JP2006140503A - 半導体基板及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を有する半導体基板を提供する。
【解決手段】Si基板10と、Si基板10上に形成された所定幅のSiO層12と、両側にそれぞれ第1の端部40a及び第2の端部40bを有し、第1の端部40a及び第2の端部40bから側方向のエピタキシャル成長によって形成され、SiO層12を覆うSiGe層40と、SiO層12に対応してSiGe層40上にエピタキシャル成長によって形成され、Siの格子変形が誘導されたストレインSi層50と、を備える半導体基板である。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体基板及びその製造方法に係り、より詳しくは、小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を有する半導体基板及びその製造方法に関する。
半導体産業において、従来CMOS応用装置で高いキャリヤ移動度を有する半導体基板の構造を達成するために、ストレインSi(strained Si)の基板の異種構造を用いる場合が多かった。通常、これを具現するための従来技術は、厚い(約1μm〜5μm)弛緩SiGe(relaxed SiGe)層上にストレインSi層を成長させることであった。
しかしながら、このように半導体基板に厚いSiGe層を使用すると次のような問題が発生する。第一に、一般に厚いSiGe層を既存のSi基板のCMOS技術に統合することが容易ではない。第二に、スレッディング転位(threading dislocation:TD)及び不一致転位(misfit dislocation)を含んだ欠陥密度が約10欠陥/cm〜10欠陥/cmで起こり、このような値は実際の超大規模集積回路(VLSI)応用装置では大きすぎる値である。第三に、従来技術に係る半導体基板の構造は、その本質上、SiGe層の選択的な成長を排除しているので、ストレインSi、弛緩されたSi(relaxed Si)及びSiGe材料を備えた素子を前記構造上に集積しにくく、ある場合には集積が殆ど不可能となることもある。従って、従来技術に係る半導体基板の構造の場合、SGOI(SiGe On Insulator)が形成されても、厚いSiGe層によって前記SGOIの効果、例えば小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を得ることができなかった。
また、従来技術に係る半導体基板の構造の場合、その製造方法において、移送工程及びボンディング工程などが多数含まれるので、その製造方法が複雑であった。また、その製造においてSOI基板が要求され、従って製造コストが高いという問題点があった。
特許文献1は、高品質の弛緩SGOIの製造方法を開示する。この製造方法では、Ge拡散に対する耐性がある障壁層、例えば、SOI基板が必要とされる。しかしながら、こうしたSOI基板は高価なので、前記製造方法による場合、製造コストが高くなってしまう。
米国公開特許第US2003/0139000A1号明細書
本発明の技術的課題は、小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を有する半導体基板及びその製造方法を提供するところにある。
本発明の技術的課題は、簡単で容易な方法によってSGOI基板上にストレインSi層が形成された構造を有する半導体基板の製造方法を提供するところにある。
前記技術的課題を達成するために本発明に係る半導体基板は、Si基板と、前記Si基板上に形成された所定幅のSiO層と、両側にそれぞれ第1の端部及び第2の端部を有し、前記第1の端部及び前記第2の端部から側方向のエピタキシャル成長によって形成され、前記SiO層を覆うSiGe層と、前記SiO層に対応して前記SiGe層上にエピタキシャル成長によって形成され、Siの格子変形が誘導されたストレインSi層と、を備える。
前記SiGe層に前記第1端部及び前記第2端部からそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う境界領域が形成されていることが好ましい。
前記ストレインSi層は、前記境界領域が形成されていない所定領域上に形成されていることが好ましい。
前記技術的課題を達成するために本発明に係る半導体基板の製造方法は、Si基板を準備する第1の段階と、前記Si基板上に所定厚さのSiO層を形成する第2の段階と、前記SiO層を所定幅にパターニングする第3の段階と、前記SiO層が形成された基板の全面にSiGe層を形成する第4の段階と、前記SiO層上に形成されたSiGe層をアニーリングする第5の段階と、前記SiO層に対応して前記SiGe層上にSiの格子変形が誘導されたストレインSi層を形成する第6の段階と、を含む。
前記第4の段階で、前記SiGe層は、前記基板上に形成される第1の部分及び前記SiO層上に形成される第2の部分を有し、前記SiGe層で前記第1の部分と前記第2の部分とが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域及び第2境界領域が形成されることが好ましい。
