JP3712599B2 - Semiconductor device and semiconductor substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速、低消費電力の電界効果トランジスタ、特にひずみGeもしくはひずみSiGeをチャネル層として有する電界効果トランジスタを備える半導体装置、前記半導体装置を得るために使用される半導体基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
基板に平行な面内で圧縮ひずみを受けたGeの正孔および電子移動度は、適切な面方位を選択することにより、p、n両チャネルにおいてSiの正孔および電子移動度を上回る事が知られている。
【0003】
図13は、このひずみGeをチャネルとして用いた従来技術のトランジスタ構造の1つである(第1の従来例)。本構造は特開平2−196436号公報に開示されている。本構造は、n型Si基板61上にp−Si 0.5 Ge 0.5 バッファ層62、i−Si 0.5 Ge 0.5 Geスペーサ層63、i−Geチャネル層64、i−Si 0.5 Ge 0.5 Geスペーサ層65、p−Si 0.5 Ge 0.5 層66、i−Si 1−x Ge x 層(x=0.5→0)(SiGeキャップ層)67、Tiショットキーゲート電極68が積層されている。また、ソース・ドレイン領域69がゲート電極68直下の両端に形成されている。
【0004】
本構造は、いわゆる変調ドープFET(MODFET)であり、i−Geチャネル層64から離れたドーピング層であるp−Si0.5Ge0.5バッファ層62、i−Si0.5Ge0.5Geスペーサ層65からチャネル層64にキャリアが供給されるため、ドーピングされた不純物による散乱で正孔移動度が低下する事はない。したがって、ひずみGeの正孔の高移動度を生かした高速動作が可能であるとされている。
【0005】
この構造と類似の構造はE. Murakami et al., IEEETransaction on Electron Devices, Vol.41, p.857 (1994)、およびY. H. Xie et al., Applied Physics Letters Vol.63, p.2263 (1994) においても開示されている。
【0006】
また、別の従来技術として、面内に引張りひずみをうけたひずみSiをチャネルとして用いたトランジスタも公知となっている。ひずみSiのキャリア移動度も、上記のひずみGeと同様に、p、n両チャネルにおいてSiを上回る事が知られているので、これらのトランジスタにおいてはSiチャネルのトランジスタに比べ同じゲートサイズにおいてより大きな駆動力が得られる。その中で、もっとも実用性が高いと考えられるトランジスタ構造を図14に示す(第2の従来例)。
【0007】
本構造は、本発明者を含む研究グループによって提案および動作実証された構造である(T. Mizuno, S. Takagi, N. Sugiyama, J. Koga, T. Tezuka, K. Usuda, T.Hatakeyama, A. Kurobe, and A. Toriumi, IEDM Technical Digests p.934 (1999) )。
【0008】
本構造ではSiまたはSiGe層71上に埋め込み酸化膜72、SiGeバッファ層73、ひずみSiチャネル層74、ゲート酸化膜75、ゲート電極76が順次積層されてSiGeバッファ層73、ひずみSiチャネル層74にソース・ドレイン領域77が形成されている。
【0009】
本構造では、ひずみSiチャネル74による高キャリア移動度のほか、埋め込み酸化膜72の存在により、寄生容量の低下や、不純物濃度を低く抑えたまま微細化が出来るので駆動力が上げられる、等のメリットを併せ持つ。したがって、本構造でCMOS論理回路を構成すれば、より高速かつ低消費電力の動作が可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
まず、第1の従来例を実用に供する際に生じる問題点は、ソース・ドレインの接合リークが大きいという問題である。この第1の従来例の構造においては、SiGeバッファ層62の厚さは500nmというかなり大きい値になっているが、他の類似の従来例においても数100nmから1μm程度以上の厚さとなっている。これはSiGeバッファ層62の転位密度を充分低減し、もってチャネル層64に及ぶ転位密度を低減させるために必要な厚さである。このとき、ソース・ドレイン拡散領69域下部とSiGeバッファ層62との界面には、p+−n接合面(pチャネルの場合)またはn+−p接合面(nチャネルの場合)が形成される。
【0012】
ここで、SiGeバッファ層62のGe組成は50atm%程度以上と高いため、バンドギャップの値がSiのバンドギャップの値の75−60%程度になる。pn接合の逆バイアス飽和電流は、拡散電流と再結合電流の和で表される。それぞれの成分は真性キャリア密度の2乗、1乗にそれぞれ比例する。真性キャリア密度は、バンドギャップエネルギーが小さいほど大きくなり、例えばGeの真性キャリア密度はSiの千倍以上大きな値である。したがって、第1の従来例におけるソース・ドレイン領域69とSiGeバッファ層62の間の接合リークあるいはオフ電流はSiに比べ2桁から4桁も大きくなるという問題が生じる。SiGeバッファ層62中の転位を介したリーク電流も考えると、さらにオフ電流は大きくなる。これは、大規模な回路を形成したときの消費電力の大幅な増大という問題を引き起こす。もし仮に、このリークを低減するため、Ge組成の低いSiGeバッファ層62を使うと、今度はGeチャネル層64との間の格子定数差が大きくなり、チャネルに転位が生じるか、あるいはひずみを解放するために表面に凹凸が出来てしまう。したがって、第1の従来例においては、Ge組成が50atm%以上の厚いSiGeバッファ層62を使用せざるを得ないため、ソース−ドレイン間、あるいはドレイン−基板間のリークはSiベースのトランジスタに比べて数桁大きくなる事は避けられない。
【0013】
次に、第2の従来例の問題点について述べる。図3(b)に、第2の従来例のチャネル近傍におけるバンド構造を示す。図3(b)から分かるように、ひずみSiチャネル層74の価電子帯のエネルギーはSiGeバッファ層73の価電子帯端のエネルギーよりも低いため、正孔チャネルを形成するためにゲートに負のバイアスをかけると、表面チャネルが形成するより先にひずみSiチャネル層74とSiGeバッファ層73界面に埋め込みチャネルが形成されてしまう。
【0014】
図15に第2の従来例のトランジスタとSi−MOSFETの電流(log(Id)−電圧(Vg)曲線を示す。前述の埋め込みチャネルの存在により、図15に示すように、閾値電圧付近の特性が悪化する(Sファクターが増加する)。この埋め込みチャネルの影響はひずみSiチャネル層74の膜厚が薄くなるほど顕著になる。即ち、微細化するほど影響が大きくなる。したがって、微細MOSFETを作製した際に、閾値電圧を低く設定する事は難しい。
【0015】
また、図16に第2の従来例のトランジスタとSi−MOSFETの(Vg(ゲート電圧)−Vth(閾値電圧))−電流特性を示す。この埋め込みチャネルの移動度はSiGeバッファ層における合金散乱の影響で移動度が低い。従って、図16に示すように、通常の表面チャネルSi−MOSFETの駆動力に比べ、第2の従来例においては、低ゲート電圧においては駆動力が低くなってしまう。以上の理由により、第2の従来例においては低消費電力化が困難である。
【0016】
本発明は、ソース−ドレイン間、あるいはドレイン、基板間のリーク電流が小さく、また、低消費電力化が可能な電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【0017】
また、本発明は上記電界効果トランジスタが容易に得られる半導体基板を提供することを目的とする。
【0018】
