JP2006287006A - Semiconductor substrate, semiconductor device, and its manufacturing method - Google Patents

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嘉伸 木村
Nobuyuki Sugii
信之 杉井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device controlled in crystallinity and strain and having low costs, high withstand voltage, and low channel conductance by reducing the thickness of an SiGe layer from which a strain Si layer is obtained, the strain Si layer being formed taking a strain relaxation SiGe layer formed on an Si substrate as a virtual substrate. <P>SOLUTION: The semiconductor substrate includes a first semiconductor laminate structure where an SiGe layer and an Si layer are laminated on the entire surface of a principal surface of a first conductivity type Si substrate or an SOI or on a part of the same, and has dislocation on an interface between the Si substrate and the SiGe layer. A start point of the dislocation line and the end point of the same are existent on the side surface of the substrate, and the start point and the end point are substantially not existent on a principal surface of strain Si, so that the SiGe layer is subjected partly or completely to strain relaxation. The strain Si layer of tension strain is formed on the SiGe layer. Further, a principal surface of the substrate that does not contain the first semiconductor laminated structure can include an compression strain Si region. Furthermore, at least two kinds of field effect transistors can be formed. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板及びこの半導体基板を用いた半導体装置、わけても電界効果型トランジスタの装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor substrate and a semiconductor device using the semiconductor substrate, in particular, a field effect transistor device and a manufacturing method thereof.

デジタル家電用マイコンやパーソナルコンピュータなどに用いられる大規模集積回路(LSI)や移動体通信端末に用いられるアナログ高周波用電子部品(例えば送信用アンプ、受信用集積回路など)には高速化、低消費電力化、多機能化が求められている。回路を構成する電子素子、例えば、シリコン(Si)電界効果型トランジスタ(FET)においては、これまで、リソグラフィ技術を駆使し、主にゲート長を短縮化することによって、素子の高性能化(電流駆動力の向上、消費電力の低減)が実現されてきた。   High speed and low power consumption for large-scale integrated circuits (LSIs) used in digital home appliance microcomputers and personal computers, and analog high-frequency electronic components used in mobile communication terminals (for example, transmission amplifiers and reception integrated circuits) There is a need for more power and functionality. Electronic devices that make up circuits, such as silicon (Si) field effect transistors (FETs), have so far been made more efficient by using lithography technology, mainly by shortening the gate length. Improvement in driving force and reduction in power consumption) have been realized.

しかしながら、最小加工寸法100nm以下の微細化技術においては、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタにおける短チャネル効果により、チャネル内キャリアのドリフト速度が飽和する。即ち、微細化に伴って、トランジスタのオン電流が小さくなってしまう問題が生じてきた。又、トランジスタの耐圧も低下するため、アナログ回路に適用するには問題が生ずる。更に、微細化技術に関しても、設備や製造コストが増大する問題も生じてきている。   However, in a miniaturization technique with a minimum processing dimension of 100 nm or less, the drift velocity of carriers in the channel is saturated due to a short channel effect in a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor. That is, with the miniaturization, there has been a problem that the on-current of the transistor becomes small. In addition, since the breakdown voltage of the transistor is lowered, a problem arises when applied to an analog circuit. Further, with respect to the miniaturization technique, there has been a problem that equipment and manufacturing costs increase.

そこで、微細化技術のみに頼らず、材料開発により上記電子素子の性能向上させることが期待されている.その中で、Si材料の長所を生かしつつ、材料の移動度を向上させることが可能な歪Siが注目されている。歪Siは、Si結晶の対称性の低下により電子状態が変化し、Si結晶に面内引っ張りを与えると電子の移動度が、面内に圧縮応力を与えると正孔の移動度が増加する特徴を有する。   Therefore, it is expected to improve the performance of the electronic devices by developing materials without relying only on miniaturization technology. Among them, strained Si, which can improve the mobility of materials while taking advantage of the advantages of Si materials, has attracted attention. Strained Si changes its electronic state due to a decrease in symmetry of the Si crystal, and the mobility of electrons increases when in-plane tension is applied to the Si crystal, and the mobility of holes increases when compressive stress is applied in the plane. Have

Siに歪を与える方法として、例えば(1)デバイス製造プロセスに導入する“局所歪による方法”、(2)仮想基板(Si基板上に例えば歪緩和SiGe層などを形成した基板)を用いた“グローバル歪による方法”などが知られている。   As a method for imparting strain to Si, for example, (1) “method by local strain” to be introduced into the device manufacturing process, and (2) a virtual substrate (a substrate in which a strain relaxation SiGe layer or the like is formed on a Si substrate) is used. A method using global distortion is known.

局所歪による方法は、例えば、論文Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2003、 P11.6.1.をあげることが出来る(非特許文献1)。ここでの方法は、PMOSのソース、ドレイン領域のSiをエッチングしてくぼみを形成し、そのくぼみを埋めるようにSiGeをエピタクシャル成長する。その結果、ソース、ドレインで挟まれたチャネル領域に一軸性圧縮歪が与えられ、チャネル内の正孔移動度が50%以上上昇する。又、NMOSの場合は、ゲート上層にSiNキャップ層を形成して、チャネル領域に引っ張り歪を伝達する。その結果、飽和ドレイン電流が10%上昇する。   Examples of the method using local strain include the paper Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2003, P11.6.1. (Non-patent Document 1). In this method, Si in the PMOS source and drain regions is etched to form a recess, and SiGe is epitaxially grown so as to fill the recess. As a result, a uniaxial compressive strain is applied to the channel region sandwiched between the source and drain, and the hole mobility in the channel increases by 50% or more. In the case of NMOS, a SiN cap layer is formed on the gate upper layer to transmit tensile strain to the channel region. As a result, the saturation drain current increases by 10%.

グローバル歪による方法のコンセプトは、Si基板上に基板と格子定数の異なった薄膜材料をエピタクシャル成長させた仮想基板を用いることである。この仮想基板表面にSiをエピタクシャル成長させてSi膜を歪ませる。仮想基板の格子定数がSiの格子定数より大きければ、引っ張り歪のSi膜が、仮想基板の格子定数がSiの格子定数よりも小さければ、圧縮歪のSi膜が形成される。   The concept of the global strain method is to use a virtual substrate on which a thin film material having a different lattice constant from that of the substrate is epitaxially grown on a Si substrate. The Si film is distorted by epitaxially growing Si on the virtual substrate surface. If the lattice constant of the virtual substrate is larger than the lattice constant of Si, a tensile strained Si film is formed. If the lattice constant of the virtual substrate is smaller than the lattice constant of Si, a compressive strained Si film is formed.

仮想基板を形成する技術として、多くの方法が知られている。その中の代表例とし、Si基板上に歪緩和したSiGe(Si1-xGex)混晶層を成長した仮想基板が知られている。その望ましい形態はSiGe層が完全に歪緩和していて、且つ、表面に結晶欠陥(貫通転位など)が存在しないことである。 Many methods are known as a technique for forming a virtual substrate. As a representative example, a virtual substrate is known in which a strained SiGe (Si 1-x Ge x ) mixed crystal layer is grown on a Si substrate. The desirable form is that the SiGe layer is completely strain-relaxed and crystal defects (such as threading dislocations) do not exist on the surface.

Si基板上にSiGeを成長させると、初期段階では、Siと格子整合するため、SiGe膜内部には圧縮歪が内包されている。膜厚を増加させ、臨界膜厚hcを超えた段階ではSiGe/Si基板界面にミスフィット転位が形成されSiGeの内包歪を解放する。しかし、この段階ではSiGeは転位線付近のみの部分的格子緩和にとどまる。そこで、SiGeの膜厚を増加させ、4hc以上の膜厚のSiGe層を形成すると、ミスフィット転位の増殖が起こる。その結果、SiGe層は十分に歪緩和していく。例えば、R. Beanlandの論文溺ultiplication of misfit dislocations in epitaxial layers煤AJ. Appl. Phys.、 72 (1992) 4031によれば、このときの転位の増殖はFrank-Read機構による(非特許文献4)。この転位増殖機構は、SiGe/Si基板界面で形成されたミスフィット転位線が、薄膜表面へ抜けた貫通転位が分解することによる。即ち、貫通転位に働く張力がある膜厚値を超えると滑り、薄膜断面内で弧を描くように運動する。そして、この弧が表面に達することにより転位線は切れる。その結果、転位線が増殖するというものである。言い換えると、この機構は、貫通転位を利用しており、厚膜化に伴う貫通転位線に働く張力が転位増殖の駆動力になっている。 When SiGe is grown on the Si substrate, in the initial stage, it is lattice-matched with Si. Therefore, compressive strain is included in the SiGe film. When the film thickness is increased and the critical film thickness hc is exceeded, misfit dislocations are formed at the SiGe / Si substrate interface to release the internal strain of SiGe. However, at this stage, SiGe stays in partial lattice relaxation only near the dislocation lines. Therefore, increasing the thickness of the SiGe, to form a SiGe layer with a thickness of more than 4h c, proliferation of misfit dislocations occurs. As a result, the SiGe layer is sufficiently relaxed. For example, according to R. Beanland's paper “ultiplication of misfit dislocations in epitaxial layers” AJ. Appl. Phys., 72 (1992) 4031, the proliferation of dislocations at this time is due to the Frank-Read mechanism (Non-patent Document 4). . This dislocation growth mechanism is due to the fact that misfit dislocation lines formed at the SiGe / Si substrate interface decompose through threading dislocations that have escaped to the thin film surface. That is, when the tension acting on threading dislocation exceeds a certain film thickness value, the film slips and moves so as to draw an arc in the thin film cross section. And when this arc reaches the surface, the dislocation line is cut. As a result, dislocation lines proliferate. In other words, this mechanism uses threading dislocations, and the tension acting on threading dislocation lines accompanying the increase in film thickness is the driving force for dislocation growth.

一方、例えば、W. Hagen等の論文、鄭 New Type of Source Generating Misfit Dislocations煤AAppl. Phys.、17(1978)85に見られるように、Frank-Read機構以外の転位増殖機構として、Hagen-Strunk機構がある(非特許文献5)。これは、バーガースベクトルが等しく且つ互いに界面内で垂直な2本のミスフィット転位線が交差するときに、一方の転位線が切れ2本になることにより増殖するというものである。Y. Obayashi等の論文、「Is the Hagen-Strunk multiplication mechanism of misfit dislocations in heteroepitaxial layers probable?」Phil. Mag. Lett.、76(1997)1によるエネルギ計算によれば、Hagen-Strunk機構で転位増殖するためには、転位増殖臨界膜厚hh-s以下でなければならない(非特許文献6)。ところが、SiGe/Si系の場合、ミスフィット転位が形成される臨界膜厚hcは、hh-sより大きくなるため、Hagen-Strunk機構での転位増殖は起こらないと考えられている。 On the other hand, as seen in, for example, a paper by W. Hagen et al., 鄭 New Type of Source Generating Misfit Dislocations 煤 AAppl. Phys., 17 (1978) 85, Hagen-Strunk as a transposition growth mechanism other than Frank-Read mechanism. There is a mechanism (Non-Patent Document 5). This means that when two misfit dislocation lines that have the same Burgers vector and are perpendicular to each other in the interface intersect, one dislocation line breaks and grows. According to the energy calculation by Y. Obayashi et al., “Is the Hagen-Strunk multiplication mechanism of misfit dislocations in heteroepitaxial layers probable?” Phil. Mag. Lett., 76 (1997) 1, dislocation multiplication by Hagen-Strunk mechanism. In order to achieve this, the translocation growth critical film thickness h hs or less must be maintained (Non-patent Document 6). However, in the case of the SiGe / Si system, the critical film thickness h c at which misfit dislocations are formed is larger than h hs , and it is considered that dislocation growth by the Hagen-Strunk mechanism does not occur.

さて、貫通転位は、仮想基板表面での結晶欠陥になるため、歪Siの結晶性に悪影響を及ぼす。しかしながら、SiGeを歪緩和させるためには、上記の通り貫通転位を利用した転位増殖が必要である.このために、仮想基板形成技術においては、SiGe層の歪緩和と貫通転位低減化を両立させなければならない。Si基板上に貫通転位の少ない歪緩和したSiGeを成長させる方法は、米国特許、USP5、221、413(特許文献1)或いはAppl. Phys. Lett、59(1991)811(非特許文献2)に開示されている。特許文献1によれば、摂氏850度を超えた成長温度にて、Si基板上にGe組成を目的の組成まで傾斜して増加させた(1ミクロンあたり約25%以下の増加率)条件でSiGeバッファ層を形成すると貫通転位の少ない歪緩和したSiGe層が形成される。   Now, threading dislocations cause crystal defects on the surface of the virtual substrate, which adversely affects the crystallinity of strained Si. However, dislocation growth using threading dislocations is necessary for strain relaxation of SiGe as described above. For this reason, in the virtual substrate formation technology, it is necessary to achieve both strain relaxation of the SiGe layer and reduction of threading dislocations. A method of growing strain relaxed SiGe with few threading dislocations on a Si substrate is disclosed in US Pat. No. 5,221,413 (Patent Document 1) or Appl. Phys. Lett, 59 (1991) 811 (Non-Patent Document 2). It is disclosed. According to Patent Document 1, SiGe is grown on a Si substrate at a growth temperature exceeding 850 degrees Celsius under a condition where the Ge composition is increased to a target composition in an inclined manner (increase rate of about 25% or less per micron). When the buffer layer is formed, a strain-relieved SiGe layer with few threading dislocations is formed.

