JP2007527113A - 二軸圧縮歪みの状態の＜１１０＞Ｓｉ中の電子および正孔移動度の増加（シリコン含有半導体材料および形成方法） - Google Patents

二軸圧縮歪みの状態の＜１１０＞Ｓｉ中の電子および正孔移動度の増加（シリコン含有半導体材料および形成方法） Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は増加した電子および正孔移動度を有する半導体材料を提供する。
【解決手段】半導体材料は＜１１０＞結晶配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を備える。本明細書では、用語「二軸圧縮応力」は、半導体材料の製造時にＳｉ含有層に誘起される縦圧縮応力および横応力によって生じる総応力を記載するために用いられる。本発明の他の側面は、本発明の半導体材料を形成する方法に関する。本発明の方法は、シリコン含有＜１１０＞層を準備する工程、およびシリコン含有＜１１０＞層中に二軸圧縮歪みを発生させる工程を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、増加した電子および正孔移動度を有する半導体材料に関する。より詳しくは、本発明は、増加した電子および正孔移動度を有するシリコン（Ｓｉ）含有層を備える半導体材料に関する。本発明は、そのような半導体材料を形成するさまざまな方法も提供する。
３０年を超える期間、シリコン金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の継続的な小型化は、世界の半導体産業を推進してきた。３０年間にわたって、継続的なスケールダウンに対してさまざまな障害物が予測されたが、多数の難問にもかかわらず、イノベーションの歴史がムーアの法則を成立させてきた。しかし、今日では、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタが伝統的なスケールダウンの限界に到達し始めつつあるという次第に大きくなる徴候がある（非特許文献１に、継続的なＣＭＯＳスケールダウンへの短期および長期の難問の簡潔な要約がある。非特許文献２の半導体技術の限界を特集した特別号に、デバイス、材料、回路およびシステム限界の極めて徹底的な概説がある）。
継続的な小型化によってＭＯＳＦＥＴ、ひいては相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路性能を改善することがますます難しくなるので、スケールダウンさせることなく性能を改善するための方法が非常に重要になってきた。これを実行するための一つの一般的な手法は、キャリア（電子または正孔あるいはその両方）移動度を増加させることである。これは、（１）Ｓｉ格子中に適切な歪みを導入する、（２）通常の＜１００＞Ｓｉとは異なる方向に配向したＳｉ表面にＭＯＳＦＥＴを構築する、のどちらかによって、あるいは（３）（１）と（２）との組み合わせ、によって実行することができる。
手法（１）に関する限り、例えば、緩和ＳｉＧｅバッファ層上の歪みＳｉ、および緩和ＳｉＧｅオン・インシュレータ上の歪みＳｉなど、二軸引張り歪み状態にあるＳｉを製造するためのいくつかの方法が説明されてきた。この手法は電子移動度を著しく増加させることが分ったが、＜１００＞Ｓｉ中の正孔移動度を少々増加させるためだけでも高いＧｅ比率を必要とする。
手法（２）について、＜１１０＞Ｓｉ中の正孔移動度が通常の＜１００＞Ｓｉの正孔移動度の二倍より大きいことは公知である。しかし、緩和した（歪みのない）＜１１０＞Ｓｉ中の電子移動度は、＜１００＞の場合と比較して約２分の１に低下する。この手法によって、＜１００＞Ｓｉ中に構築されたｐＦＥＴと、＜１１０＞Ｓｉ中に構築されたｎＦＥＴとを集積化するためのいささか複雑な「ハイブリッド」方式が発明された（非特許文献３）。このハイブリッド手法は、ｐＦＥＴには著しく有益であるが、通常、ｎＦＥＴには何の益もない。
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｏａｄｍａｐ ｆｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ（ＩＴＲＳ），２００２ Ｕｐｄａｔｅ，"Ｇｒａｎｄ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ．" Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．８９，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ ２００１ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｓｓｕｅ． Ｍ．Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ．，ＩＤＥＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ．４５３（２００３） Ｍ．Ｖ．Ｆｉｓｃｈｅｔｔｉ ａｎｄ Ｓ．Ｅ．Ｌａｕｘ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．８０，２２３４（１９９６） Ｔ．Ｙｏｎｅｈａｒａ ａｎｄ Ｋ．Ｓａｋａｇｕｃｈｉ，"ＥＬＴＲＡＮ（ＳＯＩ Ｅｐｉ Ｗａｆｅｒ） Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ ＳＯＩ，Ｃｈａｐｔｅｒ ２，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２，（４／１９／２０００）
電子移動度と正孔移動度との両方を著しく増加させるが、同時に、ハイブリッド結晶配向（Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）方式（Ｓｃｈｅｍｅ）の複雑さを回避する手法には明らかな利点がある。
本発明は、増加したキャリア移動度を有する半導体材料を提供する。この半導体材料は、二軸圧縮歪み状態にある＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層を含む。本明細書で、用語「二軸圧縮歪み」は、半導体材料の製造時にＳｉ含有層の面内に誘起される縦方向の圧縮応力および横方向の（または側方の）圧縮応力によって生じる総（正味の）応力を記述するために用いられる。
