JP2004531054A - Relaxed silicon germanium platform for high speed CMOS electronics and high speed analog circuits - Google Patents

Relaxed silicon germanium platform for high speed CMOS electronics and high speed analog circuits Download PDF

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Abstract

平坦化緩和SiGeを材料プラットフォームとして使用する、高速ディジタル、アナログ、及びディジタル/アナログ組合せシステムを製造するための構造及び方法。緩和SiGeにより、高められた電子特性を有する歪みSi層が過剰となる。MOSFETチャネルを表面に配置又は埋め込むことにより、高速ディジタル回路及び/又はアナログ回路を作製することができる。デバイスのエピタキシャル層を付着する前に平坦化することにより、高級水準技術のリソグラフィ用の平坦な表面が確実となる。本発明の一実施態様によれば、基板上の平坦化緩和Si1-xGex層及び少なくとも1つの歪み層を含む該平坦化緩和Si1-xGex層上に付着させたデバイスヘテロ構造を備える半導体構造がもたらされる。
【選択図】図1
Structures and methods for fabricating high-speed digital, analog, and combined digital / analog systems using planarization relaxed SiGe as a material platform. Relaxed SiGe results in excess strained Si layers with enhanced electronic properties. By placing or embedding MOSFET channels on the surface, high speed digital and / or analog circuits can be made. Planarization prior to depositing the epitaxial layers of the device ensures a flat surface for high-level lithography. According to one embodiment of the present invention, planarization relaxed Si 1-x Ge x layer and the planarization relaxed Si 1-x Ge x layer on the deposited device heterostructure comprising at least one strained layer on a substrate Resulting in a semiconductor structure comprising:
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【優先権情報】
【0001】
本発明は、いずれも2001年7月16日に出願された米国特許第09/906,551号及び第09/906,545号に基づき優先権を主張するものであり、これらの2つの出願は、2001年3月2日に出願された米国特許仮出願第60/273,112号に基づき優先権を主張するものである。
【技術分野】
【0002】
本発明は、高速CMOS電子機器及び高速アナログ回路のための、緩和SiGeプラットフォームの分野に関する。
【背景技術】
【0003】
ディジタル集積回路のプラットフォームとしてのSi CMOSは、工業界のロードマップにより予測されたように進歩してきた。その進歩はデバイスの微細化によってなされたものであり、より高い性能、より高い信頼性、さらにはより低いコストをもたらしている。しかしながら、相互接続階層が増すにつれて、データの流れにおける新たな障害が明らかになってきた。ディジタル集積回路は前例のない速度で進歩したが、アナログ回路はほとんど少しも進歩していない。さらには、近い将来、深刻な経済的且つ技術的問題が、ディジタル集積回路の進歩に立ちはだかるであろう。
【0004】
ディジタル及び通信チップの市場は、Si CMOSのエンハンスメントとロードマップの十分な発達を必要としている。ディジタル集積回路技術を向上させ、新しいアナログ集積回路の可能性を創出する1つの極めて有望な材料の候補が、Si基板上の緩和SiGe材料である。Si上の緩和SiGe合金は、その上に付着されているSiの薄層を有することが可能である。引張Si層は、集積回路、金属酸化物電界効果トランジスタ(MOSFET)の基本的なデバイスに対して多くの有利な特性を有する。第一に、Siを引張状態に置いた場合、ウェハーの表面と平行に移動する電子移動度が増大するため、MOSFETと関連する回路の動作周波数が増大する。第二に、緩和SiGeと歪みSiの間のバンドオフセットが、Si層に電子を閉じ込める。したがって、電子チャネルデバイス(nチャネル)において、チャネルを表面又は「埋め込み」から除去することができる。電荷キャリアを、イオン化不純物及び「粗い」酸化物界面のような散乱中心から空間的に分離するこの能力により、低ノイズで高性能なアナログデバイス及び回路の製造が可能となる。
【0005】
この分野における中心的な開発は、低しきい値転位密度を有する緩和SiGeバッファの発明であった。そのような分野において中心となっている背景発明は、Brasenらの米国特許第5,442,205号公報及びFitzgeraldの米国特許第6,107,653号公報に開示されている。これらの特許は、現在最良の高品質緩和SiGeの製造方法を記述している。
【0006】
研究所における新規なデバイス構造は、緩和バッファの初期の基本的な型の上に組立てられてきた。例えば、固有gmにおいて60%を超えるエンハンスメントと75%以上増大した電子移動度を示す、歪みSi、表面チャネルn MOSFET(RimらのIEDM 98 Tech. Dig. p. 707)が造られている。高い相互コンダクタンスと高い移動度を示す歪みSi、埋め込みチャネルデバイスもまた製造されている(U. Konig, MRS Symposium Proceedings 533, 3(1998))。残念なことに、これらのデバイスには商業化に関して様々な問題がある。第一に、材料を転位の導入によって緩和すると、Si上のSiGe表面が非常に粗くなるため、一般に入手可能な材料の品質は実際に実用化する上で不十分である。このような転位は、材料間の格子不整合によって生じた応力を補償するため、Si上に緩和SiGe層を成長させる場合に必須である。10年以上もの間、研究者達はエピタキシャル成長によって表面のモフォロジーを本質的に制御しようと試みてきたが、適応しない転位による応力場が成長表面に影響を及ぼすため、本質的なエピタキシャルによる解決は不可能であった。本発明は、緩和SiGe上に構築した全てのデバイスが有意に平坦な表面を有するのを可能にする平坦化及び再成長方法を開示する。表面の粗さを低減することにより、細線リソグラフィーの歩留まりが増大するため、歪みSiデバイスの製造が可能となる。
【0007】
これまでに作製された歪みSiデバイスに関する第二の問題は、研究者達が非常に様々な用途に対してデバイスを最適化しようと専念してきたことにある。在来のMOSFETデバイスを強化するために表面チャネルデバイスが調査され、そのため埋め込みチャネルデバイスは、AlGaAs/GaAsなどのIII-V族の材料においてのみ、それまでに入手可能な埋め込みチャネルデバイスをまねる方法で構築されてきた。Siを製造する下部構造には、Siと適合性で、拡張性のある、多量のSi集積回路用途で使用することができる材料のプラットフォームが必要であることを認識することにより、ここに開示する本発明は、Si CMOSをベースとする回路のエンハンスメント、並びにアナログ回路の製造をともに可能にするプラットフォームを提供する。したがって、高性能なアナログ又はディジタルシステムを、このフラットフォームを用いて設計することができる。さらなる利点としては、いずれの形式の回路もCMOSプロセスで製造することができ、そのため単一チップの解法として、組み合わされた集積ディジタル/アナログシステムを設計することが可能である。
【0008】
このような進歩したSiGe材料のプラットフォームにより、この新しい材料システムを利用する様々なデバイス及び回路トポロジーの提供が可能となった。本発明の例示的な実施態様により、改善された歪み層Siデバイスの構造及び組立て方法、並びにデバイスの多様性に基づく回路、同じ出発材料プラットフォームから組立てられた全ての構造及び組立て方法が開示される。同じ材料プラットフォームから出発することが、コストの最小化と可能な限り多数の回路トポロジーをこのプラットフォーム上に構築するための要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
したがって、本発明は、再成長させたデバイス層を有する平坦な緩和SiGeのプラットフォーム材を提供するものである。平坦化及び再成長という方法により、デバイス層を平坦化することなく成長させるという方法と比較して、デバイス層を最小の表面粗さとすることが可能となる。平坦化させて再成長させたこのプラットフォームは、ディジタル及びアナログ両方の回路にとって最適な特性を有し得る歪みSiデバイスの受容体である。高性能のディジタル論理回路及びアナログ回路の組立てを可能にする構造及びプロセスを説明するが、その構造は、単一のシステムオンチップを形成するディジタル回路及びアナログ回路の組合せを受容するのに利用することができる。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一実施態様によれば、基板上に平坦化した緩和Si1-xGex層を備える半導体構造及び、少なくとも1つの歪み層を有するとともにその平坦化した緩和Si1-xGex層上に付着されているデバイスのヘテロ構造が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
図1は、Si基板102上にエピタキシャル成長させた緩和SiGe層を有する構造100の概略的なブロック図である。この構造では、一様なSiGe層106とSi基板との間の格子不整合を調節するために組成傾斜バッファ層104が使用されている。ある距離にわたって格子不整合を拡げることにより、傾斜バッファによって表面に達する転位の数が最小となり、それによってSi上に高品質の緩和SiGe膜を成長させる方法を提供することができる。
【0012】
Si上に高品質の緩和SiGe層を成長させるいずれの方法も、SiGe層の表面上に公知のクロスハッチパターンの粗さをもたらす。このクロスハッチパターンは、典型的には数ミクロンメートルの距離にわたり、数百オングストロームの厚みを有する。そのため、クロスハッチパターンは、電子又は正孔の寸法に対して緩やかで起伏のある表面モフォロジーとなる。その理由のため、制御Siデバイス相補物にわたってエンハンスメントを達成する個々のデバイスを造ることが可能となる。しかしながら、これらのデバイスを商品化するには、低コストで高性能な対象物を得るために、Si CMOSプロセス環境への材料の注入が必要である。このプロセス環境では、材料とデバイスの特性が製造工程に対して及ぼす影響が最低限であることが必要である。ウェーハ表面上のクロスハッチパターンは、歩留まりと製造の簡便さに影響を及ぼす、Si上の緩和SiGeに関する限定的特性の一つである。そのため、リソグラフィーに関する高い歩留まりと簡易さのためには、より平坦化することが望まれる。