また、酸化膜上のSiGe層の製造方法についてみると、まず(1)の方法においては、下地のSOIが必要なので、その分酸化膜上の半導体層の厚さが増加し、FETを作製する際の短チャネル化の妨げとなる。また、SOI上にSiGeをエピタキシャル成長し、緩和させるためにアニール処理すると、SOI層中に転位が生じる。
【0019】
また、(2)の方法においては、Si基板上に数μmの厚さのSiGeバッファ層を成長し、その上に所望の組成のSiGe薄膜を形成している。この場合、必然的にクロスハッチと呼ばれる1μm程度の周期の表面のうねりが生じる。更に、バッファ層中に残留している転位を完全に取り除く事は難しく、表面付近で106cm−2程度の密度で転位が生じてしまうという問題がある。Ge組成が高くなるほど、転位密度は増加する傾向がある。
【0020】
(3)においてはGe組成を高くするとアニール時にGeが酸素と結合して蒸発し連続的な埋め込み酸化膜が形成されなかったり表面が荒れてしまったりする。
【0021】
酸化膜上にSiGe層を製造するにあたりGe組成を高く(30atm%以上)しても、酸化膜上の積層構造膜厚の増加、転位の発生、あるいは表面の荒れを抑制することができる半導体基板の製造方法が求められている。
【0022】
本発明は、支持基体と、前記支持基体上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、かつソース領域及びドレイン領域が形成された半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えた電界効果トランジスタを備える半導体装置において、前記半導体層は、前記絶縁膜と接する側に設けられたGe組成が30atm%以上のSiGe領域と、前記絶縁膜と反対側の表面に設けられた、前記SiGe領域よりGe組成が高いSiGeもしくはGeのチャネル領域を備え、かつ前記SiGeもしくはGeのチャネル領域と前記ゲート絶縁膜との間に存在する厚さが2nm以下のSi層を具備することを特徴とする半導体装置である。
【0023】
また、本発明は、支持基体上に、絶縁膜、Ge組成が30atm%以上のSiGe層を備える第1の半導体層、及び前記第1の半導体層よりGe組成の高いSiGe層もしくはGe層を備える第2の半導体層が順次積層されてなる基板上に、ゲート絶縁膜、ゲート電極が順次積層され、かつ前記第1及び第2の半導体層にはソース領域及びドレイン領域が形成されてなり、かつ前記第2の半導体層とゲート絶縁膜との間に、厚さが2nm以下のSi層を具備する電界効果トランジスタを備えることを特徴とする半導体装置。
【0024】
また、本発明は、支持基体上に、絶縁膜、Ge組成が30atm%以上のSiGe層である第1の半導体層、前記第1の半導体層よりGe組成の高いSiGe層もしくはGe層である第2の半導体層、前記第2の半導体層上に存在する厚さが2nm以下のSi層が順次積層されてなることを特徴とする半導体基板である。
【0025】
なお、半導体基板の第1の製造方法として、支持基体上に、絶縁膜と、SiとGeとを含む半導体層とが順次積層された積層構造を形成する工程と、前記半導体層に酸化処理を施すことによりSi酸化膜と、前記半導体層よりGe組成の高いSiGe層を生成せしめる工程とを行うことを特徴とする半導体基板の製造方法を示す。
【0026】
また、半導体基板の第2の製造方法として、支持基体上に絶縁膜を介して形成されたSi層またはSiGe層上にSiとGeを含む半導体層を形成する工程と、前記半導体層に酸化処理を施すことによりSi酸化膜と、前記半導体層よりGe組成の高いSiGe層を生成せしめる工程を行うことを特徴とする半導体基板の製造方法を示す。
【0027】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電界効果トランジスタは、支持基体と、前記支持基体上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、かつソース領域及びドレイン領域が形成された半導体層と、前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えた電界効果トランジスタであって、前記半導体層は、前記絶縁膜と接する側に設けられたGe組成が30atm%以上のSiGe領域と、前記絶縁膜と反対側の表面に設けられた、前記SiGe領域より多くGeを含むSiGeもしくはGeのチャネル領域を備えている。
【0028】
Ge組成が30atm%以上のSiGeとはSi1−xGex(1>x≧0.3)で表される化合物である。
【0029】
電界効果トランジスタの一実施形態を示す概略図を図1に示す。支持基体1上に絶縁膜2が形成され、その絶縁膜2上に半導体層が形成されている。絶縁膜2は支持基体1と前記半導体層とを電気的に絶縁するものであり、例えばSi酸化膜などが挙げられる。前記半導体層は、Ge組成が30atm%以上の高Ge組成のSiGeバッファ層3(第1の半導体層)と、第1の半導体層より高いGe組成のSiGe層もしくはGe層からなるチャネル層4(第2の半導体層)が積層されてなるものが挙げられる。基板5は、前記支持基体1、絶縁膜2、第1の半導体層、及び第2の半導体層が積層してなるものである。前記基板5にはソース・ドレイン領域6が形成され、それぞれソース電極(図示せず)、ドレイン電極(図示せず)に接続されている。さらにゲート絶縁膜7およびゲート電極8が積層されて電界効果トランジスタを構成している。
【0030】
本実施形態に係る電界効果トランジスタは、絶縁膜2上に高Ge組成のSiGeバッファ層3とGe層もしくはSiGe層からなるチャネル層4が積層されている。それにより、従来問題であったソース、ドレイン間のリーク電流を実用可能なレベルまで抑制する事が出来る。また、GeもしくはSiGeチャネルの高移動度を生かした低消費電力・高速動作が可能な集積回路を得ることができる。
【0031】
以下さらに詳細に説明する。
【0032】
SiGeバッファ層3上に形成されるチャネル層4にはSiGeバッファ層3とチャネル層4との格子定数の差に起因し結晶構造にひずみが導入される。それによりチャネル層4における正孔および電子の移動度がSiの正孔および電子移動度を大幅に上回り、素子を高速化できる。チャネル層4においてはひずみが導入されない場合であっても良く、その場合でも電子、正孔の移動度はSiに比べ十分大きくなる。しかしながらひずみが導入されていた方が電子、正孔の移動度がより高くなる。
【0033】
また、図2に、第1の従来技術と本実施形態に係る電界効果トランジスタにおけるソース領域またはドレイン領域部分のpn接合部分の拡大図を示す。図2(a)は、図13に示す第1の従来例に係る電界効果トランジスタのソース領域又はドレイン領域のpn接合部分の拡大図である。図2(b)は図1に示す本実施形態に係る電界効果トランジスタの基板におけるソース領域又はドレイン領域のpn接合部分の拡大図である。図2(b)に示す本実施形態の電界効果トランジスタにおいては、絶縁膜2上に形成されたSiGeバッファ層3とチャネル層4とにソース・ドレイン領域6が形成されている。絶縁膜2の存在により、支持基体へのリーク電流は完全に抑制される。また、pn接合面の面積が大幅に減少すること、およびゲート電圧をかけることによりチャネル層4、SiGeバッファ層3がいずれも空乏化されることにより、ソース−ドレイン間のリーク電流は第1の従来例に比べ著しく減少する。
【0034】
これに対し、図2(a)に示す第1の従来例の電界効果トランジスタの基板においては、厚い(>500nm)バッファ層62上にi−Geチャンネル層64及びSiGeキャップ層67が積層されている。また、ソースあるいはドレイン領域69が形成されている。図2(a)では図2(b)の如くの絶縁膜2が存在しないため、支持基体へのリークが生じる。また、pn接合の面積が大きいこと、バッファ層62中に残存する転移のためソース、ドレイン間のリーク電流は本実施形態に比べ著しく大きくなる。
【0035】
