JP3598271B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP3598271B2
JP3598271B2 JP2000402801A JP2000402801A JP3598271B2 JP 3598271 B2 JP3598271 B2 JP 3598271B2 JP 2000402801 A JP2000402801 A JP 2000402801A JP 2000402801 A JP2000402801 A JP 2000402801A JP 3598271 B2 JP3598271 B2 JP 3598271B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor crystal
layer
semiconductor
sige
germanium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000402801A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002203971A (en
Inventor
山 直 治 杉
塚 勉 手
野 智 久 水
木 信 一 高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2000402801A priority Critical patent/JP3598271B2/en
Priority to US09/935,685 priority patent/US6607948B1/en
Publication of JP2002203971A publication Critical patent/JP2002203971A/en
Priority to US10/611,157 priority patent/US6917096B2/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3598271B2 publication Critical patent/JP3598271B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、より詳細には、高速、低消費電力のトランジスタ、特にひずみSiGe(シリコン・ゲルマニウム)またはひずみGe(ゲルマニウム)をチャネルとして有する縦型電界効果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
SiやSiGeの結晶に応力歪みを加えると、バンド構造が変調され電子や正孔の移動度が向上する。応力が殆ど負荷されず格子緩和したSiGe結晶上に形成した歪Si層では、電子移動度、正孔移動度共に2倍以上の向上が期待される。
【0003】
一方、これまで、MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Feild Effect Transistor)の高速化や高性能化は素子寸法を縮小することにより実現されてきている。しかし、この場合にはリソグラフィーによるゲート加工精度が成功の鍵を握るため、リソグラフィ技術により寸法の下限が制限されていた。
【0004】
これに対して、50nm以下のサイズの素子を実現するために、縦型構造を採用するという方策がある。この縦型素子に歪を導入することにより、キャリアの移動度向上の効果を取り入れることができる。
【0005】
例えば、K.C.Liuら(Tech.Dig. IEDM(1999) p.63)は、Si基板の上に薄膜成長した、格子緩和していない(縦方向すなわち層厚方向に結晶格子が伸びている)SiGe層を柱状に加工し、この柱の側壁にSi結晶を成長させ、このSi結晶の表面を酸化してゲート電極をつけ、柱の上部と裾野にソースとドレインを形成したMOSFET構造を提案している。この構造ではSiGe層の厚さをゲート長とすることができ、ゲート長が50nm以下の極微細素子も可能となる。また、縦方向に格子が伸びたSiGe結晶に接して歪Si結晶層が形成されるため、平面内に形成していた従来構造のように格子緩和したSiGe結晶を用意する必要が無い。
【0006】
一方、Si基板上に格子緩和したSiGe層を形成してソースとし、その上にチャネル部となる歪Si層、ドレイン部となるSiGe層を順次積層した縦型MOSFETも提案されている(特開平10‐22501)。この構造では、ソース/チャネル部分のバンド構造をみたときに、伝導帯のエネルギーがソース側で高くなるため、エネルギーの高い(加速された)電子をチャネルに導入できることができる。その結果として、特にチャネル長の短いFETの場合に、加速された電子の速度が低下する前にソースに到達させることができ、歪Si層の効果と合わせて、従来の限界を超えた高速のスイッチング素子が期待できる。
【0007】
一方、上述のような素子構造を具体化するための要素材料技術として、絶縁膜上に格子緩和したSiGe層を直接形成する手法が提案されている。酸化膜上の緩和SiGeバッファ層の製造方法として、(1)薄膜SOI(Silicon on Insulator )上にSiGeをエピタキシャル成長する方法( A.R.Powell et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1856 (1994))、(2) Si基板上に形成した酸化膜と、Si基板上にエピタキシャル成長したSiGeの積層構造を対向してはりあわせ、後にSiGe積層構造の一部を除去する方法(特許第3037934号、特許第2908787号)、(3)SiGe層に酸素イオン注入を施し、高温アニールを経てSiGe層中に埋め込み酸化膜を形成する方法などが提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
縦方向に格子が伸びた歪SiGe層の側面に歪Si層を形成してチャネルとする手法は、従来の横方向のFETと比べた場合に、構造を縦型にしたことが特徴である。これに対して、緩和SiGe層の上の歪Si層をチャネルとする縦型MOSFETでは、高いエネルギーの電子を注入できるため、より高性能の素子が期待できる。
【0009】
しかし、緩和SiGe(ソース)から歪Si(チャネル)に高いエネルギーのキャリアを注入できるのは、ソース側の伝導帯の位置が高くなる電子についてであり、価電子体ではバンド構造が逆転するために、高いエネルギーの正孔をチャネルに注入することはできない。そのため、この構造では、相補型のMOSFET(CMOSFET)を作製することは容易ではないという問題がある。
【0010】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、高エネルギーのキャリアを注入できるヘテロ構造を有する縦型へテロMOSFETであって、より高性能でかつCMOSFETを容易に実現できる構造を有する半導体は装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明においては、絶縁膜上に高Ge濃度のSiGeバッファ層とひずみGeチャネルとを積層した構造を採用する。
【0012】
すなわち、本発明の半導体装置は、IV族半導体からなる第1の半導体結晶と、前記第1の半導体結晶の上に積層されたIV族半導体からなる第2の半導体結晶と、前記第2の半導体結晶の上に積層されたIV族半導体からなる第3の半導体結晶と、前記第2の半導体結晶の側壁を被覆するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を介して前記第2の半導体結晶の側壁上に設けられたゲート電極と、を備え、
第1及び第3の半導体結晶の少なくともいずれかは、電子に対する伝導帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の電子に対する伝導帯のポテンシャルよりも高く、且つ正孔に対する価電子帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の正孔に対する価電子帯のポテンシャルよりも高く、
前記ゲート電極に印加する電圧に応じた電界効果により前記第2の半導体結晶の側部に反転層を誘起して前記第1の半導体結晶と前記第3の半導体結晶との間の電子あるいは正孔の流れを制御することを特徴とする。
【0013】
ここで、前記第2の半導体結晶は、前記第1の半導体結晶よりも大きな格子定数を有する半導体からなり、前記第2の半導体結晶は、前記第1の半導体結晶との積層面に対して平行な方向に生ずる圧縮応力による圧縮ひずみを有するものとすることができる。
【0014】
また、第1及び第3の半導体結晶のいずれか一方は、電子に対する伝導帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の電子に対する伝導帯のポテンシャルよりも高く、且つ正孔に対する価電子帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の正孔に対する価電子帯のポテンシャルよりも高く、
第1及び第3の半導体結晶のいずれか他方は、伝導帯のポテンシャルと価電子帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶と略同一であるものとすることができる。
【0015】
また、前記第2の半導体結晶は、第1導電型のチャネル領域と、第2導電型のドレイン領域とを有するものとすることができる。
【0016】
また、前記第1の半導体結晶は、70原子%以上のゲルマニウム(Ge)を含有するシリコン・ゲルマニウム(SiGe)からなり、前記第2の半導体結晶は、ゲルマニウム、または前記第1の半導体結晶よりも高い濃度のゲルマニウムを含有するシリコン・ゲルマニウムからなるものとすることができる。
【0017】
また、前記第1の半導体結晶は、炭素(C)を含有するものとすることができる。
【0018】
以上列挙した構成により、本発明によれば、絶縁膜上に形成されたGe濃度が高い、格子緩和したSiGe層の上に、チャネル層となる歪Ge層を積層することにより、縦方向(キャリアの走行方向)に格子の伸びた結晶層をチャネルに利用でき、より高速の移動度が期待できる。
【0019】
さらに本発明によれば、伝導体、荷電子帯ともにソース部がチャネル部に対して高いエネルギーとなるため、電子・正孔ともに加速した電荷をチャネルに注入できる構造が実現でき、同一の材料系で容易に超高速のCMOSFETを作製することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【0021】
図1は、本発明の半導体装置の要部断面構成を例示する概念図である。すなわち、本発明の半導体装置は、(001)Si基板1の上に、埋め込み酸化膜2、SiGeバッファ層(第1のソース/ドレイン部)3、ひずみGeチャネル層4、SiGeキャップ層(第2のソース/ドレイン部)5が積層され、ひずみGeチャネル層4の側壁を中心としてゲート絶縁膜6、ゲート電極7が形成された構造を有する。
【0022】
ここで、SiGeバッファ層3の緩和状態での格子定数は、Geチャネル層4よりも小さい。そして、膜厚の厚いバッファ層3の上に膜厚が薄いチャネル層4がエピタキシャル積層されている。その結果として、バッファ層3の格子は緩和すなわち殆どひずみを有さず、チャネル層4は格子定数の差に応じてひずみを有する。
【0023】
具体的には、チャネル層4には、積層面に対して平行な方向に圧縮応力が負荷される。その結果として、チャネル層4の結晶格子は、積層面に対して平行な方向に圧縮され、積層面に対して垂直な方向に延伸される。ここで、GeあるいはSiGeにおいては、結晶格子がひずみにより延伸すると、その延伸方向に沿ってキャリアの移動度が増大するという効果がある。つまり、本発明においては、縦型FETにおいて、チャネル方向に沿って延伸ひずみを生じさせることによりキャリアの移動度を増大させ、より高速な動作を実現することができる。
【0024】
ここで、SiGeバッファ層3のGeの組成は70原子%以上であることが望ましい。これは、バッファ層3のGe組成が70原子%以下の場合、ひずみGeチャネル層4を50nm以上積層すると、チャネル層4に転位などの結晶欠陥が生じる可能性があるからである。これは、バッファ層3のGe組成70原子%に対するGeの熱力学的臨界膜厚が50nmだからである。更に望ましいGe組成の範囲は、70原子%以上80原子%以下である。この上限値80原子%は、ひずみによる正孔移動度の増大の効果を享受するための設定値である。すなわち、Ge組成が80原子%以下であると、Geチャネル層4に加えられるひずみの影響で、正孔のフォノン散乱移動度が、無ひずみのGeに対する移動度の2倍以上になる。
【0025】
ここで、ひずみGeチャネル層4の代わりに、Siを含有したひずみSi1−xGe(0.8<x<1)チャネル層を用いても同様の効果を得ることが可能である。
【0026】
ゲート絶縁膜6としては、例えばZr(ジルコニウム)シリケート/ZrO膜を用いることができる。これは、シリケート:SiO中に、Zr、 Hf(ハフニウム)、La(ランタン)などの金属が固溶した物質である。
【0027】
また、ゲート電極7としては、p型またはn型にドーピングされた多結晶Si(ポリSi)または多結晶SiGe(ポリSiGe)を用いることができる。
【0028】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【0029】
図2及び図3は、本発明の半導体装置の要部製造工程を表す工程断面図である。
【0030】
まず、図2(a)に表したように、Si基板1、埋め込み酸化膜2、SOI膜11、SiGe層12、Siキャップ層13からなる積層構造を形成する。具体的には、例えば、Si基板1、埋め込み酸化膜2、SOI膜3(厚さ約20nm)からなるSOI(silicon on insulator)基板10の上に、UHV−CVD(ultra−high vacuum chemical vapor deposition)法またはMBE法またはLP−CVD法などの方法により、Si0.9Ge0.1膜12を約150nm、Siキャップ層13を約5nm成長する。この時形成する各層の各膜厚は成長温度における臨界膜厚を下回っているため、ミスフィット転位は生じない。
【0031】
次に、図2(b)に表したように、熱酸化膜14を形成する。具体的には、このウェーハを酸化炉に投入し、例えば、窒素で50%に希釈した酸素ガスを用いて約1000℃において、SiGe層3の膜厚が25nmになるまで酸化を進行させる。この酸化の過程においては、埋め込み酸化膜2(下層)と熱酸化膜14(上層)とにはさまれたSiGe層3の内部においてはGe原子は十分に拡散できるが、上下の酸化膜をGe原子は透過することはできない。このために、熱酸化の進行とともない、SiGe層3の厚さが薄くなるとともに、そのGe濃度は70原子%程度まで濃縮される。