【0013】
クロスハッチパターンは、注入された不適応な転位に起因する応力場に由来する。その影響は、図2に示す例示的な構造200によって説明される。自明のこととして、転位は、SiGe合金とSi基板の間の格子不整合を調製するために導入されなければならない。応力場は転位において始まり、膜表面で終わる。しかしながら、表面での終了によって、ウェーハの表面上であちらこちらに移動する結晶格子が生じる。成長速度を、ウェーハの異なる位置で生じた格子の一定寸法、付着の異なる厚みに相関させることが可能である。不適応な転位を超えて厚い層を成長させることにより、これら厚みの異なる層の厚みのむらを無くすことができると考える人もいるであろう。残念なことに、表面の起伏は比較的長い周期を有しているため、表面拡散は典型的にはそのモフォロジーを取り除くのに十分大きくはない。
【0014】
図3は、Si基板上の傾斜SiGe層を介して転位を注入することによって生成された緩和SiGeバッファに関する表面粗さのデータを示す表である。緩和Si0.8Ge0.2バッファに対してクロスハッチパターンが成長したままの状態では、おおよそ7.9nmの典型的な粗さが生じることに注意されたい。この平均粗さは、緩和バッファ中のGe含有量が増大すると大きくなる。そのため、成長中に転位の導入によって緩和されたSiGe層について、表面粗さは、高級技術水準の組立製造設備に対して許容不可能なものである。緩和SiGeの平坦化工程の後では、平均粗さは2nm(典型的には0.57nm)以下であり、デバイス層の付着後では、平均粗さは、1.5μmの再成長厚み有して、0.77nmである。したがって、構造が完全に組立てられた後、粗さを1桁以上小さくさせることが可能である。
【0015】
再成長させたデバイス層は、再成長層の臨界厚みを超えるか又はその厚みに満たなくてもよい。一般に、格子不整合エピタキシャル成長においては、界面における転位導入を憂慮することなく、薄層を付着させることが可能である。十分厚い厚みでは、膜と基板の間における何らかの格子不整合も、再成長させたヘテロ構造に不適応な転位を導入するであろう。このような新たな転位により、さらなる表面粗さが生じる可能性がある。したがって、再成長させたデバイス層と緩和SiGeバッファの間の格子不整合が大き過ぎる場合、多大な転位の導入によって表面が粗くなるため、緩和SiGeを平坦化させる効果は失われるであろう。
【0016】
再成長させた厚みと表面の品質に関して、2つの明確な可能性がある。再成長層が非常に薄く、格子が再成長層の組成に正確に整合、緩和バッファ要素が必要ではない場合。この場合、表面粗さは非常に小さく、平坦化後の平坦度にほぼ等しいであろう。しかしながら、デバイスの多くの用途において、再成長層の厚みは1〜2μm又はそれ以上である。緩和SiGeと再成長層の間のGe濃度が1%異なる場合、臨界厚みは約0.5μmである。そのため、最適な平坦度が所望される場合、ウェーハ全体にわたってGe濃度の均一性を十分に制御できない限り、再成長層を約0.5μm以下に保つことが最善である。この組成の整合は、高級技術水準のツールでも達成可能であるが、図3は、正確ではない整合、即ち、Ge濃度が2%以内であるために、不適応な転位の導入及び新たなクロスハッチパターンの導入が結果生じることを示している。しかしながら、格子不整合が小さいため、平均粗さは依然として約0.77nmと非常に低い。そのため、格子不整合又は若干の不整合は、処理用の良好なデバイス層表面をもたらすであろう。
【0017】
表面粗さを有する緩和SiGe合金は、組成傾斜物層において、均一な組成の緩和SiGe層である必要がないことにも注意されたい。この材料層構造は、高品質の緩和SiGeの初期の例として示されたが、この構造にはいくつかの欠点がある。例えば、SiGe合金は、純粋なSiと比較して非常に低い熱伝導係数を有する。そのため、表面に配置されている電子デバイスにとって、厚みのある組成傾斜層と均一な組成物層のために、デバイス領域から熱を放出させることは比較的困難であろう。
【0018】
図4A〜図4Dに示す本発明の例示的な他の実施態様によれば、この問題を解決することができ、大電力のSiGeデバイスのためのプラットフォームが製造される。図4A〜図4Dは、本発明による例示的な工程の流れ及び結果得られるプラットフォームの構造を示す。構造は、Si基板404上の組成傾斜層402を介して均一な緩和SiGe合金400を第一に形成することによって製造される。SiGe層400は、次いで第二のSi基板406に、在来のボンディング法を利用して移される。例えば、傾斜層402上の均一なSiGe合金400により、クロスハッチパターンを取り除くための平坦化が可能となり、緩和SiGe合金をSiウェーハに結合させることができる。傾斜層402と元の基板404は、種々の在来の工程によって除去することができる。例えば、一つの方法としては、元のSi基板を粉砕して除き、制御されたドライエッチング又はウェットエッチングを施すことにより、あるいはエッチング止め層を埋め込むことにより、SiGeを選択的にエッチングする方法がある。最終的に、厚い傾斜層のない、Si上の緩和SiGe合金400が結果得られる。この構造は、SiGe層から熱をより効率的に伝導することができるため、大電力用途により適する。
【0019】
またこの結合及び基板除去の技術は、絶縁基板、又はSGOI上にSiGeを製造するのにも利用することができる。SGOIウェーハは、図4A〜図4Dに示す同様の技術を利用して製造されるが、第二の基板は、ボンディング前にSiO2層で被覆される。代替的な実施態様においては、いずれのウェーハも、酸化物−酸化物ボンディングを可能にするために、SiO2で被覆することができる。基板を除去した後に結果得られた構造は、高品質な、絶縁膜上の緩和SiGe層である。このプラットフォームに構築されるデバイスは、歪みSi及びSOIアーキテクチャ両方の性能のエンハンスメントに利用可能である。
【0020】
SiGe層が別の受容基板に移動される場合に、デバイス層構造の再成長の前に平坦化することが依然として必要なこともあることを理解されたい。SiGe表面が、基板除去技術による高級水準の方法に対しては粗すぎる場合がある。この場合、緩和SiGeを平坦化し、高品質な緩和SiGe表面の最上層にデバイス層を再成長させる。
【0021】
機械的又は他の物理的方法によって表面を平坦化することは、表面を平坦にし、CMOS品質のデバイスを得るのに必要である。しかしながら、ディジタル回路及びアナログ回路を強化できるような電界効果トランジスタ(FET)は非常に薄いため、平坦化工程で除去されてしまうことがある。そのため、本発明の第一の部分は、デバイス層の再成長に続く緩和SiGeの成長と平坦化が、強化されたCMOSプラットフォームを高性能、高歩留まりで製造するための要であることを認識することにある。図5と図6は、表面チャネルFETと埋め込みチャネルFETの実施態様のそれぞれを製造するのに必要な処理順序と再成長層を示す。
【0022】
図5A〜図5Dは、本発明に従った工程の流れと結果得られる層構造の概略を示す図である。図5Aは、基板504上の緩和SiGe合金502の典型的な表面粗さ500を、誇張した起伏表面として示す。基板はSiそのもの、Si上の組成傾斜緩和SiGe層又は、緩和SiGeがウェーハボンディング及び除去技術によって移動された他の材料であるため、基板を包括的な方法で標識していることに留意されたい。緩和SiGe合金502は、実質的な粗さを除去するために平坦化され(図5B)、次いで、デバイス再成長層506がエピタキシャルによって付着される(図5C)。再成長層506の組成を、可能な限り緩和SiGe 502に近くなるようにして格子整合させることが望ましいが、表面が実質的に平坦なままであるため、その界面におけるわずかな不整合及び転位の導入は許容できる。表面チャネルデバイスに関して、0.1μm未満の厚みを有する歪みSi層508をその後、図5Dに示すように、任意の犠牲層510と共に緩和SiGe 502の最上層に成長させる。歪み層508は、最終的なCMOSデバイス中のチャネルとして使用される層である。
【0023】
図6A〜図6Dは、本発明による埋め込みチャネルFETプラットフォームに対する対応する工程の流れと層構造の概略を示す図である。この構造では、再成長層606は、格子整合したSiGe層602、0.05μm未満の厚みを有する歪みSiチャネル層608、SiGe分離又はスペーサ層612、Siゲート酸化物層614及びデバイスの初期の処理工程の間にヘテロ構造を保護するのに使用される任意の犠牲層610を含む。
【0024】
デバイス構造が一旦付着されると、デバイスを組み立てるための残りの工程の流れはバルクSiの場合と非常に似ている。本発明による表面チャネルMOSFETの工程の流れを簡略化したものを図7A〜図7Dに示す。この表面チャネルMOSFETは、緩和SiGe層700と歪みSi層702を含む。図7Aに示すデバイス絶縁酸化物704は、典型的に、最初に形成される。この工程では、薄いパッドの酸化物層708の上部にあるSiN層706が、シリコンの局所的な酸化(LOCOS)又は浅いトレンチ絶縁(STI)のいずれかのためのハードマスクとして機能する。いずれの技術も、デバイス間の高いしきい値電圧を得るのに厚い酸化物(デバイスの寸法と比較して)を使用する。しかしながら、STIの方が、0.25μm以下の技術にはより適している。図7Bは、ゲート酸化物716を成長させて、浅いソース-ドレインを注入した後のデバイス領域の概略を示す。注入領域710は、マスキング層としてフォトレジスト714でパターン化されたポリSiゲート712を使用して自己整合される。続いて、深いソース-ドレイン注入物718を、在来のスペーサ720形成法を利用して配置し、デバイスは、ゲートでケイ化物722を形成し、ソースとドレインでケイ化物/ゲルマニウム化物724を形成することによって電気的に接触される(図7C)。図7Dは、第一レベルの金属相互接続726が付着され、エッチングされた後のデバイスの概略を示す図である。
【0025】
構造全体の最上部には制限された厚みの層があるため、工程中の表面材料の除去は、標準的なSiの場合より困難となる。表面チャネルデバイスでは、再成長された構造は、ほぼ格子整合したSiGeから主として構成され、標準的なSiの薄い表面層を含む。Si製造工程手順における最初の工程のほとんどは、表面からSiを取り去るものである。工程を注意深く制御しなければ、ゲート酸化の前に歪みSi層全体が取り除かれてしまうことがある。結果得られたデバイスは、緩和SiGeチャネルFETであるため、歪みSiチャネルが実現されないことが利点となる。
【0026】
初期の工程の間、Siの除去に対処するための論理的な解決策とは、歪みSi層を、この除去を相殺するのに十分な厚みとすることである。しかしながら、厚いSi層は2つの理由から不可能である。第一には、強化された電気特性により、Siが歪み、厚い層が不適応な転位の導入によって圧力を解放するという事実に基づく。第二には、不適応な転位自体は、それらがキャリアを散乱させ、接合部における漏れ電流を増大させるため、多量の場合には望ましくないということである。
【0027】
表面における歪みSi層の除去を防ぐために、ゲートを酸化する前の洗浄工程を最小限にし及び/又は保護層を適用しなければならない。保護層は、その除去を慎重に行うことができることから有用である。表面チャネルデバイスに対する保護層のいくつかの例を図8Aと図8Bに示す。図8Aは、緩和SiGe層800と、SiGeの表面層804によって保護された歪みSiチャネル層802からなる歪みSiヘテロ構造を示す。表面SiGe層804は、下層の緩和SiGe層800と同様のGe濃度を有するため、臨界厚み制限によって厚みを制限されない。初期の洗浄の間、SiGe犠牲層が歪みSiチャネル層の代わりに除去される。犠牲層の厚みは、除去する厚みと同じに調製することも、それよりも厚くすることも可能である。後者の場合、過剰のSiGeは、成長させた時点の厚みにおいて不純物のない歪みSi層を曝露するように、ゲートを酸化する工程の前に選択的に除去することができる。特定の製造設備に対してSi終端表面が好ましい場合、犠牲Si層は、SiGe犠牲キャップ層の上に付着させることができる。
