JP2006222144A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、歪みシリコン領域を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a strained silicon region and a method for manufacturing the same.
従来、MOSトランジスタの高性能化を目的として、シリコン基板上にゲルマニウム組成に関する濃度勾配を有するSiGe層を形成し、さらに歪み緩和させたSiGe層を形成した後、引っ張り応力を有するSi層を形成する方法が用いられている。この方法により形成された基板を用いることで、MOSトランジスタの移動度の向上が実現される。 Conventionally, for the purpose of improving the performance of MOS transistors, a SiGe layer having a concentration gradient related to a germanium composition is formed on a silicon substrate, and a SiGe layer having a strain relaxation is formed, followed by forming a Si layer having a tensile stress. The method is used. By using the substrate formed by this method, the mobility of the MOS transistor can be improved.
しかしながら、この方法の問題点として、歪みSi層表面の転位の密度が極めて高いことが挙げられる。この転位密度の低減なくしては、歪みSi層にLSIを作成したとしても、例えばリーク電流等の点で劣ったトランジスタしか実現できず、従ってLSIを作成するための基板として実用化することはできない。 However, a problem with this method is that the dislocation density on the surface of the strained Si layer is extremely high. Without reducing this dislocation density, even if an LSI is formed on a strained Si layer, for example, only a transistor inferior in terms of leakage current or the like can be realized, and therefore cannot be put into practical use as a substrate for forming an LSI. .
また、特許文献1には、SiGe層をフォトレジストでパターニングし、プラズマエッチングして、領域の周囲にトレンチを形成し、不活性雰囲気中で基板およびSiGe層を熱アニーリングして、SiGe層を緩和する半導体基板の製造方法が開示されている。
本発明の目的は、歪みシリコン領域を有するMOSトランジスタの高性能化を図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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can improve the performance of a MOS transistor having a strained silicon region.
本発明の一形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にGe濃度が濃度勾配を有する第1のSiGe層を形成する工程と、前記第1のSiGe層上に歪み緩和させた第2のSiGe層を形成する工程と、前記第2のSiGe層と前記第1のSiGe層の少なくとも一部とに溝を形成する工程と、前記溝が形成された後、溝を埋め込む工程よりも前に全体を熱処理する工程と、を有する。 According to one embodiment of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first SiGe layer having a Ge concentration gradient on a semiconductor substrate; and a second step of relaxing strain on the first SiGe layer. A step of forming a SiGe layer, a step of forming a groove in at least a part of the second SiGe layer and the first SiGe layer, and a step of embedding the groove after the formation of the groove. And heat treating the whole.
本発明の一形態の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたGe濃度が濃度勾配を有する第1のSiGe層と、前記第1のSiGe層上に形成された歪み緩和させた第2のSiGe層と、を備え、区分された前記第2のSiGe層と前記第1のSiGe層の少なくとも一部との領域において、前記第2のSiGe層の表面に貫通している転位の密度が1×103cm−2以下である。 According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first SiGe layer having a concentration gradient of Ge formed on the semiconductor substrate, and a strain relaxation formed on the first SiGe layer. A dislocation penetrating the surface of the second SiGe layer in a region of the partitioned second SiGe layer and at least a part of the first SiGe layer. Is a density of 1 × 10 3 cm −2 or less.
本発明によれば、歪みシリコン領域を有するMOSトランジスタの高性能化を図る半導体装置およびその製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which aims at the performance enhancement of the MOS transistor which has a distortion silicon area | region, and its manufacturing method can be provided.