【0032】
ここで、処理温度が、SiGe層12の融点を超えないように注意しなければならない。本具体例の場合、Ge濃度が70原子%のSiGe層3を得るためには、最終的な酸化温度は1025℃以下にしなければならない。SiGe層を溶融させることなく酸化時間を短縮するためには、SiGe層中のGe濃度に応じた融点を超えない範囲で、始めは温度を高く設定し、徐々に、あるいは段階的に温度を下げていくのが有効である。
【0033】
次に、図2(c)に表したように、熱酸化膜14を剥離し、ウェーハ全面に5×1015cm−2程度のドーズ量で砒素(As)をイオン注入する。その後アニールを施し、注入層を低抵抗化する。
【0034】
次に、図2(d)に表したように、結晶層を積層する。具体的には、表面洗浄の後、再びUHV−CVD法、MBE法またはLP−CVD法などの方法により厚さ30nmのGeチャネル層4、厚さ100nmのSi0.3Ge0.7層5(上部ソース・ドレイン部)を形成する。このとき、Si0.3Ge0.7層5(上部ソース・ドレイン部)は高濃度のn型ドーピングが施されていることが望ましいが、エピタキシャル成長後に再度イオン注入を施してもよい。
【0035】
続いて、図3(a)に表したように、パターニングを施す。具体的には、ウェーハ表面に図示しないフォトレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてn型Si0.3Ge0.7層5及びGeチャネル層4をRIE(reactive ion etching)法を用いて島状にエッチング加工する。レジストパターンはエッチング加工終了後に剥離する。
【0036】
次に、図3(b)に表したように、ウェーハ表面に厚さ3nm程度の薄い絶縁膜16をCVD法などにより形成する。この絶縁膜16の一部はゲート絶縁膜6となる。
【0037】
その後、図3(c)に表したように、ゲート電極用に、厚さ20nm程度の多結晶Si層17をウェーハ全面に堆積し、リン(P)を5×1015cm−2程度のドーズ量でイオン注入し、さらにアニールを施して、多結晶Si層17を高濃度のn型とする。
【0038】
次に、図3(d)に表したように、ゲート電極を形成する。具体的には、異方性エッチングにより多結晶Si層17を上方からエッチバックする。このようにして、島状突起Pの側面にn型多結晶Si層を残置させてゲート電極7を形成する。ここで、異方性エッチングによるエッチバックの前に、ウェーハの表面をCMP(chemical mechanical polishing:化学機械研磨)により研磨して、島状突起Pの上面の多結晶Si層17を除去しておいてもよい。
【0039】
この後、絶縁膜16の一部を開口することにより、上部及び下部のソース・ドレイン電極を形成して、本発明のトランジスタの要部が完成する。
【0040】
次に、図2(c)に表した積層構造を得るための別の方法について説明する。
【0041】
図4は、この方法を表す概略工程断面図である。
【0042】
まず、図4(a)に表した積層構造を形成する。具体的には、Si基板1の上に厚さ1μm程度の傾斜組成Si1−xGe層21(ここで、組成xは、基板1から離れるに従って0から0.1程度まで増加する)、厚さ1.5μm程度のSi0.9Ge0.1層22、厚さ20nm程度のSiキャップ層23を積層する。積層方法としては、前述したようなUHV−CVD、MBE法またはLP−CVD法などを用いることができる。
【0043】
次に、図4(b)に表したように、埋め込み酸化膜を形成する。具体的には、加速電圧160keV、ドーズ量4×1017イオン/cm程度の条件で酸素イオンを注入し、900℃で酸化処理することによりウェーハ表面に熱酸化膜24を10nm以上の厚みに形成する。酸素イオンを打ち込むSiGe層22のGe組成が10原子%と低いのは、連続的で均一な埋め込み酸化膜を得るためである。Ge組成が30原子%以上では、この方法で連続的な埋め込み酸化膜を得ることは困難となる(Y. Ishikawa et al., Appl. Phys. Lett., 75, 983 (1999))。
【0044】
次に、酸素をわずか(0.5%)に含むアルゴンガス雰囲気中で1300℃、4時間程度アニールすると、SiGe層22の上面から約300nm程度基板側に埋め込み酸化膜2が形成される。この埋め込み酸化膜2からはGeが排除され、ほぼ純粋なSiOとなる。
【0045】
次に、図4(c)に表したように、このウェーハを弗酸・硝酸混合液にてSiGe層2の層厚が約23nmになるまでエッチングすると、図2(c)と同様の構造が得られる。
【0046】
なお、本発明においては、ゲート電極7の材料として、W(タングステン)などの金属を用いることも可能である。また、ゲート絶縁膜6としては、Si酸化膜(SiO)はもちろん、Si窒化膜(Si)、Si酸化窒化膜(SiO)、Al, Ta, TiO, Ya等の高誘電体絶縁膜も同様に用いることができる。
【0047】
また、ゲート絶縁膜6としては、上述した材料のほか、Ge窒化膜を用いることもできる。このGe窒化膜は、CVDによる堆積の他、Ge表面を直接アンモニアガスや窒素ガスを用いて窒化することによっても得られる。
【0048】
また、また、基板1の面方位としても、(001)だけではなく、他の面方位、例えば(111)基板、(110)基板などを用いても良い。
【0049】
次に、本発明の半導体装置の変形例について説明する。
【0050】
図1に例示した半導体装置においては、チャネル部分をひずみGe(ゲルマニウム)層4として、その上下のソース・ドレイン部分をSiGe層3、5により構成したが、ドレイン部分は、Geにより構成してもよい。このようにすると、キャリアのバリスティック注入の効果をさらに高めることも可能となる。
【0051】
図5(a)は、図1に例示したようにチャネル部CをひずみGeにより形成し、ソース部Sとドレイン部DをともにSiGeにより形成した場合のバンドダイアグラムを表す概念図である。すなわち、電子及び正孔のいずれに対しても、ソース部S、ドレイン部Dの両側でGeチャネル層(チャネル部)Cよりもポテンシャルが高くなる。このようにすると、伝導帯、価電子帯ともにソース部がチャネル部に対して高いエネルギーとなるため、電子・正孔ともに加速した電荷をチャネルにバリスティックに注入でき、同一の材料系で容易に超高速のCMOSFETを作製することが可能となる。
【0052】
さらに、ソース部SはSiGeにより形成し、ドレイン部Dはチャネル部Cと同様のひずみGeにより形成すると、図5(b)に表したように、ドレイン部Dでは電子と正孔のいずれに対してもポテンシャル障壁が無くなる。
【0053】
本発明の半導体装置の特徴のひとつであるバリスティックなキャリアの注入のためには、ソース部のポテンシャルがチャネル部よりも高いことが要求されるが、ドレイン側のポテンシャルはいずれでも構わない。従って、ドレイン側のポテンシャルの設計、すなわち材料の選定には、以下の点を考慮するとよい。
【0054】
まず、ドレイン側をGeにより形成する場合は、チャネルとドレインとの境界はヘテロ接合とはならないため、ドーピングプロファイルの設計は容易となる。
【0055】
しかし、SiGeからなるソース部の上に格子定数が異なるGe層を成長するため、積層の厚みをいわゆる臨界膜厚以下とする必要がある。さらに、複数のFETを組み合わせてCMOSを形成する場合などに、本発明のような縦型の構造においては、下側をソースにするかドレインにするかは自由に選択できると便利である。つまり、ソースとドレインとが同様の材料からなる対称形の構造のほうがインバータなどの回路を設計する際に自由度が高くなる。
【0056】
一方、ドレイン部をSiGeで形成する場合は、チャネルとドレインとの境界がヘテロ接合となる。この場合は、ヘテロ界面とドレインへの不純物注入のプロファイルが一致していることが望ましい。これに対して、チャネルとドレインとの接合をずらして設ける構造も考えられる。
【0057】
図6(a)は、チャネルとドレインとの接合をひずみGe層の内部に設けた構造を例示する概念断面図であり、図6(b)は、この構造のバンドダイアグラムを表す概念図である。同図の構成においては、SiGe層51、ひずみGe層52、SiGe層53が順次積層されているが、ひずみGe層52におけるドーピングプロファイルを調節することにより、チャネル部Cとドレイン部Dとの接合Jは、ひずみGe層52の内部に形成されている。このようにすれば、チャネル・ドレイン間のポテンシャル障壁をなくし、且つ上下対称に近い縦型FETが得られる。
【0058】
以上説明した具体例においては、SiGe層とひずみGe層との組み合わせ、あるいはSiGe層とひずみSiGe層との組み合わせについて説明した。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、C(炭素)をSiGe結晶中に5%程度以下の濃度で添加したSiGeC結晶を用いることも可能である。Cの添加により、SiGeのバンドギャップを維持しながらひずみGe層あるいはひずみSiGe層との格子定数の差を大きくすることが可能となる。
【0059】
また、ソース・ドレイン部にSiGeCを用いると、不純物の拡散を抑制できるという効果も併せて得られる。
【0060】
次に、本発明によるCMOSインバータについて説明する。
【0061】
図7は、本発明によるCMOSインバータの一例を表す概念図である。すなわち、同図のインバータは、共通のSi基板1、埋め込み酸化膜2の上に形成されたnチャネルトランジスタ60Aと、pチャネルトランジスタ60Bとを有する。これらのトランジスタは、例えば、図1乃至図6に関して前述したような本発明の構成を有する。具体的には、例えば、SiGeバッファ層3A、3B、ひずみGeチャネル層4A、4B、SiGeキャップ層5A、5Bの如くである。これらの層は、nチャネルまたはpチャネルのいずれかに合わせて導電型及びキャリア濃度が調節されている。
【0062】
ゲート電極7A、7Bは、共通入力配線W1により接続されている。また、nチャネルトランジスタ60Aのソース・ドレインのいずれか一方と、pチャネルトランジスタ60Bのソース・ドレインのいずれか他方とは共通出力配線W2により接続されている。さらに、ゼロボルト入力配線W3と、プラス1ボルト入力配線W4がそれぞれ、ソース・ドレインのいずれかに配線され、トランジスタ60A、60Bが相補動作する。
【0063】
ここで、pチャネルトランジスタ60Bを形成する際には、砒素(As)の代わりに例えば硼素(B)を添加不純物としてイオン注入すればよい。すなわち、イオン注入する領域に応じて、2回に分けてイオン注入を行えば、nチャネルトランジスタとpチャネルトランジスタとを同一の基板上に形成できる。
【0064】
なお、本具体例のCMOSインバータにおいても、SiGe層とひずみSiGeチャネル層とを組み合わせた縦型FETを用いることができる。または、炭素を添加したSiGeC層とひずみGeチャネル層(または、ひずみSiGeチャネル層)とを組み合わせてもよい。
【0065】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、絶縁膜上に形成された格子緩和したSiGe層の上に、チャンネル層となるひずみGe層またはひずみSiGe層を積層し、さらにその上にSiGe層を形成することにより、このひずみGe層をチャンネルに利用でき、より高速の移動度の縦型MOSFETを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の要部断面構成を例示する概念図である。
【図2】本発明の半導体装置の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図4】図2(c)に表した積層構造を得るための別の方法を表す概略工程断面図である。
【図5】(a)は、図1に例示したようにチャネル部CをひずみGeにより形成し、ソース部Sとドレイン部DをともにSiGeにより形成した場合のバンドダイアグラムを表す概念図であり、(b)は、ソース部SをSiGeにより形成しドレイン部Dはチャネル部Cと同様のひずみGeにより形成した場合のバンドダイアグラムを表す概念図である。
【図6】(a)は、チャネルとドレインとの接合をひずみGe層の内部に設けた構造を例示する概念断面図であり、(b)は、この構造のバンドダイアグラムを表す概念図である。
【図7】本発明によるCMOSインバータの一例を表す概念図である。
【符号の説明】
1 基板
2 埋め込み酸化膜
3、3A、3B SiGeバッファ層
4、4A、4B ひずみGeチャネル層
5、5A、5B SiGeキャップ層
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
W1、W2、W3、W4 配線
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a high-speed, low-power-consumption transistor, particularly to a vertical field-effect transistor having strained SiGe (silicon germanium) or strained Ge (germanium) as a channel.
[0002]
[Prior art]
When stress strain is applied to the Si or SiGe crystal, the band structure is modulated and the mobility of electrons and holes is improved. In the strained Si layer formed on the lattice-relaxed SiGe crystal with little stress applied, the electron mobility and the hole mobility are expected to be improved by more than twice.
[0003]
On the other hand, up to now, high speed and high performance of a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) have been realized by reducing the element size. However, in this case, since the gate processing accuracy by lithography is the key to success, the lower limit of the dimension is limited by the lithography technology.