【0028】
図8Bは、SiO2層806と、多結晶又はアモルファス材料のいずれかの表面層808とが保護層として使用されている構造を示す。この方法では、酸化物層は、歪みSi層のエピタキシャル成長の後に成長又は付着される。次に、Si、SiGe又はGeの多結晶又はアモルファス層を付着する。このような半導体層は、ゲートを酸化する前の工程の間、SiGeキャップと同じように歪みSi層を保護する。ゲートを酸化する前には、多結晶/アモルファス及び酸化物層が選択的に除去される。犠牲層が、表面チャネルデバイスを保護するものとして示されているが、この技術は埋め込みチャネルヘテロ構造にも適用可能である。
【0029】
在来のSi処理工程を修正する他の方法とは、ソース-ドレイン間のケイ化物-ゲルマニウム化物の形成である(図7C)。在来のSi処理工程では、金属(典型的にはTi、Co又はNi)をSiと反応させ、標準的なアニーリング手順によって低抵抗率のケイ化物を形成する。しかしながら、この場合、金属はSiとGeの両方と同時に反応する。ケイ化物は、ゲルマニウム化物と比較して、非常に低い自由エネルギーしか有さないため、ケイ化物が形成される一方でGeが追い出される傾向がある。追い出されたゲルマニウムは、塊状物を形成して接触抵抗を増大させる。この直列抵抗の増大は、ヘテロ構造からの余剰駆動電流の利益を相殺し、構造の利点を無にする。
【0030】
TiとNiは、Geを激しくは排斥しない相を形成することができるため、良好な接触を形成することが可能となる。Coの場合にはさらなる問題がある。しかしながら、Si除去の問題で上述したように、デバイスのエピタキシャル段階において、SiGe-金属反応を最適化する代わりに保護層を適用することができる。例えば、表面チャネルとなる歪みSiを、Ge含量の多いSiGe合金(初期の緩和SiGeよりも高いGe含量)、続いて歪みSiで被覆することができる。これらの表面接触層を利用する2通りの取り組みが可能である。どちらの方法も、表面において厚いSiを導入するため、SiGe-金属反応が有する問題を生じることなく在来のケイ素化技術を実施することができる。
【0031】
第一のアプローチは、図9Aの表面チャネルヘテロ構造900に示されており、十分な歪みが得られるほど薄いGeリッチの層906を使用する。層906は、歪みSiチャネル層904及び緩和SiGe層902の上に設けられている。この場合、次のSi層908は臨界厚みを超え、圧縮Geリッチ層906は、歪みSiチャネル904に入る転位に対する障壁として機能する。この障壁は、転位がケイ素化プロセスに対して逆向する影響を及ぼさないことから有益である。そのため、次のSi層908に転位が存在することは重要なことではない。しかしながら、転位がチャネルを貫通すると、デバイスに対して不利な影響が及ぼされる。
【0032】
図9Bに示す第二のアプローチは、意図する以上に臨界厚みを上回るGeリッチ層910を可能にし、それによってGeリッチ層における緩和を十分なものとすることができる。この場合、任意の厚みのSi層912を、緩和Geリッチ層の上に適用することが可能である。この層には、歪みチャネルよりも多くの欠陥が含まれるであろうが、このSiはケイ素化反応においてのみ関与するため、これらの欠陥はデバイス動作において如何様にも作用しない。いずれの場合にも、金属がSiとのみ反応するため、プロセスには金属-SiGeの反応に関する問題が生じない。
【0033】
ケイ化物接触が一旦形成されると、例えば、典型的に、ケイ化物-ゲルマニウム化物(任意に使用された場合)が在来のケイ化物ほど高い温度には耐えられないことより、熱の供給を注意深く監視することを除き、残りの手順は、標準的なSi CMOSの工程の流れとなる。強化された性能を達成するのにSi/SiGe FETヘテロ構造を使用する主な利点とは、在来のSi技術との互換性にある。工程の多くはSi CMOS製造工程と同一であり、工程の前半、即ちSi/SiGeヘテロ構造の製造工程が完了すると、Si/SiGeは下方に配置されることによって、工程の後半全体は影響されない。
【0034】
埋め込みチャネルデバイスのための出発ヘテロ構造が、表面チャネルデバイスの構造とは異なっているとはいえ、その工程の流れは、図7A〜図7Dに示す表面チャネルの工程の流れと非常に似ている。図10は、SiNマスク1014を利用してデバイス絶縁酸化物1016を形成した後の埋め込みチャネルMOSFET構造1000の概略的なブロック図である。この場合、第一のSiGe層1010上の歪みチャネル1002は、別のSiGe層1004を成長させ、続いて別のSi層1006を成長させることによって、表面から分離される。このSi層には、SiGe上へのゲート酸化物の形成が非常に高い界面準位を生じさせるため、ゲート酸化物1008が必要であり、そのため理想的ではないMOSFETが製造されてしまう。このSi層による結果の一つには、これがあまりに厚い場合、Si層のかなりの部分が、ゲートの酸化後に残存してしまうことが挙げられる。キャリアはこの残余のSi層に集中し、表面チャネルを所望の埋め込みチャネルと平行に形成し、有害なデバイス特性をもたらすことがある。したがって、表面層Siは、可能な限り薄い状態、典型的には50Åを下回る、理想的な5〜15Åの範囲を維持しなければならない。
【0035】
埋め込みチャネルデバイスに必要とされる他の付加的な特徴とは、供給層の注入である。デバイスのスイッチがオンとなった際に、垂直方向で影響を受ける電界は埋め込みチャネル1002からキャリアを取り外すのに十分強力であり、Si/SiO2界面1012近くのSiチャネル1006にキャリアを集中させる。それによって埋め込みチャネルのいずれの利点も無効にしてしまう。したがって、ドーパント供給層を、埋め込みチャネルと最も上のSi層1006の間の層1004、又はSiGe 1010の下にある埋め込みチャネルの下方のいずれかに導入しなければならない。このようにして、デバイスは小さな電圧によって又は電圧を印加されずに強制的にスイッチがオンとなり、電圧の印加によってスイッチがオフとなる(デプレッションモードデバイス)。
【0036】
図11は、本発明による、緩和SiGe上に付着されている任意のヘテロ構造FETデバイスに対する工程の概略的なフロー図である。主な工程のステップは囲み罫内に示されており、任意のステップ又は注釈は丸で囲んで示している。最初の3つのステップ(1100、1102、1104)は、歪みシリコンヘテロ構造の製造組立てを説明するものである。その手順には、緩和SiGeをSi上に生成するステップ、SiGeを平坦化するステップ及びデバイス層を再成長するステップが含まれる。歪みヘテロ構造が形成される(1106)と、STI(1110)又はLOCOS(1108)のいずれかを使用するデバイスの分離(1112)を行い、MOSの製造組立てが開始される。ゲートの酸化を進める前に、埋め込みチャネルデバイスに、供給しきい値注入を施し(1114)、埋め込み又は表面チャネルヘテロ構造のいずれかに適用された保護層を選択的に除去しなければならない(1116)。ゲート酸化(1118)の製造工程の手順は、在来のSi CMOS製造工程と類似する。これらのステップには、ゲートの付着、ドーピング及び画定、自己整合の浅いソース-ドレイン注入(1122)、スペーサ形成(1124)、自己整合の深いソース-ドレイン注入(1126)、ケイ化物形成(1128)、並びに金属付着及びエッチングを介するパッド分離(1130)が含まれる。相当な変更を必要とするこれらのステップは議論されている。
【0037】
図11の工程に特有な利点の一つは、表面チャネルデバイスと埋め込みチャネルデバイスとを同じプラットフォーム上で使用することが可能であるということにある。図12A〜図12D及び図13A〜図13Dを考慮すると、これらは普遍的な基板層の配列び、表面チャネルMOSFETと埋め込みチャネルMOSFETを同じチップ上に共存させる製造工程を示している。この普遍的な基板は、表面チャネルデバイスと埋め込みチャネルデバイスの両方を組立て製造することが可能なものの一つである。この手順で表面チャネルデバイスを製造する場合に2つの可能性があり、それらを図12と図13に示す。表面チャネルと埋め込みチャネルを結合するための工程の流れは、図7で説明した前述の工程と類似する。したがって、図12と図13では、適切なゲート領域を露出するのに関与する決定的なステップのみを示す。
【0038】
図12Aと図13Aは、表面チャネルデバイスと埋め込みチャネルデバイスを集積するための、同じ基本的なヘテロ構造1200、1300を示している。表面の歪みSi層1202、1302、SiGeスペーサ層1204、1304、埋め込み歪みSi層1206、1306及びSiGeの緩和プラットフォーム1208、1308が存在する。埋め込みチャネルMOSFETに、ゲート酸化物を形成するための表面Si層と、デバイスチャネルを形成するための埋め込みSi層が必要であるため、2つの歪みSi層が必要である。また図は、埋め込みチャネルデバイス領域1212、1312を表面チャネルデバイス領域1214、1314から分離するデバイス分離領域1210を示している。
【0039】
埋め込みチャネルデバイスとは異なり、表面チャネルMOSFETは、1つの歪みSi層しか必要としない。その結果、表面チャネルMOSFETは、図12B〜図12Dに示すように、最も上の歪みSi層内か、又は図13B〜図13Dに示すように、埋め込みSi層チャネル内のいずれかに形成することができる。図12Bは、最も上のSi層内の表面チャネルゲート酸化層1216を概略的に示す図である。この場合、酸化後、残余の歪みSi層が存在してチャネルを形成しなくてはならないため、最も上のSi層がより厚みのあることが望ましい。また図12Bは、通常、埋め込みチャネルゲート酸化物を成長させる前に注入される埋め込みチャネル供給注入1218のための可能な配置を示す。最も上のSi層が、表面チャネルデバイスに対して最適化されているため、図12Cに示すように、埋め込みチャネルデバイスが形成されている領域1220の最も上の歪みSiのいくらかを取り去る必要がある。ゲート酸化物1222の形成後(図12D)の表面Siの厚みを最小限にするために、除去可能であることが必要であり、並列デバイスチャネルの形成を避ける。
【0040】
表面チャネルMOSFETを埋め込み歪みSi層に形成すると、最も上の歪みSi層を薄くすることができ、すなわち埋め込みチャネルMOSFETとして最適に設計することができる。図13Bでは、最も上の歪みSi層とSiGe層が、表面チャネルMOSFETが形成される領域1312で除去される。SiとSiGeは異なる特性を有するため、ウェット化学エッチング又はドライ化学エッチングのような範囲選択性除去技術を利用することができる。SiGeは、特に湿式の酸化条件下ではSiよりも速く酸化するため、選択的酸化もまた利用することができる。図13Cは、表面チャネルデバイスのゲート酸化1314、並びに埋め込みチャネルデバイスのための供給層注入1316を示す。最後に、図13Dは、埋め込みチャネルゲート酸化物1318の位置を示す。エピタキシャルの厚みが埋め込みチャネルデバイスに対して最適化されるため、酸化の前に上部Si層の厚みを薄くすることは必要とされない。これらの初期の工程に続いて、前述したように、各デバイスの製造工程を進める。
【0041】
