JP2005175082A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体層がヘテロ構造を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor layer has a heterostructure and a method for manufacturing the same.
半導体装置のさらなる動作の高速化を目的として、MOSFETのチャネル領域に歪みシリコン層を用いることにより、キャリアの移動度を高めることが知られている。すなわち、チャネル領域に、Si層とSiGe層(またはSiGeC層)とからなるヘテロ構造を採用することによって、Si層とSiGe層(またはSiGeC層)との格子定数の差に基づいてSi層に歪みを与えて、Si層のエネルギーバンド構造を変えることにより、電子移動度と正孔移動度を高めることができる。このような歪みSi層を用いた技術として、例えば特開2002−237590号がある。
例えばSi層とSiGe層(またはSiGeC層)とからなるヘテロ構造を有する半導体装置においては、Si層とSiGe層(またはSiGeC層)との格子定数の差から生じる結晶の歪みがヘテロ構造の界面領域で顕著である。このような半導体装置では、特に熱処理時において、ヘテロ構造の界面で急峻なストレスを生じ、そのため、歪みによる結晶欠陥や界面の荒れを生じやすい問題がある。このようなヘテロ構造における結晶欠陥や界面の荒れは、例えばリーク電流の発生原因となる。 For example, in a semiconductor device having a heterostructure composed of a Si layer and a SiGe layer (or SiGeC layer), the crystal distortion caused by the difference in lattice constant between the Si layer and the SiGe layer (or SiGeC layer) is the interface region of the heterostructure. It is remarkable. Such a semiconductor device has a problem that steep stress is generated at the interface of the heterostructure, particularly during heat treatment, and thus crystal defects and roughness of the interface are likely to occur due to strain. Crystal defects and interface roughness in such a heterostructure cause, for example, leakage current.
本発明の目的は、かかる問題を解消し、結晶欠陥や界面の荒れが改善された良好なヘテロ構造を有し、安定した特性を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a good heterostructure in which such problems are solved, crystal defects and interface roughness are improved, and stable characteristics, and a method for manufacturing the same.
本発明にかかる半導体装置は、半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、を含む半導体装置であって、
前記半導体層は、少なくともSiまたはGeを含む第1層と、前記第1層と異なる組成を有し、かつ少なくともSiまたはGeを含む第2層と、が積層されたヘテロ構造を有し、
前記第1層と前記第2層との界面領域に炭素が存在する。
A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a semiconductor layer, a gate insulating layer formed on the semiconductor layer, and a gate electrode formed on the gate insulating layer,
The semiconductor layer has a heterostructure in which a first layer containing at least Si or Ge and a second layer having a composition different from that of the first layer and containing at least Si or Ge are stacked,
Carbon exists in the interface region between the first layer and the second layer.
この半導体装置によれば、ヘテロ構造の界面領域に炭素が存在することにより、該界面領域におけるストレスが緩和され、界面領域の格子欠陥や荒れの発生を抑制できる。 According to this semiconductor device, since carbon exists in the interface region of the heterostructure, stress in the interface region is relieved, and generation of lattice defects and roughness in the interface region can be suppressed.
本発明の半導体装置において、前記第1層および前記第2層としては、以下の組合せをとることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the first layer and the second layer can have the following combinations.
前記第1層はSi,Ge,SiGe,SiGeC,SiCのいずれかの層であり、前記第2層は第1層と異なる組成あるいは組成比からなるSi,Ge,SiGe,SiGeC,SiCのいずれかの層である。 The first layer is any one of Si, Ge, SiGe, SiGeC, and SiC, and the second layer is any one of Si, Ge, SiGe, SiGeC, and SiC having a composition or composition ratio different from that of the first layer. Layer.
本発明の半導体装置において、前記炭素は、前記第1層と前記第2層との界面領域に濃度分布のピークを有することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the carbon may have a concentration distribution peak in an interface region between the first layer and the second layer.
本発明の半導体装置において、前記半導体層は、絶縁層上に形成されることができ、SOI基板を用いることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor layer can be formed on an insulating layer, and an SOI substrate can be used.
本発明の半導体装置において、前記界面領域は、チャネル領域およびソース/ドレイン領域の少なくとも一方またはその近傍に存在することができる。前記界面領域がこのような領域に存在することにより、空乏層領域の欠陥を少なくできる。また、本発明の半導体装置において、ソース/ドレイン領域はエレベーテッド構造を有し、前記界面領域は、ソース/ドレイン領域に存在することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the interface region may be present in at least one of a channel region and a source / drain region or in the vicinity thereof. The presence of the interface region in such a region can reduce defects in the depletion layer region. In the semiconductor device of the present invention, the source / drain region may have an elevated structure, and the interface region may exist in the source / drain region.