[0004]
On the other hand, there is a measure to adopt a vertical structure in order to realize an element having a size of 50 nm or less. By introducing strain into this vertical element, the effect of improving carrier mobility can be taken.
[0005]
For example, K. C. Liu et al. (Tech. Dig. IEDM (1999) p. 63) report that a SiGe layer grown on a Si substrate as a thin film and not lattice-relaxed (having a crystal lattice extending in the vertical direction, that is, the layer thickness direction) has a columnar shape. A MOSFET structure is proposed in which a Si crystal is grown on the side wall of the column, the surface of the Si crystal is oxidized to form a gate electrode, and a source and a drain are formed at the top and bottom of the column. In this structure, the thickness of the SiGe layer can be used as the gate length, and an ultrafine element having a gate length of 50 nm or less can be realized. Further, since the strained Si crystal layer is formed in contact with the SiGe crystal whose lattice extends in the vertical direction, it is not necessary to prepare a SiGe crystal whose lattice has been relaxed unlike the conventional structure formed in a plane.
[0006]
On the other hand, there has been proposed a vertical MOSFET in which a lattice-relaxed SiGe layer is formed on a Si substrate to serve as a source, and a strained Si layer serving as a channel portion and a SiGe layer serving as a drain portion are sequentially stacked on the SiGe layer. 10-22501). In this structure, when the band structure of the source / channel portion is viewed, the energy of the conduction band increases on the source side, so that high-energy (accelerated) electrons can be introduced into the channel. As a result, particularly in the case of a FET having a short channel length, the speed of the accelerated electrons can reach the source before the speed of the electrons is reduced. Switching elements can be expected.
[0007]
On the other hand, as an element material technique for realizing the above-described element structure, a technique of directly forming a lattice-relaxed SiGe layer on an insulating film has been proposed. As a method of manufacturing a relaxed SiGe buffer layer on an oxide film, (1) a method of epitaxially growing SiGe on a thin film SOI (Silicon on Insulator) (AR Powell et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1856) 1994)), (2) A method in which an oxide film formed on a Si substrate and a laminated structure of SiGe epitaxially grown on the Si substrate are bonded to each other, and a part of the SiGe laminated structure is removed later (Japanese Patent No. 3037934). And Japanese Patent No. 2908787), and (3) a method in which oxygen ions are implanted into a SiGe layer and a buried oxide film is formed in the SiGe layer through high-temperature annealing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The method of forming a strained Si layer on the side surface of a strained SiGe layer having a lattice extending in the vertical direction to form a channel is characterized in that the structure is made vertical as compared with a conventional lateral FET. On the other hand, in a vertical MOSFET using a strained Si layer above a relaxed SiGe layer as a channel, electrons with high energy can be injected, so that a device with higher performance can be expected.
[0009]
However, high-energy carriers can be injected from relaxed SiGe (source) into strained Si (channel) only for electrons whose conduction band positions on the source side are high, and the band structure of a valence material is reversed. , High energy holes cannot be injected into the channel. Therefore, this structure has a problem that it is not easy to manufacture a complementary MOSFET (CMOSFET).
[0010]
The present invention has been made based on the recognition of such problems, and an object of the present invention is to provide a vertical hetero MOSFET having a hetero structure capable of injecting high-energy carriers, which has a higher performance and can easily realize a CMOSFET. A semiconductor having a realizable structure is to provide a device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention employs a structure in which a high Ge concentration SiGe buffer layer and a strained Ge channel are stacked on an insulating film.
[0012]
That is, the semiconductor device according to the present invention includes a first semiconductor crystal made of a group IV semiconductor, a second semiconductor crystal made of a group IV semiconductor stacked on the first semiconductor crystal, A third semiconductor crystal made of a group IV semiconductor stacked on the crystal, a gate insulating film covering a side wall of the second semiconductor crystal, and a side wall of the second semiconductor crystal via the gate insulating film A gate electrode provided above,
At least one of the first and third semiconductor crystals has a conduction band potential for electrons higher than the conduction band potential for electrons of the second semiconductor crystal, and a valence band potential for holes of the second semiconductor crystal. 2 is higher than the potential of the valence band for holes in the semiconductor crystal,
An inversion layer is induced on a side portion of the second semiconductor crystal by an electric field effect according to a voltage applied to the gate electrode, so that electrons or holes between the first semiconductor crystal and the third semiconductor crystal are generated. The flow is controlled.
[0013]
Here, the second semiconductor crystal is made of a semiconductor having a larger lattice constant than the first semiconductor crystal, and the second semiconductor crystal is parallel to a lamination plane with the first semiconductor crystal. It can have a compressive strain due to a compressive stress generated in various directions.
[0014]
In one of the first and third semiconductor crystals, the conduction band potential for electrons is higher than the conduction band potential for electrons of the second semiconductor crystal, and the valence band potential for holes is higher. Higher than the potential of the valence band for holes of the second semiconductor crystal,
The other one of the first and third semiconductor crystals may have a conduction band potential and a valence band potential substantially the same as those of the second semiconductor crystal.