この工程の他の重要なステップとは、埋め込みチャネルデバイスに必要とされる供給層を作るための局所的な注入の利用である。MOSFET構造においては、チャネルが作動すると、表面にキャリアをもたらす大きな垂直方向の電界が生じる。電子を埋め込み歪みSi層内に留めるSiとSiGeの間のバンドオフセットは、埋め込みチャネルからキャリアが引抜かれるのを防ぐほど十分に大きくはない。そのため、先ず、埋め込みチャネルMOSFETが無効になるように見えるであろう。しかしながら、最も上のSiGe層に十分な電荷が存在する場合、MOSFETは、デプレッションモードのデバイス、即ち通常はオンであり、チャネルをオフとするのにバイアスを必要とするデバイスとなるであろう。表面/埋め込みチャネルデバイスのプラットフォームにおいて、供給層注入は、埋め込みチャネルが形成される領域内に製造することができるため、集積化工程が容易になる。何らかの理由により、供給層注入が不可能なであるならば、エピタキシャル成長の間にドーパントを最も上のSiGe層中に導入することができるため、表面チャネルを埋め込みSi層の上に作る図11で示す工程は許容可能な工程であることに注意されたい。供給層は、最も上のSiGe層と歪みSi層が選択的なエッチングによって取り除かれると、次いで表面チャネルMOSFET領域から除去される。
【0042】
図10、図12及び図13で説明する工程においては、埋め込みチャネルMOSFETの製造が望ましいと考えられる。埋め込みチャネルデバイスの酸化物が除去される場合、金属ゲート(MODFET又はHEMTと呼ばれる)を有する埋め込みチャネルデバイスを形成することができる。このデバイスの利点とは、酸化物の欠落によってキャパシタンスが減少するため、相互コンダクタンスをより高くすることができるということである。しかしながら、このデバイスを使用する場合には2つ欠点がある。第一に、ゲート画定後の全ての熱による工程が非常に低温でなければならず、そうでない場合には、金属が半導体と反応してしまい、非常に低い障壁を有する、又は障壁のない合金ゲートが形成される。これに関連して、第二の欠点が存在する。熱供給が少ないために、ソースとドレインの形成及び接触は、典型的にはゲート画定の前に行われる。このようなステップの逆転によって、ゲートのソースとドレンに対する自己整合が妨害されるため、ゲートとソースの間及びゲートとドレインの間の直列抵抗が増大する。したがって、綿密に設計された埋め込みチャネルMOSFETを利用することにより、自己整合特性をデバイス性能における大きな利点とすることができる。MOSFET構造の他の有益な点とは、ゲート漏れが非常に小さいということが挙げられる。
【0043】
埋め込みnチャネル構造と、n型及びp型表面チャネルMOSFETとの組み合わせがこれまで重要視されてきた。埋め込みnチャネルデバイス及び表面チャネルデバイスにおいて、チャネルは純粋なSiである必要がないことが重要であることも強調されてきた。Sil-yGeyチャネルは、製造工程中、安定性を増大させるのに使用することができる。図14A及び14Bは、緩和Si1-zGez層1404上のSi1-yGeyチャネル1402を利用した表面1400と埋め込み1450チャネルデバイスの概略を示す図である。ケイ素化後のデバイスが示され、これはポリSiゲート1410、ゲート酸化物1408、ケイ化物領域1412、スペーサ1414及びドープ領域1416を含む。表面チャネルデバイス1400では、埋め込みチャネルに関して先に説明したように、ゲート酸化物1408を形成するために、Siの薄層1406をSi1-yGey層1402上に付着させなければならない。埋め込みSi1-yGeyチャネルデバイス1450では、デバイス層の順序は変わらず、埋め込み歪みチャネル1402、SiGeスペーサ層1418及び酸化のための表面Si層1420からなる。
【0044】
n MOSデバイスのチャネルにおける引張り歪みを維持するために、チャネル層の格子定数は、緩和SiGe層の場合より小さく、即ちyはzより小さくなければならない。nチャネルデバイスが合金の散乱に対して感度を有するため、チャネル内のGe濃度が低い場合に、最も高い移動度が結果得られる。合理的な臨界厚みにおいてこのチャネル層を歪ませるために、下層のSiGeが10〜50%の範囲のGe濃度を有するべきである。
【0045】
実験的なデータによれば、pチャネルは、合金散乱に対してほとんど感度を有さないことが示されている。そのため、合金チャネルを有する表面MOSFETもまた可能である。加えて、埋め込みチャネルデバイスは、単に、チャネル内のGe濃度yを、緩和SiGe合金内のGe濃度zよりも大きくし、且つ供給ドーパントをn型からp型へ変更することによってpチャネルデバイスとすることができる。この配列は、y=1、且つ0.5<z<0.9のときに、Geチャネルデバイスを形成するのに使用することができる。
【0046】
エンハンスメントモードの表面チャネルデバイス(典型的なSi COMS技術におけるような、注入によるnチャネル及びpチャネル)と、デプレッションモードの埋め込みチャネルMOSFET及びMODFETを混在させることができることにより、高度に集積化されたディジタル/アナログシステムを形成することが可能である。エンハンスメントモードのデバイスは、高性能CMOSへの製造が可能であり、高性能の低ノイズデプレッションモードデバイスを必要とするアナログ回路の領域を、埋め込みチャネル領域内に製造することが可能である。したがって最適な通信段、ディジタル処理段などを、単一のプラットフォーム上に構築することが可能である。これらの異なる領域は、Si CMOSチップのバックエンドに電気的に接続され、まさにトランジスタは、今日のバックエンド技術によって接続される。したがって、COMS製造工程への単なる変更は、製造設備における製造工程のいくつかのパラメータの変更に過ぎず、新たな材料、あるいは製造工程全体は、変更に際して明白である。そのため、チップに集積されたSi CMOSシステムのためのそのようなプラットフォームは経済的に好ましい。
【0047】
本発明をいくつかの好ましい実施態様を参照しながら示し、説明してきたが、それらの形態及び詳細に対する様々な変更、省略及び追加を、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】Si基板上にエピタキシャル成長させた緩和SiGe層を含む構造の概略的なブロック図である。
【図2】クロスハッチパターンが注入不適応転位による応力場に由来することを示す例示的な構造の概略ブロック図である。
【図3】Si基板上の傾斜SiGe層を介する転位の注入によって作られた緩和SiGeバッファに関する表面粗さのデータを示す表である。
【図4】本発明による、例示的なプロセスフローと結果得られるプラットフォーム構造を示す図である。
【図5】本発明による、表面チャネルFETプラットフォームのための対応プロセスフロー及び層構造を示す概略図である。
【図6】本発明による、埋め込みチャネルFETプラットフォームのための対応プロセスフロー及び層構造を示す概略図である。
【図7A】本発明による表面チャネルMOSFETのためのプロセスフローを示す概略図である。
【図7B】本発明による表面チャネルMOSFETのためのプロセスフローを示す概略図である。
【図7C】本発明による表面チャネルMOSFETのためのプロセスフローを示す概略図である。
【図7D】本発明による表面チャネルMOSFETのためのプロセスフローを示す概略図である。
【図8A】保護層を有する表面チャネルデバイスを示す概略的なブロック図である。
【図8B】保護層を有する表面チャネルデバイスを示す概略的なブロック図である。
【図9A】ケイ化物形成に使用するための、Geリッチ層上のSi層を有する表面チャネルデバイスを示す概略的なブロック図である。
【図9B】ケイ化物形成に使用するための、Geリッチ層上のSi層を有する表面チャネルデバイスを示す概略的なブロック図である。
【図10】本発明による、デバイス分離後の埋め込みチャネルMOSFETを示す概略図である。
【図11】本発明による、緩和SiGe上に付着されたヘテロ構造FETデバイスに対する概略的な工程のフロー図である。
【図12A】本発明による、最上部の歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図12B】本発明による、最上部の歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図12C】本発明による、最上部の歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図12D】本発明による、最上部の歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図13A】本発明による、埋め込み歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図13B】本発明による、埋め込み歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図13C】本発明による、埋め込み歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図13D】本発明による、埋め込み歪みSi層に表面チャネルMOSFETを形成する場合の概略的なプロセスフロー図である。
【図14A】Sil-yGeyを用いて緩和Sil-zGez層上に構築された表面チャネルデバイスを示す概略図である。
【図14A】Sil-yGeyを用いて緩和Sil-zGez層上に構築された埋め込みチャネルデバイスを示す概略図である。
[Priority information]
[0001]
The present invention claims priority from U.S. Patent Nos. 09 / 906,551 and 09 / 906,545, both filed on July 16, 2001, which are incorporated by reference in their entirety. No. 60 / 273,112, filed on Jan. 2, which claims priority.
【Technical field】
[0002]
The present invention relates to the field of relaxed SiGe platforms for high-speed CMOS electronics and high-speed analog circuits.
[Background Art]
[0003]
Si CMOS as a platform for digital integrated circuits has evolved as predicted by the industry roadmap. That advance has been driven by device scaling, resulting in higher performance, higher reliability, and even lower cost. However, as the interconnect hierarchy has increased, new obstacles in data flow have become apparent. Digital integrated circuits have advanced at an unprecedented rate, while analog circuits have made little progress. In addition, in the near future, serious economic and technical problems will stand in the way of digital integrated circuits.
