JP3273037B2 - Method for manufacturing heterostructure semiconductor multilayer thin film - Google Patents

Method for manufacturing heterostructure semiconductor multilayer thin film

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JP3273037B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶半導体基板
の表面上に基板半導体とは組成の異なる半導体を一層又
は多層に積層するヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造方
法に係わり、特にこの組成の異なる異種半導体を結晶欠
陥を減少させた高品質半導体で構成し、更にその上に歪
みを含んだ別の単結晶半導体を形成して、これに半導体
装置を形成するに好適なヘテロ構造単結晶半導体多層薄
膜の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal semiconductor thin film having a hetero structure, wherein a semiconductor having a composition different from that of a substrate semiconductor is laminated on a surface of a single crystal semiconductor substrate in one or more layers. Heterostructure single crystal semiconductor suitable for forming a semiconductor device by forming different heterogeneous semiconductors from high quality semiconductors with reduced crystal defects, and further forming another single crystal semiconductor containing strain thereon The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】単結晶半導体基板上に組成の異なる異種
半導体を形成する従来方法に関しては、例えばジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジックス、1989年、第65
巻、第2220頁(Journal of Applied Physics, volume 65
(1989) p.2220)に論じられている。
2. Description of the Related Art A conventional method for forming heterogeneous semiconductors having different compositions on a single crystal semiconductor substrate is described in, for example, Journal of Applied Physics, 1989, No. 65.
Vol. 2220 (Journal of Applied Physics, volume 65
(1989) p. 2220).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術である
単結晶半導体上のヘテロエピタキシャル成長法では、形
成された異種半導体内部に欠陥が発生する。従って、更
にその上に歪みを含んだ別の単結晶半導体を成長した場
合、歪みが充分には蓄積されないこととなる。
In the above-described conventional heteroepitaxial growth method on a single crystal semiconductor, defects are generated inside the formed heterogeneous semiconductor. Therefore, when another single crystal semiconductor including a strain is further grown thereon, the strain is not sufficiently accumulated.

【0004】そのため歪み単結晶半導体に例えば電界効
果トランジスタを形成した場合には、歪みが充分に蓄積
されないことから、歪みが印加され有効質量が低減され
てキャリア移動度が増大すると云う効果が十分に発揮さ
れず、半導体装置の高速化には更なる改善が望まれてい
た。
For example, when a field effect transistor is formed on a strained single crystal semiconductor, for example, the strain is not sufficiently accumulated, so that the effect that the strain is applied, the effective mass is reduced, and the carrier mobility increases is sufficiently achieved. Therefore, further improvement has been desired for increasing the speed of the semiconductor device.

【0005】したがって、本発明の目的は、上記従来の
問題点を解消することにあり、結晶欠陥を減少させた高
品質異種半導体を単結晶半導体基板上に形成し、その上
に歪みが充分に蓄積された別の単結晶半導体の形成を可
能とするヘテロ構造単結晶半導体多層薄膜の製造方法を
提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to form a high-quality heterogeneous semiconductor with reduced crystal defects on a single-crystal semiconductor substrate, and to sufficiently form a strain thereon. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a heterostructure single crystal semiconductor multilayer thin film, which enables formation of another accumulated single crystal semiconductor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、単結晶半
導体基板上に組成の異なる異種単結晶半導体層を形成す
るに際し、この異種単結晶半導体層内に欠陥が発生する
のを防止するために種々実験検討した結果、以下に説明
するような重要な知見を得た。本発明はかかる知見に基
づいてなされたものである。
Means for Solving the Problems In forming heterogeneous single crystal semiconductor layers having different compositions on a single crystal semiconductor substrate, the present inventors prevent generation of defects in the heterogeneous single crystal semiconductor layers. As a result of various experiments and investigations, important findings as described below have been obtained. The present invention has been made based on such findings.

【0007】すなわち、単結晶半導体基板上に組成の異
なる異種単結晶半導体層を形成した後、イオン打ち込み
法を用いてその下層部分を所定の厚さだけ非晶質化し、
その後にアニールを行う。そうすれば、結晶欠陥の比較
的少ない異種単結晶半導体層の表面近傍を再結晶化の種
として固相成長が一方向的に進行し結晶性が改善する。
但しこの場合、表面近傍より固相成長が進行することが
重要であるから、単結晶半導体基板と異種単結晶半導体
の界面には固相成長をストップする不純物を導入してお
く必要がある。
That is, after a heterogeneous single crystal semiconductor layer having a different composition is formed on a single crystal semiconductor substrate, the lower layer portion is made amorphous by a predetermined thickness by ion implantation.
Thereafter, annealing is performed. Then, solid-phase growth proceeds unidirectionally using the vicinity of the surface of the heterogeneous single crystal semiconductor layer having relatively few crystal defects as a seed for recrystallization, and the crystallinity is improved.
However, in this case, since it is important that solid phase growth proceeds from near the surface, it is necessary to introduce an impurity for stopping solid phase growth at the interface between the single crystal semiconductor substrate and the heterogeneous single crystal semiconductor.

