JP3875040B2 - Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP3875040B2
JP3875040B2 JP2001147902A JP2001147902A JP3875040B2 JP 3875040 B2 JP3875040 B2 JP 3875040B2 JP 2001147902 A JP2001147902 A JP 2001147902A JP 2001147902 A JP2001147902 A JP 2001147902A JP 3875040 B2 JP3875040 B2 JP 3875040B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
sige layer
sige
region
strain
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
JP2001147902A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002343880A (en
Inventor
秀敏 ▲萩▼原
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.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp 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 Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2001147902A priority Critical patent/JP3875040B2/en
Publication of JP2002343880A publication Critical patent/JP2002343880A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3875040B2 publication Critical patent/JP3875040B2/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)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板及びその製造方法ならびに半導体装置及びその製法方法に関し、より詳細には、シリコン基板及びSiGe層における歪み超格子へテロ構造をチャネルとして利用することを可能にする半導体基板及びその製造方法ならびに半導体装置及びその製法方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置において、半導体素子中を移動する電子の移動度を向上させることは、その高性能化に対して有効な手段の一つである。
しかし、一般に、シリコン単結晶からなる基板上に形成される半導体装置では、シリコン単結晶中を移動する電子は、シリコン単結晶の物理的な性質に基づいて、移動度の上限が決定される。
その一方、近年、歪みをもつシリコン結晶中では、歪のないシリコン結晶中でよりも電子の移動度が向上することが報告されている。
このようなことから、電子の移動度が向上したトランジスタ等の半導体素子を得るためには、その動作領域に、十分な歪みをもち、かつ欠陥密度が低いシリコン結晶層を使用することが有効である。
そこで、例えば、シリコン基板上に、シリコンに対して格子定数の大きいSiGe結晶層を積層し、この積層構造を仮想基板として用い、この上にシリコン結晶層を成長させたものが用いられている。
なお、この仮想基板で使用するSiGe結晶層は、その最上層表面において十分に歪が緩和されていることが必要である。
【0003】
通常、シリコン単結晶基板にSiGe結晶層を成長させる場合、ゲルマニウムの濃度に依存して臨界膜厚までは歪みを内包した状態でSiGe結晶層が形成され、臨界膜厚を超えると結晶中に転位などの欠陥が導入され、歪みが緩和されることが知られている。したがって、歪みが緩和されたSiGe結晶層を得るためには、通常、SiGe結晶層を臨界膜厚以上に厚く成長させる必要がある。
また、トランジスタ等の半導体素子を形成できる程度に良質な歪を有するシリコン結晶層を得るためには結晶形成中に導入される欠陥が低減されていることが必要であるため、少なくとも仮想基板を構成するSiGe結晶層の最表面では、欠陥密度が低いことも必要である。これにより、さらに格子定数を大きくすることもできる。
したがって、最表面での歪みが十分に緩和され、欠陥密度の低いSiGe結晶を有する仮想基板を形成することが試みられている。
例えば、特開平5−129201号公報には、ゲルマニウム組成を表面に向かって徐々に増加させて格子緩和するとともに、欠陥密度の低いSiGe結晶層を形成し、その上に歪を有するシリコン結晶層を形成する技術が記載されている。また、歪みが緩和され、欠陥密度の低いSiGe層を形成する方法として、以下に説明するような方法が提案されている。
【0004】
この方法によれば、図6に示したように、シリコン基板401上に、これよりも格子定数が大きい第1のSiGe層402、第2のSiGe層405及び第3のSiGe層408を順次エピタキシャル成長させる。ここでのSiGe層402、405、408は、ゲルマニウム濃度を順次高くするグレーデッド組成として、格子定数を大きくしている。また、各SiGe層402、405、408の膜厚は、そのゲルマニウムの濃度による臨界膜厚以下としている。
次に、350℃の加熱処理により、格子整合によって引き起こされたミスフィット転位をその核として層内に存在する歪を除去する。これにより、欠陥密度が低く、歪が緩和されたSiGe層408を得ることができる。
その後、最上層のSiGe層405に、ダイオード409、トランジスタ410等の半導体素子を形成する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法では、歪が緩和された欠陥密度の低いSiGe結晶を得るために、グレーデッド組成の複数のエピタキシャル層を形成することが必要である。また、SiGe層上により大きな歪をもつシリコン結晶を成長させるためには、上記の方法と同様に、SiGe層の最表面において、より大きなゲルマニウム濃度が必要とされる。
しかし、各SiGe層、特に最表面のSiGe層では、欠陥を考慮すると、各ゲルマニウム濃度のSiGe層に対応する臨界膜厚以上に厚膜とすることはできない。したがって、最表面でゲルマニウム濃度の高いSiGe層を得るためには、臨界膜厚以下の膜厚のSiGe層を、より厚く積層することが必要となる。例えば、最表面でのゲルマニウム濃度が20%のSiGe層を形成する場合、5%ごとにゲルマニウム濃度を増加させていくと、エピタキシャル成長は4回、40%のゲルマニウム濃度とする場合、8回行わなくてはならない。このため、仮想基板であるSiGe結晶層の形成に長時間を要し、スループットが悪くなり、生産性が悪いという問題があるため、量産が困難になる。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、通常のシリコン単結晶基板を利用して、より簡便に、かつ安価に、電子及び正孔のいずれの移動度も向上させることができる半導体基板、半導体装置及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、歪みを内包するSiGe層がシリコン基板上に積層されて構成される半導体基板であって、前記SiGe層の一部の領域において、その層内の一部に、SiGe層内で電気的に中性の元素の導入に伴う欠陥層を有し、該欠陥層下では歪みを内包し、かつ該欠陥層上では歪みが緩和されてなる半導体基板が提供される。
また、(a)シリコン基板上にSiGe層を積層することにより、歪みが内包したSiGe層を形成し、
(b)該SiGe層の一部の領域に、SiGe層内で電気的に中性の元素をイオン注入し、熱処理を行うことにより、前記SiGe層内の一部に欠陥層を形成するとともに、イオンが通過した領域におけるSiGe層の歪みを緩和させる半導体基板の製造方法が提供される。
【0007】
さらに、本発明によれば、上記半導体基板と、
その層内の一部で歪みが緩和されたSiGe層の領域全層で歪みを内包するSiGe層の領域との間の領域に形成された素子分離領域と、
歪みが緩和された領域のSiGe層上に形成され、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるNMOSトランジスタと、
歪みを内包する領域のSiGe層上に形成され、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるPMOSトランジスタとを有する半導体装置が提供される。
また、上記半導体基板を形成した後、さらに
(c)その層内の一部で歪みが緩和されたSiGe層の領域全層で歪みを内包するSiGe層の領域との間の領域に素子分離領域を形成し、
(d)歪みが緩和された領域のSiGe層上及び歪みを内包する領域のSiGe層上に、それぞれ、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタを形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体基板は、主として、シリコン基板とその上に形成されるSiGe層とから構成される。
シリコン基板は、通常、半導体装置の製造のために使用されるものであれば、特に限定されるものではなく、アモルファス、マイクロクリスタル、単結晶、多結晶、これらの結晶状態の2以上が混在するシリコンからなる基板が挙げられる。また、これらのシリコンからなる表面シリコン層を有しているSOI基板、多層SOI基板等であってもよい。なかでも、単結晶シリコンからなる基板が好ましい。
【0009】
その上に形成されるSiGe層は、実質的に、結晶層として形成されていることが好ましい。ここでの結晶層とは、マイクロクリスタル、多結晶、単結晶等又はこれらの混在した状態を含む。また、このSiGe層は、ゲルマニウムに起因して、シリコンよりも格子定数が大きい層である。シリコン基板上にこのようなSiGe層が形成されることにより、これらの格子定数の差異に基づいて、SiGe層が歪み、ことに圧縮歪みを内包することとなる。
SiGe層におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、特に限定されるものではないが、9:1〜7:3程度が適当である。なお、この組成比は、SiGe層の膜厚方向に、連続的又は段階的に上記範囲内で変化してもよいが、均一であることが好ましい。また、層表面(面内)方向で、部分的に異なっていてもよいが、均一であることが好ましい。このSiGe層の膜厚は、SiGe層内における意図しない欠陥の導入を避けるために、ゲルマニウム濃度の臨界膜厚以下であることが好ましく、例えば、100〜300nm程度が適当である。
【0010】
このSiGe層は、その領域の一部において、かつその層の内部の一部に、SiGe層内で電気的に中性の元素の導入に伴う欠陥層を有している。この欠陥層は、SiGe層の成膜において意図しないで導入されるような欠陥を有する層とは区別できる層であり、具体的には、イオン注入、その後の熱処理等により、積極的に導入され、欠陥が蓄積した層を意味する。欠陥層が形成される位置は、SiGe層の膜厚に応じて調整することができ、例えば、SiGe層の表面から50〜100nm程度の間であることが適当である。また、その厚さは、30〜50nm程度が挙げられる。なお、欠陥層は、表面(面内)方向において、SiGe層の全領域に形成されていてもよいが、本発明の半導体基板に形成される半導体装置の種類、特性、性能等に応じて、その一部に形成されていてもよく、また、1つの領域又は複数(例えば縞状、島状等)の領域に形成されていてもよい。複数の領域に形成される場合には、SiGe層内において、個々に異なる深さで、異なる厚さで形成されていてもよい。
【0011】
欠陥層を形成するために導入される、SiGe層内で電気的に中性の元素としては、水素;炭素、シリコン、ゲルマニウム、錫等の周期律表第4族に属する元素;He、Ne、Ar、Kr、Xe等の第0族に属する元素が挙げられる。
SiGe層内においては、欠陥層下では歪みを内包している。つまり、シリコン基板上に形成されるSiGe層は、本来的に両者の格子定数の差異によって歪みが内包されているため、欠陥層下では、その内包されている歪みが存在するままの状態であることを意味する。
一方、SiGe層内において、欠陥層上では歪みが緩和されている。ここでの歪みの緩和は、本来的に内包される歪みによる応力が小さくなった状態を意味する。具体的には、SiGe層に、イオンを注入すると、結晶の転位、結晶性の破壊等により非晶質に変換されるが、さらに、熱処理によってその結晶性が回復するとともに、欠陥が欠陥層に蓄積する。よって、欠陥層の上部においては欠陥がほぼ回復又は除去された状態になる。
これらの歪みを内包する又は歪みが緩和された部分の厚みは、SiGe層の膜厚、欠陥層の位置及び厚さにより適宜調整することができる。
【0012】
本発明の半導体基板上には、つまりSiGe層上には、さらに1層又は2層以上の半導体層が積層されていてもよい。ここで半導体層としては、シリコン層、ゲルマニウム層、SiC層、SiGe層、SiGeC層、GeC等のIV族の元素半導体及び混結半導体、さらに、GaAs、InP、ZnSe等のIII-V族又はII-VI族の化合物半導体層が挙げられる。なかでも、SiCを用いた場合には、SiGe層に対してより大きな歪がかかるため、より大きく電子、正孔の移動度を向上させることができ、また、Geを用いた場合には、SiGe層に対して圧縮応力が生じるため、正孔の移動度のみが向上するが、Geは電子、正孔のそれぞれの移動度がSiの各移動度に比べて大きいため、好ましい。なお、この半導体層は、マイクロクリスタル、多結晶及び単結晶等であってもよいが、なかでも、単結晶層であることが好ましい。
SiGe層上に形成される半導体層の膜厚は、得ようとする基板の特性、その上に形成される半導体装置の種類、性能等に応じて適宜調整することができ、例えば、10〜30nm程度が挙げられる。
【0013】
本発明の半導体装置は、歪みが緩和されたSiGe層と歪みを内包するSiGe層との間の領域に素子分離領域が形成された上記基板上に形成される。素子分離領域としては、LOCOS膜、STI(Shallow Trench Isolation)膜、トレンチ素子分離膜等、当該分野で公知の素子分離領域が挙げられる。
半導体装置としては、例えば、MOSトランジスタ、ダイオード、キャパシタ、バイポーラトランジスタ等の種々の半導体装置が挙げられる。なかでも、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとからなるCMOSトランジスタが好ましい。この場合、歪みが緩和された領域のSiGe層上にはNMOSトランジスタを、歪みを内包する領域のSiGe層上にPMOSトランジスタを形成することが、電子及び正孔の移動度の向上による半導体装置の性能を向上させることができるため、好ましい。
【0014】
MOSトランジスタを構成するゲート酸化膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域は、通常MOSトランジスタ等の半導体装置を形成するために使用される膜厚、材料等により、通常形成される方法により形成することができる。また、ゲート電極にはサイドウォールスペーサが形成されていてもよく、ソース/ドレイン領域はLDD構造、DDD構造であってもよい。さらに、ソース/ドレイン領域は、ゲート電極及びサイドウォールスペーサの両側に半導体層を積層し、その半導体層により形成されていてもよい。この場合の半導体層としては、上述の半導体層と同様のものが挙げられるが、シリコン層であることが好ましい。ソース/ドレイン領域を構成する半導体層の膜厚は、得ようとするMOSトランジスタの性能に応じて適宜調整することができる。
【0015】
本発明の半導体基板の製造方法においては、まず、工程(a)において、シリコン基板上にSiGe層を積層する。これにより、上述したように、シリコンとSiGeとの格子定数の差異により、SiGe層に歪みが生じることとなる。ここでSiGe層は、公知の方法、例えば、エピタキシャル成長法、CVD法等の種々の方法により形成することができる。
次いで、工程(b)において、SiGe層の一部の領域に、SiGe層内で電気的に中性の元素をイオン注入し、熱処理を行う。イオン注入の条件、例えば、ドーズ及び注入エネルギー等は、上述の元素の種類に応じて、適宜設定することができる。例えば、1×1015〜1×1017cm-2程度のドーズ、上述の欠陥層を形成しようとする位置に注入ピークがくるような、具体的には、表面から注入深さが50〜100nm程度の位置にくるような注入エネルギー、さらに具体的には、20〜300keV程度の注入エネルギーが挙げられる。なお、この注入の際、注入深さを浅くするために、SiGe層表面に、酸化膜や窒化膜等の絶縁膜等によるカバー膜を形成した後、このカバー膜を通してイオン注入を行ってもよい。
【0016】
熱処理は、当該分野で公知の方法及び条件が利用できる。具体的には、炉アニール、ランプアニール、RTA等が挙げられ、大気雰囲気、窒素ガス雰囲気、酸素ガス雰囲気、水素ガス雰囲気等下で、600〜900℃の温度範囲で、5〜30分間程度行うことができる。また、この熱処理においては、SiGe層の表面平坦化等を考慮して、上記のようなカバー膜を付して、熱処理してもよい。これにより、SiGe層内の一部に欠陥層を形成するとともに、イオンが通過した領域におけるSiGe層の結晶性を回復させ、歪みを緩和させることができる。
なお、工程(b)を行った後、得られたSiGe層上に、さらに1層又は2層以上の半導体層を積層してもよい。ここでの半導体層の積層方法は、上記と同様に行うことができる。
【0017】
