JP2005510081A - 低エネルギープラズマ強化化学蒸着法による高移動度のシリコンゲルマニウム構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
上記仮想基板上に、Geチャンネル(55、65)と変調ドープ層(56、64、67)とを含む活性領域(14、58、68)を、低密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて形成する工程で、この工程では、成長チャンバに水素(H2)を導入し、基板温度を400℃〜500℃に保持し、そして、変調ドープ層を形成するためにドーパントガスを成長チャンバにパルス状に導入する。
Description
新規の材料及び材料組成物は、例えばトランジスタのような半導体デバイスを改良するために、工業的に利用されている。これにより、集積回路(ICs)の生産スピード及びその性能を向上することができる。
B.S. Meyersonら、"Cooperative growth phenomena in Silicon/germanium low-temperature epitaxy"、Appl. Phys. Lett., Vol.53, p.2555, 1988 に報告されているように、純粋なSiは、基板温度550℃付近で、ほぼnm/minオーダーの低い成長速度である。
M. Arafaら、"Device and fabrication issues of high performance Si/SiGe Fets", Mat. Soc., Symp. Proc. Vol.533, p.83, 1998 に記載されているように、大きな表面粗さは、緩和現象により、いわゆるクロスハッチングの発生によって生じる。クロスハッチングの影響は、濃度勾配(傾斜率)が増加すると、さらに顕著になる。バッファ層表面のGe濃度がXf=0.3と比較的低かったとしても、丘部と溝部との高さの差は、通常は30nmである。表面粗さは、MODFET構造体の品質に有害な影響をもたらす。
P.M. Mooneyら、"SiGe technology: heteroepitaxy and high-speed microelectronics"、Annu. Rev. Mater. Sci., Vol.30, pp.335, 2000 に記載されているように、ホットウォール法は、特に高いGe濃度での制御が困難である。このように、ホットウォール法は、高移動度のホール輸送材料には適していない。従って、ホットウォール技術を利用して、純粋なGeチャンネルを含む高性能のp−MODFET構造体を形成することは不可能である。
本発明は、低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)に基づいている。
さらに、この方法は、仮想基板上に、Geチャンネルと少なくとも1つの変調ドープ層とを含む活性領域を、低密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて形成する工程を含んでいる。この低密度LEPECVDは、成長チャンバに水素(H2)を導入し、基板温度は、400℃〜500℃に保持され、そして、変調ドープ層を製造するために成長チャンバにドーパントガスをパルス状に導入して行われる。
第1の処理工程のシステムパラメータは、基板温度が400℃〜850℃、ガス導入口での全反応ガス流量が5sccm〜200sccmであり、成長速度が2nm/s以上になるになるように調整される。
第2の処理工程のシステムパラメータは、基板温度を400℃〜500℃に保持するように調節されており、水素(H2)を成長チャンバに導入し、且つドーパントガスを成長チャンバ中にパルス状に導入して、少なくとも1つの層に変調ドーピングできるようにされている。
本発明は、異なった格子パラメータの材料の一方を他方の上側に成長させたときの、歪み層エキタピシーの本質的な利点をうまく利用している。例えば、ゲルマニウム(Ge)を小さい格子パラメータの基板上に析出したとき、Ge原子は、下側の原子と配列して、Geに圧縮歪みが加えられる。例えば、歪んだGeの内部では、ホールは、抵抗が低くなって、より速く移動できるようになる。この効果は、個々のデバイスの寸法を小さくすることなく、速いデバイスを実現するのに利用できる。
以下の条件の、高密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて、Si基板上に仮想基板を形成する工程。仮想基板は、傾斜Si1−xGex層で0≦X≦Xfの層と、Ge濃度が一定のSi1−xGex層と、を含んでいる。この工程は、
i.成長速度が2nm/s以上
ii.基板温度が400℃〜850℃
iii.成長チャンバのガス導入口における全反応ガス流が5sccm〜200sccm
の条件で行われる。
以下の条件の、低密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて、仮想基板上に活性領域を形成する工程。活性領域は、Geチャンネルと、少なくとも1つの変調ドープ層を含んでいる。この工程は、
i.成長チャンバ内に水素(H2)を導入して、界面活性剤として機能させる
ii.基板温度を400℃〜500℃に保持する
iii.成長チャンバ内にドーパントガスをパルス状に導入し、変調ドープ層を形成する
の条件を含んでいる。
Claims (19)