上記Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法以外では、転位増殖を利用せずにSiGe層を緩和させる方法が開示されている。例えば、Appl. Phys. Lett.、76(2000)3552(非特許文献3)は、Si基板上にSiGe層を成膜後、水素イオン注入を行い、その後摂氏800度でアニールを行うと、SiGe/Si基板界面付近で微小な亀裂と転位ループが形成され、その結果、SiGeが歪緩和する。特開2003-273017号公報(特許文献2)は水素分子を用いて、効率よくSiGeを歪緩和させている。   Other than the method using the Ge composition gradient buffer layer, a method of relaxing the SiGe layer without using dislocation growth is disclosed. For example, Appl. Phys. Lett., 76 (2000) 3552 (Non-Patent Document 3) describes that when a SiGe layer is formed on a Si substrate, hydrogen ion implantation is performed, and then annealing is performed at 800 degrees Celsius. Small cracks and dislocation loops are formed in the vicinity of the / Si substrate interface, resulting in strain relaxation of SiGe. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-273017 (Patent Document 2) uses Si molecules to efficiently relax the strain of SiGe.

特開2003-282463号公報(特許文献3)によれば、Si基板表面を陽極酸化法により、多孔質に変換し、その後、孔を酸化することによって、Si格子に引っ張り応力を与え、その上にSiGeを成膜するとSiGeの歪は緩和されていることが開示されている。   According to Japanese Patent Laid-Open No. 2003-282463 (Patent Document 3), the Si substrate surface is converted to porous by an anodic oxidation method, and then the pores are oxidized to give tensile stress to the Si lattice. In addition, it is disclosed that when SiGe is deposited, the strain of SiGe is relaxed.

特開2003-23160号公報(特許文献4)では、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いて絶縁層上に形成した島状SiGeを熱酸化すると、Ge濃度が増大し、SiGe層の端部を起点としてSiGe層と下地絶縁層との界面で滑りが生じ、その結果、SiGeの歪が緩和される方法が開示されている。   In Japanese Patent Laid-Open No. 2003-23160 (Patent Document 4), when an island-shaped SiGe formed on an insulating layer using a SOI (Silicon on Insulator) substrate is thermally oxidized, the Ge concentration increases, and the end of the SiGe layer is changed. As a starting point, a method is disclosed in which slip occurs at the interface between the SiGe layer and the base insulating layer, and as a result, the strain of SiGe is relaxed.

米国特許 USP5221413 (1993.6.22)US Patent USP52221413 (1993.6.22) 特開2003-273017JP 2003-273017 A 特開2003-282463JP 2003-282463 A 特開2003-23160JP2003-23160 T. Ghani、et al.、「A 90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors」、 Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2003、 P11.6.1.T. Ghani, et al., “A 90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors”, Tech. Dig. Int. Electron Devices Meet. 2003, P11.6.1. E.. A. Fitzgerald et al.、「Totally relaxed GexSi1-x layers with low threading dislocation densities grown on Si substrates」、 Appl. Phys. Lett、 59 (1991) 811.E .. A. Fitzgerald et al., “Totally relaxed GexSi1-x layers with low threading dislocation yields grown on Si substrates”, Appl. Phys. Lett, 59 (1991) 811. H. Trinkaus et al.「Strain relaxation mechanism for hydrogen-implanted Si1-xGex/Si(100) heterostructures」、 Appl. Phys. Lett.、 76 (2000)3552H. Trinkaus et al. “Strain relaxation mechanism for hydrogen-implanted Si1-xGex / Si (100) heterostructures”, Appl. Phys. Lett., 76 (2000) 3552. R. Beanland、「Multiplication of misfit dislocations in epitaxial layers」、 J. Appl. Phys.、 72 (1992) 4031R. Beanland, “Multiplication of misfit dislocations in epitaxial layers”, J. Appl. Phys., 72 (1992) 4031 W. Hagen and H. Strunk、「A New Type of Source Generating Misfit Dislocations」、 Appl. Phys.、 17 (1978) 85W. Hagen and H. Strunk, “A New Type of Source Generating Misfit Dislocations”, Appl. Phys., 17 (1978) 85 Y. Obayashi and K. Shintani、「Is the Hagen-Strunk multiplication mechanism of misfit dislocations in heteroepitaxial layers probable?」、 Phil. Mag. Lett.、 76 (1997) 1Y. Obayashi and K. Shintani, "Is the Hagen-Strunk multiplication mechanism of misfit dislocations in heteroepitaxial layers probable?", Phil. Mag. Lett., 76 (1997) 1

Siに引っ張りと圧縮の歪を与えることにより、キャリアの移動度を向上させることを目的とした従来技術は、以下に述べる難点がある。   The prior art aimed at improving carrier mobility by applying tensile and compressive strain to Si has the following difficulties.

局所歪を用いた方法は、SiNキャップ膜をMOSFETのゲート上部に形成して引っ張り応力をチャネル部に伝達させている。このため、Si膜に大きな歪を与えることが困難であり、NMOSにおいては、10%の電流向上に留まってしまう。すなわち、NMOSに必要な引っ張り歪量が十分でなく、また歪の定量的制御が十分でない難点がある。   In the method using local strain, a SiN cap film is formed on the upper portion of the MOSFET gate to transmit tensile stress to the channel portion. For this reason, it is difficult to give a large strain to the Si film, and in the NMOS, the current improvement is only 10%. That is, the tensile strain required for the NMOS is not sufficient, and the quantitative control of the strain is not sufficient.

グローバル歪を用いた方法は、仮想基板表面を通してSi膜に十分な量の歪を与えることができるが、Si膜全面で歪は一様である。よって、Si膜に引っ張り歪を与えると、NMOSの性能は向上するが、PMOSの性能が低下してしまい、又、圧縮歪の場合も逆に同様である。即ち、NMOSとPMOSの両方の性能を向上することができないため、 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)の性能向上を実現することが難しくなってしまう。   The method using global strain can give a sufficient amount of strain to the Si film through the virtual substrate surface, but the strain is uniform over the entire surface of the Si film. Therefore, when tensile strain is applied to the Si film, the performance of the NMOS is improved, but the performance of the PMOS is lowered, and vice versa. That is, it is difficult to improve the performance of CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) because the performance of both NMOS and PMOS cannot be improved.

Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法は、SiGe層が数ミクロンと厚いため、SiGe層をパターニングして部分的に歪を与えるようなことは極めて困難である。従って、本方法によって、基板全面にSiGeを成膜することに限定されてしまう。   In the method using the Ge composition graded buffer layer, since the SiGe layer is as thick as several microns, it is extremely difficult to pattern the SiGe layer and partially give strain. Therefore, this method is limited to depositing SiGe on the entire surface of the substrate.

Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法は、原料ガスなどの材料費及び光熱費が増加するため、基板単価が上昇してしまう難点がある。例えば、傾斜SiGeバッファ層では、数ミクロンの膜厚のSiGe層を成膜しなければならないため、通常のCVD法を用いた成膜では数時間を要してしまう。   In the method using the Ge composition gradient buffer layer, the material cost such as the source gas and the utility cost increase, so that there is a problem that the unit price of the substrate increases. For example, in a tilted SiGe buffer layer, a SiGe layer having a thickness of several microns must be formed, and therefore, film formation using a normal CVD method requires several hours.

Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法において、SiGe層を歪緩和させるためにミスフィット転位や転位ループなどの結晶欠陥を導入しなければならない。転位線は、結晶内部でループを形成するか、さもなければ、ウエハの膜の側面もしくは、貫通転位として表面に突き抜けなければならない。このため、SiGe膜表面上にも結晶欠陥が付随する。典型的には貫通転位密度は10−10cm−2 存在している。 In the method using the Ge composition gradient buffer layer, crystal defects such as misfit dislocations and dislocation loops must be introduced in order to relax the strain of the SiGe layer. Dislocation lines must form loops within the crystal or otherwise penetrate through the side of the wafer film or through the surface as threading dislocations. For this reason, crystal defects also accompany the SiGe film surface. Typically, the threading dislocation density is 10 3 -10 6 cm -2 .

Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法において、SiGeはSiに比べて熱伝導度が低いため、厚膜SiGe層により放熱性が低下し、素子の温度が上昇する問題がある。   In the method using the Ge composition gradient buffer layer, since SiGe has lower thermal conductivity than Si, there is a problem that heat dissipation is reduced by the thick SiGe layer and the temperature of the device is increased.

即ち、Ge組成傾斜バッファ層を用いた方法の課題における根本的な原因は、歪緩和SiGe層の膜厚が数ミクロンと厚くなってしまうことに起因する。   That is, the fundamental cause of the problem of the method using the Ge composition gradient buffer layer is that the film thickness of the strain relaxation SiGe layer becomes as thick as several microns.

他の方法も陽極酸化やイオン注入プロセスを必要とするため仮想基板作製プロセスが複雑になり製造コストが高くなる。   Other methods also require anodization and ion implantation processes, which complicates the virtual substrate manufacturing process and increases manufacturing costs.

又、SiGeを用いない方法は、歪量を定量的に制御するのが困難である
従って、本発明の課題は、SiGeの長所を利用し、短所を補うことであり、即ち、SiGeの膜厚を薄くすること、貫通転位を抑制することである。その効果として、低コストで製造でき、歪の方向と大きさが定量的に制御された結晶性に優れた歪Siを提供する。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付の図面によって明らかになるであろう。
In addition, the method without using SiGe makes it difficult to quantitatively control the amount of strain. Therefore, the object of the present invention is to use the advantages of SiGe to compensate for the disadvantages, that is, the film thickness of SiGe. Is to reduce the threading dislocation, and to suppress threading dislocations. As an effect, the present invention provides strained Si excellent in crystallinity that can be manufactured at a low cost and whose strain direction and magnitude are quantitatively controlled. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの骨子を説明すれば、以下の通りである。本発明の半導体基板の有する歪Si積層構造の基本構成は、第1導電型のSi基板もしくはSOI基板の主面の全面もしくは一部に、SiGe層とSi層が順次積層された第1の半導体積層構造を有する。そして、第1の半導体積層構造のSiGe層と前記基板の界面には、転位を大量に含んでいる。この転位線の始点と終点は基板の側面に存在しており、前記歪Siの主面には転位線の始点又は終点がほとんど存在しない。この為、前記SiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和している。更に、好ましくは、前記SiGe層の膜厚は、100nm程度もしくは以下となす。この膜厚以下で、十分な歪緩和SiGe層を実現することが出来る。本願発明は、従来技術に比べて格段に薄く、前記歪Siの歪は面内で引っ張りである。   Of the inventions disclosed in the present application, the gist of representative ones will be described as follows. The basic structure of the strained Si laminated structure of the semiconductor substrate of the present invention is that the first semiconductor in which the SiGe layer and the Si layer are sequentially laminated on the whole or part of the main surface of the first conductivity type Si substrate or SOI substrate. It has a laminated structure. The interface between the SiGe layer having the first semiconductor stacked structure and the substrate contains a large amount of dislocations. The start point and end point of the dislocation line exist on the side surface of the substrate, and the start point or end point of the dislocation line hardly exists on the main surface of the strained Si. For this reason, the SiGe layer is partially or completely strain relaxed. More preferably, the thickness of the SiGe layer is about 100 nm or less. Below this film thickness, a sufficient strain relaxation SiGe layer can be realized. The present invention is remarkably thinner than the prior art, and the strain of the strained Si is tensile in the plane.

前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の、基板表面にはSiGeで挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を有しても良い。このSi領域には面内で圧縮の歪を受けている。   A part of the region not including the first semiconductor multilayer structure may have a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe on the substrate surface. This Si region is subjected to compressive strain in the plane.

又、前記基板に形成するSiGe層は複数層をもって構成することも可能である。この場合、第1のSiGe層と前記基板の界面及び、第nのSiGe層と第(n−1)のSiGe層の界面には転位を含んでおり、前記第1のSiGe層、より前記第nのSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、且つ前記Si層は、面内で引っ張り歪を有する第1の歪Si層となっている。この形態は、後述するように、Ge濃度が20%以上の歪緩和SiGe層を得る場合に、極めて有用である。尚、上記複数のSiGe層の数nは、概ね10程度以下が実用的である。   Further, the SiGe layer formed on the substrate can be composed of a plurality of layers. In this case, the interface between the first SiGe layer and the substrate and the interface between the nth SiGe layer and the (n−1) th SiGe layer contain dislocations, and the first SiGe layer and the first The n SiGe layer is partially or completely strain relaxed, and the Si layer is a first strained Si layer having tensile strain in the plane. This form is extremely useful when obtaining a strain-relaxed SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more, as will be described later. The number n of the plurality of SiGe layers is practically about 10 or less.

本発明の第1の電界効果型半導体装置の構成は、前記第1の半導体積層構造の主面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下のチャネル形成領域となるSi層を挟むように、絶縁ゲート型電界効果型トランジスタが構成されている。この場合、通例、前記歪Si層と前記SiGe層内に第2導電型のソース領域及びドレイン領域が形成されている。   The first field effect semiconductor device according to the present invention has a gate electrode on the main surface of the first semiconductor multilayer structure with a gate insulating film interposed therebetween, and serves as a channel formation region under the gate electrode. An insulated gate field effect transistor is configured to sandwich the Si layer. In this case, typically, a source region and a drain region of the second conductivity type are formed in the strained Si layer and the SiGe layer.