本発明においては、上記のように半導体基板を形成した後、さらに、工程(c)において、歪みが緩和されたSiGe層と歪みを内包するSiGe層との間の領域に素子分離領域を形成する。この場合の素子分離領域の形成方法は、LOCOS法、STI法、トレンチ素子分離法等の種々の方法が挙げられる。
工程(d)において、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタを形成する。MOSトランジスタの形成方法は、当該分野で公知の方法が挙げられる。
なお、ソース/ドレイン領域が、ゲート電極及びサイドウォールスペーサの両側に位置する半導体層により形成される場合には、ゲート電極側壁にサイドウォールスペーサを形成した後、その上に選択的エピタキシャル成長法により半導体層を積層し、公知の方法、つまりイオン注入等によりソース/ドレイン領域を形成することができる。なお、ソース/ドレイン領域への不純物の導入は、イオン注入の他、不純物をドーピングしながらエピタキシャル成長する方法、半導体層をエピタキシャル成長により形成した後、固相拡散又は気相拡散等する方法が挙げられる。
以下に、本発明の半導体基板、半導体装置及びそれらの製造方法を、図面に基づいて詳しく説明する。
【0018】
実施の形態1
この実施の形態の半導体基板は、図3(k)に示したように、p型単結晶シリコン基板101上に、歪が内包した状態でSiGe結晶層102が積層されている。SiGe結晶層102は、その一部の領域において、その内部に欠陥を多く含むSiGe層104を有しており、そのSiGe層104の上には、歪のない又は緩和されたSiGe結晶層106が配置しており、その下は、歪が内包した状態のままのSiGe結晶層102が配置している。
また、このような半導体基板には、歪のない第1SiGe結晶層106と歪が内包しているSiGe結晶層102との間に素子分離領域111が形成されており、歪のないSiGe結晶層106上には歪を有するシリコン結晶層109が、歪を有するSiGe結晶層102上には歪のないシリコン結晶層110が形成されている。これらシリコン結晶層109、110上には、ゲート絶縁膜112を介して、ゲート電極が形成されており、さらに、SiGe結晶層106、102及びシリコン結晶層109、110にソース/ドレイン領域118、119がそれぞれ形成されて、NMOS及びPMOSトランジスタを構成している。
上記半導体基板及び半導体装置は、以下の方法により形成することができる。
【0019】
まず、図1(a)に示したように、p型単結晶シリコン基板101の表面の有機物重金属を洗浄処理によって除去し、さらに、希HF溶液を用いてシリコン基板101表面に形成された自然酸化膜を除去する。
次いで、図1(b)に示したように、急速加熱型CVD装置(RT−CVD装置)にシリコン基板101を導入し、水素ガス雰囲気下、850〜1000℃に加熱処理し、装置導入時にシリコン基板101表面に形成された自然酸化膜を除去する。その後、シリコン基板101の温度500℃に設定し、膜厚100nm、ゲルマニウム濃度20%のSiGe結晶層102を仮想基板として形成する。なお、SiGe層におけるゲルマニウム濃度が高くなるほど又は基板温度が高くなるほど、臨界膜厚が小さくなるので、このSiGe結晶層102の膜厚は、この濃度及び基板温度における臨界膜厚である300nm程度を超えないように設定している。このため、SiGe結晶層102は歪を内包した状態で成長し、歪を緩和するための転位が導入されておらず、良質の結晶層となる。
【0020】
続いて、図1(c)に示したように、PMOSトランジスタ形成領域を、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の形状に形成されたレジストパターン103により被覆し、NMOSトランジスタ形成領域にのみ、大電流イオン注入機にて水素を1×1015〜5×1016cm-2のドーズで、表面から注入深さが50〜100nm程度となるようにエネルギーを設定して注入する。これにより、水素イオンが通過した領域では結晶性が破壊されて、SiGeの非晶質層105が形成される。注入された水素はSiGe結晶層102とSiGe非晶質層105との界面に残留する(図1(d))。なお、水素は、SiGe結晶層102及びSiGe非晶質層105中において、電気的に中性なため、トランジスタを作製した場合に電気的な影響を及ぼさない。
【0021】
図2(e)に示したように、レジストパターン103を除去した後、窒素雰囲気下、600〜900℃の温度範囲で5〜30分間、熱処理する。これにより、図2(f)に示したように、SiGe非晶質層105はSiGe結晶層102をシードとして結晶性を回復し、歪のない第1SiGe結晶層106に変換される。また、SiGe結晶層102とSiGe非晶質層105との界面では、この界面に残留する水素に起因して結晶欠陥が蓄積され、欠陥を多く含むSiGe層104が形成される。つまり、この欠陥を多く含むSiGe層104によって、SiGe結晶層102に内包していた歪が開放され、再結晶化されたSiGe結晶層105は、歪が緩和された状態になる。なお、注入を行っていないPMOSトランジスタ形成領域のSiGe結晶層102は歪を内包したままである。
さらに、希HF溶液にてSiGe結晶層102、106表面に形成された自然酸化膜を除去し、再度、得られたシリコン基板1をRT−CVD装置に導入し、水素ガス雰囲気下、850〜1000℃に加熱して、装置導入時にSiGe結晶層102、106表面に形成された自然酸化膜を除去する。
【0022】
その後、図2(g)に示したように、650℃にて、膜厚20nmのシリコン結晶層109、110を形成する。このシリコン結晶層109、110の膜厚は、仮想基板となるゲルマニウム濃度20%のSiGe結晶層102、106とシリコン結晶層110、109との格子定数差に対するこの形成条件での臨界膜厚(約50nm)より小さく設定されており、そのため、トランジスタ形成が可能な程度に欠陥密度の低いシリコン結晶層109、110が形成できる。なお、歪のないSiGe結晶層106の格子定数は、その上に形成するシリコン結晶層109の格子定数より大きいため、シリコン結晶層109は、伸張性応力を受けた状態で形成されている。この応力により、歪をもったシリコン結晶層109中では、電子の移動度が向上する。また、歪をもったSiGe結晶層102上に形成したSi結晶層110は歪をもたない。つまり、SiGe結晶層102はシリコン基板101上に形成されているため、SiGe結晶層102の格子定数はシリコンのそれに近く、それゆえ、その上に形成したシリコン結晶層110の格子定数に近いので歪をもたない。
【0023】
このようにして得られたシリコン結晶層110上に、通常の電界効果型トランジスタの作製技術を適用して、CMOSトランジスタを形成する。すなわち、図2(h)に示したように、STI技術を用いて素子分離領域111を形成し、図3(i)に示したように、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜112及び多結晶シリコン層113を堆積し、その上に、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の形状のレジストパターン114を形成する。
続いて、図3(j)に示したように、レジストパターン114をマスクとして用いて、多結晶シリコン層113をパターニングして、NMOSトランジスタ形成領域及びPMOSトランジスタ形成領域のそれぞれにゲート電極を形成し、得られたゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ116を形成する。
その後、図3(k)に示したように、NMOSトランジスタ形成領域及びPMOSトランジスタ形成領域のそれぞれに、所望の形状のレジストパターンを用いて、イオン注入によりソース/ドレイン領域118、119をそれぞれ形成する。
【0024】
実施の形態2
まず、実施の形態1(図1(a)〜図2(f))と同様の方法によって、p型単結晶シリコン基板201上に、ゲルマニウム濃度20%、歪を内包したSiGe結晶層202、歪のない第1SiGe結晶層206及び欠陥を多く含むSiGe層204を形成する。
次に、図4に示すように、第1SiGe層202、206と同じゲルマニウム濃度(20%)で、膜厚150nmの第2のSiGe層207、208を形成する。なお、歪を内包したSiGe結晶層202上に形成される第2SiGe結晶層208は歪みをもった状態であり、歪のない第1SiGe結晶層206上に形成される第2SiGe層207は歪みがない状態である。
【0025】
その後、実施の形態1(図2(g)〜図3(k))と同様に、CMOSトランジスタを形成する。
このように、第2SiGe結晶層207、208を設けることにより、例えば、電界効果型(MOS)トランジスタ等を作製した場合に、欠陥を多く含むSiGe層204を、トランジスタ動作領域から容易に隔離することができる。つまり、MOSトランジスタにおいては、ドレイン−基板間に形成される空乏層が、欠陥を多く含むSiGe層204に重なると、この欠陥を多く含むSiGe層204において、生成再結合電流が生じるため、リーク電流が増大する。このため、ドレイン−基板間に形成される空乏層から離れた深さに欠陥を多く含むSiGe層204を形成することにより、リーク電流を防止することができる。
【0026】
実施の形態3
まず、実施の形態1(図1(a)〜図2(h))と同様の方法によって、p型単結晶シリコン基板301上に、ゲルマニウム濃度20%、歪を内包したSiGe結晶層302、歪のない第1SiGe結晶層306、欠陥を多く含むSiGe層304、シリコン結晶層309、310及び素子分離領域を形成する。
次に、図5(a)に示したように、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜312、多結晶シリコン層313及びシリコン酸化膜315を形成する。
その後、図5(b)に示したように、実施の形態1(図3(i)〜図3(j))と同様に、ゲート電極及びサイドウォールスペーサ316を形成する。
続いて、図5(c)に示したように、サイドウォールスペーサ316の両側に、選択エピタキシャル成長にてシリコン結晶層317を形成する。その後、実施の形態1(図3(k))と同様に、イオン注入によりシリコン結晶層317にソース/ドレイン領域を形成する。
これにより、実施の形態2と同様に、欠陥を多く含むSiGe層304をトランジスタ動作領域から隔離することができる。
なお、水素イオン注入時の注入深さのピークがシリコン基板中になるように設定しても、SiGe層の歪が緩和できることがラマン分光解析により確認されている。
【0027】
【発明の効果】
本発明によれば、歪みを内包するSiGe層がシリコン基板上に積層されて構成される半導体基板であって、SiGe層の一部の領域において、その層内の一部に、SiGe層内で電気的に中性の元素の導入に伴う欠陥層を有し、欠陥層下では歪みを内包し、かつ欠陥層上では歪みが緩和されてなるため、同一基板において、電子の移動度の向上に寄与する歪みが緩和した層と、正孔の移動度の向上に寄与する歪みを内包する層とを、平坦な状態で、かつ薄いSiGe層によって、容易に併存させることが可能となる。
また、SiGe層上に、1層又は2層以上の半導体層が積層されてなる場合には、半導体基板上に形成される半導体装置の動作領域から欠陥層を隔離することができ、リーク電流等を防止することができ、より高性能の半導体装置を提供することができる半導体基板を得ることが可能となる。
さらに、SiGe層内で電気的に中性の元素が、水素、周期律表の第4族の元素又は不活性ガスである場合には、半導体基板上に形成される半導体装置の動作に影響を与えることなく、有効な歪みが緩和された層を半導体基板内に導入することが可能となる。
【0028】
また、SiGe層の一部の領域に、SiGe層内で電気的に中性の元素をイオン注入し、熱処理を行うことにより、有効に、SiGe層内の一部に欠陥層を形成することができるとともに、イオンが通過した領域におけるSiGe層の歪みを緩和させることが可能となり、SiGe層の膜厚を厚膜化させることなく、簡便かつ短時間で、有用な半導体装置を製造することが可能となり、スループットの向上、ひいては生産性の効率化による量産が可能となり、安価に有用な半導体基板を製造することが可能となる。
さらに、上記半導体基板を用いた半導体装置、特にCMOSトランジスタにおいては、同一基板上に、同一高さで、電子及び正孔ともに高移動度が得られ、高性能、高信頼性を得ることができる。
また、SiGe層上に、1層又は2層以上の半導体層が積層され、該半導体層上にNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタが形成されてなる場合には、ゲート電極が、その側壁にサイドウォールスペーサを有し、かつソース/ドレイン領域が、SiGe層又は半導体層上に形成された前記ゲート電極及びサイドウォールスペーサの両側に積層された半導体層により形成されてなる場合には、MOSトランジスタの動作領域と欠陥層を隔離することが確実にできるため、より高性能の半導体装置を得ることができる。
さらに、本発明の半導体装置の製造方法によれば、高性能の半導体装置を、簡便かつ短時間で製造することができるとともに、スループットの向上、ひいては生産性の効率化による量産が可能となり、安価に有用な半導体装置を製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体基板及び半導体装置を示す要部の概略断面図である。
【図2】本発明の半導体装置の製造方法を示す要部の概略断面工程図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法を示す要部の概略断面工程図である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法の別の実施の形態を示す要部の概略断面工程図である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法のさらに別の実施の形態を示す要部の概略断面工程図である。
【図6】従来の半導体装置を示す要部の概略断面図である。
【符号の説明】
101、201、301 シリコン基板
102、202、302 SiGe結晶層(歪みを内包する層)
103、114、314 レジストパターン
104、204、304 欠陥を多く含むSiGe層(欠陥層)
105 SiGe非晶質層
106、206、306 第1SiGe結晶層(歪みが緩和された層)207、208 第2のSiGe層
109、110、209、210、309、310 シリコン結晶層
111 素子分離領域
112、312、315 シリコン酸化膜
113、313 多結晶シリコン層
116、316 サイドウォールスペーサ
118、119 ソース/ドレイン領域
317 シリコン結晶層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor substrate and a method for manufacturing the same, and a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, a semiconductor substrate capable of using a strained superlattice heterostructure in a silicon substrate and a SiGe layer as a channel, and the manufacturing thereof. The present invention relates to a method, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device, improving the mobility of electrons moving through a semiconductor element is one of effective means for improving the performance.
However, in general, in a semiconductor device formed on a substrate made of a silicon single crystal, the upper limit of mobility of electrons moving through the silicon single crystal is determined based on the physical properties of the silicon single crystal.
On the other hand, in recent years, it has been reported that the mobility of electrons is improved in a strained silicon crystal than in a strainless silicon crystal.
For this reason, in order to obtain a semiconductor element such as a transistor with improved electron mobility, it is effective to use a silicon crystal layer having sufficient distortion and a low defect density in its operating region. is there.
Therefore, for example, a SiGe crystal layer having a large lattice constant relative to silicon is stacked on a silicon substrate, and this stacked structure is used as a virtual substrate, and a silicon crystal layer is grown thereon.
It should be noted that the SiGe crystal layer used in this virtual substrate needs to have sufficiently relaxed strain on the uppermost surface.
[0003]
Normally, when a SiGe crystal layer is grown on a silicon single crystal substrate, the SiGe crystal layer is formed in a state that includes strain up to the critical film thickness depending on the concentration of germanium. It is known that defects such as these are introduced and distortion is alleviated. Therefore, in order to obtain a SiGe crystal layer with relaxed strain, it is usually necessary to grow the SiGe crystal layer thicker than the critical film thickness.
In addition, in order to obtain a silicon crystal layer having a strain high enough to form a semiconductor element such as a transistor, it is necessary to reduce defects introduced during crystal formation, so at least a virtual substrate is formed. It is also necessary that the defect density be low on the outermost surface of the SiGe crystal layer. Thereby, the lattice constant can be further increased.
Therefore, an attempt has been made to form a virtual substrate having SiGe crystals with sufficiently reduced strain at the outermost surface and a low defect density.
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 5-129201, a germanium composition is gradually increased toward the surface to relax the lattice, and a SiGe crystal layer having a low defect density is formed, and a strained silicon crystal layer is formed thereon. The forming technique is described. Moreover, as a method for forming a SiGe layer with reduced strain and low defect density, a method as described below has been proposed.
[0004]
According to this method, as shown in FIG. 6, the first SiGe layer 402, the second SiGe layer 405, and the third SiGe layer 408 having a lattice constant larger than this are epitaxially grown on the silicon substrate 401 sequentially. Let Here, the SiGe layers 402, 405, and 408 have a large lattice constant as a graded composition that sequentially increases the germanium concentration. The film thickness of each SiGe layer 402, 405, 408 is set to a critical film thickness or less depending on the germanium concentration.
Next, by the heat treatment at 350 ° C., the strain existing in the layer is removed by using misfit dislocations caused by lattice matching as nuclei. Thereby, the SiGe layer 408 having a low defect density and relaxed strain can be obtained.
Thereafter, semiconductor elements such as a diode 409 and a transistor 410 are formed on the uppermost SiGe layer 405.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above method, it is necessary to form a plurality of epitaxial layers having graded compositions in order to obtain SiGe crystals with reduced defect density with relaxed strain. In addition, in order to grow a silicon crystal having a larger strain on the SiGe layer, a higher germanium concentration is required on the outermost surface of the SiGe layer as in the above method.
However, in consideration of defects, each SiGe layer, particularly the outermost SiGe layer, cannot be made thicker than the critical film thickness corresponding to each germanium concentration SiGe layer. Therefore, in order to obtain a SiGe layer having a high germanium concentration on the outermost surface, it is necessary to stack a thicker SiGe layer having a thickness equal to or less than the critical thickness. For example, when a SiGe layer having a germanium concentration of 20% on the outermost surface is formed, if the germanium concentration is increased every 5%, epitaxial growth is not performed 8 times when the germanium concentration is 40%. must not. For this reason, it takes a long time to form the SiGe crystal layer, which is a virtual substrate, and there is a problem that the throughput is deteriorated and the productivity is poor, which makes mass production difficult.
The present invention has been made in view of the above problems, and a semiconductor substrate that can improve the mobility of both electrons and holes more easily and inexpensively using a normal silicon single crystal substrate, An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a semiconductor substrate in which a SiGe layer containing strain is laminated on a silicon substrate, and in a partial region of the SiGe layer, a part of the SiGe layer is formed in the SiGe layer. Thus, there is provided a semiconductor substrate having a defect layer accompanying the introduction of an electrically neutral element, including a strain under the defect layer, and the strain being relaxed on the defect layer.
Also, (a) by laminating a SiGe layer on a silicon substrate, a SiGe layer containing strain is formed,
(B) forming a defect layer in a part of the SiGe layer by ion-implanting an electrically neutral element in the SiGe layer into a part of the SiGe layer and performing a heat treatment; There is provided a method for manufacturing a semiconductor substrate that relieves strain of a SiGe layer in a region through which ions have passed.
[0007]
Furthermore, according to the present invention, the semiconductor substrate,
In some part of that layer SiGe layer with relaxed strain Area When In all layers SiGe layer containing strain Area An element isolation region formed in a region between and
An NMOS transistor formed on the SiGe layer in the strain-relaxed region and comprising a gate insulating film, a gate electrode, and a source / drain region;
A semiconductor device is provided that has a gate insulating film, a gate electrode, and a PMOS transistor formed of a source / drain region, which is formed on a SiGe layer in a region containing strain.
In addition, after forming the semiconductor substrate,
(C) In some part of that layer SiGe layer with relaxed strain Area When In all layers SiGe layer containing strain Area Forming an element isolation region in the region between
(D) A semiconductor device in which an NMOS transistor and a PMOS transistor each including a gate insulating film, a gate electrode, and a source / drain region are formed on the SiGe layer in the strain-relieved region and the SiGe layer in the region containing the strain, respectively. A manufacturing method is provided.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor substrate of the present invention is mainly composed of a silicon substrate and a SiGe layer formed thereon.
The silicon substrate is not particularly limited as long as it is normally used for manufacturing a semiconductor device, and amorphous, microcrystal, single crystal, polycrystal, and two or more of these crystal states are mixed. A substrate made of silicon can be mentioned. Further, an SOI substrate having a surface silicon layer made of these silicon, a multilayer SOI substrate, or the like may be used. Among these, a substrate made of single crystal silicon is preferable.
[0009]
The SiGe layer formed thereon is preferably substantially formed as a crystal layer. Here, the crystal layer includes a microcrystal, a polycrystal, a single crystal, or a mixed state thereof. The SiGe layer is a layer having a larger lattice constant than silicon due to germanium. When such a SiGe layer is formed on the silicon substrate, the SiGe layer is distorted based on the difference between these lattice constants, and particularly compressive strain is included.
The composition ratio of silicon and germanium in the SiGe layer is not particularly limited, but about 9: 1 to 7: 3 is appropriate. This composition ratio may vary within the above range continuously or stepwise in the film thickness direction of the SiGe layer, but is preferably uniform. Further, it may be partially different in the layer surface (in-plane) direction, but is preferably uniform. The film thickness of the SiGe layer is preferably not more than the critical film thickness of germanium concentration in order to avoid the introduction of unintended defects in the SiGe layer, and for example, about 100 to 300 nm is appropriate.
[0010]
This SiGe layer has a defect layer accompanying the introduction of an electrically neutral element in the SiGe layer in a part of the region and in a part of the inside of the layer. This defect layer is a layer that can be distinguished from a layer having a defect that is unintentionally introduced in the formation of the SiGe layer. Specifically, the defect layer is actively introduced by ion implantation, subsequent heat treatment, or the like. , Means a layer with accumulated defects. The position where the defect layer is formed can be adjusted according to the film thickness of the SiGe layer, and for example, it is appropriate to be between about 50 and 100 nm from the surface of the SiGe layer. Moreover, the thickness is about 30-50 nm. The defect layer may be formed in the entire region of the SiGe layer in the surface (in-plane) direction, but depending on the type, characteristics, performance, etc. of the semiconductor device formed on the semiconductor substrate of the present invention, It may be formed in a part thereof, or may be formed in one region or a plurality of regions (for example, stripes, islands, etc.). When formed in a plurality of regions, they may be formed at different depths and different thicknesses within the SiGe layer.
[0011]
Elements that are electrically neutral in the SiGe layer introduced to form the defect layer include hydrogen; elements belonging to Group 4 of the periodic table such as carbon, silicon, germanium, and tin; He, Ne, Examples include elements belonging to Group 0 such as Ar, Kr, and Xe.
In the SiGe layer, strain is included under the defect layer. In other words, the SiGe layer formed on the silicon substrate inherently contains strain due to the difference in lattice constant between the two, so that the contained strain remains under the defect layer. Means that.
On the other hand, in the SiGe layer, strain is relaxed on the defect layer. The relaxation of strain here means a state in which stress due to inherently contained strain is reduced. Specifically, when ions are implanted into the SiGe layer, it is converted to amorphous due to crystal dislocation, crystallinity breakage, etc., and further, the crystallinity is restored by heat treatment, and defects are converted into defect layers. accumulate. Therefore, the defect is almost recovered or removed in the upper part of the defect layer.
The thickness of the portion including these strains or the strains being relaxed can be appropriately adjusted depending on the thickness of the SiGe layer, the position and thickness of the defect layer.
[0012]
On the semiconductor substrate of the present invention, that is, on the SiGe layer, one or more semiconductor layers may be further laminated. Here, as the semiconductor layer, a silicon layer, a germanium layer, a SiC layer, a SiGe layer, a SiGeC layer, a group IV element semiconductor such as GeC and a mixed semiconductor, and a III-V group such as GaAs, InP, ZnSe, or II- Group VI compound semiconductor layers may be mentioned. In particular, when SiC is used, a larger strain is applied to the SiGe layer, so that the mobility of electrons and holes can be further improved. When Ge is used, SiGe is used. Since compressive stress is generated on the layer, only the mobility of holes is improved, but Ge is preferable because the mobility of electrons and holes is larger than that of Si. Note that the semiconductor layer may be a microcrystal, a polycrystal, a single crystal, or the like, but is preferably a single crystal layer.
The film thickness of the semiconductor layer formed on the SiGe layer can be appropriately adjusted according to the characteristics of the substrate to be obtained, the type and performance of the semiconductor device formed thereon, and is, for example, 10 to 30 nm. Degree.
[0013]
The semiconductor device of the present invention is formed on the substrate in which an element isolation region is formed in a region between the SiGe layer in which the strain is relaxed and the SiGe layer containing the strain. Examples of the element isolation region include element isolation regions known in the art such as a LOCOS film, an STI (Shallow Trench Isolation) film, and a trench element isolation film.
Examples of the semiconductor device include various semiconductor devices such as a MOS transistor, a diode, a capacitor, and a bipolar transistor. Among these, a CMOS transistor composed of a PMOS transistor and an NMOS transistor is preferable. In this case, an NMOS transistor is formed on the SiGe layer in the region where the strain is relaxed, and a PMOS transistor is formed on the SiGe layer in the region including the strain. Since performance can be improved, it is preferable.
[0014]
The gate oxide film, the gate electrode, and the source / drain region that constitute the MOS transistor can be formed by a method that is usually formed depending on the film thickness, material, and the like that are usually used to form a semiconductor device such as a MOS transistor. it can. In addition, sidewall spacers may be formed on the gate electrode, and the source / drain regions may have an LDD structure or a DDD structure. Further, the source / drain regions may be formed by laminating semiconductor layers on both sides of the gate electrode and the sidewall spacer, and the semiconductor layers. Examples of the semiconductor layer in this case include the same semiconductor layer as described above, but a silicon layer is preferable. The film thickness of the semiconductor layer constituting the source / drain region can be appropriately adjusted according to the performance of the MOS transistor to be obtained.
[0015]
In the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, first, in step (a), a SiGe layer is laminated on a silicon substrate. Thus, as described above, the SiGe layer is distorted due to the difference in lattice constant between silicon and SiGe. Here, the SiGe layer can be formed by a known method such as an epitaxial growth method or a CVD method.
Next, in step (b), an electrically neutral element in the SiGe layer is ion-implanted into a partial region of the SiGe layer, and heat treatment is performed. Ion implantation conditions, such as dose and implantation energy, can be appropriately set according to the types of the elements described above. For example, 1 × 10 15 ~ 1x10 17 cm -2 Dosage of a certain degree, such that the implantation peak comes to the position where the above-mentioned defect layer is to be formed, specifically, implantation energy at which the implantation depth is about 50 to 100 nm from the surface, more specifically Is an implantation energy of about 20 to 300 keV. In this implantation, in order to reduce the implantation depth, a cover film made of an insulating film such as an oxide film or a nitride film may be formed on the surface of the SiGe layer, and then ion implantation may be performed through the cover film. .
[0016]
For the heat treatment, methods and conditions known in the art can be used. Specifically, furnace annealing, lamp annealing, RTA, etc. are mentioned, and it is performed at a temperature range of 600 to 900 ° C. for about 5 to 30 minutes under an air atmosphere, a nitrogen gas atmosphere, an oxygen gas atmosphere, a hydrogen gas atmosphere or the like. be able to. In this heat treatment, the cover film as described above may be attached and heat treated in consideration of surface flattening of the SiGe layer. Thereby, while forming a defect layer in a part in SiGe layer, the crystallinity of the SiGe layer in the area | region which ion passed can be recovered, and distortion can be relieved.
In addition, after performing the step (b), one or more semiconductor layers may be further stacked on the obtained SiGe layer. The semiconductor layer stacking method here can be performed in the same manner as described above.
[0017]
In the present invention, after forming the semiconductor substrate as described above, in step (c), an element isolation region is formed in a region between the strain-relieved SiGe layer and the strained SiGe layer. . In this case, the element isolation region can be formed by various methods such as LOCOS method, STI method, trench element isolation method and the like.
In step (d), an NMOS transistor and a PMOS transistor each including a gate insulating film, a gate electrode, and source / drain regions are formed. As a method for forming the MOS transistor, a method known in this field can be used.
When the source / drain regions are formed by semiconductor layers located on both sides of the gate electrode and the sidewall spacer, after the sidewall spacer is formed on the side wall of the gate electrode, the semiconductor is selectively epitaxially grown thereon. By stacking the layers, the source / drain regions can be formed by a known method, that is, ion implantation or the like. The introduction of impurities into the source / drain regions includes ion implantation, a method of epitaxial growth while doping impurities, and a method of solid phase diffusion or vapor phase diffusion after the semiconductor layer is formed by epitaxial growth.
Below, the semiconductor substrate of this invention, a semiconductor device, and those manufacturing methods are demonstrated in detail based on drawing.
[0018]
Embodiment 1
In the semiconductor substrate of this embodiment, as shown in FIG. 3 (k), a SiGe crystal layer 102 is stacked on a p-type single crystal silicon substrate 101 in a state where strain is included. The SiGe crystal layer 102 has a SiGe layer 104 containing a large number of defects in a part of the SiGe crystal layer 102, and an undistorted or relaxed SiGe crystal layer 106 is formed on the SiGe layer 104. The SiGe crystal layer 102 in the state where the strain is included is disposed below the layer.
Further, in such a semiconductor substrate, an element isolation region 111 is formed between the first SiGe crystal layer 106 without strain and the SiGe crystal layer 102 containing the strain, and the SiGe crystal layer 106 without strain is formed. A strained silicon crystal layer 109 is formed thereon, and a strained silicon crystal layer 110 is formed on the strained SiGe crystal layer 102. A gate electrode is formed on the silicon crystal layers 109 and 110 via a gate insulating film 112. Further, source / drain regions 118 and 119 are formed on the SiGe crystal layers 106 and 102 and the silicon crystal layers 109 and 110, respectively. Are formed to constitute NMOS and PMOS transistors.
The semiconductor substrate and the semiconductor device can be formed by the following method.
[0019]
First, as shown in FIG. 1A, organic heavy metals on the surface of the p-type single crystal silicon substrate 101 are removed by a cleaning process, and further, natural oxidation formed on the surface of the silicon substrate 101 using a dilute HF solution. Remove the membrane.
Next, as shown in FIG. 1B, a silicon substrate 101 is introduced into a rapid heating CVD apparatus (RT-CVD apparatus), and heat treatment is performed at 850 to 1000 ° C. in a hydrogen gas atmosphere. The natural oxide film formed on the surface of the substrate 101 is removed. Thereafter, the temperature of the silicon substrate 101 is set to 500 ° C., and the SiGe crystal layer 102 having a film thickness of 100 nm and a germanium concentration of 20% is formed as a virtual substrate. Since the critical film thickness decreases as the germanium concentration in the SiGe layer increases or the substrate temperature increases, the film thickness of the SiGe crystal layer 102 exceeds the critical film thickness at this concentration and the substrate temperature of about 300 nm. It is set not to be. For this reason, the SiGe crystal layer 102 grows in a state including strain, dislocations for relaxing the strain are not introduced, and a high-quality crystal layer is obtained.
[0020]
Subsequently, as shown in FIG. 1C, the PMOS transistor formation region is covered with a resist pattern 103 formed in a desired shape using a photolithography technique, and only the NMOS transistor formation region has a large current ion. 1 × 10 hydrogen with injector 15 ~ 5x10 16 cm -2 The energy is set so that the implantation depth is about 50 to 100 nm from the surface. As a result, the crystallinity is destroyed in the region through which hydrogen ions have passed, and the SiGe amorphous layer 105 is formed. The implanted hydrogen remains at the interface between the SiGe crystal layer 102 and the SiGe amorphous layer 105 (FIG. 1 (d)). Note that hydrogen is electrically neutral in the SiGe crystal layer 102 and the SiGe amorphous layer 105, and thus has no electrical influence when a transistor is manufactured.
[0021]
As shown in FIG. 2E, after the resist pattern 103 is removed, heat treatment is performed in a temperature range of 600 to 900 ° C. for 5 to 30 minutes in a nitrogen atmosphere. As a result, as shown in FIG. 2F, the SiGe amorphous layer 105 recovers its crystallinity using the SiGe crystal layer 102 as a seed, and is converted into a first SiGe crystal layer 106 without strain. Further, at the interface between the SiGe crystal layer 102 and the SiGe amorphous layer 105, crystal defects are accumulated due to hydrogen remaining at the interface, and the SiGe layer 104 containing many defects is formed. That is, the strain included in the SiGe crystal layer 102 is released by the SiGe layer 104 containing many defects, and the recrystallized SiGe crystal layer 105 is in a state in which the strain is relaxed. It should be noted that the SiGe crystal layer 102 in the PMOS transistor formation region where implantation is not performed still contains strain.
Further, the natural oxide film formed on the surface of the SiGe crystal layers 102 and 106 is removed with a dilute HF solution, and the obtained silicon substrate 1 is again introduced into the RT-CVD apparatus, and 850 to 1000 in a hydrogen gas atmosphere. The natural oxide film formed on the surfaces of the SiGe crystal layers 102 and 106 when the apparatus is introduced is removed by heating to 0 ° C.
[0022]
Thereafter, as shown in FIG. 2G, silicon crystal layers 109 and 110 having a thickness of 20 nm are formed at 650.degree. The film thickness of the silicon crystal layers 109 and 110 is a critical film thickness (approximately about the difference in lattice constant between the silicon crystal layers 110 and 109 and the SiGe crystal layers 102 and 106 having a germanium concentration of 20% as a virtual substrate and the silicon crystal layers 110 and 109. Therefore, the silicon crystal layers 109 and 110 having a defect density low enough to form a transistor can be formed. Note that since the lattice constant of the SiGe crystal layer 106 without strain is larger than the lattice constant of the silicon crystal layer 109 formed thereon, the silicon crystal layer 109 is formed in a state of being subjected to tensile stress. This stress improves the mobility of electrons in the strained silicon crystal layer 109. Further, the Si crystal layer 110 formed on the strained SiGe crystal layer 102 has no strain. That is, since the SiGe crystal layer 102 is formed on the silicon substrate 101, the lattice constant of the SiGe crystal layer 102 is close to that of silicon, and therefore close to the lattice constant of the silicon crystal layer 110 formed thereon. Does not have
[0023]
A CMOS transistor is formed on the silicon crystal layer 110 thus obtained by applying a normal field effect transistor manufacturing technique. That is, as shown in FIG. 2 (h), the element isolation region 111 is formed by using the STI technique, and as shown in FIG. 3 (i), the silicon oxide film 112 and the polycrystalline silicon serving as a gate insulating film are formed. A layer 113 is deposited, and a resist pattern 114 having a desired shape is formed thereon by using a photolithography technique.
Subsequently, as shown in FIG. 3J, the polycrystalline silicon layer 113 is patterned using the resist pattern 114 as a mask to form gate electrodes in the NMOS transistor formation region and the PMOS transistor formation region, respectively. Side wall spacers 116 are formed on the side walls of the obtained gate electrode.
Thereafter, as shown in FIG. 3K, source / drain regions 118 and 119 are formed by ion implantation in the NMOS transistor formation region and the PMOS transistor formation region, respectively, using a resist pattern having a desired shape. .
[0024]
Embodiment 2
First, a SiGe crystal layer 202 containing a germanium concentration of 20% and strain is formed on a p-type single crystal silicon substrate 201 by the same method as in the first embodiment (FIGS. 1A to 2F). A first SiGe crystal layer 206 having no defects and a SiGe layer 204 containing many defects are formed.
Next, as shown in FIG. 4, second SiGe layers 207 and 208 having a film thickness of 150 nm and the same germanium concentration (20%) as the first SiGe layers 202 and 206 are formed. The second SiGe crystal layer 208 formed on the SiGe crystal layer 202 containing the strain is in a strained state, and the second SiGe layer 207 formed on the first SiGe crystal layer 206 without the strain is not strained. State.
[0025]
Thereafter, a CMOS transistor is formed in the same manner as in the first embodiment (FIGS. 2G to 3K).
In this manner, by providing the second SiGe crystal layers 207 and 208, for example, when a field effect (MOS) transistor or the like is manufactured, the SiGe layer 204 containing many defects can be easily isolated from the transistor operation region. Can do. That is, in the MOS transistor, when the depletion layer formed between the drain and the substrate overlaps the SiGe layer 204 containing many defects, a generated recombination current is generated in the SiGe layer 204 containing many defects, and thus a leakage current is generated. Will increase. Therefore, the leakage current can be prevented by forming the SiGe layer 204 containing many defects at a depth away from the depletion layer formed between the drain and the substrate.
[0026]
Embodiment 3
First, by a method similar to that of the first embodiment (FIGS. 1A to 2H), a SiGe crystal layer 302 containing a 20% germanium concentration and strain is formed on a p-type single crystal silicon substrate 301, A first SiGe crystal layer 306 having no defects, a SiGe layer 304 containing many defects, silicon crystal layers 309 and 310, and an element isolation region are formed.
Next, as shown in FIG. 5A, a silicon oxide film 312, a polycrystalline silicon layer 313, and a silicon oxide film 315 to be a gate insulating film are formed.
Thereafter, as shown in FIG. 5B, gate electrodes and sidewall spacers 316 are formed in the same manner as in the first embodiment (FIGS. 3I to 3J).
Subsequently, as shown in FIG. 5C, silicon crystal layers 317 are formed on both sides of the sidewall spacer 316 by selective epitaxial growth. Thereafter, in the same manner as in the first embodiment (FIG. 3K), source / drain regions are formed in the silicon crystal layer 317 by ion implantation.
Thereby, as in the second embodiment, the SiGe layer 304 containing many defects can be isolated from the transistor operation region.
It has been confirmed by Raman spectroscopic analysis that the strain of the SiGe layer can be relaxed even if the implantation depth peak at the time of hydrogen ion implantation is set in the silicon substrate.
[0027]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a semiconductor substrate in which a SiGe layer containing strain is stacked on a silicon substrate, and in a partial region of the SiGe layer, a part of the SiGe layer is included in the SiGe layer. Since it has a defect layer due to the introduction of electrically neutral elements, it contains strain under the defect layer, and strain is relaxed on the defect layer, so that the mobility of electrons can be improved on the same substrate. It is possible to easily coexist the layer in which the contributing strain is relaxed and the layer containing the strain contributing to the improvement in hole mobility by a thin SiGe layer in a flat state.
Further, when one or more semiconductor layers are stacked on the SiGe layer, the defect layer can be isolated from the operation region of the semiconductor device formed on the semiconductor substrate, and leakage current, etc. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor substrate capable of providing a higher performance semiconductor device.
Furthermore, when the electrically neutral element in the SiGe layer is hydrogen, a Group 4 element of the periodic table, or an inert gas, the operation of the semiconductor device formed on the semiconductor substrate is affected. Without giving, it is possible to introduce a layer in which effective strain is relaxed into the semiconductor substrate.
[0028]
In addition, a defect layer can be effectively formed in a part of the SiGe layer by ion-implanting an electrically neutral element in the SiGe layer into a part of the SiGe layer and performing a heat treatment. In addition, the strain of the SiGe layer in the region where ions have passed can be relaxed, and a useful semiconductor device can be manufactured easily and in a short time without increasing the thickness of the SiGe layer. Thus, it is possible to increase the throughput and, in turn, mass production by increasing the efficiency of the productivity, and it becomes possible to manufacture a useful semiconductor substrate at a low cost.
Furthermore, in a semiconductor device using the semiconductor substrate, particularly a CMOS transistor, high mobility can be obtained for both electrons and holes at the same height on the same substrate, and high performance and high reliability can be obtained. .
In addition, when one or more semiconductor layers are stacked on the SiGe layer and an NMOS transistor and a PMOS transistor are formed on the semiconductor layer, the gate electrode has a sidewall spacer on its sidewall. And the source / drain region is formed by a semiconductor layer stacked on both sides of the gate electrode and the sidewall spacer formed on the SiGe layer or the semiconductor layer, Since the defect layer can be reliably isolated, a higher-performance semiconductor device can be obtained.
Furthermore, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a high-performance semiconductor device can be manufactured easily and in a short time, and mass production can be achieved by improving throughput and, in turn, improving productivity. It becomes possible to manufacture a useful semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part showing a semiconductor substrate and a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part showing the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part showing the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional process diagram of a substantial part showing another embodiment of a method for producing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional process diagram of a substantial part showing still another embodiment of a method for producing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a main part showing a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301 Silicon substrate
102, 202, 302 SiGe crystal layer (layer containing strain)
103, 114, 314 resist pattern
104, 204, 304 SiGe layer containing many defects (defect layer)
105 SiGe amorphous layer
106, 206, 306 First SiGe crystal layer (layer with relaxed strain) 207, 208 Second SiGe layer
109, 110, 209, 210, 309, 310 Silicon crystal layer
111 element isolation region
112, 312, 315 Silicon oxide film
113, 313 Polycrystalline silicon layer
116, 316 Side wall spacer
118, 119 source / drain regions
317 silicon crystal layer

Claims (11)

歪みを内包するSiGe層がシリコン基板上に積層されて構成される半導体基板であって、
前記SiGe層の一部の領域において、その層内の一部に、SiGe層内で電気的に中性の元素の導入に伴う欠陥層を有し、該欠陥層下では歪みを内包し、かつ該欠陥層上では歪みが緩和されてなることを特徴とする半導体基板。
A semiconductor substrate configured by laminating a SiGe layer containing strain on a silicon substrate,
In a partial region of the SiGe layer, a part of the SiGe layer has a defect layer due to introduction of an electrically neutral element in the SiGe layer, and includes a strain under the defect layer; and A semiconductor substrate, wherein distortion is relaxed on the defect layer.
さらに、前記SiGe層上に、1層又は2層以上の半導体層が積層されてなる請求項1に記載の半導体基板。The semiconductor substrate according to claim 1, further comprising one or more semiconductor layers stacked on the SiGe layer. 前記SiGe層内で電気的に中性の元素が、水素、周期律表の第4族の元素又は不活性ガスである請求項1又は2に記載の半導体基板。 The element of electrically neutral in SiGe layer is hydrogen, the semiconductor substrate according to claim 1 or 2 which is a Group 4 element or the inert gas of the Periodic Table. (a)シリコン基板上にSiGe層を積層することにより、歪みが内包したSiGe層を形成し、
(b)該SiGe層の一部の領域に、SiGe層内で電気的に中性の元素をイオン注入し、熱処理を行うことにより、前記SiGe層内の一部に欠陥層を形成するとともに、イオンが通過した領域における前記SiGe層の歪みを緩和させることを特徴とする半導体基板の製造方法。
(A) By stacking a SiGe layer on a silicon substrate, a SiGe layer containing strain is formed,
(B) forming a defect layer in a part of the SiGe layer by ion-implanting an electrically neutral element in the SiGe layer into a part of the SiGe layer and performing a heat treatment; A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: relaxing distortion of the SiGe layer in a region through which ions pass.
歪みを内包するSiGe層がシリコン基板上に積層され、前記SiGe層の一部の領域において、その層内の一部に、SiGe層内で電気的に中性の元素の導入に伴う欠陥層を有し、該欠陥層下では歪みを内包し、かつ該欠陥層上では歪みが緩和されて構成される半導体基板と、
その層内の一部で歪みが緩和された前記SiGe層の領域全層で歪みを内包する前記SiGe層の領域との間の領域に形成された素子分離領域と、
前記歪みが緩和された領域のSiGe層上に形成され、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるNMOSトランジスタと、
前記歪みを内包する領域のSiGe層上に形成され、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるPMOSトランジスタとを有することを特徴とする半導体装置。
A SiGe layer containing strain is laminated on a silicon substrate, and in a part of the SiGe layer, a part of the SiGe layer includes a defect layer due to introduction of an electrically neutral element in the SiGe layer. A semiconductor substrate configured to contain strain under the defect layer and relax the strain on the defect layer;
An element isolation region formed in a region between the region of the SiGe layer strained in the region and all layers of the SiGe layer which distortion is relaxed by the part of the layer in,
An NMOS transistor formed on the SiGe layer in the strain-relieved region and comprising a gate insulating film, a gate electrode, and a source / drain region;
A semiconductor device, comprising: a PMOS transistor formed on a SiGe layer in a region including the strain and comprising a gate insulating film, a gate electrode, and a source / drain region.
さらに、前記SiGe層上に、1層又は2層以上の半導体層が積層され、該半導体層上に前記NMOSトランジスタ及び前記PMOSトランジスタが形成されてなる請求項5に記載の半導体装置。Further, the on the SiGe layer is one layer or laminated two or more layers of the semiconductor layer, the semiconductor device according to claim 5, wherein the said semiconductor layer NMOS transistor and the PMOS transistors are formed. 前記ゲート電極が、その側壁にサイドウォールスペーサを有し、かつ前記ソース/ドレイン領域が、サイドウォールスペーサの両側の前記SiGe層又は前記半導体層上に積層された半導体層により形成されてなる請求項5又は6に記載の半導体装置。 The gate electrode has a sidewall spacer on the sidewall, and the source / drain regions, formed by formed by the SiGe layer or the semiconductor layer, wherein the stacked on the semiconductor layer on both sides of the sidewall spacer claims Item 7. The semiconductor device according to Item 5 or 6. (a)シリコン基板上にSiGe層を積層することにより、歪みが内包したSiGe層を形成し、
(b)該SiGe層の一部の領域に、SiGe層内で電気的に中性の元素をイオン注入し、熱処理を行うことにより、前記SiGe層内の一部に欠陥層を形成するとともに、イオンが通過した領域における前記SiGe層の歪みを緩和させ、
(c)その層内の一部で歪みが緩和された前記SiGe層の領域全層で歪みを内包する前記SiGe層の領域との間の領域に素子分離領域を形成し、
(d)前記歪みが緩和された領域のSiGe層上及び前記歪みを内包する領域のSiGe層上に、それぞれ、ゲート絶縁膜、ゲート電極及びソース/ドレイン領域からなるNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) By stacking a SiGe layer on a silicon substrate, a SiGe layer containing strain is formed,
(B) forming a defect layer in a part of the SiGe layer by ion-implanting an electrically neutral element in the SiGe layer into a part of the SiGe layer and performing a heat treatment; to relax the strain of the SiGe layer in an ion has passed the area,
(C) forming an isolation region in a region between the region of the SiGe layer strained in part enclosing the region and distortion in all layers of the SiGe layer is relaxed in that layer,
(D) on the SiGe layer in the region where the strain containing the SiGe layer and the strain relief region, respectively, forming a gate insulating film, an NMOS transistor and a PMOS transistor composed of a gate electrode and a source / drain region A method for manufacturing a semiconductor device.
工程(b)の後に、さらに、前記SiGe層上に、1層又は2層以上の半導体層を積層する請求項8に記載の方法。The method according to claim 8, further comprising depositing one or more semiconductor layers on the SiGe layer after the step (b). 前記SiGe層内で電気的に中性の元素が、水素、周期律表の第4族の元素又は不活性ガスである請求項8又は9に記載の方法。The method according to claim 8 or 9, wherein the electrically neutral element in the SiGe layer is hydrogen, a Group 4 element of the periodic table, or an inert gas. 工程(d)において、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極を形成した後、該ゲート電極側壁にサイドウォールスペーサを形成し、さらに、該サイドウォールスペーサの両側の前記SiGe層又は前記半導体層上に選択的エピタキシャル成長法により半導体層を積層し、該半導体層に前記ソース/ドレイン領域を形成する請求項8〜10のいずれか1つに記載の方法。Selection in the step (d), the said gate insulating film, after forming the gate electrode, a sidewall spacer is formed on the gate electrode side wall, furthermore, to the sidewall the SiGe layer on both sides of the spacer or the semiconductor layer the method according to laminating semiconductor layers, any one of claims 8-10 for forming the source / drain regions in the semiconductor layer by epitaxial growth.
JP2001147902A 2001-05-17 2001-05-17 Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP3875040B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001147902A JP3875040B2 (en) 2001-05-17 2001-05-17 Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001147902A JP3875040B2 (en) 2001-05-17 2001-05-17 Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002343880A JP2002343880A (en) 2002-11-29
JP3875040B2 true JP3875040B2 (en) 2007-01-31

Family

ID=18993314

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001147902A Expired - Fee Related JP3875040B2 (en) 2001-05-17 2001-05-17 Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3875040B2 (en)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6855436B2 (en) 2003-05-30 2005-02-15 International Business Machines Corporation Formation of silicon-germanium-on-insulator (SGOI) by an integral high temperature SIMOX-Ge interdiffusion anneal
DE10218381A1 (en) * 2002-04-24 2004-02-26 Forschungszentrum Jülich GmbH Method for producing one or more single-crystalline layers, each with a different lattice structure, in one plane of a layer sequence
CN100505218C (en) * 2003-01-08 2009-06-24 国际商业机器公司 Semiconductor structure and its manufacture method
US6825086B2 (en) * 2003-01-17 2004-11-30 Sharp Laboratories Of America, Inc. Strained-silicon channel CMOS with sacrificial shallow trench isolation oxide liner
DE10318283A1 (en) * 2003-04-22 2004-11-25 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for producing a strained layer on a substrate and layer structure
DE10318284A1 (en) * 2003-04-22 2004-11-25 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for producing a strained layer on a substrate and layer structure
US7169226B2 (en) 2003-07-01 2007-01-30 International Business Machines Corporation Defect reduction by oxidation of silicon
US7662689B2 (en) * 2003-12-23 2010-02-16 Intel Corporation Strained transistor integration for CMOS
JP2005197405A (en) * 2004-01-06 2005-07-21 Toshiba Corp Semiconductor device and manufacturing method therefor
US7384829B2 (en) 2004-07-23 2008-06-10 International Business Machines Corporation Patterned strained semiconductor substrate and device
JP5055771B2 (en) * 2005-02-28 2012-10-24 富士通セミコンダクター株式会社 Semiconductor device and manufacturing method thereof
DE102005041225B3 (en) * 2005-08-31 2007-04-26 Advanced Micro Devices, Inc., Sunnyvale Method for producing recessed, deformed drain / source regions in NMOS and PMOS transistors
FR2896255B1 (en) * 2006-01-17 2008-05-09 Soitec Silicon On Insulator METHOD OF ADJUSTING THE STRESS OF A SUBSTRATE IN A SEMICONDUCTOR MATERIAL
JP2010171337A (en) * 2009-01-26 2010-08-05 Toshiba Corp Field effect transistor
JP5426732B2 (en) * 2012-07-10 2014-02-26 株式会社東芝 Field effect transistor
EP2741320B1 (en) * 2012-12-05 2020-06-17 IMEC vzw Manufacturing method of a finfet device with dual-strained channels
CN109950153B (en) * 2019-03-08 2022-03-04 中国科学院微电子研究所 Semiconductor structure and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002343880A (en) 2002-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7084051B2 (en) Manufacturing method for semiconductor substrate and manufacturing method for semiconductor device
JP3875040B2 (en) Semiconductor substrate and manufacturing method thereof, and semiconductor device and manufacturing method thereof
US7897444B2 (en) Strained semiconductor-on-insulator (sSOI) by a simox method
JP5173582B2 (en) Semiconductor device
JP3970011B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
KR100473663B1 (en) Method for producing cmos device
US6852604B2 (en) Manufacturing method of semiconductor substrate
JP3678661B2 (en) Semiconductor device
US7985985B2 (en) Semiconductor device and method of fabricating the same
TWI578536B (en) Method for fabricating a semiconductor device
US7485929B2 (en) Semiconductor-on-insulator (SOI) strained active areas
JP2002237590A (en) Mos field effect transistor
JPH09321307A (en) Semiconductor device
KR20050121479A (en) Fabricating method of cmos transistor and cmos transistor fabricated by the same method
US20090130826A1 (en) Method of Forming a Semiconductor Device Having a Strained Silicon Layer on a Silicon-Germanium Layer
GB2469240A (en) Fabrication of a stressed MOS device
JP2003249641A (en) Semiconductor substrate, manufacturing method therefor and semiconductor device
JP2004103805A (en) Semiconductor substrate, method of manufacturing the same and semiconductor device
JP3488914B2 (en) Semiconductor device manufacturing method
JP3933405B2 (en) Semiconductor substrate, semiconductor device and manufacturing method thereof
JP3901957B2 (en) Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor device manufactured by the method
JP4322706B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2004055943A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2004014878A (en) Method for manufacturing semiconductor substrate and semiconductor device
JP2004111638A (en) Method for manufacturing semiconductor substrate and method for manufacturing semiconductor device using the same and semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20041214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060829

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060926

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: 20061017

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20061025

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091102

Year of fee payment: 3

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101102

Year of fee payment: 4

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111102

Year of fee payment: 5

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111102

Year of fee payment: 5

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121102

Year of fee payment: 6

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121102

Year of fee payment: 6

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131102

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees