JP2012099510A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form an n-type impurity region composed of carriers of ultra-shallow and high concentration in a Ge semiconductor layer.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a semiconductor substrate having one conductivity type of n type or p type; a pair of impurity diffusion regions that are selectively provided on a surface of the semiconductor substrate and have a different conductivity type from the one conductivity type; a gate insulating layer that is sandwiched between the pair of the impurity diffusion regions and is provided on the semiconductor substrate; and a gate electrode provided on the gate insulating layer. A portion of the pair of the impurity diffusion regions has the same conductivity type as the impurity containing the substrate and has a higher impurity concentration than that of the substrate.

Description

本発明は、Geを主成分としたチャネル領域を有する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a channel region containing Ge as a main component.

次世代LSI開発において、Siにかわる半導体基板としてGeが期待されている。Siに較べて、電子およびホールのバルク移動度が高いからである。それゆえ、Ge基板を用いれば、表面移動度の高いMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:金属/絶縁体/半導体型電界効果トランジスタ)が実現できると予想され、実際にGeのpMISFETではSiのpMISFETよりも高い移動度が示されている。しかし、その一方で、GeのnMISFETでは、まだSiのnMISFETよりも高い移動度を確認したという例がない。これは、nMISFETでは、金属とn+Geのコンタクト抵抗が高いため、本来のnMISFETの性能が充分に引き出せていないからである。 In next-generation LSI development, Ge is expected as a semiconductor substrate to replace Si. This is because the bulk mobility of electrons and holes is higher than that of Si. Therefore, if a Ge substrate is used, it is expected that a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) having a high surface mobility can be realized. In practice, a Ge pMISFET is a Si pMISFET. Higher mobility is shown. However, on the other hand, there is no example that Ge nMISFET has confirmed higher mobility than Si nMISFET. This is because an nMISFET has a high contact resistance between a metal and n + Ge, so that the performance of the original nMISFET cannot be sufficiently obtained.

金属とn+Geのコンタクト抵抗が高くなる理由はいくつかあるが、そのうちのひとつは、高キャリア(電子)濃度のn+Geが形成できないためである。Ge中のn型不純物は、後に詳述する理由により、拡散が非常に速く、熱処理すると高濃度に不純物を維持できず、そのため電子濃度が高くできない。コンタクト抵抗Rcは、電子濃度nと次式で示される関係にある。 There are several reasons why the contact resistance between the metal and n + Ge is high. One of them is that n + Ge with a high carrier (electron) concentration cannot be formed. The n-type impurity in Ge diffuses very quickly for the reason described in detail later, and the impurity cannot be maintained at a high concentration by heat treatment, so that the electron concentration cannot be increased. The contact resistance Rc has a relationship represented by the following equation with the electron concentration n.

Rc∝exp(C/(n1/2)) … (1)
ここで、Cは電子濃度によらない定数である。この式からわかるように、電子濃度nを高くできないと、金属とn+Geのコンタクト抵抗Rcが高くなる。GeのnMISFETを開発するには、極浅かつ高キャリア濃度のn+Geを形成する必要があり、そのために
はGeにおけるn型不純物の拡散を充分に抑制しなければならない。
Rc∝exp (C / (n 1/2 )) (1)
Here, C is a constant that does not depend on the electron concentration. As can be seen from this equation, if the electron concentration n cannot be increased, the contact resistance Rc between the metal and n + Ge increases. In order to develop a Ge nMISFET, it is necessary to form an extremely shallow and high carrier concentration n + Ge, and for this purpose, diffusion of n-type impurities in Ge must be sufficiently suppressed.

なお、関連技術として、固相拡散法において、不純物の拡散係数を変えることによって、拡散層の所望の濃度、深さ、あるいは導電型を有する不純物層を制御よく形成する方法が知られている(特許文献1参照)。この特許文献の特徴は、固相拡散の方法にあり、AsドープしたSiO2 が水素を含むとAsが拡散しにくくなり、酸化によって還元されるとAsが拡散しやすくなるという性質を利用している。 As a related technique, in the solid phase diffusion method, a method is known in which an impurity layer having a desired concentration, depth, or conductivity type of the diffusion layer is formed in a controlled manner by changing the impurity diffusion coefficient ( Patent Document 1). The feature of this patent document lies in the method of solid phase diffusion, utilizing the property that As is difficult to diffuse when As-doped SiO 2 contains hydrogen, and As is easily diffused when reduced by oxidation. Yes.

たとえば、AsとBをドープしたSiO2に水素が含まれる場合、Siに固相拡散させるとAsは拡散しにくいので、AsよりもBが拡散される。そして、そのSiO2を酸化することによりAsも拡散されやすくなるため、Siの表面側にAsによるn+Si,内奥側にBによるp-Siが形成され、つまりn+Si/p-Siが形成されることになる。 For example, when hydrogen is contained in SiO 2 doped with As and B, As is difficult to diffuse when Si is diffused in a solid phase, B diffuses more than As. Since As is also easily diffused by oxidizing the SiO 2 , n + Si due to As is formed on the surface side of Si, and p Si due to B is formed on the inner side, that is, n + Si / p Si. Will be formed.

しかしながら、この特許文献1では、Siにおける不純物の拡散の実施例を示しただけであり、Geにおいて特徴的なn型不純物の拡散が速いことやp型不純物の拡散が遅いこと、p型不純物によってn型不純物の拡散が抑制されることなどを全く考慮していない。また最終的に形成される構造がn+Si/p-Siとある。さらに、高温が必要な固相拡散に限定される方法のため、p型不純物の濃度プロファイルは必ず表面に近くなるほど高くなり、n+層を形成するのに望ましくない。それゆえ、この方法だけではそのままGeに適用しても、極浅かつ高濃度の電子からなるpGe層上のn+Geを形成することは難しい。 However, this Patent Document 1 only shows an example of impurity diffusion in Si, and the characteristic n-type impurity diffusion in Ge is fast, p-type impurity diffusion is slow, No consideration is given to the suppression of diffusion of n-type impurities. The finally formed structure is n + Si / p - Si. Furthermore, since the method is limited to solid phase diffusion that requires high temperatures, the concentration profile of p-type impurities always increases as it approaches the surface, which is undesirable for forming an n + layer. Therefore, even if this method alone is applied to Ge as it is, it is difficult to form n + Ge on the pGe layer made of ultra-shallow and high-concentration electrons.

特許第3131436号公報Japanese Patent No. 3131436

本発明は、上記の事情に基づいてなされたものであり、Ge層に極浅かつ高キャリア濃度のn型不純物拡散領域を有する半導体装置、およびそれを可能にする製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made based on the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having an n-type impurity diffusion region having a very shallow and high carrier concentration in a Ge layer, and a manufacturing method enabling the same. And

本発明の1態様に係る半導体装置は、n型とp型のうちの一方の導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面に選択的に設けられ、前記一方の導電型と異なる導電型の一対の不純物拡散領域と、前記一対の不純物拡散領域により挟まれた前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層の上に設けられたゲート電極とを備え、前記不純物拡散領域の少なくとも一部は、前記基板に含まれる不純物と同じ導電型で、かつ前記基板の不純物濃度より高い不純物濃度を有していることを特徴とする。
A semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate of one conductivity type of n-type and p-type,
A pair of impurity diffusion regions of a conductivity type different from the one conductivity type, selectively provided on the surface of the semiconductor substrate, and a gate insulating layer provided on the semiconductor substrate sandwiched between the pair of impurity diffusion regions; A gate electrode provided on the gate insulating layer, wherein at least part of the impurity diffusion region has the same conductivity type as the impurity contained in the substrate and has an impurity concentration higher than the impurity concentration of the substrate. It is characterized by having.

また、本発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法は、Geを主成分とする半導体層の表面に、高濃度の不純物拡散領域を形成する方法であって、前記半導体層の表面に、n型不純物およびp型不純物を導入する工程と、前記n型不純物とp型不純物を導入後、熱処理して、前記半導体層内にn型不純物拡散領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention is a method for forming a high-concentration impurity diffusion region on the surface of a semiconductor layer containing Ge as a main component. A step of introducing an n-type impurity and a p-type impurity, and a step of introducing a heat treatment after introducing the n-type impurity and the p-type impurity to form an n-type impurity diffusion region in the semiconductor layer. And

本発明によれば、Ge層に極浅かつ高キャリア(電子)濃度からなるn型不純物拡散領域が形成された半導体装置およびその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device by which the n-type impurity diffusion area | region which consists of ultra-shallow and high carrier (electron) density | concentration was formed in Ge layer can be provided, and its manufacturing method.

BによってPの拡散を抑制し、浅くて高濃度の電子からなるn+Ge領域を形成する方法を説明する不純物濃度プロファイルの模式図で、(a)は熱処理前、(b)は熱処理後を示す。FIG. 6 is a schematic diagram of an impurity concentration profile for explaining a method of forming a n + Ge region made of shallow and high-concentration electrons by suppressing diffusion of P by B. (a) is before heat treatment, and (b) is after heat treatment. Show. Ge基板におけるPの不純物濃度プロファイルの熱処理前後を示す図。The figure which shows before and after heat processing of the impurity concentration profile of P in Ge substrate. 図2の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板にPとBが存在する場合の不純物濃度プロファイルの熱処理前後を示す図。The figure which shows before and after heat processing of the impurity concentration profile in case P and B exist in Ge substrate. 図2のPの不純物プロファイルで、Bが無い場合とBが基板全体にある場合の拡散距離を比較した図。The impurity profile of P of FIG. 2 is a diagram comparing the diffusion distance when B is not present and when B is over the entire substrate. 図2の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板の一定深さの領域にBが存在する場合における、不純物濃度プロファイルの熱処理前後を示す図。The figure which shows before and after the heat processing of an impurity concentration profile in case B exists in the area | region of the fixed depth of Ge substrate. 図2のPの不純物プロファイルで、Bが無い場合とBが基板の一部にある場合(図7)の拡散距離を比較した図。FIG. 8 is a graph comparing the diffusion distances in the impurity profile of P in FIG. 2 when B is absent and when B is part of the substrate (FIG. 7). 図7の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、拡散時間が3秒の場合。The figure shows the effect of B on the impurity concentration profile of P in a Ge substrate, with a diffusion time of 3 seconds. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、図10のBが無いものに対応する。FIG. 10 is a diagram showing the influence of B on the impurity concentration profile of P in the Ge substrate, corresponding to the case without B in FIG. 図10の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. 図11の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、拡散時間95秒の場合。The figure shows the effect of B on the impurity concentration profile of P in a Ge substrate, with a diffusion time of 95 seconds. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、図14のBが無いものに対応。14 is a diagram showing the influence of B on the impurity concentration profile of P in the Ge substrate, corresponding to the case without B in FIG. 図14の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. 図15の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、拡散時間100秒の場合。The figure shows the effect of B on the impurity concentration profile of P in a Ge substrate, with a diffusion time of 100 seconds. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、図18のBが無いものに対応。FIG. 19 is a diagram showing the influence of B on the impurity concentration profile of P in a Ge substrate, corresponding to the case without B in FIG. 図18の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. 図19の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、拡散時間が10秒の場合。The figure shows the effect of B on the impurity concentration profile of P in a Ge substrate, with a diffusion time of 10 seconds. Ge基板においてBがPの不純物濃度プロファイルに及ぼす影響を示す図で、図22のBが無いものに対応。22 shows the influence of B on the impurity concentration profile of P in the Ge substrate, corresponding to the case without B in FIG. 図22の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. 図23の不純物濃度プロファイルに対応するキャリア濃度プロファイル。The carrier concentration profile corresponding to the impurity concentration profile of FIG. PとBの両方を導入して形成したGe基板のキャリア濃度プロファイルで、(a)はBのドーズ量が2×1014cm-2、(b)は1×1015cm-2In the carrier concentration profile of the Ge substrate formed by introducing both P and B, (a) shows a dose amount of B of 2 × 10 14 cm −2 , and (b) shows 1 × 10 15 cm −2 . 第2の実施形態に係るn+Ge層を形成する方法で、イオン注入を用いた方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the method using ion implantation with the method of forming the n <+> Ge layer concerning 2nd Embodiment. 図27に続く工程の断面図。FIG. 28 is a sectional view of a step following FIG. 27. 図28に続く工程の断面図。FIG. 29 is a sectional view of a step following FIG. 28. 図29に続く工程の断面図。FIG. 30 is a sectional view of a step following FIG. 29; 図30に続く工程の断面図。FIG. 31 is a sectional view of a step following FIG. 30. 第3の実施形態に係るn+Ge層を形成する方法で、CVDを用いた方法を説明するための断面図。In the method of forming the n + Ge layer according to the third embodiment, cross-sectional view for explaining a method using CVD. 図32に続く工程の断面図。FIG. 33 is a sectional view of a step following FIG. 32. 図33に続く工程の断面図。FIG. 34 is a sectional view of a step following FIG. 33. 図34に続く工程の断面図。FIG. 35 is a sectional view of a step following FIG. 34. 本発明の第4の実施形態に係るMIS型トランジスタの断面図。Sectional drawing of the MIS transistor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係るCMISFETの断面図。Sectional drawing of CMISFET concerning the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係るFinMISFETの斜視図。The perspective view of FinMISFET which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 第6の実施形態に係る素子領域を形成する方法を説明するための斜視図。The perspective view for demonstrating the method of forming the element area | region which concerns on 6th Embodiment. 図39の次の工程を示す斜視図。FIG. 40 is a perspective view showing a step subsequent to FIG. 39. Ge基板中にPをイオン注入したままの状態での不純物濃度(SIMS)プロファイルを表す図。The figure showing the impurity concentration (SIMS) profile in the state which ion-implanted P in Ge substrate. Ge基板中にPをイオン注入して熱処理した場合の不純物濃度(SIMS)プロファイルを表す図。The figure showing the impurity concentration (SIMS) profile at the time of ion-implanting P in a Ge substrate, and heat-processing. 図42のGe基板中のBとPの不純物濃度プロファイルとその際に形成される半導体の導電型のプロファイルを説明する模式図。The schematic diagram explaining the impurity concentration profile of B and P in the Ge substrate of FIG. 42, and the conductivity type profile of the semiconductor formed in that case. Ge基板中の高濃度のBによってPの拡散が抑制されることと、その際に形成される半導体の導電型のプロファイルを説明する模式図。The schematic diagram explaining that the diffusion of P is suppressed by the high concentration B in the Ge substrate and the profile of the conductivity type of the semiconductor formed at that time.