【0008】以上の工程を終了した後に再度イオン打ち
込み法を用いて異種単結晶半導体層の上層部分のみを所
定の厚さだけ非晶質化し、その後にアニールを行えば結
晶性の改善された上記固相成長領域を再結晶化の種とし
て固相成長する。その結果、結晶性の良い異種単結晶半
導体層が形成される。この様にして得られた結晶性の良
い異種単結晶半導体層上に、別の単結晶半導を結晶成長
することにより単結晶半導体薄膜に歪みを導入すること
が出来る。
After the above steps are completed, only the upper layer portion of the heterogeneous single-crystal semiconductor layer is made amorphous by a predetermined thickness by ion implantation again, and then annealing is performed to improve the crystallinity. Solid phase growth is performed using the solid phase growth region as a seed for recrystallization. As a result, a heterogeneous single crystal semiconductor layer with good crystallinity is formed. Strain can be introduced into the single crystal semiconductor thin film by growing another single crystal semiconductor on the thus obtained heterocrystalline single crystal semiconductor layer having good crystallinity.

【0009】本発明は上述の様に通常の方法で形成した
結晶欠陥の多い異種半導体を一端非晶質化した後に再結
晶することによって半導体ヘテロ構造を形成しているの
で結晶欠陥が極めて少なくなる。その結果、歪みが充分
に蓄積した半導体ヘテロ多層構造の形成が可能となる。
In the present invention, as described above, a heterogeneous semiconductor having many crystal defects formed by a normal method is once amorphized and then recrystallized to form a semiconductor heterostructure. . As a result, it is possible to form a semiconductor hetero multilayer structure in which distortion is sufficiently accumulated.

【0010】上記本発明の目的を達成することのできる
典型的なヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造方法の特徴
は、単結晶半導体基板上にそれとは組成の異なる異種単
結晶半導体層(第1の半導体層)を形成した後、第1の
イオン打ち込み法を用いて両者の界面に固相成長を阻害
する不純物を導入し、しかる後に前記の異種単結晶半導
体層(第1の半導体層)の下層部分を所定の厚さだけ第
2のイオン打ち込み法を用いて非晶質化し、その後にア
ニールを行い再結晶化し、しかる後に第3のイオン打ち
込み法を用いて異種単結晶半導体層の上層部分を所定の
厚さだけ非晶質化し、その後にアニールを行い再結晶化
する点にある。このようにして、単結晶半導体基板上に
結晶欠陥を減少させた高品質異種半導体(第1の半導体
層)を形成することができる。
A typical method of manufacturing a heterostructure single crystal semiconductor thin film capable of achieving the above object of the present invention is characterized in that a heterogeneous single crystal semiconductor layer having a different composition from that of a single crystal semiconductor layer (first After the formation of the semiconductor layer), an impurity which inhibits solid phase growth is introduced into the interface between the two by using the first ion implantation method, and then the lower layer of the heterogeneous single crystal semiconductor layer (the first semiconductor layer) is formed. The portion is made amorphous by a predetermined thickness using a second ion implantation method, then annealed and recrystallized, and then an upper layer portion of the heterogeneous single crystal semiconductor layer is formed using a third ion implantation method. The point is that the film is made amorphous by a predetermined thickness, then annealed and then recrystallized. Thus, a high-quality heterogeneous semiconductor (first semiconductor layer) with reduced crystal defects can be formed over a single crystal semiconductor substrate.

【0011】本発明においては、更にこの結晶欠陥を減
少させた高品質異種単結晶半導体層(第1の半導体層)
をバッファ層とし、その上にこの異種単結晶半導体層と
は組成の異なる単結晶半導体薄膜(第2の半導体層)を
成長させる。これにより、この単結晶半導体薄膜(第2
の半導体層)に歪みを充分に導入することができる。
In the present invention, a high-quality heterogeneous single-crystal semiconductor layer (first semiconductor layer) in which the crystal defects are further reduced.
Is used as a buffer layer, and a single crystal semiconductor thin film (second semiconductor layer) having a composition different from that of the heterogeneous single crystal semiconductor layer is grown thereon. Thereby, this single crystal semiconductor thin film (second
Strain can be sufficiently introduced into the semiconductor layer).

【0012】そしてこの第2の半導体層に例えば電界効
果トランジスタ等の半導体装置を形成すれば、在来の装
置よりもキャリア移動度が増大した、すなわち、高速の
半導体装置が実現できる。
If a semiconductor device such as a field-effect transistor is formed on the second semiconductor layer, a carrier device having a higher carrier mobility than a conventional device, that is, a high-speed semiconductor device can be realized.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】上記半導体としては、例えばシリ
コンが代表的なものとして挙げられるが、これに限らず
ゲルマニウム、その他、例えばガリウム・砒素系等の化
合物半導体など一般に使用されている半導体材料を用い
ることができる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As the above semiconductor, for example, silicon is mentioned as a typical example, but it is not limited to this, and germanium and other commonly used semiconductor materials such as, for example, compound semiconductors such as gallium and arsenic are used. Can be used.