[0004]
The digital and telecommunications chip market requires the full development of Si CMOS enhancements and roadmaps. One highly promising material candidate that enhances digital integrated circuit technology and creates new analog integrated circuit possibilities is relaxed SiGe material on Si substrates. A relaxed SiGe alloy on Si can have a thin layer of Si deposited thereon. Tensile Si layers have many advantageous properties for the basic devices of integrated circuits, metal oxide field effect transistors (MOSFETs). First, when Si is placed in a tensile state, the electron mobility that moves parallel to the surface of the wafer increases, thereby increasing the operating frequency of the circuit associated with the MOSFET. Second, the band offset between relaxed SiGe and strained Si traps electrons in the Si layer. Thus, in an electronic channel device (n-channel), the channel can be removed from the surface or “buried”. This ability to spatially separate charge carriers from scattering centers, such as ionized impurities and "rough" oxide interfaces, allows for the production of low noise, high performance analog devices and circuits.
[0005]
A central development in this area was the invention of a relaxed SiGe buffer with a low threshold dislocation density. Background inventions centered on such fields are disclosed in US Pat. No. 5,442,205 to Brasen et al. And US Pat. No. 6,107,653 to Fitzgerald. These patents describe currently the best method for producing high quality relaxed SiGe.
[0006]
New device structures in the laboratory have been built on the earliest basic types of relaxation buffers. For example, the unique g m A strained Si, surface channel n MOSFET (Rim et al., IEDM 98 Tech. Dig. P. 707) has been fabricated that exhibits more than 60% enhancement and more than 75% increased electron mobility. Strained Si, buried channel devices with high transconductance and high mobility have also been manufactured (U. Konig, MRS Symposium Proceedings 533, 3 (1998)). Unfortunately, these devices have various commercialization problems. First, if the material is relaxed by the introduction of dislocations, the SiGe surface on Si becomes very rough, and the quality of commonly available materials is insufficient for practical applications. Such dislocations are essential when growing a relaxed SiGe layer on Si to compensate for the stress caused by lattice mismatch between the materials. For more than a decade, researchers have attempted to intrinsically control the surface morphology by epitaxial growth, but the intrinsic epitaxial solution has been inadequate because the stress field due to unsuitable dislocations affects the growing surface. It was possible. The present invention discloses a planarization and regrowth method that allows all devices built on relaxed SiGe to have a significantly planar surface. Reducing surface roughness increases the yield of fine-line lithography, thereby enabling the production of strained Si devices.
[0007]
A second problem with previously fabricated strained Si devices is that researchers have dedicated themselves to optimizing the device for a wide variety of applications. Surface channel devices have been explored to enhance conventional MOSFET devices, and buried channel devices can only mimic previously available buried channel devices in III-V materials such as AlGaAs / GaAs. Has been built. Disclosed here by recognizing that the substructure that fabricates Si requires a material platform that is compatible with Si, scalable, and can be used in high volume Si integrated circuit applications. The present invention provides a platform that enables both the enhancement of Si CMOS-based circuits and the manufacture of analog circuits. Therefore, high performance analog or digital systems can be designed using this flat form. As a further advantage, either type of circuit can be manufactured in a CMOS process, so that it is possible to design a combined integrated digital / analog system as a single chip solution.
[0008]
Such advanced SiGe material platforms have enabled the provision of various devices and circuit topologies that utilize this new material system. According to an exemplary embodiment of the present invention, an improved strained layer Si device structure and method of assembly and a circuit based on device diversity, all structures and methods of assembly from the same starting material platform are disclosed. . Starting from the same material platform is key to minimizing cost and building as many circuit topologies as possible on this platform.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0009]
Thus, the present invention provides a flat relaxed SiGe platform material with regrown device layers. The method of planarization and regrowth allows the device layer to have a minimum surface roughness as compared to the method of growing the device layer without planarization. This flattened and regrown platform is a receiver for strained Si devices that may have optimal properties for both digital and analog circuits. A structure and process is described that allows for the assembly of high performance digital logic and analog circuits, which structure is utilized to accept a combination of digital and analog circuits forming a single system-on-chip. be able to.
[Means for Solving the Problems]
[0010]
According to one embodiment of the present invention, a relaxed Si planarized on a substrate 1-x Ge x Semiconductor structure comprising a layer and a planarized relaxed Si having at least one strained layer 1-x Ge x A device heterostructure is provided that is deposited on the layer.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0011]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a structure 100 having a relaxed SiGe layer epitaxially grown on a Si substrate. In this structure, a composition gradient buffer layer 104 is used to adjust the lattice mismatch between the uniform SiGe layer 106 and the Si substrate. Extending the lattice mismatch over a distance minimizes the number of dislocations reaching the surface by the tilt buffer, thereby providing a way to grow high quality relaxed SiGe films on Si.
[0012]
Any method of growing a high quality relaxed SiGe layer on Si results in a known cross-hatch pattern roughness on the surface of the SiGe layer. This crosshatch pattern has a thickness of several hundred angstroms, typically over a distance of a few micrometers. Therefore, the crosshatch pattern has a surface morphology that is gentle and undulating with respect to the size of electrons or holes. For that reason, it is possible to build individual devices that achieve enhancement over the control Si device complement. However, commercializing these devices requires injecting materials into the Si CMOS process environment to obtain low cost, high performance objects. This process environment requires that the properties of the materials and devices have minimal impact on the manufacturing process. Cross-hatch patterns on the wafer surface are one of the limiting properties of relaxed SiGe on Si that affect yield and manufacturing simplicity. Therefore, for higher yield and simplicity in lithography, flattening is desired.
[0013]
The cross hatch pattern is derived from the stress field due to injected maladaptive dislocations. The effect is illustrated by the exemplary structure 200 shown in FIG. Obviously, dislocations must be introduced to adjust the lattice mismatch between the SiGe alloy and the Si substrate. The stress field starts at the dislocation and ends at the film surface. However, termination at the surface results in a crystal lattice migrating around on the surface of the wafer. It is possible to correlate the growth rate to certain dimensions of the grating, different thicknesses of the deposits occurring at different locations on the wafer. One would think that growing thick layers beyond the maladaptive dislocations would eliminate the unevenness in the thickness of these different layers. Unfortunately, because surface undulations have a relatively long period, surface diffusion is typically not large enough to remove its morphology.
[0014]
FIG. 3 is a table showing surface roughness data for a relaxed SiGe buffer generated by injecting dislocations through a graded SiGe layer on a Si substrate. Relaxed Si 0.8 Ge 0.2 Note that the as-grown crosshatch pattern for the buffer produces a typical roughness of approximately 7.9 nm. This average roughness increases as the Ge content in the relaxation buffer increases. Thus, for SiGe layers that have been relaxed by the introduction of dislocations during growth, the surface roughness is unacceptable for high-tech assembly manufacturing equipment. After the relaxed SiGe planarization step, the average roughness is less than 2 nm (typically 0.57 nm), and after deposition of the device layer, the average roughness is 0.77 with a regrowth thickness of 1.5 μm. nm. Thus, it is possible to reduce the roughness by an order of magnitude or more after the structure has been completely assembled.
[0015]
The regrown device layer may exceed or be less than the critical thickness of the regrown layer. In general, in lattice-mismatched epitaxial growth, a thin layer can be deposited without worrying about the introduction of dislocations at the interface. At a sufficiently large thickness, any lattice mismatch between the film and the substrate will also introduce maladaptive dislocations in the regrown heterostructure. Such new dislocations may cause additional surface roughness. Thus, if the lattice mismatch between the regrown device layer and the relaxed SiGe buffer is too large, the effect of planarizing the relaxed SiGe will be lost because the introduction of large dislocations will roughen the surface.
[0016]
There are two distinct possibilities for regrown thickness and surface quality. If the regrown layer is very thin and the lattice exactly matches the composition of the regrown layer, no relaxation buffer element is needed. In this case, the surface roughness will be very small, approximately equal to the flatness after planarization. However, in many applications of the device, the thickness of the regrown layer is 1-2 μm or more. If the Ge concentration between the relaxed SiGe and the regrown layer differs by 1%, the critical thickness is about 0.5 μm. Therefore, if optimal flatness is desired, it is best to keep the regrown layer below about 0.5 μm unless the uniformity of Ge concentration across the wafer can be adequately controlled. While this compositional match can be achieved with high-tech tools, FIG. 3 shows an inaccurate match, ie, the introduction of maladaptive dislocations and new cross-links due to Ge concentrations within 2%. It shows that the introduction of a hatch pattern results. However, due to the small lattice mismatch, the average roughness is still very low at about 0.77 nm. Thus, lattice mismatch or some mismatch will result in a good device layer surface for processing.
[0017]
It should also be noted that a relaxed SiGe alloy having a surface roughness need not be a uniform composition relaxed SiGe layer in the composition gradient layer. Although this material layer structure was shown as an early example of high quality relaxed SiGe, this structure has several disadvantages. For example, SiGe alloys have a very low coefficient of thermal conductivity as compared to pure Si. Therefore, for electronic devices located on the surface, it may be relatively difficult to release heat from the device area due to the thick composition gradient layer and the uniform composition layer.
[0018]
According to another exemplary embodiment of the present invention shown in FIGS. 4A-4D, this problem can be solved and a platform for high power SiGe devices is manufactured. 4A-4D illustrate an exemplary process flow and resulting platform structure in accordance with the present invention. The structure is manufactured by first forming a uniform relaxed SiGe alloy 400 through a compositionally graded layer 402 on a Si substrate 404. The SiGe layer 400 is then transferred to the second Si substrate 406 using a conventional bonding method. For example, the uniform SiGe alloy 400 on the graded layer 402 allows for flattening to remove cross-hatch patterns and allows the relaxed SiGe alloy to be bonded to the Si wafer. The graded layer 402 and the original substrate 404 can be removed by various conventional processes. For example, as one method, there is a method of selectively etching SiGe by pulverizing and removing the original Si substrate, performing a controlled dry etching or wet etching, or embedding an etching stopper layer. . The end result is a relaxed SiGe alloy 400 on Si without a thick graded layer. This structure is more suitable for high power applications because it can conduct heat more efficiently from the SiGe layer.
[0019]
This bonding and substrate removal technique can also be used to fabricate SiGe on insulating substrates or SGOIs. The SGOI wafer is manufactured using a similar technique as shown in FIGS.4A-4D, but the second substrate is SiO2 prior to bonding. Two Coated with a layer. In an alternative embodiment, each wafer is made of SiO 2 to allow for oxide-oxide bonding. Two Can be coated. The resulting structure after removing the substrate is a high quality, relaxed SiGe layer on the insulating film. Devices built on this platform can be used to enhance the performance of both strained Si and SOI architectures.