以下、実施の形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1〜図5は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。以下、図1〜図5に沿って本第1の実施の形態による半導体装置の製造工程について説明する。
(First embodiment)
1 to 5 are diagrams showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
まず図1に示すように、単結晶シリコン(Si)基板11上に、Ge濃度が0%から25%まで連続的に上昇する濃度勾配を有する厚さ2μmの単結晶SiGeグレーディッド層12を、SiH4とGeH4をソースガスとするエピタキシャル成長によって形成する。さらに連続的に、単結晶SiGeグレーディッド層12上に、Ge濃度25%のGeを均一濃度で含有する歪み緩和させた厚さ0.5μmのSiGeエピタキシャル層13を形成する。
First, as shown in FIG. 1, on a single crystal silicon (Si)
このとき、単結晶Siと単結晶SiGeとの間の格子定数の違いに起因して、転位21が形成される。転位21は、格子定数が変化している領域である単結晶SiGeグレーディッド層12で始まるが、転位線(21)は結晶の表面で終端するため、SiGeエピタキシャル層13の表面まで突き抜けることになる。
At this time,
この後、CMP法により、SiGeエピタキシャル層13の表面を平滑化する。さらに、SiGeエピタキシャル層13上にマスク(図示せず)を形成し、パターニングした後、図2に示すように、SiGeエピタキシャル層13およびSiGeグレーディッド層12の一部を、RIE法により、SiGeグレーディッド層12の途中領域までエッチングして複数の溝22を形成する。この後、マスクを剥離する。ここで、エッチングによって区切られたアイランド状のSiGe領域20の面積は、5mm×5mmとする。またエッチングの際の溝22は、幅0.5μmとする。ここで溝22の深さは、シリコン基板11まで達するものであってもよい。
Thereafter, the surface of the SiGe
この基板全体を、例えば水素あるいは窒素雰囲気中にて950℃で30分間熱処理することにより、図3に示すように、転位線(21)がエネルギー的に低い状態に向かって移動する。具体的には、SiGeエピタキシャル層13の表面まで突き抜けていた転位線(21)が、RIE法によって部分的に除去したSiGeグレーディッド層12の領域の側面で終端される状態に変化する。この処理では、格子歪みを緩和し、エネルギー的に不利な状態にある転位線をできるだけ短くすることが、ドライビングフォースとなっている。この熱処理により表面に荒れが生じることがあるため、この熱処理の後にCMPを行なってもよい。
By heat-treating the entire substrate at, for example, 950 ° C. for 30 minutes in a hydrogen or nitrogen atmosphere, the dislocation lines (21) move toward a state of low energy as shown in FIG. Specifically, the dislocation line (21) penetrating to the surface of the SiGe
この後、図4に示すように、Geを25%含有する歪み緩和させた厚さ1μmのSiGe層14を全面に堆積し、RIE法により形成した溝22を埋め込む。このときSiGe層14の溝の直上部においては、凹部が形成されることになる。さらに連続して、図5に示すように、SiGe層14上に、活性層としてGeを含有しない厚さ50nmの単結晶Si層15を堆積する。これにより、歪みの緩和された25%のGeを含有するSiGe上に、単結晶Siを堆積することになるので、引っ張り応力を持つSi層を形成できることになる。
Thereafter, as shown in FIG. 4, a 1 μm-
この方法で形成した歪みSi層の表面おいて観測される貫通転位密度を測定したところ、1×100から1×103cm−2の範囲であることが判明した。この転位密度は、後述する熱処理条件や溝を形成するレイアウト等に依存して変化し、1×101cm−2以下も実現できる。これに対し、従来の方法である、溝を形成しない場合の工程によって形成した歪みSi層の表面おいて観測された貫通転位密度は、1×105cm−2であった。これは、従来の方法を用いる限り、ウエハ全面に歪みSi層が存在するためであり、転位線が表面に貫通しない状態で終端できる場所はウエハの端部(べベル領域)しかないためと考えられる。 When the threading dislocation density observed on the surface of the strained Si layer formed by this method was measured, it was found to be in the range of 1 × 10 0 to 1 × 10 3 cm −2 . This dislocation density varies depending on the heat treatment conditions described later, the layout for forming the grooves, and the like, and can be 1 × 10 1 cm −2 or less. On the other hand, the threading dislocation density observed on the surface of the strained Si layer formed by the conventional method in the case where the groove was not formed was 1 × 10 5 cm −2 . This is because, as long as the conventional method is used, a strained Si layer exists on the entire surface of the wafer, and the only place where the dislocation line can be terminated without penetrating the surface is the end portion (bevel region) of the wafer. It is done.
本第1の実施の形態では、歪みの緩和されたSiGe領域を溝によりアイランド状とすることで、個々のアイランドに形成された転位が他のアイランドにまで広がることがなくなるため、従来の方法と比較して転位密度を劇的に低減できる。 In the first embodiment, the dislocations formed in individual islands do not spread to other islands by forming the SiGe region in which the strain is relaxed into an island shape by the grooves. In comparison, the dislocation density can be dramatically reduced.