【0014】ここでは単結晶半導体基板を単結晶Si基
板、その上に形成する異種単結晶半導体層(第1の半導
体層)をSiGe混晶、更にこの異種単結晶半導体層と
は組成の異なる単結晶半導体薄膜(第2の半導体層)を
単結晶Siとした場合を例に説明する。
Here, a single crystal semiconductor substrate is a single crystal Si substrate, a heterogeneous single crystal semiconductor layer (first semiconductor layer) formed thereon is a SiGe mixed crystal, and a single crystal having a composition different from that of the heterogeneous single crystal semiconductor layer. An example in which the crystalline semiconductor thin film (second semiconductor layer) is made of single-crystal Si will be described.

【0015】第1のイオン打ち込み法を用いて単結晶半
導体(Si)基板と異種単結晶半導体層(第1の半導体
層:SiGe混晶)との界面に固相成長を阻害する不純
物を導入してストッパー層を形成する工程においては、
界面に固相成長を阻害する不純物として、例えばO+,N+,
C+等をイオン打ち込み法を用いて照射すればよい。イオ
ン打ち込み条件としては、照射エネルギー;30〜500 ke
V、ドーズ量;1014〜1016cm-2が好ましい。イオン照
射量を効率的に低減する観点からは界面にイオン打ち込
み分布のピークが来るように打ち込みエネルギーを選ぶ
のが好ましい。このようにして界面に固相成長を阻害す
る不純物層をストッパー層として形成する。
An impurity which inhibits solid phase growth is introduced into an interface between a single crystal semiconductor (Si) substrate and a heterogeneous single crystal semiconductor layer (first semiconductor layer: SiGe mixed crystal) by using a first ion implantation method. In the step of forming the stopper layer by
As impurities that inhibit solid phase growth at the interface, for example, O + , N + ,
Irradiation with C + or the like may be performed by an ion implantation method. The ion implantation conditions are irradiation energy; 30 to 500 ke
V, dose: 10 14 to 10 16 cm -2 is preferable. From the viewpoint of efficiently reducing the amount of ion irradiation, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes to the interface. In this way, an impurity layer that inhibits solid phase growth is formed as a stopper layer at the interface.

【0016】また、上記異種単結晶半導体層(第1の半
導体層)の下層部分を所定の厚さだけ第2のイオン打ち
込み法を用いて非晶質化し、その後にアニールを行い再
結晶化し、しかる後に第3のイオン打ち込み法を用いて
異種単結晶半導体層の上層部分を所定の厚さだけ非晶質
化し、その後にアニールを行い再結晶化して単結晶半導
体基板上に結晶欠陥を減少させた高品質異種半導体(第
1の半導体層:SiGe混晶)を形成する工程について
以下に具体的に説明する。
Further, the lower layer portion of the heterogeneous single-crystal semiconductor layer (first semiconductor layer) is made amorphous by a predetermined thickness by a second ion implantation method, and then is annealed and recrystallized. Thereafter, the upper layer portion of the heterogeneous single crystal semiconductor layer is made amorphous by a predetermined thickness by using a third ion implantation method, and then is annealed and recrystallized to reduce crystal defects on the single crystal semiconductor substrate. The step of forming a high-quality heterogeneous semiconductor (first semiconductor layer: SiGe mixed crystal) will be specifically described below.

【0017】先ず、第2のイオン打ち込み法を用いて非
晶質化するに際しては、イオン種として例えばSi+,Ge+,
Ar+,Kr+等のイオン線を照射エネルギー;30〜500 keV、
ドーズ量;1014〜1016cm-2が好ましい。イオン照射量
を効率的に低減する観点からは下部領域近傍にイオン打
ち込み分布のピークが来るように打ち込みエネルギーを
選ぶのが良い。
First, when amorphizing using the second ion implantation method, for example, Si + , Ge + ,
Irradiation energy of Ar + , Kr +, etc .; 30-500 keV,
Dose amount: 10 14 to 10 16 cm -2 is preferable. From the viewpoint of efficiently reducing the ion irradiation amount, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes near the lower region.

【0018】この後のアニールは、温度550〜750
℃、時間10〜40分、雰囲気N2ガスの条件で行うの
が望ましく、これによってイオン打ち込みによって非晶
質化した領域を単結晶化できる。
The subsequent annealing is performed at a temperature of 550 to 750.
° C., time 10 to 40 minutes, preferably carried out under conditions of ambient N 2 gas, thereby making a single crystal of the made amorphous regions by ion implantation.

【0019】この後の第3のイオン打ち込み法によって
上部領域を非晶質化するに際しては、イオン種として例
えばSi+,Ge+,Ar+,Kr+等のイオン線を照射エネルギー;3
0〜500 keV、ドーズ量;1014〜1016cm-2が好ましい。
イオン照射量を効率的に低減する観点からは上部領域近
傍にイオン打ち込み分布のピークが来るように打ち込み
エネルギーを選ぶのが良い。即ち最初のイオン照射より
は低いエネルギーでイオン照射することが必要である。
When the upper region is made amorphous by the third ion implantation method, an ion beam such as Si + , Ge + , Ar + , or Kr + is irradiated with an ion energy of 3;
0 to 500 keV, a dose amount; is 10 14 ~10 16 cm -2 preferred.
From the viewpoint of efficiently reducing the ion irradiation dose, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes near the upper region. That is, it is necessary to perform ion irradiation with lower energy than the first ion irradiation.