[0015]
Further, the second semiconductor crystal may have a channel region of a first conductivity type and a drain region of a second conductivity type.
[0016]
Further, the first semiconductor crystal is made of silicon germanium (SiGe) containing 70 atomic% or more of germanium (Ge), and the second semiconductor crystal is more than germanium or the first semiconductor crystal. It may consist of silicon germanium containing a high concentration of germanium.
[0017]
Further, the first semiconductor crystal may contain carbon (C).
[0018]
According to the present invention, a strained Ge layer serving as a channel layer is stacked on a lattice-relaxed SiGe layer having a high Ge concentration and formed on an insulating film according to the present invention. The crystal layer in which the lattice is extended in the direction of travel can be used for the channel, and higher mobility can be expected.
[0019]
Further, according to the present invention, since the source portion of the conductor and the valence band have higher energy than the channel portion, a structure capable of injecting the accelerated charges of both electrons and holes into the channel can be realized. Thus, an ultra-high-speed CMOSFET can be easily manufactured.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor device of the present invention. That is, in the semiconductor device of the present invention, a buried oxide film 2, a SiGe buffer layer (first source / drain portion) 3, a strained Ge channel layer 4, and a SiGe cap layer (second 5) are stacked, and a gate insulating film 6 and a gate electrode 7 are formed around the side wall of the strained Ge channel layer 4.
[0022]
Here, the lattice constant of the SiGe buffer layer 3 in the relaxed state is smaller than that of the Ge channel layer 4. A thin channel layer 4 is epitaxially stacked on the thick buffer layer 3. As a result, the lattice of the buffer layer 3 is relaxed, that is, has little distortion, and the channel layer 4 has distortion according to the difference in lattice constant.
[0023]
Specifically, a compressive stress is applied to the channel layer 4 in a direction parallel to the lamination surface. As a result, the crystal lattice of the channel layer 4 is compressed in a direction parallel to the stacking plane and stretched in a direction perpendicular to the stacking plane. Here, in Ge or SiGe, when the crystal lattice is stretched due to strain, there is an effect that the mobility of carriers increases in the stretching direction. That is, in the present invention, in the vertical FET, the mobility of carriers can be increased by generating a stretching strain along the channel direction, and a higher-speed operation can be realized.
[0024]
Here, the Ge composition of the SiGe buffer layer 3 is desirably 70 atomic% or more. This is because, when the Ge composition of the buffer layer 3 is 70 atomic% or less, when the strained Ge channel layer 4 is laminated to 50 nm or more, crystal defects such as dislocations may be generated in the channel layer 4. This is because the critical thermodynamic film thickness of Ge with respect to the Ge composition of 70 atomic% of the buffer layer 3 is 50 nm. A more desirable range of the Ge composition is 70 atomic% or more and 80 atomic% or less. The upper limit of 80 atomic% is a set value for enjoying the effect of increasing the hole mobility due to strain. That is, if the Ge composition is 80 atomic% or less, the phonon scattering mobility of holes becomes twice or more the mobility of unstrained Ge due to the influence of the strain applied to the Ge channel layer 4.
[0025]
Here, a similar effect can be obtained by using a strained Si 1-x Ge x (0.8 <x <1) channel layer containing Si instead of the strained Ge channel layer 4.
[0026]
As the gate insulating film 6, for example, a Zr (zirconium) silicate / ZrO 2 film can be used. This is a substance in which a metal such as Zr, Hf (hafnium), or La (lanthanum) is dissolved in silicate: SiO 2 .
[0027]
Further, as the gate electrode 7, polycrystalline Si (polySi) or polycrystalline SiGe (polySiGe) doped with p-type or n-type can be used.
[0028]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described.
[0029]
2 and 3 are process cross-sectional views illustrating a main part manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
[0030]
First, as shown in FIG. 2A, a laminated structure including the Si substrate 1, the buried oxide film 2, the SOI film 11, the SiGe layer 12, and the Si cap layer 13 is formed. Specifically, for example, a UHV-CVD (ultra-high vacuum chemical vapor deposition) is formed on a silicon-on-insulator (SOI) substrate 10 including a Si substrate 1, a buried oxide film 2, and an SOI film 3 (about 20 nm in thickness). ) Method, MBE method or LP-CVD method, etc., to grow the Si 0.9 Ge 0.1 film 12 to about 150 nm and the Si cap layer 13 to about 5 nm. Since the thickness of each layer formed at this time is lower than the critical thickness at the growth temperature, misfit dislocation does not occur.
[0031]
Next, as shown in FIG. 2B, a thermal oxide film 14 is formed. Specifically, this wafer is put into an oxidation furnace, and oxidation is progressed at, for example, about 1000 ° C. using an oxygen gas diluted to 50% with nitrogen until the thickness of the SiGe layer 3 becomes 25 nm. In this oxidation process, Ge atoms can sufficiently diffuse inside the SiGe layer 3 sandwiched between the buried oxide film 2 (lower layer) and the thermal oxide film 14 (upper layer), but the upper and lower oxide films are Atoms cannot penetrate. For this reason, as the thermal oxidation progresses, the thickness of the SiGe layer 3 is reduced, and the Ge concentration is increased to about 70 atomic%.
[0032]
Here, care must be taken that the processing temperature does not exceed the melting point of the SiGe layer 12. In the case of this specific example, the final oxidation temperature must be 1025 ° C. or lower in order to obtain a SiGe layer 3 having a Ge concentration of 70 atomic%. In order to shorten the oxidation time without melting the SiGe layer, the temperature is initially set to a high value within a range not exceeding the melting point corresponding to the Ge concentration in the SiGe layer, and the temperature is gradually or gradually reduced. It is effective to go.
[0033]