[0020]
It should be understood that if the SiGe layer is transferred to another receiving substrate, it may still be necessary to planarize before regrowth of the device layer structure. The SiGe surface may be too rough for high-level methods with substrate removal techniques. In this case, the relaxed SiGe is planarized and the device layer is regrown on the top layer of the high quality relaxed SiGe surface.
[0021]
Planarizing the surface by mechanical or other physical methods is necessary to planarize the surface and obtain a CMOS quality device. However, field effect transistors (FETs) that can enhance digital and analog circuits are very thin and may be removed during the planarization process. Therefore, the first part of the present invention recognizes that the growth and planarization of relaxed SiGe following device layer regrowth is key to producing enhanced CMOS platforms with high performance and high yield. It is in. 5 and 6 illustrate the processing sequence and regrowth layers required to fabricate each of the surface channel FET and buried channel FET embodiments.
[0022]
5A to 5D are diagrams schematically illustrating the process flow and the resulting layer structure according to the present invention. FIG. 5A shows a typical surface roughness 500 of a relaxed SiGe alloy 502 on a substrate 504 as an exaggerated undulating surface. Note that the substrate is labeled in a comprehensive manner because the substrate itself is Si, a compositionally graded relaxed SiGe layer on Si, or other material to which relaxed SiGe has been transferred by wafer bonding and removal techniques. . The relaxed SiGe alloy 502 is planarized to remove substantial roughness (FIG. 5B), and then a device regrowth layer 506 is deposited epitaxially (FIG. 5C). It is desirable that the composition of the regrown layer 506 be lattice-matched as close as possible to the relaxed SiGe 502, but the surface remains substantially flat, so that slight misalignments and dislocations at the interface are eliminated. Introduction is acceptable. For surface channel devices, a strained Si layer 508 having a thickness of less than 0.1 μm is then grown on top of a relaxed SiGe 502 with an optional sacrificial layer 510, as shown in FIG. 5D. The strained layer 508 is a layer used as a channel in the final CMOS device.
[0023]
6A to 6D schematically show the corresponding process flow and layer structure for a buried channel FET platform according to the present invention. In this structure, the regrown layer 606 includes a lattice-matched SiGe layer 602, a strained Si channel layer 608 having a thickness of less than 0.05 μm, a SiGe isolation or spacer layer 612, a Si gate oxide layer 614, and initial processing steps of the device. Includes an optional sacrificial layer 610 used to protect the heterostructure between.
[0024]
Once the device structure is deposited, the rest of the process flow for assembling the device is very similar to that of bulk Si. FIGS. 7A to 7D show a simplified process flow of the surface channel MOSFET according to the present invention. This surface channel MOSFET includes a relaxed SiGe layer 700 and a strained Si layer 702. The device isolation oxide 704 shown in FIG. 7A is typically formed first. In this step, the SiN layer 706 on top of the thin pad oxide layer 708 acts as a hard mask for either local oxidation of silicon (LOCOS) or shallow trench isolation (STI). Both techniques use thick oxides (compared to device dimensions) to obtain high threshold voltages between devices. However, STI is more suitable for techniques below 0.25 μm. FIG. 7B shows a schematic of the device region after the gate oxide 716 has been grown and a shallow source-drain has been implanted. Implant region 710 is self-aligned using poly-Si gate 712 patterned with photoresist 714 as a masking layer. Subsequently, a deep source-drain implant 718 is placed utilizing conventional spacer 720 formation techniques, and the device forms silicide 722 at the gate and silicide / germanide 724 at the source and drain. Electrical contact (FIG. 7C). FIG. 7D shows a schematic of the device after the first level metal interconnect 726 has been deposited and etched.
[0025]
Due to the limited thickness of the layer on top of the entire structure, removal of surface material during the process is more difficult than with standard Si. For surface channel devices, the regrown structure is composed primarily of nearly lattice-matched SiGe and includes a standard Si thin surface layer. Most of the first steps in the Si manufacturing process procedure remove Si from the surface. Without careful control of the process, the entire strained Si layer may be removed prior to gate oxidation. Since the resulting device is a relaxed SiGe channel FET, it is advantageous that a strained Si channel is not realized.
[0026]
The logical solution to address the removal of Si during the initial steps is to make the strained Si layer thick enough to offset this removal. However, thick Si layers are not possible for two reasons. First, it is based on the fact that the enhanced electrical properties distort Si and that thick layers release pressure through the introduction of maladaptive dislocations. Second, the maladaptive dislocations themselves are undesirable in large quantities because they scatter carriers and increase the leakage current at the junction.
[0027]
Cleaning steps before oxidizing the gate must be minimized and / or a protective layer applied to prevent removal of the strained Si layer at the surface. A protective layer is useful because its removal can be done carefully. Some examples of protective layers for surface channel devices are shown in FIGS. 8A and 8B. FIG. 8A shows a strained Si heterostructure consisting of a relaxed SiGe layer 800 and a strained Si channel layer 802 protected by a surface layer 804 of SiGe. Since the surface SiGe layer 804 has the same Ge concentration as the lower relaxed SiGe layer 800, the thickness is not limited by the critical thickness limitation. During the initial cleaning, the SiGe sacrificial layer is removed instead of the strained Si channel layer. The thickness of the sacrificial layer can be adjusted to be equal to or greater than the thickness to be removed. In the latter case, the excess SiGe can be selectively removed prior to the step of oxidizing the gate so as to expose a strained Si layer free of impurities at the thickness as grown. If a Si-terminated surface is preferred for a particular manufacturing facility, a sacrificial Si layer can be deposited over the SiGe sacrificial cap layer.
[0028]
FIG. Two Shown is a structure in which a layer 806 and a surface layer 808 of either polycrystalline or amorphous material are used as a protective layer. In this method, an oxide layer is grown or deposited after epitaxial growth of a strained Si layer. Next, a polycrystalline or amorphous layer of Si, SiGe or Ge is deposited. Such a semiconductor layer protects the strained Si layer during the process before oxidizing the gate, similar to a SiGe cap. Prior to oxidizing the gate, the polycrystalline / amorphous and oxide layers are selectively removed. Although a sacrificial layer is shown to protect surface channel devices, this technique is also applicable to buried channel heterostructures.
[0029]
Another way to modify the conventional Si process is to form silicide-germanide between the source and drain (FIG. 7C). In a conventional Si processing step, a metal (typically Ti, Co or Ni) is reacted with Si to form a low resistivity silicide by standard annealing procedures. However, in this case, the metal reacts simultaneously with both Si and Ge. Since silicides have very low free energy compared to germanides, Ge tends to be driven out while silicides are formed. The displaced germanium forms lumps and increases contact resistance. This increase in series resistance offsets the benefit of excess drive current from the heterostructure and negates the benefits of the structure.
[0030]
Ti and Ni can form a phase that does not violently reject Ge, so that good contact can be formed. In the case of Co, there is a further problem. However, as described above for the issue of Si removal, a protective layer can be applied at the epitaxial stage of the device instead of optimizing the SiGe-metal reaction. For example, strained Si that becomes a surface channel can be coated with a Ge-rich SiGe alloy (Ge content higher than the initial relaxed SiGe) followed by strained Si. Two approaches utilizing these surface contact layers are possible. Both methods introduce the thicker Si at the surface, so that conventional siliconization techniques can be performed without the problems of the SiGe-metal reaction.
[0031]
The first approach, shown in the surface channel heterostructure 900 of FIG. 9A, uses a Ge-rich layer 906 that is thin enough to provide sufficient strain. The layer 906 is provided on the strained Si channel layer 904 and the relaxed SiGe layer 902. In this case, the next Si layer 908 exceeds the critical thickness, and the compressed Ge-rich layer 906 functions as a barrier to dislocations entering the strained Si channel 904. This barrier is beneficial because dislocations do not have an adverse effect on the siliconization process. Therefore, the presence of dislocations in the next Si layer 908 is not important. However, dislocations penetrating the channel have a detrimental effect on the device.
[0032]
The second approach, shown in FIG. 9B, allows for a Ge-rich layer 910 that exceeds the critical thickness more than intended, thereby allowing sufficient relaxation in the Ge-rich layer. In this case, an Si layer 912 having an arbitrary thickness can be applied on the relaxed Ge-rich layer. Although this layer will contain more defects than the strained channels, these defects have no effect on device operation since this Si is only involved in the silicidation reaction. In each case, the process does not pose any problems with the metal-SiGe reaction, since the metal only reacts with Si.
[0033]
Once the silicide contact is formed, for example, it typically provides a supply of heat due to the fact that silicide-germanide (if used optionally) cannot withstand higher temperatures than conventional silicides. Except for close monitoring, the rest of the procedure is a standard Si CMOS process flow. A major advantage of using Si / SiGe FET heterostructures to achieve enhanced performance is compatibility with conventional Si technology. Many of the steps are the same as in the Si CMOS manufacturing process, and when the first half of the process, that is, the manufacturing process of the Si / SiGe heterostructure, is completed, the entire second half of the process is not affected by the Si / SiGe being placed below.
[0034]
Although the starting heterostructure for the buried channel device is different from the structure of the surface channel device, the process flow is very similar to the surface channel process flow shown in FIGS. 7A to 7D. . FIG. 10 is a schematic block diagram of a buried channel MOSFET structure 1000 after forming a device insulating oxide 1016 using a SiN mask 1014. In this case, the strain channel 1002 on the first SiGe layer 1010 is separated from the surface by growing another SiGe layer 1004, followed by growing another Si layer 1006. This Si layer requires a gate oxide 1008 because the formation of the gate oxide on the SiGe creates a very high interface state, which results in a non-ideal MOSFET. One consequence of this Si layer is that if it is too thick, a significant portion of the Si layer will remain after oxidation of the gate. Carriers concentrate in this residual Si layer, forming surface channels parallel to the desired buried channel, which can result in detrimental device properties. Therefore, the surface layer Si must be kept as thin as possible, typically in the range of 5-15 °, below 50 °.
[0035]
Another additional feature required for buried channel devices is the implantation of the supply layer. When the device is switched on, the vertical affected electric field is strong enough to remove carriers from the buried channel 1002 and the Si / SiO Two The carriers are concentrated on the Si channel 1006 near the interface 1012. This negates any advantage of the buried channel. Therefore, a dopant supply layer must be introduced either into the layer 1004 between the buried channel and the top Si layer 1006, or below the buried channel below the SiGe 1010. In this way, the device is forcibly switched on with a small voltage or without voltage applied and is switched off by the application of a voltage (depletion mode device).