前記第1の部分は、エピタキシャル成長によって形成されることが好ましい。
前記第2の部分は、非晶質又は多結晶の組織で形成されることが好ましい。
前記第5の段階で、前記アニーリングによって前記第1境界領域及び第2境界領域を含んで、前記第2の部分が結晶化されることが好ましい。
前記結晶化は、前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行されることが好ましい。
前記第2の部分に前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う第3の境界領域が形成されることが好ましい。
前記第6の段階で、前記ストレインSi層は、前記第3の境界領域が形成されていない所定領域上に形成されることが好ましい。
前記第5の段階で、前記アニーリングは、レーザービームを用いて行うことが好ましい。
前記技術的課題を達成するために本発明に係る半導体基板の製造方法は、Si基板を準備する第1の段階と、前記Si基板上に所定厚さのSiO層を形成する第2の段階と、前記SiO層を所定幅にパターニングする第3の段階と、前記SiO層が形成された基板の全面にSi層を形成する第4の段階と、前記SiO層上に形成されたSi層をアニーリングする第5の段階と、前記Si層にGeイオンをドーピングする第6の段階と、
前記Si層をアニーリングして、SiGe層を形成する第7の段階と、前記SiO層に対応して、前記SiGe層上にSiの格子変形が誘導されたストレインSi層を形成する第8の段階と、を含む。
前記第4の段階で、前記Si層は、前記基板上に形成される第1の部分及び前記SiO層上に形成される第2の部分を有し、前記Si層で前記第1の部分と前記第2の部分とが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域及び第2境界領域が形成されることが好ましい。
前記第1の部分は、エピタキシャル成長によって形成されることが好ましい。
前記第2の部分は、非晶質又は多結晶の組織で形成されることが好ましい。
前記第5の段階で、前記アニーリングによって、前記第1境界領域及び前記第2境界領域を含んで、前記第2の部分が結晶化されることが好ましい。
前記結晶化は、前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行することが好ましい。
前記第2の部分に前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ成長した結晶のグレーンに互いに出合う第3の境界領域が形成されることが好ましい。
前記第7段階及び前記第8の段階でそれぞれ前記SiGe層は、前記第3の境界領域を有することが好ましい。
前記第8の段階で、前記ストレインSi層は、前記第3の境界領域が形成されていない所定領域上に形成されることが好ましい。
前記第5の段階で、前記Si層のアニーリングは、レーザービームを用いて行うことが好ましい。
前記第6の段階で、前記Geイオンのドーピングは、イオン注入装置を用いて行うことが好ましい。
前記第7の段階で、前記Si層のアニーリングは、レーザービーム装置及び低温炉装置を用いて行うことが好ましい。
本発明に係る半導体基板は、早いスピードと小さな電力消耗を有する次世代高性能トランジスタデバイスのベース基板として用いることができる。
また、本発明に係る半導体基板及びその製造方法が半導体メモリデバイス及び次世代デバイスに適用される場合、高品質のデバイスを効果的に製作できるだけではなく、デバイスを高性能とすることができる。
本発明に係る半導体基板は、基本的にSGOI基板上にストレインSi層が形成された構造を有する。このような半導体基板は、小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を有する。
また、本発明に係る半導体基板上に設けられるデバイス間のクロストークが減少する。従って、本発明に係る半導体基板が半導体デバイスのベース基板に適用される場合、このようなデバイスは、小さい電力消耗と速い動作速度とを有し、デバイスのスイッチング特性が向上する。
本発明に係る半導体基板の製造方法によれば、簡単で容易な方法によってSGOI基板上にストレインSi層が形成された構造を有する半導体基板を製造することができる。また、このような半導体基板の製造に高価なSOI基板を使用しないため、製造コストを下げることができる。
以下、添付した図面に基づき、実施形態に係る半導体基板及びその製造方法を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体基板の断面図である。
図1に示すように、Si基板10上に所定幅のSiO層12が形成されており、SiO層12を埋め込むためSiO層12とSi基板10の上にSiGe層40が形成されている。ここで、Si基板10は、単結晶基板である。