本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。前述したように、極浅かつ高電子濃度からなるn+Geを形成するためには、熱処理時にn型不純物を拡散させないようにする技術が必要である。 Before describing the embodiments of the present invention, the background to the present invention will be described. As described above, in order to form n + Ge having a very shallow and high electron concentration, a technique for preventing the diffusion of n-type impurities during heat treatment is required.

Geにおいてn型不純物の拡散のメカニズムは次のように説明される(例えば、 H. Bracht, Phys. Rev. B 75, 035210 (2007)参照)。Ge中でのn型不純物Aの拡散は、格子置換位置(substitutional site)にある正イオンA と二価の負電荷を持つ空孔V2-
+ +V2-⇔(AV)- … (2)
の、化学平衡[質量作用の法則]によって表される反応によってペアになり、(AV)-(dopant-vacancy pair)の形を取って拡散する。つまり、A+ による直接の拡散はなく、(AV)-という形態(diffusion vehicle)を通して間接的に拡散する。A+ による拡散と見なしたとき、拡散方程式は、実効的な拡散係数Deffを持つ下記の式(3)、(4)で表現される。

Figure 2012099510
The mechanism of diffusion of n-type impurities in Ge is explained as follows (for example, see H. Bracht, Phys. Rev. B 75, 035210 (2007)). The diffusion of the n-type impurity A in Ge is caused by positive ions A + S at a substitutional site and a vacancy V 2− having a divalent negative charge.
A + S + V 2- ⇔ (AV) - (2)
Are paired by the reaction expressed by the chemical equilibrium [the law of mass action] and diffuse in the form of (AV) (dopant-vacancy pair). That is, no direct diffusion by A + S, (AV) - indirectly diffuses through form (Diffusion vehicle) that. When considered as diffusion by A + S , the diffusion equation is expressed by the following equations (3) and (4) having an effective diffusion coefficient D eff .
Figure 2012099510

Figure 2012099510
Figure 2012099510

ここで、Cs +(x,t)は、格子置換位置にあるn型不純物の正イオンの濃度であり、xはn型不純物の座標(本明細書では基板表面からの深さと定義)、tは拡散時間、n(x,t)は電子濃度、ni(x,t;T)は真性キャリア濃度(温度Tに依存)、D(ni)はniに依存した係数である。このように、n型不純物の実効拡散係数は、電子濃度nの自乗の依存性を持っている。これは、A+ と(AV)-の電荷状態の差に由来している。Ge中のn型不純物は、このDeffの電子濃度の自乗の依存性によって、特異な拡散現象を示す。Ge中にn型不純物しかない場合、不純物濃度が高くなるほど、それに伴って電子濃度も高くなると考えて良い。それゆえ、(4)式より、不純物濃度が高いときにはDeffは大きくなり、不純物濃度が低くなるとDeffは小さくなる。 Here, C s + (x, t) is the concentration of positive ions of the n-type impurity at the lattice substitution position, and x is the coordinate of the n-type impurity (defined as the depth from the substrate surface in this specification), t is a diffusion time, n (x, t) is an electron concentration, ni (x, t; T) is an intrinsic carrier concentration (dependent on temperature T), and D * (ni) is a coefficient depending on ni. Thus, the effective diffusion coefficient of the n-type impurity has a dependence on the square of the electron concentration n. This is due to the difference in charge states between A + S and (AV) . The n-type impurity in Ge exhibits a peculiar diffusion phenomenon due to the dependence of D eff on the square of the electron concentration. When there is only n-type impurity in Ge, it can be considered that the higher the impurity concentration, the higher the electron concentration. Therefore, from equation (4), D eff increases when the impurity concentration is high, and D eff decreases when the impurity concentration is low.

図41は、燐(P)をGeにイオン注入して熱処理したときの不純物濃度プロファイルをSIMSによって分析したものである。Pのドーズ量は5×1015cm-2、加速エネルギーは30keVであり、窒素雰囲気で600℃、30分の熱処理を施している。比較のために、熱処理を加える前、つまりイオン注入しただけの場合のシミュレーションによる結果も示した。熱処理前は、ピーク濃度で略1021cm-3あり、濃度が1×1019cm-3である深さは約100nmである。 FIG. 41 shows an impurity concentration profile analyzed by SIMS when phosphorus (P) is ion-implanted into Ge and heat-treated. The dose amount of P is 5 × 10 15 cm −2 , the acceleration energy is 30 keV, and heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. for 30 minutes. For comparison, a simulation result before heat treatment, that is, only ion implantation is also shown. Before the heat treatment, the peak concentration is about 10 21 cm −3, and the depth at which the concentration is 1 × 10 19 cm −3 is about 100 nm.

一方で、熱処理後は、ピーク濃度で2×1019cm-3程度までに大きく減少し、また濃度が1×1019cm-3である深さは400nmを超えるほど拡散してしまう。ここで特徴的なのはその箱形というべきプロファイルの形状である。表面から400nm程度までは緩やかに濃度は減少するが、それよりも深くなると急峻に濃度が減少する。これは、Deffがn2に比例しているためである。つまり、濃度が高いとDeffが大きいため拡散が速く、濃度が低くなるとDeffが小さくなるため、特徴的な箱形プロファイルになると説明できる。 On the other hand, after the heat treatment, greatly reduced by 2 × 10 approximately 19 cm -3 at the peak concentration and the depth concentration of 1 × 10 19 cm -3 is diffuses more than the 400 nm. What is characteristic here is the shape of the profile that should be called a box. The concentration gradually decreases from the surface to about 400 nm, but the concentration decreases sharply when the depth becomes deeper than that. This is because D eff is proportional to n 2 . That is, when the concentration is high, D eff is large, so that diffusion is fast, and when the concentration is low, D eff becomes small, so that it can be explained that a characteristic box profile is obtained.

このように、Ge中のn型不純物の拡散が(AV)-という形態を通して拡散し、電子濃度の自乗n2に依存する拡散係数を持つのならば、この負電荷を打ち消せば拡散が抑制できるかもしれない,と本発明者らは考えた。そこで、n型不純物を補償するp型不純物としてボロン(B)を選び、Ge基板に導入して、Pの拡散が抑制できるかを確かめた。その結果が図42である。Bを導入したGeにおけるPの不純物プロファイルをSIMS分析によって求めた。Ge基板にBをドーズ量5×1015cm-2、加速エネルギー30keVで導入したあと、図41と同じ条件でPを導入して熱処理している。 Thus, if the diffusion of the n-type impurity in Ge diffuses through the form (AV) and has a diffusion coefficient that depends on the square n 2 of the electron concentration, the diffusion can be suppressed by canceling this negative charge. The present inventors thought that it might be possible. Therefore, boron (B) was selected as a p-type impurity to compensate for the n-type impurity and introduced into the Ge substrate to confirm whether P diffusion could be suppressed. The result is shown in FIG. The impurity profile of P in Ge into which B was introduced was determined by SIMS analysis. After introducing B into the Ge substrate at a dose of 5 × 10 15 cm −2 and an acceleration energy of 30 keV, P is introduced and heat-treated under the same conditions as in FIG.

その結果によると、まず、Bのピーク濃度は約1×1021cm-3であり、またそのプロファイルから熱処理を加えても拡散していないことがわかる。従来までに、BF2をドーズ量4×1015cm-2、加速エネルギー20keVでGeにイオン注入し、650℃,10秒の熱処理を施した場合でも、Bは全く拡散しない、という報告があり(C. O. Chui et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3275 (2003)参照))、本発明での結果と矛盾がない。 According to the results, first, the peak concentration of B is about 1 × 10 21 cm −3 , and it can be seen from the profile that it does not diffuse even when heat treatment is applied. There has been a report that BF 2 is not diffused at all even when BF 2 is ion-implanted into Ge at a dose of 4 × 10 15 cm −2 and an acceleration energy of 20 keV and subjected to a heat treatment at 650 ° C. for 10 seconds. (See CO Chui et al., Appl. Phys. Lett. 83, 3275 (2003))), consistent with the results of the present invention.

また、Pの濃度が1×1019cm-3である深さは約100nmであって、これは熱処理前のプロファイルと同じである。つまりPは全く拡散していない。Bがない場合には、Pの濃度は2×1019cm-3まで低下してしまったが(図41)、Bがある場合にはPはピークで約7×1020cm-3という高濃度を維持している。尚、熱処理前と比較してPの表面付近における濃度がわずかに低下しているのは、Pが基板表面から外方拡散しているためであり、基板内奥側への拡散は抑えられている。適切なキャップ層を基板表面に形成すれば、Pの外方拡散が抑えられ、Pの不純物濃度はほぼ熱処理前と同じだけ高濃度に維持され、高い電子濃度にできると考えられる。 The depth at which the P concentration is 1 × 10 19 cm −3 is about 100 nm, which is the same as the profile before the heat treatment. That is, P is not diffused at all. In the absence of B, the concentration of P decreased to 2 × 10 19 cm −3 (FIG. 41), but in the presence of B, P peaked as high as about 7 × 10 20 cm −3. Concentration is maintained. The reason why the concentration in the vicinity of the surface of P is slightly lower than that before the heat treatment is that P is diffused outward from the substrate surface, and diffusion to the back side in the substrate is suppressed. Yes. If an appropriate cap layer is formed on the substrate surface, the outward diffusion of P can be suppressed, and the impurity concentration of P can be maintained as high as before the heat treatment, so that a high electron concentration can be achieved.

こうして、Geにおけるn型不純物の拡散メカニズムに基づき、n型不純物の拡散形態である(PV)-を打ち消すようにp型不純物を導入すれば、n型不純物の拡散が完全に抑制できることを発見した。しかし、BによってPの拡散は完全に抑えられるが、図43からわかるように、基板の全体でPよりもBの濃度が高いため、p+Geが形成されている。Pの拡散が抑制できても、n+Geが形成されないのでは意味がない。 Thus, based on the diffusion mechanism of the n-type impurity in Ge, it was found that the diffusion of the n-type impurity can be completely suppressed if the p-type impurity is introduced so as to cancel the (PV) which is the diffusion form of the n-type impurity. . However, although diffusion of P is completely suppressed by B, as can be seen from FIG. 43, since the concentration of B is higher than P in the whole substrate, p + Ge is formed. Even if the diffusion of P can be suppressed, it is meaningless if n + Ge is not formed.

Pの拡散を抑制しながらn+Geを形成する方法としては、例えば、図44のような方法が考えられる。p型不純物としてBを基板の奥に高濃度に導入し、n型不純物としてPを基板の表面付近に導入する。熱処理を加えると、Bは拡散しないが、Pは基板の奥に拡散し、Pの濃度に較べてBの濃度が充分に高ければ、BによってPの拡散が抑制される。Pの不純物濃度が高くできるので、電子濃度も高くでき、基板の表面にn+Geが形成されることになる。しかし、この構造では、n+Geが形成されるかもしれないが、高濃度のBが存在するためp+Geも同時に形成されることになる。つまり、n+Ge/p+Ge構造ができてしまい、これではソース/ドレインには適用できない。 As a method of forming n + Ge while suppressing the diffusion of P, for example, a method as shown in FIG. 44 is conceivable. B is introduced as a p-type impurity at a high concentration in the back of the substrate, and P is introduced near the surface of the substrate as an n-type impurity. When heat treatment is applied, B does not diffuse, but P diffuses deep into the substrate. If the concentration of B is sufficiently higher than the concentration of P, diffusion of P is suppressed by B. Since the impurity concentration of P can be increased, the electron concentration can also be increased, and n + Ge is formed on the surface of the substrate. However, in this structure, n + Ge may be formed, but p + Ge is also formed at the same time because high concentration of B exists. That is, an n + Ge / p + Ge structure is formed, which cannot be applied to the source / drain.

本発明者らは、上記発見に伴う問題を解決し、p+Geを存在させずに、極浅かつ高キャリア(電子)濃度であるn+Ge構造を形成する方法を見出した。またそれによって形成された理想的なn+Ge構造を見出すことができた。これを以下に実施形態として説明する。本発明の実施形態について図面を参照しながら説明するが、各実施形態を通して共通の構成には同一符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図の中には本発明の説明とその理解を促すための模式図があり、その形状や寸法、比などが実際の装置と異なる個所があっても、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。 The present inventors have solved the problems associated with the above discovery and found a method of forming an n + Ge structure having a very shallow and high carrier (electron) concentration without the presence of p + Ge. Moreover, an ideal n + Ge structure formed thereby could be found. This will be described below as an embodiment. While embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, common components are denoted by the same reference numerals throughout the embodiments, and redundant descriptions are omitted. In addition, in each drawing, there is a schematic diagram for facilitating the explanation and understanding of the present invention. Even if the shape, size, ratio, etc. are different from the actual device, these are the following explanation and publicly known. The design can be changed as appropriate in consideration of this technology.