二軸圧縮歪みを有する＜１１０＞Ｓｉ含有層を備える本発明の半導体材料は、ｎＭＯＳおよびｐＭＯＳの両方の場合に、増加した移動度を提供する。
本発明の別の側面は、本発明の半導体材料を形成する方法に関する。詳しくは、全体として、本発明の方法は、シリコン含有＜１１０＞層を準備する工程、およびシリコン含有＜１１０＞層中に二軸圧縮歪みを発生させる工程を含む。
一つの実施態様では、以下の工程を含む方法によって、＜１１０＞配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を形成する。
＜１１０＞Ｓｉ含有基板中に、上部表面を有する少なくとも一つの多孔質（ｐｏｒｏｕｓ）Ｓｉ層を形成する工程、
上部表面をアニールし、これによって、非多孔質表面層を形成する工程、
非多孔質表面層上に、＜１１０＞配向を有する結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を形成し、それによって、転写構造体（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を形成する工程、
最高デバイス動作温度より高い温度で、Ｓｉより高い熱膨張係数を有する材料に転写構造体をボンディングしてボンディング構造体を準備する工程、
機械的に弱い界面が前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層に形成されるように、ボンディング構造体を冷却し、それによって、前記ボンディング構造体を前記界面で劈開させる工程、および
劈開された構造体から、少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層の残存部分を除去し、前記材料の上に＜１１０＞配向を有する結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を少なくとも備える半導体材料を提供し、前記結晶性エピタキシャルＳｉ含有層に二軸圧縮歪みを生じさせる工程。
別の実施態様では、以下の工程を含む方法によって、＜１１０＞配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を形成する。
＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層の表面中に、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を形成する工程、および
前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域で囲まれるＳｉ含有層の露出部分上に、少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成し、前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域によって、前記Ｓｉ含有層中に二軸圧縮歪みを発生させる工程。
本発明のさらに別の実施態様では、以下の工程を含む方法によって、＜１１０＞配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を形成する。
＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層を備え、その上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを有する構造体を準備する工程、および
前記構造体上に圧縮ライナー（ｌｉｎｅｒ）を形成し、前記圧縮ライナーによって、ＣＭＯＳデバイスのゲートの下で前記Ｓｉ含有層が二軸圧縮歪み状態にされる工程。
本発明のさらに別の実施態様では、以下の工程を含む方法によって、＜１１０＞配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を形成する。
＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層の表面中に、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を形成する工程、
前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域で囲まれるＳｉ含有層の露出部分上に、少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成する工程、および
前記Ｓｉ含有層上に圧縮ライナーを形成し、前記圧縮ライナーおよび前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域によって、前記Ｓｉ含有層が二軸圧縮歪み状態にされる工程。
少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域および圧縮ライナーの場合、デバイスの幅が広いとき、応力（ｓｔｒｅｓｓ）は主に一軸性である。デバイスの幅が狭くなると、応力は二軸性になる。
次に、本明細書に添付した図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明は、＜１１０＞結晶配向および二軸圧縮歪みを有するＳｉ含有層を備える半導体材料、およびこの半導体材料を形成するさまざまな方法を提供する。
本出願の出願人らは、数値計算によって、＜１１０＞Ｓｉ含有層中に著しい（約０．２％より大きな、好ましくは約０．５％より大きな）二軸圧縮歪みを導入すると、電子および正孔移動度の両方が通常の歪みのない＜１００＞Ｓｉの場合の移動度より大きくなることを見いだした。本明細書では、％歪みを、所与の方向の材料の結晶格子定数の百分率変化として定義する。二軸圧縮歪みと＜１１０＞Ｓｉ含有層との両方を組み合わせることの著しい利点は、従来、当分野では認識されていなかった。