本発明の第2の電界効果型半導体装置の構成は、前記第2の半導体積層構造の主面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下のチャネル形成領域となるSi層を挟むように、絶縁ゲート型電界効果型トランジスタが構成されている。この場合、通例、前記歪Si層と前記SiGe層内に第2導電型のソース領域及びドレイン領域が形成されている。   The second field-effect semiconductor device of the present invention has a gate electrode on the main surface of the second semiconductor multilayer structure with a gate insulating film interposed therebetween, and serves as a channel formation region under the gate electrode. An insulated gate field effect transistor is configured to sandwich the Si layer. In this case, typically, a source region and a drain region of the second conductivity type are formed in the strained Si layer and the SiGe layer.

上記電界効果型半導体装置において、一般に、第1の電界効果型半導体装置のソース領域、ドレイン領域はN型であり、第2の電界効果型半導体装置のソース領域、ドレイン領域はP型が多用される。   In the field effect semiconductor device, generally, the source region and drain region of the first field effect semiconductor device are N-type, and the source region and drain region of the second field effect semiconductor device are P-type. The

又、第1の電界効果型半導体装置と第2の電界効果型半導体装置は隣接していて、CMOSを構成することも自由である。   Further, the first field effect semiconductor device and the second field effect semiconductor device are adjacent to each other, and a CMOS can be freely configured.

本発明の半導体基板を製造する代表的な例は次の工程を有するものである。即ち、Si基板又はSOI基板上に、ミスフィット転位が発生する膜厚である臨界膜厚以上のSiGe層を、前記基板の全面もしくは1部領域に堆積する工程、前記SiGe層の膜厚が10nm程度以下になるまで薄膜化する工程、及び前記SiGe層の歪みを部分的もしくは完全に緩和させる為、加熱処理を行う工程、前記前記SiGe層上にSi層を形成する工程、を有する。ここで、SiGe層の膜厚はHagen-Strank機構で転位増殖を起こす薄さにすることが肝要である。この厚さはSiGe層のGeの含有量にも依存するが、概ね、10nm以下、好ましくは5nm以下をなすことが好ましい。   A typical example of manufacturing the semiconductor substrate of the present invention includes the following steps. That is, a step of depositing a SiGe layer having a critical film thickness or more on a Si substrate or SOI substrate on the entire surface or a part of the substrate, the film thickness of which is 10 nm. A step of reducing the film thickness to a degree below, a step of performing a heat treatment to partially or completely relieve strain of the SiGe layer, and a step of forming a Si layer on the SiGe layer. Here, it is important to make the thickness of the SiGe layer thin enough to cause dislocation growth by the Hagen-Strank mechanism. This thickness depends on the Ge content of the SiGe layer, but is generally 10 nm or less, preferably 5 nm or less.

本発明の第1の観点によれば、結晶性に優れ、しかも歪が制御されたSi膜を有する半導体基板を得ることが出来る。合わせて、こうした半導体基板の製造方法を提供する。   According to the first aspect of the present invention, a semiconductor substrate having an Si film having excellent crystallinity and controlled strain can be obtained. In addition, a method for manufacturing such a semiconductor substrate is provided.

本発明の第2の観点によれば、電界効果トランジスタなどの電子素子の性能を向上することができる。   According to the second aspect of the present invention, the performance of an electronic device such as a field effect transistor can be improved.

具体的実施の形態を説明するに先立って、発明者が上述の手段を発明した背景について説明する。発明者は、歪緩和SiGe層の膜厚を、従来の数ミクロン厚よりも格段に薄くし、且つ貫通転位が形成されないような技術が実現すれば、上記のSiGe仮想基板における課題を解決できると考えた。その為に、歪緩和に必要なミスフィット転位を如何に増殖させるかを考え、SiGe成膜と結晶欠陥評価の実験研究を進めてきた。その研究過程において、Si基板上に図2の10で示す臨界膜厚hcを超えたSiGe膜を成膜し、その後、SiGe膜を薄くしたのちに、摂氏900度程度で加熱処理すると、SiGe膜とSi基板に形成されていたミスフィット転位が増殖することを発見した。尚、図2はSi基板上にSiGe膜を成膜した場合の、SiGe膜中のGe濃度と、ミスフィット転位が形成されるSiGe膜の臨界膜厚の関係を示す図である。横軸がSiGe膜中のGe濃度(原子数%)、縦軸が前記臨界膜厚(nm)である。曲線10が前記臨界膜厚である。 Prior to describing specific embodiments, the background of the inventor's inventing the above-described means will be described. The inventor can solve the above-mentioned problems in the SiGe virtual substrate if a technology is realized in which the strain relaxation SiGe layer is made much thinner than the conventional thickness of several microns and threading dislocations are not formed. Thought. For this purpose, we have been conducting experimental research on SiGe film formation and crystal defect evaluation, considering how to grow misfit dislocations necessary for strain relaxation. In the study process, forming a SiGe film exceeds the critical film thickness h c indicated by 10 in FIG. 2 on the Si substrate, then, after that thin SiGe film, when heated at about 900 degrees Celsius, SiGe It was discovered that misfit dislocations formed in the film and Si substrate proliferate. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Ge concentration in the SiGe film and the critical film thickness of the SiGe film in which misfit dislocations are formed when the SiGe film is formed on the Si substrate. The horizontal axis represents the Ge concentration (number of atoms) in the SiGe film, and the vertical axis represents the critical film thickness (nm). Curve 10 is the critical film thickness.

図3は、Si基板の上に成膜したSiGe膜の平面TEM像である。この図3の例では、SiGeの膜厚が臨界膜厚hcを超えており、格子状にミスフィット転位(例えば11)が観察されている。 FIG. 3 is a planar TEM image of the SiGe film formed on the Si substrate. In the example of FIG. 3, the film thickness of SiGe is above the critical thickness h c, lattice form misfit dislocations (e.g. 11) have been observed.

次にこの試料を熱酸化し、酸化膜を除去し、加熱処理を行った。すると、図4に示すように、ミスフィット転位の増殖(例えば12)が観察されている。尚、図4は、前記加熱処理後のSiGe膜の平面TEM像である。更に、エッチピット法で貫通転位を評価したところ、ミスフィット転位が増殖しているにもかかわらず、SiGe膜の貫通転位密度は、10/cm以下と極めて少ないことも判った。この転位増殖は、SiGe/Si界面で起こっており、従来では観察されていなかったHagen-Strunk機構もしくは、それに類似した機構による。ここで、図4の例は、転位増殖の初期の段階であり、実際に完全に歪緩和したときの転位増殖の写真は転位線で表面全体を覆いつくしている。 Next, this sample was thermally oxidized, the oxide film was removed, and heat treatment was performed. Then, as shown in FIG. 4, proliferation of misfit dislocations (for example, 12) is observed. FIG. 4 is a planar TEM image of the SiGe film after the heat treatment. Furthermore, when threading dislocations were evaluated by the etch pit method, it was also found that the threading dislocation density of the SiGe film was extremely small, 10 3 / cm 2 or less, despite misfit dislocations growing. This dislocation growth occurs at the SiGe / Si interface and is due to the Hagen-Strunk mechanism, which has not been observed in the past, or a similar mechanism. Here, the example of FIG. 4 is an early stage of dislocation growth, and the photograph of dislocation growth when the strain is actually completely relaxed covers the entire surface with dislocation lines.

従って、本手段により、SiGe/Si界面での転位増殖が生じ、その結果、SiGe層が歪緩和した。この歪緩和SiGe層の膜厚は100nm以下である。本発明においては、SiGe層上にSi層を成長させて歪Si層を形成するので、SiGe層は上部のSi層より応力を受ける。Si層によってSiGe層が歪を受けることは好ましくない。従って、SiGe層はある程度の膜厚が必要となる。上部に形成されるSi層の厚みにも依存するが、SiGe層の厚さは100nmより20nmの範囲が好ましい。   Therefore, dislocation growth at the SiGe / Si interface occurred by this means, and as a result, the SiGe layer was relaxed. The film thickness of this strain relaxation SiGe layer is 100 nm or less. In the present invention, since the Si layer is grown on the SiGe layer to form the strained Si layer, the SiGe layer receives stress from the upper Si layer. It is not preferable that the SiGe layer is distorted by the Si layer. Therefore, the SiGe layer needs a certain thickness. Although depending on the thickness of the Si layer formed on the upper part, the thickness of the SiGe layer is preferably in the range of 100 nm to 20 nm.

又、SiGe膜のGe濃度が20%未満のとき、初期に形成されるミスフィット転位は、60°転位となることが判った。この場合、ミスフィット転位は運動しやすく、転位線のほとんどはウエハの側面に抜ける。よって、転位線がウエハ表面に抜ける貫通転位はほとんど存在しない。更に、薄膜化、加熱処理による転位増殖過程においても、転位線は基板表面へ貫通せずにSiGe/Si界面に閉じ込められる傾向があることも発見した。   Further, it was found that when the Ge concentration of the SiGe film is less than 20%, misfit dislocations formed in the initial stage are 60 ° dislocations. In this case, misfit dislocations are easy to move, and most of the dislocation lines pass to the side of the wafer. Therefore, there are almost no threading dislocations where dislocation lines pass through the wafer surface. It was also discovered that dislocation lines tend to be confined at the SiGe / Si interface without penetrating the substrate surface even in the process of dislocation growth by thinning and heat treatment.

SiGe膜のGe濃度が20%以上になると、ミスフィット転位は90度転位と60度転位が混在して存在する傾向がある。90度転位は、転位の運動が制限されるため、転位線は比較的短い線分となり、転位線の両端は表面へ抜け、貫通転位を形成する。よって、Si基板上にGe濃度が20%以上のSiGe層を直接成膜すると結晶性の悪い(貫通転位の多い)歪緩和層が形成されてしまう。そこで、Ge濃度が20%以上のSiGe層を形成したい場合は、まずGe濃度が0.2未満で上記方法により第1歪緩和SiGe層を形成し、その上にGe濃度が第1層のGe濃度の2倍以下のSiGeを成膜して、上記方法を繰り返すことにより第2歪緩和SiGe層を形成する。必要なGe濃度に応じて第3、第4歪緩和SiGe層を形成すればよい。   When the Ge concentration of the SiGe film is 20% or more, misfit dislocations tend to exist in a mixture of 90 degree dislocations and 60 degree dislocations. Since the 90-degree dislocation restricts the movement of the dislocation, the dislocation line becomes a relatively short line segment, and both ends of the dislocation line pass through to the surface to form threading dislocations. Therefore, when a SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more is directly formed on a Si substrate, a strain relaxation layer having poor crystallinity (a lot of threading dislocations) is formed. Therefore, when it is desired to form a SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more, first, the first strain relaxation SiGe layer is formed by the above method at a Ge concentration of less than 0.2, and the Ge concentration is the Ge of the first layer. A second strain relaxation SiGe layer is formed by depositing SiGe having a concentration twice or less and repeating the above method. What is necessary is just to form the 3rd, 4th strain relaxation SiGe layer according to required Ge density | concentration.

上記の方法により、薄膜の歪緩和SiGe層を形成することができるが、SiGeが50nmより薄い場合は、SiGe上にSiを成膜したときにSi膜の応力によりSiGeが歪んでしまう。よって、歪緩和SiGe層を形成後、引き続き前記歪緩和SiGe層と同じGe濃度のSiGeバッファ層を成膜する必要がある。SiGeバッファ層の必要な膜厚は、Si層の膜厚に依存するが、100nm程度であればよい。尚、ここで、歪Si層の厚みは、ここに形成されるデバイスの要請にもよる。概ね、20nmより100nmの範囲が多用され実用的である。   Although the strain relaxation SiGe layer of the thin film can be formed by the above method, when SiGe is thinner than 50 nm, SiGe is distorted by the stress of the Si film when Si is deposited on SiGe. Therefore, after forming the strain relaxation SiGe layer, it is necessary to continuously form a SiGe buffer layer having the same Ge concentration as the strain relaxation SiGe layer. The required film thickness of the SiGe buffer layer depends on the film thickness of the Si layer, but may be about 100 nm. Here, the thickness of the strained Si layer depends on the requirements of the device formed here. In general, the range from 20 nm to 100 nm is frequently used and practical.

又、SiGe層が薄膜化できたため、SiGeをフォトリソグラフィによりパターニングすることができ、その上にSiを成膜し、平坦化すれば、引っ張り歪Si領域を作り分けすることができる。更に、歪のないSi領域の両側にくぼみを形成して、SiGeを埋め込むように成長させた後、表面を酸化すれば、SiGeのGe濃度が増加するため体積膨張し、SiGeに挟まれたSiが圧縮性で歪む。従って、同一基板表面上に無歪、引っ張り歪、圧縮歪のSiを作り分けることができる。   Further, since the SiGe layer can be thinned, SiGe can be patterned by photolithography, and Si can be formed thereon and flattened so that tensile strained Si regions can be formed separately. Furthermore, after forming recesses on both sides of the unstrained Si region and growing it so as to embed SiGe, if the surface is oxidized, the Ge concentration of SiGe increases, so that the volume expands and Si sandwiched between SiGe Is distorted by compressibility. Accordingly, unstrained, tensile, and compressive strained Si can be separately produced on the same substrate surface.

<実施例1>
本実施例では、図5Aより図5F及び図8Aより図8Bを用いて、低温熱酸化法を用いた、歪緩和SiGe層を有する歪Si基板とその製造方法を例示する。歪緩和SiGe層の膜厚は100nm程度の例である。
<Example 1>
In this embodiment, a strained Si substrate having a strain relaxation SiGe layer using a low temperature thermal oxidation method and a method for manufacturing the same are illustrated using FIGS. 5A to 5F and FIGS. 8A to 8B. The film thickness of the strain relaxation SiGe layer is an example of about 100 nm.

