JP2002510438A - 複合ｓｉ／ｓｉｇｅゲートを持つ半導体装置における相互拡散の制限方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、シリコン封緘層を堆積する前に、Ａ）Ｓｉ_l-xＧｅ_x層の上に、アモルファスまたは多結晶シリコンの薄膜を堆積した後、前記シリコン膜を酸化窒素ガスで、温度４５０〜６００℃の間で、１０⁴〜１０⁵Ｐａの圧力レベルで処理して、薄い窒化されたシリコン膜を得る、または、Ｂ）Ｓｉ_l-xＧｅ_x層の上に、アモルファスまたは多結晶シリコンの薄膜を堆積し、シリコン膜を酸化処理して膜厚１ｎｍ未満のシリコン酸化膜の表面膜を形成し、必要に応じて、酸化されたアモルファスまたは多結晶シリコンの膜をＡ）のように酸化窒素で処理する方法に関するものである。本発明は、ＣＭＯＳ半導体に適用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 複合ＳＩ／ＳＩＧＥゲートを持つ半導体装置における相互拡散の制限方法 本発明は、ＣＭＯＳ装置のように、複合Ｓｉ／Ｓｉ_l-xＧｅ_x（０＜ｘ≦１）ゲ ートを持つ半導体において、シリコンとゲルマニウムの相互拡散を制限する方法 に関するものである。 Ｓｉ_l-xＧｅ_x層を含むゲート構造がＰＭＯＳ技術にとって有利な選択肢である ことは証明されている。 この理由は、Ｓｉ_l-xＧｅ_x材料が、同じドーピングで多結晶シリコンよりも低 い抵抗を持つことについて、多結晶Ｓｉ_l-xＧｅ_x層におけるゲルマニウムの含有 量の関数として、得られるＰＭＯＳ装置のしきい値電圧をシフトする可能性を提 供するからである。従って、従来のＰ⁺／Ｎ⁺構造、すなわち、例えばＰ⁺の導電 性を持つ多結晶Ｓｉ_l-xＧｅ_x層を含む単純なゲートを持つＮおよびＰのガントラ ンジスタ用の構造に代わるＰ⁺ゲート構造における“ミッドギャップ”材料とし て使用することができる。 さらに、非常に高いゲルマニウム濃度（７５％以上）を持つ、または、純粋な ゲルマニウムで作られたゲートもまた、両方の型（ＮおよびＰ）のトランジスタ に対して同時に両立できる利点を持つため、技術工程を省くように導く（少なく とも２つのフォトリソグラフィー工程、および、その層が本来の場所にドープさ れるのであれば２つの注入工程の排除）。 例えば、複合ＳｉＧｅゲートを持つＣＭＯＳ装置は、“絶縁体上の十分に 減少されたシリコン内の、Ｐ⁺多結晶ＳｉＧｅゲート電極を使用する対称なＣＭ ＯＳ”，Niel KIESTLERおよびJASON，IEDM 93，727-730ページ、“多結晶Ｓｉ／ Ｓｉ_l-xＧｅ_xゲートＣＭＯＳ技術”，T.KING et al．；IEDM 90，253-256ページ の論文に記載されている。 複合Ｓｉ／ＳｉＧｅゲートを持つ半導体装置は、通例シリコン半導体基板上の シリコン酸化膜層と、このシリコン酸化膜層の上に通常膜厚１ｎｍ以下、好まし くは約０．５ｎｍのシリコン接着層と、この接着層の上に１００ｎｍもの膜厚、 しかし、通常２〜２０ｎｍのオーダーの膜厚の多結晶Ｓｉ_l-xＧｅ_x（０＜ｘ≦１ ）層から構成される。 Ｓｉ_l-xＧｅ_x層の上には、アモルファスまたは多結晶のいずれかのシリコン層 がある。後者の層は、ゲルマニウム、従って、ＳｉＧｅ合金の非常に高い反応性 ために、また、ゲルマニウムおよびこれらの化合物と、例えばチタンのように、 金属シリサイドを得るために使用される金属との低い反応性のために、Ｓｉ_l-x Ｇｅ_x層の表面をシリサイド化する時に存在する引き続いて起こる困難さのため に必要である。 シリコンとＳｉ_l-xＧｅ_x層との間の界面は最初の内は全く平面で、境界がはっ きりしていて、粗さはないとしても、同じことは、この構造がアニールされた後 では正しくないということが近年の研究によって示されている。なぜなら、この 時、主に、アモルファスまたは多結晶シリコンの結晶の接合部を通して、ゲルマ ニウムのシリコン封緘層への相互拡散が、そしてその逆、すなわち、この層の結 晶の接合部を通して、シリコンのＳｉＧｅ合金層への拡散が観測されるからであ る。後者の点は、Ｓｉ_l-xＧｅ_x層のゲルマニウムの含有量が減少さ れ、その結果、しきい値電圧が変更されることを意味するので基本的なことであ る。 アモルファスシリコンを使うことによってこの効果は制限されるが、このゲル マニウムの拡散の制限は、依然として決して満足なものではない。 従って、本発明の目的は、複合Ｓｉ／Ｓｉ_l-xＧｅ_xゲートを持つ半導体におい て相互拡散を制限するための、迅速で、産業的に適用可能で、信頼性のある、再 現可能な方法を提供することにある。 本発明の相互拡散の制限方法の第１の実施例によれば、通例２５ｎｍ未満、好 ましくは２ｎｍ〜２０ｎｍの間の膜厚を持つアモルファスまたは多結晶シリコン の薄層をＳｉ_l-xＧｅ_x層の上に堆積した後、アモルファスまたは多結晶シリコン の薄層を、圧力１０³〜１０⁵Ｐａで、温度４５０℃〜６００℃で、酸化窒素（Ｎ Ｏ）ガスと接触させることによって、このシリコン層を窒化する。その後、シリ コン封緘層を従来の方法で堆積する。 本発明の相互拡散の制限方法の第２の実施例によれば、上記に示すように、ア モルファスまたは多結晶シリコンの薄膜をＳｉ_l-xＧｅ_x層の上に堆積し、膜厚１ ｎｍ以下のシリコン酸化膜層を、このシリコンの薄い表面層の表面に形成し、そ の後、シリコンの相補的な堆積を行ってシリコン封緘層を完成する。この薄いシ リコン酸化膜層は上述するように必要に応じて窒化してもよい。 明細書の以下の記載においては添付の図面を参照する。 図１ａ〜１ｇは、本発明の拡散の制限方法の第１の実施例を具体化する複合Ｓ ｉ／Ｓｉ_l-xＧｅ_xゲートを形成する主要工程を概念的に説明する。 図２ａ〜２ｃは、複合Ｓｉ／Ｓｉ_l-xＧｅ_xゲートにおける相互拡散の制限方 法の第２の実施例の主要工程を概念的に説明する。 図面、より詳しくは図１ａ〜１ｇを参照して、本発明のゲルマニウムおよびシ リコンの相互拡散の制限方法の第１の実施例を具体化する複合Ｓｉ／Ｓｉ_l-xＧ ｅ_xゲートの形成方法の各種の工程を概念的に説明する。 一般的に、複合ゲートを形成する第１の工程は、アモルファス、多結晶または 単結晶シリコンの基板１の上にゲート酸化膜（ＳｉＯ₂）層２を形成することか らなる。ゲート酸化膜層２を形成した後、この層の上に、通常３ｎｍ未満、好ま しくは１ｎｍ以下、最適には約０．５ｎｍの膜厚の薄いシリコン接着層３を形成 する。 このシリコン層は、通常５００〜５８０℃の間、好ましくは５５０℃の温度、 かつ、通常大気の堆積圧力で、シランと水素との混合物から化学気相成長法によ る従来の方法で堆積してもよい。 このシリコン接着層を堆積する工程の所要時間は、接着層の膜厚が３ｎｍ未満 であることを確実にするために、他の堆積条件の関数として決定される。 その後、Ｓｉ_l-xＧｅ_x層４は、このシリコン接着層３の上に堆積される。ここ で、０＜ｘ≦１、好ましくは０．０５≦ｘ≦１、最適には０．２５≦ｘ≦１、ま たは、より好ましくは０．５０≦ｘ≦１である。 この堆積は、シラン、ゲルマンおよび水素のガス混合物から化学気相成長法に よって行ってもよい。 混合物内の種々のガスの比率は、Ｓｉ_l-xＧｅ_x層に要望されるゲルマニウムお よびシリコンの含有量の関数として変化し、当業者によって、この層に要望され る組成の関数として簡単に決定することができる。 この堆積は、通常４００〜５５０℃の間、好ましくは４５０〜５５０℃の間の 温度で行われる。ガス混合物中のゲルマニウムの含有量を高くすればするほど、 堆積温度をそれだけ低くしてもよい。従って、純粋なゲルマニウムを堆積するた めに、堆積温度は好ましくは４００〜４５０℃の間としえよう。 全堆積圧力は通常大気圧である。 堆積の所要時間は、温度および圧力の条件、ガス混合物内の種々のガスの比率 、ならびに、多結晶Ｓｉ_l-xＧｅ_x層に要望される膜厚の関数である。 多結晶Ｓｉ_l-xＧｅ_x層の膜厚は、通常２０ｎｍ〜２００ｎｍの間、好ましくは １００未満、通常４０ｎｍである。 次の工程は、本発明によれば、相互拡散を制限するための層を形成した後に、 シリコン封緘層を堆積することである。 図１ａ〜１ｇに表される実施例では、この相互拡散を制限するための層の形成 は、最初に、通例２ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは２〜１０ｎｍの膜厚のアモルフ ァスまたは多結晶シリコン５の薄層をＳ_l-xＧｅ_x（ＳｉＣ）層４の表面上に形成 することにある。 この薄層は、どのような従来の技術によって、特に化学気相成長法によって堆 積されてもよい。 続いて、シリコンの薄層を窒化し、そしてその結果、窒化シリコン６の薄層を 得るために、シリコンの薄層の表面を４５０〜６００℃の温度、１０³〜１０⁵Ｐ ａまで変化する圧力で、例えば５５０℃の温度、１０⁴Ｐａの圧力で約３０秒の 時間の間ＮＯガスで直接処理する。 その後、シリコン封緘層７を従来の方法で、例えばシランと水素の混合物から 化学気相成長法によって堆積する。 そして、その後、半導体装置を従来の方法で完成してもよい。 適当なところで、Ｓｉ_l-xＧｅ_x層および／またはシリコン封緘層７を、例えば ボロンまたはリン原子でドープしてもよい。 このドーピングは、これらの層を堆積するのと同時に、例えばＢ₂Ｈ₆，ＰＨ₃ またはＡｓＨ₃のようなドーパント成分の前駆体ガスを化学気相成長法のガス混 合物に加えることによって、本来の場所において従来の方法で行ってもよい。 図２ａ〜２ｃは、本発明の相互拡散を制限するための層の形成の第２の実施例 に関するものである。 前述のように、シリコン基板１の上にゲートシリコン酸化膜層２、シリコン接 着層３およびＳｉ_l-xＧｅ_x層４を連続的に堆積し、また、図１ａ〜１ｄを参照し て上記で説明したように、アモルファスまたは多結晶シリコン５の薄層を形成し た後、膜厚１ｎｍ以下の表面シリコン酸化膜層６を形成するために、このシリコ ン層５の表面を酸化する。 一般的に、このシリコン酸化膜の薄層は以下の方法で形成することができる。 シリコン表面を清浄化した後、この表面をＨＦの希釈水溶液（通例、濃度１％ 未満のオーダー）に漬浸することによってＳｉ−Ｈ（およびＨ−Ｓｉ−Ｈ）結合 で飽和する。 脱イオン化した水で洗浄して乾燥した後（助剤としてイソプロピルアルコール を使用する、またはしない）、こうして処理された表面を反応装置内でオ ゾン（Ｏ₃）ガス流（通例、温度２００℃未満で、時間３分未満の間）またはオ ゾン化した水溶液（通例、室温でオゾン飽和し、脱イオン化した水）の中に晒す 。 どちらの場合も、膜厚１ｎｍ以下の同価な酸化膜が得られる。 必要に応じて、この膜厚１ｎｍ以下のシリコン酸化膜層６を、図１ａ〜１ｇを 参照して上記で説明した方法を使用して窒化してもよい。 全ての場合において、シリコン封緘層７は、前述のように、窒化された、また は窒化されていないＳｉＯ₂層６の上に堆積される。 図１ａ〜１ｇを参照して上記に示したように、ドープされたゲート材料は、標 準のプロセスを使用して、ボロンまたはリン原子のようなドーパント原子を構造 内に注入することによって得られうる。 好ましくは、相互拡散を制限するための層との界面にドーパント原子が可能な 限り固定されるのを防ぐために、Ｓｉ_l-xＧｅ_x層および／または上方のシリコン 層を本来の場所にドープすることが推奨される。 本発明に係る窒化プロセスは自己制御式、すなわち、与えられた１組のパラメ ータである酸化窒素の温度と圧力に対して、界面に導入された窒素に濃度の急速 な飽和があるということに注目すべきである。 本発明の方法は、主に多結晶複合Ｓｉ_l-xＧｅ_x／Ｓｉゲートを参照して記述さ れているが、本発明の方法は、ボロンの拡散またはゲルマニウムの拡散を防止す るのに有利な埋込み型ＣＭＯＳ装置のチャネルのエピタキシャルおよびヘテロエ ピタキシャル層、すなわち、多結晶よりも単結晶に使用してもよい。しかしなが ら、この場合には僅かに多くの手順が含まれる。なぜなら、１つの層の成長を 停止し、窒化された層（この場合、続いてエピタキシーが再開され得るのでシリ コン酸化膜層は推奨されない）の形成を行い、続いて最初の反応装置の成長を再 開するために、他の反応装置に変える必要があるからである。 好ましくは、クラスターまたはマルチチャンバーのシングルウェハー型の反応 装置を使用する。なぜなら、その場合、制御された雰囲気のもとで１つの反応装 置から他の反応装置へ行くことができるからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エルナンデス カロリーヌ フランス国 Ｆ―38000 グルノーブル リュ バヤール １ 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．Ｓｉ／Ｓｉ_l-xＧｅ_xゲートを持つ半導体装置のＳｉ_l-xＧｅ_x（０＜ｘ≦１） の層（４）とシリコン封緘層（７）との間でシリコンとゲルマニウムの相互拡散 を制限するための層の形成方法であって、前記シリコン封緘層を堆積する前に、 Ａ．前記Ｓｉ_l-xＧｅ_x層（４）の上にアモルファスまたは多結晶シリコン（５ ）の薄層を堆積し、その後、窒化シリコン（６）の薄層を得るために、このシリ コン層を酸化窒素ガスで、温度４５０〜６００℃で、圧力１０³〜１０⁵Ｐａで処 理し、または、 Ｂ．前記Ｓｉ_l-xＧｅ_x層（４）の上にアモルファスまたは多結晶シリコン（５ ）の薄層を堆積し、このシリコン層を酸化処理して、膜厚１ｎｍ未満のシリコン 酸化膜（６）の表面層を形成し、必要に応じて、酸化されたアモルファスまたは 多結晶シリコン層をＡのように酸化窒素で処理することを特徴とする方法。 ２．前記アモルファスまたは多結晶シリコン層（５）は、膜厚２５ｎｍ未満であ ることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．前記アモルファスまたは多結晶シリコン層は、膜厚２〜２０ｎｍの間である ことを特徴とする請求項２に記載の方法。 ４．手順Ｂにおいて、膜厚１ｎｍ未満のシリコン酸化膜（６）の前記表面層は、 前記アモルファスまたは多結晶シリコン層を、オゾンまたはオゾン化された水を 含む雰囲気の存在の中に接触させることにより形成されることを特徴とする請求 項１〜３のいずれかに記載の方法。 ５．手順Ｂにおいて、前記アモルファスまたは多結晶シリコン層は、前記シリコ ン酸化膜層（６）の形成よりも前に、フッ化水素酸希釈水溶液で清浄化の工程に さらされることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。 ６．ＮＯガスでの前記処理は、５５０℃で、圧力１０⁴Ｐａで、３０秒間行われ ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。 ７．前記相互拡散を制限するための層の形成の前に、前記Ｓｉ_l-xＧｅ_x層（４） を本来の場所でドーピングする工程を含むことを特徴とする請求項１〜６のいず れかに記載の方法。 ８．前記シリコン封緘層をドーピングする工程を含むことを特徴とする請求項１ 〜７のいずれかに記載の方法。