なお、本明細書において「Geを主成分とする」とは、Geの含有量が85at.%以上であることをさす。例えば、Semicond. Sci. Technol. 12(1997)1515-1549には、Siの伝導帯の最小値はΔ点であり、Geの伝導帯の最小値はL点であり、SiGeは組成比に依存して、SixGe1-xの場合、x<0.85でΔとなり、x>0.85でL点となることが報告されている。 In this specification, “mainly containing Ge” means that the Ge content is 85 at. % Or more. For example, in Semicond. Sci. Technol. 12 (1997) 1515-1549, the minimum value of the Si conduction band is the Δ point, the minimum value of the Ge conduction band is the L point, and SiGe depends on the composition ratio. In the case of Si x Ge 1-x , it is reported that Δ <0.85 and L point when x> 0.85.

(第1の実施形態)
ここでは、本発明の第1の実施形態に係わる極浅かつ高電子濃度からなるn+Ge層を有する半導体装置(基板)とその製造方法を説明する。図1は、Ge基板における不純物プロファイルを表す模式図である。
(First embodiment)
Here, a semiconductor device (substrate) having an n + Ge layer having a very shallow and high electron concentration according to the first embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing an impurity profile in a Ge substrate.

図1(a)は熱処理前を示している。一定で低濃度のp型不純物を含む基板に、基板濃度に較べれば高濃度の、n型不純物とp型不純物の二つを導入する。そのとき、p型不純物は基板の内奥側に導入し、n型不純物はそれよりも表面側に導入する。ここで、典型的な例として、n型不純物はP、p型不純物はBを選んだ。このとき、Ge中の各不純物が電気的に活性化していれば、図に示すように、n+Ge/p+Ge/p-Ge構造が形成される。尚、熱処理前にこのように不純物が電気的に活性化している必要は無い。各不純物の濃度は、図41の場合と異なり、Pのピーク濃度の方が、Bのそれよりも充分に高くなっていることが特徴である。 Fig.1 (a) has shown before heat processing. Two substrates, n-type impurity and p-type impurity, which are higher in concentration than the substrate concentration, are introduced into a substrate containing a constant and low concentration p-type impurity. At that time, the p-type impurity is introduced into the back side of the substrate, and the n-type impurity is introduced into the surface side of the substrate. Here, as a typical example, P is selected as the n-type impurity and B is selected as the p-type impurity. At this time, if each impurity in Ge is electrically activated, an n + Ge / p + Ge / p Ge structure is formed as shown in the figure. It is not necessary that the impurities are electrically activated before the heat treatment. Unlike the case of FIG. 41, the concentration of each impurity is characterized in that the peak concentration of P is sufficiently higher than that of B.

この構造に熱処理を加えると、前述したように、Geにおけるn型およびp型不純物の特性から、Pは拡散するが、Bは拡散しない。またGe中におけるPは、(PV)という形態を通して間接的に拡散するため、プロファイルは箱形の、濃度が急峻に変化するものになる。そして、高濃度にBが存在する領域をPが拡散するとき、Bによって負電荷が打ち消されるため、(PV)という形態での拡散が起こりにくくなり、Pの拡散が遅くなる。さらに熱処理を続けると、Pは図1(b)のように、Bが高濃度に存在する領域全体に拡散する。Ge中でBよりも常にPの濃度を高くできるので、n+Geを形成できる。 When heat treatment is applied to this structure, as described above, P diffuses but B does not diffuse due to the characteristics of the n-type and p-type impurities in Ge. Further, since P in Ge diffuses indirectly through the form (PV) , the profile is box-shaped and the concentration changes sharply. When P diffuses in a region where B is present at a high concentration, the negative charge is canceled by B. Therefore, diffusion in the form of (PV) is less likely to occur, and the diffusion of P is delayed. When the heat treatment is further continued, P diffuses throughout the region where B is present at a high concentration as shown in FIG. Since the concentration of P can always be higher than that of B in Ge, n + Ge can be formed.

つまり、最初はp型不純物を用いてn型不純物の拡散を抑制し、最終的にn型不純物をp型不純物よりも高くできるので、p+Ge領域を残さずに、浅くて高電子濃度からなるn+Ge構造を形成できる。 That is, first suppresses the diffusion of the n-type impurity with a p-type impurity, since the final n-type impurity can be made higher than the p-type impurity, without leaving the p + Ge region, from shallow high electron density N + Ge structure can be formed.

次に、本発明によるn+Geが定量的にどのように形成され、どのような構造になるかを説明する。前述したように、Geにおけるn型不純物の拡散は、(2)〜(4)式の拡散方程式で表現される。p型不純物も共存する場合は、それらに加えて次のことを考慮すれば良い。まず、p型不純物は熱処理をしても拡散しないと仮定する。また、Geは電荷中性条件である(5)式をを満たすと仮定する。 Next, how n + Ge according to the present invention is quantitatively formed and what kind of structure will be described. As described above, the diffusion of the n-type impurity in Ge is expressed by the diffusion equations (2) to (4). When p-type impurities coexist, the following may be considered in addition to them. First, it is assumed that the p-type impurity does not diffuse even after heat treatment. Further, it is assumed that Ge satisfies the equation (5) which is a charge neutral condition.

n+(NA−pA)=p+(ND−nD) … (5)
ここで、nは電子濃度、pはホール濃度、NAはp型不純物濃度、NDはn型不純物濃度、pAはアクセプターレベルに存在するホール密度、nDはドナーレベルに存在するドナー密度である。n,p,pA,nDは通常の平衡系の統計力学で表現できるとする。この(5)式を用いて、Ge基板の各座標、拡散の各時間におけるnを求めながら、(3)式によって、Geにおけるn型不純物の拡散を計算した。n型不純物と共存するp型不純物の影響は、(5)式から決まるnを通して反映されている。
n + (N A −p A ) = p + (N D −n D ) (5)
Here, n is the electron concentration, p is the hole concentration, N A is the p-type impurity concentration, N D is the n-type impurity concentration, p A is the hole density existing at the acceptor level, and n D is the donor existing at the donor level. Density. Let n, p, p A , and n D be expressed by the statistical mechanics of a normal equilibrium system. Using this equation (5), the n-type impurity diffusion in Ge was calculated by the equation (3) while obtaining n at each coordinate of the Ge substrate and each time of diffusion. The influence of the p-type impurity coexisting with the n-type impurity is reflected through n determined from the equation (5).

<n+Ge層にn型不純物だけが存在している場合>
図2は、本実施形態によるn+Geが形成される過程を計算した一例であり、不純物濃度と深さの関係である。計算するには拡散係数などが必要であり、それらは実験値とフィッティングして求めた。図2は、n型不純物だけがGeに存在している場合である。ここで、n型不純物の例としてPを選んだ。Pの初期プロファイル(熱処理前のプロファイル)は、Ge基板表面から射影飛程(Projected Range)Rpが5.0nm、標準偏差1.0nm、ドーズ量1×1015cm-2のガウス分布であると想定した。熱処理は短時間(1秒)のスパイクアニールを想定している。温度は773Kである。熱処理中の時間発展を十等分(0,0.1,0.2,…,1.0)にして、Pの不純物濃度プロファイルの経時変化を示した。
<When only n-type impurities are present in the n + Ge layer>
FIG. 2 is an example of calculating the process of forming n + Ge according to the present embodiment, and shows the relationship between the impurity concentration and the depth. The calculation requires diffusion coefficients and the like, which were obtained by fitting with experimental values. FIG. 2 shows a case where only n-type impurities are present in Ge. Here, P was selected as an example of an n-type impurity. The initial profile (profile before heat treatment) of P is a Gaussian distribution with a projected range Rp of 5.0 nm from the Ge substrate surface, a standard deviation of 1.0 nm, and a dose of 1 × 10 15 cm −2. Assumed. The heat treatment is assumed to be spike annealing for a short time (1 second). The temperature is 773K. The time evolution during the heat treatment was sufficiently (0, 0.1, 0.2,..., 1.0), and the change with time in the impurity concentration profile of P was shown.

本例のようにBが無い場合には、図2のプロファイルの経時変化からわかるように、最初に大きく拡散し、徐々にゆっくりになって拡散していく。熱処理前に濃度が1×1019cm-3の位置はRpから3.5nmであるが、0.1秒後は13.2nmまで広がり、0.2秒後では16.8nm、0.3秒後では19.0nmと広がり、1秒後では27.2nmまで拡散する。 When there is no B as in this example, as can be seen from the time-dependent change in the profile of FIG. The position where the concentration is 1 × 10 19 cm −3 before the heat treatment is 3.5 nm from Rp, but after 0.1 seconds, it spreads to 13.2 nm, and after 0.2 seconds, 16.8 nm and 0.3 seconds. Later, it spreads to 19.0 nm and diffuses to 27.2 nm after 1 second.

図3は、図2と同じ条件のものであり、その電子濃度プロファイルを示したものである。図2と同様に、熱処理中の時間発展を十等分にして、Pの電子濃度プロファイルの変化を示した。図3を図2と較べるとわかるように、7×1017cm-3以上で不純物と電子濃度はほぼ一致している。これはGe中にn型ドーパントであるPだけが存在するからであり、表面から約33nmの深さまで電子だけからなるn+Geになっている。 FIG. 3 shows the electron concentration profile under the same conditions as FIG. Similar to FIG. 2, the change in the electron concentration profile of P was shown with the time evolution during the heat treatment being fully divided. As can be seen from a comparison of FIG. 3 with FIG. 2, the impurity concentration and the electron concentration are almost the same at 7 × 10 17 cm −3 or more. This is because only P, which is an n-type dopant, is present in Ge, which is n + Ge consisting of only electrons from the surface to a depth of about 33 nm.

尚、ここでの電子濃度は、773Kという不純物が拡散する温度のときのものである。そのため、不純物濃度が電子濃度とほぼ同じ、つまりほぼ100%イオン化していると考えている。一方で、室温では不純物が不完全イオン化を起こし、電子濃度が不純物濃度よりも低くなることがある。しかし、不純物が高濃度の場合には金属絶縁体転移により不純物の不完全イオン化はなく、つまり室温でも不純物濃度と電子濃度はほとんど同じと考えて良い。電子濃度が7×1017cm-3の一定領域は、真性キャリア濃度niによるものであり、室温では基板濃度より低くなり、基板が通常の濃度のp型であれば、ホール濃度一定の領域が室温では現れる。 Note that the electron concentration here is that at a temperature at which impurities of 773 K diffuse. Therefore, it is considered that the impurity concentration is almost the same as the electron concentration, that is, almost 100% ionized. On the other hand, at room temperature, impurities may cause incomplete ionization, and the electron concentration may be lower than the impurity concentration. However, when the impurity concentration is high, there is no incomplete ionization of the impurity due to metal-insulator transition, that is, the impurity concentration and the electron concentration may be considered to be almost the same even at room temperature. The constant region where the electron concentration is 7 × 10 17 cm −3 is due to the intrinsic carrier concentration ni, which is lower than the substrate concentration at room temperature. If the substrate is a p-type with a normal concentration, the constant hole concentration region is Appears at room temperature.

<n+Ge層にn型不純物とp型不純物が同時に存在している場合>
図4は、n型不純物と共にp型不純物も同時に存在している場合である。図2の場合に加えて、p型不純物がGe基板全体に2.5×1020cm-3の高濃度で共存している。ここではp型不純物の例としてBを選んだ。
<When n-type impurity and p-type impurity are present simultaneously in the n + Ge layer>
FIG. 4 shows a case where a p-type impurity is present simultaneously with an n-type impurity. In addition to the case of FIG. 2, p-type impurities coexist at a high concentration of 2.5 × 10 20 cm −3 in the entire Ge substrate. Here, B was selected as an example of the p-type impurity.

BがGe基板全体にある場合でも、Bが無い場合と同様に、最初は大きく拡散し、徐々にゆっくり拡散していく。しかしながら、Bがある場合には、Bが無い場合に較べて、その拡散速度は相対的にゆっくりである。熱処理前に濃度が1×1019cm-3の位置はRpら3.5nmであり、0.1秒後は9.0nmまで広がり、0.2秒後では10.6nm、0.3秒後では11.4nmと広がり、1秒後では14.2nmまで拡散する。 Even when B is present on the entire Ge substrate, as in the case where B is not present, it diffuses largely at the beginning and gradually diffuses slowly. However, when B is present, the diffusion rate is relatively slower than when B is absent. The position where the concentration is 1 × 10 19 cm −3 before the heat treatment is Rp et al. 3.5 nm, and after 0.1 second, it expands to 9.0 nm, after 0.2 second 10.6 nm, after 0.3 second Spreads to 11.4 nm and diffuses to 14.2 nm after 1 second.

図5は、B無しの場合(図2)と有りの場合(図4)のPの拡散距離を比較したものである。濃度が1×1019cm-3の場合の、同じ拡散時間におけるそれぞれの拡散距離(Rpを原点に取ったときの深さ)をプロットした。図から明らかなように、Bがあることによって拡散距離が短くなっており、それは距離が大きくなるほど、言い換えれば拡散時間が長くなるほど、その差は大きくなっていく。このように、Bがあることによって拡散が抑えられることがわかる。 FIG. 5 compares the diffusion distance of P when B is not present (FIG. 2) and when it is present (FIG. 4). When the concentration is 1 × 10 19 cm −3 , the respective diffusion distances at the same diffusion time (depth when Rp is taken as the origin) are plotted. As is apparent from the figure, the presence of B shortens the diffusion distance, and the difference increases as the distance increases, in other words, as the diffusion time increases. Thus, it can be seen that the presence of B suppresses diffusion.

図6は、図4と同じ条件のものであり、その電子濃度プロファイルを示したものである。BがGe基板全体に2.5×1020cm-3という高濃度で存在しているため、熱処理前の状態でP濃度がB濃度より低い場所では、電子濃度は2.8×1015cm-3になる。(4)式からわかるように実効拡散係数は電子濃度の自乗に比例しているため、電子濃度が低いほど拡散が遅くなる。Bが無い場合には8.4×1017cm-3であるが、Bがある場合には2.8×1015cm-3であり、電子濃度が2桁以上低くなる。それゆえ、Bの存在によって実効拡散係数が小さくなり、拡散がゆっくりになる。 FIG. 6 shows the same electron density profile as in FIG. Since B exists in the entire Ge substrate at a high concentration of 2.5 × 10 20 cm −3 , the electron concentration is 2.8 × 10 15 cm at a place where the P concentration is lower than the B concentration before the heat treatment. -3 . As can be seen from the equation (4), the effective diffusion coefficient is proportional to the square of the electron concentration, so that the lower the electron concentration, the slower the diffusion. When there is no B, it is 8.4 × 10 17 cm −3 , but when B is present, it is 2.8 × 10 15 cm −3 , and the electron concentration is reduced by two orders of magnitude or more. Therefore, the presence of B reduces the effective diffusion coefficient and slows diffusion.

こうして、BがあることによってPの拡散を抑えることができ、Bが無いときに較べて、浅くて高濃度のn+Geが表面に形成されることになる。しかし、図4からわかるように、PよりBの濃度が高い領域があるため、これはn+Ge/p+Geである。p+Geにおけるホール濃度pは、図6と質量作用の法則np=ni2(nは電子濃度)の関係式から求められ、それは1.75×1020[=(7×10172/(2.8×1015)]cm-3という高濃度である。また、さらに、高濃度のPが存在していてもBによって補償されるため、Pの不純物濃度に較べて電子濃度が低くなっている。 Thus, the presence of B makes it possible to suppress the diffusion of P, and a shallower and higher concentration of n + Ge is formed on the surface than when there is no B. However, as can be seen from FIG. 4, since there is a region where the concentration of B is higher than that of P, this is n + Ge / p + Ge. The hole concentration p in p + Ge is obtained from the relational expression of FIG. 6 and the law of mass action np = ni 2 (n is the electron concentration), which is 1.75 × 10 20 [= (7 × 10 17 ) 2 / (2.8 × 10 15 )] cm −3 . Furthermore, even if a high concentration of P exists, it is compensated by B, so that the electron concentration is lower than the impurity concentration of P.

<p+Ge層を作らずにn+Geを形成する方法>
+Ge層を作らず、また表面での電子濃度を下げずに浅くて電子が高濃度のn+Geを形成するには、Bのプロファイルを調整すればよい。図7はBのプロファイルを調整したものである。図3のように全体にBを入れず、2.5×1020cm-3の一定濃度であるという条件は同じままに、表面から7.3nm〜18.9nmまでの深さにだけBが存在するようにした。Pのプロファイルは、図7からわかるように、図4のPのプロファイルとほとんど差がない。また、このように一部にだけBがある場合とBが無い場合のPの拡散距離を比較したものが図8であるが、図5とほぼ同じである。つまり、Bを基板全体に入れずに、一部だけに入れてもPの拡散抑制の効果が同じくらいあるということを意味している。そして、一部だけにBを入れるために、図4からわかるように、熱処理後に最終的に得られるPのプロファイルは、Bよりも基板全体で濃度を高くすることができる。
<Method of forming n + Ge without forming p + Ge layer>
In order to form a shallow n + Ge with a high electron concentration without forming a p + Ge layer and without reducing the electron concentration on the surface, the profile of B may be adjusted. FIG. 7 shows the B profile adjusted. As shown in FIG. 3, B is not included in the whole, and the condition that the concentration is constant at 2.5 × 10 20 cm −3 remains the same, and B is only at a depth of 7.3 nm to 18.9 nm from the surface. To exist. As can be seen from FIG. 7, the profile of P is almost the same as the profile of P in FIG. Further, FIG. 8 shows a comparison of the diffusion distance of P in the case where B is present only in part and in the case where B is not present, which is almost the same as FIG. That is, even if B is not included in the entire substrate but only in a part, it means that the effect of suppressing the diffusion of P is almost the same. Since B is included only in part, as can be seen from FIG. 4, the concentration of the P profile finally obtained after the heat treatment can be higher than that of B over the entire substrate.

図9は、図7と同じ条件のものであり、その電子濃度プロファイルを示したものである。図9以降の類似図面には、熱処理前と熱処理後の注記の記載を省略するが、図2と同様に、放物線状の曲線が熱処理前、テラス状の曲線が熱処理後を示す。図6とは異なり、基板の内奥側では真性キャリア濃度になっていて、Bが無い場合の図3と同じである。つまり、基板の内奥側にはp+Geではなく、もともとのGe基板の状態、例えば通常程度の不純物を含んだpGe基板になっていることがわかる。また、図6と較べて、表面側において電子濃度が高くなっている。これは表面にBが存在しないため、電子濃度の減少、損失などが起こらず、したがって、電子濃度がPの不純物濃度とほぼ同じ濃度になっているためである。PはBによる拡散抑制効果により高い不純物濃度が維持されているので、Bが無い場合よりも高い電子濃度が実現されている。 FIG. 9 shows the same electron density profile as in FIG. In the similar drawings after FIG. 9, the notes before and after the heat treatment are omitted, but as in FIG. 2, the parabolic curve shows the pre-heat treatment, and the terrace-like curve shows the heat treatment. Unlike FIG. 6, the intrinsic carrier concentration is on the inner back side of the substrate, which is the same as FIG. That is, it can be seen that the inner side of the substrate is not p + Ge but a state of the original Ge substrate, for example, a pGe substrate containing a normal level of impurities. Further, compared with FIG. 6, the electron concentration is higher on the surface side. This is because B does not exist on the surface, so that the electron concentration does not decrease or lose, and therefore the electron concentration is almost the same as the impurity concentration of P. Since a high impurity concentration is maintained for P due to the diffusion suppressing effect of B, a higher electron concentration is realized than when P is not present.

このように、Bを表面と基板の内奥側に入れず、最適な場所に最適な濃度で導入すれば、BによってPの拡散を抑制し、Bがあってもp+Geを残さず、また表面の電子濃度を低くすることなく、浅くて高濃度の電子からなるn+Ge層を形成することができる。 In this way, if B is not introduced into the surface and the inner side of the substrate and introduced at an optimal concentration at an optimal concentration, diffusion of P is suppressed by B, and p + Ge is not left even if B exists. Further, it is possible to form an n + Ge layer composed of shallow and high-concentration electrons without reducing the surface electron concentration.

<n型不純物を抑制するために必要なp型不純物の濃度>
つづいて、n型不純物を抑制するためには、どのくらいの濃度のp型不純物が必要かを説明する。ここでもn型不純物としてP,p型不純物としてBを選んだ。Pの初期プロファイル(熱処理前のプロファイル)は、Ge基板表面からRpが5.0nm、標準偏差1.0nm、ドーズ量1×1014cm-2のガウス分布であると想定した。拡散温度は773Kである。Bの濃度を3通りに変化させた場合を示した。BはGe基板表面からPのRpの位置まで存在しない場合を想定した。
<Concentration of p-type impurity necessary for suppressing n-type impurity>
Next, how much p-type impurities are necessary to suppress n-type impurities will be described. Again, P was selected as the n-type impurity and B was selected as the p-type impurity. The initial profile of P (profile before heat treatment) was assumed to be a Gaussian distribution with a Rp of 5.0 nm, a standard deviation of 1.0 nm, and a dose of 1 × 10 14 cm −2 from the surface of the Ge substrate. The diffusion temperature is 773K. The case where the density | concentration of B was changed in three ways was shown. B assumed the case where it did not exist from the Ge substrate surface to the position of Rp of P.

まず、図10はBを5×1019cm-3の濃度で、Rp(5nm)から10nmまで入れた場合である。拡散時間は3秒とした。例えば、P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前には8.8nmであったのが、熱処理後には10.4nmまで拡散しており、熱処理前後の差で1.6nmだけ拡散している。 First, FIG. 10 shows a case where B is added at a concentration of 5 × 10 19 cm −3 from Rp (5 nm) to 10 nm. The diffusion time was 3 seconds. For example, the position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 was 8.8 nm before the heat treatment, but diffused to 10.4 nm after the heat treatment, and only 1.6 nm due to the difference before and after the heat treatment. It is spreading.

図10の場合からBだけを無くしたものが図11である。P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前は同じ8.8nmであり、熱処理後には14.8nmまで拡散している。拡散した距離は6.0nmである。つまり、Bが無い場合には6.0nm拡散しているが、5×1019cm-3のBがあることによって1.6nm拡散するだけで抑えられている。 FIG. 11 shows the case where only B is removed from the case of FIG. The position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 is the same 8.8 nm before the heat treatment and diffuses to 14.8 nm after the heat treatment. The diffused distance is 6.0 nm. That is, in the absence of B, diffusion is performed by 6.0 nm, but due to the presence of B of 5 × 10 19 cm −3 , the diffusion is suppressed by only 1.6 nm.

このときの図10,11の不純物濃度プロファイルに対応する電子濃度プロファイルは、それぞれ、図12,13である。Bが無い場合(図13)には、不純物濃度プロファイル(図11)に対応して、電子濃度が1×1018cm-3の位置は10.4nmである。一方で、Bがある場合(図12)には、不純物濃度プロファイル(図10)に対応して、14.8nmまでn+Geの領域が広がっている。また図からわかるように、拡散している途中はBによって補償されるため、真性キャリア濃度より電子濃度が低く(ホール濃度が高く)、つまりp+Geが形成されている。そのとき、電子濃度が低いのでゆっくり拡散し、最終的には電子濃度が真性キャリア濃度より低い領域が無くなり、つまりp+Ge領域が無くて、極浅かつ高濃度の電子濃度からなるn+Geだけが形成できている。 The electron concentration profiles corresponding to the impurity concentration profiles of FIGS. 10 and 11 at this time are FIGS. 12 and 13, respectively. In the absence of B (FIG. 13), the position where the electron concentration is 1 × 10 18 cm −3 is 10.4 nm, corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 11). On the other hand, when B is present (FIG. 12), the n + Ge region extends to 14.8 nm corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 10). Further, as can be seen from the figure, the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration (the hole concentration is higher), that is, p + Ge is formed since it is compensated by B during the diffusion. At that time, since the electron concentration is low, it diffuses slowly, and finally there is no region where the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration, that is, there is no p + Ge region, and n + Ge consisting of an extremely shallow and high electron concentration. Only formed.

図14は、図10よりもB濃度を減らして、1×1019cm-3にした場合である。BはRpから25.3nmまで入れた。ここまでの内容から予想されるように、B濃度が低くなれば、Pが拡散する領域も広くなるため、Bを入れる領域も広くした方が良いからである。拡散時間は95秒とした。例えば、P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前には8.8nmであったのが、熱処理後には25.4nmまで拡散しており、熱処理前後の差で17.0nmだけ拡散している。 FIG. 14 shows a case where the B concentration is reduced to 1 × 10 19 cm −3 as compared with FIG. B was added from Rp to 25.3 nm. As expected from the contents so far, the lower the B concentration, the wider the region where P diffuses, so it is better to widen the region where B is inserted. The diffusion time was 95 seconds. For example, the position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 was 8.8 nm before the heat treatment, but diffused to 25.4 nm after the heat treatment, and the difference between before and after the heat treatment is only 17.0 nm. It is spreading.

図14の場合からBだけを無くしたものが図15である。P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前は同じ8.4nmであり、熱処理後には32.2nmまで拡散している。拡散した距離は23.2nmである。つまり、Bが無い場合には23.2nm拡散しているが、1×1019cm-3のBがあることによって17.0nm拡散するだけで抑えられている。 FIG. 15 shows the case where only B is removed from the case of FIG. The position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 is the same 8.4 nm before the heat treatment and diffuses to 32.2 nm after the heat treatment. The diffused distance is 23.2 nm. In other words, when there is no B, it diffuses 23.2 nm, but with the presence of B of 1 × 10 19 cm −3 , it is suppressed only by 17.0 nm.

このときの図14,15の不純物濃度プロファイルに対応する電子濃度プロファイルは、それぞれ、図16,17である。Bが無い場合(図17)には、不純物濃度プロファイル(図15)と対応して、電子濃度が1×1018cm-3の位置は32.2nmである。 The electron concentration profiles corresponding to the impurity concentration profiles of FIGS. 14 and 15 at this time are FIGS. 16 and 17, respectively. In the absence of B (FIG. 17), the position where the electron concentration is 1 × 10 18 cm −3 is 32.2 nm, corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 15).

一方で、Bがある場合(図16)には、不純物濃度プロファイル(図14)と対応して、25.4nmまでn+Geの領域が広がっている。また図からわかるように、拡散している途中はBによって補償されるため、真性キャリア濃度より電子濃度が低く(ホール濃度が高く)、つまりp+Geが形成されている。そのとき、電子濃度が低いのでゆっくり拡散し、最終的には電子濃度が真性キャリア濃度より低い領域が無くなり、つまりp+Ge領域が無くて、極浅かつ高濃度の電子濃度からなるn+Geだけが形成できている。 On the other hand, when B exists (FIG. 16), the n + Ge region extends to 25.4 nm corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 14). Further, as can be seen from the figure, the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration (the hole concentration is higher), that is, p + Ge is formed since it is compensated by B during the diffusion. At that time, since the electron concentration is low, it diffuses slowly, and finally there is no region where the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration, that is, there is no p + Ge region, and n + Ge consisting of an extremely shallow and high electron concentration. Only formed.

図18は、図10,図14よりもさらにB濃度を減らして、1×1018cm-3にした場合である。BはRpから31.8nmまで入れている。前述したように、B濃度が低くなれば、Pが拡散する領域も広くなるため、Bを入れる領域も広くした方が良いからである。拡散時間は100秒とした。例えば、P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前には8.8nmであったのが、熱処理後には31.6nmまで拡散しており、熱処理前後の差で22.8nmだけ拡散している。 FIG. 18 shows a case where the B concentration is further reduced to 1 × 10 18 cm −3 as compared with FIGS. 10 and 14. B is contained from Rp to 31.8 nm. As described above, the lower the B concentration, the wider the region where P diffuses, so it is better to widen the region where B is inserted. The diffusion time was 100 seconds. For example, the position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 was 8.8 nm before the heat treatment, but diffused to 31.6 nm after the heat treatment, and the difference between before and after the heat treatment is only 22.8 nm. It is spreading.