Next, as shown in FIG. 2C, the thermal oxide film 14 is peeled off, and arsenic (As) is ion-implanted into the entire surface of the wafer at a dose of about 5 × 10 15 cm −2 . Thereafter, annealing is performed to lower the resistance of the injection layer.
[0034]
Next, as shown in FIG. 2D, a crystal layer is stacked. Specifically, after the surface cleaning, a Ge channel layer 4 having a thickness of 30 nm and a Si 0.3 Ge 0.7 layer 5 having a thickness of 100 nm are again formed by a method such as UHV-CVD, MBE or LP-CVD. (Upper source / drain). At this time, it is desirable that the Si 0.3 Ge 0.7 layer 5 (upper source / drain portion) is subjected to high-concentration n-type doping, but ion implantation may be performed again after the epitaxial growth.
[0035]
Subsequently, patterning is performed as shown in FIG. Specifically, a photoresist pattern (not shown) is formed on the wafer surface, and the n-type Si 0.3 Ge 0.7 layer 5 and the Ge channel layer 4 are formed by using the resist pattern as a mask by RIE (reactive ion etching). To form an island. The resist pattern is peeled off after the completion of the etching.
[0036]
Next, as shown in FIG. 3B, a thin insulating film 16 having a thickness of about 3 nm is formed on the wafer surface by a CVD method or the like. Part of the insulating film 16 becomes the gate insulating film 6.
[0037]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, a polycrystalline Si layer 17 having a thickness of about 20 nm is deposited on the entire surface of the wafer for a gate electrode, and phosphorus (P) is doped at a dose of about 5 × 10 15 cm −2. The polycrystalline Si layer 17 is made to have a high concentration of n-type by ion implantation in an amount and further annealing.
[0038]
Next, as shown in FIG. 3D, a gate electrode is formed. Specifically, the polycrystalline Si layer 17 is etched back from above by anisotropic etching. Thus, the gate electrode 7 is formed with the n-type polycrystalline Si layer left on the side surface of the island-shaped projection P. Here, before etching back by anisotropic etching, the surface of the wafer is polished by CMP (chemical mechanical polishing) to remove the polycrystalline Si layer 17 on the upper surface of the island-shaped projections P. It may be.
[0039]
Thereafter, by opening a part of the insulating film 16, upper and lower source / drain electrodes are formed, and the main part of the transistor of the present invention is completed.
[0040]
Next, another method for obtaining the laminated structure shown in FIG. 2C will be described.
[0041]
FIG. 4 is a schematic process sectional view showing this method.
[0042]
First, the laminated structure shown in FIG. 4A is formed. Specifically, a thickness of about 1μm on a graded composition Si 1-x Ge x layer 21 Si substrate 1 (where the composition x increases from 0 to about 0.1 with increasing distance from the substrate 1), A Si 0.9 Ge 0.1 layer 22 having a thickness of about 1.5 μm and a Si cap layer 23 having a thickness of about 20 nm are stacked. As the lamination method, the above-described UHV-CVD, MBE method, LP-CVD method, or the like can be used.
[0043]
Next, as shown in FIG. 4B, a buried oxide film is formed. Specifically, oxygen ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 160 keV and a dose of about 4 × 10 17 ions / cm 2 , and oxidized at 900 ° C. to form a thermal oxide film 24 on the wafer surface to a thickness of 10 nm or more. Form. The reason why the Ge composition of the SiGe layer 22 into which oxygen ions are implanted is as low as 10 atomic% is to obtain a continuous and uniform buried oxide film. When the Ge composition is 30 atomic% or more, it is difficult to obtain a continuous buried oxide film by this method (Y. Ishikawa et al., Appl. Phys. Lett., 75, 983 (1999)).
[0044]
Next, when annealing is performed at 1300 ° C. for about 4 hours in an argon gas atmosphere containing a small amount of oxygen (0.5%), the buried oxide film 2 is formed on the substrate side about 300 nm from the upper surface of the SiGe layer 22. Ge is removed from the buried oxide film 2 and becomes almost pure SiO 2 .
[0045]
Next, as shown in FIG. 4C, when this wafer is etched with a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid until the thickness of the SiGe layer 2 becomes about 23 nm, a structure similar to that of FIG. can get.
[0046]
In the present invention, a metal such as W (tungsten) can be used as the material of the gate electrode 7. Further, as the gate insulating film 6, not only a Si oxide film (SiO x ), but also a Si nitride film (Si 3 N 4 ), a Si oxynitride film (SiO x N y ), Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , High dielectric insulating films such as TiO 2 and Ya 2 O 3 can also be used.
[0047]
Further, as the gate insulating film 6, a Ge nitride film can be used in addition to the above-described materials. This Ge nitride film can be obtained not only by deposition by CVD, but also by nitriding the Ge surface directly with ammonia gas or nitrogen gas.
[0048]
Further, the plane orientation of the substrate 1 is not limited to (001), but may be another plane orientation, for example, a (111) substrate or a (110) substrate.
[0049]
Next, a modification of the semiconductor device of the present invention will be described.
[0050]
In the semiconductor device illustrated in FIG. 1, the channel portion is formed as a strained Ge (germanium) layer 4 and the upper and lower source / drain portions are formed of the SiGe layers 3 and 5, but the drain portion may be formed of Ge. Good. This makes it possible to further enhance the effect of the ballistic injection of the carrier.
[0051]
FIG. 5A is a conceptual diagram showing a band diagram when the channel portion C is formed by strain Ge and the source portion S and the drain portion D are both formed by SiGe as illustrated in FIG. That is, the potential of both the electron and the hole is higher on both sides of the source section S and the drain section D than on the Ge channel layer (channel section) C. In this case, both the conduction band and the valence band have higher energy in the source than in the channel, so that accelerated charges can be injected into the channel for both electrons and holes, and the same material system can be used easily. An ultra-high-speed CMOSFET can be manufactured.
[0052]
Further, when the source portion S is formed by SiGe and the drain portion D is formed by the same strain Ge as the channel portion C, as shown in FIG. However, the potential barrier disappears.