Ｋｕｂｏ−Ｇｒｅｅｎｗｏｏｄ式（線形化Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ輸送方程式の解から得られる）を用いて反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）層中のキャリアのキャリア移動度を計算することによって見いだされた上記計算の結果を図１〜２および図３〜４に示す。ｎＦＥＴの場合に６つの楕円伝導帯谷（ｖａｌｌｅｙ）（Ｋａｎｅに従って一次非放物線補正を用いた）からなるモデルバンド構造を用いるか、あるいはｐＦＥＴの場合に６つのバンドｋ＊ｐハミルトニアン（３バンド×２スピン状態）をスピン軌道相互作用で解くかすることによって、サブバンド構造を計算した。ｎＦＥＴの場合、既知の縮退破れ（ｄｅｇｅｎｅｒａｃｙ−ｂｒｅａｋｉｎｇ）および伝導楕円体のエネルギーシフトならびに有効質量の（線形）変化を可能にすることによって、歪みの効果を説明した。ｎＦＥＴの場合、完全歪みハミルトニアンを全（ｋ＊ｐ＋スピン−軌道）ハミルトニアンに加えた。数値計算によって、Ｆｅｒｍｉ黄金律と、以前のバルク計算（非特許文献４）から求めた歪みポテンシャルとを用いて、音響フォノン（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｈｏｎｏｎ）との（バンド内、サブバンド内およびサブバンド間）散乱（約１５０Ｋより高い温度で成立する弾性、等分配近似で）と、光学フォノンとの非弾性、異方性散乱（ｎＦＥＴでは谷の間、ｐＦＥＴではバンド内およびバンド間）とに起因するキャリア運動量緩和（ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）速度を、評価した。完全Ａｎｄｏモデルに従い、誘電遮蔽の厳密な多重サブバンドモデルを用いて、Ｓｉ‐ＳｉＯ２界面の粗さによる散乱を取り扱った。
図１は、より一般的なＳｉ＜１００＞ウエハ表面の場合に、現在のＶＬＳＩ技術で通常使用される［１１０］結晶方向のｎＦＥＴの反転層中の計算による電子移動度（キャリアシート密度の関数として）を示す。低電子密度での１％二軸引張り歪みの印加による公知の電子移動度の増加が示される。これに対して、図２は、＜１１０＞表面の場合に、中程度の量の圧縮歪み（０．５％以上）でも、緩和＜１００＞表面または歪み＜１００＞表面の場合にすべての密度で達成される値よりはるかに大きく電子移動度（［１１０］方向）を急増させることを示す。
図１と図２とを比較すると分るように、＜１１０＞Ｓｉ表面に１％圧縮歪みを加えると、電子移動度は、＜１００＞緩和（あるいは１％圧縮または引張り歪みを有する）Ｓｉの場合に得られる移動度の約２倍増加する。
図３〜４は、＜１００＞（図３）および＜１１０＞（図４）Ｓｉ表面の場合に計算された正孔移動度に関する類似の情報を示す。これらの図面から分かるように、＜１１０＞表面に１％の圧縮歪みを加えると、［１１０］方向の正孔移動度は、緩和＜１００＞Ｓｉ表面の場合の正孔移動度より約３倍急増する。
本発明のＳｉ基板を用いて得られるこれらの増加した移動度は、より高性能のｎＦＥＴおよびｐＦＥＴを可能にすると同時に、ハイブリッド結晶配向手法の複雑さを回避する。以下の説明では、図５Ａ〜Ｅを参照して、本発明で使用することができる一つの方法の例を示す。この方法によれば、これらの著しく高いキャリア移動度を実現するために、＜１１０＞Ｓｉ含有層中に二軸圧縮歪み（約０．２％より大きな、好ましくは約０．５％より大きな）を導入することができる。
図５Ａは、本発明の基板材料を形成する際に用いることができる初期構造体の例を示す。詳しくは、図５Ａに示した初期構造体は、＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０を備え、Ｓｉ含有基板１０は、Ｓｉ含有基板１０の表面上に形成される少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層１２を有する。この少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層１２は、最上部表面層１３を有する。図面では、二つの多孔質Ｓｉ層１２Ａおよび１２Ｂが形成される。二つの多孔質Ｓｉ層１２Ａおよび１２Ｂが存在することを図示したが、本発明は、一つの多孔質Ｓｉ層だけ、または三つ以上の多孔質Ｓｉ層が形成されるときも等しく十分に機能する。
本発明では、用語「Ｓｉ含有基板」は、Ｓｉを含む半導体材料を示すために用いられる。基板１０として使用することができるそのようなＳｉ含有材料の実例は、バルクのＳｉ、約２５％以下のＧｅ含量を有するＳｉＧｅ、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）およびＳｉＧｅ・オン・インシュレータを含む。基板はドーピングされていてもよく、あるいはドーピングされていなくてもよい。
本発明では、この少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層は、電気分解による陽極酸化（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ａｎｏｄｉｚａｔｉｏｎ）プロセスを利用することによって形成される。陽極酸化プロセスによって、＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０の表面部分を多孔質Ｓｉ層に変換することができる。陽極酸化プロセスは、＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０をＨＦ含有溶液中に浸漬し、同じくＨＦ含有溶液中に配置された電極に対して＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０に電気的バイアスを印加することによって実行される。そのようなプロセスでは、通常、＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０自体が電解槽の陽極として機能し、Ｓｉまたは金属などの別の半導体材料が陰極として機能する。
多孔質Ｓｉ層を形成する際に用いられる陽極酸化プロセスは、陽極エッチング・プロセスと呼んでもよい。陽極酸化プロセスを用いて形成される多孔質Ｓｉ層は、Ｓｉ含有基板１０の残りの部分と比較すると機械的に弱いが、多孔質Ｓｉ層は、Ｓｉ含有基板１０の結晶品質および配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を保持する。
二つ以上の多孔質Ｓｉ層１２が形成されるとき、他の多孔質層は、同じ細孔（ｐｏｒｅ）形態を有してもよく、あるいは異なる細孔形態を有してもよい点に注意すべきである。本発明では、陽極酸化プロセスの間に電流の状態を変化させることによって、異なる細孔形態を含む多孔質Ｓｉ層を形成することができる。
一般に、ＨＦ陽極酸化によって、Ｓｉ含有基板１０の表面領域を多孔質Ｓｉに変換する。こうして形成される多孔質Ｓｉの生成速度および性質（多孔率および微細構造）は、材料特性ならびに陽極酸化プロセスそれ自体の反応条件（電流密度、バイアス、照明（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）およびＨＦ含有溶液中の添加剤）の両方によって決定される。一般に、本発明で形成される多孔質Ｓｉ層１２Ａおよび１２Ｂは、約０．１％以上の多孔率を有する。