図18の場合からBだけを無くしたものが図19である。P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前は同じ8.8nmであり、熱処理後には32.6nmまで拡散している。拡散した距離は23.8nmである。つまり、Bが無い場合には23.8nm拡散しているが、1×1018cm-3のBがあることによって22.8nm拡散するだけで抑えられている。 FIG. 19 shows only the case where B is omitted from the case of FIG. The position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 is the same 8.8 nm before the heat treatment and diffuses to 32.6 nm after the heat treatment. The diffused distance is 23.8 nm. In other words, when there is no B, the diffusion is 23.8 nm, but the presence of B of 1 × 10 18 cm −3 is suppressed only by the diffusion of 22.8 nm.

このときの図18,図19の不純物濃度プロファイルに対応する電子濃度プロファイルは、それぞれ、図20,図21である。Bが無い場合(図21)には、不純物濃度プロファイル(図19)と対応して、電子濃度が1×1018cm-3の位置は32.6nmである。一方で、Bがある場合(図20)には、不純物濃度プロファイル(図18)と対応して、電子濃度が1×1018cm-3の位置は31.6nmである。また図からわかるように、拡散している途中はBによって補償されるため、真性キャリア濃度niより電子濃度nが低く(ホール濃度pが高く)、つまりp+Geが形成されている。そのとき、電子濃度が低いのでゆっくり拡散し、最終的には電子濃度が真性キャリア濃度より低い領域が無くなり、つまりp+Ge領域が無くて、極浅かつ高濃度の電子濃度からなるn+Geだけが形成できている。 The electron concentration profiles corresponding to the impurity concentration profiles of FIGS. 18 and 19 at this time are FIGS. 20 and 21, respectively. In the absence of B (FIG. 21), the position where the electron concentration is 1 × 10 18 cm −3 is 32.6 nm, corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 19). On the other hand, when B is present (FIG. 20), the position where the electron concentration is 1 × 10 18 cm −3 is 31.6 nm corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 18). Further, as can be seen from the figure, the electron concentration n is lower (the hole concentration p is higher) than the intrinsic carrier concentration ni, that is, p + Ge is formed since it is compensated by B during the diffusion. At that time, since the electron concentration is low, it diffuses slowly, and finally there is no region where the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration, that is, there is no p + Ge region, and n + Ge consisting of an extremely shallow and high electron concentration. Only formed.

このように、Pの拡散距離を短くするには、B濃度が高いほど良い。Pの拡散を抑制してn+Geを形成するB濃度の上限は、極限的には、熱処理前のPの濃度Cn(x,0)よりわずかに低くしておく(Cn(x,0)>Cp(x,0))、あるいは、熱処理後に拡散してBよりP濃度が高くなるようにする(Cn(x,t)>Cp(x,t))。ここで、Cn(x,t),Cp(x,t)は、それぞれ、P,Bの深さx,拡散時間tにおける不純物濃度である。熱処理前には、拡散する方向であれば、PよりB濃度を高くしても構わない。また、Pの拡散を抑制する最低限のB濃度Cp(x,0)は、拡散温度Tにおける真性キャリア濃度ni(x,0;T)より高ければ効果がある(Cp(x,0)>ni(x,0;T))。 Thus, in order to shorten the P diffusion distance, the higher the B concentration, the better. The upper limit of the B concentration for suppressing the diffusion of P to form n + Ge is extremely lower than the concentration Cn (x, 0) of P before the heat treatment (Cn (x, 0)). > Cp (x, 0)), or diffused after heat treatment so that the P concentration is higher than B (Cn (x, t)> Cp (x, t)). Here, Cn (x, t) and Cp (x, t) are impurity concentrations at a depth x and a diffusion time t of P and B, respectively. Before the heat treatment, the B concentration may be higher than P as long as it is in the direction of diffusion. Further, the minimum B concentration Cp (x, 0) for suppressing the diffusion of P is effective if it is higher than the intrinsic carrier concentration ni (x, 0; T) at the diffusion temperature T (Cp (x, 0)> ni (x, 0; T)).

Pの拡散を抑制するためのBのプロファイルとして、一定濃度の矩形領域を考えたが、これは前述したように、Ge中のn型不純物拡散メカニズムにより、n型不純物のプロファイルが一定濃度の領域から急峻に濃度が減少する、いわば箱形プロファイルになるからである。より望ましくは、p型不純物のプロファイルを、最終的に得たいn型不純物のプロファイルに近づけると、さらに浅くて高濃度の電子からなるn+Geが形成できる。 A rectangular region having a constant concentration is considered as a profile of B for suppressing the diffusion of P. As described above, this is a region where the profile of the n-type impurity is a constant concentration due to the n-type impurity diffusion mechanism in Ge. This is because the density decreases steeply from a so-called box profile. More desirably, when the profile of the p-type impurity is brought close to the profile of the n-type impurity to be finally obtained, n + Ge composed of shallower and high-concentration electrons can be formed.

ここまでは、BによるPの拡散抑制が最も適した時間の例を示してきた。ここでは、最適な時間を大きく超えた場合に、Pのプロファイルがどのようになるかを示す。図22は、図10と拡散時間だけが違う場合である。図10では拡散時間が3秒であったが、図22では10秒である。図22からわかるように、図10よりPの拡散が進んでいる。例えば、P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前には8.8nmであったのが、熱処理後には13.8nmまで移動しており、熱処理前後の差で5.0nmだけ拡散している。 So far, the example of the time when the diffusion suppression of P by B is most suitable has been shown. Here, it is shown how the profile of P becomes when the optimum time is greatly exceeded. FIG. 22 shows a case where only the diffusion time is different from FIG. In FIG. 10, the diffusion time is 3 seconds, but in FIG. 22, it is 10 seconds. As can be seen from FIG. 22, the diffusion of P is advanced from FIG. For example, the position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 was 8.8 nm before the heat treatment, but moved to 13.8 nm after the heat treatment. It is spreading.

図22の場合からBだけを無くしたものが23である。P濃度が1×1018cm-3の位置は、熱処理前は同じ8.4nmであり、熱処理後には18.9nmまで拡散している。拡散した距離は10.5nmである。つまり、Bが無い場合には10.5nm拡散してしまうが、1×1019cm-3のBがあることによって5.0nm拡散するだけで抑えられている。ここで注目すべきは、図22から明らかなように、PがBのある領域を大きく超えて拡散しても、Bの濃度がPの濃度を超えることはない、ということである。 In FIG. 22, 23 is obtained by eliminating only B. The position where the P concentration is 1 × 10 18 cm −3 is the same 8.4 nm before the heat treatment and diffuses to 18.9 nm after the heat treatment. The diffused distance is 10.5 nm. In other words, in the absence of B, 10.5 nm is diffused, but due to the presence of B of 1 × 10 19 cm −3 , it is suppressed only by 5.0 nm diffusion. What should be noted here is that, as is clear from FIG. 22, even if P diffuses far beyond a region where B is present, the concentration of B does not exceed the concentration of P.

図22,図23の不純物濃度プロファイルに対応する電子濃度プロファイルは、それぞれ、図24,25である。Bが無い場合(図25)には、不純物濃度プロファイル(図23)と対応して、電子濃度が1×1018cm-3の位置は18.9nmである。一方で、Bがある場合(図24)には、不純物濃度プロファイル(図22)と対応して、13.8nmまでn+Geの領域が広がっている。また図からわかるように、拡散している途中はBによって補償されるため、真性キャリア濃度より電子濃度が低く(ホール濃度が高く)、つまりp+Geが形成されている。そのとき、電子濃度が低いのでゆっくり拡散し、最終的には電子濃度が真性キャリア濃度より低い領域が無くなる。そしてこの場合にはBが無い基板内奥側の領域にさらにPは拡散していくが、この位置ではPの濃度が低くなっているため、Pの拡散はゆっくりである。 The electron concentration profiles corresponding to the impurity concentration profiles of FIGS. 22 and 23 are FIGS. 24 and 25, respectively. In the absence of B (FIG. 25), the position where the electron concentration is 1 × 10 18 cm −3 is 18.9 nm, corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 23). On the other hand, when B is present (FIG. 24), the n + Ge region extends to 13.8 nm corresponding to the impurity concentration profile (FIG. 22). Further, as can be seen from the figure, the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration (the hole concentration is higher), that is, p + Ge is formed since it is compensated by B during the diffusion. At that time, since the electron concentration is low, it diffuses slowly, and finally there is no region where the electron concentration is lower than the intrinsic carrier concentration. In this case, P further diffuses into a region on the inner side of the substrate where there is no B. However, since the concentration of P is low at this position, the diffusion of P is slow.

また、Bがある領域から無い領域に遷移する場所で、電子濃度の若干の低下が見られるが、それでも真性キャリア濃度よりも高く、室温では基板濃度よりも充分に電子濃度が高い。尚、これは急峻に高濃度からゼロに落ち込むようなBのプロファイルを想定したからであり、現実には連続的に濃度は変化するため、電子濃度がこのように特異的に低くなることは無い。   Further, although a slight decrease in electron concentration is observed at a place where B transitions from a region to a region where B does not exist, the electron concentration is still higher than the intrinsic carrier concentration and sufficiently higher than the substrate concentration at room temperature. This is because a B profile that sharply drops from a high concentration to zero is assumed. In reality, since the concentration continuously changes, the electron concentration does not specifically decrease in this way. .

このように、Pの拡散を抑制する最適な時間を大きく超えても、p+Geが形成されることはなく、B無しの場合に較べて充分に拡散抑制の効果もあり、極浅かつ高濃度の電子濃度からなるn+Geだけが形成できる。 In this way, even when the optimum time for suppressing the diffusion of P is greatly exceeded, p + Ge is not formed, and there is a sufficient effect of suppressing the diffusion as compared with the case without B. Only n + Ge having a high electron concentration can be formed.

<PとBが導入されたGeのキャリア濃度プロファイル>
図26は、PとBの二つを導入して形成したGeのキャリア濃度プロファイルである。Spreading resistance probe分析により求めた。Pのドーズ量は5×1015cm-2であり、窒素雰囲気で30分の熱処理を施したものである。図26(a)、(b)は、それぞれBのドーズ量が2×1014、1×1015cm-2である。熱処理温度は、400,500,600℃の3通りで行った。また、すべての条件において、Bが無い場合のキャリア濃度プロファイルも調べた。基板表面側に高濃度に存在するキャリアはすべて電子であり、また、基板の内奥側に存在する濃度一定領域は基板に含まれる不純物(Ga)により生じたホールである。
<Carrier concentration profile of Ge with P and B introduced>
FIG. 26 shows a carrier concentration profile of Ge formed by introducing P and B. Obtained by Spreading resistance probe analysis. The dose amount of P is 5 × 10 15 cm −2 , and heat treatment is performed for 30 minutes in a nitrogen atmosphere. In FIGS. 26A and 26B, the dose amount of B is 2 × 10 14 and 1 × 10 15 cm −2 , respectively. The heat treatment temperature was 400, 500, and 600 ° C. Also, the carrier concentration profile in the absence of B was examined under all conditions. Carriers present at a high concentration on the substrate surface side are all electrons, and a constant concentration region existing on the inner side of the substrate is a hole generated by impurities (Ga) contained in the substrate.

まず、図26(a)、(b)から、400,500,600℃と温度を高くするほど、電子が高濃度に存在する領域が基板の内奥側に広がっていくことがわかる。また、Bがある場合と無い場合を比較すると、Bがある方が拡散を抑えられている。その傾向はBのドーズ量に強く依存していて、Bのドーズ量が2×1014cm-2より1×1015cm-2の方が、各熱処理温度で拡散が抑制される。また、この高濃度領域はすべて電子であり、Bがあっても、p+Geの無いn+Geが形成できている。 First, it can be seen from FIGS. 26A and 26B that as the temperature is increased to 400, 500, and 600 ° C., a region where electrons are present at a higher concentration spreads inwardly of the substrate. Moreover, when the case with B is compared with the case without B, the diffusion with B is suppressed. The tendency strongly depends on the dose amount of B. When the dose amount of B is 1 × 10 15 cm −2 rather than 2 × 10 14 cm −2 , diffusion is suppressed at each heat treatment temperature. Further, all the high concentration regions are electrons, and even if B is present, n + Ge without p + Ge can be formed.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、n型不純物層の形成方法の実施形態を説明する。まず、p型Ge基板1にBをイオン注入する(図27)。このとき、イオン注入の加速エネルギーを調整し、基板表面よりも内奥側に注入する。すると、p型Ge基板1の表面より内奥側にBの高濃度層2が形成される(図28)。続いて、p型Ge基板1にPをイオン注入する(図29)。加速エネルギーを調整し、Bの高濃度層2よりも表面側に注入する。p型Ge基板1には表面側にPの高濃度層3が形成され、それよりも基板奥側にBの高濃度層4が形成される(図30)。そして、この基板を熱処理すると、Pは拡散するがBにより拡散が抑制され、最終的にはPがBよりも濃度が高くなるため、p+Ge領域が無くなり、浅くて高濃度の電子濃度からなるn+Ge層が形成される(図31)。このn+Ge層には基板1に含まれるよりも多くのp型不純物が含まれている。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, an embodiment of a method for forming an n-type impurity layer will be described. First, B ions are implanted into the p-type Ge substrate 1 (FIG. 27). At this time, the acceleration energy of the ion implantation is adjusted, and the ion implantation is performed inward from the substrate surface. As a result, a high-concentration layer 2 of B is formed on the inner side from the surface of the p-type Ge substrate 1 (FIG. 28). Subsequently, P ions are implanted into the p-type Ge substrate 1 (FIG. 29). The acceleration energy is adjusted, and the surface is implanted on the surface side of the B high concentration layer 2. On the p-type Ge substrate 1, a high-concentration layer 3 of P is formed on the surface side, and a high-concentration layer 4 of B is formed on the back side of the substrate (FIG. 30). When this substrate is heat-treated, P diffuses but is suppressed by B. Eventually, since P has a higher concentration than B, the p + Ge region is eliminated, and the shallow and high electron concentration is increased. An n + Ge layer is formed (FIG. 31). This n + Ge layer contains more p-type impurities than those contained in the substrate 1.

(第3の実施形態)
第3の実施形態では、n型不純物拡散層の別の形成方法を示す。まず、p型Ge基板1にBをドープしたGeをCVDによって堆積する(図32)。すると、p型Ge基板1表面にp+Ge層6が形成される(図33)。つづいてPをドープしたGeをCVDによって堆積する。p+Ge層6の上にn+Ge層7が形成される(図34)。このとき基板を加熱しながら堆積、あるいは堆積してから熱処理すると、前述の効果により浅くて高濃度の電子からなるn+Ge層8が形成される(図35)。このプロセスで、図33のp+Ge6を形成せずに、図34のn+Ge層7を堆積すると、n型不純物の拡散が速いため、p型Ge基板1の内奥側に拡散してしまい、浅くて高濃度の電子からなるn+Ge8が形成できない。本プロセスのように、p+Ge層6を形成すれば、PをドープしたGeを堆積するときに、Pの基板奥側への拡散を防ぐことができる。
(Third embodiment)
In the third embodiment, another method for forming an n-type impurity diffusion layer will be described. First, Ge doped with B is deposited on the p-type Ge substrate 1 by CVD (FIG. 32). Then, a p + Ge layer 6 is formed on the surface of the p-type Ge substrate 1 (FIG. 33). Subsequently, Ge doped with P is deposited by CVD. An n + Ge layer 7 is formed on the p + Ge layer 6 (FIG. 34). At this time, when the substrate is heated or deposited and then heat-treated, an n + Ge layer 8 composed of shallow and high-concentration electrons is formed by the above-described effect (FIG. 35). In this process, if the n + Ge layer 7 in FIG. 34 is deposited without forming the p + Ge 6 in FIG. 33, the n-type impurity diffuses quickly, so that it diffuses into the inner side of the p-type Ge substrate 1. put away, shallow n + GE8 made of a high concentration of electrons can not be formed. If the p + Ge layer 6 is formed as in this process, it is possible to prevent P from diffusing to the back of the substrate when depositing Ge doped with P.

以上第1〜第3の実施形態によれば、p型不純物の濃度および分布を制御することによって、極浅く、かつ高濃度キャリア密度を有するn型領域を形成することができる。   As described above, according to the first to third embodiments, by controlling the concentration and distribution of the p-type impurity, it is possible to form an n-type region that is extremely shallow and has a high concentration carrier density.

(第4の実施形態)
図36は、上述のn+Ge層を用いた半導体装置(MISFET)の模式断面図である。第4の実施形態の半導体装置は、基板の上に形成されたGeを主成分とするp型半導体10と、p型半導体10の上に形成されたゲート絶縁層12と、ゲート絶縁層12の上に形成されたゲート電極14と、p型半導体10のゲート絶縁層12との境界領域をゲート長方向の両側から挟むようにp型半導体10の表面に選択的に形成された一対のn型不純物拡散領域(ソース・ドレイン領域)18とを備えている。この半導体装置は、n型不純物拡散領域18の全部または一部に、n型不純物を含有すると同時に、p型半導体に含有されるよりも高濃度のp型不純物を含有している。n型不純物拡散領域の表面には、コンタクト電極16が接合されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 36 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device (MISFET) using the above-described n + Ge layer. The semiconductor device according to the fourth embodiment includes a p-type semiconductor 10 mainly composed of Ge formed on a substrate, a gate insulating layer 12 formed on the p-type semiconductor 10, and a gate insulating layer 12. A pair of n-type selectively formed on the surface of the p-type semiconductor 10 so as to sandwich a boundary region between the gate electrode 14 formed on the gate electrode 12 and the gate insulating layer 12 of the p-type semiconductor 10 from both sides in the gate length direction. Impurity diffusion regions (source / drain regions) 18 are provided. This semiconductor device contains n-type impurities in all or part of the n-type impurity diffusion region 18 and at the same time contains a higher concentration of p-type impurities than that contained in the p-type semiconductor. A contact electrode 16 is joined to the surface of the n-type impurity diffusion region.

p型半導体10は、基板全体がGe、あるいは少なくとも基板表面はGeを主成分としており、p型不純物を含有している。また、p型不純物はn型不純物領域全体にあっても良いが、電子濃度を高くしてコンタクト抵抗を低くするために、基板表面にはないことが望ましい。さらに、n型不純物領域の周りに追加して、いわゆるLDDやn型エクステンション、halo層を形成しても良い。   In the p-type semiconductor 10, the entire substrate is Ge, or at least the substrate surface is mainly composed of Ge, and contains p-type impurities. Further, the p-type impurity may be present in the entire n-type impurity region, but it is preferable that the p-type impurity is not present on the substrate surface in order to increase the electron concentration and reduce the contact resistance. Furthermore, a so-called LDD, n-type extension, or halo layer may be formed around the n-type impurity region.

本実施形態によれば、p型不純物の濃度および分布を制御することによって、極浅く、かつ高濃度キャリア密度を有するn型ソース・ドレイン領域18を形成することができる。この結果、微細Geチャネル半導体装置において、短チャネル効果を抑制するとともに寄生抵抗を少なくすることが可能となり、電流駆動力の高いMISFETを提供できる。   According to the present embodiment, the n-type source / drain region 18 having a very shallow and high concentration carrier density can be formed by controlling the concentration and distribution of the p-type impurity. As a result, in the fine Ge channel semiconductor device, it is possible to suppress the short channel effect and reduce the parasitic resistance, and it is possible to provide a MISFET having a high current driving capability.

(第5の実施形態)
図37は、上述のn+Ge層およびp+Ge層を用いたCMISFET(Complementary Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:相補型金属/酸化物/半導体型電界効果トランジスタ)の模式的断面図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 37 is a schematic sectional view of a CMISFET (Complementary Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) using the above-described n + Ge layer and p + Ge layer.

より詳細には、図37はGeチャネルを有するCMISFETのゲート長方向の断面図を表す。基板100の上部表面(主表面)に、Geからなるp型ウェル領域102及びn型ウェル領域104が、素子分離層106によって電気的に分離されて形成される。基板100は、Ge基板や、Si基板や、Si基板上にGe層を形成したものや、Si基板上にSiGe層の中間層を形成しさらにその上にGe層を形成したものであってもよい。素子分離層106は、例えばSiO2 によって形成される。p型ウェル領域102には、nチャネルMISトランジスタが形成され、n型ウェル領域104にはpチャネルMISトランジスタが形成される。 More specifically, FIG. 37 shows a cross-sectional view in the gate length direction of a CMISFET having a Ge channel. A p-type well region 102 and an n-type well region 104 made of Ge are formed on the upper surface (main surface) of the substrate 100 by being electrically separated by an element isolation layer 106. The substrate 100 may be a Ge substrate, an Si substrate, an Si substrate formed with a Ge layer, an SiGe layer intermediate layer formed on an Si substrate, and a Ge layer formed thereon. Good. The element isolation layer 106 is made of, for example, SiO 2 . An n-channel MIS transistor is formed in the p-type well region 102, and a p-channel MIS transistor is formed in the n-type well region 104.

nチャネルMISトランジスタの構成としては、p型ウェル領域102内に、電流通路となる領域(チャネル領域)のゲート長両側に一対のn型エクステンション領域108が形成され、これらの外側に一対のn型ディープ領域110が形成される。p型ウェル領域102の上部表面には、対向するn型エクステンション領域108、108のゲート長方向内側の端部にかかるようにしてチャネル領域上にゲート絶縁膜116が形成される。ゲート絶縁膜116の上部表面には、ゲート電極118が積層形成される。ゲート絶縁膜116及びゲート電極118の両側には、ゲート側壁124が形成される。   As a configuration of the n-channel MIS transistor, a pair of n-type extension regions 108 are formed on both sides of the gate length of a region (channel region) serving as a current path in the p-type well region 102, and a pair of n-type extension regions are formed outside these regions. A deep region 110 is formed. On the upper surface of the p-type well region 102, a gate insulating film 116 is formed on the channel region so as to cover the ends of the opposing n-type extension regions 108 and 108 on the inner side in the gate length direction. A gate electrode 118 is stacked on the upper surface of the gate insulating film 116. Gate sidewalls 124 are formed on both sides of the gate insulating film 116 and the gate electrode 118.

n型ディープ領域110は、n型エクステンション領域108よりもp型ウェル領域102との接合深さが深くなるように構成される。n型エクステンション領域108及びn型ディープ領域110は、nチャネルMISトランジスタのソース・ドレイン領域となる。   The n-type deep region 110 is configured such that the junction depth with the p-type well region 102 is deeper than the n-type extension region 108. The n-type extension region 108 and the n-type deep region 110 become the source / drain regions of the n-channel MIS transistor.

同様に、pチャネルMISトランジスタの構成としては、n型ウェル領域104内に、電流通路となる領域(チャネル領域)のゲート長方向両側に一対のp型エクステンション領域112が形成され、これらの外側に一対のp型ディープ領域114が形成される。n型ウェル領域104の上部表面には、一対のp型エクステンション領域112、112のゲート長方向内側の端部にかかるようにしてチャネル領域上にゲート絶縁膜120が形成される。ゲート絶縁膜120の上部表面には、ゲート電極122が積層形成される。ゲート絶縁膜120及びゲート電極122の両側には、ゲート側壁絶縁膜126が形成される。   Similarly, the p-channel MIS transistor has a configuration in which a pair of p-type extension regions 112 are formed in the n-type well region 104 on both sides in the gate length direction of a region serving as a current path (channel region). A pair of p-type deep regions 114 are formed. On the upper surface of the n-type well region 104, a gate insulating film 120 is formed on the channel region so as to cover the ends of the pair of p-type extension regions 112, 112 on the inner side in the gate length direction. A gate electrode 122 is stacked on the upper surface of the gate insulating film 120. Gate sidewall insulating films 126 are formed on both sides of the gate insulating film 120 and the gate electrode 122.

p型ディープ領域114は、p型エクステンション領域112よりもn型ウェル領域104との接合深さが深くなるように構成される。p型エクステンション領域112及びp型ディープ領域114は、pチャネルMISトランジスタのソース・ドレイン領域となる。   The p-type deep region 114 is configured so that the junction depth with the n-type well region 104 is deeper than the p-type extension region 112. The p-type extension region 112 and the p-type deep region 114 become the source / drain regions of the p-channel MIS transistor.

nチャネルMISトランジスタ及びpチャネルMISトランジスタは、層間絶縁膜130によって覆われている。 The n-channel MIS transistor and the p-channel MIS transistor are covered with an interlayer insulating film 130.

本実施形態において、n型エクステンション領域108、n型ディープ領域110のどちらか、あるいは両方は、前述の実施形態により形成されたものであり、p型ドーパントを含んでいる。尚、このp型ドーパントは、p型エクステンション領域112、p型ディープ領域114に含まれているp型ドーパントと同じものにすることも可能である。   In the present embodiment, either or both of the n-type extension region 108 and the n-type deep region 110 are formed according to the above-described embodiment, and include a p-type dopant. The p-type dopant may be the same as the p-type dopant contained in the p-type extension region 112 and the p-type deep region 114.

次に、図17を参照して上記のCMISFETの製造方法について説明する。まず、基板100の主表面上に素子分離層106を形成する。基板は、Ge基板や、Si基板や、Si基板の上にGe層を形成したものや、Si基板上にSiGe層の中間層を挟みGe層を形成したものであってよい。素子分離層106の形成方法は、局所酸化法や、STI(Shallow Trench Isolation)法であってもよく、素子分離層106の形状は、メサ型でもよい。素子分離層106を形成した後、p型ウェル領域102及びn型ウェル領域104を形成する。p型ウェル領域102及びn型ウェル領域104の形成には、Ge層に対する通常のイオン注入法を用いてもよいし、Ge層をエピタキシャル成長させた後にイオン注入を行ってもよい。   Next, a method for manufacturing the CMISFET will be described with reference to FIG. First, the element isolation layer 106 is formed on the main surface of the substrate 100. The substrate may be a Ge substrate, a Si substrate, a Si substrate formed with a Ge layer, or a Si substrate with an intermediate layer of the SiGe layer sandwiched between them. The formation method of the element isolation layer 106 may be a local oxidation method or an STI (Shallow Trench Isolation) method, and the shape of the element isolation layer 106 may be a mesa type. After forming the element isolation layer 106, the p-type well region 102 and the n-type well region 104 are formed. For forming the p-type well region 102 and the n-type well region 104, a normal ion implantation method for the Ge layer may be used, or ion implantation may be performed after the Ge layer is epitaxially grown.