[0053]
In order to inject ballistic carriers, which is one of the features of the semiconductor device of the present invention, it is required that the potential of the source part is higher than that of the channel part, but any potential on the drain side is acceptable. Therefore, the following points should be considered in designing the potential on the drain side, that is, in selecting a material.
[0054]
First, when the drain side is formed of Ge, the boundary between the channel and the drain does not become a heterojunction, so that the doping profile can be easily designed.
[0055]
However, since a Ge layer having a different lattice constant is grown on the source portion made of SiGe, the thickness of the stack needs to be equal to or less than the so-called critical thickness. Further, in the case of forming a CMOS by combining a plurality of FETs, in a vertical structure such as the present invention, it is convenient if the lower side can be freely selected as a source or a drain. That is, a symmetrical structure in which the source and the drain are made of the same material has a higher degree of freedom when designing a circuit such as an inverter.
[0056]
On the other hand, when the drain portion is formed of SiGe, the boundary between the channel and the drain becomes a heterojunction. In this case, it is desirable that the profile of impurity implantation into the hetero interface and the drain coincide with each other. On the other hand, a structure in which the junction between the channel and the drain is provided to be shifted may be considered.
[0057]
FIG. 6A is a conceptual cross-sectional view illustrating a structure in which a junction between a channel and a drain is provided inside a strained Ge layer, and FIG. 6B is a conceptual diagram illustrating a band diagram of this structure. . In the configuration shown in FIG. 2, the SiGe layer 51, the strained Ge layer 52, and the SiGe layer 53 are sequentially stacked. By adjusting the doping profile in the strained Ge layer 52, the junction between the channel portion C and the drain portion D is adjusted. J is formed inside the strained Ge layer 52. This eliminates the potential barrier between the channel and the drain, and provides a vertical FET which is nearly vertically symmetric.
[0058]
In the specific examples described above, the combination of the SiGe layer and the strained Ge layer, or the combination of the SiGe layer and the strained SiGe layer has been described. However, the present invention is not limited to these, and it is also possible to use a SiGeC crystal in which C (carbon) is added at a concentration of about 5% or less in the SiGe crystal. The addition of C makes it possible to increase the difference in lattice constant between the strained Ge layer and the strained SiGe layer while maintaining the band gap of SiGe.
[0059]
In addition, when SiGeC is used for the source / drain portions, an effect that diffusion of impurities can be suppressed is also obtained.
[0060]
Next, a CMOS inverter according to the present invention will be described.
[0061]
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an example of the CMOS inverter according to the present invention. That is, the inverter shown in the figure has an n-channel transistor 60A and a p-channel transistor 60B formed on a common Si substrate 1 and a buried oxide film 2. These transistors have, for example, the configuration of the present invention as described above with reference to FIGS. More specifically, for example, the SiGe buffer layers 3A and 3B, the strained Ge channel layers 4A and 4B, and the SiGe cap layers 5A and 5B. In these layers, the conductivity type and the carrier concentration are adjusted according to either the n-channel or the p-channel.
[0062]
The gate electrodes 7A and 7B are connected by a common input wiring W1. Further, one of the source and the drain of the n-channel transistor 60A and the other of the source and the drain of the p-channel transistor 60B are connected by a common output wiring W2. Further, the zero volt input wiring W3 and the plus one volt input wiring W4 are respectively connected to either the source or the drain, and the transistors 60A and 60B perform complementary operation.
[0063]
Here, when forming the p-channel transistor 60B, for example, boron (B) may be ion-implanted as an additional impurity instead of arsenic (As). That is, if the ion implantation is performed twice in accordance with the ion implantation region, the n-channel transistor and the p-channel transistor can be formed over the same substrate.
[0064]
Note that, also in the CMOS inverter of this specific example, a vertical FET combining a SiGe layer and a strained SiGe channel layer can be used. Alternatively, a SiGeC layer to which carbon is added and a strained Ge channel layer (or a strained SiGe channel layer) may be combined.
[0065]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a strained Ge layer or a strained SiGe layer serving as a channel layer is laminated on a lattice-relaxed SiGe layer formed on an insulating film, and further a SiGe layer is further formed thereon. By forming this, the strained Ge layer can be used as a channel, and a vertical MOSFET with higher mobility can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of the semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic process sectional view showing another method for obtaining the laminated structure shown in FIG. 2 (c).
FIG. 5A is a conceptual diagram showing a band diagram when a channel portion C is formed by strain Ge and a source portion S and a drain portion D are both formed by SiGe as illustrated in FIG. 1; (B) is a conceptual diagram showing a band diagram in a case where the source portion S is formed of SiGe and the drain portion D is formed of the same strain Ge as the channel portion C.
6A is a conceptual cross-sectional view illustrating a structure in which a junction between a channel and a drain is provided inside a strained Ge layer, and FIG. 6B is a conceptual diagram illustrating a band diagram of this structure. .
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating an example of a CMOS inverter according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 substrate 2 buried oxide film 3, 3A, 3B SiGe buffer layer 4, 4A, 4B strained Ge channel layer 5, 5A, 5B SiGe cap layer 6 gate insulating film 7 gate electrode W1, W2, W3, W4 Wiring