Si基板又はSOI(Silicon on Insulator)基板20を化学洗浄した(図5A)後、減圧化学気相成長(LPCVD)装置に導入して、基板20上に第1SiGe層22を成長する(図5B)。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は摂氏650度である。Ge濃度は、15%とした。又、Ge濃度は、20%未満であれば貫通転位が少なく結晶性が良好である。この時の第1SiGe層22の膜厚は、Ge濃度が図2に示した臨界膜厚hcより大きくしなければならない。ここでは、30nm成膜した。この段階では、第1SiGe層とSi基板20との界面には、ミスフィット転位21が形成されている。しかし、ミスフィット転位密度がSiGeの歪を解放するのに十分でないため、SiGe層22内には圧縮性の歪が内包されている。 After the Si substrate or SOI (Silicon on Insulator) substrate 20 is chemically cleaned (FIG. 5A), it is introduced into a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) apparatus to grow a first SiGe layer 22 on the substrate 20 (FIG. 5B). . The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees Celsius. The Ge concentration was 15%. If the Ge concentration is less than 20%, the threading dislocations are few and the crystallinity is good. At this time, the film thickness of the first SiGe layer 22 must have a Ge concentration larger than the critical film thickness hc shown in FIG. Here, a 30 nm film was formed. At this stage, misfit dislocations 21 are formed at the interface between the first SiGe layer and the Si substrate 20. However, since the misfit dislocation density is not sufficient to release the strain of SiGe, compressive strain is included in the SiGe layer 22.

次に、上記SiGeを成膜した基板を酸化炉に導入して、SiGeを比較的低温で(例えば、摂氏750度)熱酸化し、SiO層、GeO層23を形成する(図5C)。未酸化のSiGe層の膜厚が、5nmになるまで酸化した。ここで、SiGe層22の膜厚は、分光エリプソメトリを用いて測定した。次に、5%のHF水溶液でSiO層23をエッチングする。ここで、GeOは水溶性なのでSiOと共にエッチングされる。エッチング後の基板を電気炉に導入し窒素雰囲気中で、摂氏900度で30分加熱する。このときSiGeとSi基板界面で、ミスフィット転位21の増殖が起こり、SiGe層24は歪緩和する(図5D)。 Next, the SiGe-formed substrate is introduced into an oxidation furnace, and SiGe is thermally oxidized at a relatively low temperature (for example, 750 degrees Celsius) to form a SiO 2 layer and a GeO 2 layer 23 (FIG. 5C). . The unoxidized SiGe layer was oxidized until the film thickness reached 5 nm. Here, the film thickness of the SiGe layer 22 was measured using spectroscopic ellipsometry. Next, the SiO 2 layer 23 is etched with a 5% HF aqueous solution. Here, since GeO 2 is water-soluble, it is etched together with SiO 2 . The etched substrate is introduced into an electric furnace and heated in a nitrogen atmosphere at 900 degrees Celsius for 30 minutes. At this time, misfit dislocations 21 grow at the SiGe / Si substrate interface, and the SiGe layer 24 relaxes the strain (FIG. 5D).

こうして準備した基板を化学洗浄した後、再びLPCVD装置に導入して、SiGeバッファ層24aを成長する。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は650度である。Ge濃度は、第1SiGe層のGe濃度と同じで15%、膜厚は95nmにした。この段階のSiGe層24aの膜厚は100nmである(図5E)。尚、図5Eでは、前述の歪緩和SiGe層24と前記バッファ層24aとが、一体となっているので、SiGe層24aとして図示されている。 After the substrate thus prepared is chemically cleaned, it is again introduced into the LPCVD apparatus to grow the SiGe buffer layer 24a. The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees. The Ge concentration was the same as that of the first SiGe layer, 15%, and the film thickness was 95 nm. The film thickness of the SiGe layer 24a at this stage is 100 nm (FIG. 5E). In FIG. 5E, since the strain relaxation SiGe layer 24 and the buffer layer 24a are integrated, they are illustrated as the SiGe layer 24a.

尚、前記歪緩和の為の加熱処理は余り温度が高すぎるとGeの拡散の影響があるので、デバイスプロセス最大温度以下で、摂氏800-1000度程度である。   The heat treatment for strain relaxation has an influence of Ge diffusion if the temperature is too high, and is about 800 to 1000 degrees Celsius below the device process maximum temperature.

続いて、GeH4ガスを停止して膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図5F)。   Subsequently, the GeH 4 gas is stopped and a first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown (FIG. 5F).

ここで、SiGeバッファ層24aを成長する理由は2つある。1つは、歪Si層に電界効果トランジスタなどの電子素子を形成したとき、第1SiGeとSi基板の界面で形成された大量のミスフィット転位が、PN接合界面に存在するとリーク電流発生の原因になってしまうからである。よって、ミスフィット転位の位置を歪Si層25から離す必要があるためである。もう1つの理由は、歪緩和した第1SiGe層21の膜厚は5nmと非常に薄い。この為、その上に20nm膜厚のSi層25を成長させると、SiGe層21はSi層25からの応力に負けてしまい、Si層25は歪まずにSiGe層21が再び圧縮歪を受けてしまう。SiGe歪緩和と歪Siの歪み量は、ラマン分光法やX線回折法を用いて確認することができる。ここでは、ビーム径1μmφのアルゴンイオンレーザをプローブ光とした顕微ラマン分光法を用いて歪緩和を確認した。歪Si層25、SiGe層24a(第1Si層とSiGeバッファ層は一体化している)の膜厚は、分光エリプソメトリを用いて評価できる。又、透過電子顕微鏡法を用いた断面観察を用いると、SiGe層24aとSi基板20界面にミスフィット転位が大量に形成されているのを確認できる。   Here, there are two reasons for growing the SiGe buffer layer 24a. First, when an electronic device such as a field effect transistor is formed in a strained Si layer, if a large number of misfit dislocations formed at the interface between the first SiGe and the Si substrate are present at the PN junction interface, leakage current may be generated. Because it becomes. Therefore, it is necessary to separate the misfit dislocation position from the strained Si layer 25. Another reason is that the thickness of the strain-relieved first SiGe layer 21 is as thin as 5 nm. For this reason, when the Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the SiGe layer 21, the SiGe layer 21 loses the stress from the Si layer 25, and the SiGe layer 21 undergoes compressive strain again without being distorted. End up. SiGe strain relaxation and strain amount of strained Si can be confirmed using Raman spectroscopy or X-ray diffraction. Here, strain relaxation was confirmed using micro-Raman spectroscopy using an argon ion laser with a beam diameter of 1 μmφ as probe light. The film thicknesses of the strained Si layer 25 and the SiGe layer 24a (the first Si layer and the SiGe buffer layer are integrated) can be evaluated using spectroscopic ellipsometry. Moreover, when cross-sectional observation using transmission electron microscopy is used, it can be confirmed that a large amount of misfit dislocations are formed at the interface between the SiGe layer 24a and the Si substrate 20.

本実施例で形成したSiGe層及び歪Siの結晶性は極めて高い。その検証は、セコエッチング法によるエッピピット密度を微分干渉顕微鏡を用いて評価することにより確認できる。本実施例では、歪Si層及びSiGe層の貫通転位を確認することはできないほど結晶性が優れていた。本例において、最悪の場合で、貫通転位密度は10cm−2であった。貫通転位の発生原因は、成長装置の清浄度や基板洗浄環境に依存する。 The crystallinity of the SiGe layer and strained Si formed in this example is extremely high. The verification can be confirmed by evaluating the epipit density by a seco etching method using a differential interference microscope. In this example, the crystallinity was so excellent that the threading dislocations in the strained Si layer and the SiGe layer could not be confirmed. In this example, the threading dislocation density was 10 3 cm −2 in the worst case. The cause of threading dislocations depends on the cleanliness of the growth apparatus and the substrate cleaning environment.

上記のとおり、結晶性の優れた歪緩和SiGe層を形成するためにはGe濃度が20%未満であることが望ましい。しかし、Ge濃度が20%以上の歪緩和SiGe層を作製したい場合は、図8A、図8Bに示す方法がある。まず、Si基板又はSOI(Silicon on Insulator)基板20上に、Ge濃度が20%未満で、上記した方法により第1歪緩和SiGe層30aを形成し、次いで、第1歪緩和SiGe層30aの上に、Ge濃度が第1歪緩和SiGe層のGe濃度の2倍以下の第2歪緩和SiGe層30bを成膜する。そして、前述した例のごとく、酸化、エッチング、加熱の上記方法を繰り返すことにより第2歪緩和SiGe層30bを形成する。第2歪緩和SiGe層30bと第1歪緩和SiGe層30aの界面には大量のミスフィット転位21bが形成されている。続いて、前述の通り、第2歪緩和SiGe層30b上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8A)。   As described above, the Ge concentration is desirably less than 20% in order to form a strain-relaxed SiGe layer having excellent crystallinity. However, when it is desired to produce a strain relaxation SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more, there are methods shown in FIGS. 8A and 8B. First, the first strain relaxation SiGe layer 30a is formed on the Si substrate or SOI (Silicon on Insulator) substrate 20 at a Ge concentration of less than 20% by the method described above, and then on the first strain relaxation SiGe layer 30a. Then, a second strain relaxation SiGe layer 30b having a Ge concentration of not more than twice the Ge concentration of the first strain relaxation SiGe layer is formed. Then, as described above, the second strain relaxation SiGe layer 30b is formed by repeating the above-described methods of oxidation, etching, and heating. A large amount of misfit dislocations 21b is formed at the interface between the second strain relaxation SiGe layer 30b and the first strain relaxation SiGe layer 30a. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the second strain relaxation SiGe layer 30b (FIG. 8A).

さらに必要なGe濃度に応じて第3歪緩和SiGe層30cなどを繰り返し形成すればよい。ここで、最上の歪緩和SiGe層上では、バッファ層を形成する。続いて、前述の通り、第3歪緩和SiGe層30cなどの上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8B)。   Further, the third strain relaxation SiGe layer 30c and the like may be repeatedly formed according to the required Ge concentration. Here, a buffer layer is formed on the uppermost strain relaxation SiGe layer. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the third strain relaxation SiGe layer 30c and the like (FIG. 8B).

<実施例2>
本実施例では、図6Aより図6F及び図8Aより図8Bを用いて、高温熱酸化法による膜厚100nm程度の歪緩和SiGe層を有する歪Si基板とその製造方法を例示する。
<Example 2>
In this embodiment, a strained Si substrate having a strain relaxation SiGe layer with a film thickness of about 100 nm by a high temperature thermal oxidation method and a method for manufacturing the same are illustrated using FIGS. 6A to 6F and FIGS. 8A to 8B.

Si基板又はSOI基板を化学洗浄した(図6A)後、減圧化学気相成長(LPCVD)装置に導入し第1SiGe層32を成長する(図6B)。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は摂氏650度である。後述するが、最終的な第1SiGe層35のGe濃度は15%で膜厚は5nmである。ここで、最終的なSiGe層35のGe濃度は、20%未満であればSiGe膜の貫通転位が極めて少なくなり結晶性に優れる。最終的な第1SiGe層35の膜厚は、最終的なGe濃度に対する図2示した臨界膜厚hcより厚くしなければならない。上記の最終的な第1SiGe層35のGe濃度と膜厚を得るために、成膜するSiGe膜、即ち初期の第1SiGe層32のGe濃度は、3%とし、膜厚を25nmにした。次に、SiGe32を摂氏850度で熱酸化すると表面にはSiO層33が形成され(図6C)、GeはSiGe層34の内部へ拡散する。温度をさらに上げると基板20側へもGeが拡散してしまうため注意が必要である。熱酸化の方法は、熱酸化炉で行う場合の他にRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やフラッシュランプ装置で行ってもよい。即ちSiO層の膜厚が増すにつれ、SiGe層32のGeの濃度が上昇していく。SiGe層34の膜厚が5nmに達したとき熱酸化を停止した。この段階で、SiGe層34のGe濃度は約15%になっている。ここで、SiGe層34の膜厚は、分光エリプソメトリを用いて測定し、Ge濃度はラマン分光法で測定した。 After the Si substrate or SOI substrate is chemically cleaned (FIG. 6A), it is introduced into a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) apparatus to grow the first SiGe layer 32 (FIG. 6B). The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees Celsius. As will be described later, the final first SiGe layer 35 has a Ge concentration of 15% and a film thickness of 5 nm. Here, if the final Ge concentration of the SiGe layer 35 is less than 20%, the threading dislocations in the SiGe film are extremely reduced and the crystallinity is excellent. The final film thickness of the first SiGe layer 35 must be larger than the critical film thickness hc shown in FIG. 2 for the final Ge concentration. In order to obtain the final Ge concentration and film thickness of the first SiGe layer 35, the SiGe film to be formed, that is, the initial Ge concentration of the first SiGe layer 32 was 3%, and the film thickness was 25 nm. Next, when SiGe 32 is thermally oxidized at 850 degrees Celsius, a SiO 2 layer 33 is formed on the surface (FIG. 6C), and Ge diffuses into the SiGe layer 34. If the temperature is further raised, care must be taken because Ge diffuses to the substrate 20 side. The thermal oxidation method may be performed by an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus or a flash lamp apparatus in addition to the case of performing the thermal oxidation in a thermal oxidation furnace. That is, as the thickness of the SiO 2 layer increases, the concentration of Ge in the SiGe layer 32 increases. Thermal oxidation was stopped when the thickness of the SiGe layer 34 reached 5 nm. At this stage, the Ge concentration of the SiGe layer 34 is about 15%. Here, the film thickness of the SiGe layer 34 was measured using spectroscopic ellipsometry, and the Ge concentration was measured by Raman spectroscopy.