なお、上記第1の実施の形態では、アイランド状に区切ったSiGe領域20の大きさ(面積)を5mm×5mmとしたが、この適正な大きさは、熱処理条件との関係で規定できる。
In the first embodiment, the size (area) of the SiGe
図6は、正方形のアイランド領域の一辺の長さに対する転位密度の関係を示す図である。図6では、アイランド領域の形状を正方形に固定してその大きさを変化させたときに、アイランドに加工した状態での熱処理に依存して、転位密度がどのように変化したかを調べた結果を示している。ここで、熱処理雰囲気は水素、圧力は10Torr、時間は30分で固定とした。アイランドの大きさが大きいほど、転位密度を低減するのに必要な温度が高いことがわかる。また実際のデバイスにおいては、デバイスのレイアウトに溝のパターンを対応させるなどするので、さまざまなパターンの溝を使うことができる。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship of the dislocation density with respect to the length of one side of the square island region. In FIG. 6, when the shape of the island region is fixed to a square and its size is changed, the result of examining how the dislocation density changes depending on the heat treatment in the state of being processed into an island. Is shown. Here, the heat treatment atmosphere was fixed at hydrogen, the pressure was 10 Torr, and the time was 30 minutes. It can be seen that the larger the size of the island, the higher the temperature required to reduce the dislocation density. In an actual device, since the groove pattern is made to correspond to the device layout, various patterns of grooves can be used.
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。本第2の実施の形態では、第1の実施の形態で示したアイランド状に形成した歪みSiGe層上に、歪みチャネルを有するMOSFETを含むLSIを作成する。図7において図1〜図5と同一な部分には同符号を付してある。図7において、31はゲート絶縁膜、32はゲート電極、33は側壁絶縁膜、34は拡散層、35は素子分離領域である。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, an LSI including a MOSFET having a strained channel is formed on the strained SiGe layer formed in the island shape shown in the first embodiment. In FIG. 7, the same parts as those in FIGS. In FIG. 7, 31 is a gate insulating film, 32 is a gate electrode, 33 is a sidewall insulating film, 34 is a diffusion layer, and 35 is an element isolation region.
このLSIの作成工程においては、図7に示したように、溝22を形成する位置を素子分離領域35と一致させること、すなわちMOSFETの形成される領域をRIE法により転位線(21)を終端させる領域と一致させないようにすることで、歪みSiGe層の表面に転位線が全く貫通していないMOSFETの作成が可能となる。このMOSFETにおいては、溝を埋め込んだSiGe層14は最終的には残らないことになる。
In this LSI manufacturing process, as shown in FIG. 7, the position where the trench 22 is formed coincides with the
アイランド領域の形成方法としては、RIE法により溝を形成する領域を素子分離領域と一致させる方法、あるいはLSIのチップを区切るダイシングライン領域と一致させる方法がある。すなわち、溝と半導体素子の活性領域の位置が一致しないようにする。溝の位置の取り方によってアイランド領域の大きさが異なるため、それぞれの取り方に合わせた熱処理を行うことで、MOSFETに転位が達しないようにすることができる。 As a method for forming an island region, there are a method of matching a region where a groove is formed by the RIE method with a device isolation region, or a method of matching a dicing line region for dividing an LSI chip. That is, the position of the trench and the active region of the semiconductor element is not matched. Since the size of the island region differs depending on how the groove is taken, dislocations can be prevented from reaching the MOSFET by performing heat treatment according to each way.
この方法で形成したアイランド領域内において、転位密度は1×103cm−2以下となっていた。また、濃度勾配を有するSiGe層中においては、歪みを緩和するための転位が高密度に存在するが、そのうちの95%以上がSiGe層の表面に貫通することなく、アイランドの端部で終端されていることが確認された。 In the island region formed by this method, the dislocation density was 1 × 10 3 cm −2 or less. Moreover, in the SiGe layer having a concentration gradient, dislocations for relaxing the strain exist at high density, but 95% or more of them are terminated at the end of the island without penetrating the surface of the SiGe layer. It was confirmed that
このように作成したMOSFETは、通常の歪みSi層上に形成したMOSFETと比較して、ゲート絶縁膜の不良率が1/10以下に抑えられ、また接合リーク電流を1/100以下にすることができた。 Compared with a MOSFET formed on a normal strained Si layer, the MOSFET produced in this way has a gate insulating film defective rate of 1/10 or less and a junction leakage current of 1/100 or less. I was able to.