本発明にかかる製造方法は、
半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に形成されたゲート電極と、を含む半導体装置の製造方法であって、
前記半導体層の形成において、
少なくともSiまたはGeを含む第1層を形成する工程と、
前記第1層と異なる組成を有し、かつ少なくともSiまたはGeを含む第2層とを形成する工程と、
前記第1層を形成する工程と前記第2層とを形成する工程との間に、前記第1層または前記第2層の上に炭素を含む第3層を形成する工程と、
熱処理を行って、前記第1層と前記第2層との界面領域に他の領域より高濃度の炭素を存在させる工程と、
を含む。
The manufacturing method according to the present invention includes:
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a semiconductor layer; a gate insulating layer formed on the semiconductor layer; and a gate electrode formed on the gate insulating layer,
In the formation of the semiconductor layer,
Forming a first layer containing at least Si or Ge;
Forming a second layer having a composition different from that of the first layer and containing at least Si or Ge;
Forming a third layer containing carbon on the first layer or the second layer between the step of forming the first layer and the step of forming the second layer;
Performing a heat treatment to cause a higher concentration of carbon in the interface region between the first layer and the second layer than in other regions;
including.
この製造方法によれば、比較的簡易なプロセスによって、前記第1層と前記第2層との界面領域に他の領域より高濃度の炭素を存在させた、本発明の半導体装置を得ることができる。 According to this manufacturing method, it is possible to obtain the semiconductor device of the present invention in which a higher concentration of carbon is present in the interface region between the first layer and the second layer than in other regions by a relatively simple process. it can.
本発明の製造方法において、炭素を含む前記第3層は、例えば以下の方法によって形成することができる。 In the production method of the present invention, the third layer containing carbon can be formed by, for example, the following method.
前記第3層は、エピタキシャル成長によって形成できる。この場合、前記第3層は、SiC層であることができる。また、前記第3層は、前記第1層または第2層にイオン注入によって炭素を導入することによって形成できる。 The third layer can be formed by epitaxial growth. In this case, the third layer may be a SiC layer. The third layer can be formed by introducing carbon into the first layer or the second layer by ion implantation.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1.第1の実施の形態
1.1.半導体装置
図1は、本実施の形態にかかる半導体装置100を模式的に示す断面図である。
1. 1. First embodiment 1.1. Semiconductor Device FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a
半導体装置100は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いて構成され、さらに半導体層はヘテロ構造を有する。すなわち、半導体装置100は、半導体基板10と、半導体基板10上に形成された絶縁層12と、絶縁層12上に形成された第1Si層13とを有する。第1Si層13上には、SiGe層14と第2Si層16とが、この順で形成されている。この例のヘテロ構造では、第2Si層16とSiGe層14とによって界面領域IA3が構成され、SiGe層14と第1Si層13とによって第2界面領域IA2が構成されている。
The
第2Si層16には、チャネル領域20と、チャネル領域20の両側に位置するソース/ドレイン領域のための第1不純物層22および第2不純物層24とが形成されている。第1,第2不純物層22,24は、その下端が第1界面領域IA1にほぼ到達するように形成されている。すなわち、第1界面領域IA1は、チャネル領域20および不純物層22,24に接してあるいは近傍に位置している。
In the
図には示していないが、ソース/ドレイン領域のための不純物層22,24は、SiGe層14、あるいは、Si層13に到達しても良い。この場合でもチャネル領域20におけるヘテロ界面IA1は、ソース/ドレイン領域の空乏層領域と重なる。
Although not shown in the drawing, the
第1界面領域IA1および第2界面領域IA2には、炭素が存在している。そして、図2に模式的に示すように、炭素は、第1界面領域IA1および第2界面領域IA2において、その濃度分布のピークが存在する状態で分布する。図2において、横軸は第2Si層16の表面からの深さを示し、縦軸は炭素の濃度を示す。
Carbon is present in the first interface region IA1 and the second interface region IA2. As schematically shown in FIG. 2, carbon is distributed in the first interface region IA <b> 1 and the second interface region IA <b> 2 in a state where the concentration distribution peak exists. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the
チャネル領域20上には、ゲート絶縁層26が形成されている。ゲート絶縁層26上には、ゲート電極28が形成されている。そして、ゲート電極28の側面には、サイドウォール絶縁層29が形成されている。
A
本実施の形態にかかる半導体装置100によれば、ヘテロ構造のSiGe/Si界面領域に炭素が存在することにより、以下の特徴を有する。
The
炭素は、シリコンおよびゲルマニウムと同じ4b族元素であり、これらに似た化学的性質を有し、かつ、これらの元素のうちで最も原子半径が小さい。また、格子定数の大きさは、炭素<シリコン<ゲルマニウムの関係にある。界面領域IA1,IA2に炭素が存在することにより、例えば、SiGe/Si界面領域において炭素が点欠陥に入ることができ、結晶欠陥が解消される。その結果、SiGeとSiの界面において格子定数の差によるストレス集中を緩和できる。また、炭素はシリコンやゲルマニウムに比べて拡散速度が大きいので、熱処理時に、炭素が界面領域IA1,IA2に移動することにより、ゲルマニウムの移動が相対的に抑制され、ゲルマニウムの再分布が生じることがない。したがって、ゲルマニウムがヘテロ構造の界面領域IA1,IA2を移動することによる界面領域の荒れを生じることもない。さらに、低温熱処理ではゲルマニウムがSi層13,16に移動することによる各層の組成変化を招くこともない。 Carbon is the same group 4b element as silicon and germanium, has similar chemical properties, and has the smallest atomic radius among these elements. The lattice constant has a relationship of carbon <silicon <germanium. By the presence of carbon in the interface regions IA1 and IA2, for example, carbon can enter point defects in the SiGe / Si interface region, and crystal defects are eliminated. As a result, stress concentration due to the difference in lattice constant at the interface between SiGe and Si can be reduced. In addition, since carbon has a higher diffusion rate than silicon and germanium, the movement of carbon to the interface regions IA1 and IA2 during heat treatment can relatively suppress the movement of germanium and cause redistribution of germanium. Absent. Therefore, the germanium does not cause roughening of the interface region due to the movement of the heterostructure interface regions IA1 and IA2. Further, the low temperature heat treatment does not cause a change in composition of each layer due to germanium moving to the Si layers 13 and 16.