Claims (4)

半導体層上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、70原子%以上のゲルマニウム(Ge)を含有するシリコン・ゲルマニウム(SiGe)からなる第1の半導体結晶と、
前記第1の半導体結晶の上に積層され、ゲルマニウム、または前記第1の半導体結晶よりも高い濃度のゲルマニウムを含有するシリコン・ゲルマニウムからなる第2の半導体結晶と、
前記第2の半導体結晶の上に積層され、ゲルマニウム、または前記第2の半導体結晶と同じかあるいは低い濃度のゲルマニウムを含有するシリコン・ゲルマニウムからなる第3の半導体結晶と、
前記第2の半導体結晶の側壁を被覆するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して前記第2の半導体結晶の側壁上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記第1の半導体結晶は、電子に対する伝導帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の電子に対する伝導帯のポテンシャルよりも高く、且つ正孔に対する価電子帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の正孔に対する価電子帯のポテンシャルよりも高く、
前記第3の半導体結晶は、電子に対する伝導帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の電子に対する伝導帯のポテンシャルと同じかまたは高く、且つ正孔に対する価電子帯のポテンシャルが前記第2の半導体結晶の正孔に対する価電子帯のポテンシャルと同じかまたは高く、
前記ゲート電極に印加する電圧に応じた電界効果により前記第2の半導体結晶の前記側壁付近に反転層を誘起して前記第1の半導体結晶と前記第3の半導体結晶との間の電子あるいは正孔の流れを制御する、半導体装置。
An insulating film formed on the semiconductor layer;
A first semiconductor crystal made of silicon-germanium (SiGe) formed on the insulating film and containing 70 atomic% or more of germanium (Ge) ;
A second semiconductor crystal made of silicon germanium stacked on the first semiconductor crystal and containing germanium or germanium at a higher concentration than the first semiconductor crystal;
A third semiconductor crystal stacked on the second semiconductor crystal and made of germanium, or silicon-germanium containing germanium at the same or lower concentration than the second semiconductor crystal;
A gate insulating film covering a side wall of the second semiconductor crystal;
A gate electrode provided on a side wall of the second semiconductor crystal via the gate insulating film;
With
In the first semiconductor crystal , the conduction band potential for electrons is higher than the conduction band potential for electrons of the second semiconductor crystal, and the valence band potential for holes is positive for the second semiconductor crystal. Higher than the potential of the valence band for the hole,
The third semiconductor crystal has a conduction band potential for electrons equal to or higher than a conduction band potential for electrons of the second semiconductor crystal, and a valence band potential for holes of the second semiconductor crystal. The same as or higher than the potential of the valence band for holes of
An inversion layer is induced near the side wall of the second semiconductor crystal by an electric field effect according to a voltage applied to the gate electrode, so that electrons or positive electrons between the first semiconductor crystal and the third semiconductor crystal are generated. A semiconductor device that controls the flow of holes.
前記第2の半導体結晶は、前記第1の半導体結晶よりも大きな格子定数を有する半導体からなり、
前記第2の半導体結晶は、前記第1の半導体結晶との積層面に対して平行な方向に生ずる圧縮応力による圧縮ひずみを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
The second semiconductor crystal is made of a semiconductor having a larger lattice constant than the first semiconductor crystal,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor crystal has a compressive strain caused by a compressive stress generated in a direction parallel to a plane of stacking with the first semiconductor crystal. 3.
前記第2の半導体結晶は、第1導電型のチャネル領域と、第2導電型のドレイン領域とを有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor crystal has a channel region of a first conductivity type and a drain region of a second conductivity type. 前記第1の半導体結晶は、炭素(C)を含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor crystal contains carbon (C). 5.
JP2000402801A 1998-12-24 2000-12-28 Semiconductor device Expired - Fee Related JP3598271B2 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000402801A JP3598271B2 (en) 2000-12-28 2000-12-28 Semiconductor device
US09/935,685 US6607948B1 (en) 1998-12-24 2001-08-24 Method of manufacturing a substrate using an SiGe layer
US10/611,157 US6917096B2 (en) 1998-12-24 2003-07-02 Semiconductor device and method of manufacturing substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000402801A JP3598271B2 (en) 2000-12-28 2000-12-28 Semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002203971A JP2002203971A (en) 2002-07-19
JP3598271B2 true JP3598271B2 (en) 2004-12-08

Family

ID=18867032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000402801A Expired - Fee Related JP3598271B2 (en) 1998-12-24 2000-12-28 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3598271B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004189762A (en) * 2002-12-06 2004-07-08 Kao Corp Method for removing pollen adhered to clothes
KR100550343B1 (en) 2003-11-21 2006-02-08 삼성전자주식회사 Method of manufacturing semiconductor device having multiple channels MOS transistor
JP5091403B2 (en) * 2005-12-15 2012-12-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2009088134A (en) * 2007-09-28 2009-04-23 Elpida Memory Inc Semiconductor device, method of manufacturing the same, and data processing system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002203971A (en) 2002-07-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100392166B1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US6509587B2 (en) Semiconductor device
JP4678877B2 (en) Silicon devices on Si: C-OI and SGOI and manufacturing methods
US7960794B2 (en) Non-planar pMOS structure with a strained channel region and an integrated strained CMOS flow
US7915148B2 (en) Method of producing a tensioned layer on a substrate
JP4521542B2 (en) Semiconductor device and semiconductor substrate
US7659537B2 (en) Field effect transistor
US7491988B2 (en) Transistors with increased mobility in the channel zone and method of fabrication
JP3678661B2 (en) Semiconductor device
JP4481181B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20040227169A1 (en) Semiconductor devices and method for manufacturing the same
KR20020066191A (en) MOS FIELD-EFFECT TRANSISTOR COMPRISING LAYERED STRUCTURE INCLUDING Si LAYER AND SiGe LAYER OR SiGeC LAYER AS CHANNEL REGIONS
JP3873012B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
WO2011066730A1 (en) Hybrid crystal orientation inversion mode gate-all-around cmos field effect transistor
JP2000031491A (en) Semiconductor device, its manufacture, semiconductor substrate and its manufacture
JP3712599B2 (en) Semiconductor device and semiconductor substrate
JP3598271B2 (en) Semiconductor device
JP2004214457A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP3600174B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP3825768B2 (en) Field effect transistor
JPH1022501A (en) Semiconductor device and its manufacture
US9818761B2 (en) Selective oxidation for making relaxed silicon germanium on insulator structures
JP2002184962A (en) Semiconductor substrate, manufacturing method, and semiconductor device
KR100760912B1 (en) Semiconductor Device and Method for Fabricating The Same
JP4282579B2 (en) Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor device manufacturing method

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040412

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040416

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040614

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040907

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040913

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20070917

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080917

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080917

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090917

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090917

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100917

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110917

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110917

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120917

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120917

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130917

Year of fee payment: 9

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees