ウェーハW表面の歪みSi層
5上にSiO2のゲート酸化膜6及びゲートポリシリコ
ン膜7を順次堆積する。そして、チャネル領域となる部
分上のゲートポリシリコン膜7上にゲート電極(図示
略)をパターニングして形成する。
ゲート電極下以外の部分を除去する。さらに、ゲート電
極をマスクに用いたイオン注入により、歪みSi層5及
び第2のSiGe層3にn型あるいはp型のソース領域
S及びドレイン領域Dを自己整合的に形成する。この
後、ソース領域S及びドレイン領域D上にソース電極及
びドレイン電極(図示略)をそれぞれ形成して、歪みS
i層5がチャネル領域となるn型あるいはp型MOSF
ETが製造される。
上記製法で作製された歪みSi層を備えた半導体ウェー
ハWの歪みSi層5にチャネル領域が形成されるので、
良質な歪みSi層5により動作特性に優れたMOSFE
Tを高歩留まりで得ることができる。また、第2のSi
Ge層4の表面は、不純物濃度が低いため、表面側に作
製されるデバイスの特性悪化を防ぐことができる。
に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない
範囲において種々の変更を加えることが可能である。例
えば、上記実施形態では、Si基板上に高濃度ドープS
i層をエピタキシャル成長して高濃度領域を形成した
が、SiGe層の内部の少なくとも一部にSiGe層表
面よりも不純物濃度が高い高濃度領域を形成しても構わ
ない。例えば、第1のSiGe層のような傾斜組成層に
第2のSiGe層表面に比べて高濃度に不純物をドーピ
ングしてもよい。さらに、高濃度領域となるSiGe層
は、Ge組成比の変調が連続でも不連続でもよい。ま
た、上記実施形態では、Si基板上に高濃度ドープSi
層をエピタキシャル成長して高濃度領域を有するSi基
板としたが、Si基板表面に不純物をイオン注入して表
面に高濃度領域を形成したSi基板を用いても構わな
い。さらに、基板全体に高濃度の不純物も混ぜたSi基
板をCZ法で作製して用いても構わない。
半導体基板の歪みSi層上に、さらにSiGe層を備え
た半導体基板も本発明に含まれる。また、第2のSiG
e層上に直接歪みSi層を成膜したが、第2のSiGe
層上にさらに他のSiGe層を成膜し、該SiGe層を
介して歪みSi層をエピタキシャル成長しても構わな
い。
の基板としてSiGe層を有する半導体基板を作製した
が、他の用途に適用する基板としても構わない。例え
ば、本発明のSiGe層の形成方法及び半導体基板を太
陽電池用の基板に適用してもよい。すなわち、上述した
各実施形態のいずれかのシリコン基板上に最表面で10
0%GeとなるようにGe組成比を漸次増加させた傾斜
組成層のSiGe層を成膜し、さらにこの上にGaAs
(ガリウムヒ素)を成膜することで、太陽電池用基板を
作製してもよい。この場合、低転位密度で高特性の太陽
電池用基板が得られる。
した際の貫通転位密度の測定結果を、図4を参照して説
明する。
導体ウェーハW0に対応するものであって、まず、高濃
度ドープSi層の膜厚x(μm)を数種類変化させたサ
ンプルについて測定した。なお、比較のために高濃度ド
ープSi層がなく第1のSiGe層及び第2のSiGe
層だけのウェーハを標準試料として作製し、同様に測定
した。また、各サンプルの高濃度ドープSi層には、ド
ーパントとしてP(リン)を1×1019/cm3の濃度
となるように添加している。
通転位密度を測定した結果、図4に示すように、膜厚x
=0の標準試料よりも全てのサンプルにおいて貫通転位
密度が1桁低下していることがわかる。
であって、高濃度ドープSi層の不純物濃度(ドーパン
トP)を数種類変化させたサンプルについて測定した。
なお、各サンプルの高濃度ドープSi層は、その膜厚x
を1μmとした。これらの半導体ウェーハの表面におけ
る貫通転位密度を測定した結果、1×1018/cm3未
満及び1×1021/cm3を越えた高濃度ドープSi層
の不純物濃度の場合、貫通転位密度の低下効果が少ない
が、1×1018/cm3から1×1021/cm3までの範
囲内の不純物濃度では、貫通転位密度が顕著に低下し
た。これは、上記不純物濃度が1×1018/cm3未満
ではドーパント原子近傍に生じる局所的歪みや欠陥が効
果的に転位を発生し終端させるには少なく、また上記不
純物濃度が1×1021/cm3を越えると膜全体の結晶
性が悪化するためと考えられる。
本発明の半導体基板及びSiGe層の形成方法によれ
ば、Si基板表面又はSiGe層の内部の少なくとも一
部にSiGe層の表面よりも不純物濃度を高くした高濃
度領域が形成されるので、高濃度領域のドーパント原子
近傍の局所的な歪みや欠陥で転位が効果的に誘発、捕捉
あるいは終端され、トランジスタの動作不良原因になる
表面領域の貫通転位を低減することができると共に、ク