SiGe層40は、両側にそれぞれ第1の端部40a及び第2の端部40bを有し、第1の端部40a及び第2の端部40bから側方向のエピタキシャル成長によって形成された弛緩された結晶組織を有する。また、SiGe層40に第1端部40a及び第2端部40bからそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う境界領域42が形成されている。そして、SiO層12に対応して、弛緩されたSiGe層40上にストレインSi層50がエピタキシャル成長によって形成されている。ストレインSi層50は、境界領域42が形成されていない所定領域上に形成されている。
SiGeの格子定数は、Siの格子定数より大きく、弛緩されたSiGe上にSiをエピタキシャル成長させる場合、Siは、弛緩されたSiGeと整合関係を維持しながら成長する。従って、Siの内部格子は、引張応力を受け、このように内部格子が引張応力を受けるSiでは、弛緩されたSiよりもキャリヤ移動度がさらに高い。
本発明に係る半導体基板は、基本的にSGOI基板上にストレインSi層50が形成された構造を有する。このような半導体基板は、小さい寄生容量及び高いキャリヤ移動度を有する。また、半導体基板上に設けられるデバイス間のクロストークが減少する。従って、本発明に係る半導体基板を、速いスピードと小さい電力消耗とを有する次世代高性能トランジスタデバイスのベース基板として用いることが可能である。
図2A〜図2Fは、本発明に係る第1実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。
図2A及び図2Bに示すように、先ず単結晶のSi基板10を準備して、Si基板10上に所定厚さのSiO層12を形成する。そして、SiO層12を所定幅にパターニングする。
次に、図2Cに示すように、SiO層12が形成されたSi基板10の全面にSiGe層14を形成する。ここで、SiGe層14は、Si基板10上に形成される第1の部分14b及びSiO層12上に形成される第2の部分14aを有し、SiGe層14に第1の部分14bと第2の部分14aとが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域15a及び第2境界領域15bが形成される。第1の部分14bは、単結晶Si基板10上でエピタキシャル成長によって形成され、第2の部分14aは、非晶質組織を有するSiO層12上で非晶質又は多結晶の組織で形成される。
次に、図2D及び図2Eに示すように、SiO層12上に形成されたSiGe層、即ち第2の部分14aをアニーリングする。アニーリングによって第2の部分14aが結晶化される。この結晶化は、第1境界領域15a及び第2境界領域15bからそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行される。結晶化によってSiO層12上のSiGe層、即ち第2の部分14aは、弛緩された結晶組織を有する。第2の部分14aに第1境界領域15a及び第2境界領域15bからそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う第3の境界領域42が形成される。アニーリングは、レーザービームによって行われる。
次には、図2Fに示すように、SiO層12に対応して弛緩されたSiGe層40上にエピタキシャル成長によってストレインSi層50を形成する。弛緩されたSiGe層40上で、Siの格子変形を誘導してストレインSi層50を形成することができる。ストレインSi層50は、第3の境界領域42が形成されていない所定領域上に形成される。SiGeの格子定数は、Siの格子定数より大きく、弛緩されたSiGe上にSiをエピタキシャル成長させる場合、Siは、弛緩されたSiGeと整合関係を維持しながら成長する。従って、Siの内部格子は引張応力を受け、このように内部格子が引張応力を受けるSiでは、弛緩されたSiでよりもキャリヤ移動度がさらに高い。
図3A〜図3Iは、第2実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。
図3A及び図3Bに示すように、先ず単結晶のSi基板10を準備して、Si基板10上に所定の厚さのSiO層12を形成する。そして、SiO層12を所定幅にパターニングする。
次に、図3Cに示すように、SiO層12が形成されたSi基板10の全面にSi層24を形成する。ここで、Si層24は、Si基板10上に形成される第1の部分24b及びSiO層12上に形成される第2の部分24aを有し、Si層24a,24bに第1の部分24bと第2の部分24aとが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域25a及び第2境界領域25bが形成される。第1の部分24bは、単結晶Si基板10上でエピタキシャル成長によって形成され、第2の部分24aは、非晶質組織を有するSiO層12上で非晶質又は多結晶の組織で形成される。
次に、図3D及び図3Eに示すように、SiO層12上に形成されたSi層、即ち第2の部分24aをアニーリングする。アニーリングによって第2の部分24aが結晶化される。結晶化は、第1境界領域25a及び第2境界領域25bからそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行する。結晶化によってSiO層12上のSi層、即ち第2の部分24aは、弛緩された結晶組織を有する。第2の部分24aに第1境界領域25a及び第2境界領域25bからそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う第3の境界領域32が形成される。アニーリングは、レーザービームによって行われる。