次に、5%のHF水溶液でSiO膜33をエッチングする。その後、第1SiGe膜32が形成された基板を電気炉に導入し窒素ガス雰囲気中で、摂氏900度で30分加熱する。このときSiGe膜35とSi基板20界面で、ミスフィット転位21の増殖が起こり、SiGe層35は歪緩和する(図6D)。次に、基板を化学洗浄した後、再びLPCVD装置に導入して、SiGeバッファ層を成長する。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は摂氏650度である。Ge濃度は、第1SiGe層35のGe濃度と同じで15%、又膜厚は、95nmにした。この段階で歪緩和SiGe層35aの膜厚は、100nmになっている。続いて、GeHガスを停止して膜厚20nmの第1Si層36を成長する。 Next, the SiO 2 film 33 is etched with a 5% HF aqueous solution. Thereafter, the substrate on which the first SiGe film 32 is formed is introduced into an electric furnace and heated at 900 degrees Celsius for 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere. At this time, misfit dislocations 21 grow at the interface between the SiGe film 35 and the Si substrate 20, and the SiGe layer 35 relaxes strain (FIG. 6D). Next, after chemically cleaning the substrate, it is again introduced into the LPCVD apparatus to grow a SiGe buffer layer. The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees Celsius. The Ge concentration was the same as that of the first SiGe layer 35, 15%, and the film thickness was 95 nm. At this stage, the thickness of the strain relaxation SiGe layer 35a is 100 nm. Subsequently, the GeH 4 gas is stopped and a first Si layer 36 having a thickness of 20 nm is grown.

SiGe歪緩和と歪Siの歪み量は、ラマン分光法やX線回折法を用いて確認することができる。ここでは、ビーム径1μmφのアルゴンイオンレーザをプローブ光とした顕微ラマン分光法を用いて歪緩和を確認した。歪Si層36、SiGe層35a(尚、前の例と同じように、第1SiGe層32とSiGeバッファ層は一体化している)の膜厚は、分光エリプソメトリを用いて評価できる。透過電子顕微鏡法を用いた断面観察を用いると、SiGe層35aと基板20の界面にミスフィット転位が大量に形成されていることを確認できる。本実施例では、歪Si層36及びSiGe層35aの貫通転位を確認することはできないほど結晶性が優れていた。本例での最悪の場合で、貫通転位密度は10cm−2であった。貫通転位の発生原因は、成長装置の清浄度や基板洗浄環境に依存する。 SiGe strain relaxation and strain amount of strained Si can be confirmed using Raman spectroscopy or X-ray diffraction. Here, strain relaxation was confirmed using micro-Raman spectroscopy using an argon ion laser with a beam diameter of 1 μmφ as probe light. The film thicknesses of the strained Si layer 36 and the SiGe layer 35a (as in the previous example, the first SiGe layer 32 and the SiGe buffer layer are integrated) can be evaluated using spectroscopic ellipsometry. When cross-sectional observation using transmission electron microscopy is used, it can be confirmed that a large amount of misfit dislocations are formed at the interface between the SiGe layer 35a and the substrate 20. In this example, the crystallinity was so excellent that the threading dislocations in the strained Si layer 36 and the SiGe layer 35a could not be confirmed. In the worst case in this example, the threading dislocation density was 10 3 cm −2 . The cause of threading dislocations depends on the cleanliness of the growth apparatus and the substrate cleaning environment.

上記のとおり、結晶性の優れた歪緩和SiGe層35aを形成するためには、Ge濃度が20%未満であることが望ましい。しかし、Ge濃度が20%以上の歪緩和SiGe層を作製したい場合を、図8A、図8Bを用いて説明する。まず、Si基板又はSOI(Silicon on Insulator)基板20上に、Ge濃度が20%未満で、上記方法により第1歪緩和SiGe層30aを形成する。次いで、第1歪緩和SiGe層30aの上に、Ge濃度が第1歪緩和SiGe層のGe濃度の2倍以下の第2歪緩和SiGe層30bを成膜する。そして、前述したごとく、酸化、エッチング、加熱の上記方法を繰り返すことにより第2歪緩和SiGe層を形成する。第2歪緩和SiGe層と第1歪緩和SiGe層の界面には大量のミスフィット転位21bが形成されている。続いて、前述の通り、第2歪緩和SiGe層30bなどの上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8A)。   As described above, in order to form the strain relaxation SiGe layer 35a having excellent crystallinity, the Ge concentration is desirably less than 20%. However, a case where a strain relaxation SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more is to be manufactured will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. First, on the Si substrate or SOI (Silicon on Insulator) substrate 20, the first strain relaxation SiGe layer 30a is formed by the above method with a Ge concentration of less than 20%. Next, on the first strain relaxation SiGe layer 30a, a second strain relaxation SiGe layer 30b having a Ge concentration equal to or less than twice the Ge concentration of the first strain relaxation SiGe layer is formed. Then, as described above, the second strain relaxation SiGe layer is formed by repeating the above-described methods of oxidation, etching, and heating. A large amount of misfit dislocations 21b is formed at the interface between the second strain relaxation SiGe layer and the first strain relaxation SiGe layer. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the second strain relaxation SiGe layer 30b and the like (FIG. 8A).

更に必要なGe濃度に応じて、第3歪緩和SiGe層30cなどを繰り返し形成すればよい。ここで、最上の歪緩和SiGe層上では、バッファ層を形成する。続いて、前述の通り、第3歪緩和SiGe層30c上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8B)。   Further, the third strain relaxation SiGe layer 30c and the like may be repeatedly formed according to the required Ge concentration. Here, a buffer layer is formed on the uppermost strain relaxation SiGe layer. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the third strain relaxation SiGe layer 30c (FIG. 8B).

本実施例は実施例1に比べて、高温で熱酸化をするため、酸化時間を短縮することが可能である。但し、酸化でGeが基板側へも拡散するため、Ge濃度制御をより厳格に行う必要がある。   Since the present embodiment performs thermal oxidation at a higher temperature than the first embodiment, the oxidation time can be shortened. However, since Ge is diffused also to the substrate side by oxidation, it is necessary to control the Ge concentration more strictly.

<実施例3>
本実施例では、図7Aより図7F及び図8Aより図8Bを用いて、ドライエッチングを用いて、膜厚100nm程度の歪緩和SiGe層を有する歪Si基板とその製造方法を例示する。
<Example 3>
In this embodiment, a strained Si substrate having a strain relaxation SiGe layer with a thickness of about 100 nm and a manufacturing method thereof are illustrated by using dry etching with reference to FIGS. 7A to 7F and FIGS. 8A to 8B.

Si基板又はSOI基板20を化学洗浄した後(図7A)、減圧化学気相成長(LPCVD)装置に導入し第1SiGe層22を成長する(図7B)。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は摂氏650度である。Ge濃度は、15%とした。又、Ge濃度は、20%未満であれば貫通転位が少なく結晶性が良好である。第1SiGe層22の膜厚は、前述の図2に示すように、臨界膜厚hcより大きくしなければならない。ここでは、30nm成膜した。この段階では、第1SiGe層22と基板20の界面には、ミスフィット転位21が形成されている。しかし、ミスフィット転位密度がSiGe層22の歪を解放するのに十分でないため、SiGe層22内には圧縮性の歪が内包されている。 After the Si substrate or SOI substrate 20 is chemically cleaned (FIG. 7A), it is introduced into a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) apparatus to grow the first SiGe layer 22 (FIG. 7B). The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees Celsius. The Ge concentration was 15%. If the Ge concentration is less than 20%, the threading dislocations are few and the crystallinity is good. The film thickness of the first SiGe layer 22 must be larger than the critical film thickness hc as shown in FIG. Here, a 30 nm film was formed. At this stage, misfit dislocations 21 are formed at the interface between the first SiGe layer 22 and the substrate 20. However, since the misfit dislocation density is not sufficient to release the strain of the SiGe layer 22, compressive strain is included in the SiGe layer 22.

次に、基板をドライエッチング装置に導入して、CFガスを用いて第1SiGe層22の膜厚が、5nmになるようにエッチングし、符号22bの状態にする(図7C)。ここで、SiGe層22bの膜厚は、分光エリプソメトリを用いて測定し、エッチング条件を較正した。その後、基板をドライエッチング装置から取り出し、化学洗浄を行ったあと、基板を電気炉に導入し窒素ガス雰囲気中で、摂氏900度で30分加熱する。このときSiGe層22cと基板20の界面で、ミスフィット転位の増殖が起こり、SiGe層22cは歪緩和する。 Next, the substrate is introduced into a dry etching apparatus, and is etched using CF 4 gas so that the film thickness of the first SiGe layer 22 becomes 5 nm, thereby obtaining a state indicated by reference numeral 22b (FIG. 7C). Here, the film thickness of the SiGe layer 22b was measured using spectroscopic ellipsometry, and the etching conditions were calibrated. Thereafter, the substrate is taken out from the dry etching apparatus and subjected to chemical cleaning, and then the substrate is introduced into an electric furnace and heated in a nitrogen gas atmosphere at 900 degrees Celsius for 30 minutes. At this time, misfit dislocations propagate at the interface between the SiGe layer 22c and the substrate 20, and the SiGe layer 22c relaxes strain.

次に、基板を化学洗浄した後、再びLPCVD装置に導入して、SiGeバッファ層を成長する(図7E)。原料ガスはHガスで希釈したSiH及びGeHを用い、成長温度は摂氏650度である。Ge濃度は、第1SiGe層22のGe濃度と同じで15%、又膜厚は、95nmにした。このときのSiGe層22dの膜厚は100nmである。続いて、GeHガスを停止して膜厚20nmの第1歪Si層を成長する。SiGe歪緩和と歪Siの歪み量は、ラマン分光法やX線回折法を用いて確認することができる。ここでは、ビーム径1μmφのアルゴンイオンレーザをプローブ光とした顕微ラマン分光法を用いて歪緩和を確認した。歪Si層25、SiGe層22d(尚、前述の通り、第1SiGe層22とSiGeバッファ層は一体化している)の膜厚は、分光エリプソメトリを用いて評価できる。又、透過電子顕微鏡法を用いた断面観察を用いると、SiGe層20dとSi基板20界面にミスフィット転位が大量に形成されているのを確認できる。本実施例で形成したSiGe層及び歪Siの結晶性は極めて高い。その検証は、セコエッチング法によるエッピピット密度を微分干渉顕微鏡を用いて評価することにより確認できる。歪Si層及びSiGe層の貫通転位を確認することはできないこともあった。又、最悪の場合でも、貫通転位密度は10cm-2であった。貫通転位の発生原因は、成長装置の清浄度や基板洗浄環境に依存する。 Next, after chemically cleaning the substrate, the substrate is again introduced into the LPCVD apparatus to grow a SiGe buffer layer (FIG. 7E). The source gas is SiH 4 and GeH 4 diluted with H 2 gas, and the growth temperature is 650 degrees Celsius. The Ge concentration was the same as that of the first SiGe layer 22, 15%, and the film thickness was 95 nm. At this time, the film thickness of the SiGe layer 22d is 100 nm. Subsequently, the GeH 4 gas is stopped and a first strained Si layer having a thickness of 20 nm is grown. SiGe strain relaxation and strain amount of strained Si can be confirmed using Raman spectroscopy or X-ray diffraction. Here, strain relaxation was confirmed using micro-Raman spectroscopy using an argon ion laser with a beam diameter of 1 μmφ as probe light. The film thicknesses of the strained Si layer 25 and the SiGe layer 22d (as described above, the first SiGe layer 22 and the SiGe buffer layer are integrated) can be evaluated using spectroscopic ellipsometry. Moreover, when cross-sectional observation using transmission electron microscopy is used, it can be confirmed that a large amount of misfit dislocations are formed at the interface between the SiGe layer 20d and the Si substrate 20. The crystallinity of the SiGe layer and strained Si formed in this example is extremely high. The verification can be confirmed by evaluating the epipit density by a seco etching method using a differential interference microscope. The threading dislocations in the strained Si layer and SiGe layer could not be confirmed. In the worst case, the threading dislocation density was 10 3 cm -2 . The cause of threading dislocations depends on the cleanliness of the growth apparatus and the substrate cleaning environment.