【0020】その後に上記第2のイオン打ち込み後と同
様のアニールを行えば非晶質化した領域を単結晶化でき
る。このようにして異種単結晶半導体層である第1の半
導体層(SiGe混晶)を結晶性の良い高品質のものと
することができる。
Thereafter, by performing the same annealing as that after the second ion implantation, the amorphous region can be made into a single crystal. In this manner, the first semiconductor layer (a mixed crystal of SiGe), which is a heterogeneous single crystal semiconductor layer, can be made of high quality with good crystallinity.

【0021】このようにして得られた高品質の第1の半
導体層(SiGe混晶)をバッファ層としてその上に、
この半導体層とは組成の異なる単結晶半導体薄膜(第2
の半導体層:Si膜)を、例えば電子線加熱蒸着法を用
いて成長させる。こうして結晶欠陥を減少させた第1の
半導体層(SiGe混晶)の上に、歪みが充分に蓄積さ
れた単結晶半導体薄膜(第2の半導体層:Si膜)を形
成することができる。
The high-quality first semiconductor layer (SiGe mixed crystal) thus obtained is used as a buffer layer thereon.
A single crystal semiconductor thin film having a different composition from this semiconductor layer (second semiconductor layer)
Is grown using, for example, an electron beam evaporation method. Thus, a single crystal semiconductor thin film (second semiconductor layer: Si film) in which distortion is sufficiently accumulated can be formed on the first semiconductor layer (SiGe mixed crystal) in which crystal defects are reduced.

【0022】[0022]

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を具体的
に説明する。 〈実施例1〉図1は、本発明による製造方法の一例を示
す断面工程図で、以下、工程にしたがって順次説明す
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. <Embodiment 1> FIG. 1 is a sectional process view showing an example of a manufacturing method according to the present invention.

【0023】図1(a)は単結晶Si基板1である。図1(b)
はその上に単晶質Si1-XGeX層(X≦1.0)を堆積する工程を
示す。単結晶Si基板1を化学洗浄した後、分子線成長装
置に導入し、表面クリーニングを行った後に電子線加熱
蒸着法を用いて、450℃で単晶質Si0.7Ge0.3層(厚さ;60
nm)2を堆積した。
FIG. 1A shows a single crystal Si substrate 1. Fig. 1 (b)
Indicates a step of depositing a monocrystalline Si 1-X Ge X layer (X ≦ 1.0) thereon. After the single crystal Si substrate 1 is chemically cleaned, it is introduced into a molecular beam growth apparatus, and after cleaning the surface, the single crystal Si 0.7 Ge 0.3 layer (thickness: 60
nm) 2 was deposited.

【0024】電子顕微鏡観察によると単晶質Si0.7Ge0.3
層と単結晶Si基板の界面には多くの結晶欠陥3が残留し
ており表面側に行くにつれて欠陥密度は減少しているこ
とが認められた。
According to electron microscopic observation, single crystal Si 0.7 Ge 0.3
It was found that many crystal defects 3 remained at the interface between the layer and the single-crystal Si substrate, and the defect density decreased toward the surface side.

【0025】図1(c)は堆積した単晶質Si0.7Ge0.3層2
と単結晶Si基板1との界面に固相成長を阻害する不純物
(O+,N+,C+等)をイオン打ち込み法を用いて照射(エネ
ルギー;30〜500 keV、ドーズ量;1014〜1016cm-2
する工程である。
FIG. 1C shows the deposited monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2
Irradiation using an ion implantation method (energy; 30 to 500 keV, dose; 10 14 to 10) at the interface between the substrate and the single crystal Si substrate 1 with impurities (O + , N + , C +, etc.) which inhibit solid phase growth. 10 16 cm -2 )
This is the step of performing

【0026】即ち、固相成長を阻害するストッパー層4
を形成する工程である。イオン照射量を効率的に低減す
る観点からは界面にイオン打ち込み分布のピークが来る
用に打ち込みエネルギーを選ぶのが良い。本実施例では
一例としてO+イオンを25keVのエネルギーで1016cm-2
のドーズ量だけ照射した。
That is, the stopper layer 4 which inhibits solid phase growth
Is a step of forming From the viewpoint of efficiently reducing the ion irradiation dose, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes to the interface. In this embodiment, as an example, O + ions are supplied at an energy of 25 keV to 10 16 cm −2.
Irradiation was carried out for the dose amount.

【0027】図1(d)は堆積した単晶質Si0.7Ge0.3層2
の下部領域5aを非晶質化する工程である。即ち試料にSi
+,Ge+,Ar+,Kr+等のイオン線(エネルギー;30〜500 ke
V、ドーズ量;1014〜1016cm-2)を照射する工程であ
る。イオン照射量を効率的に低減する観点からは下部領
域近傍にイオン打ち込み分布のピークが来るように打ち
込みエネルギーを選ぶのが良い。
FIG. 1D shows the deposited monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2
This is a step of amorphizing the lower region 5a of FIG. That is, Si
+ , Ge + , Ar + , Kr +, etc. ion energy (energy: 30 to 500 ke
V, a dose amount: 10 14 to 10 16 cm -2 ). From the viewpoint of efficiently reducing the ion irradiation amount, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes near the lower region.