以上のように本実施の形態では、濃度勾配を有するSiGe層を形成し、さらに歪み緩和させたSiGe層を形成した後、リソグラフィ工程およびドライエッチング工程により、少なくとも濃度勾配を有するSiGe層に到達する深さを有する溝を形成することで、基板表面をアイランド状に加工する。ここでアイランドの形状は、形成するLSIのチップサイズと一致させることができる。レジストを剥離した後、熱処理を行うことで、SiGe層中に形成された転位ループの端部を、基板表面からアイランド端部に移動させ、さらにこの後、CMP法により歪み緩和させたSiGe層の一部をエッチングし、表面の平滑化を図る。この後、さらに歪み緩和させたSiGe層と歪みSi層を形成する。 As described above, in this embodiment, after forming a SiGe layer having a concentration gradient and further forming a strain-relieved SiGe layer, the SiGe layer having at least the concentration gradient is reached by a lithography process and a dry etching process. By forming a groove having a depth, the substrate surface is processed into an island shape. Here, the shape of the island can be matched with the chip size of the LSI to be formed. After removing the resist, heat treatment is performed to move the end of the dislocation loop formed in the SiGe layer from the substrate surface to the end of the island, and thereafter, the strain of the SiGe layer is relaxed by CMP. Etch part to smooth the surface. Thereafter, a strain-reduced SiGe layer and strained Si layer are formed.
これにより、基板表面に存在する転位密度の低い、歪みSiウエハを形成することができる。この結果として、ゲート絶縁膜耐圧が良好で接合リークの低い半導体装置を実現できる。 As a result, a strained Si wafer having a low dislocation density existing on the substrate surface can be formed. As a result, a semiconductor device having a good gate insulating film breakdown voltage and low junction leakage can be realized.
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。 In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, In the range which does not change a summary, it can deform | transform suitably and can be implemented.
11…Si基板 12…濃度勾配を有するSiGe層 13…歪み緩和SiGe層 14…SiGe層 15…歪みSi層 20…アイランド状のSiGe領域 21…転位 22…溝 31…ゲート絶縁膜 32…ゲート電極 33…側壁絶縁膜 34…拡散層 35…素子分離領域
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1のSiGe層上に歪み緩和させた第2のSiGe層を形成する工程と、
前記第2のSiGe層と前記第1のSiGe層の少なくとも一部とに溝を形成する工程と、
前記溝が形成された後、溝を埋め込む工程よりも前に全体を熱処理する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first SiGe layer having a Ge concentration gradient on a semiconductor substrate;
Forming a strain-relieved second SiGe layer on the first SiGe layer;
Forming a groove in the second SiGe layer and at least a portion of the first SiGe layer;
After the groove is formed, a step of heat treating the whole before the step of filling the groove;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3のSiGe層上にSi層を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a strain-relaxed third SiGe layer on the second SiGe layer;
Forming a Si layer on the third SiGe layer;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記半導体基板上に形成されたGe濃度が濃度勾配を有する第1のSiGe層と、
前記第1のSiGe層上に形成された歪み緩和させた第2のSiGe層と、を備え、
区分された前記第2のSiGe層と前記第1のSiGe層の少なくとも一部との領域において、前記第2のSiGe層の表面に貫通している転位の密度が1×103cm−2以下であることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first SiGe layer having a concentration gradient of Ge formed on the semiconductor substrate;
A strain-relaxed second SiGe layer formed on the first SiGe layer,
In the divided region of the second SiGe layer and at least a part of the first SiGe layer, the density of dislocations penetrating the surface of the second SiGe layer is 1 × 10 3 cm −2 or less. A semiconductor device characterized by the above.
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JP2009177170A (en) * | 2007-12-28 | 2009-08-06 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Semiconductor substrate and method of manufacturing the same, and electronic device |
JP2009177167A (en) * | 2007-12-28 | 2009-08-06 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Semiconductor substrate and method of manufacturing the same, and electronic device |
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JP2010226079A (en) * | 2008-10-02 | 2010-10-07 | Sumitomo Chemical Co Ltd | Semiconductor substrate, electronic device, and method of manufacturing the semiconductor substrate |
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2005
- 2005-02-08 JP JP2005031936A patent/JP2006222144A/en active Pending
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