次に、図3F〜図3Hに示すように、Si層30にGeイオンをドーピングした後、GeイオンがドーピングされたSi層30aをアニーリングして、Si層30aをSiGe層40に変化させる。この場合、SiGe層40に第3の境界領域32がそのまま維持され、SiGe層40は、弛緩された結晶組織を有する。ここで、Geイオンのドーピングは、イオン注入装置によって行われ、Si層30aのアニーリングは、レーザービーム装置又は低温炉装置によって行われる。
次には、図3Iに示すように、SiO層12に対応して弛緩されたSiGe層40上にエピタキシャル成長によってストレインSi層50を形成する。弛緩されたSiGe層40上でSiの格子変形を誘導してストレインSi層50を形成することができる。ストレインSi層50は、第3の境界領域42が形成されていない所定領域上に形成される。
本発明に係る半導体基板の製造方法によれば、簡単な方法によってSGOI基板上にストレインSi層が形成された構造を有する半導体基板を製造することができる。また、このような半導体基板の製造に高価のSOI基板を使用しないため、製造コストを下げることができる。
先ず、単結晶Si基板上にPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)又はLPCVD(Low−Pressure Chemical Vapor Depositon)などによってSiO層を500〜1000Åの厚さに形成した。この場合、チャンバ内部の温度は450℃に維持され、蒸着時間は10分であった。
次には、SiO層を4〜20μmの幅にパターニングした。その後、SiO層が形成された単結晶Si基板の全面にUHV(Ultra High Vacuum)−CVDによってSiGe層を形成した。この場合、単結晶Si基板上にepi−SiGeを、SiO層上に非晶質組織のSiGe層を同時に形成した。ここで、チャンバ内部の温度は、500〜800℃であり、蒸着時間は30〜100分であった。
次には、非晶質組織のSiGe層をエキシマレーザーで過熱して結晶化させた。この場合、レーザービームのエネルギー密度は、400〜1000mJ/cmであった。そして、結晶化されたSiGe層上にUHV−CVDによってストレインSi層を形成した。この場合、チャンバ内部の温度は、500〜800℃であり、蒸着時間は30〜100分であった。
かかる本願発明の理解を助けるために実施形態及び実施例を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態及び実施例に限定して解釈してはならず、特許請求の範囲に基づいて定めなければならないことは言うまでもない。
本願発明に係る半導体基板及びその製造方法は、半導体メモリデバイス及び次世代デバイスに適用されうる。
本発明の一実施形態に係る半導体基板の断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第1の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体基板の製造方法を示す工程図である。
符号の説明
10 Si基板
12 SiO
40 SiGe層
40a 第1端部
40b 第2端部
42 境界領域
50 ストレインSi層

Claims (24)

  1. Si基板と、
    前記Si基板上に形成された所定幅のSiO層と、
    両側にそれぞれ第1の端部及び第2の端部を有し、前記第1の端部及び前記第2の端部から側方向のエピタキシャル成長によって形成され、前記SiO層を覆うSiGe層と、
    前記SiO層に対応して前記SiGe層上にエピタキシャル成長によって形成され、Siの格子変形が誘導されたストレインSi層と、
    を備えることを特徴とする半導体基板。
  2. 前記SiGe層に前記第1端部及び前記第2端部からそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う境界領域が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
  3. 前記ストレインSi層は、前記境界領域が形成されていない所定領域上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体基板。
  4. Si基板を準備する第1の段階と、
    前記Si基板上に所定厚さのSiO層を形成する第2の段階と、
    前記SiO層を所定幅にパターニングする第3の段階と、
    前記SiO層が形成されたSi基板の全面にSiGe層を形成する第4の段階と、
    前記SiO層上に形成されたSiGe層をアニーリングする第5の段階と、
    前記SiO層に対応して前記SiGe層上にSiの格子変形が誘導されたストレインSi層を形成する第6の段階と、