【0028】本実施例では一例としてSi+イオンを50keV
のエネルギーで1016cm-2のドーズ量だけ照射した。こ
の場合ではイオン打ち込み分布のピーク位置は表面から
60nmの深さに位置し、そのピーク濃度は1.5x1021cm-3
となっている。こうして単晶質Si0.7Ge0.3層2の下部領
域5aを非晶質化した。
In this embodiment, as an example, Si + ions are supplied at 50 keV.
It was irradiated by a dose of 10 16 cm -2 at an energy. In this case, the peak position of the ion implantation distribution is
Located at a depth of 60 nm, its peak concentration is 1.5 × 10 21 cm -3
It has become. Thus, the lower region 5a of the monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2 was made amorphous.

【0029】次いで、上記工程により得られた試料を60
0℃で15分間のアニールを行ったところ、比較的結晶欠
陥の少ない表面側より固相成長が進行し、その結果、上
記非晶質化した領域5aを品質の良い単晶質Si0.7Ge0.3
6とすることができた。
Next, the sample obtained by the above steps was
When annealing was performed at 0 ° C. for 15 minutes, solid phase growth proceeded from the surface side having relatively few crystal defects, and as a result, the above-mentioned amorphized region 5a was converted to high-quality monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer
Could be 6.

【0030】図1(e)は単晶質Si0.7Ge0.3層2の上部領
域5bを非晶質化する工程である。即ち試料にSi+,Ge+,Ar
+,Kr+ 等のイオン線(エネルギー;30〜500 keV、ドー
ズ量;1014〜1016cm-2)を照射する工程である。
FIG. 1E shows a step of amorphizing the upper region 5b of the monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2. That is, Si + , Ge + , Ar
This is a step of irradiating ion beams such as + , Kr + (energy; 30 to 500 keV, dose: 10 14 to 10 16 cm -2 ).

【0031】イオン照射量を効率的に低減する観点から
は上部領域近傍にイオン打ち込み分布のピークが来るよ
うに打ち込みエネルギーを選ぶのが良い。即ち、最初の
イオン照射よりは低いエネルギーでイオン照射すること
が必要である。
From the viewpoint of efficiently reducing the amount of ion irradiation, it is preferable to select the implantation energy so that the peak of the ion implantation distribution comes near the upper region. That is, it is necessary to perform ion irradiation with lower energy than the first ion irradiation.

【0032】その後にアニールを行えば、第一回目の固
相成長で結晶性の改善された領域6を結晶成長の種とし
て、その上層の非晶質領域5bが固相成長する。その結
果、結晶性の良い高品質Si0.7Ge0.3層6(バッファ層)
が形成された。本実施例では一例として600℃で15分間
のアニールを行っている。その結果を図1(f)に示し
た。
After that, if annealing is performed, the region 6 with improved crystallinity in the first solid phase growth is used as a seed for crystal growth, and the upper amorphous region 5b is solid phase grown. As a result, high quality Si 0.7 Ge 0.3 layer 6 with good crystallinity (buffer layer)
Was formed. In this embodiment, as an example, annealing is performed at 600 ° C. for 15 minutes. The results are shown in FIG.

【0033】図1(g)は、高品質Si0.7Ge0.3層6の上に、
電子線加熱蒸着法を用いて、450℃で単晶質Si層(厚さ;
20nm)6を成長する工程である。結晶成長後に電子顕微鏡
で観察を行ったところ、単晶質Si層7と単結晶Si0.7Ge
0.3層6との界面には欠陥が観測されなかった。
FIG. 1 (g) shows that on a high quality Si 0.7 Ge 0.3 layer 6,
Single-crystal Si layer (thickness: 450 ° C.) using electron beam evaporation
This is the step of growing (20 nm) 6. Observation with an electron microscope after crystal growth revealed that the single crystal Si layer 7 and single crystal Si 0.7 Ge
No defect was observed at the interface with 0.3 layer 6.

【0034】単晶質Si層7に導入される歪みの値をラマ
ン分光法を用い算出した結果を図2に示す。図中の実線
は本発明で作成した試料の測定結果、即ち、図1(a)〜
図1(g)の工程で作成した試料の測定結果である。
FIG. 2 shows the results of calculating the value of the strain introduced into the monocrystalline Si layer 7 using Raman spectroscopy. The solid line in the figure is the measurement result of the sample prepared according to the present invention, that is, FIGS.
It is a measurement result of the sample created in the step of FIG.

【0035】一方、点線は従来法で作成した比較試料の
測定結果、即ち、図1(a)〜図1(b)の工程で作成した単
晶質Si0.7Ge0.3層2の上に直接的に図1(f)の工程、即
ち、電子線加熱蒸着法を用いて450℃で単晶質Si層(厚
さ;20nm)7を成長した試料の測定結果である。
On the other hand, the dotted line shows the measurement results of the comparative sample prepared by the conventional method, that is, directly on the monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2 prepared in the steps of FIGS. 1 (a) and 1 (b). FIG. 1 (f) shows the measurement results of a sample in which a single-crystal Si layer (thickness: 20 nm) 7 was grown at 450 ° C. using the electron beam evaporation method.