特に、チャネル領域20およびソース/ドレイン領域を構成する不純物層22,24に隣接した界面領域IA1での界面の荒れや格子欠陥の発生を抑制することにより、空乏層領域の欠陥を少なくでき、リーク電流の少ない良好な特性を得ることができる。
In particular, by suppressing the roughening of the interface and the generation of lattice defects in the interface region IA1 adjacent to the impurity layers 22 and 24 constituting the
また、上述した理由により界面領域IA1,IA2での格子欠陥や荒れを少なくするとともに、チャネル領域20を含む第2Si層16に適度な歪みを与えることができるので、電子移動度と正孔移動度を高めることができ、高速動作が可能となる。
Further, for the reasons described above, lattice defects and roughness in the interface regions IA1 and IA2 can be reduced, and appropriate strain can be applied to the
1.2.半導体装置の製造方法
第1の実施の形態にかかる半導体装置100の製造例について、図1および図3ないし図8を参照しながら説明する。
1.2. Manufacturing Method of Semiconductor Device An example of manufacturing the
(1)図3に示すように、公知のSOI基板を準備する。SOI基板は、半導体基板10上に絶縁層12および第1Si層13が積層されている。第1Si層13は、単結晶シリコンである。
(1) As shown in FIG. 3, a known SOI substrate is prepared. In the SOI substrate, an insulating
(2)図4に示すように、第1Si層13上に、エピタキシャル成長によって第1SiC層15を形成する。第1SiC層15の膜厚は、いわゆる原子層であって、数オングストローム程度でよい。第1SiC層15のエピタキシャル成長は、公知の化学的気相成長法を用いることができる。一例を挙げると、反応ガスとしてSiH4およびSiH3CH3を用い、キャリアガスとしてアルゴンまたは窒素を用い、基板温度を500℃以上にして、反応ガスを熱分解させて成膜できる。エピタキシャル成長の方法としては、これに限定されず、水素還元法、分子線エピタキシャル成長法などを用いることができる。また、炭素原子がSi層13表面に付着するだけでも良い。
(2) As shown in FIG. 4, a
(3)図5に示すように、第1SiC層15上に、エピタキシャル成長によってSiGe層14を形成する。SiGe層14の膜厚は、特に限定されないが、SiGe層14上に形成される第2Si層に適度な歪みを与えることができることなどを考慮すると、10〜100nmであることができる。SiGe層14のエピタキシャル成長は、公知の化学的気相成長法を用いることができる。一例を挙げると、反応ガスとしてSiH4およびGeH4を用い、キャリアガスとしてアルゴンまたは窒素を用い、基板温度を500℃以上にして、反応ガスを熱分解させて成膜できる。エピタキシャル成長の方法としては、これに限定されず、水素還元法、分子線エピタキシャル成長法などを用いることができる。500〜600℃の低温エピタキシャル成長でSiGe層14が形成される場合、該SiGe層は下地のSi層13と同じ格子定数を持ち、歪SiGe層となる。ここで、熱酸化あるいは高温アニール処理を行うと、歪SiGe層は、絶縁層12と第1Si層13の界面の滑りにより、応力が緩和される。このSiGe層の応力緩和時に、SiGe層14と第1Si層13の界面に炭素が存在するために、SiGe/Si界面へのストレス集中が回避でき、結晶欠陥のない緩和SiGe層14が形成できる。
(3) As shown in FIG. 5, the
(4)図6に示すように、SiGe層14上に、エピタキシャル成長によって第2SiC層17を形成する。第2SiC層17の膜厚は、いわゆる原子層であって、数オングストローム程度でよい。第2SiC層17のエピタキシャル成長は、第1SiC層15と同様であるので、詳細な記載を省略する。
(4) As shown in FIG. 6, a
(5)図7に示すように、第2SiC層17上に、エピタキシャル成長によって第2Si層16を形成する。第2Si層16の膜厚は、特に限定されないが、チャネル領域のための電子の広がりなどを考慮すると、1〜10nmであることができる。第2Si層16のエピタキシャル成長は、公知の化学的気相成長法を用いることができる。一例を挙げると、反応ガスとしてSiH4、Si2H6、Si3H8、SiHxCl4−x(x=1〜4)を用い、キャリアガスとしてアルゴンまたは窒素を用い、基板温度を500℃以上にして、反応ガスを熱分解させて成膜できる。エピタキシャル成長の方法としては、これに限定されず、水素還元法、分子線エピタキシャル成長法などを用いることができる。
(5) As shown in FIG. 7, the
(6)ついで、熱処理を行って第1,第2SiC層15,17の炭素を移動させる。このときの温度は、炭素が熱拡散によって移動できればよく、例えば400〜600℃で行うことができる。この熱処理によって炭素原子はヘテロ構造の界面の歪みエネルギーを緩和するようにこの界面領域へ移動して、界面でのSiGe層の格子位置やSi層の格子間位置などに入ることができる。その結果、ヘテロ構造の界面領域での結晶欠陥が解消され、格子定数の差によるストレス集中を緩和できる。また、炭素はシリコンおよびゲルマニウムより拡散速度が大きいため、問題となるようなゲルマニウムの再分布が生じることがない。したがって、ゲルマニウムがヘテロ構造の界面を移動することによる界面領域の荒れを生じることもない。さらに、ゲルマニウムが第2Si層16に移動することによる各層14,16の組成変化を招くこともない。