[0036]
FIG. 11 is a schematic flow diagram of the process for any heterostructure FET device deposited on relaxed SiGe according to the present invention. The steps of the main process are indicated in a box and optional steps or annotations are indicated by circles. The first three steps (1100, 1102, 1104) describe the fabrication and assembly of the strained silicon heterostructure. The procedure includes producing relaxed SiGe on Si, planarizing the SiGe, and regrowing the device layers. Once the strained heterostructure is formed (1106), device isolation using either STI (1110) or LOCOS (1108) is performed (1112), and fabrication and assembly of the MOS is started. Before proceeding with oxidation of the gate, the buried channel device must be subjected to a supply threshold implant (1114) to selectively remove the protective layer applied to either the buried or surface channel heterostructure (1116). ). The procedure of the manufacturing process of the gate oxidation (1118) is similar to the conventional Si CMOS manufacturing process. These steps include gate deposition, doping and definition, self-aligned shallow source-drain implant (1122), spacer formation (1124), self-aligned deep source-drain implant (1126), silicide formation (1128) , And pad separation (1130) via metal deposition and etching. Those steps that require significant changes are discussed.
[0037]
One of the unique advantages of the process of FIG. 11 is that surface channel devices and buried channel devices can be used on the same platform. Considering FIGS. 12A-12D and FIGS. 13A-13D, these illustrate a general arrangement of substrate layers and a fabrication process where surface channel MOSFETs and buried channel MOSFETs coexist on the same chip. This universal substrate is one in which both surface channel devices and buried channel devices can be assembled and manufactured. There are two possibilities when fabricating surface channel devices with this procedure, which are shown in FIGS. 12 and 13. The process flow for coupling the surface channel and the buried channel is similar to the aforementioned process described with reference to FIG. Thus, FIGS. 12 and 13 show only the critical steps involved in exposing the appropriate gate region.
[0038]
12A and 13A show the same basic heterostructure 1200, 1300 for integrating surface and buried channel devices. There are surface strained Si layers 1202, 1302, SiGe spacer layers 1204, 1304, embedded strained Si layers 1206, 1306, and SiGe relaxation platforms 1208, 1308. Since the buried channel MOSFET requires a surface Si layer to form the gate oxide and a buried Si layer to form the device channel, two strained Si layers are required. The figure also shows a device isolation region 1210 that separates the buried channel device regions 1212, 1312 from the surface channel device regions 1214, 1314.
[0039]
Unlike buried channel devices, surface channel MOSFETs require only one strained Si layer. As a result, the surface channel MOSFET may be formed either in the uppermost strained Si layer, as shown in FIGS.12B-12D, or in the buried Si layer channel, as shown in FIGS.13B-13D. Can be. FIG. 12B is a diagram schematically showing the surface channel gate oxide layer 1216 in the uppermost Si layer. In this case, after oxidation, the remaining strained Si layer must be present to form a channel, so that the uppermost Si layer is desirably thicker. FIG. 12B also shows a possible arrangement for a buried channel supply implant 1218, which is typically implanted before growing the buried channel gate oxide. Since the top Si layer is optimized for the surface channel device, it is necessary to remove some of the top strained Si in the region 1220 where the buried channel device is formed, as shown in Figure 12C . To minimize the thickness of the surface Si after the formation of the gate oxide 1222 (FIG. 12D), it must be removable and avoid the formation of parallel device channels.
[0040]
When the surface channel MOSFET is formed in the buried strained Si layer, the uppermost strained Si layer can be thinned, that is, it can be optimally designed as a buried channel MOSFET. In FIG. 13B, the topmost strained Si and SiGe layers are removed in the region 1312 where the surface channel MOSFET is formed. Since Si and SiGe have different properties, range selective removal techniques such as wet chemical etching or dry chemical etching can be used. Selective oxidation can also be used because SiGe oxidizes faster than Si, especially under wet oxidation conditions. FIG. 13C shows a gate oxide 1314 for a surface channel device, as well as a feed layer implant 1316 for a buried channel device. Finally, FIG. 13D shows the location of the buried channel gate oxide 1318. Since the epitaxial thickness is optimized for the buried channel device, it is not necessary to reduce the thickness of the top Si layer prior to oxidation. Subsequent to these initial steps, as described above, the manufacturing steps for each device are advanced.
[0041]
Another important step in this process is the use of local implantation to create the required supply layer for buried channel devices. In a MOSFET structure, the activation of the channel produces a large vertical electric field that brings carriers to the surface. The band offset between Si and SiGe that keeps electrons in the buried strained Si layer is not large enough to prevent carriers from being pulled out of the buried channel. Thus, first, the buried channel MOSFET will appear to be disabled. However, if there is sufficient charge on the top SiGe layer, the MOSFET will be a depletion mode device, ie, a device that is normally on and requires a bias to turn off the channel. In a surface / buried channel device platform, the supply layer implant can be manufactured in the region where the buried channel is formed, thus facilitating the integration process. If for some reason feed layer implantation is not possible, dopants can be introduced into the top SiGe layer during epitaxial growth, thus creating a surface channel above the buried Si layer as shown in FIG. Note that the process is an acceptable process. The supply layer is then removed from the surface channel MOSFET region once the uppermost SiGe and strained Si layers have been removed by selective etching.
[0042]
In the steps described with reference to FIGS. 10, 12, and 13, it is considered desirable to manufacture a buried channel MOSFET. If the oxide of the buried channel device is removed, a buried channel device with a metal gate (called MODFET or HEMT) can be formed. The advantage of this device is that the transconductance can be higher because the lack of oxide reduces the capacitance. However, there are two disadvantages when using this device. First, all thermal processes after gate definition must be very cold, otherwise the metal will react with the semiconductor and have very low or no barrier alloys A gate is formed. In this connection, there is a second disadvantage. Due to the low heat supply, formation and contact of the source and drain are typically performed prior to gate definition. This reversal of the steps increases the series resistance between the gate and the source and between the gate and the drain because self-alignment of the gate with the source and the drain is hindered. Thus, by utilizing a carefully designed buried channel MOSFET, the self-aligned characteristics can be a significant advantage in device performance. Another benefit of the MOSFET structure is that the gate leakage is very low.
[0043]
Combinations of buried n-channel structures with n-type and p-type surface channel MOSFETs have been of great importance. It has also been emphasized that in buried n-channel and surface channel devices, it is important that the channel need not be pure Si. Si ly Ge y Channels can be used to increase stability during the manufacturing process. Figures 14A and 14B show relaxed Si 1-z Ge z Si on layer 1404 1-y Ge y FIG. 2 schematically illustrates a surface 1400 and embedded 1450 channel device utilizing a channel 1402. A post-siliconization device is shown, including a poly-Si gate 1410, a gate oxide 1408, a silicide region 1412, a spacer 1414, and a doped region 1416. In the surface channel device 1400, a thin layer of Si 1406 is deposited to form the gate oxide 1408, as described above for the buried channel. 1-y Ge y Must be deposited on layer 1402. Embedded Si 1-y Ge y In the channel device 1450, the order of the device layers does not change and includes a buried strain channel 1402, a SiGe spacer layer 1418, and a surface Si layer 1420 for oxidation.
[0044]
To maintain tensile strain in the channel of an nMOS device, the lattice constant of the channel layer must be smaller than that of the relaxed SiGe layer, ie, y must be less than z. Since n-channel devices are sensitive to alloy scattering, the highest mobility results when the Ge concentration in the channel is low. In order to distort this channel layer at a reasonable critical thickness, the underlying SiGe should have a Ge concentration in the range of 10-50%.
[0045]
Experimental data has shown that the p-channel has little sensitivity to alloy scattering. Thus, surface MOSFETs with alloy channels are also possible. In addition, the buried channel device is simply a p-channel device by increasing the Ge concentration y in the channel to be greater than the Ge concentration z in the relaxed SiGe alloy and changing the supply dopant from n-type to p-type. be able to. This arrangement can be used to form a Ge channel device when y = 1 and 0.5 <z <0.9.
[0046]
The ability to mix enhancement mode surface channel devices (implanted n-channel and p-channel, as in typical Si COMS technology) with depletion mode buried channel MOSFETs and MODFETs allows for highly integrated digital / Analog systems can be formed. Enhancement mode devices can be fabricated in high performance CMOS, and areas of analog circuitry requiring high performance, low noise depletion mode devices can be fabricated in the buried channel region. Therefore, it is possible to construct optimal communication stages, digital processing stages, and the like on a single platform. These different areas are electrically connected to the back end of the Si CMOS chip, just as the transistors are connected by today's back-end technology. Thus, a mere change to the COMS manufacturing process is only a change in some parameters of the manufacturing process in the manufacturing facility, and new materials, or the entire manufacturing process, are evident in the change. As such, such a platform for Si CMOS systems integrated on a chip is economically favorable.
[0047]
Although the present invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments, various changes, omissions, and additions to those forms and details can be made without departing from the spirit and scope of the invention. .
[Brief description of the drawings]
[0048]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a structure including a relaxed SiGe layer epitaxially grown on a Si substrate.
FIG. 2 is a schematic block diagram of an exemplary structure showing that the crosshatch pattern is derived from a stress field due to implantation mismatch dislocations.
FIG. 3 is a table showing surface roughness data for a relaxed SiGe buffer created by dislocation injection through a graded SiGe layer on a Si substrate.
FIG. 4 illustrates an exemplary process flow and the resulting platform structure according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a corresponding process flow and layer structure for a surface channel FET platform according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a corresponding process flow and layer structure for a buried channel FET platform according to the present invention.
FIG. 7A is a schematic diagram illustrating a process flow for a surface channel MOSFET according to the present invention.
FIG. 7B is a schematic diagram illustrating a process flow for a surface channel MOSFET according to the present invention.
FIG. 7C is a schematic diagram illustrating a process flow for a surface channel MOSFET according to the present invention.
FIG. 7D is a schematic diagram illustrating a process flow for a surface channel MOSFET according to the present invention.
FIG. 8A is a schematic block diagram illustrating a surface channel device having a protective layer.
FIG. 8B is a schematic block diagram illustrating a surface channel device having a protective layer.
FIG. 9A is a schematic block diagram illustrating a surface channel device having a Si layer on a Ge rich layer for use in silicide formation.
FIG. 9B is a schematic block diagram illustrating a surface channel device having a Si layer on a Ge-rich layer for use in silicide formation.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a buried channel MOSFET after device isolation according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic process flow diagram for a heterostructure FET device deposited on relaxed SiGe, according to the present invention.
FIG. 12A is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET on the uppermost strained Si layer according to the present invention.
FIG. 12B is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET on the uppermost strained Si layer according to the present invention.
FIG. 12C is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET on the uppermost strained Si layer according to the present invention.
FIG. 12D is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET on the uppermost strained Si layer according to the present invention.