- 半導体ヘテロ構造体を、ガス導入口(26、30)を備えた成長チャンバ(23)中で製造する方法であって、上記製造方法が、
以下の条件による高密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて、シリコン基板(11、51、61)上に、傾斜Si1−xGex層(12、52、62)とそれに続いてGe濃度一定のSi1−xGex層(13、53、63)とを含む仮想基板を形成する工程であって、高密度のLEPECVDの条件が、
i.成長速度が2nm/s以上、
ii.基板温度が400℃〜850℃、及び
iii.ガス導入口での全反応ガス流量が5sccm〜200sccm、の工程と、
以下の条件による低密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を用いて、上記仮想基板上に、Geチャンネル(55、65)と変調ドープ層(56、64、67)とを含む活性領域(14、58、68)を形成する工程であって、低密度のLEPECVDの条件が、
i.成長チャンバ(23)に水素(H2)を導入して、界面活性剤として機能させること、
ii.基板温度を400℃〜500℃に保持すること、及び
iii.成長チャンバ(23)にドーパントガスをパルス状に導入し、上記変調ドープ層(56、64、67)を形成すること、である工程と、
を含んでいる半導体ヘテロ構造体の製造方法。 - 上記仮想基板の形成中に、基板温度を、400℃〜800℃、好ましくは450℃〜750℃の範囲内で故意に変化させる請求項1に記載の製造方法。
- 上記活性領域(14、58、68)の形成中に、基板温度を約450℃に保持する請求項1又は2に記載の製造方法。
- ドーパントガスとしてジボランが用いられる請求項1乃至3のいずれかに記載の製造方法。
- 上記基板が約−12Vの電位を有しており、プラズマ電位がほぼ0Vである請求項1乃至4のいずれかに記載の製造方法。
- SiH4及びGeH4が、ガス導入口(26、30)から成長チャンバ(23)に導入される請求項1又は2に記載の製造方法。
- 成長速度が2nm/s〜10nm/sである請求項1又は2に記載の製造方法。
- 成長速度は、基板温度が400℃〜850℃の範囲内においては、当該基板温度にほぼ完全に依存しない請求項7に記載の製造方法。
- 成長速度は、全流量を一定にした場合には、成長チャンバ(23)内の反応ガス濃度にほぼ完全に依存しない請求項1乃至8のいずれかに記載の製造方法。
- 上記高密度の低エネルギープラズマの密度が、上記低密度の低エネルギープラズマの密度の10倍ほど大きい請求項1乃至9のいずれかに記載の製造方法。
- ヘテロ構造半導体デバイスであって、
シリコン基板(11、51、61)と、
傾斜Si1−xGex層(12、52、62)と、
Ge濃度一定のSi1−xGexバッファ層(13、53、63)と、
上記バッファ層(13、53、63)上に位置している活性領域(14、58、68)と、
4.2Kにおいて70000〜87000cm2/Vsのホール移動度を有するGeチャンネル(55、65)と、を含んでおり、
上記活性領域(14、58、68)が、少なくとも1つの変調ドープ層(56、64、67)を含む半導体デバイス。 - Si1−xGexバッファ層(13、53、63)及び/又は傾斜Si1−xGex層(12、52、62)は、RMS粗さが5nm以下である請求項11に記載の半導体デバイス。
- ガス導入口(26、30)を備えた成長チャンバ(23)を含む成長システム(80)であって、
成長システム(80)は、少なくとも2つの工程を含む低密度の低エネルギープラズマ強化化学蒸着法(LEPECVD)を行うために装備されており、これにより
第1の処理工程中のシステムパラメータが、基板温度を400℃〜850℃、ガス導入口での全反応ガス流量を5sccm〜200sccmにして、成長速度を2nm/s以上にするように調整され、
第2の処理工程中のシステムパラメータが、基板温度を400℃〜500℃に保持するように調整され、水素(H2)を成長チャンバ(23)に導入し、且つドーパントガスを成長チャンバ(23)にパルス状に導入して、少なくとも1つの層に変調ドーピングできる、成長システム。 - 上記成長システムが、処理制御ユニット(81)、好ましくは適当なソフトウェアモジュール(82、83)を備えたコンピュータを含んでおり、上記システムパラメータを適宜制御できる請求項13に記載の成長システム。
- 上記処理制御ユニット(81)は、第1の処理工程中に、基板温度を400℃〜800℃、好ましくは450℃〜750℃の範囲内で変化させることができる請求項13に記載の成長システム。
- 上記処理制御ユニット(81)は、第2の処理工程中に、基板温度を450℃に保持することができる請求項13に記載の成長システム。
- 上記処理制御ユニット(81)は、ドーパントガスであるジボランの導入を制御できる請求項13に記載の成長システム。
- 上記処理制御ユニット(81)は、電位約12ボルトの低エネルギーのプラズマと、ほぼ0Vのプラズマ電位とを維持するために、上記パラメータを制御することができる請求項13に記載の成長システム。
- 上記処理制御ユニット(81)は、SiH4及びGeH4の成長チャンバ(23)への導入を制御できる請求項13に記載の成長システム。
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