(6) Next, heat treatment is performed to move the carbon of the first and second SiC layers 15 and 17. The temperature at this time should just be carbon can move by thermal diffusion, for example, can be performed at 400-600 degreeC. By this heat treatment, carbon atoms move to this interface region so as to relax the strain energy at the interface of the heterostructure, and can enter the lattice position of the SiGe layer or the interstitial position of the Si layer at the interface. As a result, crystal defects in the interface region of the heterostructure are eliminated, and stress concentration due to a difference in lattice constant can be reduced. In addition, since carbon has a higher diffusion rate than silicon and germanium, germanium redistribution which causes a problem does not occur. Accordingly, the interface region is not roughened by the movement of germanium through the heterostructure interface. Further, the composition of the
この熱処理工程を経ることにより、図8に示すように、第1Si層13,SiGe層14および第2Si層16を有し、かつ、ヘテロ構造の界面領域IA1,IA2に炭素が分布した積層体を得ることができる。
Through this heat treatment step, as shown in FIG. 8, the laminated body having the
(7)図1に示すように、公知の方法によってゲート絶縁層26およびゲート電極28を形成する。ゲート絶縁層26のための絶縁層は、例えば熱酸化法によって第2Si層16の表面を酸化することで形成される。ゲート絶縁層26としては、熱酸化膜に限定されず、酸化窒化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁物、酸化タンタルなどの高誘電体を用いることができる。ゲート電極28としては、ポリシリコン、タングステン,タンタルなどの金属、あるいはサリサイド構造の多層導電層などを用いることができる。ゲート絶縁層26およびゲート電極28のパターニングは、公知のリソグラフィーおよびエッチングによって行うことができる。
(7) As shown in FIG. 1, a
ついで、図1に示すように、必要に応じてサイドウォール絶縁層29を形成する。サイドウォール絶縁層29は、公知の方法で形成できる。例えば、サイドウォール絶縁層29は、絶縁層をCVD法によってウェハ上に全面的に堆積した後、反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを行う方法、あるいはゲート電極28がポリシリコンの場合は熱酸化によってゲート電極28の表面に酸化シリコン層を形成する方法などを用いることができる。
Next, as shown in FIG. 1, a
さらに、図1に示すように、ゲート電極28およびサイドウォール絶縁層29をマスクとして、イオン注入によって特定の導電型の不純物(図示の場合、n型)を第2Si層16に打ち込んでソース/ドレイン領域のための不純物層22,24を形成する。その後、熱処理を行うことによって不純物を活性化させる。
Further, as shown in FIG. 1, by using the
この熱処理が充分に高温の場合、例えば600℃以上で行われる場合には、前述した(6)の熱処理を行わないこともできる。すなわち、この工程での熱処理で、不純物の活性化と、界面領域IA1,IA2での炭素の拡散を同時に行うこともできる。 When this heat treatment is sufficiently high, for example, when it is performed at 600 ° C. or higher, the heat treatment (6) described above can be omitted. That is, the heat treatment in this step can simultaneously activate the impurities and diffuse the carbon in the interface regions IA1 and IA2.
以上のように、本実施の形態にかかる製造方法によれば、第1Si層13とSiGe層14との間、ならびにSiGe層14と第2Si層16との間に、炭素を含む層、例えばSiC層15,17をそれぞれ形成し、その後熱処理を行うことにより、ヘテロ構造の界面領域IA1,IA2に、濃度分布のピークが存在するように炭素を分布させることができる。このようにして、本実施の形態にかかる半導体装置100を比較的簡易な方法によって形成することができる。
As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, a layer containing carbon, for example, SiC, between the
上述した例では、炭素を含む第3層としての第1,第2SiC層15,17の形成方法としてエピタキシャル成長を用いたが、SiC層を形成する方法はこれに限定されない。例えば、第1SiC層15および第2SiC層17をエピタキシャル成長で形成する代わりに、イオン注入によって炭素を第1Si層13およびSiGe層14の表面領域に導入して、炭素を含む層を形成できる。具体的には、第1Si層13の表面領域に炭素をイオン注入して、炭素がドープされたSi(C)層を形成することができる。また、SiGe層14に炭素をイオン注入して、炭素がドープされたSiGe(C)表面層を形成することができる。これらのSi(C)層およびSiGe(C)層の膜厚は、イオン注入のエネルギーやドーズ量などによって制御できる。炭素のイオン注入は、例えば、低加速で1×1015cm−2の濃度で行うことができる。
In the above-described example, epitaxial growth is used as a method of forming the first and second SiC layers 15 and 17 as the third layer containing carbon. However, the method of forming the SiC layer is not limited to this. For example, instead of forming the
この場合にも、熱処理(前記工程(6)あるいは前記工程(8))によって、上述した例と同様に、炭素をヘテロ構造の界面領域に分布させることができる。 Also in this case, carbon can be distributed in the interface region of the heterostructure by the heat treatment (the step (6) or the step (8)) as in the above-described example.
さらに、上述した例では、第1Si層13上にSiGe層14を形成したが、SiGe層14の代わりにSiGeC層を用いることもできる。この場合、SiGeC層は、前記工程(2)におけるエピタキシャル成長において、さらに、反応ガスとして炭素を含むガス、例えばSiH3CH3などを用いることで形成できる。また、第2Si層16の代わりに、SiC層を用いることもできる。このようにいずれかの層14,16に炭素が含まれる場合であっても、これらの層では格子点に存在する炭素は移動しにくい。したがって、本実施の形態の方法によれば、第3の層を形成し、その後熱処理を行うことにより、界面領域IA1、IA2に炭素を局在させることができる。
Furthermore, in the above-described example, the
なお、上記実施の形態では、第1,第2Si層13,16とSiGe層14とのそれぞれの界面領域IA1、IA2に炭素を局在させたが、チャネル領域20および不純物層22,24側に位置する界面領域IA1のみに、炭素を存在させるようにしても良い。
In the above embodiment, carbon is localized in the interface regions IA1 and IA2 between the first and second Si layers 13 and 16 and the
2.第2の実施の形態
2.1.半導体装置
図9は、本実施の形態にかかる半導体装置200を模式的に示す断面図である。
2. Second Embodiment 2.1. Semiconductor Device FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a
半導体装置200は、SOI基板を用いて構成され、さらに半導体層はヘテロ構造を有する。すなわち、半導体装置100は、半導体基板10と、半導体基板10上に形成された絶縁層12と、絶縁層12上に形成されたSi層13とを有する。Si層13上には、SiGe層14が形成されている。この例のヘテロ構造では、SiGe層14とSi層13とによって界面領域IA3が構成されている。
The
Si層13には、チャネル領域20と、チャネル領域20の両側に位置するソース/ドレイン領域のための第1不純物層22aおよび第2不純物層24aとが形成されている。第1,第2不純物層22a,24aは、その下端が絶縁層12に到達するように形成されている。さらに、SiGe層14には、第1不純物層22aおよび第2不純物層24a上に、いわゆるエレベーテッドソース/ドレイン領域を構成する第3不純物層22bおよび第4不純物層24bがそれぞれ形成されている。すなわち、第1不純物層22aと第3不純物層22bとによって一方の不純物層22が形成され、第2不純物層24aと第4不純物層24bとによって他方の不純物層24が形成される。そして、SiGe層14とSi層13とによって構成される界面領域IA3は、不純物層22,24中に存在する。
In the
チャネル領域20上には、ゲート絶縁層26が形成されている。ゲート絶縁層26上には、ゲート電極28が形成されている。そして、ゲート電極28の側面には、サイドウォール絶縁層29が形成されている。
A
界面領域IA3には、炭素が存在している。そして、図10に模式的に示すように、炭素は、界面領域IA3において、その濃度分布のピークが存在する状態で分布する。図10において、横軸はSiGe層14の表面からの深さを示し、縦軸は炭素の濃度を示す。
Carbon is present in the interface region IA3. As schematically shown in FIG. 10, carbon is distributed in the interface region IA3 in a state where the peak of the concentration distribution exists. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the depth from the surface of the