【0036】本実施例の実線の値は、点線の比較例の値
よりも遥かに高い。従来法においては結晶欠陥が残存す
る為に歪みが緩和されるのに比して、本発明の方法では
結晶欠陥のない半導体ヘテロ多層構造が形成される為に
従来法よりも多い歪みを入れることが可能となったもの
である。
The value of the solid line in this embodiment is much higher than the value of the comparative example in the dotted line. In contrast to the conventional method in which the strain is relaxed due to the remaining crystal defects, the method of the present invention requires more strain than the conventional method in order to form a semiconductor hetero multilayer structure having no crystal defects. Is made possible.

【0037】〈実施例2〉図3に本発明を用いて試作し
た電界効果トランジスタの断面図を示す。試作例Aでは
単結晶Si基板1の上に実施例1で説明した手順に従い形
成した歪み単結晶Si層7の上に通常の熱酸化工程を用い1
36nm厚のゲート酸化膜8を形成した。
<Embodiment 2> FIG. 3 is a cross-sectional view of a field effect transistor prototyped using the present invention. In Prototype Example A, a normal thermal oxidation process was performed on the strained single-crystal Si layer 7 formed on the single-crystal Si substrate 1 according to the procedure described in Embodiment 1 to obtain a single-crystal Si substrate.
A gate oxide film 8 having a thickness of 36 nm was formed.

【0038】試作例Bでは従来法で作成した歪み単結晶
Si層7、即ち、図1(a)〜図1(b)の工程で作成した単晶
質Si0.7Ge0.3層2(バッファ層)の上に直接的に図1
(f)の工程、即ち、電子線加熱蒸着法を用いて450℃で単
晶質Si層(厚さ;20nm)7を成長した試料の上に通常の熱
酸化工程を用い136nm厚のゲート酸化膜8を形成した。
In the prototype B, the strained single crystal prepared by the conventional method was used.
1 directly on the Si layer 7, that is, the monocrystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer 2 (buffer layer) formed in the steps of FIGS. 1 (a) and 1 (b).
Step (f), i.e., a 136 nm thick gate oxide using a normal thermal oxidation step on a sample on which a monocrystalline Si layer (thickness: 20 nm) 7 was grown at 450 ° C. using an electron beam evaporation method. The film 8 was formed.

【0039】試作例Cでは単結晶Si基板1上に通常の熱
酸化工程を用い136nm厚のゲート酸化膜8を形成した。
In the prototype C, a 136 nm thick gate oxide film 8 was formed on the single crystal Si substrate 1 by using a normal thermal oxidation process.

【0040】その後、いずれの試料についても通常のホ
トリソグラフィ技術により多結晶Siゲート9を形成した
後、酸化膜8を部分的に除去し、イオン打ち込み法を用
いて大略1×1020cm-3程度の燐原子を含むn+-層10、11
を形成した。即ち、各々がトランジスタのソース10及び
ドレイン11である。最終的にホトリソグラフィー法とAl
の蒸着法とを用いソース/ドレイン電極、及びゲート電
極を形成し電界効果トランジスタを完成した。
Thereafter, after forming a polycrystalline Si gate 9 by a usual photolithography technique for any of the samples, the oxide film 8 is partially removed, and then approximately 1 × 10 20 cm -3 is formed by ion implantation. N + -layers 10, 11 containing about phosphorus atoms
Was formed. That is, each is the source 10 and the drain 11 of the transistor. Finally, photolithography and Al
A source / drain electrode and a gate electrode were formed by using the vapor deposition method described above to complete a field effect transistor.

【0041】これらのトランジスタの特性を測定した
処、総ての試作例で正常なトタンジスタ動作が確認され
た。得られたキャリアの移動度は試作例A(本実施例)
では1000cm2/Vsであったのに対して、試作例B(比較
例1)では700cm2/Vs、試作例C(比較例2)では500
cm2/Vsの値を示した。
As a result of measuring the characteristics of these transistors, normal transistor operation was confirmed in all prototypes. The mobility of the obtained carrier is shown in prototype A (this embodiment).
Was 1000 cm 2 / Vs, whereas the prototype B (comparative example 1) was 700 cm 2 / Vs, and the prototype C (comparative example 2) was 500 cm 2 / Vs.
cm 2 / Vs.

【0042】即ち、試作例C(比較例2)では単結晶Si
層の通常の移動度が観測されているのに比して、試作例
A(本実施例)、B(比較例1)では歪みが印可され有
効質量が低減された結果、キャリア移動度の増大が観測
されている。
That is, in the prototype C (comparative example 2), the single-crystal Si
As compared with the case where the normal mobility of the layer is observed, in the prototypes A (this example) and B (comparative example 1), the strain is applied and the effective mass is reduced, so that the carrier mobility is increased. Is observed.