    を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  5. 前記第4の段階で、前記SiGe層は、前記Si基板上に形成される第1の部分及び前記SiO層上に形成される第2の部分を有し、前記SiGe層で前記第1の部分と前記第2の部分とが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域及び第2境界領域が形成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体基板の製造方法。
  6. 前記第1の部分は、エピタキシャル成長によって形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体基板の製造方法。
  7. 前記第2の部分は、非晶質又は多結晶の組織で形成されることを特徴とする請求項5に記載の半導体基板の製造方法。
  8. 前記第5の段階で、前記アニーリングによって前記第1境界領域及び第2境界領域を含んで、前記第2の部分が結晶化することを特徴とする請求項5に記載の半導体基板の製造方法。
  9. 前記結晶化は、前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行することを特徴とする請求項8に記載の半導体基板の製造方法。
  10. 前記第2の部分に前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ成長した結晶のグレーンが互いに出合う第3の境界領域が形成されることを特徴とする請求項9に記載の半導体基板の製造方法。
  11. 前記第6の段階で、前記ストレインSi層は、前記第3の境界領域が形成されていない所定領域上に形成されることを特徴とする請求項10に記載の半導体基板の製造方法。
  12. 前記第5の段階で、前記アニーリングは、レーザービームを用いて行われることを特徴とする請求項4に記載の半導体基板の製造方法。
  13. Si基板を準備する第1の段階と、
    前記Si基板上に所定厚さのSiO層を形成する第2の段階と、
    前記SiO層を所定幅にパターニングする第3の段階と、
    前記SiO層が形成されたSi基板の全面にSi層を形成する第4の段階と、
    前記SiO層上に形成されたSi層をアニーリングする第5の段階と、
    前記Si層にGeイオンをドーピングする第6の段階と、
    前記Si層をアニーリングして、SiGe層を形成する第7の段階と、
    前記SiO層に対応して、前記SiGe層上にSiの格子変形が誘導されたストレインSi層を形成する第8の段階と、
    を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。
  14. 前記第4の段階で、前記Si層は、前記基板上に形成される第1の部分及び前記SiO層上に形成される第2の部分を有し、前記Si層で前記第1の部分と前記第2の部分とが出合う境界領域にそれぞれ第1境界領域及び第2境界領域が形成されることを特徴とする請求項13に記載の半導体基板の製造方法。
  15. 前記第1の部分は、エピタキシャル成長によって形成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体基板の製造方法。
  16. 前記第2の部分は、非晶質又は多結晶の組織で形成されることを特徴とする請求項14に記載の半導体基板の製造方法。
  17. 前記第5の段階で、前記アニーリングによって、前記第1境界領域及び前記第2境界領域を含んで、前記第2の部分が結晶化されることを特徴とする請求項14に記載の半導体基板の製造方法。
  18. 前記結晶化は、前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ開始される側方向のエピタキシャル成長によって進行することを特徴とする請求項17に記載の半導体基板の製造方法。
  19. 前記第2の部分に前記第1境界領域及び前記第2境界領域からそれぞれ成長した結晶のグレーンに互いに出合う第3の境界領域が形成されることを特徴とする請求項18に記載の半導体基板の製造方法。
  20. 前記第7段階及び前記第8の段階でそれぞれ前記SiGe層は、前記第3の境界領域を有することを特徴とする請求項19に記載の半導体基板の製造方法。
  21. 前記第8の段階で、前記ストレインSi層は、前記第3の境界領域が形成されていない所定領域上に形成されることを特徴とする請求項20に記載の半導体基板の製造方法。
  22. 前記第5の段階で、前記Si層のアニーリングは、レーザービームを用いて行われることを特徴とする請求項13に記載の半導体基板の製造方法。
  23. 前記第6の段階で、前記Geイオンのドーピングは、イオン注入装置を用いて行われることを特徴とする請求項13に記載の半導体基板の製造方法。
  24. 前記第7の段階で、前記Si層のアニーリングは、レーザービーム装置及び低温炉装置を用いて行われることを特徴とする請求項13に記載の半導体基板の製造方法。
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