本実施の形態にかかる半導体装置200によれば、ヘテロ構造のSiGe/Si界面領域に炭素が存在することにより、以下の特徴を有する。
The
炭素は、シリコンおよびゲルマニウムと同じ4b族元素であり、これらに似た化学的性質を有し、かつ、これらの元素のうちで最も原子半径が小さい。また、格子定数の大きさは、炭素<シリコン<ゲルマニウムの関係にある。界面領域IA3に炭素が存在することにより、例えば、SiGe/Si界面領域において炭素が点欠陥に入ることができ、結晶欠陥が解消される。その結果、SiGeとSiとの格子定数の差によるストレスを緩和できる。また、炭素はシリコンやゲルマニウムに比べて拡散速度が大きいので、熱処理時に、炭素が界面領域IA3に移動することにより、ゲルマニウムの移動が相対的に抑制され、ゲルマニウムの再分布が生じることがない。したがって、ゲルマニウムがヘテロ構造の界面領域IA3を移動することによる界面領域の荒れを生じることもない。さらに、ゲルマニウムがSi層13に移動することによる各層の組成変化を招くこともない。
Carbon is the same group 4b element as silicon and germanium, has similar chemical properties, and has the smallest atomic radius among these elements. The lattice constant has a relationship of carbon <silicon <germanium. Due to the presence of carbon in the interface region IA3, for example, carbon can enter point defects in the SiGe / Si interface region, and crystal defects are eliminated. As a result, stress due to the difference in lattice constant between SiGe and Si can be alleviated. Further, since carbon has a higher diffusion rate than silicon and germanium, the movement of germanium is relatively suppressed and the redistribution of germanium does not occur when the carbon moves to the interface region IA3 during the heat treatment. Accordingly, the interface region does not become rough due to the movement of germanium through the heterostructure interface region IA3. Further, the composition of each layer is not changed by the movement of germanium to the
特に、ソース/ドレイン領域を構成する、不純物層22a,24aと不純物層22b,24bとの界面領域IA3での界面の荒れや格子欠陥の発生を抑制することにより、接合リークの少ない良好な特性を得ることができる。 In particular, by suppressing the roughening of the interface and the generation of lattice defects in the interface region IA3 between the impurity layers 22a and 24a and the impurity layers 22b and 24b constituting the source / drain regions, good characteristics with less junction leakage can be obtained. Can be obtained.
2.2.半導体装置の製造方法
第2の実施の形態にかかる半導体装置200の製造例について、図9および図11ないし図15を参照しながら説明する。
2.2. Manufacturing Method of Semiconductor Device An example of manufacturing the
(1)図11に示すように、公知のSOI基板を準備する。SOI基板は、半導体基板10上に絶縁層12およびSi層13が積層されている。Si層13は、単結晶シリコンである。
(1) As shown in FIG. 11, a known SOI substrate is prepared. In the SOI substrate, an insulating
ついで、図11に示すように、例えば酸化シリコンからなるハードマスク29Aを用いて、公知の方法によってゲート絶縁層26およびゲート電極28を形成する。ゲート絶縁層26およびゲート電極28の材質については第1の実施の形態で述べたと同様のものを用いることができる。ゲート絶縁層26およびゲート電極28のパターニングは、公知のリソグラフィーおよびエッチングによって行うことができる。
Next, as shown in FIG. 11, a
(2)図12に示すように、サイドウォール絶縁層のための絶縁層29aを形成する。絶縁層29aは、例えばCVDや熱酸化によってゲート電極28,ハードマスク29AおよびSi層13の表面に酸化シリコン層を形成する方法によって得られる。
(2) As shown in FIG. 12, an insulating
(3)図13に示すように、図12に示す絶縁層29aを異方性エッチングすることによってサイドウォール絶縁層29を形成するとともに、少なくともSi層13上の絶縁層を除去してSi層13の表面を露出させる。
(3) As shown in FIG. 13, the
(4)図14に示すように、Si層13の露出面上に、エピタキシャル成長によってSiC層18を形成する。SiC層18の膜厚は、いわゆる原子層であって、数オングストローム程度でよい。また、炭素原子がSi層13の表面に付着するだけでも良い。SiC層18のエピタキシャル成長は、公知の化学的気相成長法を用いることができる。一例を挙げると、反応ガスとしてSiH4およびSiH3CH3を用い、キャリアガスとしてアルゴンまたは窒素を用い、基板温度を500℃以上にして、反応ガスを熱分解させて成膜できる。エピタキシャル成長の方法としては、これに限定されず、水素還元法、分子線エピタキシャル成長法などを用いることができる。