各多孔質Ｓｉ層１２の厚さは、使用される陽極酸化条件によって変化し得る。一般的に、本発明で形成される各多孔質Ｓｉ層１２の厚さは、約１００ｎｍから約数ミクロンであり、約３００から約５００ｎｍの厚さがより一般的である。各多孔質Ｓｉ層１２は、上記で言及した範囲内で同じ厚さを有してもよく、あるいは上記で言及した範囲内で異なる厚さを有してもよい。
用語「ＨＦ含有溶液」は、高濃度ＨＦ（４９％）、ＨＦと水との混合物、ＨＦとメタノール、エタノール、プロパノール等などの一価アルコールとの混合物、または少なくとも一つの通常の界面活性剤（ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）と混合されたＨＦを含む。ＨＦ溶液中に存在する界面活性剤の量は、通常、４９％ＨＦを基準として約１から約５０％である。
陽極酸化プロセスは、約０．０５から約５０ミリアンペア／ｃｍ２の電流密度で動作する定電流電源を用いて実行される。任意選択で、光源を用いて試料を照射してもよい。より好ましくは、本発明の陽極酸化プロセスでは、約０．１から約５ミリアンペア／ｃｍ２の電流密度で動作する定電流電源が用いられる。
通常、陽極酸化プロセスは、室温で実行されるが、あるいは室温から若干高い温度を用いてもよい。通常、陽極酸化プロセスに続いて構造体を脱イオン水ですすぎ、乾燥させる。
＜１１０＞Ｓｉ含有基板１０中に少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層１２を形成する陽極酸化プロセスに続いて、図５Ａに示した構造体をアニーリング・プロセスに付す。アニーリング・プロセスは、最上層の多孔質Ｓｉ層の細孔を封止するのに有効な条件（温度および雰囲気）下で実行される。図に示した場合では、アニーリング工程によって、多孔質Ｓｉ層１２Ｂの表面の細孔が封止されると考えられる。本発明のこの時点で実行されるアニーリング工程によって、シリコン原子の表面拡散が引き起こされ、それによって、非多孔Ｓｉの薄い皮膜層が形成される。図５Ｂでは、非多孔質Ｓｉの薄い皮膜層を参照番号１４で指定する。一般的に、本発明のこの時点で形成される非多孔質Ｓｉの皮膜層は、約５から約８０ｎｍの厚さを有し、約１０から約３０ｎｍの厚さがより一般的である。
最上層の多孔質Ｓｉ層１３の細孔を封止するために用いられるアニーリング工程は、高いアニーリング温度で実行される。「高いアニーリング温度」とは、約９００°から約１１５０℃のアニーリング温度を意味する。より好ましくは、アニーリング工程は、約１０００°から約１１００℃の温度で実行される。単一の昇温速度を用いてアニーリングを実行してよい。あるいは、さまざまな昇温速度を用いてアニーリングを実行してよく、この場合、任意選択で、ソーク（浸せき）サイクルを使用してよい。
高い温度で実行されることに加えて、最上層の多孔質Ｓｉ層１３の細孔を封止するために用いられる本発明のアニーリング工程は、水素含有雰囲気の存在下でも実行される。使用することができる適当な水素含有雰囲気は、分子水素または原子水素を含む。いくつかの実施態様では、水素含有雰囲気をＨｅ、Ａｒ、Ｎ２またはＸｅなどの不活性ガスと混合し得る。本発明のいくつかの好ましい実施態様では、アニーリング雰囲気はＨ２である。
前述の高温アニーリング工程を用いて多孔質Ｓｉ層の上部の細孔を封止した後、薄い皮膜Ｓｉ層１４の上にＳｉ含有材料、すなわちＳｉまたはＳｉＧｅのエピタキシャル層を形成する。エピタキシャルＳｉ含有層は、基板１０の結晶配向と同じ結晶配向を有する結晶性材料である。エピタキシャルＳｉ含有層は、当業者に公知のエピタキシャル成長プロセスを使用することによって形成される。例えば、超高真空化学的気相堆積（ＵＨＶＣＶＤ）プロセスまたは任意のその他の同様な技法によってエピタキシャルＳｉ含有層を形成することができる。
薄い皮膜層非多孔質Ｓｉ表面１４の上に形成されるエピタキシャルＳｉ含有層は、図５Ｂでは、参照番号１６で指定される。本発明のこの時点で形成されるエピタキシャルＳｉ含有層１６の厚さは、同層を形成する際に用いられるプロセスによって変化し得る。一般的に、エピタキシャルＳｉ含有層１６は、約１０から約１００ｎｍの厚さを有し、約１０から約３０ｎｍの厚さがより一般的である。
Ｓｉ形成、細孔封止およびエピタキシャル成長に関する上記の議論は、当業者に公知である点に留意すべきである。上記のプロセス工程は、ＳＯＩウエハ製造のための公知のＥＬＴＲＡＮプロセスにもとづく（非特許文献５を参照すること）。
本発明のいくつかの実施態様では、エピタキシャルＳｉ含有層１６上に任意選択の酸化物層１８（図５Ｂを参照すること）を形成し得る。任意選択の酸化物層１８は、通常の酸化プロセスによって形成し得る。あるいは、任意選択の酸化物層１８は、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法、プラズマ促進化学的気相堆積（ＰＥＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法、化学的溶液相堆積法および類似法などの通常の堆積プロセスによって形成し得る。
本発明のこの時点で形成される任意選択の酸化物層１８の厚さは、同層を形成する際に用いられるプロセスによって変化し得る。一般的に、任意選択の酸化物層１８は、約１０から約２００ｎｍの厚さを有し、約２０から約１００ｎｍの厚さがより一般的である。
本発明では、図５Ｂに示した構造体は、任意選択の酸化物層１８の有無に関わらず、高温で基板２０にボンディングされる転写構造体として使用される。図５Ｃは、転写構造体の任意選択の酸化物層１８またはエピタキシャルＳｉ含有層１６にボンディングすることができる基板２０を示す。このボンディングは、最初に二つの構造体を図５Ｃに示したように配置し、二つの構造体を互いに接触させ、接触した構造体に任意選択で外力を印加し、二つの構造体を加熱することによって実現される。
本発明で使用することができる基板２０は、Ｓｉ含有基板１０より著しく大きな熱膨張係数を有する任意の材料を含む。すなわち、基板２０は、約２．８ｐｐｍ／℃より著しく大きな熱膨張係数αを有する任意の材料を含む。基板２０に適する材料の実例は、サファイヤ（α＝８．８ｐｐｍ／℃）、ゲルマニウム（室温でα＝５．８ｐｐｍ／℃、温度とともに著しく増加する）およびフッ化カルシウム（α＝１９ｐｐｍ／℃）を含む。
示していないいくつかの実施態様では、ボンディングの前に基板２０の表面上に任意選択の酸化物層を形成し得る。この任意選択の酸化物層は、上記で説明したように形成することができ、単独で、あるいは転写構造体の任意選択の酸化物層１８とともに用いてウエハ・ボンディングを促進させることができる。
二つの構造体を一緒にボンディングするために用いられる加熱工程は、約４００°から約１０００℃の範囲の高温で実行される。より好ましくは、ボンディングは、約７５０°から約９２５℃の温度で実行される。加熱工程は、単一の昇温速度を用いて実行してもよい。あるいは、さまざまな昇温速度を用いてアニーリングを実行してもよく、この場合、任意選択のソーク・サイクルを使用してよい。いくつかの実施態様では、二つの構造体を一緒にボンディングするために用いられる加熱工程は、例えばＨｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｘｅおよびそれらの混合物を含む不活性雰囲気中で実行し得る。二つの構造体を一緒にボンディングする際に、その他の雰囲気を用いてよい。
高いウエハ・ボンディング温度から冷却すると、基板２０は、より高い熱膨張係数のためにＳｉ含有基板１０より多く収縮する。これによって、任意選択の酸化物層１８の上のＳｉ含有層１６（これらの温度では剛体のままである）中および多孔質Ｓｉ層中に顕著な圧縮応力が発生する。通常、冷却することは、約５０℃／分以下の冷却速度を用いて実行される。
多孔質層の間の境界での顕著な界面応力に起因して、ボンディングされたウエハは、二つの多孔質層の界面に沿って優先的に劈開（ｃｌｅａｖｅ）する。図５Ｄでは、劈開が起こる界面を参照番号２２で示す。多孔質層が一つの場合、劈開は、多孔質層の内部または多孔質層の端で起こる。多孔質Ｓｉ層がない場合、強いボンディング（結合力）と熱膨張係数の不適合とに起因して、基板２０またはＳｉ含有基板１０のどちらかが破断する。この劈開は、ＥＬＴＲＡＮウエハ製造の当業者には公知である。
その極めて高い表面対体積比に起因して、ウェット・エッチング・プロセスを利用して、残存多孔質Ｓｉ層（単数または複数）をエピタキシャルＳｉ含有層１６に対して高選択性（１０００：１より大）で除去することができる。詳しくは、化学エッチング剤がフッ化水素酸、硝酸および酢酸の溶液であるウェット・エッチング・プロセスを用いて、冷却プロセスの間に劈開しなかった残存多孔質Ｓｉ層を除去することができる。残存多孔質層を選択的に除去する際に使用することができるその他の化学エッチング剤は、ＨＦ、Ｈ２Ｏ２およびＨ２Ｏの混合物を含む。残存多孔質Ｓｉ層の選択的除去によって、エピタキシャルＳｉ含有層１６の表面が露出される。
図５Ｅは、残存多孔質Ｓｉ層の劈開および除去後に形成される構造体を示す。図５Ｅに示した構造体は、基板２０、任意選択の酸化物層１８、および二軸圧縮歪み状態の＜１１０＞配向を有するエピタキシャルＳｉ含有層１６を備える。図５Ｅに示した構造体は、絶縁体、例えば酸化物層１８の上にエピタキシャルＳｉ含有＜１１０＞層１６が直接配置されるので、ＳＯＩ様構造体であることに留意すべきである。
本発明のこの時点で、Ｈ２含有雰囲気中で実行されるアニーリング・プロセスを利用して、層１６の新しく露出されたＳｉ含有表面を滑らかにし得る。このアニーリング工程は、約８５０°から約１１００℃の温度で実行され、約９００°から約９５０°の温度がより好ましい。このアニーリング工程の間に、過度の（＞１１００℃）熱処理で酸化物１８を処理することによって、圧縮歪みを有するＳｉ含有層１６を緩和させないように注意すべきである。化学機械的研摩（ＣＭＰ）を用いてもよい。
薄いＳｉ含有層１６は、絶縁体上に直接配置される歪みＳｉ（ＳＳＤＯＩ：ｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｉ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）中に形成されるものに類似しているが、反対の符号の歪みを有する。Ｓｉ含有層１６の薄い性質から導くことができるデバイスのスケールダウンの利点は、ＳＳＤＯＩの利点に類似するが、歪みの符号およびウエハの配向によってさらに高いキャリア移動度増加の可能性を有する。
任意選択の酸化物層１８が存在しない実施態様では、薄いＳｉ含有層１６は、基板２０上に直接形成される。層１６はエピタキシャル成長するので、＜１１０＞である基板１０と同じ結晶配向を有する点に注意すること。基板２０がサファイヤである実施態様では、本発明の方法は、最大０．６％の二軸圧縮歪みを生み出すことができる。基板２０がフッ化カルシウムである実施態様では、本発明の方法は、最大１．０％の二軸圧縮歪みを生み出すことができる。フッ化カルシウムを基板２０として使用するとき、約６００℃より高い高温での水蒸気への露出をできるだけ少なくするように注意しなければならない。
図５Ｅに示した構造体を形成した後、ｎＦＥＴ、ｐＦＥＴおよびそれらの組み合わせを含むさまざまなＣＭＯＳデバイスをＳｉ含有層１６上に直接形成し得る。当業者に公知の通常のプロセスを利用して、ＣＭＯＳデバイスを形成する。
上記の図５Ａ〜５Ｅで説明したウエハ転写技法に加えて、本発明は、二軸圧縮歪み状態の＜１１０＞Ｓｉ含有層を有する半導体材料を形成するための実施態様も包含する。この実施態様では、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域、圧縮ライナー、または両方を用いてＳｉ含有層中に歪みを発生させる。
図６Ａ〜６Ｃは、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域と圧縮ライナーとを用いてＳｉ含有層中に歪みを発生させる実施態様を示す。Ｓｉ含有層または基板１０の表面上での分離トレンチ形成およびＣＭＯＳデバイスの形成の後、圧縮ライナーを形成する。
本発明のこの実施態様は、最初に＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有基板または層１０を準備し、次に層１０中に少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域５０を形成することによって開始する。以下、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を、単に分離トレンチ領域と呼ぶ。用語「多重接続」は、分離領域がその中に孔（ｈｏｌｅ）を有することを意味する。最初に基板１０の表面上にハードマスク（示していない）を形成することによって、トレンチ分離領域５０を形成する。通常、ハードマスクは、薄い酸化物層の表面の上の窒化物層を含む。ハードマスクは、熱成長プロセスまたは堆積法によって形成することができるが、これらの方法はどちらも当業者に公知である。ハードマスク層の厚さは、同層を形成する際に用いられる材料および技法によって変化し得る。通常、ハードマスクは、約３０から約１００ｎｍの厚さを有する。
ハードマスクの形成に続いて、堆積法およびリソグラフィーによって、少なくとも一つの複数接続トレンチを有するパターン化されたフォトレジスト（示していない）を形成する。次に、通常のエッチング・プロセスによって、この少なくとも一つのトレンチ・パターンをハードマスク層に転写する。通常、パターン転写に続いて、通常の剥離プロセスによってパターン化されたフォトレジストを構造体から除去した後、別のエッチング・プロセスによってハードマスク中に形成されたトレンチ・パターンを基板１０に転写する。このエッチング工程によって、基板１０中にトレンチを形成する。あるいは、一回のエッチング工程を用いてハードマスクをパターン化し、基板中にトレンチを形成してもよい。通常、トレンチの深さは、基板１０の上部表面からトレンチの底部までで測定して、約５０から約５００ｎｍである。
基板１０へのパターン転写に続いて、任意選択でトレンチ・ライナー（示していない）を形成し、これによって、トレンチの壁にライナーを設けた後、通常の堆積プロセスによって、例えば酸化物を含むトレンチ誘電体材料でトレンチを充填する。通常、トレンチ充填工程の後、平坦化工程によって、トレンチより上方のトレンチ誘電体を除去し、次にハードマスクを除去する。
通常、平坦化およびハードマスク除去の前に、焼きしめ（ｄｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）工程を実行する。通常、これは、Ｎ２雰囲気中の高温（９００°〜１１００℃）での長時間（時間程度の長さ）のアニールである。これによって、酸化物材料中の水素を事実上追い出す。
図６Ａに、上記諸工程を実行した後に形成される構造体を示す。本発明のこの時点で、通常のＣＭＯＳプロセスを利用することによって、基板１０の露出表面上に、参照番号５２で表される少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成することができる。例えば、図６Ｂに示した構造体を参照すること。
ＣＭＯＳデバイス製造に続いて、少なくとも基板１０の露出表面上に圧縮ライナー５４を形成する。通常、圧縮ライナーは、窒化物含有材料で構成される。通常、窒化物含有材料を用いるが、Ｓｉ含有基板１０に二軸応力を誘起することができる他の絶縁材料を用いてよい。ＰＥＣＶＤまたはＲＴＣＶＤなどの堆積プロセスを利用することによって、圧縮ライナー５４を形成する。圧縮ライナー５４の厚さは、同ライナーを形成する際に用いられる条件によって変化し得る。通常、圧縮ライナー５４は、約２０から約１００ｎｍの厚さを有する。本発明のこの時点で形成される圧縮ライナー５４は、デバイスのゲートの下の領域中に圧縮応力を導入する（領域５５を参照すること）。
圧縮ライナー５４の形成に続いて、ＰＥＣＶＤなどの堆積プロセスによって酸化物層５６を形成する。酸化物層５６の厚さは、同層を形成する際に用いられる条件によって変化し得る。通常、酸化物層５６は、約２００から約１０００ｎｍの厚さを有する。次に、ＣＭＰを用いて酸化物層を平坦化させる。図６Ｃは、圧縮ライナー５４と酸化物層５６との形成後に結果として形成される構造体を示す。
本発明のこの実施態様では、トレンチ分離領域５０は、チャンネルに向かって縦方向（幅の狭いデバイスの場合には横方向にも）に圧縮応力を発生させる。ソース／ドレイン・オーバーハング領域が短い場合ほど、チャンネル中の圧縮応力は大きくなる。異なる応力を有する異なる種類の窒化物ライナーによって、チャネルの局部応力を調節することができる。
図６Ａ〜６Ｃは、Ｓｉ含有層中に二軸圧縮歪みを発生させるための少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域と、圧縮ライナーとの両方の存在を示すが、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域だけを用いて、あるいは圧縮ライナーだけを用いて、歪みを発生させてもよいことをここで再び強調する。
本出願人らは、ｎＭＯＳデバイスの場合に＜１１０＞配向ウエハより＜１００＞配向ウエハ上で電流低下が若干多く、ｐＭＯＳの場合に＜１１０＞配向ウエハより＜１００＞配向ウエハ上で電流増加が多いことを見いだした。種々の窒化物ライナー応力に対するｎＭＯＳ上の電流変化の感度は高くないが、ｐＭＯＳ上ではより高くなる。
デバイスの幅が狭くなると、チャネルは横方向のトレンチ分離領域からの圧縮応力を受ける。図７は、ｎＭＯＳとｐＭＯＳとの両方の駆動電流が低下することを示す。（１００）ウエハ上のデバイスの方が大きな低下を示す。
幅の狭いデバイスが小さなＳ／Ｄオーバーハング領域を有するとき、チャネルは、横方向および縦方向の両方の圧縮応力を受ける。図８Ａ〜８Ｂは、幅の狭いデバイスの飽和電流の変化を示す。（１００）表面上のデバイスの場合、ｎＭＯＳ電流は、大きなＳ／Ｄオーバーハング領域によって低下し、小さなＳ／Ｄオーバーハング領域ほど増加する。移動度の低下から増加へのこのしきい値領域は、一軸応力効果から二軸応力効果へ変化の効果を実証する。（１１０）ウエハ上のデバイスは、（１００）ウエハ上のデバイスより高い感度を有し、増加率は１５５％の高さにも達することがある。これは、縦方向圧縮応力プラス横方向応力、または単に二軸圧縮応力がｎＭＯＳ電流を増加させることができることを示唆する。窒化物ライナーは、二軸応力効果を調節することもでき、（１１０）ウエハ上に構築されたデバイスおよび幅の狭いデバイスに対してより効果的である（図９Ａ〜９Ｂ）。図９Ａ〜９Ｂは、小さなＳ／Ｄオーバーハング領域の場合、幅が０．２ｍｍより狭いとき、ｎＭＯＳが電流低下ではなく電流増加を有することを示す。同様に、ｐＭＯＳは、幅の広いデバイスと比較して、幅の狭いデバイスほど高い移動度変化を有する。一軸縦方向応力および二軸応力の両方が、ｐＭＯＳ性能を改善することができる。
本発明の好ましい実施態様について、本発明を詳しく示し説明したが、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく、形式および詳細の前述の変化形およびその他の変化形を実施することができることは、当業者には自明である。従って、本発明は、説明し、例を示した形式そのものおよび細部には限定されず、付属の請求項の範囲内に属するものとする。
通常の配向および電流の流れの方向を有する＜１００＞Ｓｉ基板の電子移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）対電子濃度（ｃｍ−２）のグラフである。他の歪みも示してある。 １％二軸圧縮歪みを有する＜１１０＞配向のＳｉ基板材料の電子移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）対電子濃度（ｃｍ−２）のグラフである。他の歪みも示してある。 通常の配向および電流の流れの方向を有する＜１００＞Ｓｉ基板の正孔移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）対正孔濃度（ｃｍ−２）のグラフである。他の歪みも示してある。 １％二軸圧縮歪みを有する＜１１０＞配向のＳｉ基板材料の正孔移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）対正孔濃度（ｃｍ−２）のグラフである。他の歪みも示してある。 本発明の第一の実施態様で使用される基本プロセス工程の例を示す説明図（断面図による）である。 本発明の実施態様で使用される基本プロセス工程の例を示す説明図（断面図による）である。この実施態様では、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域と、圧縮ライナーとの両方を使用してＳｉ含有層中に歪みを発生させる。＜１００＞方向は、図に示したＳｉ含有基板に垂直である点に注意すること。 ＣＭＯＳ性能に対する歪みの効果を示す。 種々の結晶配向および種々の窒化物ライナー応力を有するｎＭＯＳデバイスの駆動電流に対するＳＴＩ機械的応力効果の例を示すグラフである。すべてのデバイスは、狭い幅（１２０ｎｍ）および定格（４５ｎｍ）長さを有する。 種々の幅、種々の結晶配向および種々の窒化物ライナー応力を有するｎＭＯＳデバイスのＳＴＩ機械的応力効果の例を示すグラフである。

Claims (40)

  1. ＜１１０＞結晶配向を有するシリコン含有層を備え、前記シリコン含有層は二軸圧縮歪み状態にある半導体材料。
  2. 前記二軸圧縮歪みは約０．２％より大きい、請求項１に記載の半導体材料。
  3. 前記二軸圧縮歪みは約０．５％より大きい、請求項２に記載の半導体材料。
  4. 前記シリコン含有層は、酸化物層の表面または基板の表面の上に配置される、請求項１に記載の半導体材料。
  5. 前記酸化物層は基板上に配置される、請求項４に記載の半導体材料。
  6. 前記基板は、Ｓｉの熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有する、請求項５に記載の半導体材料。
  7. 前記基板は、サファイヤ、ゲルマニウムまたはフッ化カルシウムである、請求項６に記載の半導体材料。
  8. 前記基板は、Ｓｉの熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有する、請求項４に記載の半導体材料。
  9. 前記基板は、サファイヤ、ゲルマニウムまたはフッ化カルシウムである、請求項８に記載の半導体材料。
  10. 前記シリコン含有層は、ＳｉまたはＳｉＧｅを含む結晶性Ｓｉ含有層である、請求項１に記載の半導体材料。
  11. 前記シリコン含有層は、少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を備える基板である、請求項１に記載の半導体材料。
  12. 前記Ｓｉ含有層は、表面上に圧縮ライナーを備える基板である、請求項１に記載の半導体材料。
  13. 前記圧縮ライナーは窒化物含有材料を含む、請求項１２に記載の半導体材料。
  14. 前記圧縮ライナーは、前記基板上に配置される金属酸化物半導体の露出表面上に配置される、請求項１２に記載の半導体材料。
  15. 前記基板の表面に圧縮ライナーをさらに備える、請求項１１の半導体材料。
  16. 前記圧縮ライナーは窒化物含有材料を含む、請求項１５に記載の半導体材料。
  17. 前記圧縮ライナーは、前記基板上に配置される金属酸化物半導体の露出表面上に配置される、請求項１５に記載の半導体材料。
  18. シリコン含有＜１１０＞層を準備する工程、および
    前記シリコン含有＜１１０＞層中に二軸圧縮歪みを発生させる工程
    を含む、シリコン含有半導体材料を形成するための方法。
  19. 前記二軸圧縮歪みを発生させる工程は、最上部表面を有する少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層を前記＜１１０＞Ｓｉ含有層中に形成すること、前記最上部表面をアニールして非多孔質表面層を生成すること、前記非多孔質表面層上に＜１１０＞配向を有する結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を形成し、それによって、転写構造体を形成すること、Ｓｉより高い熱膨張係数を有する材料に最高デバイス動作温度より高い温度で前記転写構造体をボンディングしてボンディング構造体を提供すること、前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層に機械的に弱い界面が形成されるように前記ボンディング構造体を冷却し、それによって、前記ボンディング構造体を前記界面で劈開させること、および前記劈開された構造体から前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層の残存部分を除去すること、を含む請求項１８に記載の方法。
  20. 前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層の形成は、電気分解による陽極酸化プロセスを含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記陽極酸化プロセスは、ＨＦ含有溶液を用いることを含む、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記アニールは、約９００°から約１１５０℃の温度で実行される、請求項１９に記載の方法。
  23. 前記結晶性エピタキシャルＳｉ含有層の形成は、エピタキシャル成長プロセスを含む、請求項１９に記載の方法。