【0043】この場合、試作例Bにおいては結晶欠陥が
残存する為に歪みが緩和されるのに比して、試作例Aで
は結晶欠陥を減少させた半導体ヘテロ多層構造が形成さ
れる為に試作例Bよりも多い歪みを入れることが可能と
なり、より有効質量が低減され移動度が増加したもので
ある。
In this case, in the prototype B, the distortion is relaxed due to the remaining crystal defects, whereas in the prototype A, a semiconductor hetero multilayer structure with reduced crystal defects is formed. It is possible to introduce more strain than in Example B, and to reduce the effective mass and increase the mobility.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により、結
晶欠陥が少なく、歪みの蓄積された半導体ヘテロ多層構
造の形成が可能となった。その結果、従来技術では得る
ことの出来なかった高品質の半導体ヘテロ多層構造が容
易に実現した。この発明は次世代エレクトロニクスの実
現に新たな道を拓くものである。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to form a semiconductor hetero-multilayer structure having few crystal defects and accumulated strain. As a result, a high-quality semiconductor hetero-multilayer structure that could not be obtained by the conventional technology was easily realized. This invention opens a new way to realize next-generation electronics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例となる単結晶Si基板上に半導
体ヘテロ多層構造を形成する工程を示す断面工程図。
FIG. 1 is a cross-sectional process diagram showing a process of forming a semiconductor hetero multilayer structure on a single crystal Si substrate according to one embodiment of the present invention.

【図2】半導体ヘテロ多層構造の中に導入される歪みの
値について、本発明の一実施例と従来例とを比較した特
性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram comparing an example of the present invention and a conventional example with respect to a value of strain introduced into a semiconductor hetero multilayer structure.

【図3】本発明の一実施例となるヘテロ構造単結晶半導
体薄膜を用いて電界効果トランジスタを作成した半導体
装置の断面図。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor device in which a field-effect transistor is formed using a heterostructure single crystal semiconductor thin film according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単結晶Si基板、 2…単晶質Si0.7Ge0.3層、 3…結晶欠陥、 4…固相成長のストッパー層、 5a…イオン打ち込みにより発生した第1の非晶質領域、 5b…イオン打ち込みにより発生した第2の非晶質領域、 6…固相成長法で再結晶化した高品質Si0.7Ge0.3層、 7…歪みの導入された単結晶Si、 8…ゲート酸化膜、 9…ゲート、 10…ソース、 11…ドレイン。1 ... Single-crystal Si substrate, 2 ... Single-crystalline Si 0.7 Ge 0.3 layer, 3 ... Crystal defect, 4 ... Stopper layer of solid phase growth, 5a ... First amorphous region generated by ion implantation, 5b ... Ion Second amorphous region generated by implantation, 6 ... High quality Si 0.7 Ge 0.3 layer recrystallized by solid phase epitaxy, 7 ... Strained single crystal Si, 8 ... Gate oxide film, 9 ... Gate, 10 ... source, 11 ... drain.

フロントページの続き (72)発明者 山口 伸也 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所 中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−246619(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 Continuation of the front page (72) Inventor Shinya Yamaguchi 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-60-246619 (JP, A) (58) Fields investigated ( Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/20

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単結晶半導体基板上にそれとは組成の異な
る異種単結晶半導体層を形成した後、第1のイオン打ち
込み法を用いて両者の界面に固相成長を阻害する不純物
を導入してストッパー層を形成し、しかる後に前記異種
単結晶半導体層の下層部分を所定の厚さだけ第2のイオ
ン打ち込み法を用いて非晶質化し、その後にアニールを
行い再結晶化し、しかる後に第3のイオン打ち込み法を
用いて前記異種単結晶半導体層の上層部分を所定の厚さ
だけ非晶質化し、その後にアニールを行い再結晶化する
ことにより結晶欠陥の減少した異種単結晶半導体層とす
ることを特徴とするヘテロ構造単結晶半導体薄膜の製造
方法。
An impurity which inhibits solid phase growth is introduced into an interface between a single crystal semiconductor layer having a different composition from that of a single crystal semiconductor layer formed on the single crystal semiconductor substrate by using a first ion implantation method. A stopper layer is formed, and then the lower layer portion of the heterogeneous single-crystal semiconductor layer is made amorphous by a predetermined thickness using a second ion implantation method, and then is annealed and recrystallized. The upper layer portion of the heterogeneous single crystal semiconductor layer is made amorphous by a predetermined thickness by using the ion implantation method, and then annealed and recrystallized to form a heterogeneous single crystal semiconductor layer with reduced crystal defects. A method for producing a heterostructure single crystal semiconductor thin film, characterized in that:
【請求項2】単結晶半導体基板上にそれとは組成の異な
る第1の異種単結晶半導体層を形成した後、第1のイオ
ン打ち込み法を用いて両者の界面に固相成長を阻害する
不純物を導入してストッパー層を形成し、しかる後に前
記第1の異種単結晶半導体層の下層部分を所定の厚さだ
け第2のイオン打ち込み法を用いて非晶質化し、その後
にアニールを行い再結晶化し、しかる後に第3のイオン
打ち込み法を用いて前記第1の異種単結晶半導体層の上
層部分を所定の厚さだけ非晶質化し、その後にアニール
を行い再結晶化して結晶欠陥の減少した第1の異種単結
晶半導体層とし、 前記再結晶化された第1の異種単結
晶半導体層をバッファ層として、その上に前記第1の異
種単結晶半導体層とは組成の異なる第2の単結晶半導体
薄膜を結晶成長し、この単結晶半導体薄膜に歪みを導入
することを特徴とするヘテロ構造単結晶半導体多層薄膜
の製造方法。
2. After forming a first heterogeneous single-crystal semiconductor layer having a composition different from that of a single-crystal semiconductor substrate on a single-crystal semiconductor substrate, an impurity which inhibits solid-phase growth at the interface between the two by using a first ion implantation method. Then, a stopper layer is formed, and thereafter, a lower layer portion of the first heterogeneous single-crystal semiconductor layer is made amorphous by a predetermined thickness by a second ion implantation method. After that, the upper layer portion of the first heterogeneous single crystal semiconductor layer was made amorphous by a predetermined thickness by using a third ion implantation method, and then annealed and recrystallized to reduce crystal defects. A first heterogeneous single-crystal semiconductor layer; a recrystallized first heterogeneous single-crystal semiconductor layer as a buffer layer; and a second single-crystal semiconductor layer having a composition different from that of the first heterogeneous single-crystal semiconductor layer. Crystal growth of crystalline semiconductor thin film, A method for producing a heterostructure single-crystal semiconductor multilayer thin film, characterized by introducing strain into the single-crystal semiconductor thin film.
【請求項3】上記単結晶半導体基板をSi、その上に形成
する第1の異種単結晶半導体をSi1-XGeX 、及びその上
に形成する歪みの導入された第2の単結晶半導体薄膜を
Siとすることを特徴とする請求項1もしくは2記載のヘ
テロ構造単結晶半導体多層薄膜の製造方法。
3. The single-crystal semiconductor substrate is Si, the first hetero-single-crystal semiconductor formed thereon is Si 1-X Ge X , and the second single-crystal semiconductor formed thereon is strained. Thin film
3. The method for producing a heterostructure single-crystal semiconductor multilayer thin film according to claim 1, wherein the thin film is Si.
【請求項4】上記第1のイオン打ち込み法を用いて両者
の界面に固相成長を阻害する不純物を導入してストッパ
ー層を形成するに際しては、不純物としてO+,N+,もしく
はC+を照射エネルギー30〜500 keV、ドーズ量1014〜10
16cm-2の条件でイオン打ち込みし、かつ、前記界面に
イオン打ち込み分布のピークが来るように打ち込みエネ
ルギーを選ぶことを特徴とする請求項1もしくは2記載
のヘテロ構造単結晶半導体多層薄膜の製造方法。
4. When forming a stopper layer by introducing an impurity that inhibits solid phase growth into the interface between the two by using the first ion implantation method, O + , N + , or C + is used as an impurity. Irradiation energy 30 to 500 keV, dose 10 14 to 10
3. The method according to claim 1, wherein the ion implantation is performed under the condition of 16 cm.sup.- 2 , and the implantation energy is selected so that the peak of the ion implantation distribution comes to the interface. Method.
【請求項5】上記第2のイオン打ち込み法を用いて非晶
質化するに際しては、イオン種としてSi+,Ge+,Ar+,もし
くはKr+のイオン線を照射エネルギー30〜500 keV、ドー
ズ量1014〜1016cm-2の条件でイオン打ち込みし、か
つ、下部領域近傍にイオン打ち込み分布のピークが来る
ように打ち込みエネルギーを選ぶことを特徴とする請求
項1もしくは2記載のヘテロ構造単結晶半導体多層薄膜
の製造方法。
5. In amorphized to using the second ion implantation method, Si +, Ge +, Ar +, or Kr + irradiation energy 30 to 500 keV ion beam as the ion species, dose ion-implanted under conditions of an amount 10 14 ~10 16 cm -2, and claim 1 or 2, wherein the heterostructure single, characterized in that selecting the energy implantation to come a peak of ion implantation distribution in the vicinity of the lower region A method for producing a crystalline semiconductor multilayer thin film.
【請求項6】上記第3のイオン打ち込み法によって上部
領域を非晶質化するに際しては、イオン種としてSi+,Ge
+,Ar+,もしくはKr+のイオン線を照射エネルギー30〜500
keV、ドーズ量1014〜1016cm-2の条件でイオン打ち込
みし、かつ、上部領域近傍にイオン打ち込み分布のピー
クが来るように打ち込みエネルギーを選ぶことを特徴と
する請求項1もしくは2記載のヘテロ構造単結晶半導体
多層薄膜の製造方法。
6. When the upper region is made amorphous by the third ion implantation method, Si + , Ge is used as an ion species.
+ , Ar + , or Kr + ion beam irradiation energy 30 to 500
keV, and ion implantation with a dose of 10 14 ~10 16 cm -2, and, according to claim 1 or 2, wherein the selecting the implantation energy such that the peak of the ion implantation distribution in the vicinity of the upper region comes A method for manufacturing a heterostructure single crystal semiconductor multilayer thin film.
【請求項7】上記第2及び第3のイオン打ち込みを行っ
た後のアニールは、それぞれ温度550〜750℃で1
0〜40分間行うことを特徴とする請求項1もしくは2
記載のヘテロ構造単結晶半導体多層薄膜の製造方法。
7. The annealing after the second and third ion implantations is performed at a temperature of 550 to 750 ° C., respectively.
3. The method according to claim 1, wherein the step is performed for 0 to 40 minutes.
The method for producing a heterostructure single crystal semiconductor multilayer thin film according to the above.
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