(4) As shown in FIG. 14, a
さらに、図14に示すように、SiC層18上に、エピタキシャル成長によってSiGe層14を形成する。SiGe層14の膜厚は、特に限定されないが、充分な深さのソース/ドレイン領域を形成することなどを考慮すると、10〜100nmであることができる。SiGe層14のエピタキシャル成長は、公知の化学的気相成長法を用いることができる。一例を挙げると、反応ガスとしてSiH4およびGeH4を用い、キャリアガスとしてアルゴンまたは窒素を用い、基板温度を500℃以上にして、反応ガスを熱分解させて成膜できる。エピタキシャル成長の方法としては、これに限定されず、水素還元法、分子線エピタキシャル成長法などを用いることができる。
Further, as shown in FIG. 14, the
(5)図15に示すように、熱処理を行って図14に示すSiC層18の炭素を移動させる。このときの温度は、炭素が熱拡散によって移動できればよく、例えば400〜800℃で行うことができる。この熱処理によって炭素原子はヘテロ構造の界面の歪みエネルギーを安定にするように移動して再分布する。その結果、ヘテロ構造の界面領域IA3での結晶欠陥が解消され、格子定数の差によるストレスを緩和できる。また、炭素はシリコンおよびゲルマニウムより拡散速度が大きいため、問題となるようなゲルマニウムの再分布が生じることがない。したがって、ゲルマニウムがヘテロ構造の界面を移動することによる界面領域の荒れを生じることもない。さらに、ゲルマニウムがSi層13に移動することによる各層13,14の組成変化を招くこともない。
(5) As shown in FIG. 15, heat treatment is performed to move the carbon of
この熱処理工程を経ることにより、図15に示すように、Si層13およびSiGe層14を有し、かつ、ヘテロ構造の界面領域IA3に炭素が分布した積層体を得ることができる。
Through this heat treatment step, as shown in FIG. 15, it is possible to obtain a stacked body having the
(6)図9に示すように、ゲート電極28およびサイドウォール絶縁層29をマスクとして、イオン注入によって特定の導電型の不純物(図示の場合、n型)をSiGe層14およびSi層13に打ち込んで、ソース/ドレイン領域のための不純物層22a,22b,24a,24bを形成する。その後、熱処理を行うことによって不純物を活性化させる。
(6) As shown in FIG. 9, using the
以上のように、本実施の形態にかかる製造方法によれば、Si層13とSiGe層14との間に炭素を含む層、例えばSiC層18を形成し、その後熱処理を行うことにより、ヘテロ構造の界面領域IA3に、濃度分布のピークが存在するように炭素を分布させることができる。このようにして、本実施の形態にかかる半導体装置200を比較的簡易な方法によって形成することができる。
As described above, according to the manufacturing method according to the present embodiment, a layer containing carbon, for example, the
上述した例では、炭素を含む第3層としてのSiC層18の形成方法としてエピタキシャル成長を用いたが、炭素を含む層を形成する方法はこれに限定されない。例えば、SiC層18をエピタキシャル成長で形成する代わりに、イオン注入によって炭素をSi層13の表面領域に導入して、炭素を含む層を形成できる。具体的には、Si層13の表面領域に炭素をイオン注入して、炭素がドープされたSi(C)層を形成することができる。炭素のイオン注入は、例えば、低加速で1×1015cm−2の濃度で行うことができる。
In the example described above, epitaxial growth is used as a method for forming the
この場合にも、熱処理(前記工程(5)あるいは前記工程(6))によって、上述した例と同様に、炭素をヘテロ構造の界面領域IA3に分布させることができる。 Also in this case, carbon can be distributed in the heterostructure interface region IA3 by the heat treatment (the step (5) or the step (6)) as in the above-described example.
さらに、上述した例では、Si層13上にSiGe層14を形成したが、SiGe層14の代わりにSiGeC層を用いることもできる。SiGeC層の形成方法は、第1の実施の形態で述べたと同様の方法を用いることができる。また、Si層13の代わりに、SiC層を用いることもできる。このようにいずれかの層13,14に炭素が含まれる場合であっても、これらの層では格子点に存在する炭素は移動しにくい。したがって、本実施の形態の方法によれば、歪の大きい界面領域に炭素原子を付着、あるいは、炭素を含む第3の層を形成し、その後熱処理を行うことにより、界面領域IA3に炭素を局在させることができる。
Furthermore, in the above-described example, the
以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、ヘテロ構造の半導体層を有する半導体装置に適用できる。例えば、上述した実施の形態では、SOI基板を用いた例について述べたが、本発明はいわゆるバルクシリコン層を有する半導体装置にも適用できる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and can be applied to a semiconductor device having a heterostructure semiconductor layer. For example, in the above-described embodiment, an example using an SOI substrate has been described. However, the present invention can also be applied to a semiconductor device having a so-called bulk silicon layer.