上記のとおり、結晶性の優れた歪緩和SiGe層22aを形成するためには、Ge濃度が20%未満であることが望ましい。しかし、Ge濃度が20%以上の歪緩和SiGe層を作製したい場合の例は、図8A及び図8Bを用いて説明する。まずGe濃度が20原子数%未満で、上記方法により第1歪緩和SiGe層30aを形成し、第1歪緩和SiGe層30aの上にGe濃度が第1歪緩和SiGe層30aのGe濃度の2倍以下の第2歪緩和SiGe層30bを成膜する。そして、酸化、エッチング、加熱の上記方法を繰り返すことにより、第2歪緩和SiGe層30bを形成する。第2歪緩和SiGe層30bと第1歪緩和SiGe層30aの界面には大量のミスフィット転位21bが形成されている。続いて、前述の通り、第2歪緩和SiGe層30b上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8A)
更に、必要なGe濃度に応じて第3歪緩和SiGe層30cなどを繰り返し形成すればよい。ここで、最上の歪緩和SiGe層上では、バッファ層を形成する。続いて、前述の通り、バッファ層と一体化した第3歪緩和SiGe層30c上に膜厚20nmの第1Si層25を成長する(図8B)。
As described above, in order to form the strain relaxation SiGe layer 22a having excellent crystallinity, the Ge concentration is desirably less than 20%. However, an example in which a strain relaxation SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more is to be manufactured will be described with reference to FIGS. 8A and 8B. First, when the Ge concentration is less than 20 atomic%, the first strain relaxation SiGe layer 30a is formed by the above-described method, and the Ge concentration is 2 on the first strain relaxation SiGe layer 30a, which is 2 of the Ge concentration of the first strain relaxation SiGe layer 30a. A second strain relaxation SiGe layer 30b that is twice or less is formed. Then, the second strain relaxation SiGe layer 30b is formed by repeating the above-described methods of oxidation, etching, and heating. A large amount of misfit dislocations 21b is formed at the interface between the second strain relaxation SiGe layer 30b and the first strain relaxation SiGe layer 30a. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the second strain relaxation SiGe layer 30b (FIG. 8A).
Further, the third strain relaxation SiGe layer 30c and the like may be repeatedly formed according to the required Ge concentration. Here, a buffer layer is formed on the uppermost strain relaxation SiGe layer. Subsequently, as described above, the first Si layer 25 having a thickness of 20 nm is grown on the third strain relaxation SiGe layer 30c integrated with the buffer layer (FIG. 8B).

本実施例の特徴は、ドライエッチングを用いているため直接SiGe層をエッチングできることである。又、成長装置内に塩素系ガスを導入することによって、SiGe層成長、SiGeエッチング、転位増殖アニール、歪Si層成長を一貫して行うことも可能である。   The feature of this embodiment is that the SiGe layer can be directly etched because dry etching is used. In addition, by introducing a chlorine-based gas into the growth apparatus, it is possible to consistently perform SiGe layer growth, SiGe etching, dislocation growth annealing, and strained Si layer growth.

<実施例4>
本実施例では、圧縮の歪Siが含まれた基板とこれを製造する方法を例示する。この方法では、実施例1、実施例2、或いは実施例3に例示した諸方法の、いずれかの方法を用いて形成した歪緩和SiGe層のリソグラフィによるパターニング、更にSi層とSiGe層のエピタクシャル成長と熱酸化などを組み合わせる。図9Aより図9B及び図10Aより図10Bの断面図を用いて、以下説明する。
<Example 4>
In the present embodiment, a substrate including compressive strain Si and a method of manufacturing the same are illustrated. In this method, the strain relaxation SiGe layer formed by using any one of the methods exemplified in Example 1, Example 2, or Example 3 is patterned by lithography, and further epitaxial growth of the Si layer and the SiGe layer is performed. And thermal oxidation. This will be described below with reference to cross-sectional views of FIGS. 9A to 9B and FIGS. 10A to 10B.

Si基板もしくはSOI基板20上に膜厚100nm程度の歪緩和SiGe層24aを形成する(図9A)。その製造方法は前述のごとく、実施例1、実施例2、或いは実施例3に例示した諸方法の、いずれかの方法で十分である。この歪緩和SiGe層24aをリソグラフィにより、溝40を形成するようにパターニングする(図9B)。溝40を形成するためにSiGe層24aのエッチング深さは、Si基板20に達するようにしなければならない。化学洗浄後、基板をLPCVD装置に導入して、溝40を埋めるようにSi層41を成長する(図9C)。Si層41は、Si基板表面上ではSi格子と一致するようにエピタクシャル成長し、SiGe層表面上では、SiGe格子に一致するように歪成長する。Si層が図9Cのように成長した段階では、SiGe層24aとSi層41の界面ではミスフィット転位21mが形成されている。そこで、Si層41をSiGe24aの表面に達するまで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)を用いて平坦化する。よって、前記ミスフィット転位21mは消失する。基板を化学洗浄後、基板をLPCVD装置に導入して、膜厚20nmのSi層44をエピタクシャル成長する(図9E)。その結果、Si膜表面44は、引っ張り歪が与えられ、Si膜表面43には歪がない。   A strain relaxation SiGe layer 24a having a thickness of about 100 nm is formed on the Si substrate or SOI substrate 20 (FIG. 9A). As described above, any one of the methods exemplified in Example 1, Example 2, or Example 3 is sufficient as the manufacturing method. The strain relaxation SiGe layer 24a is patterned by lithography to form the groove 40 (FIG. 9B). In order to form the groove 40, the etching depth of the SiGe layer 24a must reach the Si substrate 20. After chemical cleaning, the substrate is introduced into an LPCVD apparatus, and a Si layer 41 is grown so as to fill the groove 40 (FIG. 9C). The Si layer 41 grows epitaxially on the Si substrate surface so as to coincide with the Si lattice, and on the SiGe layer surface, it grows strain so as to coincide with the SiGe lattice. At the stage where the Si layer has grown as shown in FIG. 9C, misfit dislocations 21m are formed at the interface between the SiGe layer 24a and the Si layer 41. Therefore, the Si layer 41 is planarized using CMP (Chemical Mechanical Polishing) until it reaches the surface of the SiGe 24a. Therefore, the misfit dislocation 21m disappears. After chemically cleaning the substrate, the substrate is introduced into an LPCVD apparatus, and a Si layer 44 having a thickness of 20 nm is epitaxially grown (FIG. 9E). As a result, the Si film surface 44 is given tensile strain, and the Si film surface 43 is not strained.

次に、図10Aより図10Cの断面図を用いて、圧縮歪Siの形成方法を例示する。上記した方法で、引っ張り歪みのSi層44と無歪のSi層43を作り分ける(図10A)。無歪Si層43の表面の一部にリソグラフィを用いて、ペアの溝50を形成する(図10B)。その後、基板をLPCVD装置に導入して、SiGe膜を成長して、溝50をSiGe51で埋める。次に、RTA装置を用いて摂氏900度程度で酸化し、5%のHF水溶液で酸化膜を除去すると、SiGe51に挟まれた領域の圧縮歪Si層52が形成されている。このように、同一基板表面上に引っ張り歪Si層44、圧縮歪Si層52、無歪Si層43を作り分けることができた。   Next, a method for forming compressive strain Si will be illustrated using the cross-sectional views of FIGS. 10A to 10C. The tensile strained Si layer 44 and the unstrained Si layer 43 are formed separately by the method described above (FIG. 10A). A pair of grooves 50 is formed on a part of the surface of the unstrained Si layer 43 using lithography (FIG. 10B). Thereafter, the substrate is introduced into an LPCVD apparatus, a SiGe film is grown, and the trench 50 is filled with SiGe51. Next, when the RTA apparatus is used to oxidize at about 900 degrees Celsius and the oxide film is removed with a 5% HF aqueous solution, a compressive strained Si layer 52 is formed in a region sandwiched between SiGe51. In this way, the tensile strained Si layer 44, the compressive strained Si layer 52, and the unstrained Si layer 43 could be formed separately on the same substrate surface.

本実施例のように、歪Si層を作り分ける理由は、背景技術の欄で述べたように、引っ張り歪Si層の領域にNMOSを形成し、圧縮歪Si層の領域にPMOSを形成すると、NMOS、PMOS共にチャネルコンダクタンスが向上する。その結果、これらの電界効果型トランジスタを用いて構成されたCMOSの性能を向上させることが可能になるからである。ここで、従来技術においても、引っ張り、圧縮歪Si層と無歪Si層とを作り分けることが可能であるが、本実施例に示すごとき基板の形態で且つ、同一基板表面上に作り分けることは、従来技術の範囲内では、極めて困難である。例えば、圧縮歪を基板表面に形成すると、一方で引っ張り歪は、具体的なデバイスの製造段階で、ゲートの上に引っ張り性の材料、例えばSiN層を成膜するなどの方法を取らなければならず、これまでの技術では、基板内に引っ張り歪と圧縮歪の2種類の歪を作り分けることは実際的に困難である。本発明はこうした困難を克服するものである。   The reason why the strained Si layer is formed separately as in this example is that, as described in the background art section, when forming the NMOS in the region of the tensile strained Si layer and forming the PMOS in the region of the compressive strained Si layer, Channel conductance is improved for both NMOS and PMOS. As a result, it is possible to improve the performance of a CMOS configured using these field effect transistors. Here, even in the prior art, it is possible to make a tensile and compressive strained Si layer and an unstrained Si layer separately, but in the form of the substrate as shown in this embodiment and on the same substrate surface. Is extremely difficult within the prior art. For example, when compressive strain is formed on the substrate surface, tensile strain, on the other hand, has to take a method of forming a tensile material, for example, a SiN layer on the gate in the manufacturing stage of a specific device. However, with conventional techniques, it is practically difficult to create two types of strains, tensile strain and compression strain, in the substrate. The present invention overcomes these difficulties.

<実施例5>
本例は、歪Si基板を用いた電界効果型半導体装置、具体的にはNMOSを例示する。歪Si基板は、前述の実施例1、実施例2、或いは実施例3のいずれかに示した方法で良い。MOSトランジスタ自体の製造は、これまでの製造方法に従って十分である。基板20上にSiGe層24a、引っ張り歪Si層44が形成される。こうして準備された半導体基板に通例の方法によってNMOSが形成される。図11は、本例のNMOSトランジスタの断面図である。ソース領域62とドレイン領域61がチャネル領域となる引っ張り歪Si層44を挟んで形成される。この上部にゲート絶縁膜66が形成され、前記チャネル領域に対向する領域にゲート電極63が配置される。符号64、65はそれぞれ、ドレイン電極、ソース電極である。符号70は層間絶縁物層である。前記ソース領域62とドレイン領域61にはミスフィット転位21が含まれてはならない。尚、素子分離にはSTI(Shallow Trench Isolation)60を用いた。
<Example 5>
This example illustrates a field effect semiconductor device using a strained Si substrate, specifically, an NMOS. The strained Si substrate may be formed by any of the methods described in the first, second, or third embodiments. The manufacture of the MOS transistor itself is sufficient according to the conventional manufacturing method. A SiGe layer 24 a and a tensile strained Si layer 44 are formed on the substrate 20. An NMOS is formed on the thus prepared semiconductor substrate by a usual method. FIG. 11 is a cross-sectional view of the NMOS transistor of this example. A source region 62 and a drain region 61 are formed with a tensile strained Si layer 44 serving as a channel region interposed therebetween. A gate insulating film 66 is formed thereon, and a gate electrode 63 is disposed in a region facing the channel region. Reference numerals 64 and 65 denote a drain electrode and a source electrode, respectively. Reference numeral 70 denotes an interlayer insulating layer. The source region 62 and the drain region 61 should not contain misfit dislocations 21. For element isolation, STI (Shallow Trench Isolation) 60 was used.

<実施例6>
本例は、歪Si基板を用いた電界効果型半導体装置、具体的にはCMOSを例示する。歪Si基板は、前述の実施例4示した方法に従った。CMOSトランジスタ自体の製造は、これまでの製造方法に従って十分である。
<Example 6>
This example illustrates a field effect semiconductor device using a strained Si substrate, specifically, a CMOS. The strained Si substrate followed the method shown in Example 4 above. The manufacture of the CMOS transistor itself is sufficient according to the conventional manufacturing method.

図12はCMOS用の歪Si基板の断面図、図13は本例のCMOSの主要部の断面図である。CMOS用の歪Si基板は、これまで説明してきた方法によって製造する。Si基板20に、引っ張り歪Si44と圧縮歪のSiGe52が作り分けられている。圧縮歪のSiGe52の両側はSiGe層51が埋め込まれている。尚、符号21はミスフィット転位を示す。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a strained Si substrate for CMOS, and FIG. 13 is a cross-sectional view of the main part of the CMOS of this example. A strained Si substrate for CMOS is manufactured by the method described so far. A tensile strain Si 44 and a compressive strain SiGe 52 are separately formed on the Si substrate 20. SiGe layers 51 are embedded on both sides of the compressive strained SiGe 52. Reference numeral 21 denotes a misfit dislocation.

Si層44は、引っ張り歪Si層であり、この領域にNMOSが形成される。即ち、図13に見られるように、ソース領域62とドレイン領域61にはAsなどのN型ドーピングされている。一方、Si層52は圧縮歪Siであり、この領域にPMOSが形成される。即ち、ソース領域62a、ドレイン領域61aにはBなどのP型ドーピングされている。製造方法は、通常のCMOS作製プロセスを用いた。素子分離にはSTI(Shallow Trench Isolation)60を用いた。尚、図13において、符号66はゲート絶縁膜、65、65aはソース電極、64、64aはドレイン電極、及び符号63、63aはゲート電極、符号70は層間絶縁物層である。   The Si layer 44 is a tensile strained Si layer, and an NMOS is formed in this region. That is, as seen in FIG. 13, the source region 62 and the drain region 61 are doped with N type such as As. On the other hand, the Si layer 52 is compression strained Si, and a PMOS is formed in this region. That is, the source region 62a and the drain region 61a are doped with P type such as B. As a manufacturing method, a normal CMOS manufacturing process was used. STI (Shallow Trench Isolation) 60 was used for element isolation. In FIG. 13, reference numeral 66 denotes a gate insulating film, 65 and 65a denote source electrodes, 64 and 64a denote drain electrodes, 63 and 63a denote gate electrodes, and 70 denotes an interlayer insulating layer.

以下、本願は多岐にわたるので、本願発明の主な形態を列挙する。
(1)第1の形態は、引っ張り歪が加えられた歪みSi層を有する半導体基板であって、
第1導電型のSi基板もしくはSOI基板の主面の全面もしくは一部に第1SiGe層とSi層が順次積層された第1半導体積層構造を具備し、第1SiGe層と前記基板の界面には、転位を大量に含んでおり、前記SiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、前記Siの歪は面内で引っ張りである半導体基板である。
(2))第2の形態は、前項(1)の半導体基板であって、前記第1SiGe層の膜厚が100nm以下である半導体基板である。
(3)前項(1)の半導体装置であって、前記第1SiGe層のGe濃度が20%未満である半導体基板である。
(4)第4の形態は、引っ張り歪が加えられた歪みSi層を有する半導体基板であって、
第1導電型のSi基板もしくはSOI基板の主面の全面もしくは一部に第1SiGe層、第2SiGe層、・・・、第nSiGe層とSi層が順次積層された第1半導体積層構造を具備し、第1SiGe層と前記基板の界面及び、第nSiGe層と第(n-1)SiGeには、転位を大量に含んでおり、前記第1SiGe層、第2SiGe層、・・・、第nSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、前記Siの歪は面内で引っ張りである半導体基板である。
(5)第5の形態は、前項(4)の半導体基板において、第nSiGe層のGe濃度が第(n-1)SiGe層のGe濃度の2倍以下である半導体基板である。
(6)第6の形態は、前項(1)、(2)、(3)、(4)、及び(5)のいずれかの半導体基板の製造法であって、Si又は、SOI基板上にミスフィット転位が発生する膜厚である臨界膜厚以上のSiGe層を前記基板の全面もしくは1部領域に堆積した後、SiGe層の膜厚が5nm程度になるまで薄膜化した後加熱処理を行うことによって、前記SiGe層の歪みを部分的もしくは完全に緩和させる方法を含んだ前記SiGeの全面もしくは一部にSiを成膜する半導体基板の製造法である。
(7)第7の形態は、引っ張り歪を受けたSiを有する半導体装置であって、前項(1)、(2)、(3)、(4)、及び(5)のいずれかの半導体基板の主面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下のチャネル形成領域となるSi層を挟むように、前記歪Si層と前記SiGe層内に第2導電型のソース領域及びドレイン領域が形成されている半導体装置である。
(8)第8の形態は、引っ張り歪Si領域と圧縮歪Si領域を有する半導体基板であって、前項(1)、(2)、(3)、(4)、及び(5)のいずれかの半導体基板の主面において、前記第1半導体積層構造を含まない領域の一部の表面にはSiGeで挟まれたSi領域を含む第2半導体積層構造を具備し、該Si領域には面内で圧縮の歪を受けている半導体基板である。
(9)第9の形態は、引っ張り歪を受けたSiと圧縮歪を受けたSiを有する半導体装置であって、前項(8)の半導体基板の主面上に前記第1半導体積層構造の主面上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下のチャネル形成領域となるSi層を挟むように、前記歪Si層と前記SiGe層内に第2導電型のソース領域及びドレイン領域が形成されていて、前記第2半導体積層構造の主面上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下のチャネル形成領域となるSi層を挟むように、前記歪Si層と前記SiGe層内に第2導電型のソース領域及びドレイン領域が形成されていることを特徴としている半導体装置である。
(10)第10の形態は、前項(9)の半導体装置において、第1電界効果型半導体装置のソース領域、ドレイン領域はN型であり、第2電界効果型半導体装置のソース領域、ドレイン領域はP型である半導体装置である。
(11)第11の形態は、前項(10)の半導体装置において、第1電界効果型半導体装置と第2電界効果型半導体装置は隣接していて、CMOS素子である半導体装置である。
Hereinafter, since the present application is diverse, the main modes of the present invention are listed.
(1) A first form is a semiconductor substrate having a strained Si layer to which tensile strain is applied,
A first semiconductor stacked structure in which a first SiGe layer and a Si layer are sequentially stacked on the entire main surface or a part of a first conductivity type Si substrate or SOI substrate is provided, and an interface between the first SiGe layer and the substrate is The semiconductor substrate contains a large amount of dislocations, the SiGe layer is partially or completely strain relaxed, and the strain of the Si is tensile in the plane.
(2) The second form is a semiconductor substrate according to item (1), wherein the first SiGe layer has a thickness of 100 nm or less.
(3) The semiconductor device according to (1), wherein the Ge concentration of the first SiGe layer is less than 20%.
(4) A fourth embodiment is a semiconductor substrate having a strained Si layer to which tensile strain is applied,
A first semiconductor stacked structure in which a first SiGe layer, a second SiGe layer,..., An nSiGe layer and a Si layer are sequentially stacked on the entire main surface or a part of a first conductivity type Si substrate or SOI substrate; The interface between the first SiGe layer and the substrate and the nSiGe layer and the (n−1) th SiGe contain a large amount of dislocations, and the first SiGe layer, the second SiGe layer,. The semiconductor substrate is partially or completely strain relaxed, and the strain of Si is a semiconductor substrate that is pulled in the plane.
(5) A fifth embodiment is a semiconductor substrate in which the Ge concentration of the nSiGe layer is not more than twice the Ge concentration of the (n-1) SiGe layer in the semiconductor substrate of the preceding item (4).
(6) A sixth embodiment is a method for manufacturing a semiconductor substrate according to any one of (1), (2), (3), (4), and (5) above, on a Si or SOI substrate After depositing a SiGe layer having a critical film thickness or more, which is a film thickness causing misfit dislocations, on the entire surface or part of the substrate, the SiGe layer is thinned until the film thickness reaches about 5 nm, and then heat treatment is performed. This is a method for manufacturing a semiconductor substrate in which Si is formed on the entire surface or a part of the SiGe, including a method of partially or completely relieving the strain of the SiGe layer.
(7) A seventh embodiment is a semiconductor device having Si subjected to tensile strain, and the semiconductor substrate according to any one of (1), (2), (3), (4), and (5) A gate electrode is provided on the main surface of the second conductive type in the strained Si layer and the SiGe layer so as to sandwich a Si layer serving as a channel formation region under the gate electrode. A semiconductor device in which a source region and a drain region are formed.
(8) The eighth embodiment is a semiconductor substrate having a tensile strain Si region and a compressive strain Si region, and any one of the preceding items (1), (2), (3), (4), and (5) A main surface of the semiconductor substrate includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGes on a part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure, and the Si region is in-plane. It is a semiconductor substrate that has been subjected to compression strain.
(9) A ninth embodiment is a semiconductor device having Si subjected to tensile strain and Si subjected to compressive strain, wherein the main structure of the first semiconductor multilayer structure is formed on the main surface of the semiconductor substrate described in (8). A source electrode of a second conductivity type in the strained Si layer and the SiGe layer so as to sandwich a Si layer serving as a channel formation region under the gate electrode, and having a gate electrode on the surface via a gate insulating film; The strain is formed such that a drain region is formed, a gate electrode is provided on a main surface of the second semiconductor multilayer structure via a gate insulating film, and a Si layer serving as a channel formation region under the gate electrode is sandwiched. The semiconductor device is characterized in that a source region and a drain region of the second conductivity type are formed in the Si layer and the SiGe layer.
(10) In a tenth aspect, in the semiconductor device according to item (9), the source region and the drain region of the first field effect semiconductor device are N type, and the source region and the drain region of the second field effect semiconductor device are Is a P-type semiconductor device.
(11) An eleventh aspect is a semiconductor device which is a CMOS element in the semiconductor device according to (10), wherein the first field effect semiconductor device and the second field effect semiconductor device are adjacent to each other.

以上、本願発明をいくつかの実施例等を用いて詳細に説明した。本発明によれば、結晶性に優れ、しかも歪が制御されたSi膜が形成された基板を低コストで作製することができ、電界効果トランジスタなどの電子素子の性能を向上することができる。   The present invention has been described in detail using several embodiments. According to the present invention, a substrate on which a Si film having excellent crystallinity and controlled strain is formed can be manufactured at low cost, and the performance of an electronic element such as a field effect transistor can be improved.

また、Siに歪を与えるためにSiGeを用いているにもかかわらず、薄膜であるため素子温度上昇の問題は生じない。   In addition, although SiGe is used to give strain to Si, there is no problem of an increase in device temperature due to the thin film.

以上の効果は、単にトランジスタ単体の性能向上のみならず、たとえば、アナログ-デジタル混載回路などに適した高速、高耐圧、低消費電力の電子素子が実現できることを含む。   The above effects include not only improving the performance of a single transistor but also realizing a high-speed, high withstand voltage, low power consumption electronic device suitable for an analog-digital mixed circuit, for example.

図1は、本発明の実施例4に関わる引っ張り、圧縮、無歪Siが作り分けられた基板の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate on which tensile, compressed, and unstrained Si related to Example 4 of the present invention are separately formed. 図2は、Siの臨界膜厚のGe濃度依存性を示す図である。FIG. 2 is a graph showing the Ge concentration dependence of the critical film thickness of Si. 図3は、ミスフィット転位の例を示すモデル図である。FIG. 3 is a model diagram showing an example of misfit dislocations. 図4は、転位増殖の例を示すモデル図である。FIG. 4 is a model diagram showing an example of dislocation growth. 図5Aは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5A is a cross-sectional view of a substrate for explaining, in the order of steps, a method for producing a strain relaxation SiGe layer by a low temperature thermal oxidation method according to Example 1 of the present invention. 図5Bは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5B is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the low temperature thermal oxidation method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. 図5Cは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5C is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the low temperature thermal oxidation method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. 図5Dは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5D is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a low temperature thermal oxidation method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. 図5Eは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5E is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by low-temperature thermal oxidation according to Example 1 of the present invention in the order of steps. 図5Fは、本発明の実施例1に関わる、低温熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 5F is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the low temperature thermal oxidation method according to the first embodiment of the present invention in the order of steps. 図6Aは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。6A is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a thermal oxidation method according to a second embodiment of the present invention in the order of steps. 図6Bは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 6B is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a thermal oxidation method according to a second embodiment of the present invention in the order of steps. 図6Cは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 6C is a cross-sectional view of the substrate for explaining the method of manufacturing the strain relaxation SiGe layer by the thermal oxidation method in order of processes according to the second embodiment of the present invention. 図6Dは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 6D is a cross-sectional view of the substrate for explaining the method of manufacturing the strain relaxation SiGe layer by the thermal oxidation method in order of processes according to the second embodiment of the present invention. 図6Eは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 6E is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a thermal oxidation method according to Example 2 of the present invention in the order of steps. 図6Fは、本発明の実施例2に関わる、熱酸化法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 6F is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a thermal oxidation method according to Example 2 of the present invention in the order of steps. 図7Aは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7A is a cross-sectional view of a substrate for explaining, in the order of steps, a method for producing a strain relaxation SiGe layer by a dry etching method, according to Example 3 of the present invention. 図7Bは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the dry etching method according to the third embodiment of the present invention in the order of steps. 図7Cは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7C is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the dry etching method according to the third embodiment of the present invention in the order of steps. 図7Dは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7D is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a dry etching method in order of processes according to the third embodiment of the present invention. 図7Eは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7E is a cross-sectional view of the substrate for explaining the manufacturing method of the strain relaxation SiGe layer by the dry etching method in order of processes according to the third embodiment of the present invention. 図7Fは、本発明の実施例3に関わる、ドライエッチング法による歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 7F is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer by a dry etching method in order of processes according to the third embodiment of the present invention. 図8は、Ge濃度20%以上の歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more in the order of steps. 図8Bは、Ge濃度20%以上の歪緩和SiGe層の製造法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 8B is a cross-sectional view of a substrate for explaining a method of manufacturing a strain relaxation SiGe layer having a Ge concentration of 20% or more in the order of steps. 図9Aは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 9A is a cross-sectional view of a substrate for explaining a manufacturing method according to Example 4 of the present invention in which a tensile strained Si region is separately formed in the order of steps. 図9Bは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 9B is a cross-sectional view of the substrate for explaining a manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention in which the tensile strained Si region is separately formed in the order of steps. 図9Cは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 9C is a cross-sectional view of a substrate for explaining a manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention in which a tensile strained Si region is separately formed in the order of steps. 図9Dは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 9D is a cross-sectional view of the substrate for explaining a manufacturing method in order of forming a tensile strained Si region according to the fourth embodiment of the present invention. 図9Eは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 9E is a cross-sectional view of a substrate for explaining, in the order of steps, a manufacturing method for separately producing tensile strained Si regions according to Example 4 of the present invention. 図10Aは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si、圧縮歪Si、無歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 10A is a cross-sectional view of a substrate for explaining a manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention, in which the tensile strain Si, compression strain Si, and unstrained Si regions are separately formed in the order of steps. 図10Bは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si、圧縮歪Si、無歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 10B is a cross-sectional view of a substrate for explaining a manufacturing method in order of steps for separately producing tensile strained Si, compressive strained Si, and unstrained Si regions according to Example 4 of the present invention. 図10Cは、本発明の実施例4に関わる、引っ張り歪Si、圧縮歪Si、無歪Si領域を作り分ける製造方法を工程順に説明する基板の断面図である。FIG. 10C is a cross-sectional view of a substrate for explaining a manufacturing method in order of steps for separately producing tensile strained Si, compressive strained Si, and unstrained Si regions according to Example 4 of the present invention. 図11は、本発明の実施例5に関わる、引っ張り歪Siを用いたNMOSの断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view of an NMOS using tensile strained Si related to Example 5 of the present invention. 図12は、本発明の実施例6に関わる、CMOS用の基板の断面図である。FIG. 12 is a sectional view of a CMOS substrate according to the sixth embodiment of the present invention. 図13は、本発明の実施例6に関わる、CMOSの断面図である。FIG. 13 is a sectional view of a CMOS according to the sixth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:Si基板、2:SiO層、3:Si層、4:ミスフィット転位、5:SiGe層、6:圧縮歪Si層、7:SiGe層、8:引っ張り歪Si層、10:臨界膜厚曲線、11:ミスフィット転位、12:ミスフィット転位、20:基板、21:ミスフィット転位、21:ミスフィット転位、21a:ミスフィット転位、21b:ミスフィット転位、21c:ミスフィット転位、22:SiGe層、22b:SiGe層、22c:SiGe層、22d:SiGe層、23:酸化膜、24:ミスフィット転位、24a:SiGe層、25:引っ張り歪Si層、30a:SiGe層、30b:SiGe層、30c:SiGe層、32:SiGe層、33:SiO層、35:SiGe層、35a:SiGe層、36:引っ張り歪Si層、40:溝、41:Si層、42:無歪Si層表面、43:無歪Si層、44:引っ張り歪Si層、50:溝、51:SiGe層、52:圧縮歪Si層、60:STI、61:ドレイン領域、62:ソース領域、63:ゲート電極、64:ドレイン電極、65:ソース電極、61a:ドレイン領域、62a:ソース領域、63a:ゲート電極、64a:ドレイン電極、65a:ソース電極、66:ゲート絶縁膜、70:層間絶縁膜。 1: Si substrate, 2: SiO 2 layer, 3: Si layer, 4: Misfit dislocation, 5: SiGe layer, 6: Compression strained Si layer, 7: SiGe layer, 8: Tensile strained Si layer, 10: Critical film Thick curve, 11: misfit dislocation, 12: misfit dislocation, 20: substrate, 21: misfit dislocation, 21: misfit dislocation, 21a: misfit dislocation, 21b: misfit dislocation, 21c: misfit dislocation, 22 : SiGe layer, 22b: SiGe layer, 22c: SiGe layer, 22d: SiGe layer, 23: oxide film, 24: misfit dislocation, 24a: SiGe layer, 25: tensile strained Si layer, 30a: SiGe layer, 30b: SiGe Layer, 30c: SiGe layer, 32: SiGe layer, 33: SiO 2 layer, 35: SiGe layer, 35a: SiGe layer, 36: tensile strained Si layer, 40: groove, 41: Si layer, 42: unstrained Si layer Surface: 43: Unstrained Si layer, 44: Tensile strained Si layer, 50: Groove, 51: SiGe layer, 52: Compression strained Si Layer, 60: STI, 61: drain region, 62: source region, 63: gate electrode, 64: drain electrode, 65: source electrode, 61a: drain region, 62a: source region, 63a: gate electrode, 64a: drain electrode 65a: source electrode, 66: gate insulating film, and 70: interlayer insulating film.