次に、p型ウェル領域102及びn型ウェル領域104の上部表面にゲート絶縁膜116及び120を形成する。ゲート絶縁膜116及び120の形成方法については、例えば、Ge酸化物膜を熱酸化法で形成してもよく、Ge酸窒化膜をプラズマ酸窒化法で形成してもよく、Hf,Zr,La,Y,Alなどから選ばれる金属元素を含む酸化物からなる高誘電率膜をCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相蒸着)法で堆積させてもよい。その後、既存の成膜技術を用いて、ゲート絶縁膜116及び120の上部表面にゲート電極118及び122となる単層または多層の導電膜を形成する。ここでは、一例として次の手法を用いる。ゲート電極118(nチャネルMISトランジスタ用)にタンタルカーバイドを、ゲート電極122(pチャネルMISトランジスタ用)にタングステンを、PVD(Physical Vapor deposition:物理気相蒸着)により10nm成膜する。その後、その上部表面にチタンナイトライドをPVDにより10nm成膜する。さらにその後、その上部表面に多結晶Si層を減圧CVD法により50nm成膜する。   Next, gate insulating films 116 and 120 are formed on the upper surfaces of the p-type well region 102 and the n-type well region 104. As for the method of forming the gate insulating films 116 and 120, for example, a Ge oxide film may be formed by a thermal oxidation method, a Ge oxynitride film may be formed by a plasma oxynitride method, or Hf, Zr, La A high dielectric constant film made of an oxide containing a metal element selected from Y, Y, Al, etc. may be deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Thereafter, a single-layer or multilayer conductive film to be the gate electrodes 118 and 122 is formed on the upper surfaces of the gate insulating films 116 and 120 by using an existing film formation technique. Here, the following method is used as an example. Tantalum carbide is formed on the gate electrode 118 (for n-channel MIS transistor), tungsten is formed on the gate electrode 122 (for p-channel MIS transistor), and a film of 10 nm is formed by PVD (Physical Vapor Deposition). Thereafter, a titanium nitride film is formed to a thickness of 10 nm on the upper surface by PVD. Further, after that, a polycrystalline Si layer is formed to a thickness of 50 nm on the upper surface by a low pressure CVD method.

ゲート電極118(nチャネルMISトランジスタ用)には、タンタルシリサイド、窒化タンタルシリサイド、窒化チタンシリサイド、タングステンシリサイド、窒化タングステンシリサイド等を用いることができる。また、ゲート電極122(pチャネルMISトランジスタ用)には、ルテニウム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、白金、白金イリジウム等を用いることができる。   For the gate electrode 118 (for n-channel MIS transistor), tantalum silicide, tantalum nitride silicide, titanium nitride silicide, tungsten silicide, tungsten nitride silicide, or the like can be used. For the gate electrode 122 (for p-channel MIS transistor), ruthenium, titanium nitride, titanium aluminum nitride, platinum, platinum iridium, or the like can be used.

その後、フォトリソグラフィ技術によるパターニングを行い、異方性エッチングにより不要な膜を削除し、ゲート電極118及び122を形成する。その後、例えば、前述の実施形態による方法を用いて、側壁絶縁膜124、n型エクステンション領域108、n型ディープ領域110を形成する。   Thereafter, patterning is performed by photolithography, unnecessary films are removed by anisotropic etching, and gate electrodes 118 and 122 are formed. Thereafter, for example, the sidewall insulating film 124, the n-type extension region 108, and the n-type deep region 110 are formed using the method according to the above-described embodiment.

次に、自己整合ゲート方式により、pチャネルMISトランジスタのソース・ドレイン領域を形成する。ここで、「自己整合ゲート方法」とは、まずゲート積層を形成し、その後イオン注入等によってソース・ドレイン領域を形成する、という手法である。すなわち、ゲート電極122を傘として用いてボロン(B)のイオン注入を行い、pチャネル型MISトランジスタのp型エクステンション領域112を形成する。その後、ゲート電極122とソース・ドレイン領域(p型エクステンション領域112及びp型ディープ領域114)の間の絶縁のための側壁絶縁膜124を形成する。その後、p型エクステンション領域112を作製した場合よりも大きな加速電圧によりボロン(B)のイオン注入を行い、p型ディープ領域114を形成する。   Next, source / drain regions of the p-channel MIS transistor are formed by a self-aligned gate method. Here, the “self-aligned gate method” is a method of first forming a gate stack and then forming source / drain regions by ion implantation or the like. That is, boron (B) ions are implanted using the gate electrode 122 as an umbrella to form the p-type extension region 112 of the p-channel MIS transistor. Thereafter, a sidewall insulating film 124 is formed for insulation between the gate electrode 122 and the source / drain regions (p-type extension region 112 and p-type deep region 114). Thereafter, boron (B) is ion-implanted with a larger acceleration voltage than when the p-type extension region 112 is formed, and the p-type deep region 114 is formed.

ソース・ドレイン領域(n型エクステンション領域108、n型ディープ領域110、p型エクステンション領域112、及びp型ディープ領域114)の活性化プロセス温度としては、ゲート積層部(ゲート絶縁膜116、ゲート電極118、ゲート絶縁膜120、及びゲート電極122)及びソース・ドレイン領域のnp接合部の特性を劣化させない温度が望ましく、例えば600℃とすることができる。   As an activation process temperature of the source / drain regions (n-type extension region 108, n-type deep region 110, p-type extension region 112, and p-type deep region 114), a gate stacked portion (gate insulating film 116, gate electrode 118) is used. The gate insulating film 120 and the gate electrode 122) and the temperature at which the characteristics of the np junctions of the source / drain regions are not deteriorated are desirable, for example, 600 ° C.

また、ソース・ドレイン領域の活性化処理方法としては、フラッシュランプアニール、レーザアニール等を用いることもできる。これらによれば、より短時間の処理で半導体中の不純物の活性化を実現できるため、ゲート電極118、122/ゲート絶縁膜116、120/半導体(p型ウェル領域102、n型ウェル領域104、n型エクステンション領域108、n型ディープ領域110、p型エクステンション領域112、及びp型ディープ領域114)の構造を有する半導体装置の熱による劣化を低減することができる。   As a method for activating the source / drain regions, flash lamp annealing, laser annealing, or the like can be used. According to these, since the activation of impurities in the semiconductor can be realized in a shorter processing time, the gate electrodes 118, 122 / gate insulating film 116, 120 / semiconductor (p-type well region 102, n-type well region 104, Deterioration due to heat of the semiconductor device having the structure of the n-type extension region 108, the n-type deep region 110, the p-type extension region 112, and the p-type deep region 114) can be reduced.

その後、減圧CVDにより層間絶縁膜130となるSi酸化膜を堆積し、CMP(Chemical Mechanical Planarization:化学機械平坦化)によりゲート電極118及び122の上端を露出させる。その後、スパッタ法等によりゲート電極118及び122の上面にニッケル層を50nm成膜する。その後、500℃の低温熱処理を行うことによって、ニッケルと多結晶Siとの界面領域からシリサイドが形成され、Ni2Siが形成される。ここで、本実施形態においては多結晶Siが全てシリサイドへと変換されているが、Niの膜厚をより薄くすることによって多結晶Siの一部だけをシリサイド化してもよい。その後、硫酸と過酸化水素水との混合溶液等を用いて未反応のNiを除去する。 Thereafter, a Si oxide film to be the interlayer insulating film 130 is deposited by low pressure CVD, and the upper ends of the gate electrodes 118 and 122 are exposed by CMP (Chemical Mechanical Planarization). Thereafter, a nickel layer is formed to a thickness of 50 nm on the upper surfaces of the gate electrodes 118 and 122 by sputtering or the like. Thereafter, by performing a low-temperature heat treatment at 500 ° C., silicide is formed from the interface region between nickel and polycrystalline Si, and Ni 2 Si is formed. Here, in the present embodiment, all of the polycrystalline Si is converted into silicide. However, only a part of the polycrystalline Si may be silicided by reducing the film thickness of Ni. Thereafter, unreacted Ni is removed using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution or the like.

以上説明した製造方法により、図37に表す構造のCMOSFET半導体装置が作製される。p型ドーパントの濃度および分布を制御することによって、極浅く、かつ高濃度キャリア密度を有するn型ソース・ドレイン領域(n型エクステンション領域108及びn型ディープ領域110)を形成することができる。この結果、微細Geチャネル半導体装置において、短チャネル効果を抑制するとともに寄生抵抗を少なくすることが可能となり、電流駆動力が高くなる。   A CMOSFET semiconductor device having the structure shown in FIG. 37 is manufactured by the manufacturing method described above. By controlling the concentration and distribution of the p-type dopant, it is possible to form n-type source / drain regions (n-type extension region 108 and n-type deep region 110) that are extremely shallow and have a high concentration of carrier density. As a result, in the fine Ge channel semiconductor device, it is possible to suppress the short channel effect and reduce the parasitic resistance, and the current driving capability is increased.

(第6の実施形態)
図38は、第6の実施形態に係るFinMISFETの模式的斜視図である。本実施形態は、前述のn+Ge/pGe構造をFinMISFETに応用した例である。より詳細には、図38において、208は支持基板、209は絶縁層、210はGe層であり、208〜210でGOI(Germanium on Insulator)基板211を形成している。GOI層210を加工して線状(直方体状)の素子領域202が形成されている。素子領域202の中央部分には、ゲート絶縁膜203を介してゲート電極204が形成されている。ゲート電極204を挟む素子領域202の部分がソース・ドレイン領域205となる。
(Sixth embodiment)
FIG. 38 is a schematic perspective view of a FinMISFET according to the sixth embodiment. The present embodiment is an example in which the above-described n + Ge / pGe structure is applied to a FinMISFET. More specifically, in FIG. 38, 208 is a support substrate, 209 is an insulating layer, 210 is a Ge layer, and 208 to 210 form a GOI (Germanium on Insulator) substrate 211. A linear (cuboid) element region 202 is formed by processing the GOI layer 210. A gate electrode 204 is formed in the central portion of the element region 202 through a gate insulating film 203. The portion of the element region 202 sandwiching the gate electrode 204 becomes the source / drain region 205.

次に、本実施形態のFinMISFETの製造方法を説明する。まず図39に示すように、GOI層210に対し、例えばBイオンを100keV、2.0×1012cm-2で注入し、その後に、例えば500℃、30秒の熱工程を施す。続いて、例えばRIE法(反応性イオンエッチング法)等の異方性エッチングを施す事により、素子領域202以外の領域のGOI層210を除去し、素子領域202を形成する。 Next, a method for manufacturing the FinMISFET of this embodiment will be described. First, as shown in FIG. 39, for example, B ions are implanted into the GOI layer 210 at 100 keV and 2.0 × 10 12 cm −2 , and then, for example, a thermal process is performed at 500 ° C. for 30 seconds. Subsequently, for example, by performing anisotropic etching such as RIE (reactive ion etching), the GOI layer 210 in a region other than the device region 202 is removed, and the device region 202 is formed.

次に図39に示すように、例えばCVD法(化学的気相成長法)等の方法を用いることにより、例えば厚さ5nmのHfO2膜212を形成する。次に、図40に示すように、HfO2膜212の上に、例えばCVD法により、例えば厚さ100nmの、例えばタングステン等の高融点金属膜を堆積し、例えばRIE法等の異方性エッチングを施すことにより、高融点金属膜を加工してゲート電極204を形成する。続いて、例えばRIE法等の異方性エッチングを施すことにより、HfO2膜212を加工して、ゲート絶縁膜203を形成する。 Next, as shown in FIG. 39, for example, a HfO 2 film 212 having a thickness of, for example, 5 nm is formed by using a method such as a CVD method (chemical vapor deposition method). Next, as shown in FIG. 40, a refractory metal film such as tungsten having a thickness of 100 nm, for example, is deposited on the HfO 2 film 212 by, eg, CVD, and anisotropic etching such as RIE is performed. As a result, the refractory metal film is processed to form the gate electrode 204. Subsequently, the HfO 2 film 212 is processed to form a gate insulating film 203 by performing anisotropic etching such as RIE.

次に、第1の実施形態と同様に、例えば、Bを基板上方より全面に注入し、続いてPを注入する。PとBの注入の順序は逆でも良い。またこのとき、P注入の後にRIE法等によってゲート電極204,ゲート絶縁膜212をさらに細く加工してもよい。その後にBを注入すれば、GOI層210のチャネル側にBだけを導入できる。そして熱工程によりn+Geからなるソース・ドレイン領域5を形成すれば、MOSFETが形成される。このようにすれば、表面を高キャリア濃度のn+Geにすることができ、またPの拡散を抑制できるので、チャネル領域への横方向への拡散も抑制できる。以後は通常の層間絶縁膜形成工程、配線孔開孔工程、配線工程等を経て半導体装置が形成される。 Next, as in the first embodiment, for example, B is implanted into the entire surface from above the substrate, and then P is implanted. The order of implantation of P and B may be reversed. At this time, after the P implantation, the gate electrode 204 and the gate insulating film 212 may be further finely processed by the RIE method or the like. If B is subsequently implanted, only B can be introduced into the channel side of the GOI layer 210. Then, if the source / drain region 5 made of n + Ge is formed by a thermal process, a MOSFET is formed. In this way, the surface can be made of n + Ge with a high carrier concentration, and since P diffusion can be suppressed, lateral diffusion into the channel region can also be suppressed. Thereafter, the semiconductor device is formed through a normal interlayer insulating film forming process, a wiring hole opening process, a wiring process, and the like.

本実施形態によれば、n+Geからなるソース・ドレイン領域5を極浅かつ高キャリア濃度に形成することができ、高性能のFinMISFETを提供することができる。 According to the present embodiment, the source / drain region 5 made of n + Ge can be formed extremely shallow and with a high carrier concentration, and a high-performance FinMISFET can be provided.

なお実施形態を通じ、n型不純物としてPを例に取ったが、他のものでも良く、例えば、As,Sb,Biなどの一つ以上であっても良い。p型不純物も同様であり、他のものでも良く、例えば、B,Al,Ga,Inなどの一つ以上であっても良い。また本発明ではBが拡散しない温度773Kを想定したが、Pよりも拡散が遅ければBが拡散する高い温度でも効果があるし、もちろん低い温度でも効果があり、温度には制限がない。不純物を導入する方法として、CVD、イオン注入の例を示したが、その他の方法でも構わない。   Note that P is taken as an example of the n-type impurity throughout the embodiment, but other types may be used, for example, one or more of As, Sb, Bi, and the like. The p-type impurity is the same, and may be other, for example, one or more of B, Al, Ga, In and the like. In the present invention, the temperature 773K at which B does not diffuse is assumed. However, if the diffusion is slower than P, the temperature is effective even at a high temperature at which B diffuses. Although examples of CVD and ion implantation have been shown as methods for introducing impurities, other methods may be used.