10 半導体基板、12 絶縁層、13 第1Si層,Si層、14 SiGe層、16 第2Si層、15,17,18 SiC層、20 チャネル領域、22,24 不純物層、26 ゲート絶縁層、28 ゲート電極、29 サイドウォール絶縁層、IA1,IA2,IA3 界面領域、100,200 半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記半導体層は、少なくともSiまたはGeを含むIV族元素からなる第1層と、前記第1層と異なる組成または組成比を有し、かつ少なくともSiまたはGeを含むIV族元素からなる第2層と、が積層されたヘテロ構造を有し、
前記第1層と前記第2層との界面領域に炭素が存在する、半導体装置。 A semiconductor device comprising: a semiconductor layer; a gate insulating layer formed on the semiconductor layer; and a gate electrode formed on the gate insulating layer,
The semiconductor layer includes a first layer made of a group IV element containing at least Si or Ge, and a second layer made of a group IV element containing a composition or composition ratio different from that of the first layer and containing at least Si or Ge. And has a laminated heterostructure,
A semiconductor device, wherein carbon is present in an interface region between the first layer and the second layer.
前記第1層と前記第2層は、各々、Si,Ge,SiGe,SiGeC,SiCのいずれかで構成される、半導体装置。 In claim 1,
The first layer and the second layer are each a semiconductor device composed of any one of Si, Ge, SiGe, SiGeC, and SiC.
前記炭素は、前記第1層と前記第2層との界面領域に濃度分布のピークを有する、半導体装置。 In claim 1 or 2,
The carbon has a concentration distribution peak in an interface region between the first layer and the second layer.
前記半導体層は、絶縁層上に形成された、半導体装置。 In any of claims 1 to 3,
The semiconductor device is a semiconductor device formed on an insulating layer.
前記界面領域は、チャネル領域およびソース/ドレイン領域の少なくとも一方またはその近傍に存在する、半導体装置。 In any of claims 1 to 4,
The interface region is a semiconductor device that exists in at least one of a channel region and a source / drain region or in the vicinity thereof.
ソース/ドレイン領域はエレベーテッド構造を有し、前記界面領域は、ソース/ドレイン領域に存在する、半導体装置。 In any of claims 1 to 4,
The semiconductor device, wherein the source / drain region has an elevated structure, and the interface region exists in the source / drain region.
前記半導体層の形成において、
少なくともSiまたはGeを含む第1層を形成する工程と、
前記第1層と異なる組成あるいは組成比を有し、かつ少なくともSiまたはGeを含む第2層とを形成する工程と、
前記第1層を形成する工程と前記第2層とを形成する工程との間に、前記第1層または前記第2層の上に炭素を含む第3層を形成する工程と、
熱処理を行って、前記第1層と前記第2層との界面領域に他の領域より高濃度の炭素を存在させる工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a semiconductor layer; a gate insulating layer formed on the semiconductor layer; and a gate electrode formed on the gate insulating layer,
In the formation of the semiconductor layer,
Forming a first layer containing at least Si or Ge;
Forming a second layer having a composition or composition ratio different from that of the first layer and containing at least Si or Ge;
Forming a third layer containing carbon on the first layer or the second layer between the step of forming the first layer and the step of forming the second layer;
Performing a heat treatment to cause a higher concentration of carbon in the interface region between the first layer and the second layer than in other regions;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3層は、エピタキシャル成長によって形成される、半導体装置の製造方法。 In claim 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the third layer is formed by epitaxial growth.
前記第3層は、イオン注入によって炭素を導入することによって形成される、半導体装置の製造方法。 In claim 7,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the third layer is formed by introducing carbon by ion implantation.
前記半導体層は、絶縁層上に形成される、半導体装置の製造方法。 In any of claims 7 to 9,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the semiconductor layer is formed on an insulating layer.
前記界面領域は、チャネル領域およびソース/ドレイン領域の少なくとも一方またはその近傍に存在する、半導体装置の製造方法。 In any of claims 7 to 10,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the interface region exists in at least one of a channel region and a source / drain region or in the vicinity thereof.
ソース/ドレイン領域はエレベーテッド構造を有し、前記界面領域は、ソース/ドレイン領域に存在する、半導体装置の製造方法。 In any of claims 7 to 10,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a source / drain region has an elevated structure, and the interface region exists in the source / drain region.
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---|---|---|---|---|
JP2007300103A (en) * | 2006-05-05 | 2007-11-15 | Internatl Business Mach Corp <Ibm> | Semiconductor device using embedded carbon dopant |
JP2010537401A (en) * | 2007-08-15 | 2010-12-02 | アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド | MOS transistor for integration of thin SOI and manufacturing method thereof |
US8247279B2 (en) | 2008-09-26 | 2012-08-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method of fabricating semiconductor device using epitaxial growth inhibiting layers |
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