  24. 前記エピタキシャル成長プロセスは、ＵＨＶＣＶＤプロセスを含む、請求項２３に記載の方法。
  25. ボンディングする前に前記結晶Ｓｉ含有層上に酸化物層を形成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  26. 前記ボンディングは、前記転写構造体と前記材料とを合わせること、任意選択で外力を加えること、および加熱することを含む、請求項１９に記載の方法。
  27. 前記加熱は、約４００°から約１０００℃の温度で実行される、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記冷却は、約５０℃／分以下の速度で実行される、請求項１９に記載の方法。
  29. 前記除去は、ウェット・エッチング・プロセスを含む、請求項１９に記載の方法。
  30. Ｈ２含有雰囲気中で約８５０°から約１１００℃の温度でアニールすることによって、二軸圧縮歪み状態の前記結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を滑らかにすることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  31. 前記二軸圧縮歪みを発生させる工程は、前記Ｓｉ含有層の表面中に少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を形成すること、および前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域で囲まれる前記Ｓｉ含有層の露出部分上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成することを含む、請求項１８に記載の方法。
  32. 前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域の形成は、リソグラフィー、トレンチのエッチング、およびトレンチ誘電体材料による前記トレンチの充填を含む、請求項３１に記載の方法。
  33. 各ＣＭＯＳデバイスおよび前記Ｓｉ含有層の少なくとも露出表面上に圧縮ライナーを形成することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
  34. 前記圧縮ライナーは窒化物含有材料を含む、請求項３３に記載の方法。
  35. 前記二軸圧縮歪みを発生させる工程は、前記Ｓｉ含有層上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成することと、前記ＣＭＯＳデバイスおよび前記Ｓｉ含有層の露出表面上に圧縮ライナーを形成することとを含む、請求項１８に記載の方法。
  36. 前記圧縮ライナーは窒化物含有材料を含む、請求項３５に記載の方法。
  37. シリコン含有半導体材料を形成する方法であって、
    最上部表面を有する少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層を＜１１０＞Ｓｉ含有基板中に形成する工程と、
    前記最上部表面をアニールして非多孔質表面層を形成する工程と、
    ＜１１０＞配向を有する結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を前記非多孔質表面層上に形成し、それによって、転写構造体を形成する工程と、
    Ｓｉより高い熱膨張係数を有する材料に最終デバイス動作温度より高い温度で前記転写構造体をボンディングしてボンディング構造体を提供する工程と、
    前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層に機械的に弱い界面が形成されるように前記ボンディング構造体を冷却し、それによって、前記ボンディング構造体を前記界面で劈開させる工程と、
    前記劈開された構造体から前記少なくとも一つの多孔質Ｓｉ層の残存部分を除去し、これによって、前記材料の上に＜１１０＞配向を有する前記結晶性エピタキシャルＳｉ含有層を少なくとも備え、前記結晶性エピタキシャルＳｉ含有層は二軸圧縮歪み状態の半導体材料を提供する工程と、
    を含む方法。
  38. シリコン含有半導体材料を形成するための方法であって、
    ＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層の表面中に少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を形成する工程と、
    前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域で囲まれる前記Ｓｉ含有層の露出部分上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成する工程と、
    を含み、前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域は、前記Ｓｉ含有層中に二軸圧縮歪みを発生させる方法。
  39. シリコン含有半導体材料を形成するための方法であって、
    ＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層を備える構造体を準備する工程であって、前記Ｓｉ含有層はその上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを有する工程と、
    前記構造体上に圧縮ライナーを形成する工程と、
    を含み、前記圧縮ライナーによって、前記Ｓｉ含有層が二軸圧縮歪み状態にされる方法。
  40. シリコン含有半導体材料を形成するための方法であって、
    ＜１１０＞結晶配向を有するＳｉ含有層の表面中に少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域を形成する工程と、
    前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域で囲まれる前記Ｓｉ含有層の露出部分上に少なくとも一つのＣＭＯＳデバイスを形成する工程と、
    前記Ｓｉ含有層上に圧縮ライナーを形成する工程と、
    を含み、前記圧縮ライナーおよび前記少なくとも一つの多重接続トレンチ分離領域によって、前記Ｓｉ含有層が二軸圧縮歪み状態にされる方法。
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