Claims (20)

第1導電型のSi基板もしくはSOI基板と、
前記基板の主面の全面もしくは一部に、第1のSiGe層とSi層とが順次積層された第1の半導体積層構造と、を少なくとも有し、
前記第1のSiGe層と前記基板との界面には転位を含んでおり、
前記第1のSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、且つ
前記Si層は、面内で引っ張り歪を有する第1の歪Si層であることを特徴とする半導体基板。
A first conductivity type Si substrate or SOI substrate;
A first semiconductor stacked structure in which a first SiGe layer and a Si layer are sequentially stacked over the entire or part of the main surface of the substrate;
The interface between the first SiGe layer and the substrate contains dislocations;
The semiconductor substrate, wherein the first SiGe layer is partially or completely strain-relieved, and the Si layer is a first strained Si layer having a tensile strain in a plane.
前記第1のSiGe層の膜厚が100nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。   The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the first SiGe layer has a thickness of 100 nm or less. 前記第1のSiGe層のGe濃度が、原子数%で20%未満であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。   2. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the Ge concentration of the first SiGe layer is less than 20% in terms of the number of atoms. 前記第1導電型のSi基板もしくはSOI基板の主面の全面もしくは一部に、第1のSiGe層より第nのSiGe層(nは2以上の自然数)の複数のSiGe層と、Si層とが順次積層された第1の半導体積層構造を具備し、
第1のSiGe層と前記基板の界面及び、第nのSiGe層と第(n−1)のSiGe層の界面には転位を含んでおり、
前記第1のSiGe層、より前記第nのSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、且つ前記Si層は、面内で引っ張り歪を有する第1の歪Si層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
A plurality of SiGe layers of nth SiGe layer (n is a natural number of 2 or more) from the first SiGe layer, and a Si layer over the whole or part of the main surface of the first conductivity type Si substrate or SOI substrate; Comprising a first semiconductor stacked structure in which are sequentially stacked,
The interface between the first SiGe layer and the substrate and the interface between the nth SiGe layer and the (n-1) th SiGe layer contain dislocations,
The first SiGe layer and the n-th SiGe layer are partially or completely strain-relieved, and the Si layer is a first strained Si layer having a tensile strain in a plane. The semiconductor substrate according to claim 1.
前記第nのSiGe層のGe濃度が、前記第(n-1)のSiGe層のGe濃度の2倍以下であることを特徴とする請求項4に記載の半導体基板。   5. The semiconductor substrate according to claim 4, wherein a Ge concentration of the n-th SiGe layer is not more than twice a Ge concentration of the (n−1) -th SiGe layer. 前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の表面には、SiGe層で挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を具備し、
前記Si領域は面内で圧縮の歪を受けた状態であることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板。
A part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe layers,
The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the Si region is subjected to a compressive strain in a plane.
前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の表面には、SiGe層で挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を具備し、
前記Si領域は面内で圧縮の歪を受けた状態であることを特徴とする請求項2に記載の半導体基板。
A part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe layers,
The semiconductor substrate according to claim 2, wherein the Si region is subjected to a compressive strain in a plane.
前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の表面には、SiGe層で挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を具備し、
前記Si領域は面内で圧縮の歪を受けた状態であることを特徴とする請求項3に記載の半導体基板。
A part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe layers,
The semiconductor substrate according to claim 3, wherein the Si region is subjected to a compressive strain in a plane.
前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の表面には、SiGe層で挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を具備し、
前記Si領域は面内で圧縮の歪を受けた状態であることを特徴とする請求項4に記載の半導体基板。
A part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe layers,
The semiconductor substrate according to claim 4, wherein the Si region is subjected to a compressive strain in a plane.
前記第1の半導体積層構造を含まない領域の一部の表面には、SiGe層で挟まれたSi領域を含む第2の半導体積層構造を具備し、
前記Si領域は面内で圧縮の歪を受けた状態であることを特徴とする請求項5に記載の半導体基板。
A part of the surface of the region not including the first semiconductor multilayer structure includes a second semiconductor multilayer structure including a Si region sandwiched between SiGe layers,
The semiconductor substrate according to claim 5, wherein the Si region is in a state of being subjected to compressive strain in a plane.
第1導電型のSi基板もしくはSOI基板と、
前記基板の主面の全面もしくは一部に、第1のSiGe層とSi層とが順次積層された第1の半導体積層構造と、を少なくとも有し、
前記第1のSiGe層と前記基板との界面には転位を含んでおり、
前記第1のSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、
且つ前記Si層は、面内で引っ張りの状態にある歪を有する第1の歪Si層である半導体基板と、
前記第1の歪Si層上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下の前記第1の歪Si層をチャネル形成領域とする第1の電界効果型トランジスタとを、少なくとも有することを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type Si substrate or SOI substrate;
A first semiconductor stacked structure in which a first SiGe layer and a Si layer are sequentially stacked over the entire or part of the main surface of the substrate;
The interface between the first SiGe layer and the substrate contains dislocations;
The first SiGe layer is partially or fully strain relaxed;
The Si layer is a semiconductor substrate that is a first strained Si layer having a strain in a tensile state in the plane;
A first field effect transistor having a gate electrode on the first strained Si layer with a gate insulating film interposed therebetween, and having the first strained Si layer under the gate electrode as a channel formation region; A semiconductor device including at least the semiconductor device.
前記第1のSiGe層の膜厚が100nm以下であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 11, wherein a film thickness of the first SiGe layer is 100 nm or less. 前記第1のSiGe層のGe濃度が、原子数%で20%未満であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 11, wherein the Ge concentration of the first SiGe layer is less than 20% in terms of atomic percentage. 前記第1導電型のSi基板もしくはSOI基板の主面の、全面もしくは一部に第1のSiGe層より第nのSiGe層(nは2以上の自然数)の複数のSiGe層と、Si層とが順次積層された第1の半導体積層構造を具備し、
第1のSiGe層と前記Si基板もしくはSOI基板の界面及び、第nのSiGe層と第(n-1)のSiGe層には転位を含んでおり、
前記第1のSiGe層より前記第nのSiGe層は部分的もしくは完全に歪緩和しており、且つ前記Siは、面内で引っ張り歪を有する第1の歪Si層である半導体基板と、
前記第1の歪Si層上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を有し、前記ゲート電極下の前記第1の歪Si層をチャネル形成領域とする第1の電界効果型トランジスタとを、少なくとも有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
A plurality of SiGe layers of a first SiGe layer (n is a natural number greater than or equal to 2) from the first SiGe layer on the whole or part of the main surface of the first conductivity type Si substrate or SOI substrate; Comprising a first semiconductor stacked structure in which are sequentially stacked,
The interface between the first SiGe layer and the Si substrate or the SOI substrate and the nth SiGe layer and the (n-1) th SiGe layer contain dislocations,
A semiconductor substrate in which the n-th SiGe layer is partially or completely strain-relieved from the first SiGe layer, and the Si is a first strained Si layer having tensile strain in-plane;
A first field effect transistor having a gate electrode on the first strained Si layer with a gate insulating film interposed therebetween, and having the first strained Si layer under the gate electrode as a channel formation region; The semiconductor device according to claim 11, comprising at least the semiconductor device.
前記第nのSiGe層のGe濃度が、前記第(n-1)のSiGe層のGe濃度の2倍以下であることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 14, wherein a Ge concentration of the n-th SiGe layer is not more than twice a Ge concentration of the (n−1) -th SiGe layer. 前記第1の半導体積層構造と、
前記基板の主面における、前記第1の半導体積層構造を有しない領域の少なくとも一部にSiGe層で挟まれたSi領域を有する第2の半導体積層構造と、を少なくとも有し、
前記第1の半導体積層構造では、面内で引っ張り歪を受けた第1の歪Si層領域を、前記第2の半導体積層構造では、面内で圧縮歪を受けた第2の歪Si領域を有し、
前記第1の半導体積層構造の前記第1の歪Si層領域上に、ゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極を有し、前記第1のゲート電極下の前記第1の歪Si層領域にチャネル形成領域を有する第1の電界効果型トランジスタと、
前記第2の半導体積層構造の前記第2の歪Si層領域上に、ゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極を有し、前記第2のゲート電極下の前記第2の歪Si層領域にチャネル形成領域を有する第2の電界効果型トランジスタとを、少なくとも有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
The first semiconductor multilayer structure;
At least a second semiconductor multilayer structure having a Si region sandwiched between SiGe layers in at least a part of a region not having the first semiconductor multilayer structure on the main surface of the substrate;
In the first semiconductor multilayer structure, a first strained Si layer region that has undergone tensile strain in the plane is used, and in the second semiconductor multilayer structure, a second strained Si region that has undergone compressive strain in the plane. Have
The first strained Si layer region under the first gate electrode having a first gate electrode via a gate insulating film on the first strained Si layer region of the first semiconductor stacked structure. A first field effect transistor having a channel formation region in
A second gate electrode is provided on the second strained Si layer region of the second semiconductor multilayer structure via a gate insulating film, and the second strained Si layer region under the second gate electrode. The semiconductor device according to claim 11, further comprising at least a second field effect transistor having a channel formation region.
前記第1の電界効果型トランジスタのソース領域およびドレイン領域はN型であり、前記第2の電界効果型トランジスタのソース領域およびドレイン領域はP型であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。   The source region and drain region of the first field effect transistor are N-type, and the source region and drain region of the second field effect transistor are P-type. Semiconductor device. 前記第1の電界効果型トランジスタと前記第2の電界効果型トランジスタとによってCOMSを構成する領域があることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the first field-effect transistor and the second field-effect transistor have a region constituting a COMS. 前記第1のSiGe層の膜厚が100nm以下であることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。   18. The semiconductor device according to claim 17, wherein the first SiGe layer has a thickness of 100 nm or less. Si基板又はSOI基板上にミスフィット転位が発生する膜厚である臨界膜厚以上のSiGe層を、前記基板の全面もしくは1部領域に堆積する工程、
堆積された前記SiGe層の膜厚が転位増殖を起こす膜厚になるまで薄膜化する工程、及び
前記SiGe層の歪みを部分的もしくは完全に緩和させる為、加熱処理を行う工程、
前記前記SiGe層上にSi層を形成する工程、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。
Depositing a SiGe layer having a thickness greater than or equal to a critical thickness, which is a thickness at which misfit dislocations are generated, on a Si substrate or an SOI substrate;
A step of reducing the thickness of the deposited SiGe layer to a thickness that causes dislocation growth, and a step of performing a heat treatment to partially or completely relieve strain of the SiGe layer,
Forming a Si layer on the SiGe layer. A method of manufacturing a semiconductor substrate, comprising:
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