FIG. 13A is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET in a buried strained Si layer according to the present invention.
FIG. 13B is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET in a buried strained Si layer according to the present invention.
FIG. 13C is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET in a buried strained Si layer according to the present invention.
FIG. 13D is a schematic process flow diagram for forming a surface channel MOSFET in a buried strained Si layer according to the present invention.
FIG. 14A: Si ly Ge y Relaxed using Si lz Ge z FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a surface channel device built on a layer.
FIG. 14A: Si ly Ge y Relaxed using Si lz Ge z FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a buried channel device built on a layer.

Claims (48)

基板上の平坦化緩和Si1-xGex層、及び、
前記平坦化緩和Si1-xGex層上に付着され、少なくとも1つの歪み層を含むデバイスヘテロ構造、
からなる半導体構造。
A planarization moderating Si 1-x Ge x layer on a substrate, and
A device heterostructure comprising at least one strained layer deposited on said planarization relaxed Si 1-x Ge x layer;
A semiconductor structure comprising:
前記歪み層がy<xであるSi1-yGeyを含む請求項1に記載の構造。The structure of claim 1, wherein the strained layer comprises Si 1-y Ge y where y <x. 前記歪み層がy>xであるSi1-yGeyを含む請求項1に記載の構造。Structure according to claim 1, wherein the strained layer comprises Si 1-y Ge y is a y> x. 前記デバイスヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y<xであるSi1-yGey層、及びSiの層を含む請求項1に記載の構造。The structure of claim 1 including the device heterostructure, Si 1-z Ge z layer equal to z approximately x, Si 1-y Ge y layer is y <x, and a layer of Si. 前記デバイスヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y>xであるSi1-yGey層、及びSiの層を含む請求項1に記載の構造。The structure of claim 1 including the device heterostructure, Si 1-z Ge z layer equal to z approximately x, Si 1-y Ge y layer is y> x, and a layer of Si. 前記デバイスヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層及びSiの層を含む請求項1に記載の構造。It said device heterostructure has the structure according to claim 1 comprising a layer of equal to z is approximately x Si 1-z Ge z layer and Si. 前記yがほぼ1である請求項5に記載の構造。6. The structure according to claim 5, wherein y is approximately 1. 前記xとzのどちらもが0.1より大きく、且つ0.5以下である請求項6に記載の構造。7. The structure of claim 6, wherein both x and z are greater than 0.1 and less than or equal to 0.5. 前記Siの層が0.1μmより薄い請求項8に記載の構造。9. The structure according to claim 8, wherein said Si layer is thinner than 0.1 μm. 前記xとzのどちらもが0.5より大きく、且つ0.9以下である請求項7に記載の構造。8. The structure according to claim 7, wherein both x and z are greater than 0.5 and less than or equal to 0.9. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項10に記載の構造。11. The structure according to claim 10, wherein said Si layer is thinner than 0.005 µm. 前記デバイスヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y<xである第二のSi1-yGey層、wがほぼxに等しい第三のSi1-wGew層及びSiの層を含む請求項1に記載の構造。Said device heterostructure, z is approximately Si 1-z Ge z layer is equal to x, y <second Si 1-y Ge y layer is x, w equals approximately x third Si 1-w Ge 2. The structure according to claim 1, comprising a w layer and a layer of Si. 前記yがほぼ0である請求項12に記載の構造。13. The structure of claim 12, wherein said y is approximately zero. 0.1<x<0.5で、且つ第二のSi1-yGey層の厚みが0.05μm未満である請求項13に記載の構造。14. The structure according to claim 13, wherein 0.1 <x <0.5 and the thickness of the second Si 1-y Ge y layer is less than 0.05 μm. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項14に記載の構造。15. The structure of claim 14, wherein the layer of Si is thinner than 0.005 μm. 前記デバイスヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y>xである第二のSi1-yGey層、wがほぼxに等しい第三のSi1-wGew層及びSiの層を含む請求項1に記載の構造。The device heterostructure has a Si 1-z Ge z layer where z is approximately equal to x, a second Si 1-y Ge y layer where y> x, a third Si 1-w Ge layer where w is approximately equal to x. 2. The structure according to claim 1, comprising a w layer and a layer of Si. 前記yがほぼ1である請求項16に記載の構造。17. The structure of claim 16, wherein said y is approximately one. 0.5<x<0.9で、且つ第二のSi1-yGey層の厚みが0.05μm未満である請求項17に記載の構造。18. The structure according to claim 17, wherein 0.5 <x <0.9 and the thickness of the second Si 1-y Ge y layer is less than 0.05 μm. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項18に記載の構造。19. The structure of claim 18, wherein said layer of Si is less than 0.005 [mu] m. 前記基板が、Si上の組成傾斜緩和SiGe層を含む請求項1に記載の構造。2. The structure according to claim 1, wherein the substrate includes a composition gradient relaxation SiGe layer on Si. 前記基板がSiからなる請求項1に記載の構造。2. The structure according to claim 1, wherein the substrate is made of Si. 前記緩和SiGe/Si構造がウェーハボンディングによって形成されている請求項21に記載の構造。22. The structure according to claim 21, wherein said relaxed SiGe / Si structure is formed by wafer bonding. 前記基板がSiO2の層を有するSiからなる請求項1に記載の構造。 2. The structure of claim 1, wherein said substrate comprises Si having a layer of SiO2. 前記緩和SiGe/SiO2/Si構造がウェーハボンディングによって形成されている請求項23に記載の構造。The structure of claim 23 wherein said relaxed SiGe / SiO 2 / Si structure is formed by wafer bonding. 基板上へ緩和Si1-xGex層を設けるステップ、
前記緩和Si1-xGex層を平坦化するステップ、及び、
少なくとも1つの歪み層を含む前記平坦化された緩和Si1-xGex層にヘテロ構造を付着するステップ、
を含む半導体構造の製造方法。
Providing a relaxed Si 1-x Ge x layer on the substrate,
Planarizing the relaxed Si 1-x Ge x layer; and
Depositing a heterostructure on said planarized relaxed Si 1-x Ge x layer comprising at least one strained layer;
A method for manufacturing a semiconductor structure including:
前記歪み層がy<xであるSi1-yGeyを含む請求項25に記載の方法。The method of claim 25 wherein the strained layer comprises Si 1-y Ge y is y <x. 前記歪み層がy>xであるSi1-yGeyを含む請求項25に記載の方法。The method of claim 25, wherein the strained layer comprises Si 1-y Ge y is a y> x. 前記ヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y<xであるSi1-yGey層及びSiの層を含む請求項25に記載の方法。The heterostructure, z Si 1-z Ge z layer is equal to approximately x, A method according to claim 25 comprising a layer of a y <x Si 1-y Ge y layer and Si. 前記ヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y>xであるSi1-yGey層及びSiの層を含む請求項25に記載の方法。The heterostructure, Si 1-z Ge z layer equal to z approximately x, A method according to claim 25 comprising a layer of a y> x Si 1-y Ge y layer and Si. 前記ヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層及びSiの層を含む請求項25に記載の方法。The heterostructure The method of claim 25 comprising a layer of equal to z is approximately x Si 1-z Ge z layer and Si. 前記yがほぼ1である請求項29に記載の方法。30. The method of claim 29, wherein y is approximately one. 前記xとzのどちらもが0.1より大きく、且つ0.5以下である請求項30に記載の方法。31. The method of claim 30, wherein both x and z are greater than 0.1 and less than or equal to 0.5. 前記Siの層が0.1μmより薄い請求項32に記載の方法。33. The method of claim 32, wherein the layer of Si is less than 0.1 [mu] m. 前記xとzのどちらもが0.5より大きく、且つ0.9以下である請求項31に記載の方法。32. The method of claim 31, wherein both x and z are greater than 0.5 and less than or equal to 0.9. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項34に記載の方法。35. The method of claim 34, wherein said layer of Si is less than 0.005 [mu] m. 前記ヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y<xである第二のSi1-yGey層、wがほぼxに等しい第三のSi1-wGew層及びSiの層を含む請求項25に記載の方法。The heterostructure comprises a Si 1-z Ge z layer in which z is approximately equal to x, a second Si 1-y Ge y layer in which y <x, a third Si 1-w Ge w layer in which w is approximately equal to x. 26. The method of claim 25, comprising a layer and a layer of Si. 前記yがほぼ0である請求項36に記載の方法。37. The method of claim 36, wherein y is approximately zero. 0.1<x<0.5で、且つ第二のSi1-yGey層の厚みが0.05μm未満である請求項37に記載の方法。0.1 <x in <0.5, and a second Si 1-y Ge method of claim 37 thickness y layer is less than 0.05 .mu.m. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項38に記載の方法。39. The method of claim 38, wherein said layer of Si is less than 0.005 [mu] m. 前記ヘテロ構造が、zがほぼxに等しいSi1-zGez層、y>xである第二のSi1-yGey層、wがほぼxに等しい第三のSi1-wGew層及びSiの層を含む請求項25に記載の方法。The heterostructure comprises a Si 1-z Ge z layer in which z is approximately equal to x, a second Si 1-y Ge y layer in which y> x, a third Si 1-w Ge w in which w is approximately equal to x. 26. The method of claim 25, comprising a layer and a layer of Si. 前記yがほぼ1である請求項40に記載の方法。41. The method of claim 40, wherein y is approximately 1. 0.5<x<0.9で、且つ第二のSi1-yGey層の厚みが0.05μm未満である請求項41に記載の方法。42. The method according to claim 41, wherein 0.5 <x <0.9 and the thickness of the second Si 1-y Ge y layer is less than 0.05 μm. 前記Siの層が0.005μmより薄い請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein said layer of Si is less than 0.005 [mu] m. 前記基板がSi上の組成傾斜緩和SiGe層を含む請求項25に記載の方法。26. The method of claim 25, wherein said substrate comprises a compositionally graded SiGe layer on Si. 前記基板がSiからなる請求項25に記載の方法。The method according to claim 25, wherein the substrate is made of Si. 前記緩和SiGe/Si構造がウェーハボンディングによって形成されている請求項45に記載の方法。46. The method of claim 45, wherein said relaxed SiGe / Si structure is formed by wafer bonding. 前記基板が、SiO2の層を有するSiからなる請求項25に記載の方法。Said substrate, The method of claim 25 consisting of Si with a layer of SiO 2. 前記緩和SiGe/SiO2/Si構造がウェーハボンディングによって形成されている請求項47に記載の方法。The method of claim 47, wherein the relaxed SiGe / SiO 2 / Si structure is formed by wafer bonding.
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