また、図3(a)に、本実施形態に係る電界効果トランジスタのチャネル層近傍におけるバンド構造を示す。本実施形態の如くの構成にすると図3(a)から分かるように、チャネル層(Ge)4の価電子帯のエネルギーはSiGeバッファ層(Si 0.3 Ge 0.7 )3の価電子帯端のエネルギーよりも高くなるため、正孔チャネルを形成するためにゲート電極に負のバイアスをかけると、表面チャネルのみが形成される。したがって第2の従来例の如く埋め込みチャネルの存在しないことにより、閾値電圧付近の特性が悪化せず、閾値電圧を低く設定する事ができる。また、低ゲート電圧においての駆動力を高くすることができる。以上の理由により、低消費電力化が実現できる。
【0036】
なお、従来のSi−MOSFETにおいても、同様な構造のSOI基板が使用されているが、これは主に基板−配線間の寄生容量や領域の接合容量を小さくする事による高速化を目的としている。本実施形態における絶縁膜2の役割は、SiGeもしくはGeチャネル層に対してはオフ電流の抑制であり、実用上本質的であるのに対し、従来のSi−MOSFETに対しては、付加的な機能を与えるに過ぎない。
【0037】
本実施形態の電界効果トランジスタにおいては、SiGeバッファ層3(第1の半導体層)の転位密度が10 6 cm − 2以下であることが望ましい。それにより素子あるいはLSIの歩留まりを実用的なレベルにすることが出来る。転位密度はより好ましくは10 4 cm −2 以下である。
【0038】
また、SiGeバッファ層3(第1の半導体層)のGe組成の深さ方向分布が実質的に均一であるとSiGeバッファ層3中にひずみが蓄積しないので転移が発生しにくい。よって転位密度を低減するためにはSiGeバッファ層3(第1の半導体層)のGe組成の深さ方向分布が実質的に均一であることが望ましい。
【0039】
本実施形態の電界効果トランジスタにおいて、チャネル層4(第1の半導体層)とゲート絶縁膜7間にはSiキャップ層が設けられていることが望ましい。これにより電界効果トランジスタの製造工程におけるSiGe又はGe表面の酸化を防ぐ。さらに、ゲート絶縁膜7との界面がSiGe又はGe中に形成される事を防ぎ、もって界面準位の増大を防ぐことができる。さらに、Siキャップ層の膜厚がSiGeバッファ層3に対する臨界膜厚(格子定数の不整合により転位の発生する最小の厚さ)以下であると、転位が発生しない。これらの効果により、キャリアの移動度を高く保つ事ができる。
【0040】
また、本発明の半導体基板は、本発明に係る電界効果トランジスタを製造するために用いられ、例えばSiGeバッファ層3及びチャネル層4に相当する高Ge組成の層を2層有する半導体基板であり、本発明の半導体基板を用いて電界効果トランジスタを製造すれば、ソース−ドレイン間、あるいはドレイン−基板間のリーク電流が小さく、また、高速動作、低消費電力化が可能な電界効果トランジスタを提供することができる。
【0041】
本実施形態の半導体基板においては、SiGeバッファ層3(第1の半導体層)の転位密度が10 6 cm −2 以下であることが望ましい。それにより半導体装置あるいはLSIの歩留まりを実用的なレベルにすることが出来る。転位密度はより好ましくは10 4 cm −2 以下である。
【0042】
本実施形態の半導体基板においては、SiGeバッファ層3(第1の半導体層)のGe組成の深さ方向分布が実質的に均一であることがのぞましい。
【0043】
また、例えば本発明に係る電界効果トランジスタ用にはSiGeバッファ層として高Ge組成(30atm%以上)のSiGe層が形成された半導体基板が必要である。その高Ge組成のSiGe層を有する半導体基板を製造するために用いられる第1及び第2の半導体基板の製造方法においては、支持基体上に形成された絶縁膜上に直接、もしくは前記絶縁膜に上形成されたSi層またはSiGe層上に、低Ge組成のSiとGe層を含む半導体層を作成し酸化処理、具体的には酸化性雰囲気で加熱処理することによりSi酸化膜の生成と同時にGeが濃縮された高Ge組成のSiGe層の生成を行うものである。
【0044】
すなわち低Ge組成のSiとGe層を含む半導体層に酸化処理を施すことにより、低Ge組成のSiとGe層を含む半導体層の表面からSi原子が選択的に酸化されてSi酸化膜を形成し、さらに形成されたSi酸化膜からGe原子が吐き出され、前記半導体層の内部のSiとGeを含む半導体層中に蓄積される。これは、SiO 2 のSi−O間の結合がGeO 2 またはGeOのGe−O結合に比べて化学的に安定であるため、酸素原子が優先的にSi原子と結合するためである。したがってGeが濃縮されて高Ge組成のSiGe層とSi酸化膜が生成する。
【0045】
このとき生成したSi酸化膜を必要に応じて除去すればよい。さらに必要に応じてチャネル層等を形成する工程を行う。
【0046】
第1及び第2の製造方法によれば、SiとGeを含む半導体層に対し酸化処理、具体的には酸化性雰囲気で加熱処理することによりGe原子がSiとGeを含む半導体層中で十分に拡散し、生成したSiGe層中のGe濃度が均一になる。この層を例えば本発明に係る電界効果トランジスタにおけるSiGeバッファ層として用いれば、Ge組成の不均一によるSiGeバッファ層内部のひずみは生じない。その結果、十分格子緩和した上で、転位密度を10 6 cm −2 以下に抑制する事が出来る。
【0047】
図4、図5を用いてこれを説明する。図4は前記半導体基板の製造方法において前記SiとGeを含む半導体層の酸化中のGe組成分布を説明する図である。Ge原子がSiとGeを含む半導体層(Si 1−x Ge x )中でGe原子が界面に蓄積するか拡散するかは、大雑把に言えば、単位時間あたりのGeの拡散長と、酸化によってSiGeが消費される厚さ(消費率)の大小関係によってきまると考えてよい。拡散長が消費率より大きければ、GeはSiGe層中に拡散しGe組成は深さ方向に均一になり、逆であれば界面に蓄積する(図4)。
【0048】
図5はSi中のGe原子の拡散長と、酸化により単位時間あたりにSiGeが消費される厚さとの関係を示す図である。図5(a)を見ると、雰囲気ガスが100%O2である場合950℃以上であれば、拡散長が消費率を常に上回っていることがわかる。
【0049】
ただし、酸化直後の消費率を見ると、950℃以上においても拡散長と同程度の値であり、酸化直後においては界面にGeがある程度蓄積する。蓄積領域の膜厚が臨界膜厚より十分薄ければ問題ないが、同程度か厚くなった場合には転位が発生する。この様な酸化直後における転位発生のリスクを低減するためには、温度を変えずに(即ち拡散長を変えずに)消費率を小さくしてやればよい。そのために、雰囲気ガスとして不活性ガスで希釈した酸素ガスを用いることが望ましい。消費率はほぼ酸素分圧に比例するので、50%に希釈した酸素ガスを用いると消費率はほぼ半分になり、拡散長に対して十分大きなマージンが得られる(図5(b))。そのため50%以下に希釈した酸素ガスを用いることが望ましい。
【0050】
また、第1及び第2の製造方法によれば、Si酸化膜が粘性流体的になり、SiGe層とSi酸化膜との界面が滑りよくなり、SiGe層のGe組成の増大に伴う格子定数の増大が妨げられない。これらの効果により、転位を発生することなくGe濃縮と薄膜化と格子緩和を同時に達成できる。また、表面の荒れも少なくなる。
【0051】
以上の結果、得られたSiGe層上にさらにチャネル層を形成した際に従来の方法に比べて転位密度の低いチャネル層を得ることが出来るので、キャリアの移動度を高く保つ事ができ、かつリーク電流を抑制できる電界効果トランジスタを提供することができる。
【0052】
【実施例】
(実施例1)
図6に、第1の実施例の電界効果トランジスタの概略図を示す。本実施例は、支持基体11として(001)Si基板を用い前記支持基体上に絶縁膜12である埋め込み酸化膜、第1の半導体層であるSiGeバッファ層13、第2の半導体層であるひずみGeからなるチャネル層14、Siキャップ層15が積層されてなる半導体基板16にゲート絶縁膜17、ゲート電極18が順次積層されている。SiGeバッファ層13とチャネル層14におけるゲート領域の両端にはソース、ドレイン電極にオーミック接触を得るためのソース領域及びドレイン領域19および金属との反応層20が形成されている。
【0053】
支持基体11として用いるSi基板11の面方位としては、(001)だけではなく、他の面方位、例えば(111)基板、(110)基板を用いても良い。
【0054】
チャネル層14の厚さは3nm以上の厚さがあることが望ましい。3nm以上の厚さが必要である理由は、キャリアの大部分をチャネル層14中に閉じ込めるためである。すなわち、ゲート絶縁膜17直下に形成される反転層チャネルの深さ方向の幅が5nm程度であり、Siキャップ層15の厚さを考慮してもチャネル層14の厚さは少なくとも3nmは必要となる。
【0055】
また、チャネル層14の膜厚はSiGeバッファ層13のGe組成に応じた臨界膜厚によって上限が存在する。例えば、Ge組成が70atm%の時、チャネル層14厚の上限は5nmとなる。
【0056】
SiGeバッファ層13の厚さは原理的には任意に設定しえる。しかしゲート長が100nm以下の電界効果トランジスタを作製する場合、短チャネル効果を抑制するためにチャネル層14とSiGeバッファ層13を合わせた膜厚はチャネル領域において35nm以下であることが望ましい。
【0057】
SiGeバッファ層13のGe組成は30atm%以上である。SiGeバッファ層13に含まれるGe組成が30atm%未満であるとチャネル層14のひずみが大きくなり3nm以上の厚さで平坦な膜が得られなくなるからである。
【0058】
さらに望ましくは60atm%以上が望ましい。SiGeバッファ層13のGe組成が60atm%未満の場合、チャネル層14を3nm以上積層すると、チャネル層4に転位が生じる可能性があるからである。これは、SiGeバッファ層13のGe組成60atm%に対するGeの熱力学的臨界膜厚が3nmだからである。
【0059】
更に望ましいGe組成の範囲は、60atm%以上80atm%以下である。この上限値80atm%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80atm%以下であると、チャネル層14の正孔のフォノン散乱移動度が、チャネル層14に加えられるひずみの影響で、無ひずみのGeに対する移動度の2倍以上になる。
【0060】
チャネル層14はGe層であるが、SiGeバッファ層13より高Ge組成のSiGe層であってもよい。チャネル層14のGe組成が高いほどキャリア移動度が高くなるのでGe層からなるチャネル層が最も望ましい。
【0061】
チャネル層14の表面を保護するためにチャネル層14とゲート絶縁膜17との間に極薄のSiキャップ層15が積層されていることが望ましい。チャネル層14上のSiキャップ層15は、トランジスタの製造工程におけるGe表面の酸化を防ぐ。さらに、ゲート絶縁膜17との界面がチャネル層14中に形成される事を防ぎ、もって界面準位の増大を防ぐ。またSiキャップ層15の膜厚は、転位を生じさせないため、2nm以下であることが望ましい。これはSiGeバッファ層13のGe組成が80atm%の場合のSiキャップ層の熱力学的臨界膜厚は2nmであるからである。
【0062】
さらに、このSiキャップ層15厚は薄いほど好ましいが、膜厚の揺らぎ等を考慮すると0.5nm以上の膜厚であることが望ましい。
【0064】
ゲート絶縁膜17としては、図7のようなZrシリケート/ZrO 2 の積層膜を用いることができる。図7においてZrシリケート層21上にZrO 2 層22が積層されている。ここでシリケートとはSiO 2 中にZr,Hf,Laなどの金属が固溶した物質である。
【0065】
また、ゲート絶縁膜17の材料としてはSi酸化膜(SiO2)はもちろん、Si窒化膜(Si3N4)、Si酸窒化膜(SiOxNy)、Al2O3、Ta2O5、TiO2、Ya2O3等の高誘電体ゲート絶縁膜も用いる事が出来る。
【0066】
ソース領域及びドレイン領域19の膜厚はゲート長100nm以下の場合35nm以下に抑えなければならない。このときそのままではソース・ドレイン領域が薄いことに起因する寄生抵抗が増加する。これを抑えるため、ソース・ドレイン領域はゲート側壁下部近傍までSiおよびGeと金属(Co,Ti,Ni)との化合物20(シリサイド、ジャーマナイド)とすることにより抵抗を低く抑えることができる。
【0067】
ゲート電極18としては、p型またはn型にドーピングされたポリSiまたはポリSiGeを用いる事ができる。Wなどの金属を用いる事も可能である。
【0068】
次に、本実施例の電界効果トランジスタの製造方法を図8を用いて説明する。
【0069】
まず、支持基体であるSi層31上に埋め込み酸化膜32およびSOI膜33が形成されたSOI基板34(SOI膜33の厚さ20nm)上に、UHV−CVD法またはMBE法またはLP−CVD法にてSi 0.9 Ge 0.1 膜35を56nm、Si層36を5nmエピタキシャル成長する。この時、各膜厚は成長温度における臨界膜厚未満とすることにより、転位は生じない[図8(1)]。このときSOI基板34の代わりにSi基板上に酸化膜を形成した基板、Si基板上に酸化膜及びSiGe層を順次形成した基板を用いても良い。
【0070】
つぎに、このウェハーを酸化炉に投入して加熱し、酸化処理を行う。それによりSi0.9Ge0.1膜35よりも多くGeを含有するSiGe層(Si0.3Ge0.7層)37とSi酸化膜38が形成される。加熱は窒素で50%に希釈した酸素ガスを用いて1000℃にて16時間、生成したSiGe層37が8nmになるまで酸化を行う。あるいは、1000℃、50%酸素で3時間酸化後、100%酸素に切り替えてあと8時間20分酸化する。あるいは、1050℃、50%酸素で1時間23分酸化後、温度を1000℃に下げ、100%酸素で8時間20分酸化する。酸化の結果、SiGe層37のGe組成は70atm%に濃縮される[図8(2)]。
【0071】
ここで、酸化温度はSiGe層37の融点を超えないように注意しなければならない。本実施例のように、Ge組成70atm%のGeを含有するSiGe層37を得るためには、最終的な酸化温度は1025℃以下でなければならない。酸化時間を短縮するためには、SiGe層37中のGe組成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。
【0072】
次に、Si酸化膜38を剥離、表面洗浄の後、再びUHV−CVD法またはMBE法またはLP−CVD法にて厚さ5nmのSi0.3Ge0.7の組成を有するSiGeバッファ層37´、厚さ5nmのGeからなるGeチャネル層39を順次形成する。
【0073】
引き続き、Geチャネル層39上にSiキャップ層としてアモルファスSi層40を2nm堆積する。アモルファスSiを堆積するためには、基板温度を300℃以下に下げてからSi原料(Si原子またはシランガスまたはジシランガス)を供給すればよい[図8(3)]。Geチャネル層39上にSi層40をアモルファス状態で堆積することにより、格子不整合に起因する表面の凹凸やアイランドの形成を防ぎ、平坦な表面を得ることが出来る。このアモルファスSi層は後工程で結晶化するが、その際Si層表面は酸化膜で覆われているため、Siが結晶化する際にも表面の平坦性は保たれる。したがって、電界効果トランジスタを形成した際、キャリアの移動度を高く保つ事ができる。
【0074】
一方、Geチャネル層39上にSiを直接エピタキシャル成長すると、格子不整合に起因する表面の凹凸やアイランドが形成されてしまうため望ましくない。
【0075】
次に、塩酸・過酸化水素混合液でアモルファスSi層40表面に0.5nm程度のSi酸化膜(図示せず)を形成後、ゲート絶縁膜としてZrO2膜41をレーザーアブレーション、またはスパッタ法にて堆積し、引き続きポリSiGeゲート電極42を堆積する[図8(4)]。この時、基板温度が500℃以上になるので、アモルファスSi層40は固相成長して結晶化する。
【0076】
このようにして得られたウェハーにソース・ドレイン領域43などを形成し、通常のMOSFETプロセスと同様にしてトランジスタに加工する[図8(5)]。
【0077】
ここで、図8(2)に示す高Ge組成のSiGe層37を有する構造を得るための別の方法を示す。まず、Si基板上に厚さ1μmの傾斜組成Si1−xGex層(x=0→0.1)、厚さ1.5μmのSi0.9Ge0.1層、厚さ20nmのSi層をUHV−CVD法またはMBE法またはLP−CVD法にて積層する。
【0078】
つぎに、酸素イオンを加速電圧160 keV、ドーズ量4x1017atoms/cm2注入し、900℃で表面に熱酸化膜を10nm以上形成する。酸素イオンを打ち込むSiGe層のGe組成が10atm%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30atm%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出来ない[Y.Ishikawaet al., Appl. Phys. Lett., 75, 983 (1999)]。
【0079】
つぎに酸素をわずか(0.5%)に含むアルゴンガス雰囲気中で1300℃、4時間アニールすると、酸化膜−SiGe界面から300nm基板側に埋め込み酸化膜が形成される。この埋め込み酸化膜からはGeが排除され、ほぼ純粋なSiO2となる。次に、該ウェハーを弗酸・硝酸混合液にてSiGe層が56nmになるまでエッチングする。
【0080】
次に、酸素雰囲気中でSiGe層が8nmになるまで酸化するとGe組成が70atm%にまで増大し、図8(2)の構造ができる。
(実施例2)
図9に、第2の実施例の電界効果トランジスタの概略図を示す。本実施例においては、ソース・ドレイン領域の膜厚が薄いことに起因する寄生抵抗の増加を抑えるため、実施例1の図6に示すトランジスタにおいて、ソース・ドレイン領域19の表面を選択CVD法によりAlまたはWの薄膜50で覆っている。
(実施例3)
図10に、第三の実施例の電界効果トランジスタの概略図を示す。本実施例においては、寄生抵抗を抑えるため、実施例1の図6に示すトランジスタにおいて、ソース・ドレイン領域19の上に選択的にSi0.3Ge0.7層51を堆積し、ソース・ドレイン領域厚を100nmまで厚くしている。この構造を作製するためには、一旦全面にSiO2マスクを堆積した後、ソース・ドレイン領域上部表面のみを露出させ、選択CVD法によりSiGe層を堆積すればよい。
(実施例4)
図11に、第四の実施例の電界効果トランジスタの概略図を示す。本実施例は、実施例1の図6に示すトランジスタにおいて、SiGeバッファ層13が2層構造となっている。酸化によって形成されたGe組成55atm%、厚さ5nmの第1のバッファ層52上にGe組成75atm%、厚さ10nmの第2のバッファ層53が積層されている。本実施例によれば、Geチャネルに加えられるひずみが、第2のバッファ層の存在により第1のバッファ層だけの場合に比べ増大する。したがって、第1の実施例に比べ、第1のバッファ層のGe組成を低く抑える事が出来るので、酸化時の膜厚制御のマージンが増大し、歩留まりが向上する。
【0081】
なお、この実施例の変形例として、第2のバッファ層のGe組成が表面に近づくにつれて連続的、または段階的に増大する構造も可能である。
(実施例5)
図12に、図6に示す第1の実施例に示す電界効果トランジスタをCMOSインバータに適用した例を示す。pチャネルとnチャネルのMOSFETは埋め込み酸化膜に達するトレンチ(溝)によって絶縁されている。また、基板11は閾値を調整するためのバックゲートとして機能するようにバイアスされている。
【0082】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明の半導体装置及び半導体基板によればSi−MOSFETよりも低消費電力で高速動作が可能なMISFETを得ることが出来る。また、これらのMISFETを用いて、従来よりも低消費電力で高速動作が可能な集積回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る電界効果トランジスタの一実施形態を示す概略図。
【図2】 第1の従来技術と本実施形態に係る電界効果トランジスタにおけるソース領域またはドレイン領域部分のpn接合部分の拡大図。
【図3】 本実施形態と第2の従来技術に係る電界効果トランジスタのチャネル層近傍におけるバンド構造を示す図。
【図4】 半導体基板の製造方法におけるSiとGeを含む半導体層を酸化中のGe組成分布を説明する図。
【図5】 Si中のGe原子の拡散長と、酸化により単位時間あたりにSiGeが消費される厚さとの関係を示す図。
【図6】 第1の実施例の電界効果トランジスタの概略図。
【図7】 ゲート絶縁膜の一例を示す概略図。
【図8】 第1の実施例の電界効果トランジスタの製造方法を示す工程図。
【図9】 第2の実施例の電界効果トランジスタの概略図。
【図10】 第3の実施例の電界効果トランジスタの概略図。
【図11】 第4の実施例の電界効果トランジスタの概略図。
【図12】 第1の実施例に示す電界効果トランジスタをCMOSインバータに適用した例を示す概略図。
【図13】 第1の従来例の電界効果トランジスタ構造を示す概略図。
【図14】 第2の従来例の電界効果トランジスタ構造を示す概略図。
【図15】 第2の従来例のトランジスタとSi−MOSFETの電流(log(Id)−電圧(Vg)の関係を示す特性図。
【図16】 第2の従来例のトランジスタとSi−MOSFETの(Vg(ゲート電圧)−Vth(閾値電圧))−電流の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1・・・支持基体
2・・・絶縁膜
3・・・SiGeバッファ層(第1の半導体層)
4・・・チャネル層(第2の半導体層)
5・・・基板
6・・・ソース領域、ドレイン領域
7・・・ゲート絶縁膜
8・・・ゲート電極
11・・・支持基体
12・・・絶縁膜
13・・・第1の半導体層(SiGeバッファ層)
14・・・第2の半導体層(ひずみGeからなるチャネル層)
15・・・Siキャップ層
16・・・半導体基板
17・・・ゲート絶縁膜
18・・・ゲート電極
19・・・ソース領域及びドレイン領域
20・・・金属との反応層
31・・・Si層
32・・・埋め込み酸化膜
33・・・SOI膜
34・・・SOI基板
35・・・Si 0.9 Ge 0.1 膜
36・・・Si層
37・・・高Ge組成のSiGe層(Si 0.3 Ge 0.7 層)
37´ ・・・SiGeバッファ層
38・・・Si酸化膜
39・・・Geチャネル層
40・・・アモルファスSi層
41・・・ゲート絶縁膜
42・・・ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-speed, low-power-consumption field effect transistor, in particular, a semiconductor device including a field effect transistor having strained Ge or strained SiGe as a channel layer, and a semiconductor substrate used for obtaining the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Ge hole and electron mobility subjected to compressive strain in a plane parallel to the substrate may exceed Si hole and electron mobility in both p and n channels by selecting an appropriate plane orientation. Are known.
[0003]
FIG. 13 shows one of conventional transistor structures using this strained Ge as a channel (first conventional example). This structure is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-196436. This structure isp-Si on the n-
[0004]
This structure is a so-called modulation-doped FET (MODFET), which is a p-Si that is a doping layer separated from the i-Ge channel layer 64.0.5Ge0.5
[0005]
A structure similar to this structure is described in E.I. Murakami et al. , IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41, p. 857 (1994), and Y.M. H. Xie et al. , Applied Physics Letters Vol. 63, p. 2263 (1994).
[0006]
As another conventional technique, a transistor using strained Si subjected to in-plane tensile strain as a channel is also known. The carrier mobility of strained Si is also known to exceed that of Si in both p and n channels, as in the case of strained Ge. Therefore, these transistors are larger at the same gate size than Si channel transistors. Driving force can be obtained. Among them, a transistor structure considered to have the highest practicality is shown in FIG. 14 (second conventional example).
[0007]
This structure has been proposed and demonstrated by a research group including the present inventors (T. Mizuno, S. Takagi, N. Sugiyama, J. Koga, T. Tetsuka, K. Usuda, T. Hatakeyama, A. Kurube, and A. Toriumi, IEDM Technical Digests p.934 (1999)).
[0008]
In this structure, a buried
[0009]
In this structure, in addition to the high carrier mobility due to the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
First, the problem that arises when the first conventional example is put to practical use is that the source / drain junction leakage is large. In the structure of the first conventional example, the thickness of the
[0012]
Here, since the Ge composition of the
[0013]
Next, problems of the second conventional example will be described. FIG. 3B shows a band structure in the vicinity of the channel of the second conventional example. As can be seen from FIG. 3B, since the energy of the valence band of the strained
[0014]
15 shows a current (log (Id) -voltage (Vg) curve of the transistor and the Si-MOSFET of the second conventional example. Due to the presence of the above-described buried channel, characteristics near the threshold voltage are obtained as shown in FIG. (The S factor increases.) The effect of the buried channel becomes more significant as the thickness of the strained
[0015]
FIG. 16 shows (Vg (gate voltage) -Vth (threshold voltage))-current characteristics of the transistor of the second conventional example and the Si-MOSFET. The mobility of the buried channel is low due to the influence of alloy scattering in the SiGe buffer layer. Therefore, as shown in FIG. 16, in the second conventional example, the driving power is low at a low gate voltage as compared with the driving power of a normal surface channel Si-MOSFET. For the above reasons, it is difficult to reduce power consumption in the second conventional example.
[0016]
An object of the present invention is to provide a field effect transistor which has a small leakage current between a source and a drain or between a drain and a substrate and can reduce power consumption.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor substrate from which the field effect transistor can be easily obtained.
[0018]
As for the method of manufacturing the SiGe layer on the oxide film, first, the method (1) requires a base SOI, so that the thickness of the semiconductor layer on the oxide film increases accordingly, and an FET is manufactured. This hinders the shortening of the channel. Further, when SiGe is epitaxially grown on the SOI and annealed for relaxation, dislocation occurs in the SOI layer.
[0019]
In the method (2), a SiGe buffer layer having a thickness of several μm is grown on a Si substrate, and a SiGe thin film having a desired composition is formed thereon. In this case, undulation of the surface having a period of about 1 μm, which is inevitably called a cross hatch, occurs. Furthermore, it is difficult to completely remove dislocations remaining in the buffer layer, and 106cm-2There is a problem that dislocations occur at a certain density. As the Ge composition increases, the dislocation density tends to increase.
[0020]
In (3), when the Ge composition is increased, Ge is combined with oxygen during evaporation to evaporate, and a continuous buried oxide film is not formed or the surface becomes rough.
[0021]
Semiconductor substrate capable of suppressing an increase in the thickness of the laminated structure on the oxide film, generation of dislocations, or surface roughness even when the Ge composition is high (30 atm% or more) in manufacturing the SiGe layer on the oxide film There is a need for a production method.
[0022]
The present invention includes a support base, an insulating film formed on the support base, a semiconductor layer formed on the insulating film and having a source region and a drain region, and formed on the semiconductor layer. In a semiconductor device including a field effect transistor including a gate insulating film and a gate electrode formed on the gate insulating film, the semiconductor layer has a Ge composition of 30 atm% or more provided on the side in contact with the insulating film And a SiGe or Ge channel region having a Ge composition higher than that of the SiGe region provided on the surface opposite to the insulating film.And a Si layer having a thickness of 2 nm or less existing between the SiGe or Ge channel region and the gate insulating film.This is a semiconductor device.
[0023]
In addition, the present invention includes an insulating film, a first semiconductor layer including a SiGe layer having a Ge composition of 30 atm% or more, and a SiGe layer or a Ge layer having a Ge composition higher than that of the first semiconductor layer on a support substrate. A gate insulating film and a gate electrode are sequentially stacked on a substrate on which a second semiconductor layer is sequentially stacked, and a source region and a drain region are formed in the first and second semiconductor layers,In addition, a Si layer having a thickness of 2 nm or less is provided between the second semiconductor layer and the gate insulating film.A semiconductor device comprising a field effect transistor.
[0024]
The present invention also provides an insulating film, a first semiconductor layer that is a SiGe layer having a Ge composition of 30 atm% or more, a SiGe layer or a Ge layer that has a Ge composition higher than that of the first semiconductor layer. Two semiconductor layers,Si layer having a thickness of 2 nm or less present on the second semiconductor layerIs a semiconductor substrate characterized by being sequentially laminated.
[0025]
Note that, as a first manufacturing method of a semiconductor substrate, a step of forming a stacked structure in which an insulating film and a semiconductor layer containing Si and Ge are sequentially stacked on a supporting base, and an oxidation treatment on the semiconductor layer are performed. A method of manufacturing a semiconductor substrate, comprising performing a Si oxide film and a step of forming a SiGe layer having a Ge composition higher than that of the semiconductor layer by performing the process.
[0026]
Further, as a second method for manufacturing a semiconductor substrate, a step of forming a semiconductor layer containing Si and Ge on a Si layer or SiGe layer formed on a support base via an insulating film, and an oxidation treatment on the semiconductor layer A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising performing a step of forming a Si oxide film and a SiGe layer having a Ge composition higher than that of the semiconductor layer by performing the above.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A field effect transistor according to the present invention includes a support base, an insulating film formed on the support base, a semiconductor layer formed on the insulating film and having a source region and a drain region, and the semiconductor layer A field effect transistor comprising a gate insulating film formed thereon and a gate electrode formed on the gate insulating film, wherein the semiconductor layer has a Ge composition provided on a side in contact with the insulating film A SiGe region of 30 atm% or more and a SiGe or Ge channel region containing Ge more than the SiGe region provided on the surface opposite to the insulating film are provided.
[0028]
SiGe with a Ge composition of 30 atm% or more is Si1-xGexIt is a compound represented by (1> x ≧ 0.3).
[0029]
A schematic diagram illustrating one embodiment of a field effect transistor is shown in FIG. An insulating
[0030]
In the field effect transistor according to this embodiment, a
[0031]
This will be described in more detail below.
[0032]
In the
[0033]
FIG. 2 shows an enlarged view of the pn junction portion of the source region or the drain region in the field effect transistor according to the first prior art and this embodiment. FIG. 2A is an enlarged view of the pn junction portion of the source region or drain region of the field effect transistor according to the first conventional example shown in FIG. FIG. 2B is an enlarged view of the pn junction portion of the source region or drain region in the substrate of the field effect transistor according to the present embodiment shown in FIG. In the field effect transistor of this embodiment shown in FIG. 2B, source /
[0034]
In contrast, in the first conventional field effect transistor substrate shown in FIG. 2A, an i-
[0035]
FIG. 3A shows a band structure in the vicinity of the channel layer of the field effect transistor according to the present embodiment. As can be seen from FIG. 3A, the energy of the valence band of the channel layer (Ge) 4 is equal to that of the SiGe buffer layer.(Si 0.3 Ge 0.7 )Therefore, when a negative bias is applied to the gate electrode to form a hole channel, only the surface channel is formed. Therefore, the absence of a buried channel as in the second conventional example makes it possible to set the threshold voltage low without deteriorating the characteristics near the threshold voltage. Further, the driving force at a low gate voltage can be increased. For the above reasons, low power consumption can be realized.
[0036]
In the conventional Si-MOSFET, an SOI substrate having a similar structure is used, but this is mainly aimed at speeding up by reducing the parasitic capacitance between the substrate and the wiring and the junction capacitance of the region. . The role of the insulating
[0037]
In the field effect transistor of this embodiment, the dislocation density of the SiGe buffer layer 3 (first semiconductor layer) is10 6 cm − 2The following is desirable. Thereby, the yield of the element or LSI can be brought to a practical level. More preferably, the dislocation density is10 4 cm -2 It is as follows.
[0038]
In addition, if the Ge composition depth direction distribution of the SiGe buffer layer 3 (first semiconductor layer) is substantially uniform, no distortion is accumulated in the
[0039]
In the field effect transistor of this embodiment, it is desirable that a Si cap layer is provided between the channel layer 4 (first semiconductor layer) and the
[0040]
The semiconductor substrate of the present invention is a semiconductor substrate that is used for manufacturing the field effect transistor according to the present invention, and has, for example, two layers having a high Ge composition corresponding to the
[0041]
In the semiconductor substrate of the present embodiment, the dislocation density of the SiGe buffer layer 3 (first semiconductor layer) is10 6 cm -2 The following is desirable. Thereby, the yield of the semiconductor device or LSI can be brought to a practical level. More preferably, the dislocation density is10 4 cm -2 It is as follows.
[0042]
In the semiconductor substrate of the present embodiment, it is preferable that the Ge composition depth direction distribution of the SiGe buffer layer 3 (first semiconductor layer) is substantially uniform.
[0043]
For example, for the field effect transistor according to the present invention, a semiconductor substrate on which a SiGe layer having a high Ge composition (30 atm% or more) is formed as a SiGe buffer layer is required. In the first and second semiconductor substrate manufacturing methods used for manufacturing the semiconductor substrate having the SiGe layer having the high Ge composition, the insulating film formed on the support base is directly formed on the insulating film or on the insulating film. A semiconductor layer including a Si and Ge layer having a low Ge composition is formed on the Si layer or SiGe layer formed above, and is oxidized, specifically, heat-treated in an oxidizing atmosphere to simultaneously produce the Si oxide film. A high Ge composition SiGe layer enriched with Ge is generated.
[0044]
That is, by subjecting a semiconductor layer including Si and Ge layers having a low Ge composition to oxidation, Si atoms are selectively oxidized from the surface of the semiconductor layer including Si and Ge layers having a low Ge composition to form a Si oxide film. Further, Ge atoms are discharged from the formed Si oxide film and accumulated in the semiconductor layer containing Si and Ge inside the semiconductor layer. this is,SiO 2 The bond between Si and OGeO 2 Alternatively, the oxygen atom is preferentially bonded to the Si atom because it is chemically more stable than the Ge—O bond of GeO. Therefore, Ge is concentrated to produce a SiGe layer and a Si oxide film having a high Ge composition.
[0045]
What is necessary is just to remove the Si oxide film produced | generated at this time as needed. Further, a step of forming a channel layer or the like is performed as necessary.
[0046]
According to the first and second manufacturing methods, the semiconductor layer containing Si and Ge is oxidized, specifically, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere so that Ge atoms are sufficiently contained in the semiconductor layer containing Si and Ge. The Ge concentration in the generated SiGe layer becomes uniform. If this layer is used as, for example, a SiGe buffer layer in a field effect transistor according to the present invention, distortion in the SiGe buffer layer due to nonuniform Ge composition does not occur. As a result, after sufficient lattice relaxation, the dislocation density10 6 cm -2 The following can be suppressed.
[0047]
This will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram for explaining a Ge composition distribution during oxidation of the semiconductor layer containing Si and Ge in the method for manufacturing a semiconductor substrate. Semiconductor layer in which Ge atoms contain Si and Ge(Si 1-x Ge x )In general, whether Ge atoms accumulate or diffuse at the interface depends roughly on the relationship between the diffusion length of Ge per unit time and the thickness (consumption rate) at which SiGe is consumed by oxidation. It's okay. If the diffusion length is larger than the consumption rate, Ge diffuses into the SiGe layer and the Ge composition becomes uniform in the depth direction, and if it is reversed, it accumulates at the interface (FIG. 4).
[0048]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the diffusion length of Ge atoms in Si and the thickness at which SiGe is consumed per unit time due to oxidation. As shown in FIG. 5A, the atmospheric gas is 100% O.2If it is 950 ° C. or higher, the diffusion length always exceeds the consumption rate.
[0049]
However, looking at the consumption rate immediately after oxidation, the diffusion length is similar to that at 950 ° C. or higher, and Ge accumulates to some extent at the interface immediately after oxidation. There is no problem if the film thickness of the accumulation region is sufficiently thinner than the critical film thickness, but dislocation occurs when the film thickness is about the same or thicker. In order to reduce the risk of the occurrence of dislocation immediately after such oxidation, the consumption rate may be reduced without changing the temperature (that is, without changing the diffusion length). Therefore, it is desirable to use oxygen gas diluted with an inert gas as the atmospheric gas. Since the consumption rate is almost proportional to the partial pressure of oxygen, when oxygen gas diluted to 50% is used, the consumption rate is almost halved, and a sufficiently large margin is obtained for the diffusion length (FIG. 5B). Therefore, it is desirable to use oxygen gas diluted to 50% or less.
[0050]
Further, according to the first and second manufacturing methods, the Si oxide film becomes viscous fluid, the interface between the SiGe layer and the Si oxide film becomes slippery, and the lattice constant associated with the increase in the Ge composition of the SiGe layer is increased. Increase is not hindered. With these effects, Ge concentration, thinning, and lattice relaxation can be achieved simultaneously without generating dislocations. Further, the surface roughness is reduced.
[0051]
As a result, when a channel layer is further formed on the obtained SiGe layer, a channel layer having a lower dislocation density compared to the conventional method can be obtained, so that carrier mobility can be kept high, and A field effect transistor capable of suppressing leakage current can be provided.
[0052]
【Example】
Example 1
FIG. 6 shows a schematic diagram of the field effect transistor of the first embodiment. In this embodiment, a (001) Si substrate is used as the
[0053]
As the plane orientation of the
[0054]
The thickness of the
[0055]
In addition, the
[0056]
The thickness of the
[0057]
The Ge composition of the
[0058]
More desirably, 60 atm% or more is desirable. This is because, when the Ge composition of the
[0059]
A more desirable Ge composition range is 60 atm% or more and 80 atm% or less. This upper limit value of 80 atm% is a set value for enjoying the effect of increasing hole mobility due to strain. That is, when the Ge composition is 80 atm% or less, the phonon scattering mobility of holes in the
[0060]
The
[0061]
In order to protect the surface of the
[0062]
Further, the thickness of the
[0064]
As the
[0065]
The material of the
[0066]
The film thickness of the source region and drain
[0067]
As the
[0068]
Next, a method for manufacturing the field effect transistor of this example will be described with reference to FIG.
[0069]
First, a UHV-CVD method, an MBE method, or an LP-CVD method is performed on an SOI substrate 34 (the thickness of the
[0070]
Next, this wafer is put into an oxidation furnace and heated to carry out an oxidation treatment. Si0.9Ge0.1SiGe layer containing more Ge than film 35 (Si0.3Ge0.7Layer) 37 and
[0071]
Here, care must be taken that the oxidation temperature does not exceed the melting point of the
[0072]
Next, after removing the
[0073]
Subsequently, an
[0074]
On the other hand, direct epitaxial growth of Si on the
[0075]
Next, a Si oxide film (not shown) of about 0.5 nm is formed on the surface of the
[0076]
Source / drain regions 43 and the like are formed on the wafer thus obtained and processed into transistors in the same manner as in a normal MOSFET process [FIG. 8 (5)].
[0077]
Here, another method for obtaining a structure having the
[0078]
Next, oxygen ions are accelerated by an acceleration voltage of 160 keV and a dose of 4 × 10.17atoms / cm2The thermal oxide film is formed on the surface at 900 ° C. to a thickness of 10 nm or more. The reason why the Ge composition of the SiGe layer into which oxygen ions are implanted is as low as 10 atm% is to obtain a continuous and uniform buried oxide film. If the Ge composition is 30 atm% or more, a continuous buried oxide film cannot be obtained by this method [Y. Ishikawa et al. , Appl. Phys. Lett. , 75, 983 (1999)].
[0079]
Next, when annealing is performed at 1300 ° C. for 4 hours in an argon gas atmosphere containing a small amount of oxygen (0.5%), a buried oxide film is formed on the 300 nm substrate side from the oxide film-SiGe interface. Ge is excluded from this buried oxide film, and almost
[0080]
Next, when the SiGe layer is oxidized to 8 nm in an oxygen atmosphere, the Ge composition increases to 70 atm%, and the structure of FIG.
(Example 2)
FIG. 9 shows a schematic diagram of the field effect transistor of the second embodiment. In the present embodiment, in order to suppress an increase in parasitic resistance due to the thin film thickness of the source / drain region, the surface of the source /
(Example 3)
FIG. 10 shows a schematic diagram of the field effect transistor of the third embodiment. In this embodiment, in order to suppress the parasitic resistance, Si in the transistor shown in FIG.0.3Ge0.7A layer 51 is deposited to increase the source / drain region thickness to 100 nm. In order to produce this structure, once the entire surface is SiO.2After depositing the mask, only the upper surface of the source / drain region may be exposed, and the SiGe layer may be deposited by selective CVD.
Example 4
FIG. 11 shows a schematic diagram of the field effect transistor of the fourth embodiment. In this embodiment, the
[0081]
As a modification of this embodiment, a structure in which the Ge composition of the second buffer layer increases continuously or stepwise as it approaches the surface is also possible.
(Example 5)
FIG. 12 shows an example in which the field effect transistor shown in the first embodiment shown in FIG. 6 is applied to a CMOS inverter. The p-channel and n-channel MOSFETs are insulated by a trench that reaches the buried oxide film. The
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor device and the semiconductor substrate of the present invention, it is possible to obtain a MISFET capable of operating at high speed with lower power consumption than Si-MOSFET. Also, using these MISFETs, an integrated circuit capable of high-speed operation with lower power consumption than before can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a field effect transistor according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a pn junction portion of a source region or a drain region portion in the field effect transistor according to the first conventional technique and this embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a band structure in the vicinity of a channel layer of a field effect transistor according to the present embodiment and the second conventional technique.
FIG. 4 is a view for explaining a Ge composition distribution during oxidation of a semiconductor layer containing Si and Ge in a method for manufacturing a semiconductor substrate.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the diffusion length of Ge atoms in Si and the thickness at which SiGe is consumed per unit time due to oxidation.
FIG. 6 is a schematic view of a field effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a gate insulating film.
FIG. 8 is a process diagram showing a method of manufacturing the field effect transistor according to the first embodiment.
FIG. 9 is a schematic view of a field effect transistor according to a second embodiment.
FIG. 10 is a schematic view of a field effect transistor according to a third embodiment.
FIG. 11 is a schematic view of a field effect transistor according to a fourth embodiment.
FIG. 12 is a schematic view showing an example in which the field effect transistor shown in the first embodiment is applied to a CMOS inverter.
FIG. 13 is a schematic view showing a field effect transistor structure of a first conventional example.
FIG. 14 is a schematic view showing a field effect transistor structure of a second conventional example.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing a relationship between current (log (Id) −voltage (Vg)) of a transistor of the second conventional example and a Si-MOSFET.
FIG. 16 is a characteristic diagram showing a relationship of (Vg (gate voltage) −Vth (threshold voltage)) − current between the transistor of the second conventional example and the Si-MOSFET.
[Explanation of symbols]
1 ... Support base
2 ... Insulating film
3 ... SiGe buffer layer (first semiconductor layer)
4 ... Channel layer (second semiconductor layer)
5 ... Board
6 ... Source region, drain region
7 ... Gate insulation film
8 ... Gate electrode
11 ... Support base
12 ... Insulating film
13: First semiconductor layer (SiGe buffer layer)
14 ... Second semiconductor layer (channel layer made of strained Ge)
15 ... Si cap layer
16 ... Semiconductor substrate
17 ... Gate insulating film
18 ... Gate electrode
19 ... Source region and drain region
20 ... Reaction layer with metal
31 ... Si layer
32 ... buried oxide film
33 ... SOI film
34 ... SOI substrate
35 ...Si 0.9 Ge 0.1 film
36 ... Si layer
37 ... SiGe layer with high Ge composition(Si 0.3 Ge 0.7 layer)
37 '... SiGe buffer layer
38 ... Si oxide film
39... Ge channel layer
40: Amorphous Si layer
41 ... Gate insulating film
42 ... Gate electrode
Claims (10)
前記支持基体上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、かつソース領域及びドレイン領域が形成された半導体層と、
前記半導体層上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを備えた電界効果トランジスタを備える半導体装置において、
前記半導体層は、前記絶縁膜と接する側に設けられたGe組成が30atm%以上のSiGe領域と、前記絶縁膜と反対側の表面に設けられた、前記SiGe領域よりGe組成が高いSiGeもしくはGeのチャネル領域を備え、かつ前記SiGeもしくはGeのチャネル領域と前記ゲート絶縁膜との間に存在する厚さが2nm以下のSi層を具備することを特徴とする半導体装置。A support substrate;
An insulating film formed on the support substrate;
A semiconductor layer formed on the insulating film and having a source region and a drain region formed thereon;
A gate insulating film formed on the semiconductor layer;
In a semiconductor device comprising a field effect transistor comprising a gate electrode formed on the gate insulating film,
The semiconductor layer includes a SiGe region having a Ge composition of 30 atm% or more provided on a side in contact with the insulating film and a SiGe or Ge having a Ge composition higher than that of the SiGe region provided on a surface opposite to the insulating film. And a Si layer having a thickness of 2 nm or less existing between the SiGe or Ge channel region and the gate insulating film .
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