JP2004146472A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of improving characteristics in a transistor with a strain silicon layer as a channel region by forming the high-quality strain silicon layer, where a crystalline defect is reduced on a silicon germanium layer, and to provide a method for manufacturing the semiconductor device. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises a porous silicon layer 2 formed on the surface of a silicon substrate 1, a first single crystal silicon layer 3 formed on the surface of the porous silicon layer 2, a first silicon germanium layer 5a that is laminated to the first single crystal silicon layer 3 and is set to be in a strain relief state, and a single crystal silicon layer 6a for channels that is laminated to the first silicon germanium layer 5a and is set to be in a strain state becoming a channel region (6ac). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンゲルマニウム層の上に形成された歪み状態の歪みシリコン層を備えた半導体装置及び半導体装置製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置、とりわけCMOSデバイスでは省資源化の要求に伴って低消費電力化が要求されるようになった。CMOSデバイスを構成するMOSトランジスタは、これまで、ゲート構造の微細化、ゲート膜の薄膜化等トランジスタ構造の微細化により駆動能力を確保し、低電圧動作に対応してきた。しかし、トランジスタ構造の微細化には、世代毎に大きな技術革新が必要で、費用投資と併せて、今後ますます開発サイドの負担が大きくなると予想される。
【0003】
このような背景から、MOSトランジスタにおいて、トランジスタ構造の微細化によらず、低電圧での駆動能力を確保する手法として、完全空乏型SOI構造を採用してS値を小さくし、トランジスタの駆動能力を確保する方法(SOIトランジスタデバイス)、ゲルマニウムを利用した歪みシリコンチャネル構造を採用して、トランジスタの駆動能力を向上させる手法が提案されている。
【0004】
しかし、SOIトランジスタデバイスでは、完全空乏型SOI構造を必要とするため、約数10nm程度の薄膜SOI層にトランジスタを形成する必要があり、バルクトランジスタプロセス以上の高精度の加工技術が要求される。また、活性シリコン層が下方を埋め込み酸化膜、廻りを素子分離酸化膜で囲まれるため、ウエルコンタクトが取れず、バルクデバイスの設計資産がそのままでは使用出来ない。
【0005】
他方、歪みシリコンチャネル構造は、シリコン(以下、Si)とは格子定数の異なるゲルマニウム(以下、Ge)を含有した共晶Si(以下、SiGe)の歪みを開放し、いわゆる緩和状態としたSiGe層の上に、引っ張り歪みを持つSi層を形成し、これをトランジスタのチャネルに利用することで、トランジスタの駆動能力を向上させるものである。即ち、引っ張り歪みを有する歪みSi層では、歪み無しSi層に比較して電子の実効的な質量の低下や格子散乱の軽減化によって移動度が向上するもので、この特性を利用してトランジスタの駆動能力を向上させるものである。特性向上という利点から、歪みSi層を、NチャネルMOSトランジスタに適用した技術が多数提案されている。
【0006】
図9は歪みSi層を有する従来例1に係る半導体装置の断面図である。なお、理解の容易性を考慮し、断面を示すハッチングは省略している(その他の図においても同様である)。埋め込み層51aを形成されたSi基板51の上にGeの濃度勾配を有するSiGe層52a、Geを固定濃度としたSiGe層52bを形成し、Si基板51とSiGe層52a、52bの格子不整合により生じる格子歪みを開放し、その上部に格子定数の小さい歪み状態のSi層53を堆積し歪みSiチャネルとして利用するものである。Si層53の上には中間層54、ゲート酸化膜55、ゲート電極56が形成され、ゲート電極56に対応して、ソース領域57、ドレイン領域58、チャネル領域53cが確定される(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
従来例1においては、Si基板51とSiGe層52a、52bとの界面での転位発生を抑制し、格子不整合に起因したSiGe層52a、52bの応力を緩和するため、Geの濃度勾配を持たせたSiGe層52aを使用する。応力緩和のためには緩やかな濃度勾配が必要となり、結果的にμmオーダーに制御することが必要となる(SiGe層52aの膜厚は2μm)。エピタキシャル成長させるSiGe層52a、52bは、単結晶性確保の観点から堆積速度が小さく、通常数nm/分〜数十nm/分程度であり、エピタキシャル成長時の堆積処理に長い時間を必要としウエーハの処理能力が低下するという問題がある。
【0008】
図10は歪みSi層を有する従来例2に係る半導体装置の製造過程を示す断面図である。Si基板61上にSiGe層62を形成する(同図(a)、(b))が、界面には結晶欠陥63が残留している。次に、Si基板61とSiGe層62との界面に酸素、窒素等の第1のイオン注入を行って固相成長防止のストッパー層64を形成する(同図(c))。その後、Ge、Si等の第2のイオン注入を行ってSiGe層62の下方を所定の膜厚だけ非晶質化し、非晶質SiGe層65aを形成する(同図(d))。さらに、アニール処理によって非晶質SiGe層65aを、結晶欠陥を低減した単結晶SiGe層66へ変換する。続いて、SiGe層62の上方をGe、Si等の第3のイオン注入を行い、アニール処理することにより非晶質化し、非晶質SiGe層65bを形成する(同図(e))。さらに、再アニール処理することによって非晶質SiGe層65bを、結晶性の良い単結晶SiGe層66に変換している(同図(f))。その後、単結晶SiGe層66の上に歪み状態の単結晶Si層67を成長させる(例えば、特許文献2参照)。
【0009】
つまり、従来例2はイオン注入を用いてSiGe層の応力コントロールを行うものである。この方法では、SiGe層62に対して、比較的質量の大きなイオンのイオン注入とアニール処理を複数回繰り返すことで、結晶の非晶質化と再結晶化との状態変換を行っている。したがって、製造過程が煩雑化するのみならず、結晶状態の変換のための非晶質化に起因して、最終的に得られる基板として、結晶欠陥のない十分に高品質の基板を得ることができないという問題がある。
【0010】
薄膜のSiGe層を用いて歪みSi層を形成する従来例3として、(100)面方位のSi平面上に堆積した歪SiGe層への水素のイオン注入とアニール処理によって、歪を開放した緩和状態のSiGe層を形成する技術が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
【0011】
従来例3においては、アニール処理後にSi/SiGe界面から基板表面側に向かって発生する貫通転位(Threading   Dislocation)が存在する。この貫通転位は、10×106 〜109 /cm2 程度発生し、トランジスタのゲート酸化膜の電気的特性、拡散層の接合リーク電流の増加をもたらすという問題がある。
【0012】
【特許文献1】
特開平9−82944号公報
【特許文献2】
特開2001−110725号公報
【非特許文献1】
エイチ・トリンカウス他(H.Trinkaus et al.)、水素注入されたSi(1−x)Ge(x)/Si(100)異種構造に対する歪み緩和機構(Strain  relaxation  mechanism  for  hydrogen−implanted  Si(1−x)Ge(x)/Si  heterostructure)、「アプライド・フィジックス・レターズ(APPLIED  PHYSICS  LETTERS)」、(アメリカ合衆国)、アメリカン・インスチチュート・オブ・フィジックス(AMERICAN  INSTITUTE  OF  PHYSICS )、2000年6月12日、p.3552〜p.3554
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、シリコンゲルマニウム層を用いて歪みシリコン層を形成する場合の従来の方法においては、製造過程の煩雑化、長時間化に伴い生産性が低下すること、結晶欠陥のない高品質の基板を得ることができないこと、歪みシリコン層をチャネル領域とするトランジスタの特性が不十分であること等の問題がある。
【0014】
本発明は、斯かる問題に鑑みてなされたものであり、ウエーハの処理能力を犠牲にすることなく、シリコンゲルマニウム層の上に結晶欠陥を低減した高品質の歪みシリコン層を形成することにより、歪みシリコン層をチャネル領域とするトランジスタの特性を改善できる半導体装置及び半導体装置製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をトランジスタのチャネル領域とする半導体装置において、シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層と、多孔質シリコン層の表面に形成された第1単結晶シリコン層と、第1単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第1シリコンゲルマニウム層と、第1シリコンゲルマニウム層に積層されてチャネル領域となる歪み状態のチャネル用単結晶シリコン層と、を備えることを特徴とする。
【0016】
本発明に係る半導体装置においては、第1シリコンゲルマニウム層はゲルマニウムの濃度勾配を有することを特徴とする。
【0017】
本発明に係る半導体装置は、シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をトランジスタのチャネル領域とする半導体装置において、シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層と、多孔質シリコン層の表面に形成された第1単結晶シリコン層と、第1単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第1シリコンゲルマニウム層と、第1シリコンゲルマニウム層に積層された第1緩衝用単結晶シリコン層と、第1緩衝用単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第2シリコンゲルマニウム層と、第2シリコンゲルマニウム層に積層された歪み状態のチャネル用単結晶シリコン層と、を備えることを特徴とする。
【0018】
本発明に係る半導体装置においては、第1緩衝用単結晶シリコン層及び第2シリコンゲルマニウム層の間に積層された第2緩衝用単結晶シリコン層を備えることを特徴とする。
【0019】
本発明に係る半導体装置においては、第1単結晶シリコン層及び第1シリコンゲルマニウム層の間に積層された第2単結晶シリコン層を備えることを特徴とする。
【0020】
本発明に係る半導体装置においては、第1単結晶シリコン層の膜厚又は第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層の積層膜厚は5nm〜190nmであることを特徴とする。
【0021】
本発明に係る半導体装置においては、第1シリコンゲルマニウム層の膜厚は10nm〜500nmであることを特徴とする。
【0022】
本発明に係る半導体装置においては、第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム濃度は10〜50原子%であることを特徴とする。
【0023】
本発明に係る半導体装置製造方法は、シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をチャネル領域とするトランジスタを形成する半導体装置製造方法において、シリコン基板表面に多孔質シリコン層を形成する工程と、水素アニール処理により多孔質シリコンの表面を第1単結晶シリコン層に変換する工程と、第1単結晶シリコン層の上に、第2単結晶シリコン層及び第1シリコンゲルマニウム層を順次エピタキシャル成長させる工程と、第1シリコンゲルマニウム層の上に、チャネル用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程と、イオン注入及びイオン注入後のアニール処理により、第1単結晶シリコン層内、第2単結晶シリコン層内、または多孔質シリコン層内に結晶欠陥を導入する工程と、を備えることを特徴とする。
【0024】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1シリコンゲルマニウム層はゲルマニウムの濃度勾配を有して形成されたことを特徴とする。
【0025】
本発明に係る半導体装置製造方法は、シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をチャネル領域とするトランジスタを形成する半導体装置製造方法において、シリコン基板表面に多孔質シリコン層を形成する工程と、水素アニール処理により多孔質シリコンの表面を第1単結晶シリコン層に変換する工程と、第1単結晶シリコン層の上に、第2単結晶シリコン層、第1シリコンゲルマニウム層、及び第1緩衝用単結晶シリコン層を順次エピタキシャル成長させる工程と、イオン注入及びイオン注入後のアニール処理により、第1単結晶シリコン層内、第2単結晶シリコン層内、または多孔質シリコン層内に結晶欠陥を導入する工程と、第1緩衝用単結晶シリコン層の上に、第2緩衝用単結晶シリコン層、第2シリコンゲルマニウム層、及びチャネル用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程と、を備えることを特徴とする。
【0026】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第2緩衝用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程を省いたことを特徴とする。
【0027】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第2シリコンゲルマニウム層は歪み緩和状態の層としてエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【0028】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、チャネル用単結晶シリコン層は歪み状態の層としてエピタキシャル成長させることを特徴とする。
【0029】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第2単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程を省いたことを特徴とする。
【0030】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1単結晶シリコン層の膜厚又は第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層の積層膜厚を5nm〜190nmとしたことを特徴とする。
【0031】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1シリコンゲルマニウム層は臨界膜厚以下の膜厚に形成されることを特徴とする。
【0032】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1シリコンゲルマニウム層の膜厚は10nm〜500nmであることを特徴とする。
【0033】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム濃度は10〜50原子%であることを特徴とする。
【0034】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層をエピタキシャル成長させる際の成長温度は700℃以下であることを特徴とする。
【0035】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、イオン注入に用いるイオン種は水素又はヘリウムであることを特徴とする。
【0036】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、イオン注入の平均注入飛程は多孔質シリコン層、第1単結晶シリコン層、又は第2単結晶シリコン層のいずれかの層内にあることを特徴とする。
【0037】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、イオン注入は複数回に分けて行われることを特徴とする。
【0038】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、イオン注入におけるイオン注入量は0.3〜3×101 6 /cm2 の範囲から選択された値とすることを特徴とする。
【0039】
本発明に係る半導体装置製造方法においては、イオン注入後のアニール処理における温度は600℃〜950℃の範囲内とすることを特徴とする。
【0040】
本発明にあっては、シリコン基板の表面に多孔質シリコン層を形成し、多孔質シリコン層から多孔質シリコン層の表面に形成した第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層までの領域に結晶欠陥を導入することにより、第1単結晶シリコン層、第2単結晶シリコン層の上部に積層して形成した第1シリコンゲルマニウム層を結晶欠陥の少ない緩和状態にできるので、第1シリコンゲルマニウム層の上部に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない歪みチャネル領域とする半導体装置及び半導体装置製造方法が可能となる。
【0041】
本発明にあっては、シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層、多孔質シリコン層の表面に第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層を形成し、さらに第1単結晶シリコン層、第2単結晶シリコン層の上部に積層して形成した第1シリコンゲルマニウム層と第2シリコンゲルマニウム層との層間に第1緩衝用単結晶シリコン層、第2緩衝用単結晶シリコン層を堆積することにより、第2シリコンゲルマニウム層を結晶欠陥の少ない緩和状態にできるので、第2シリコンゲルマニウム層の上部に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない歪みチャネル領域とする半導体装置及び半導体装置製造方法が可能となる。
【0042】
本発明にあっては、多孔質シリコン層を形成するという簡単なプロセス変更及び基板構造の変更により、結晶欠陥の少ないシリコンゲルマニウム層を形成でき、その上部に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない歪みチャネル領域とする半導体装置及び半導体装置製造方法が可能となる。
【0043】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。
<実施の形態1>
図1乃至図3は本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。なお、各図における枝番号(a〜f)は図1乃至図3を通して付している。1はシリコン(以下、Si)基板であり、その表面に公知の陽極化成技術で孔部2aを有する多孔質Si層2を形成する。例えば、厚み750μmのSi基板1を用意し、弗化水素酸(HF):純水(H2 O):エタノール(C2 5 OH)を、1:1:1で調整した化成溶液を用いて、電流密度を30mA/cm2 で数十分間処理した場合、膜厚20〜50μm、多孔度30〜50%の多孔質Si層2が得られる(図1(a))。多孔質Si層2の内部構造は、無数に形成された数nm径の微細な孔が蜂の巣状、あるいはスポンジ状に分布している。ここではその微細な孔を孔部2aとして模式的に示したもので形状は垂直とは限らない。
【0044】
多孔質Si層2を堆積したSi基板1を温度1000℃の水素雰囲気で1時間処理することにより、多孔質Si層2の表面近傍のSi原子をマイグレーションさせて、表面に局在する孔を埋めることで、多孔質Si層2の表面部分を第1単結晶Si層3に変換する(図1(b))。第1単結晶Si層3の膜厚は、水素アニール処理時間や多孔質Si層2の多孔度によって異なるが、概して数nm〜1μm程度である。ここでは実施例として第1単結晶Si層3の膜厚は50nmとした。
【0045】
通常用いられるCVD法を利用して、温度600℃〜1100℃で、第1単結晶Si層3の上に第2単結晶Si層4をエピタキシャル成長により堆積形成する(図1(b))。この第1単結晶Si層3と第2単結晶Si層4の積層膜厚は、後工程で堆積する歪み第1SiGe層5を十分緩和するために、5nm〜190nm程度が好ましい。ここでは実施例として第2単結晶Si層4の膜厚は5nmとした。
【0046】
なお、第2単結晶Si層4は、次のような場合には、その形成を省略することができる。例えば、濃度勾配を有する第1SiGe層5のGe濃度が15%原子程度以下と低い場合、又は第1SiGe層5の膜厚が100nm程度以下と薄い場合には、第1SiGe層5の歪みイオン注入エネルギが小さく、第1SiGe層5を効率良く緩和させるには、第1単結晶Si層3の直上に堆積する第2単結晶Si層4はできるだけ薄いか無い方が好ましい。また、後述するイオン注入(図2(d))の注入飛程(Rp)を深くして多孔質Si層2における水素注入により生じる結晶欠陥(領域)から第1SiGe層5までの距離を離してリーク電流低減を図る場合には、結晶欠陥から第1SiGe層5までの距離が大きくなるので、第2単結晶Si層4はできるだけ薄いか無い方が好ましい。
【0047】
上述のCVD法を利用し、第2単結晶Si層4の上に濃度勾配を有する第1SiGe層5、及びチャネル用単結晶Si層6を順次エピタキシャル成長により堆積形成する(図1(c))。一般に、Si(層)上に堆積されたGe(層)は、約4%の格子不整合性を有しており、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4の上に堆積された第1SiGe層5も、格子不整合性に起因した圧縮応力をもつ。この際、第1SiGe層5は、下地Si(第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4)との格子定数の差異(格子不整合性)に起因して生じる歪み(歪みエネルギ)を内包した歪み状態で堆積することが重要であり、その膜厚は堆積温度とGe濃度から決定される臨界膜厚以下の膜厚で堆積する必要がある。なお、臨界膜厚とは格子定数の異なる原子の積層構造において格子定数の差異に基づく歪み状態を維持できる最大膜厚(逆に表現すれば、歪み(歪みエネルギ)を開放するのに必要な最小膜厚)である。また、第1SiGe層5を歪み状態とする膜厚は、一概には規定できないが製膜条件(堆積温度、Ge濃度、堆積膜厚)を適宜設定して特定できるものであり、堆積温度は制御性等を考慮して700℃以下とすることが好ましい。
【0048】
つまり、臨界膜厚を越える膜厚を堆積した場合には、第1SiGe層5が有する歪み(歪みエネルギ)は堆積中に開放されてしまうため、歪み状態とすることはできない。また、臨界膜厚を越える膜厚を堆積した場合は、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4と第1SiGe層5の界面で応力開放に起因したミスフィット転位が発生し、第1SiGe層5の表面にクロスハッチ状の転位線が生じる。この場合、直上に堆積するチャネル用単結晶Si層6は、クロスハッチ状の転位線に起因して結晶品質が低下する。これらの観点から、第1SiGe層5は、実効的に10〜500nm程度の膜厚とすることが好ましい。
【0049】
なお、第1SiGe層5におけるGe濃度は、歪み状態の実現容易性等から、10〜50原子%の範囲とすることが好ましい。また、第1SiGe層5におけるGeが濃度勾配を有するように堆積しても良い。つまり、いわゆるBOX型(濃度勾配なし)、GRADED型(濃度勾配あり)のいずれでも良い。Geの濃度勾配を持たせたときの第1SiGe層5の膜厚は10〜500nm、Ge濃度は10から50原子%の範囲内で適宜選択することができる。
【0050】
ここでは実施例として第1SiGe層5を250nm、チャネル用単結晶Si層6を20nmの膜厚で堆積した。第1SiGe層5は、初期(第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4側)のGe濃度が20原子%、最終(チャネル用単結晶Si層6側)のGe濃度が30原子%の濃度勾配を有する膜とした。なお、歪み状態の第1SiGe層5は歪みを内包する状態で堆積され、以降の工程で歪みを開放させる必要上、Geの濃度勾配は、堆積時の初期のGe濃度は10〜20%程度、最終のGe濃度は30〜50%程度が好ましい。
【0051】
次に、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4、第1SiGe層5、チャネル用単結晶Si層6を介して、多孔質Si層2の表面近傍に水素イオンをイオン注入(矢符H)する。これまでの検討結果からは、注入飛程(Rp)は、第2単結晶Si層4と第1SiGe層5との界面より深いSi基板1側に設定することが有効であることがわかっている。イオン注入され停止した状態の水素イオンを注入水素イオン7として模式的に表す(図2(d))。ここでは実施例として平均注入飛程Rpを多孔質Si層2の層内に持つようにイオン注入エネルギを制御した。
【0052】
注入イオン種としては水素以外にヘリウムが好ましい。これらの元素は原子番号が1または2であり、イオン半径が極めて小さく質量の小さい軽いイオンであることから、イオンが通過する第1SiGe層5の層内ではほとんど核阻止能が働かず、結晶欠陥が導入されることがなく、イオンが停止する注入飛程(Rp)の直前に核阻止能が最大になり、注入飛程(Rp)近傍に微細な結晶欠陥(埋め込み結晶欠陥)が導入される。従って、被イオン注入材(多孔質Si層2、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4、第1SiGe層5、チャネル用単結晶Si層6)の表面側の第1SiGe層5、チャネル用単結晶Si層6の結晶性を破壊せず、多孔質Si層2、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4の層内に設定する平均注入飛程Rp近傍に微細な結晶欠陥を導入することが可能となる。また、水素及びヘリウムは、希ガス類であるため、Siデバイスの電気的特性への影響の危惧がない。
【0053】
ここでは実施例として水素イオンをイオン注入エネルギ30keVでイオン注入した。このイオン注入条件では、平均注入飛程Rpは、歪みを内包する第1SiGe層5と第2単結晶Si層4との界面(ミスフィット界面)からSi基板1側へ深さ80nmの位置になる。つまり、水素イオンは5nmの第2単結晶Si層4、50nmの第1単結晶Si層3を通過し、第1単結晶Si層3と多孔質Si層2との界面から深さ25nmの多孔質Si層2の層内で停止する。なお、水素イオンが停止する直前に、被イオン注入材(多孔質Si層2)による核阻止能が最大になり、注入飛程(Rp)より若干浅い領域に点欠陥等の埋め込み結晶欠陥(1次結晶欠陥)が導入される。
【0054】
その後、アルゴン等の不活性雰囲気、又は水素雰囲気の下で、温度800℃で10分間のアニール処理を行い、注入飛程(Rp)近傍に、注入水素イオン7に起因するボイド8を成長させ、さらに結晶欠陥9を発生させる(図2(e))。なお、ボイド8は、イオン注入に起因する結晶欠陥であるSiのダングリングボンドに水素が捕獲され、Si−H結合が形成されることにより成長するものと考えられる。また、結晶欠陥9には、ボイド8に起因する転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9b、孔部2aに起因する転位線9c及び転位ループ/積層欠陥9d、第2単結晶Si層4と第1SiGe層5aとのミスフィット界面から新たに成長する貫通転位9e及び転位ループ9f等が含まれる。なお、転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9bが第1SiGe層5に渡って延伸することが確認されており、第1SiGe層5に延伸する転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9bの増加に伴って、後工程において形成するMOSトランジスタの接合リーク電流が増加することが分かっている。このことから、埋め込み結晶欠陥の位置を第1SiGe層5からSi基板1側に所定の範囲(第1SiGe層5と第2単結晶Si層4との界面からSi基板1側への深さ190nm〜200nm程度まで)に設定することにより、第1SiGe層5まで延伸する結晶欠陥9の低減化を図る必要がある。なお、イオン注入後のアニール処理で形成される埋め込み結晶欠陥(2次結晶欠陥)の位置と、第1SiGe層5における結晶欠陥には相関が認められた。
【0055】
ここで、イオン注入と結晶欠陥(9)の関連についてさらに説明する。イオン注入された水素イオンは、Si結晶(多孔質Si層2、第1単結晶Si層3、第2単結晶Si層4)の結晶格子を構成するSi原子核の廻りの電子雲により徐々にイオン注入エネルギをロス(電子阻止能)する。水素イオンは停止する直前に結晶格子を形成するSi原子核と衝突し(核阻止能)停止する。このとき、水素イオンは核阻止能が最大になる注入飛程(Rp)の直前にSi結晶の結晶格子を破壊(格子損傷)するので、埋め込み結晶欠陥(1次結晶欠陥)が導入される。注入イオンが水素の場合、イオン半径が小さく軽いイオンのため、この格子損傷の程度は小さく、主として格子位置のSiが衝突で吹き飛ばされた格子空孔の点欠陥、またはSi−Siボンドの共有結合が部分的に切断されたSiダングリングボンド等の形態の結晶欠陥になる(1次結晶欠陥)。この状態でアニール処理をすると、1次結晶欠陥の一部は結晶性を回復し、その後に残った結晶欠陥が2次結晶欠陥(ボイド8及び結晶欠陥9)となる。注入水素イオン7は注入直後においては格子間原子としてSi結晶中に分散するがアニール処理により周囲のSiダングリングボンド(1次結晶欠陥)と結合しSi−Hボンドが形成される。注入飛程(Rp)近傍には1次結晶欠陥が多数存在しているため、アニール処理後には多数のSi−H結合をもったSi結晶格子ができる。イオン注入量が多く、Si−H結合の密度大の場合には、向かいあったSi−HとH−Siの水素同士の反発(水素結合の逆を想定)によりボイド8が形成される。なお、イオン注入を行った際のイオン注入量の増減に起因して、埋め込み結晶欠陥の量が増減することが、透過型電子顕微鏡で確認されている。
【0056】
ボイド8の形成はアニール処理の早期の段階で完結し、ボイド8の形成により多孔質Si層2に応力が導入される。歪みを内包する第1SiGe層5には被圧縮応力が作用しているが、ボイド8に起因する応力との相互作用により、互いの応力が開放されるように2次結晶欠陥としての転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9bが形成される。つまり、2次結晶欠陥により第1SiGe層5の被圧縮応力(歪みイオン注入エネルギ)は開放され、第1SiGe層5は歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層5aとなる(図2(e))。
【0057】
イオン注入量(水素イオン注入量)と多孔質Si層2の有無の関係(多孔質Si層2の効果)について述べる。埋め込み結晶欠陥(1次結晶欠陥、ひいては2次結晶欠陥)の量を抑制するためには、イオン注入量の低減化が有効であるが、イオン注入量を低減すると、引き続くアニール処理で、第1SiGe層5が十分緩和しない状態を招くため、イオン注入量の範囲は限られる。この範囲は、注入イオン種やイオン注入エネルギ、あるいはアニール処理温度に依存して変動するが、おおよそ、1.0〜3×101 6 /cm程度(101 6 /cmレベルの前半)と考えられる。なお、多孔質Si層2を採用しない場合、歪みを内包する第1SiGe層5を歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層5aに変換するために必要な水素イオン注入量は、概して1.0〜3×101 6 /cm2 程度が必要である(例えば、非特許文献1には、膜厚250nm、Ge濃度15原子%のSiGe層に、水素イオンをイオン注入エネルギ25keV、イオン注入量3×101 6 /cmの条件でイオン注入した例が開示されている。)。また、イオン注入量を101 6 /cmレベルの後半とすると、SOI技術の適用可能な範囲になり、水素イオンによる注入層を分離境界として基板の剥離現象が生じやすくなり本発明への適用はできない。
【0058】
イオン注入量が1.0〜3×101 6 /cmの範囲より多い場合には、巨大な水素ボイド(Blisteringと呼称される)が発生し、注入飛程(Rp)の周辺部分が水膨れ状になる。逆にイオン注入量が1.0〜3×101 6 /cmの範囲より少ない場合には、歪みを内包する第1SiGe層5が中途半端に緩和しクロスハッチ状の貫通転位が第1SiGe層5に発生する。しかし、多孔質Si層2を採用することにより、イオン注入量を、0.3×101 6 /cm2 まで低減することが可能となり、巨大な水素ボイドの発生を確実に防止でき、イオン注入に必要な時間を短縮することができる。
【0059】
上述したようにイオン注入量を低減できる理由は、導入した多孔質Si層2によって直上の第1単結晶Si層3が部分空間的にSi基板1から切り離された状態となっていること、さらには、イオン注入量の低減に伴い注入水素イオン7(ボイド8)に起因する結晶欠陥の量は低減するが、ボイド8に起因しない多孔質Si層2の孔部2aからの応力によって生じる2次結晶欠陥としての転位線9c及び転位ループ/積層欠陥9dの発生が、歪みを内包する第1SiGe層5の緩和を補足し、促進するためと推測される。つまり、イオン注入による2次結晶欠陥の量を低減する一方で、歪みを有する第1SiGe層5を緩和させるために、多孔質Si層2を導入する。多孔質Si層2の導入により、歪みを有する第1SiGe層5の応力を緩和する際の活性化エネルギを相対的に低下せしめ、イオン注入量を低減したイオン注入条件においても、第1SiGe層5を緩和できるようにできる。イオン注入による2次結晶欠陥の量を低減することから、後述するMOSトランジスタの接合リーク電流を低減できる。
【0060】
このように、多孔質Si層2の採用によってイオン注入量の低減化が図れ、イオン注入処理時間の短縮化に加えて歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層5aに延伸する結晶欠陥(転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9b)を相対的に低減することができる。また、適用可能なイオン注入量の範囲を従来の1.0〜3×101 6 /cm2 から0.3〜3×101 6 /cm2 まで拡大することにもなり、制御の自由度が大きくなる。
【0061】
上述したとおり、イオン注入領域(ボイド8及びその周辺)の埋め込み結晶欠陥から延伸成長する結晶欠陥(9a〜9d)が第1SiGe層5aの表面まで延伸し、貫通転位9eに成長する虞がある。しかし、第1SiGe層5aに濃度勾配を持たせることにより、第1SiGe層5aの中に延伸しようとする結晶欠陥(転位線)はGeの濃度勾配に応じた格子不整合の応力差異に起因して途中で曲がり転位ループ/積層欠陥9b、9dとなる。また、第2単結晶Si層4と第1SiGe層5aのミスフィット界面から新たに成長しようとする転位ループ9fも同様な理由で延伸しない。したがって、濃度勾配を有する第1SiGe層5a中を貫通する貫通転位9eは、実質上ほとんど存在しない。なお、貫通転位9e、転位ループ9fを図上破線で示すのはほとんど存在しないことを示すためである(実施の形態2においても同様とする)。
【0062】
平均注入飛程Rpが、多孔質Si層2の層内にある場合について説明したが、注入飛程(Rp)は、第2単結晶Si層4と第1SiGe層5との界面よりSi基板1側で、多孔質Si層2の層内までの範囲内になるように設定すればよい。その際、注入飛程(Rp)は、第1SiGe層5と第2単結晶Si層4との界面からSi基板1側への深さ190nm〜200nm程度までの範囲内になるようイオン注入エネルギを設定することにより、第1SiGe層5の歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層5aへの変換を促進できる。
【0063】
実験結果からは、第1SiGe層5と第2単結晶Si層4との界面からSi基板1側への深さ190nm〜200nm程度を越えるイオン注入エネルギを用いた場合には、歪みを内包する第1SiGe層5は中途半端に緩和しクロスハッチ状転位の発生を抑制できないことが確認された。これは、ボイド8と第1単結晶Si層3/第2単結晶Si層4/第1SiGe層5におけるミスフィット界面との距離が離れすぎ、第1SiGe層5に作用する被圧縮応力と、ボイド8に起因した応力との相互作用が低下することで説明できる。
【0064】
また、注入飛程(Rp)が、第1SiGe層5の層内に生じるような低いイオン注入エネルギを用いた場合には、歪みを内包する第1SiGe層5は緩和されるが、イオン注入に起因する結晶欠陥(9)が緩和状態の第1SiGe層5aに多数導入され、接合リーク電流が増加する等のデバイス特性の劣化が問題になる。
【0065】
さらに、アニール処理(緩和アニール処理)温度は600℃〜950℃、好ましくは800℃〜900℃が実用上有効である。600℃以下の温度では、ボイド8の成長が不十分である。また、600℃〜800℃の温度では成長不十分な微小なボイド8が多数観察され、結晶欠陥9(転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9b)の発生量が抑制された状態となっていた。逆に950℃以上の温度では、第1SiGe層5aからGeがチャネル用単結晶Si層6aに拡散し、デバイス(後述するMOSトランジスタ)特性の劣化をもたらす。
【0066】
さらに、イオン注入を複数回に分割することも可能である。イオン注入による結晶欠陥は、注入飛程(Rp)の直前の位置に導入される。歪みの応力を有する第1SiGe層5を効率良く緩和させるには、イオン注入による結晶欠陥が第1単結晶Si層3(第2単結晶Si層4)と第1SiGe層5との界面に近いほうが有利である。他方、イオン注入量抑制の観点からは注入飛程(Rp)は多孔質Si層2内にあるほうが有利である。したがって、多孔質Si層2内に注入飛程(Rp)を有するイオン注入エネルギによりイオン注入量を低減したイオン注入をした場合において、結果的に第1SiGe層5の緩和が未だ不十分であったとき、イオン注入量の不足分を第1単結晶Si層3(第2単結晶Si層4)と第1SiGe層5との界面により近い注入飛程(Rp)を有するイオン注入エネルギによるイオン注入を補足することができる。つまり、1回のイオン注入の場合に比較して、2回(複数回)イオン注入の方がイオン注入に起因する結晶欠陥9(一次結晶欠陥)を第1単結晶Si層3(第2単結晶Si層4)と第1SiGe層5との界面から相対的に深い側へ離す(押し出し効果)ことができ、後述するMOSトランジスタの接合リーク電流をさらに低減させることができる。
【0067】
上述の様に作製した基板(図2(e))における第1SiGe層5aの歪み開放の程度をX線回折分析法(XRD)により分析したところ、歪みイオン注入エネルギが90%程度以上開放され、ほぼ無歪み状態のSiGe層に変換されていることが確認できた。このことから、歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層5aに積層したチャネル用単結晶Si層6は、歪み状態を保持する歪みSi層、つまり、チャネル用単結晶Si層6aにすることができる。また、第1SiGe層5における結晶欠陥9を低減することから、チャネル用単結晶Si層6aにおける結晶欠陥を低減でき、後述するMOSトランジスタの特性を改善できる。なお、ノルマルスキー位相差顕微鏡や電子顕微鏡(SEM)での分析で、チャネル用単結晶Si層6の表面においては、ボイド8やミスフィット界面から延伸する貫通転位9eはほぼ無視しうる程度であることが確認できた。
【0068】
第1SiGe層5aの上に形成した歪み状態のチャネル用単結晶Si層6aをチャネル領域6acとして半導体装置としてのMOSトランジスタを作製する(図3(f))。MOSトランジスタの作製プロセスは、一般的なMOSトランジスタの作製プロセスを利用した。素子分離領域10、ゲート絶縁膜11、ゲート電極12、ソース領域13、ドレイン領域14を形成し、ゲート電極12に対応する歪み状態のチャネル用単結晶Si層6aをチャネル領域6acとして利用する。
【0069】
作製したMOSトランジスタ(Nチャネル)を用いてキャリアの移動度を評価したところ、SiGe層を用いない通常のSi基板型のMOSトランジスタ(Nチャネル)に比較して、約80%の電子の移動度向上が確認された。この移動度向上効果は、多孔質Si層2の有無によらず、同様に確認できた。しかし、水素イオン注入量が1.0×101 6 /cmより減少した場合には、多孔質Si層2の有無による相違があった。具体的には、多孔質Si層2層を用いない条件で作製したMOSトランジスタ(Nチャネル)では、水素イオン注入量の低減に伴ってMOSトランジスタ(Nチャネル)の電子の移動度向上率が低下したが、多孔質Si層2を採用したMOSトランジスタ(Nチャネル)では、水素イオン注入量を0.3×101 6 /cm2 に低減するまで、電子の移動度向上率の低下は見られなかった。
【0070】
一方、MOSトランジスタの接合リーク電流は、水素イオン注入量の低減に伴って単純に低下する傾向が確認されることから、注入水素イオン7に起因した結晶欠陥9(転位線9a及び転位ループ/積層欠陥9b)がMOSトランジスタの接合リーク電流の原因であることが示唆される。多孔質Si層2を採用しないMOSトランジスタでは、1.0×101 6 /cmの水素イオン注入量で作製した場合の接合リーク電流は、V=2.5Vでおよそ10μA/cm程度であったが、多孔質Si層2を採用して水素イオン注入量を0.3×101 6 /cmに低減した場合の接合リーク電流は、1μA/cmを下回る電流値が得られており、多孔質Si層2に伴う水素イオン注入量の低減による接合リーク電流の低減効果が得られた。
【0071】
<実施の形態2>
図4乃至図6は本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。なお、各図における枝番号(a〜e)は図4乃至図6を通して付している。実施の形態1はSiGe層を1層(1回の成長工程)としたものであるのに対し、実施の形態2はSiGe層を複数層(2回の成長工程)としたものである。実施の形態1と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0072】
実施の形態1(図1(a)(b))と同様にして、Si基板1の表面に、孔部2aを有する多孔質Si層2を形成し、多孔質Si層2の表面に第1単結晶Si層3を形成し、さらに第1単結晶Si層3の上に第2単結晶Si層4をエピタキシャル成長により堆積形成する。
【0073】
次に、実施の形態1(図1(c))とほぼ同様にして、第2単結晶Si層4の上に、第1SiGe層25、第1緩衝用単結晶Si層26を順次エピタキシャル成長により堆積形成する(図4(a))。なお、第1SiGe層25は実施の形態1と同様に歪みを内包する歪み状態(臨界膜厚以下の膜厚)となるように形成する。第1SiGe層25の堆積温度は制御性等を考慮して700℃以下とすることが望ましい。また、第1緩衝用単結晶Si層26は第1SiGe層25と同様に歪みを内包する歪み状態となるように形成する。
【0074】
ここでは実施例として第1単結晶Si層3を50nm、第2単結晶Si層4を5nm、第1SiGe層25を150nm、第1緩衝用単結晶Si層26を3〜8nm程度堆積した。第1SiGe層5は、Ge濃度を30原子%と固定したが、実施の形態1の場合と同様に濃度勾配を持たせても良く、後述する第2SiGe層28も含め、いわゆるBOX型(濃度勾配なし)、GRADED型(濃度勾配あり)のいずれとしても良い。第1緩衝用単結晶Si層26を3〜8nm程度と薄く形成するのは、第1緩衝用単結晶Si層26自体に緩和による貫通転位を発生させないために、歪み状態を内包することが必要だからである。また、第2単結晶Si層4は実施の形態1の場合と同様に省略することができる。
【0075】
次に、実施の形態1(図2(d))と同様に水素イオンのイオン注入を行う(図4(b))。ここでは実施例として水素イオンをイオン注入エネルギ19keVでイオン注入した。このイオン注入条件では、平均注入飛程Rpは、歪みを内包する第1SiGe層25と第2単結晶Si層4との界面(ミスフィット界面)からSi基板1側へ深さ70nmの位置になる。つまり、注入水素イオン7は5nmの第2単結晶Si層4、50nmの第1単結晶Si層3を通過し、第1単結晶Si層3と多孔質Si層2との界面から深さ15nmの多孔質Si層2の層内で停止する。なお、注入条件決定の際の考え方(平均注入飛程Rp、つまり注入エネルギの設定範囲、イオン注入の作用効果等)は実施の形態1と同様である。
【0076】
イオン注入後、実施の形態1(図2(e))と同様に、アルゴン等の不活性雰囲気下、あるいは水素雰囲気下で例えば、800℃、10分のアニール処理を行い、イオン注入の注入飛程(Rp)近傍に、2次結晶欠陥を発生させる。つまり、イオン注入された注入水素イオン7に起因するボイド8及び結晶欠陥9(水素ボイド8から成長した転移線9a、貫通転位9e、転移線9aがさらに延伸した貫通転位9g、転移ループ/積層欠陥9f)を発生させる(図5(c))。なお、孔部2aから成長する結晶欠陥(転位線9c、転位ループ/積層欠陥9d)は、実施の形態1と同様であり図示及び説明は省略する。第1SiGe層25aがGeの濃度勾配を待たない場合には、転位線9aは第1SiGe層25aと第2単結晶Si層4とのミスフィット界面で終端(転位線9a)するか、あるいはほとんどの場合、第1SiGe層25aの膜中を成長して貫通転位9e、9gとなる。なお、第1SiGe層25aの膜中でループとなって終端されるような転位ループ/積層欠陥9fは、Geが濃度勾配を待たないことから破線で示すように極めて少ない。貫通転位9e、9gは、多くの場合、第1緩衝用単結晶Si層26と第1SiGe層25aとの界面において、すべり転位が生じることにより終端する。
【0077】
アニール処理により、実施の形態1と同様、水素ボイド8及び孔部2aから第1SiGe層25に作用する被圧縮応力は、2次結晶欠陥(ボイド8及び結晶欠陥9)により開放される。つまり、2次結晶欠陥により第1SiGe層25の被圧縮応力(歪みイオン注入エネルギ)は開放され、第1SiGe層25は歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層25aとなる(図5(c))。
【0078】
次に、第1緩衝用単結晶Si層26の上に、第2緩衝用単結晶Si層27、第2SiGe層28、チャネル用単結晶Si層29を順次エピタキシャル成長により堆積形成する(図5(d))。第1緩衝用単結晶Si層26が歪み状態のときは、第2緩衝用単結晶Si層27も歪みを内包する歪み状態で堆積される。さらに、第2緩衝用単結晶Si層27が歪みを内包する歪み状態であると、続いて堆積される第2SiGe層28を緩和状態で堆積することができる。なお、第2SiGe層28は、第1SiGe層5と同様、堆積温度は制御性等を考慮して700℃以下とすることが好ましい。
【0079】
第1緩衝用単結晶Si層26と第2緩衝用単結晶Si層27との積層構造の膜厚(積層膜厚つまり合計膜厚)が臨界膜厚を越えた場合は、第1緩衝用単結晶Si層26及び第2緩衝用単結晶Si層27は歪み状態が崩れて、緩和する。その結果、第1緩衝用単結晶Si層26及び第2緩衝用単結晶Si層27の膜中にも貫通転位(貫通転位9a、9gが延長した形態のもの)が成長し、第2SiGe層28を十分な緩和状態とすることはできない。
【0080】
したがって、第2SiGe層28の緩和状態を保持するために、第1緩衝用単結晶Si層26及び第2緩衝用単結晶Si層27の堆積は、その積層膜厚が臨界膜厚を越えない条件(堆積温度)のもとで行う必要がある。検討した結果、例えば、510℃の堆積温度では、第1緩衝用単結晶Si層26と第2緩衝用単結晶Si層27の積層膜厚20nmまでは歪み状態が保持されることを確認できた。例えば、第1緩衝用単結晶Si層26を8nm程度堆積した場合には、第2緩衝用単結晶Si層27の膜厚は12nmまでであれば歪み状態を保持できる。
【0081】
第1緩衝用単結晶Si層26と第2緩衝用単結晶Si層27との積層膜厚を臨界膜厚以下にしてこれらの歪み状態を保持することにより、第1SiGe層25aの膜中を延伸する結晶欠陥9(貫通転位9e、9g、転位ループ/積層欠陥9f)がさらに延伸して成長することを抑制、停止できる。つまり、結晶欠陥9が第1緩衝用単結晶Si層26、第2緩衝用単結晶Si層27により停止させられることから、第2SiGe層28は結晶欠陥のない良好な緩和状態のSiGe層となる。また、SiGe層を第1SiGe層25及び第2SiGe層28の2層構造とすることにより、第2SiGe層28においては、臨界膜厚の制約を無くすことができ、Ge濃度を増加させて、さらに電子移動度を向上させることができる。また、後述するMOSトランジスタのソース領域13、ドレイン領域14の接合深さを大きくする必要がある場合には第2SiGe層28の膜厚を大きくすることにより対応でき、MOSトランジスタ構造の設計自由度が大きくなる。ここでは実施例として、第2SiGe層28を400nm程度堆積した。
【0082】
なお、第2緩衝用単結晶Si層27は、その形成を省略することができるが、第1緩衝用単結晶Si層26との積層構造とすることが好ましい。つまり、第2SiGe層28は、第1緩衝用単結晶Si層26の上に直接堆積するより、第1緩衝用単結晶Si層26の上に第2緩衝用単結晶Si層27を堆積してから堆積した方が、結晶欠陥の少ないSiGe層とすることができる。理由は、堆積界面に残存する汚染物質(例えば、炭素、重金属等。特に酸素の場合は影響が大きい。)に対して、Siエピタキシャル成長層は鈍感であるが、SiGeエピタキシャル成長層は敏感であり、Siエピタキシャル成長層を積層構造とすることにより第2緩衝用単結晶Si層27の表面の汚染物質の影響を実質的に低減でき、第2SiGe層28において、汚染物質に起因するヒロックス(Hilocks)等の結晶欠陥の発生を防止できるからである。
【0083】
第2SiGe層28の上に積層されたチャネル用単結晶Si層29は、歪み状態のチャネル領域とするために、歪み状態を保持する歪みSi層として堆積することが必要である。チャネル用単結晶Si層29は、歪み状態を保持するために堆積温度を低くして、膜厚は薄く臨界膜厚以下で形成することが必要である。例えば、チャネル用単結晶Si層29の膜厚としては5〜30nm程度の範囲の膜厚が使用できる。ここでは実施例として、堆積温度500℃、膜厚15nmとした。
【0084】
上述の様に作製した基板(図5(d))における第2SiGe層28は、実施の形態1における第1SiGe層5aと同様に、ほぼ無歪み状態のSiGe層に変換されていることが確認できた。したがって、歪みが緩和された緩和状態の第2SiGe層28に積層したチャネル用単結晶Si層29は、歪み状態を保持することができる。また、第2SiGe層28における結晶欠陥9を低減することから、チャネル用単結晶Si層29における結晶欠陥を低減でき、後述するMOSトランジスタの特性を改善できる。
【0085】
実施の形態1と同様に、第2SiGe層28の上に形成した歪み状態のチャネル用単結晶Si層29をチャネル領域29cとして半導体装置としてのMOSトランジスタを作製する(図6(e))。MOSトランジスタの作製プロセスは、一般的なMOSトランジスタの作製プロセスを利用した。素子分離領域10、ゲート絶縁膜11、ゲート電極12、ソース領域13、ドレイン領域14を形成し、ゲート電極12に対応する歪み状態のチャネル用単結晶Si層29をチャネル領域29cとして利用する。作製したMOSトランジスタ(Nチャネル)の諸特性は、実施の形態1におけるMOSトランジスタ(Nチャネル)の諸特性とほぼ同様であった。なお、実施の形態2においては、上述したように第2SiGe層28の膜厚を厚くできることから、ソース領域13、ドレイン領域14の接合深さを深くでき、接合リーク電流の低減と耐圧の向上を図ることができる。
【0086】
<比較例>
図7、図8は実施の形態2に対する比較例の製造過程を説明する断面図である。なお、各図における枝番号(a〜c)は図7、図8を通して付している。実施の形態2は第1SiGe層25(25a)と第2SiGe層28との間に第1緩衝用単結晶Si層26、第2緩衝用単結晶Si層27を設けたものであるが、比較例は第1緩衝用単結晶Si層26、第2緩衝用単結晶Si層27を設けずに、第1SiGe層25(25a)と第2SiGe層28とを直接積層したものである。実施の形態2と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【0087】
実施の形態2(図4(a))と同様にして、Si基板1の表面に、多孔質Si層2を形成し、多孔質Si層2の表面に第1単結晶Si層3を形成する。さらに第1単結晶Si層3の上に第2単結晶Si層4を、第2単結晶Si層4の上に第1SiGe層25をエピタキシャル成長により堆積形成する(図7(a))。例えば、第1単結晶Si層3を50nm、第2単結晶Si層4を5nm、第1SiGe層25を150nm堆積した。第1SiGe層25のGe濃度は30原子%とした。
【0088】
次に、実施の形態2(図4(b))と同様に水素イオンのイオン注入をイオン注入エネルギ19keVで行い(図7(a))、さらにアニール処理を行うことにより、第1SiGe層25を、歪み状態から歪みが緩和した緩和状態の第1SiGe層25aにする(図7(b))。なお、イオン注入は第1緩衝用単結晶Si層26を設けずに行った。このときのイオン注入条件では、平均注入飛程Rpは、歪みを内包する第1SiGe層25と第2単結晶Si層4との界面(ミスフィット界面)からSi基板1側へ深さ70nm程度の位置になる。つまり、注入水素イオン7は5nmの第2単結晶Si層4、50nmの第1単結晶Si層3を通過し、第1単結晶Si層3と多孔質Si層2との界面から深さ15nm程度の多孔質Si層2の層内で停止する。
【0089】
イオン注入後、実施の形態2(図5(c))と同様に、アルゴン等の不活性雰囲気下で例えば、800℃、10分のアニール処理を行い、注入飛程(Rp)近傍に、結晶欠陥を発生させる。つまり、イオン注入された注入水素イオン7に起因するボイド8、及び結晶欠陥9(水素ボイド8から成長した転移線9a、貫通転位9e、転移線9aがさらに延伸した貫通転位9g、転位ループ/積層欠陥9f)を発生させる(図7(b))。なお、孔部2aから成長する結晶欠陥(転位線9c、転位ループ/積層欠陥9d)は、実施の形態1と同様であり図示及び説明は省略する。
【0090】
アニール処理により、実施の形態2と同様、水素ボイド8及び孔部2aから第1SiGe層25に作用する被圧縮応力は、2次結晶欠陥(結晶欠陥9)により開放される。つまり、結晶欠陥9により第1SiGe層25の被圧縮応力は開放され、第1SiGe層25は歪みが緩和された緩和状態の第1SiGe層25aとなる(図7(b))。なお、第1SiGe層25aの膜中には結晶欠陥9として貫通転位9e、9g、転位ループ/積層欠陥9fが成長する。
【0091】
次に、第1SiGe層25aの上に、第2SiGe層28、チャネル用単結晶Si層29を順次エピタキシャル成長により堆積形成する(図8(c))。第1SiGe層25aは既に緩和状態となっていることから、第2SiGe層28は膜厚の制約はない。チャネル用単結晶Si層29は歪み状態のチャネル領域とするために、歪み状態を保持する必要があり、臨界膜厚の制約がある。第2SiGe層28を400nm、チャネル用単結晶Si層29を堆積温度500℃で20nm堆積した。第2SiGe層28のGe濃度は30原子%とした。
【0092】
第1SiGe層25(25a)と第2SiGe層28とを直接積層した構造とした場合には、第1SiGe層25aの表面まで延伸した貫通転位9e、9gが起点となり、第2SiGe層28の膜中へ貫通転位9ea、9gaがさらに延伸して成長する(図8(c))。第2SiGe層28には、MOSトランジスタの接合部(ソース領域13、ドレイン領域14)が形成されることから、貫通転位9ea、9gaが接合部に存在すると接合リーク電流が増加する原因となる。
【0093】
【発明の効果】
以上に詳述した如く、本発明に係る半導体装置及び半導体装置製造方法によれば、シリコン基板の表面に多孔質シリコン層を形成し、多孔質シリコン層から多孔質シリコン層の表面に形成した第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層までの領域に結晶欠陥を導入することにより、第1単結晶シリコン層、第2単結晶シリコン層の上部に積層して形成した第1シリコンゲルマニウム層を結晶欠陥の少ない緩和状態にできるので、第1シリコンゲルマニウム層の上部に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない歪みチャネル領域とするMOSトランジスタの電子移動度の向上、さらには接合リーク電流の低減を実現できる。
【0094】
本発明に係る半導体装置及び半導体装置製造方法によれば、シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層、多孔質シリコン層の表面に第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層を形成し、さらに第1単結晶シリコン層、第2単結晶シリコン層の上部に積層して形成した第1シリコンゲルマニウム層と第2シリコンゲルマニウム層との層間に第1緩衝用単結晶シリコン層、第2緩衝用単結晶シリコン層を堆積することにより、第2シリコンゲルマニウム層を結晶欠陥の少ない緩和状態にできるので、第2シリコンゲルマニウム層の上部に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない歪みチャネル領域とするMOSトランジスタの電子移動度の向上、さらには接合リーク電流の低減を実現できる。
【0095】
本発明に係る半導体装置及び半導体装置製造方法によれば、多孔質シリコン層を形成するという簡単なプロセス変更及び基板構造の変更により、ウエーハの処理能力が低下するという問題もなく、結晶欠陥の少ないシリコンゲルマニウム層を形成でき、その上に積層して形成した歪みシリコン層を結晶欠陥の少ない高品質の歪みチャネル領域とするMOSトランジスタの電子移動度の向上、さらには接合リーク電流の低減を実現できる。また、本発明により実現できるMOSトランジスタは、従来のバルクデバイス(MOSトランジスタ)の設計資産をそのまま使用でき、低電圧動作、高速動作、低消費電力の半導体装置を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図4】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図5】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図6】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造過程を説明する断面図である。
【図7】実施の形態2に対する比較例の製造過程を説明する断面図である。
【図8】実施の形態2に対する比較例の製造過程を説明する断面図である。
【図9】歪みSi層を有する従来例1に係る半導体装置の断面図である。
【図10】歪みSi層を有する従来例2に係る半導体装置の製造過程を示す断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板(Si基板)
2 多孔質シリコン層(多孔質Si層)
3 第1単結晶シリコン層(第1単結晶Si層)
4 第2単結晶シリコン層(第2単結晶Si層)
5、5a、25、25a 第1シリコンゲルマニウム層(第1SiGe層)
6、6a、29 チャネル用単結晶シリコン層(チャネル用単結晶Si層)
6ac、29c チャネル領域
7 注入水素イオン
8 ボイド
9 結晶欠陥
10 素子分離領域
11 ゲート絶縁膜
12 ゲート電極
13 ソース領域
14 ドレイン領域
26 第1緩衝用単結晶シリコン層(第1緩衝用単結晶Si層)
27 第2緩衝用単結晶シリコン層(第2緩衝用単結晶Si層)
28 第2シリコンゲルマニウム層(第2SiGe層)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a strained silicon layer in a strained state formed on a silicon germanium layer, and a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a semiconductor device, particularly a CMOS device, low power consumption has been demanded in accordance with a demand for resource saving. The MOS transistor constituting the CMOS device has been able to secure the driving capability by miniaturizing the transistor structure such as the miniaturization of the gate structure and the thinning of the gate film so as to cope with the low voltage operation. However, miniaturization of the transistor structure requires significant technological innovation for each generation, and is expected to further increase the burden on the development side in the future, along with cost investment.
[0003]
From such a background, in a MOS transistor, as a method of securing a driving capability at a low voltage irrespective of the miniaturization of the transistor structure, a fully depleted SOI structure is employed to reduce the S value, and to reduce the driving capability of the transistor. (SOI transistor device) and a method of improving the driving capability of the transistor by employing a strained silicon channel structure using germanium have been proposed.
[0004]
However, since a SOI transistor device requires a completely depleted SOI structure, it is necessary to form a transistor on a thin film SOI layer of about several tens of nm, and a high-precision processing technique more than a bulk transistor process is required. In addition, since the active silicon layer is buried below and surrounded by an oxide film, the surrounding area is surrounded by an element isolation oxide film, so that a well contact cannot be made and the design resources of the bulk device cannot be used as it is.
[0005]
On the other hand, the strained silicon channel structure releases a strain of eutectic Si (hereinafter, SiGe) containing germanium (hereinafter, Ge) having a lattice constant different from that of silicon (hereinafter, Si), and forms a so-called relaxed SiGe layer. A Si layer having a tensile strain is formed thereon, and this is used for the channel of the transistor, thereby improving the driving capability of the transistor. That is, in a strained Si layer having a tensile strain, mobility is improved by lowering the effective mass of electrons and reducing lattice scattering as compared with a non-strained Si layer. This is to improve the driving ability. From the advantage of improved characteristics, many techniques have been proposed in which a strained Si layer is applied to an N-channel MOS transistor.
[0006]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to Conventional Example 1 having a strained Si layer. For easy understanding, hatching indicating a cross section is omitted (the same applies to other drawings). A SiGe layer 52a having a Ge concentration gradient and a SiGe layer 52b having a fixed concentration of Ge are formed on the Si substrate 51 on which the buried layer 51a is formed, and a lattice mismatch between the Si substrate 51 and the SiGe layers 52a and 52b occurs. The generated lattice strain is released, and a strained Si layer 53 having a small lattice constant is deposited thereon to be used as a strained Si channel. An intermediate layer 54, a gate oxide film 55, and a gate electrode 56 are formed on the Si layer 53, and a source region 57, a drain region 58, and a channel region 53c are defined corresponding to the gate electrode 56 (for example, see Patents). Reference 1).
[0007]
In Conventional Example 1, a Ge concentration gradient is provided to suppress the generation of dislocation at the interface between the Si substrate 51 and the SiGe layers 52a and 52b and to reduce the stress of the SiGe layers 52a and 52b caused by lattice mismatch. The deposited SiGe layer 52a is used. A gentle concentration gradient is required for stress relaxation, and consequently, control on the order of μm is required (the thickness of the SiGe layer 52a is 2 μm). The SiGe layers 52a and 52b to be epitaxially grown have a low deposition rate from the viewpoint of securing single crystallinity, usually about several nm / minute to several tens of nm / minute, and require a long time for the deposition processing during epitaxial growth, and thus require wafer processing. There is a problem that the ability is reduced.
[0008]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to Conventional Example 2 having a strained Si layer. An SiGe layer 62 is formed on a Si substrate 61 (FIGS. 7A and 7B), but crystal defects 63 remain at the interface. Next, at the interface between the Si substrate 61 and the SiGe layer 62, a first ion implantation of oxygen, nitrogen or the like is performed to form a stopper layer 64 for preventing solid phase growth (FIG. 3C). After that, a second ion implantation of Ge, Si, or the like is performed to amorphize the lower portion of the SiGe layer 62 by a predetermined thickness to form an amorphous SiGe layer 65a (FIG. 4D). Furthermore, the amorphous SiGe layer 65a is converted into a single-crystal SiGe layer 66 with reduced crystal defects by annealing. Subsequently, a third ion implantation of Ge, Si, or the like is performed above the SiGe layer 62, and is amorphousized by annealing, thereby forming an amorphous SiGe layer 65b (FIG. 9E). Further, the amorphous SiGe layer 65b is converted into a single-crystal SiGe layer 66 having good crystallinity by performing a re-annealing process (FIG. 6F). Thereafter, a single-crystal Si layer 67 in a strained state is grown on the single-crystal SiGe layer 66 (for example, see Patent Document 2).
[0009]
That is, in Conventional Example 2, stress control of the SiGe layer is performed by using ion implantation. In this method, ion implantation of relatively large ions and annealing treatment are repeatedly performed on the SiGe layer 62 a plurality of times, thereby performing a state conversion between crystal amorphization and recrystallization. Therefore, not only the manufacturing process becomes complicated, but also a sufficiently high-quality substrate free from crystal defects can be obtained as a substrate finally obtained due to amorphization for conversion of a crystalline state. There is a problem that can not be.
[0010]
As a conventional example 3 in which a strained Si layer is formed using a thin SiGe layer, a relaxed state in which strain has been released by ion implantation of hydrogen into a strained SiGe layer deposited on a Si plane having a (100) plane orientation and annealing treatment. Is known (for example, see Non-Patent Document 1).
[0011]
In Conventional Example 3, threading dislocations (Threading Dislocations) that occur from the Si / SiGe interface toward the substrate surface after the annealing process are present. This threading dislocation is 10 × 10 6 -10 9 / Cm 2 This causes a problem that the electrical characteristics of the gate oxide film of the transistor and the junction leakage current of the diffusion layer increase.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-9-82944
[Patent Document 2]
JP 2001-110725 A
[Non-patent document 1]
H. Trinkaus et al., Strain relaxation mechanism for hydrogen-implanted Si (1-x) Ge (x) / Si (100) heterostructures implanted with hydrogen. x) Ge (x) / Si heterostructure, "Applied Physics Letters", (United States), American Institute of Physics, June 12, 2000. , P. 3552-p. 3554
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional method in which a strained silicon layer is formed using a silicon germanium layer, the manufacturing process is complicated, the productivity is reduced due to a longer time, and high quality without crystal defects. There are problems such as the inability to obtain a substrate and the insufficient characteristics of a transistor having a strained silicon layer as a channel region.
[0014]
The present invention has been made in view of such a problem, and by forming a high-quality strained silicon layer with reduced crystal defects on a silicon germanium layer without sacrificing the processing capability of a wafer, An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device which can improve characteristics of a transistor having a strained silicon layer as a channel region.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which a single crystal silicon layer in a strained state formed on a silicon germanium layer is used as a channel region of a transistor, and a porous silicon layer formed on a surface of a silicon substrate; A first single crystal silicon layer formed on the surface of the silicon layer; a first silicon germanium layer in a strain relaxed state stacked on the first single crystal silicon layer; and a channel region stacked on the first silicon germanium layer And a single-crystal silicon layer for a channel in a strained state.
[0016]
In the semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer has a germanium concentration gradient.
[0017]
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which a single crystal silicon layer in a strained state formed on a silicon germanium layer is used as a channel region of a transistor, and a porous silicon layer formed on a surface of a silicon substrate; A first single crystal silicon layer formed on the surface of the silicon layer, a first silicon germanium layer in a strain relaxed state stacked on the first single crystal silicon layer, and a first buffer layer stacked on the first silicon germanium layer A single crystal silicon layer, a strain-relaxed second silicon germanium layer stacked on the first buffering single crystal silicon layer, and a strained channel single crystal silicon layer stacked on the second silicon germanium layer. It is characterized by having.
[0018]
A semiconductor device according to the present invention includes a second buffer single crystal silicon layer laminated between the first buffer single crystal silicon layer and the second silicon germanium layer.
[0019]
A semiconductor device according to the present invention includes a first single crystal silicon layer and a second single crystal silicon layer laminated between the first silicon germanium layer.
[0020]
In the semiconductor device according to the present invention, the thickness of the first single-crystal silicon layer or the stacked thickness of the first single-crystal silicon layer and the second single-crystal silicon layer is 5 nm to 190 nm.
[0021]
In the semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer has a thickness of 10 nm to 500 nm.
[0022]
In the semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer has a germanium concentration of 10 to 50 atomic%.
[0023]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a transistor having a strained single crystal silicon layer formed on a silicon germanium layer as a channel region is formed, wherein a porous silicon layer is formed on the surface of the silicon substrate. And a step of converting the surface of the porous silicon into a first single-crystal silicon layer by a hydrogen annealing treatment, and sequentially forming a second single-crystal silicon layer and a first silicon-germanium layer on the first single-crystal silicon layer. A step of epitaxially growing, a step of epitaxially growing a single-crystal silicon layer for a channel on the first silicon-germanium layer, and ion implantation and annealing after the ion implantation to form a second single-crystal silicon layer in the first single-crystal silicon layer. Introducing a crystal defect into the layer or into the porous silicon layer. And wherein the door.
[0024]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer is formed with a germanium concentration gradient.
[0025]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device in which a transistor having a strained single crystal silicon layer formed on a silicon germanium layer as a channel region is formed, wherein a porous silicon layer is formed on the surface of the silicon substrate. And a step of converting the surface of the porous silicon into a first single-crystal silicon layer by a hydrogen annealing treatment; and, over the first single-crystal silicon layer, a second single-crystal silicon layer, a first silicon-germanium layer, and The step of sequentially epitaxially growing the first buffer single crystal silicon layer, the ion implantation and the annealing after the ion implantation, allow the crystal to be formed in the first single crystal silicon layer, the second single crystal silicon layer, or the porous silicon layer. Introducing a defect, and forming a second buffer single crystal silicon layer and a second silicon layer on the first buffer single crystal silicon layer. Characterized in that it comprises germanium layer, and epitaxially growing a single-crystal silicon layer channel.
[0026]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of epitaxially growing the second buffer single crystal silicon layer is omitted.
[0027]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the second silicon germanium layer is epitaxially grown as a layer in a strain relaxed state.
[0028]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the single crystal silicon layer for a channel is epitaxially grown as a strained layer.
[0029]
The semiconductor device manufacturing method according to the present invention is characterized in that a step of epitaxially growing the second single crystal silicon layer is omitted.
[0030]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the thickness of the first single-crystal silicon layer or the stacked thickness of the first single-crystal silicon layer and the second single-crystal silicon layer is 5 nm to 190 nm.
[0031]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer is formed to have a thickness equal to or less than a critical thickness.
[0032]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer has a thickness of 10 nm to 500 nm.
[0033]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer has a germanium concentration of 10 to 50 atomic%.
[0034]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a growth temperature when the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer is epitaxially grown is 700 ° C. or less.
[0035]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the ion species used for ion implantation is hydrogen or helium.
[0036]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the average implantation range of the ion implantation is in any one of the porous silicon layer, the first single crystal silicon layer, and the second single crystal silicon layer. I do.
[0037]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the ion implantation is performed in a plurality of times.
[0038]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the ion implantation amount in the ion implantation is 0.3 to 3 × 10 16 / Cm 2 And a value selected from the range.
[0039]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the temperature in the annealing treatment after the ion implantation is set in a range of 600 ° C. to 950 ° C.
[0040]
According to the present invention, a porous silicon layer is formed on a surface of a silicon substrate, and a region from the porous silicon layer to the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer formed on the surface of the porous silicon layer. By introducing a crystal defect into the first silicon germanium layer, the first silicon germanium layer formed by being stacked on the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer can be in a relaxed state with few crystal defects. A semiconductor device and a method for manufacturing a semiconductor device, in which a strained silicon layer formed by stacking over a layer is used as a strain channel region with few crystal defects, can be provided.
[0041]
According to the present invention, a porous silicon layer formed on a surface of a silicon substrate, a first single crystal silicon layer and a second single crystal silicon layer formed on a surface of the porous silicon layer, A first buffer single-crystal silicon layer and a second buffer single-crystal silicon layer between a first silicon germanium layer and a second silicon germanium layer formed by laminating on the second monocrystalline silicon layer By doing so, the second silicon germanium layer can be in a relaxed state with few crystal defects, so that a strained silicon layer formed by being stacked on the second silicon germanium layer is used as a strain channel region with few crystal defects. A device manufacturing method becomes possible.
[0042]
According to the present invention, a silicon germanium layer having few crystal defects can be formed by a simple process change of forming a porous silicon layer and a change of a substrate structure. A semiconductor device having a strain channel region with few defects and a semiconductor device manufacturing method can be provided.
[0043]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings showing the embodiments.
<Embodiment 1>
1 to 3 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Note that the branch numbers (af) in each figure are given throughout FIGS. Reference numeral 1 denotes a silicon (hereinafter, Si) substrate on which a porous Si layer 2 having a hole 2a is formed by a known anodizing technique. For example, a 750 μm thick Si substrate 1 is prepared, and hydrofluoric acid (HF): pure water (H 2 O): ethanol (C 2 H 5 OH) was adjusted to a current density of 30 mA / cm using a conversion solution adjusted to 1: 1: 1. 2 In this case, a porous Si layer 2 having a thickness of 20 to 50 μm and a porosity of 30 to 50% is obtained (FIG. 1A). As for the internal structure of the porous Si layer 2, countless formed fine pores having a diameter of several nm are distributed in a honeycomb shape or a sponge shape. Here, the fine holes are schematically shown as the holes 2a, and the shape is not necessarily vertical.
[0044]
By treating the Si substrate 1 on which the porous Si layer 2 is deposited in a hydrogen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for one hour, Si atoms in the vicinity of the surface of the porous Si layer 2 are migrated to fill holes localized on the surface. This converts the surface portion of the porous Si layer 2 into the first single-crystal Si layer 3 (FIG. 1B). The thickness of the first single-crystal Si layer 3 depends on the hydrogen annealing time and the porosity of the porous Si layer 2, but is generally about several nm to 1 μm. Here, as an example, the thickness of the first single-crystal Si layer 3 was set to 50 nm.
[0045]
Using a commonly used CVD method, a second single-crystal Si layer 4 is deposited on the first single-crystal Si layer 3 by epitaxial growth at a temperature of 600 ° C. to 1100 ° C. (FIG. 1B). The laminated film thickness of the first single-crystal Si layer 3 and the second single-crystal Si layer 4 is preferably about 5 nm to 190 nm in order to sufficiently relax the strained first SiGe layer 5 deposited in a later step. Here, as an example, the thickness of the second single-crystal Si layer 4 was 5 nm.
[0046]
The formation of the second single-crystal Si layer 4 can be omitted in the following cases. For example, when the Ge concentration of the first SiGe layer 5 having a concentration gradient is as low as about 15% or less, or when the thickness of the first SiGe layer 5 is as small as about 100 nm or less, the strain ion implantation energy of the first SiGe layer 5 is reduced. In order to reduce the first SiGe layer 5 efficiently, it is preferable that the second single crystal Si layer 4 deposited directly on the first single crystal Si layer 3 be as thin as possible or not. Further, the implantation range (Rp) of the ion implantation (FIG. 2D) described later is made deeper to increase the distance from the crystal defect (region) caused by hydrogen implantation in the porous Si layer 2 to the first SiGe layer 5. In order to reduce the leakage current, the distance from the crystal defect to the first SiGe layer 5 increases, so that the second single-crystal Si layer 4 is preferably as thin or as thin as possible.
[0047]
Using the above-mentioned CVD method, a first SiGe layer 5 having a concentration gradient and a single crystal Si layer 6 for a channel are sequentially deposited and formed on the second single crystal Si layer 4 by epitaxial growth (FIG. 1C). Generally, Ge (layer) deposited on Si (layer) has about 4% lattice mismatch, and is deposited on first single crystal Si layer 3 and second single crystal Si layer 4. The first SiGe layer 5 also has a compressive stress due to lattice mismatch. At this time, the first SiGe layer 5 has a strain (strain energy) caused by a difference in lattice constant (lattice mismatch) from the underlying Si (the first single crystal Si layer 3 and the second single crystal Si layer 4). It is important that the film is deposited in a strained state including the film thickness, and it is necessary to deposit the film at a film thickness equal to or less than a critical film thickness determined from the deposition temperature and the Ge concentration. The critical film thickness is a maximum film thickness capable of maintaining a strain state based on a difference in lattice constant in a stacked structure of atoms having different lattice constants (in other words, a minimum film thickness necessary for releasing strain (strain energy)). Thickness). The thickness of the first SiGe layer 5 in the strained state cannot be specified unconditionally, but can be specified by appropriately setting film forming conditions (deposition temperature, Ge concentration, and deposited film thickness). The temperature is preferably set to 700 ° C. or less in consideration of properties and the like.
[0048]
That is, when a film thickness exceeding the critical film thickness is deposited, the strain (strain energy) of the first SiGe layer 5 is released during the deposition, so that the strain cannot be set. When a film thickness exceeding the critical film thickness is deposited, misfit dislocation due to stress release occurs at the interface between the first single crystal Si layer 3 and the second single crystal Si layer 4 and the first SiGe layer 5, Cross-hatched dislocation lines are generated on the surface of the first SiGe layer 5. In this case, the crystal quality of the channel single crystal Si layer 6 deposited immediately above is degraded due to the cross hatch dislocation lines. From these viewpoints, it is preferable that the first SiGe layer 5 has an effective thickness of about 10 to 500 nm.
[0049]
Note that the Ge concentration in the first SiGe layer 5 is preferably in the range of 10 to 50 atomic% from the viewpoint of easy realization of a strain state. Further, Ge in the first SiGe layer 5 may be deposited so as to have a concentration gradient. That is, any of a so-called BOX type (without concentration gradient) and a GRADED type (with concentration gradient) may be used. The thickness of the first SiGe layer 5 can be appropriately selected within a range of 10 to 500 nm and a Ge concentration of 10 to 50 atomic% when a Ge concentration gradient is provided.
[0050]
Here, as an example, the first SiGe layer 5 was deposited to a thickness of 250 nm, and the channel single crystal Si layer 6 was deposited to a thickness of 20 nm. The first SiGe layer 5 has an initial Ge concentration of 20 atom% (on the first single crystal Si layer 3 and the second single crystal Si layer 4 side) and a final Ge concentration of 30 atom (on the channel single crystal Si layer 6 side). % Was obtained. The strained first SiGe layer 5 is deposited so as to include the strain. Since the strain must be released in the subsequent steps, the Ge concentration gradient is such that the initial Ge concentration at the time of deposition is about 10 to 20%. The final Ge concentration is preferably about 30 to 50%.
[0051]
Next, hydrogen ions are ion-implanted near the surface of the porous Si layer 2 through the first single-crystal Si layer 3, the second single-crystal Si layer 4, the first SiGe layer 5, and the single-crystal Si layer 6 for the channel ( Arrow H). From the results of the studies so far, it has been found that it is effective to set the implantation range (Rp) on the Si substrate 1 side deeper than the interface between the second single-crystal Si layer 4 and the first SiGe layer 5. . The hydrogen ions in the stopped state after the ion implantation are schematically represented as implanted hydrogen ions 7 (FIG. 2D). Here, as an example, the ion implantation energy was controlled so that the average implantation range Rp was provided in the porous Si layer 2.
[0052]
Helium other than hydrogen is preferable as the ion species to be implanted. These elements have an atomic number of 1 or 2 and are very small ions having a very small ionic radius and a small mass. Therefore, in the first SiGe layer 5 through which the ions pass, almost no nuclear stopping power is exerted, and crystal defects are caused. Is not introduced, the nucleus stopping power becomes maximum immediately before the implantation range (Rp) where ions stop, and fine crystal defects (embedded crystal defects) are introduced near the implantation range (Rp). . Therefore, the first SiGe layer 5 on the surface side of the ion-implanted material (the porous Si layer 2, the first single-crystal Si layer 3, the second single-crystal Si layer 4, the first SiGe layer 5, and the single-crystal Si layer 6 for the channel). In the vicinity of the average implantation range Rp set in the porous Si layer 2, the first single-crystal Si layer 3, and the second single-crystal Si layer 4, without destroying the crystallinity of the channel single-crystal Si layer 6. Fine crystal defects can be introduced. Further, since hydrogen and helium are rare gases, there is no fear of affecting the electrical characteristics of the Si device.
[0053]
Here, as an example, hydrogen ions were implanted at an ion implantation energy of 30 keV. Under these ion implantation conditions, the average implantation range Rp is at a position at a depth of 80 nm from the interface (misfit interface) between the first SiGe layer 5 and the second single crystal Si layer 4 containing the strain to the Si substrate 1 side. . That is, the hydrogen ions pass through the second single-crystal Si layer 4 having a thickness of 5 nm and the first single-crystal Si layer 3 having a thickness of 50 nm, and have a depth of 25 nm from the interface between the first single-crystal Si layer 3 and the porous Si layer 2. Stop in the layer of the porous Si layer 2. Immediately before hydrogen ions stop, the nucleus stopping power of the ion-implanted material (porous Si layer 2) is maximized, and embedded crystal defects (1) such as point defects are located in a region slightly shallower than the implantation range (Rp). Secondary crystal defects).