基板としてGe主成分とするp型半導体を例に取り説明したが、n型半導体でもよく、あるいは化合物半導体などの他の半導体でも構わない。その半導体にとってn型不純物となるものが、本発明で説明したGeにおけるn型不純物の拡散メカニズムと同様に、空孔とペアになり、それが電荷を帯びているのならば、その電荷を打ち消すp型不純物を本発明と同様に用いれば、本発明と同様の効果があり、n型不純物の拡散が抑制され、極浅かつ高キャリア濃度のn型不純物領域が形成できる。   The substrate is a p-type semiconductor mainly composed of Ge, but may be an n-type semiconductor or another semiconductor such as a compound semiconductor. What becomes an n-type impurity for the semiconductor is paired with a vacancy like the diffusion mechanism of the n-type impurity in Ge described in the present invention, and cancels the charge if it is charged. If p-type impurities are used in the same manner as in the present invention, the same effects as in the present invention can be obtained, diffusion of n-type impurities can be suppressed, and an extremely shallow n-type impurity region with a high carrier concentration can be formed.

また半導体として、Ge主成分とする半導体を例に取り示したが、化合物半導体でも構わない。化合物半導体としては、例えば、III−V族半導体があり、GaAs、InP,InSb,GaN,InGaAsなどがある。GaAsにおいてp型ドーパントは、例えばZn、n型ドーパントは、例えばSiが用いられる。GaAs中でのZnの拡散は、次の化学平衡で表されるkick-outメカニズムによって説明される[例えば、H. Bracht et al., Physica B, 308, 831 (2001)参照]。   In addition, as a semiconductor, a semiconductor containing Ge as a main component has been described as an example, but a compound semiconductor may be used. Examples of compound semiconductors include III-V semiconductors such as GaAs, InP, InSb, GaN, and InGaAs. In GaAs, Zn is used as a p-type dopant, and Si is used as an n-type dopant, for example. The diffusion of Zn in GaAs is explained by the kick-out mechanism expressed by the following chemical equilibrium [see, for example, H. Bracht et al., Physica B, 308, 831 (2001)].

Zn+ i ⇔ Zn- Ga+I2+ Ga (6)
ここで、Zn+ i は格子間 (interstitial)のZn、Zn- GaはGaのサイトを占めるZn、I2+ Gaはself-interstitialのGaである。Zn+ i は格子間を拡散し、Gaが格子間にkick-outされて(I2+ Ga)、Gaのサイトが空いたところにZnが入り込む(Zn- Ga)。Znが1020cm-3を超える高濃度では、kink-and-tailメカニズムに従うという報告もあるが、いずれにしても、p型ドーパントとして働くZnの拡散を防ぐためには、電荷を補償、つまり打ち消すように、n型ドーパントとして働くSiを導入してやればよい。Znの拡散係数は大きいので、拡散係数の小さいSiと組み合わせれば、本発明の効果によって、最初はZnの拡散をSiによって抑え、最終的には浅くて高キャリア濃度のp+GaAsが形成できる。
Zn + i ⇔ Zn - Ga + I 2+ Ga (6)
Where Zn + i Is interstitial Zn, Zn Ga is Zn occupying Ga site, and I 2+ Ga is self-interstitial Ga. Zn + i Diffuses between the lattices, Ga is kicked out between the lattices (I 2+ Ga ), and Zn enters the vacant site of Ga (Zn Ga ). Although there is a report that Zn follows a kink-and-tail mechanism at a high concentration exceeding 10 20 cm −3 , in any case, in order to prevent diffusion of Zn acting as a p-type dopant, the charge is compensated, that is, canceled. Thus, Si that works as an n-type dopant may be introduced. Since the diffusion coefficient of Zn is large, when combined with Si having a small diffusion coefficient, by the effect of the present invention, the diffusion of Zn is initially suppressed by Si, and finally, shallow and high carrier concentration p + GaAs can be formed. .

また、p型不純物層はGe基板の内奥側に形成した場合を述べたが、p型半導体基板の表面側にp型不純物層を形成して、熱処理の際におけるn型不純物の外方拡散、すなわち表面から外側への拡散を抑制するバリア層としても用いることができる。このとき、p型不純物層は、p型不純物を含むGeでも良いし、Siでもよく、あるいはSiO2などでも構わない。熱処理後、p型不純物層は除去しても良い。 Further, the case where the p-type impurity layer is formed on the inner side of the Ge substrate has been described. However, the p-type impurity layer is formed on the surface side of the p-type semiconductor substrate, and the n-type impurity is diffused outward during the heat treatment. That is, it can also be used as a barrier layer that suppresses diffusion from the surface to the outside. At this time, the p-type impurity layer may be Ge containing p-type impurities, Si, or SiO 2 . After the heat treatment, the p-type impurity layer may be removed.

さらにp型不純物層は、n型不純物の基板内奥側への拡散抑制だけでなく、チャネルのある横方向への拡散を抑えるように形成しても良い。その場合には、n型不純物拡散層のチャネル側にp型不純物が含まれることになる。また素子分離の方向へn型不純物が抜けて不純物濃度が低下するのを防ぐようにp型不純物を用いても良い。その場合には、n型不純物拡散層は、素子分離側にp型不純物を含む構造になる。このようにp型不純物は、n型不純物の拡散を防ぐ方向に形成し、拡散を抑制した後、n型不純物に補償させて、n+Geだけが形成されるように用いることができる。 Further, the p-type impurity layer may be formed not only to suppress the diffusion of n-type impurities into the back side of the substrate but also to suppress the diffusion in the lateral direction with the channel. In that case, a p-type impurity is contained on the channel side of the n-type impurity diffusion layer. Further, p-type impurities may be used so as to prevent n-type impurities from escaping in the element isolation direction and lowering the impurity concentration. In that case, the n-type impurity diffusion layer has a structure including a p-type impurity on the element isolation side. As described above, the p-type impurity is formed in a direction to prevent the diffusion of the n-type impurity, and after suppressing the diffusion, the n-type impurity can be compensated so that only n + Ge is formed.

また、今までの説明を、nとpとを反対に置き換え、正負の符号を逆に取れば、n+層形成に限らず、p+層形成にも適用できる。n型不純物がp型不純物よりも拡散が速ければ、p型不純物はn型不純物の拡散抑制に利用できるし、反対にp型不純物がn型不純物よりも拡散が速ければ、n型不純物はp型不純物の拡散抑制に利用できるからである。つまり、拡散の遅い不純物を利用して、拡散の速い不純物の拡散を抑制することで、拡散の速い不純物からなる浅くて高キャリア濃度の不純物拡散層の形成が可能になる。 In addition, the above description can be applied not only to the formation of the n + layer but also to the formation of the p + layer as long as n and p are reversed and the signs of the positive and negative signs are reversed. If the n-type impurity diffuses faster than the p-type impurity, the p-type impurity can be used to suppress the diffusion of the n-type impurity, and conversely if the p-type impurity diffuses faster than the n-type impurity, the n-type impurity becomes p This is because it can be used to suppress diffusion of type impurities. That is, by using a low-diffusion impurity to suppress diffusion of a fast-diffusion impurity, it is possible to form a shallow and high-carrier concentration impurity diffusion layer made of a fast-diffusion impurity.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate.

また、前述した実施形態は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The above-described embodiments can be combined as far as technically possible, and combinations thereof are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.

1…p型Ge基板、2…高濃度のBが存在するGe層、3…高濃度のPが存在するGe層
4…高濃度のPとBが共存するGe層、5…p型不純物を含むn+Ge層、6…p+Ge層、
7…n+Ge層、8…p型不純物を含むn+Ge層、10…p型半導体基板、12…ゲート絶縁層、14…ゲート電極、16…コンタクト電極、18…n型不純物拡散領域、100…基板、102…p型ウェル領域、104…n型ウェル領域、106…素子分離層、108…n型エクステンション領域、110…n型ディープ領域、112…p型エクステンション領域、114…p型ディープ領域、116…ゲート絶縁膜、118…ゲート電極、120…ゲート絶縁膜、122…ゲート電極、124、126…ゲート側壁絶縁膜、130…層間絶縁膜、202…素子(半導体)領域、203…ゲート絶縁膜、204…ゲート電極、205…ソース・ドレイン領域、208…支持基板、209…埋め込み絶縁層、210…Ge層、211…GOI基板、212…HfO2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... p-type Ge board | substrate, 2 ... Ge layer where high concentration B exists, 3 ... Ge layer where high concentration P exists 4 ... Ge layer where high concentration P and B coexist, 5 ... p-type impurity Including n + Ge layer, 6 ... p + Ge layer,
7 ... n + Ge layer, 8 ... n + Ge layer containing p-type impurities, 10 ... p-type semiconductor substrate, 12 ... gate insulating layer, 14 ... gate electrode, 16 ... contact electrode, 18 ... n-type impurity diffusion region, DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Substrate, 102 ... p-type well region, 104 ... n-type well region, 106 ... Element isolation layer, 108 ... n-type extension region, 110 ... n-type deep region, 112 ... p-type extension region, 114 ... p-type deep Region 116, gate insulating film 118, gate electrode 120, gate insulating film 122, gate electrode 124, 126, gate sidewall insulating film 130, interlayer insulating film 202, element (semiconductor) region 203, gate Insulating film, 204 ... gate electrode, 205 ... source / drain region, 208 ... support substrate, 209 ... embedded insulating layer, 210 ... Ge layer, 211 ... GO Board, 212 ... HfO 2 film

Claims (8)

n型とp型のうちの一方の導電型の半導体基板と、
前記半導体基板表面に選択的に設けられ、前記一方の導電型と異なる導電型の一対の不純物拡散領域と、
前記一対の不純物拡散領域により挟まれた前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上に設けられたゲート電極と、
を備え、前記不純物拡散領域の少なくとも一部は、前記基板に含まれる不純物と同じ導電型で、かつ前記基板の不純物濃度より高い不純物濃度を有していることを特徴とする半導体装置。
a semiconductor substrate of one of n-type and p-type conductivity,
A pair of impurity diffusion regions selectively provided on the semiconductor substrate surface and having a conductivity type different from the one conductivity type;
A gate insulating layer provided on the semiconductor substrate sandwiched between the pair of impurity diffusion regions;
A gate electrode provided on the gate insulating layer;
And at least a part of the impurity diffusion region has the same conductivity type as the impurity contained in the substrate and has an impurity concentration higher than the impurity concentration of the substrate.
Geを主成分とするp型半導体層と、
前記p型半導体層の表面に選択的に設けられた一対のn型不純物拡散領域と、
前記一対のn型不純物拡散領域により挟まれた前記p型半導体層上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に設けられたゲート電極と、
を備え、前記n型不純物拡散領域の少なくとも一部は、前記p型半導体のp型不純物濃度よりも高いp型不純物濃度を有していることを特徴とする半導体装置。
A p-type semiconductor layer mainly composed of Ge;
A pair of n-type impurity diffusion regions selectively provided on the surface of the p-type semiconductor layer;
A gate insulating film provided on the p-type semiconductor layer sandwiched between the pair of n-type impurity diffusion regions;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
And at least part of the n-type impurity diffusion region has a p-type impurity concentration higher than a p-type impurity concentration of the p-type semiconductor.
前記n型不純物拡散領域に含有される前記p型不純物濃度は、前記n型拡散領域の表面側よりも内奥側において高いことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the concentration of the p-type impurity contained in the n-type impurity diffusion region is higher on the inner side than on the surface side of the n-type diffusion region. Geを主成分とする半導体層の表面に、高濃度の不純物拡散領域を形成する方法であって、
前記半導体層の表面に、n型不純物およびp型不純物を導入する工程と、
前記n型不純物とp型不純物を導入後、熱処理して、前記半導体層内にn型不純物拡散領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of forming a high-concentration impurity diffusion region on the surface of a semiconductor layer containing Ge as a main component,
Introducing n-type impurities and p-type impurities into the surface of the semiconductor layer;
Forming an n-type impurity diffusion region in the semiconductor layer by introducing a heat treatment after introducing the n-type impurity and the p-type impurity;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記n型不純物およびp型不純物を導入する工程において、前記n型不純物は、前記p型不純物に比して、前記半導体層の表面側に形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The semiconductor according to claim 4, wherein in the step of introducing the n-type impurity and the p-type impurity, the n-type impurity is formed on a surface side of the semiconductor layer as compared with the p-type impurity. Device manufacturing method. 前記n型不純物およびp型不純物を導入する工程において、前記n型不純物を導入した後に、前記p型不純物を導入することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein in the step of introducing the n-type impurity and the p-type impurity, the p-type impurity is introduced after the n-type impurity is introduced. 前記n型不純物拡散領域に含有される前記p型不純物は、前記熱処理の温度における真性キャリア濃度よりも高いことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the p-type impurity contained in the n-type impurity diffusion region is higher than an intrinsic carrier concentration at the temperature of the heat treatment. 前記半導体層はp型不純物を含有し、前記n型不純物拡散領域の少なくとも一部は、前記半導体層のp型不純物濃度よりも高いp型不純物濃度を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The semiconductor layer according to claim 4, wherein the semiconductor layer contains a p-type impurity, and at least a part of the n-type impurity diffusion region has a p-type impurity concentration higher than a p-type impurity concentration of the semiconductor layer. Semiconductor device manufacturing method.
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