ロスハッチ等に起因した表面ラフネスを減少させること
ができる。さらに、表面側の不純物濃度が低く作製され
るためデバイスの特性悪化を防ぐことができる。
れば、Si基板上のSiGe層を上記本発明のSiGe
層の形成方法により成膜し、また本発明の半導体基板に
よれば、上記本発明の半導体基板の前記SiGe層上に
直接又は他のSiGe層を介して配された歪みSi層を
備えているので、表面状態が良好なSiGe層上にSi
層を成膜でき、良質な歪みSi層を得ることができる。
よれば、上記本発明の半導体基板の前記歪みSi層にチ
ャネル領域が形成され、又は本発明の電界効果型トラン
ジスタの製造方法によれば、上記本発明の歪みSi層の
形成方法により、チャネル領域となる歪みSi層が形成
されているので、良質な歪みSi層により高特性なMO
SFETを高歩留まりで得ることができる。
を備えた半導体基板を示す断面図である。
を備えた半導体基板の膜厚に対するGe組成比を示すグ
ラフである。
Tを示す概略的な断面図である。
膜厚xに対する依存性を示すグラフである。
Claims (13)
- 【請求項1】 Si基板と、 該Si基板上の少なくとも表面が格子緩和したSiGe
層とを備え、 前記Si基板表面又は前記SiGe層の内部の少なくと
も一部に、SiGe層の表面よりも不純物濃度を高くし
た高濃度領域が形成されていることを特徴とする半導体
基板。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体基板において、 前記SiGe層は、少なくとも一部にGe組成比を表面
に向けて漸次増加させた傾斜組成領域を備えていること
を特徴とする半導体基板。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の半導体基板にお
いて、 前記高濃度領域の不純物濃度は、1×1018/cm3以
上かつ1×1021/cm3以下であることを特徴とする
半導体基板。 - 【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載の半導
体基板の前記SiGe層上に直接又は他のSiGe層を
介して配された歪みSi層を備えていることを特徴とす
る半導体基板。 - 【請求項5】 SiGe層上の歪みSi層にチャネル領
域を有する電界効果型トランジスタであって、 請求項4に記載の半導体基板の前記歪みSi層に前記チ
ャネル領域を有することを特徴とする電界効果型トラン
ジスタ。 - 【請求項6】 Si基板上に少なくとも表面が格子緩和
したSiGe層をエピタキシャル成長する方法であっ
て、 前記Si基板表面又は前記SiGe層の内部の少なくと
も一部にSiGe層の表面よりも不純物濃度を高くした
高濃度領域を形成することを特徴とするSiGe層の形
成方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載のSiGe層の形成方法
において、 前記SiGe層のうち少なくとも一部にGe組成比を表
面に向けて漸次増加させた傾斜組成領域を形成すること
を特徴とするSiGe層の形成方法。 - 【請求項8】 請求項6又は7に記載のSiGe層の形
成方法において、 前記高濃度領域の不純物濃度を1×1018/cm3以上
かつ1×1021/cm3以下にすることを特徴とするS
iGe層の形成方法。 - 【請求項9】 Si基板上にSiGe層を介して歪みS
i層を形成する方法であって、 前記Si基板上のSiGe層を、請求項6から8のいず
れかに記載のSiGe層の形成方法により成膜すること
を特徴とする歪みSi層の形成方法。 - 【請求項10】 SiGe層上にエピタキシャル成長さ
れた歪みSi層にチャネル領域が形成される電界効果型
トランジスタの製造方法であって、 請求項9に記載の歪みSi層の形成方法により前記歪み
Si層を形成することを特徴とする電界効果型トランジ
スタの製造方法。 - 【請求項11】 Si基板上に少なくとも表面が格子緩
和したSiGe層が形成された半導体基板であって、 請求項6から8のいずれかに記載のSiGe層の形成方
法により前記SiGe層が形成されていることを特徴と
する半導体基板。 - 【請求項12】 Si基板上にSiGe層を介して歪み
Si層が形成された半導体基板であって、 請求項9に記載の歪みSi層の形成方法により前記歪み
Si層が形成されていることを特徴とする半導体基板。 - 【請求項13】 SiGe層上にエピタキシャル成長さ
れた歪みSi層にチャネル領域が形成される電界効果型
トランジスタであって、 請求項9に記載の歪みSi層の形成方法により前記歪み
Si層が形成されていることを特徴とする電界効果型ト
ランジスタ。
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