[0054]
Thereafter, annealing is performed at a temperature of 800 ° C. for 10 minutes under an inert atmosphere such as argon or a hydrogen atmosphere, and a void 8 caused by implanted hydrogen ions 7 is grown near an implantation range (Rp). Further, crystal defects 9 are generated (FIG. 2E). It is considered that the void 8 grows when hydrogen is captured by a dangling bond of Si, which is a crystal defect caused by ion implantation, and a Si—H bond is formed. The crystal defect 9 includes a dislocation line 9a and a dislocation loop / stacking defect 9b caused by the void 8, a dislocation line 9c and a dislocation loop / stacking defect 9d caused by the hole 2a, the second single crystal Si layer 4 and the Threading dislocations 9e and dislocation loops 9f newly growing from the misfit interface with the 1SiGe layer 5a are included. It has been confirmed that the dislocation lines 9a and the dislocation loops / stacking faults 9b extend over the first SiGe layer 5, and the dislocation lines 9a and the dislocation loops / stacking faults 9b extending on the first SiGe layer 5 increase. Thus, it is known that the junction leakage current of a MOS transistor formed in a later step increases. From this, the position of the buried crystal defect is set within a predetermined range from the first SiGe layer 5 to the Si substrate 1 (a depth of 190 nm from the interface between the first SiGe layer 5 and the second single crystal Si layer 4 to the Si substrate 1). By setting the thickness to about 200 nm, it is necessary to reduce the number of crystal defects 9 extending to the first SiGe layer 5. Note that a correlation was found between the position of the embedded crystal defect (secondary crystal defect) formed by the annealing treatment after the ion implantation and the crystal defect in the first SiGe layer 5.
[0055]
Here, the relationship between the ion implantation and the crystal defect (9) will be further described. The implanted hydrogen ions are gradually ionized by the electron cloud around the Si nuclei constituting the crystal lattice of the Si crystal (porous Si layer 2, first single crystal Si layer 3, second single crystal Si layer 4). Loss the injection energy (electron stopping power). Immediately before stopping, the hydrogen ions collide with Si nuclei forming a crystal lattice (nucleus stopping power) and stop. At this time, the hydrogen ions destroy the crystal lattice of the Si crystal immediately before the implantation range (Rp) at which the nuclear stopping power is maximized (lattice damage), so that buried crystal defects (primary crystal defects) are introduced. When the implanted ions are hydrogen, the degree of this lattice damage is small because the ion radius is small and light ions, and mainly point defects of lattice vacancies blown off by collision of Si at lattice positions or covalent bond of Si-Si bond. Becomes a crystal defect in the form of a partially cut Si dangling bond or the like (primary crystal defect). When annealing is performed in this state, some of the primary crystal defects recover crystallinity, and the remaining crystal defects become secondary crystal defects (voids 8 and crystal defects 9). Immediately after implantation, the implanted hydrogen ions 7 are dispersed in the Si crystal as interstitial atoms, but are bonded to surrounding Si dangling bonds (primary crystal defects) by annealing to form Si-H bonds. Since there are many primary crystal defects near the implantation range (Rp), a Si crystal lattice having many Si—H bonds is formed after the annealing process. When the ion implantation amount is large and the density of Si—H bonds is large, voids 8 are formed due to repulsion of hydrogen of Si—H and H—Si that have faced each other (assuming the reverse of hydrogen bonds). It has been confirmed by a transmission electron microscope that the amount of buried crystal defects increases or decreases due to the increase or decrease in the amount of ion implantation when performing ion implantation.
[0056]
The formation of the voids 8 is completed at an early stage of the annealing process, and stress is introduced into the porous Si layer 2 by the formation of the voids 8. Although a compressive stress is acting on the first SiGe layer 5 containing the strain, dislocation lines 9a as secondary crystal defects are formed so that the mutual stress is released by the interaction with the stress caused by the void 8. And a dislocation loop / stacking fault 9b is formed. That is, the compressive stress (strain ion implantation energy) of the first SiGe layer 5 is released due to the secondary crystal defect, and the first SiGe layer 5 becomes the relaxed first SiGe layer 5a in which the strain is relaxed (FIG. 2E). ).
[0057]
The relationship between the ion implantation amount (hydrogen ion implantation amount) and the presence or absence of the porous Si layer 2 (effect of the porous Si layer 2) will be described. In order to suppress the amount of buried crystal defects (primary crystal defects, and hence secondary crystal defects), it is effective to reduce the amount of ion implantation. However, if the amount of ion implantation is reduced, the first SiGe is subjected to a subsequent annealing process. Since the state where the layer 5 is not sufficiently relaxed is caused, the range of the ion implantation amount is limited. This range varies depending on the type of ion to be implanted, the ion implantation energy, or the annealing temperature, but is approximately 1.0 to 3 × 10 16 / Cm 2 Degree (10 16 / Cm 2 First half of the level). In the case where the porous Si layer 2 is not used, the amount of implanted hydrogen ions required to convert the first SiGe layer 5 containing the strain into the relaxed first SiGe layer 5a in which the strain is relaxed is generally about 1.0. ~ 3 × 10 16 / Cm 2 (For example, Non-Patent Document 1 discloses that a SiGe layer having a thickness of 250 nm and a Ge concentration of 15 at% is implanted with hydrogen ions at an ion implantation energy of 25 keV and an ion implantation amount of 3 × 10 3 16 / Cm 2 An example in which ion implantation is performed under the conditions described above is disclosed. ). In addition, the ion implantation amount is set to 10 16 / Cm 2 In the latter half of the level, the SOI technology can be applied, and the separation phenomenon of the substrate is likely to occur with the implanted layer due to hydrogen ions as a separation boundary, so that it cannot be applied to the present invention.
[0058]
Ion implantation amount is 1.0-3 × 10 16 / Cm 2 If it is larger than the range, a huge hydrogen void (referred to as Blistering) is generated, and the peripheral portion of the injection range (Rp) becomes blistered. On the contrary, the ion implantation amount is 1.0 to 3 × 10 16 / Cm 2 Is smaller than the range, the first SiGe layer 5 containing the strain is relaxed halfway, and cross-hatched threading dislocations are generated in the first SiGe layer 5. However, by adopting the porous Si layer 2, the ion implantation amount is reduced to 0.3 × 10 16 / Cm 2 It is possible to reliably prevent the generation of huge hydrogen voids and shorten the time required for ion implantation.
[0059]
As described above, the reason why the ion implantation amount can be reduced is that the first single crystal Si layer 3 immediately above is partially separated from the Si substrate 1 by the introduced porous Si layer 2, and furthermore, Although the amount of crystal defects caused by the implanted hydrogen ions 7 (voids 8) decreases with the decrease in the ion implantation amount, the secondary defects caused by the stress from the holes 2a of the porous Si layer 2 not caused by the voids 8 It is presumed that the generation of dislocation lines 9c and dislocation loops / stacking faults 9d as crystal defects supplement and promote the relaxation of the first SiGe layer 5 including the strain. That is, the porous Si layer 2 is introduced in order to reduce the amount of secondary crystal defects due to ion implantation, while relaxing the strained first SiGe layer 5. By introducing the porous Si layer 2, the activation energy for relaxing the stress of the strained first SiGe layer 5 is relatively reduced, and the first SiGe layer 5 can be formed under the ion implantation conditions in which the ion implantation amount is reduced. Can be relaxed. Since the amount of secondary crystal defects due to ion implantation is reduced, a junction leakage current of a MOS transistor described later can be reduced.
[0060]
As described above, by adopting the porous Si layer 2, the amount of ion implantation can be reduced, and in addition to shortening the ion implantation processing time, crystal defects (dislocations) extending to the relaxed first SiGe layer 5a in which the strain is relaxed. The line 9a and the dislocation loop / stacking fault 9b) can be relatively reduced. In addition, the range of the applicable ion implantation amount is 1.0 to 3 × 10 16 / Cm 2 From 0.3 to 3 × 10 16 / Cm 2 And the degree of freedom of control increases.
[0061]
As described above, the crystal defects (9a to 9d) extending from the buried crystal defects in the ion-implanted region (the void 8 and its periphery) may extend to the surface of the first SiGe layer 5a and grow into threading dislocations 9e. However, by providing the first SiGe layer 5a with a concentration gradient, the crystal defects (dislocation lines) to be extended into the first SiGe layer 5a are caused by the lattice mismatch stress difference corresponding to the Ge concentration gradient. Bending dislocation loops / stacking faults 9b and 9d on the way. Further, the dislocation loop 9f which is about to grow from the misfit interface between the second single crystal Si layer 4 and the first SiGe layer 5a does not extend for the same reason. Therefore, threading dislocations 9e penetrating through first SiGe layer 5a having a concentration gradient are substantially not present. The threading dislocations 9e and the dislocation loops 9f are indicated by broken lines in the figure to indicate that they hardly exist (the same applies to the second embodiment).
[0062]
The case where the average implantation range Rp is within the layer of the porous Si layer 2 has been described. However, the implantation range (Rp) is determined based on the interface between the second single crystal Si layer 4 and the first SiGe layer 5. The side may be set so as to be within the range of the porous Si layer 2. At this time, the ion implantation energy is set so that the implantation range (Rp) falls within a range from the interface between the first SiGe layer 5 and the second single-crystal Si layer 4 to a depth of about 190 nm to 200 nm toward the Si substrate 1. By setting, the transformation of the first SiGe layer 5 to the first SiGe layer 5a in the relaxed state in which the strain is relaxed can be promoted.
[0063]
The experimental results show that when ion implantation energy exceeding a depth of about 190 nm to 200 nm from the interface between the first SiGe layer 5 and the second single-crystal Si layer 4 to the Si substrate 1 side is used, a strain including strain is included. It was confirmed that the 1SiGe layer 5 was relaxed halfway and the generation of cross-hatch dislocations could not be suppressed. This is because the distance between the void 8 and the misfit interface in the first single-crystal Si layer 3 / second single-crystal Si layer 4 / first SiGe layer 5 is too large, and the compressive stress acting on the first SiGe layer 5 This can be explained by the decrease in the interaction with the stress caused by No. 8.
[0064]
When the implantation range (Rp) uses a low ion implantation energy such as that generated in the layer of the first SiGe layer 5, the first SiGe layer 5 containing the strain is relaxed, but the ion implantation is caused by the ion implantation. A large number of crystal defects (9) are introduced into the relaxed first SiGe layer 5a, which causes a problem of deterioration of device characteristics such as an increase in junction leak current.
[0065]
Further, the annealing (relaxation annealing) temperature is practically effective at 600 ° C. to 950 ° C., preferably 800 ° C. to 900 ° C. At a temperature of 600 ° C. or less, the growth of the void 8 is insufficient. At a temperature of 600 ° C. to 800 ° C., many small voids 8 insufficiently grown were observed, and the amount of crystal defects 9 (dislocation lines 9a and dislocation loops / stacking faults 9b) was suppressed. . Conversely, at a temperature of 950 ° C. or higher, Ge diffuses from the first SiGe layer 5a into the single-crystal Si layer for channel 6a, causing deterioration of device (MOS transistor) characteristics.
[0066]
Further, the ion implantation can be divided into a plurality of times. Crystal defects due to ion implantation are introduced at positions immediately before the implantation range (Rp). In order to efficiently relieve the first SiGe layer 5 having the strain stress, it is preferable that the crystal defect due to ion implantation is closer to the interface between the first single-crystal Si layer 3 (second single-crystal Si layer 4) and the first SiGe layer 5. It is advantageous. On the other hand, from the viewpoint of suppressing the amount of ion implantation, it is more advantageous that the implantation range (Rp) be in the porous Si layer 2. Therefore, in the case where the ion implantation amount is reduced by the ion implantation energy having the implantation range (Rp) into the porous Si layer 2, the first SiGe layer 5 is still insufficiently relaxed as a result. At this time, the shortage of the ion implantation amount is reduced by ion implantation with ion implantation energy having an implantation range (Rp) closer to the interface between the first single crystal Si layer 3 (second single crystal Si layer 4) and the first SiGe layer 5. Can be supplemented. That is, as compared with the case of one ion implantation, the crystal defect 9 (primary crystal defect) caused by the ion implantation is more likely to be caused by the ion implantation twice (a plurality of times) than in the case of the single ion implantation. The interface between the crystalline Si layer 4) and the first SiGe layer 5 can be separated relatively deeper (push-out effect), and the junction leakage current of a MOS transistor described later can be further reduced.
[0067]
When the degree of strain release of the first SiGe layer 5a on the substrate (FIG. 2E) manufactured as described above was analyzed by X-ray diffraction analysis (XRD), the strain ion implantation energy was released by about 90% or more. It was confirmed that the SiGe layer was converted to a substantially strain-free SiGe layer. From this, the channel single crystal Si layer 6 laminated on the relaxed first SiGe layer 5a in which the strain has been relaxed can be a strained Si layer that maintains the strain state, that is, the channel single crystal Si layer 6a. it can. Further, since the crystal defects 9 in the first SiGe layer 5 are reduced, the crystal defects in the single crystal Si layer for channel 6a can be reduced, and the characteristics of a MOS transistor described later can be improved. In the analysis using a normalski phase contrast microscope or an electron microscope (SEM), threading dislocations 9e extending from the void 8 and the misfit interface are almost negligible on the surface of the channel single crystal Si layer 6. That was confirmed.
[0068]
A MOS transistor as a semiconductor device is manufactured using the strained channel single crystal Si layer 6a formed on the first SiGe layer 5a as a channel region 6ac (FIG. 3F). A general MOS transistor manufacturing process was used for the manufacturing process of the MOS transistor. An element isolation region 10, a gate insulating film 11, a gate electrode 12, a source region 13, and a drain region 14 are formed, and a strained channel single crystal Si layer 6a corresponding to the gate electrode 12 is used as a channel region 6ac.
[0069]
When the mobility of carriers was evaluated using the fabricated MOS transistor (N-channel), the mobility of electrons was about 80% of that of a normal Si substrate type MOS transistor (N-channel) not using the SiGe layer. Improvement was confirmed. This mobility improvement effect was similarly confirmed irrespective of the presence or absence of the porous Si layer 2. However, the hydrogen ion implantation amount is 1.0 × 10 16 / Cm 2 In the case of a further decrease, there was a difference depending on the presence or absence of the porous Si layer 2. Specifically, in the MOS transistor (N-channel) manufactured under the condition that the two porous Si layers are not used, the rate of improvement in the electron mobility of the MOS transistor (N-channel) decreases as the amount of implanted hydrogen ions decreases. However, in the MOS transistor (N-channel) employing the porous Si layer 2, the hydrogen ion implantation amount was set to 0.3 × 10 16 / Cm 2 No reduction in the electron mobility improvement rate was observed until the number of electrons decreased.
[0070]
On the other hand, it is confirmed that the junction leak current of the MOS transistor tends to simply decrease with a decrease in the amount of implanted hydrogen ions. Therefore, crystal defects 9 (dislocation lines 9a and dislocation loops / stack It is suggested that the defect 9b) is responsible for the junction leakage current of the MOS transistor. In a MOS transistor not using the porous Si layer 2, 1.0 × 10 16 / Cm 2 The junction leakage current in the case of manufacturing with a hydrogen ion implantation amount of about 10 μA / cm at V = 2.5 V 2 However, the porous Si layer 2 was employed to reduce the hydrogen ion implantation amount to 0.3 × 10 16 / Cm 2 Junction leakage current when reduced to 1 μA / cm 2 Is obtained, and the effect of reducing the junction leak current by reducing the amount of implanted hydrogen ions accompanying the porous Si layer 2 is obtained.
[0071]
<Embodiment 2>
4 to 6 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The branch numbers (a to e) in the respective drawings are given throughout FIGS. 4 to 6. Embodiment 1 has one SiGe layer (one growth step), while Embodiment 2 has a plurality of SiGe layers (two growth steps). The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0072]
In the same manner as in the first embodiment (FIGS. 1A and 1B), a porous Si layer 2 having a hole 2a is formed on the surface of an Si substrate 1, and a first surface is formed on the surface of the porous Si layer 2. A single-crystal Si layer 3 is formed, and a second single-crystal Si layer 4 is formed on the first single-crystal Si layer 3 by epitaxial growth.
[0073]
Next, a first SiGe layer 25 and a first buffer single crystal Si layer 26 are sequentially deposited on the second single crystal Si layer 4 by epitaxial growth substantially in the same manner as in the first embodiment (FIG. 1C). It is formed (FIG. 4A). Note that the first SiGe layer 25 is formed so as to be in a strain state including a strain (thickness equal to or less than the critical film thickness) as in the first embodiment. The deposition temperature of the first SiGe layer 25 is desirably 700 ° C. or less in consideration of controllability and the like. Further, the first buffer single crystal Si layer 26 is formed so as to be in a strained state including the strain similarly to the first SiGe layer 25.
[0074]
Here, as an example, the first single-crystal Si layer 3 was deposited to about 50 nm, the second single-crystal Si layer 4 was deposited to 5 nm, the first SiGe layer 25 was deposited to 150 nm, and the first buffer single-crystal Si layer 26 was deposited to about 3 to 8 nm. The first SiGe layer 5 has a fixed Ge concentration of 30 atomic%, but may have a concentration gradient as in the first embodiment, and includes a so-called BOX type (concentration gradient) including a second SiGe layer 28 described later. None) or GRADED type (with concentration gradient). The reason why the first buffer single crystal Si layer 26 is formed as thin as about 3 to 8 nm is that it is necessary to include a strain state in order to prevent threading dislocation due to relaxation in the first buffer single crystal Si layer 26 itself. That's why. Further, the second single-crystal Si layer 4 can be omitted as in the case of the first embodiment.
[0075]
Next, ion implantation of hydrogen ions is performed as in the first embodiment (FIG. 2D) (FIG. 4B). Here, as an example, hydrogen ions were implanted at an ion implantation energy of 19 keV. Under these ion implantation conditions, the average implantation range Rp is at a position with a depth of 70 nm from the interface (misfit interface) between the first SiGe layer 25 containing the strain and the second single crystal Si layer 4 to the Si substrate 1 side. . That is, the implanted hydrogen ions 7 pass through the second single crystal Si layer 4 of 5 nm and the first single crystal Si layer 3 of 50 nm and have a depth of 15 nm from the interface between the first single crystal Si layer 3 and the porous Si layer 2. In the porous Si layer 2 of FIG. The concept of determining the implantation conditions (average implantation range Rp, that is, the setting range of implantation energy, the effect of ion implantation, and the like) is the same as in the first embodiment.
[0076]
After the ion implantation, as in the first embodiment (FIG. 2E), annealing is performed, for example, at 800 ° C. for 10 minutes under an inert atmosphere such as argon or a hydrogen atmosphere, and the ion implantation is skipped. In the vicinity of (Rp), a secondary crystal defect is generated. In other words, the voids 8 and the crystal defects 9 caused by the implanted hydrogen ions 7 (the transition lines 9a and threading dislocations 9e grown from the hydrogen voids 8; the threading dislocations 9g in which the transition lines 9a are further extended; 9f) (FIG. 5 (c)). Note that crystal defects (dislocation lines 9c, dislocation loops / stacking faults 9d) that grow from the hole 2a are the same as in the first embodiment, and illustration and description are omitted. When the first SiGe layer 25a does not wait for the Ge concentration gradient, the dislocation line 9a terminates at the misfit interface between the first SiGe layer 25a and the second single-crystal Si layer 4 (dislocation line 9a), or almost all In this case, threading dislocations 9e and 9g are grown in the first SiGe layer 25a. Note that the number of dislocation loops / stacking faults 9f terminated as a loop in the first SiGe layer 25a is extremely small as shown by a broken line because Ge does not wait for a concentration gradient. In many cases, the threading dislocations 9e and 9g terminate at the interface between the first buffer single crystal Si layer 26 and the first SiGe layer 25a due to the occurrence of a slip dislocation.
[0077]
By the annealing process, as in the first embodiment, the compressive stress acting on the first SiGe layer 25 from the hydrogen void 8 and the hole 2a is released by the secondary crystal defect (the void 8 and the crystal defect 9). That is, the compressive stress (strain ion implantation energy) of the first SiGe layer 25 is released due to the secondary crystal defect, and the first SiGe layer 25 becomes the relaxed first SiGe layer 25a in which the strain is relaxed (FIG. 5C). ).
[0078]
Next, a second buffer single crystal Si layer 27, a second SiGe layer 28, and a channel single crystal Si layer 29 are sequentially deposited and formed on the first buffer single crystal Si layer 26 by epitaxial growth (FIG. 5 (d)). )). When the first buffer single-crystal Si layer 26 is in a strained state, the second buffer single-crystal Si layer 27 is also deposited in a strained state including the strain. Further, when the second buffer single crystal Si layer 27 is in a strain state including the strain, the subsequently deposited second SiGe layer 28 can be deposited in a relaxed state. In addition, like the first SiGe layer 5, the deposition temperature of the second SiGe layer 28 is preferably set to 700 ° C. or less in consideration of controllability and the like.
[0079]
If the thickness of the laminated structure of the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27 (laminated film thickness, that is, the total film thickness) exceeds the critical film thickness, the first buffer single crystal Si layer 26 The strain state of the crystalline Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27 is broken and relaxed. As a result, threading dislocations (having elongated threading dislocations 9a and 9g) grow also in the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27, and the second SiGe layer 28 Cannot be brought into a sufficiently relaxed state.
[0080]
Therefore, in order to maintain the relaxed state of the second SiGe layer 28, the deposition of the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27 is performed under the condition that the stacked film thickness does not exceed the critical film thickness. (Deposition temperature). As a result of the investigation, it was confirmed that, for example, at a deposition temperature of 510 ° C., the strain state was maintained up to a laminated film thickness of 20 nm of the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27. . For example, when the first buffer single crystal Si layer 26 is deposited to a thickness of about 8 nm, the strained state can be maintained if the thickness of the second buffer single crystal Si layer 27 is up to 12 nm.
[0081]
The layer thickness of the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27 is set to be equal to or less than the critical thickness, and these strain states are maintained to extend in the first SiGe layer 25a. The crystal defects 9 (threading dislocations 9e and 9g, dislocation loop / stacking fault 9f) can be suppressed or stopped from further extending and growing. In other words, since the crystal defects 9 are stopped by the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27, the second SiGe layer 28 is a SiGe layer in a good relaxed state without crystal defects. . In addition, since the SiGe layer has a two-layer structure of the first SiGe layer 25 and the second SiGe layer 28, the restriction on the critical film thickness can be eliminated in the second SiGe layer 28, the Ge concentration can be increased, and the electron concentration can be further increased. Mobility can be improved. Further, when it is necessary to increase the junction depth between the source region 13 and the drain region 14 of the MOS transistor described later, it can be dealt with by increasing the thickness of the second SiGe layer 28, and the degree of freedom in designing the MOS transistor structure is increased. growing. Here, as an example, the second SiGe layer 28 was deposited to a thickness of about 400 nm.
[0082]
Although the formation of the second buffer single crystal Si layer 27 can be omitted, it is preferable that the second buffer single crystal Si layer 27 has a laminated structure with the first buffer single crystal Si layer 26. That is, the second SiGe layer 28 is formed by depositing the second buffer single crystal Si layer 27 on the first buffer single crystal Si layer 26 rather than depositing directly on the first buffer single crystal Si layer 26. It is possible to form a SiGe layer with less crystal defects by depositing from. The reason is that the Si epitaxially grown layer is insensitive to the contaminants (for example, carbon, heavy metal, etc., particularly in the case of oxygen) remaining at the deposition interface, but the SiGe epitaxially grown layer is sensitive, By making the epitaxial growth layer have a laminated structure, the influence of contaminants on the surface of the second buffer single crystal Si layer 27 can be substantially reduced, and the second SiGe layer 28 has a crystal such as hillocks caused by the contaminants. This is because the occurrence of defects can be prevented.
[0083]
The channel single crystal Si layer 29 stacked on the second SiGe layer 28 needs to be deposited as a strained Si layer that maintains a strained state in order to form a strained channel region. The single-crystal Si layer 29 for the channel needs to be formed at a low deposition temperature and a thickness smaller than the critical thickness in order to maintain a strained state. For example, the thickness of the channel single crystal Si layer 29 can be in the range of about 5 to 30 nm. Here, as an example, the deposition temperature was 500 ° C. and the film thickness was 15 nm.
[0084]
It can be confirmed that the second SiGe layer 28 in the substrate (FIG. 5D) manufactured as described above is converted to a substantially strain-free SiGe layer, similarly to the first SiGe layer 5a in the first embodiment. Was. Therefore, the single crystal Si layer 29 for a channel laminated on the relaxed second SiGe layer 28 in which the strain has been relaxed can maintain the strained state. Further, since the crystal defects 9 in the second SiGe layer 28 are reduced, the crystal defects in the channel single crystal Si layer 29 can be reduced, and the characteristics of a MOS transistor described later can be improved.
[0085]
As in the first embodiment, a MOS transistor as a semiconductor device is manufactured using the strained channel single crystal Si layer 29 formed on the second SiGe layer 28 as the channel region 29c (FIG. 6E). A general MOS transistor manufacturing process was used for the manufacturing process of the MOS transistor. The element isolation region 10, the gate insulating film 11, the gate electrode 12, the source region 13, and the drain region 14 are formed, and the strained single crystal Si layer 29 corresponding to the gate electrode 12 is used as the channel region 29c. The characteristics of the fabricated MOS transistor (N-channel) were almost the same as those of the MOS transistor (N-channel) in the first embodiment. In the second embodiment, since the thickness of the second SiGe layer 28 can be increased as described above, the junction depth of the source region 13 and the drain region 14 can be increased, and the junction leakage current can be reduced and the breakdown voltage can be improved. Can be planned.
[0086]
<Comparative example>
7 and 8 are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a comparative example with respect to the second embodiment. Note that the branch numbers (a to c) in each figure are given throughout FIGS. In the second embodiment, a first buffer single-crystal Si layer 26 and a second buffer single-crystal Si layer 27 are provided between a first SiGe layer 25 (25a) and a second SiGe layer 28; Is a structure in which the first SiGe layer 25 (25a) and the second SiGe layer 28 are directly laminated without providing the first buffer single crystal Si layer 26 and the second buffer single crystal Si layer 27. The same parts as those in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0087]
As in the second embodiment (FIG. 4A), a porous Si layer 2 is formed on the surface of a Si substrate 1, and a first single-crystal Si layer 3 is formed on the surface of the porous Si layer 2. . Further, a second single-crystal Si layer 4 is formed on the first single-crystal Si layer 3 and a first SiGe layer 25 is formed on the second single-crystal Si layer 4 by epitaxial growth (FIG. 7A). For example, the first single-crystal Si layer 3 was deposited to 50 nm, the second single-crystal Si layer 4 was deposited to 5 nm, and the first SiGe layer 25 was deposited to 150 nm. The Ge concentration of the first SiGe layer 25 was 30 atomic%.
[0088]
Next, as in Embodiment 2 (FIG. 4B), ion implantation of hydrogen ions is performed at an ion implantation energy of 19 keV (FIG. 7A), and annealing is further performed to form the first SiGe layer 25. Then, the first SiGe layer 25a in the relaxed state in which the strain is relaxed from the strained state is formed (FIG. 7B). The ion implantation was performed without providing the first buffer single crystal Si layer 26. Under the ion implantation conditions at this time, the average implantation range Rp is about 70 nm in depth from the interface (misfit interface) between the first SiGe layer 25 containing the strain and the second single crystal Si layer 4 to the Si substrate 1 side. Position. That is, the implanted hydrogen ions 7 pass through the second single crystal Si layer 4 of 5 nm and the first single crystal Si layer 3 of 50 nm and have a depth of 15 nm from the interface between the first single crystal Si layer 3 and the porous Si layer 2. Stop in the layer of the porous Si layer 2 to a certain extent.
[0089]
After the ion implantation, similarly to the second embodiment (FIG. 5C), annealing is performed, for example, at 800 ° C. for 10 minutes in an inert atmosphere such as argon, and the crystal is formed near the implantation range (Rp). Generate defects. That is, the voids 8 and the crystal defects 9 caused by the implanted hydrogen ions 7 implanted by the ion implantation (transition lines 9a, threading dislocations 9e grown from the hydrogen voids 8, threading dislocations 9g further extending the transition lines 9a, dislocation loops / stacking) A defect 9f) is generated (FIG. 7B). Note that crystal defects (dislocation lines 9c, dislocation loops / stacking faults 9d) that grow from the hole 2a are the same as in the first embodiment, and illustration and description are omitted.
[0090]
By the annealing process, as in the second embodiment, the compressive stress acting on the first SiGe layer 25 from the hydrogen void 8 and the hole 2a is released by the secondary crystal defect (crystal defect 9). That is, the compressive stress of the first SiGe layer 25 is released by the crystal defect 9, and the first SiGe layer 25 becomes the relaxed first SiGe layer 25a in which the strain is relaxed (FIG. 7B). In the first SiGe layer 25a, threading dislocations 9e and 9g and dislocation loop / stacking fault 9f grow as crystal defects 9.
[0091]
Next, on the first SiGe layer 25a, a second SiGe layer 28 and a single crystal Si layer 29 for a channel are sequentially formed by epitaxial growth (FIG. 8C). Since the first SiGe layer 25a is already in a relaxed state, the thickness of the second SiGe layer 28 is not limited. In order for the channel single crystal Si layer 29 to be a channel region in a strained state, it is necessary to maintain the strained state, and there is a limitation on the critical film thickness. A second SiGe layer 28 was deposited to a thickness of 400 nm, and a channel single crystal Si layer 29 was deposited to a thickness of 20 nm at a deposition temperature of 500 ° C. The Ge concentration of the second SiGe layer 28 was 30 atomic%.
[0092]
In the case where the first SiGe layer 25 (25a) and the second SiGe layer 28 are directly laminated, the threading dislocations 9e and 9g extending to the surface of the first SiGe layer 25a are the starting points, and are introduced into the second SiGe layer 28. The threading dislocations 9ea and 9ga further extend and grow (FIG. 8C). Since the junction (source region 13 and drain region 14) of the MOS transistor is formed in the second SiGe layer 28, the presence of threading dislocations 9ea and 9ga in the junction causes an increase in junction leakage current.
[0093]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the semiconductor device and the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, a porous silicon layer is formed on the surface of the silicon substrate, and the porous silicon layer is formed on the surface of the porous silicon layer from the porous silicon layer. A first silicon germanium layer formed by being stacked on top of the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer by introducing a crystal defect into a region up to the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer Can be in a relaxed state with few crystal defects, so that the strained silicon layer formed on the first silicon germanium layer can be used as a strain channel region with few crystal defects to improve the electron mobility of the MOS transistor, and to further improve the junction leakage. Current can be reduced.
[0094]
According to the semiconductor device and the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the porous silicon layer formed on the surface of the silicon substrate, and the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer formed on the surface of the porous silicon layer A first buffer single-crystal silicon layer, a second buffer single-crystal silicon layer, and a second buffer single-crystal silicon layer between the first silicon-germanium layer and the second silicon-germanium layer formed on the first single-crystal silicon layer and the second single-crystal silicon layer. By depositing the buffer single crystal silicon layer, the second silicon germanium layer can be brought into a relaxed state with few crystal defects, so that the strained silicon layer formed by stacking on the second silicon germanium layer can be strained with few crystal defects. It is possible to improve the electron mobility of the MOS transistor serving as the channel region and further reduce the junction leak current.
[0095]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the semiconductor device and the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, a simple process change of forming a porous silicon layer and a change of a substrate structure do not cause a problem that a processing capability of a wafer is reduced, and the number of crystal defects is small. A silicon germanium layer can be formed, and a strained silicon layer formed on the silicon germanium layer can be used as a high-quality strain channel region with few crystal defects to improve the electron mobility of a MOS transistor and further reduce junction leakage current. . The MOS transistor realized by the present invention can use the design resources of the conventional bulk device (MOS transistor) as it is, and can easily realize a semiconductor device with low voltage operation, high speed operation, and low power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a comparative example with respect to the second embodiment.
FIG. 8 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a comparative example with respect to the second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to Conventional Example 1 having a strained Si layer.
FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to Conventional Example 2 having a strained Si layer.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate (Si substrate)
2 Porous silicon layer (porous Si layer)
3 First single-crystal silicon layer (first single-crystal Si layer)
4 Second single crystal silicon layer (second single crystal Si layer)
5, 5a, 25, 25a First silicon germanium layer (first SiGe layer)
6, 6a, 29 Single-crystal silicon layer for channel (single-crystal Si layer for channel)
6ac, 29c channel region
7 Implanted hydrogen ions
8 void
9 Crystal defects
10 Device isolation area
11 Gate insulating film
12 Gate electrode
13 Source area
14 Drain region
26 First buffer single crystal silicon layer (first buffer single crystal Si layer)
27 Second buffer single crystal silicon layer (second buffer single crystal Si layer)
28 Second silicon germanium layer (second SiGe layer)

Claims (25)

シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をトランジスタのチャネル領域とする半導体装置において、
シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層と、多孔質シリコン層の表面に形成された第1単結晶シリコン層と、第1単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第1シリコンゲルマニウム層と、第1シリコンゲルマニウム層に積層されてチャネル領域となる歪み状態のチャネル用単結晶シリコン層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which a strained single crystal silicon layer formed over a silicon germanium layer is used as a channel region of a transistor,
A porous silicon layer formed on the surface of the silicon substrate, a first single crystal silicon layer formed on the surface of the porous silicon layer, and a first silicon germanium in a strain relaxed state laminated on the first single crystal silicon layer A single crystal silicon layer for a channel in a strained state which is stacked on the first silicon germanium layer to form a channel region;
A semiconductor device comprising:
第1シリコンゲルマニウム層はゲルマニウムの濃度勾配を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first silicon germanium layer has a germanium concentration gradient. シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をトランジスタのチャネル領域とする半導体装置において、
シリコン基板の表面に形成された多孔質シリコン層と、多孔質シリコン層の表面に形成された第1単結晶シリコン層と、第1単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第1シリコンゲルマニウム層と、第1シリコンゲルマニウム層に積層された第1緩衝用単結晶シリコン層と、第1緩衝用単結晶シリコン層に積層された歪み緩和状態の第2シリコンゲルマニウム層と、第2シリコンゲルマニウム層に積層された歪み状態のチャネル用単結晶シリコン層と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device in which a strained single crystal silicon layer formed over a silicon germanium layer is used as a channel region of a transistor,
A porous silicon layer formed on the surface of the silicon substrate, a first single crystal silicon layer formed on the surface of the porous silicon layer, and a first silicon germanium in a strain relaxed state laminated on the first single crystal silicon layer Layer, a first buffer single crystal silicon layer stacked on the first silicon germanium layer, a strain relaxed second silicon germanium layer stacked on the first buffer single crystal silicon layer, and a second silicon germanium layer A single-crystal silicon layer for a channel in a strained state laminated on
A semiconductor device comprising:
第1緩衝用単結晶シリコン層及び第2シリコンゲルマニウム層の間に積層された第2緩衝用単結晶シリコン層を備えることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, further comprising a second buffer single crystal silicon layer laminated between the first buffer single crystal silicon layer and the second silicon germanium layer. 第1単結晶シリコン層及び第1シリコンゲルマニウム層の間に積層された第2単結晶シリコン層を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a second single crystal silicon layer laminated between the first single crystal silicon layer and the first silicon germanium layer. 第1単結晶シリコン層の膜厚又は第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層の積層膜厚は5nm〜190nmであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置。6. The semiconductor according to claim 1, wherein the thickness of the first single-crystal silicon layer or the thickness of the first single-crystal silicon layer and the second single-crystal silicon layer is 5 nm to 190 nm. apparatus. 第1シリコンゲルマニウム層の膜厚は10nm〜500nmであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first silicon germanium layer has a thickness of 10 nm to 500 nm. 第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム濃度は10〜50原子%であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の半導体装置。8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer has a germanium concentration of 10 to 50 atomic%. 9. シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をチャネル領域とするトランジスタを形成する半導体装置製造方法において、
シリコン基板表面に多孔質シリコン層を形成する工程と、水素アニール処理により多孔質シリコンの表面を第1単結晶シリコン層に変換する工程と、第1単結晶シリコン層の上に、第2単結晶シリコン層及び第1シリコンゲルマニウム層を順次エピタキシャル成長させる工程と、第1シリコンゲルマニウム層の上に、チャネル用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程と、イオン注入及びイオン注入後のアニール処理により、第1単結晶シリコン層内、第2単結晶シリコン層内、または多孔質シリコン層内に結晶欠陥を導入する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置製造方法。
In a semiconductor device manufacturing method for forming a transistor having a strained single crystal silicon layer formed over a silicon germanium layer as a channel region,
A step of forming a porous silicon layer on the surface of the silicon substrate, a step of converting the surface of the porous silicon into a first single-crystal silicon layer by hydrogen annealing, and a step of forming a second single-crystal on the first single-crystal silicon layer. A step of sequentially epitaxially growing a silicon layer and a first silicon germanium layer; a step of epitaxially growing a single crystal silicon layer for a channel on the first silicon germanium layer; Introducing a crystal defect into the crystalline silicon layer, the second single-crystal silicon layer, or the porous silicon layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
第1シリコンゲルマニウム層はゲルマニウムの濃度勾配を有して形成されたことを特徴とする請求項9記載の半導体装置製造方法。10. The method according to claim 9, wherein the first silicon germanium layer is formed with a germanium concentration gradient. シリコンゲルマニウム層の上に形成した歪み状態の単結晶シリコン層をチャネル領域とするトランジスタを形成する半導体装置製造方法において、
シリコン基板表面に多孔質シリコン層を形成する工程と、水素アニール処理により多孔質シリコンの表面を第1単結晶シリコン層に変換する工程と、第1単結晶シリコン層の上に、第2単結晶シリコン層、第1シリコンゲルマニウム層、及び第1緩衝用単結晶シリコン層を順次エピタキシャル成長させる工程と、イオン注入及びイオン注入後のアニール処理により、第1単結晶シリコン層内、第2単結晶シリコン層内、または多孔質シリコン層内に結晶欠陥を導入する工程と、第1緩衝用単結晶シリコン層の上に、第2緩衝用単結晶シリコン層、第2シリコンゲルマニウム層、及びチャネル用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置製造方法。
In a semiconductor device manufacturing method for forming a transistor having a strained single crystal silicon layer formed over a silicon germanium layer as a channel region,
A step of forming a porous silicon layer on the surface of the silicon substrate, a step of converting the surface of the porous silicon into a first single-crystal silicon layer by hydrogen annealing, and a step of forming a second single-crystal on the first single-crystal silicon layer. A step of sequentially epitaxially growing a silicon layer, a first silicon germanium layer, and a first buffering single crystal silicon layer; and ion implantation and annealing after the ion implantation, in the first single crystal silicon layer and the second single crystal silicon layer. Introducing a crystal defect in the inside or in the porous silicon layer, and a second buffer single crystal silicon layer, a second silicon germanium layer, and a channel single crystal silicon on the first buffer single crystal silicon layer. Epitaxially growing the layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
第2緩衝用単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程を省いたことを特徴とする請求項11記載の半導体装置製造方法。The method according to claim 11, wherein the step of epitaxially growing the second buffer single crystal silicon layer is omitted. 第2シリコンゲルマニウム層は歪み緩和状態の層としてエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項11又は12記載の半導体装置製造方法。13. The method according to claim 11, wherein the second silicon germanium layer is epitaxially grown as a layer in a strain relaxed state. チャネル用単結晶シリコン層は歪み状態の層としてエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項11乃至13のいずれかに記載の半導体装置製造方法。14. The method according to claim 11, wherein the single crystal silicon layer for a channel is epitaxially grown as a strained layer. 第2単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる工程を省いたことを特徴とする請求項9乃至14のいずれかに記載の半導体装置製造方法。15. The method according to claim 9, wherein a step of epitaxially growing the second single-crystal silicon layer is omitted. 第1単結晶シリコン層の膜厚又は第1単結晶シリコン層及び第2単結晶シリコン層の積層膜厚を5nm〜190nmとしたことを特徴とする請求項9乃至15のいずれかに記載の半導体装置製造方法。16. The semiconductor according to claim 9, wherein the thickness of the first single-crystal silicon layer or the thickness of the first single-crystal silicon layer and the second single-crystal silicon layer is 5 nm to 190 nm. Device manufacturing method. 第1シリコンゲルマニウム層は臨界膜厚以下の膜厚に形成されることを特徴とする請求項9乃至16のいずれかに記載の半導体装置製造方法。17. The method according to claim 9, wherein the first silicon germanium layer is formed to a thickness equal to or less than a critical thickness. 第1シリコンゲルマニウム層の膜厚は10nm〜500nmであることを特徴とする請求項17記載の半導体装置製造方法。The method according to claim 17, wherein the first silicon germanium layer has a thickness of 10 nm to 500 nm. 第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層のゲルマニウム濃度は10〜50原子%であることを特徴とする請求項9乃至18のいずれかに記載の半導体装置製造方法。19. The method according to claim 9, wherein the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer has a germanium concentration of 10 to 50 atomic%. 第1シリコンゲルマニウム層又は第2シリコンゲルマニウム層をエピタキシャル成長させる際の成長温度は700℃以下であることを特徴とする請求項9乃至19のいずれかに記載の半導体装置製造方法。20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein a growth temperature for epitaxially growing the first silicon germanium layer or the second silicon germanium layer is 700 [deg.] C. or less. イオン注入に用いるイオン種は水素又はヘリウムであることを特徴とする請求項9乃至20のいずれかに記載の半導体装置製造方法。21. The method according to claim 9, wherein an ion species used for ion implantation is hydrogen or helium. イオン注入の平均注入飛程は多孔質シリコン層、第1単結晶シリコン層、又は第2単結晶シリコン層のいずれかの層内にあることを特徴とする請求項9乃至21のいずれかに記載の半導体装置製造方法。22. The ion implantation according to claim 9, wherein the average implantation range is in one of the porous silicon layer, the first single crystal silicon layer, and the second single crystal silicon layer. Semiconductor device manufacturing method. イオン注入は複数回に分けて行われることを特徴とする請求項9乃至22のいずれかに記載の半導体装置製造方法。23. The method according to claim 9, wherein the ion implantation is performed a plurality of times. イオン注入におけるイオン注入量は0.3〜3×101 6 /cm2 の範囲から選択された値とすることを特徴とする請求項9乃至23のいずれかに記載の半導体装置製造方法。24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the ion implantation amount in the ion implantation is a value selected from a range of 0.3 to 3 * 10 < 16 > / cm < 2 >. イオン注入後のアニール処理における温度は600℃〜950℃の範囲内とすることを特徴とする請求項9乃至24のいずれかに記載の半導体装置製造方法。25. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein a temperature in an annealing process after the ion implantation is in a range of 600 to 950.degree.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005005321A (en) * 2003-06-09 2005-01-06 Canon Inc Semiconductor substrate, semiconductor device, and these manufacturing methods
WO2005020314A1 (en) * 2003-08-20 2005-03-03 Nec Corporation High mobility misfet semiconductor device on silicon substrate with cavity and a method for producing same
JP2006032962A (en) * 2004-07-14 2006-02-02 Internatl Business Mach Corp <Ibm> METHOD OF FORMING RELAXED SiGe LAYER
JP2006506821A (en) * 2002-11-19 2006-02-23 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Relaxed SiGe layers on silicon or silicon-on-insulator substrates by ion implantation and thermal annealing
JP2006135319A (en) * 2004-11-01 2006-05-25 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Hetero integration type strained silicon n-type mosfet, p-type mosfet, and method of manufacturing the same
JP2006522469A (en) * 2003-03-10 2006-09-28 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Method of forming a stress relaxation layer structure on a substrate that has not been lattice matched and the use of such a layer structure in electronic and / or photoconductive devices
CN102867852A (en) * 2011-07-04 2013-01-09 中国科学院微电子研究所 Transistor and method for forming same
JP2019121620A (en) * 2017-12-28 2019-07-22 株式会社Kokusai Electric Manufacturing method for semiconductor device, substrate processing apparatus, and program

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006506821A (en) * 2002-11-19 2006-02-23 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Relaxed SiGe layers on silicon or silicon-on-insulator substrates by ion implantation and thermal annealing
JP2006522469A (en) * 2003-03-10 2006-09-28 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Method of forming a stress relaxation layer structure on a substrate that has not been lattice matched and the use of such a layer structure in electronic and / or photoconductive devices
JP2005005321A (en) * 2003-06-09 2005-01-06 Canon Inc Semiconductor substrate, semiconductor device, and these manufacturing methods
WO2005020314A1 (en) * 2003-08-20 2005-03-03 Nec Corporation High mobility misfet semiconductor device on silicon substrate with cavity and a method for producing same
JP2006032962A (en) * 2004-07-14 2006-02-02 Internatl Business Mach Corp <Ibm> METHOD OF FORMING RELAXED SiGe LAYER
JP2006135319A (en) * 2004-11-01 2006-05-25 Internatl Business Mach Corp <Ibm> Hetero integration type strained silicon n-type mosfet, p-type mosfet, and method of manufacturing the same
CN102867852A (en) * 2011-07-04 2013-01-09 中国科学院微电子研究所 Transistor and method for forming same
JP2019121620A (en) * 2017-12-28 2019-07-22 株式会社Kokusai Electric Manufacturing method for semiconductor device, substrate processing apparatus, and program

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