JP4212228B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は歪Si層を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン結晶を用いたさまざまな半導体素子は広く一般に使われている。この半導体素子を高性能化するためには、シリコン結晶中を走行する電子の走行速度(移動度)を高めることが有効な手段の一つである。
【0003】
しかしながらシリコン結晶中を走行する電子の移動度は、上限値がシリコン結晶の物性により決まるものであり、半導体素子の構造を工夫しても、移動度の上限値を越えることはできない。しかし近年、本来のシリコン結晶に歪みを加えた歪シリコン結晶中では電子の移動度が高められることが報告されている。
【0004】
シリコン結晶に歪みを加える手段として、シリコン結晶とはわずかに格子定数が異なる下地結晶を用意し、その下地結晶上に臨界膜厚(結晶が格子緩和する層厚)より薄いシリコン層を薄膜成長技術により成長する方法が一般にとられている。具体的には下地結晶としてGe組成が20%程度のSiGe混晶層(この場合SiGe結晶の格子定数はSi結晶の格子定数より約0.8%大きい)を用意し、このSiGe結晶層上に臨界層厚100nm以下のシリコン層を薄膜成長することにより歪Si層を得る。
【0005】
しかしながら工業的に量産され、安価で品質の優れたSiGe結晶基板を入手することは困難であるため、通常はシリコンウエファーを基板に用い、この上にSiGe層を格子緩和する厚さ(臨界膜厚)以上気相成長させることにより、格子緩和したSiGe下地層を得ている。
【0006】
しかしながら、この方法では、Si基板上に直接Ge組成が20%のSiGe層を成長するために、SiGe層が格子緩和する際に発生する転位等の欠陥が多く生じ、その上に成長する歪シリコン層にこの欠陥を核にして転位が貫通するという問題がある。
【0007】
そこで格子緩和する際にSiGe層に欠陥を発生させないために、バッファ層をシリコン基板上に形成し、この上に格子緩和SiGe層を形成する方法がある。このバッファ層としては、通常格子緩和SiGe層と同じ組成(同じ格子定数)の十分に厚いSiGe層或いはSi結晶層に少しずつGe原子を混入させ、Geの組成を徐々に増加させていく傾斜組成バッファ層が用いられている。このようにGe組成を徐々に増加させて所望のSiGe層を得ているので、下地層との格子定数との差が急激に変化せず良好な格子緩和SiGe層を得ることが可能となる。
【0008】
しかしながらこのようなバッファ層と格子緩和SiGe層を合わせると非常に厚い層となり、その後の素子作製に対して障害となる。例えば素子を集積化する場合、各微細素子を分離する必要が生ずるが、厚さ1μm以上のSiGe層は厚すぎて、各素子を分離できない。また接合容量を低減することが期待されるSOI(SILICON ON INSULATOR)技術では、埋め込み酸化膜上に厚さ1μm以上のSiGe層(バッファ層と合わせて)は厚すぎて、素子の接合容量を増大させる問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来は、バッファ層と合わせて格子緩和SiGe層は厚く形成しなければ良質な歪Si層を得ることができず、素子分離できないばかりか、素子の結合容量を増大させる問題がある。
【0010】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、酸化層上に薄くて且つ良好な格子緩和SiGe層を形成し、この格子緩和SiGe層上に良質な歪Si層を形成する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
また、格子緩和SiGe層上に、良質な歪Si層を再成長することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明は、基板上に歪SiGe層を形成する工程と、前記歪SiGe層上にSiキャップ層を形成する工程と、前記Siキャップ層を通して前記歪SiGe層に酸素イオンを注入することにより前記歪SiGe層内部に酸素を導入する酸素導入工程と、前記酸素導入工程後、熱処理により、酸素導入部分に酸化層を形成し、前記酸化層よりも上に位置する前記歪SiGe層を格子緩和させて格子緩和SiGe層を形成し、さらに、前記Siキャップ層を表面から酸化する熱処理工程と、この熱処理工程によって酸化された表面を含む前記Siキャップ層を除去する工程と、前記格子緩和SiGe層上に歪Si層を成長させる工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0015】
また、前記格子緩和SiGe層表面をエッチングするエッチング工程をさらに具備し、前記エッチング工程後に、前記歪Si層を成長させることが好ましい。
【0016】
また、前記格子緩和SiGe層表面をHF処理により水素終端する水素終端工程をさらに具備し、前記水素終端工程後に、前記歪Si層を成長させることが好ましい。
【0017】
また、前記水素終端工程後に、前記水素終端された前記格子緩和SiGe層表面の水素を除去することが好ましい。
【0018】
また、前記格子緩和SiGe層表面に別の酸化層を形成する酸化工程と、前記酸化工程後に、真空下で熱処理することにより、前記別の酸化層を除去する酸化層除去工程とをさらに具備し、前記酸化層除去工程後に、前記歪Si層を成長させることが好ましい。
【0019】
また、前記基板上にSiGeからなるバッファ層を形成する工程をさらに具備し、前記バッファ層上に前記歪SiGe層を形成することが好ましい。
【0020】
また、前記基板がSi基板であることが好ましい。
【0021】
また、前記基板がシリコン・オン・インシュレータ基板であることが好ましい。
【0022】
また、前記熱処理工程により形成された酸化層は、前記歪SiGe層を前記酸化層の上側に位置する歪SiGeと、前記酸化層の下側に位置する歪SiGe層とに分離するものであることが好ましい。
【0023】
また、前記酸素導入工程は、前記歪SiGe層に前記歪SiGe層の層厚より打ち込み飛程が浅くなる条件で酸素イオンを注入することが好ましい。
【0024】
第1の発明は、歪SiGe層中に酸素を導入し、熱処理によってSiGe層中に酸化層を形成する。この酸化層によって、前記歪SiGe層は、格子緩和されたSiGe層の上層、SiGe層の下層に分離されることになる。分離されたSiGe上層は、酸素の打ち込み飛程を調整することで、薄くなるように設定でき熱処理によって、酸化膜が形成されるとき、SiGe上層の歪はこの酸化層に吸収されることによって、転位等の欠陥が導入されず、薄くて良好な格子緩和SiGeを形成できる。
【0025】
また、前記格子緩和SiGe層の表面をエッチングし、エッチングされた格子緩和SiGe層の表面をHF処理により水素終端させる水素終端工程と、水素終端された格子緩和SiGe層表面上に歪Si層を成長させる工程とを有することが好ましい。
【0027】
このとき、前記水素終端工程後、前記歪Si層の成長工程前に、前記格子緩和SiGe層の表面の水素を熱処理によって除去する工程をさらに有し、こうして水素除去された格子緩和SiGe層の表面上に、前記歪Si層を成長させることが好ましい。
【0028】
また、前記格子緩和SiGe層上にSiGe層を成長させる工程をさらに具備し、前記SiGe成長層上に、前記歪Si層を成長させることが好ましい。
【0029】
このように、格子緩和SiGe層の表面をHF処理によって、水素終端させ、表面を保護し、歪Si層を再成長させる前に、同一チャンバー内で、水素を除去して歪Siを再成長させることによって、良好な歪Si層を形成できる。
【0030】
また、前記格子緩和SiGe層の表面に別の酸化層を保護層として形成する酸化工程と、前記基板を真空下で熱処理することにより、前記保護層を除去する保護層除去工程と、前記保護層が除去された格子緩和SiGe層表面上に歪Si層を成長させる工程とを有することが好ましい。
【0031】
このとき、前記酸化工程前に、前記格子緩和SiGe層の表面の一部を除去する格子緩和SiGe層除去工程をさらに有し、この格子緩和SiGe層除去工程後に前記酸化工程を行うことが好ましい。
【0032】
また、前記保護層除去工程後、前記歪Si層の成長工程の前に、前記保護層が除去された格子緩和SiGe層の表面上に新たな格子緩和SiGe層を成長させる工程をさらに有し、この新たな格子緩和SiGe層の表面上に歪Si層を成長させることが好ましい。
【0033】
このように、格子緩和SiGe層の表面を保護層たる別の酸化層によって保護し、歪Si層を再成長させる前に、同一チャンバー内真空下の熱処理により、保護層を除去した後に歪Siを再成長させることによって、良好な歪Si層を形成できる。
【0034】
第2の発明は、基板上に歪SiGe層を形成する工程と、前記歪SiGe層に酸素イオンを注入することにより前記歪SiGe層内部に酸素を導入する酸素導入工程と、前記酸素導入工程後、熱処理により、酸素導入部分に酸化層を形成し、さらに前記酸化層よりも上に位置する歪SiGe層を格子緩和させて格子緩和SiGe層を形成する熱処理工程と、前記格子緩和SiGe層上にSiGe層を成長させてSiGe成長層を形成する工程と、前記SiGe成長層上に歪Si層を成長させる工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
【0037】
(実施形態1)
図1に示すように、p型Si基板11上に超高真空CVD(化学的気相成長)装置にてSi1−XGeX傾斜組成層12を成長させる。このp型Si基板11は、比抵抗が4.5Ωcmから6Ωcm、主面は(100)面を持つ。また、Si1−XGeX傾斜組成層12は、成長の始めから終わりまで、Ge組成比Xを0から0.2まで徐々に増やし、層厚を1800nmとする。このSi1−XGeX傾斜組成層12はバッファ層として作用する。
【0038】
Si1−XGeX層12の原料ガスはSi2H6およびGeH4として、ドーパントは添加していない。成膜条件は基板温度650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPaとし、GeH4原料ガス分圧を徐々に60mPaまで増加することにより、傾斜組成を形成した。GeH4原料ガス分圧は、流量メータの設定を徐々に増加させることによって増加できる。このとき層厚200nmずつGe組成比Xを2%から18%までステップ幅2%ごと異なるSi1−xGex層を積層することで、近似的に層厚1800nmのSi1−xGex傾斜組成層12を作成することもできる。
【0039】
次に、超高真空CVD装置にて、Si1−XGeX(X:0→0.2)傾斜組成層12上に連続して歪Si1−XGeX層13を成長させる。歪Si1−XGeX層13は、成長の始めから終わりまで、Ge組成比Xを0.2で固定し、層厚を1000nmとする。このとき歪Si0.8Ge0.2層13はその層厚及び下層のSi1−xGex(X:0→0.2)傾斜組成層12の層厚により、一部歪んでいるが一部緩和している場合もある。またSi1−XGeX(X:0→0.2)傾斜組成層12はバッファ層として作用し、歪Si0.8Ge0.2層13に貫通転位が発生するのを抑制できる。
【0040】
歪Si0.8Ge0.2層13の原料ガスはSi2H6およびGeH4として、ドーパントは添加していない。成膜条件は基板温度650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPa、GeH4原料ガス分圧を60mPaとする。
【0041】
次に、超高真空CVD装置にて、歪Si0.8Ge0.2層13上に連続してSiキャップ層14を層厚30nm成長させる。
【0042】
Siキャップ層14の原料ガスはSi2H6として、ドーパントは添加していない。成膜条件は基板温度650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPaとする。
【0043】
次に、図2に示すように、基板を超高真空CVD装置からイオン注入装置に移して、酸素イオン注入をする。このとき歪Si0.8Ge0.2層13中に、酸素イオンが留まるように、歪Si0.8Ge0.2層13の層厚(1μm)より、打ち込み飛程が浅くなる条件で酸素イオンを注入する。このときの加速エネルギーは180keV、注入ドーズ量は4×1017cm−2とする。このエネルギーでは打ち込み飛程が400nmとなるが、±100nmの揺らぎも生じる。
【0044】
打ち込みエネルギーを変えることにより埋め込み酸化層が形成される深さを調整することが可能となる。例えば打ち込みエネルギーを高くすれば、打ち込み飛程が大きくなり、より深い位置に埋め込み酸化層が形成される。一方打ち込みエネルギーを低くすれば、打ち込み飛程を小さくできる。しかし打ち込み飛程を小さくする場合、揺らぎの大きさはさほど小さくならないため、打ち込みエネルギーを低くしすぎると、打ち込まれた酸素の分布は打ち込み飛程を中心に、基板表面にまで広がってしまうことになるので、注意が必要である。具体的には打ち込みエネルギーとして25keV以上が望ましい。
【0045】
また、歪Si0.8Ge0.2層13の表面から150nm以上600nm以下程度が好ましい。
【0046】
次に、図3に示すように、基板をイオン注入装置から取り出し、1350℃、4時間の熱処理を行う。この熱処理工程により、表面から400nmの深さを中心に厚さ100nmの埋め込み酸化層15が形成される。この埋め込み酸化層15によって歪Si0.8Ge0.2層13は、Si1−XGeX下層13a及びSi1−XGeX上層13bに分離する。またこの熱処理工程によって、Si1−XGeX上層13bは格子緩和する。
【0047】
この熱処理工程では温度設定が最も重要となる。Si層と比べてSiGe層に酸素イオン注入し熱処理にて格子緩和させる場合は、熱負荷に対して凹凸の発生等、表面劣化を引き起こすため、温度を低めに設定することが望ましい。例えば1200℃から1350℃の温度が好ましい。
【0048】
また、この熱処理中に、Siキャップ層14の結晶表面が薄い酸化層18と変化することにより、Si0.8Ge0.2層13の表面状態を良好に保持することが可能となる。このため熱処理雰囲気中に微量の酸素ガスを添加する方法が有効である。
【0049】
例えば、熱処理雰囲気としてアルゴンガス等の不活性ガス中に0.5%程度の酸素ガスを導入することにより、Siキャップ層14の表面を薄く酸化させながら熱処理を行うことができる。ここで、不活性ガスの種類はアルゴンの他に希ガスや、窒素などでもよい。
【0050】
また、このときSiキャップ層14の層厚を30nmとしたが、表面酸化層18の層厚が30nmより薄く形成される条件とし、Siキャップ層14を残しても良い。Siキャップ層14の酸化されない残りのSi層には、下層のSi0.8Ge0.2層13からGeが拡散してSiGe層となり、またこのSiGe層は格子緩和されるので問題はない。
【0051】
また、Siキャップ層14を形成せずに、この熱処理を施す場合でもSi0.8Ge0.2層13の表面状態を良好に保持するためには極微量の酸素ガスを含む雰囲気により、表面を極わずかに酸化させる方が良い。これらの酸化層は後の工程でエッチング除去される。
【0052】
この熱処理工程において形成された埋め込み酸化層15中にはGe元素はほとんど存在せず、Si1−XGeX下層13aおよびSi1−XGeX上層13bに拡散する。したがって埋め込み酸化層15はSiOxとなる。
【0053】
一方この熱処理工程において、Si1−XGeX下層13aはGeがSi1−XGeX(X:0→0.2)バッファ層12に拡散してGe組成Xは0.2よりも若干低下している。
【0054】
また、埋め込み酸化層15上のSi1−xGex上層13bが格子緩和する際、Si1−xGex下層13aに対してではなく、非晶質の埋め込み酸化層15に歪のエネルギーを解放するため、新たな転位の発生を伴わずに薄い格子緩和Si1−xGex上層13bを得ることができる。
【0055】
次に、Siキャップ層14の表面に形成されたシリコン酸化層18を、弗酸あるいは弗化アンモニウムによりエッチング除去する。
【0056】
次に、HF+HNO3系エッチャントで、Siキャップ層14の酸化されなかったSi層およびSi1−xGex上層13bの表面をエッチングする。こうすることで格子緩和Si1−xGex上層13bの良好な表面層を得ることができる。
【0057】
このときのHF+HNO3系エッチャントの組成は(HF:H2O:HNO3)=1:20:50であり、室温でのエッチングレートはSiに対して600nm/分、Si0.8Ge0.2に対しては1300nm/分である。このとき弗酸および硝酸の濃度を薄くすることにより、エッチングレートをさらに遅くすることは可能である。例えば(HF:H2O:HNO3)=1:100:500ではSi0.8Ge0.2に対しては70nm/分である。
【0058】
また、格子緩和Si1−xGex上層13bの表面をエッチングする工程は必ずしも必要ではないが、埋め込み酸化層15上に形成されるSiGe層を薄膜化するためには好ましい。このエッチング工程によって、格子緩和Si1−XGeX上層13bの厚さを100nm以下、理想的には5nmないし10nm程度にまで薄くする。
【0059】
次に、エッチングされた格子緩和Si1−XGeX上層13bの表面を弗化水素(HF)溶液処理によって、水素終端させる。
【0060】
ここで格子緩和Si1−XGeX上層13bの表面が、エッチング処理後に一旦大気中に晒されているので、格子緩和Si1−XGeX上層13bの表面は、この水素終端工程を行わないと、大気中の水分や酸素によって酸化され、また汚染されやすい。そこで酸化や汚染から守るために、格子緩和Si1−XGeX上層13bの表面を水素終端することによって保護層を形成しておく。こうすることで後の歪Si層を再成長させる再に、格子緩和Si1−xGex上層13b上に良好な歪Si層を形成できる。
【0061】
次に、図4に示すように、基板を再び超高真空CVD装置内に搬入し、一端熱処理により水素終端処理された格子緩和Si1−xGex上層13bの表面水素および残留不純物を除去する。
【0062】
次に、超高真空CVD装置によって、格子緩和Si1−xGex上層13上に格子緩和Si0.8Ge0.2層16を層厚100nm再成長させる。格子緩和Si0.8Ge0.2層16の原料ガスはSi2H6、GeH4とする。成膜条件は、基板温度を650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPa、GeH4原料ガス分圧を60mPaとする。
【0063】
次に、超高真空CVDにより、格子緩和Si0.8Ge0.2再成長層16上に連続して歪Si層17を層厚20nm再形成させる。歪Si層17の原料ガスはSi2H6とする。成長条件は、基板温度を650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPaとする。
【0064】
このとき格子緩和Si1−xGex上層13b上に直接歪Si層17を形成せずに、Si0.8Ge0.2層16を新たにバッファ層として再成長させることで、より良好な結晶構造を有する歪Si層17を形成できる。もちろん格子緩和Si1−xGex上層13b上に直接歪Si層17を再成長させても良い。
【0065】
この格子緩和Si0.8Ge0.2バッファ層16と格子緩和Si1−xGex上層13bとあわせて、層厚を200nm以下、理想的には10nm以下に設定することが望ましい。
【0066】
また、歪Si層17の層厚は30nm以下、理想的には5nmないし10nmが有用である。
【0067】
このようにして埋め込み酸化層15上に格子緩和した薄いSi1−xGex層13b、16上に良好な歪Si層17を形成することができる。このようにして形成された歪Si層では、歪がないSi層と比較して電子移動度が約1.76倍となる。素子を形成する際、各素子は埋め込み酸化層15上に加工形成すればよく、素子分離加工も酸化層15上で行えば良い。バッファ層12は素子分離加工する必要がない。素子の加工例は実施形態4に示す。
【0068】
図5に、本実施形態で説明した水素終端処理におけるHF溶液の必要な最低濃度と処理面である格子緩和Si1−xGex上層13bのGe組成比Xとの関係を示す。ここでは格子緩和Si1−xGex上層13bのGe組成比Xを0%,10%,20%,30%と異なる基板を用意して、弗化水素酸溶液中のHF濃度を変化させて格子緩和Si1−xGex上層13bの表面に水素終端処理をした実験結果を示す。
【0069】
ここに示したHF濃度は、望ましい最小の値であり、これより薄い濃度のHF溶液を用いた場合は、水素終端処理が不十分で、格子緩和Si1−xGex上層13b表面上の酸素不純物の除去が十分にできずに、再成長後に界面に不純物を残存させたり、再成長層の結晶性が劣化したりという問題を引き起こす可能性がある。
【0070】
この結果、水素終端処理におけるHF濃度は濃くした方が好ましく、例えば格子緩和Si1−xGex上層13bのGe組成比Xが20%のときにはHF濃度1.5%以上の溶液が望ましいことが分かる。
【0071】
また、水素終端された格子緩和Si1−xGex上層13bの表面は400℃から500℃で水素脱離が始まるので、再成長温度を容易に調整できる。
【0072】
しかし表面にわずかに残る酸素や炭素の不純物を除去するためには、400℃から500℃での水素脱離のみではなく、さらに850℃から900℃程度の熱処理を施すことが好ましい。ただし、格子緩和Si1−xGex上層13bの表面は高温の加熱処理に弱く長時間の高温熱処理を施すと、凹凸の発生等、表面の劣化を引き起こす問題が見られる。そこでGe組成20%の格子緩和Si1−xGex上層13bの場合において表面の劣化を起こさない範囲で、酸素や炭素の不純物を除去するための熱処理条件として、例えば850℃で20分以下、あるいは900℃で5分以下が望ましい。
【0073】
(実施形態2)
本実施形態では、実施形態1において格子緩和Si1−xGex層13b表面に保護層として水素終端処理を施した代わりに、格子緩和Si1−xGex層13b表面に保護層として酸化層を形成したものである。
【0074】
したがって図1乃至図3までの工程は、実施形態1と同様であるので、説明を省略する。
【0075】
実施形態1において説明した格子緩和Si1−xGex上層13bの表面の一部をエッチング除去した後に、この格子緩和Si1−xGex層13b表面を酸化し酸化層(保護層)を形成する。このときの酸化層の厚さは3nm以下が望ましく、理想的には1.5nm程度がよい。この酸化工程は塩酸と過酸化水素混合液による酸薬液処理が有効である。例えば(塩酸:過酸化水素水:水)=1:1:6程度の混合液を90℃以上に加熱して用いると、良質な酸化層が形成できる。
【0076】
次に、この基板を超高真空CVD装置内に搬入し、真空下で熱処理により、保護層である酸化層を除去する。
【0077】
酸化層除去のための熱処理条件は、850℃から900℃が望ましい。この場合、酸化層を除去するための熱処理は水素終端した場合よりも熱負荷を大きくする必要があるが、具体的にはGe組成20%の格子緩和Si1−xGex層場合、850℃で30分以下の熱処理が望ましい。
【0078】
次に、図4に示すように、超高真空CVD装置によって、酸化層が除去された格子緩和Si1−xGex上層13表面上に格子緩和Si0.8Ge0.2層16を層厚100nm再成長させる。格子緩和Si0.8Ge0.2層16の原料ガスはSi2H6、GeH4とする。成膜条件は、基板温度を650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPa、GeH4原料ガス分圧を60mPaとする。
【0079】
次に、超高真空CVDにより、格子緩和Si0.8Ge0.2再成長層16上に連続して歪Si層17を層厚20nm再形成させる。歪Si層17の原料ガスはSi2H6とする。成長条件は、基板温度を650℃、Si2H6原料ガス分圧を30mPaとする。
【0080】
このとき格子緩和Si1−xGex上層13b上に直接歪Si層を形成せずに、Si0.8Ge0.2層16を新たにバッファ層として再成長させることで、より良好な結晶構造を有する歪Si層17を形成できる。もちろん格子緩和Si1−xGex上層13b上に直接歪Si層17を再成長させても良い。
【0081】
この格子緩和Si0.8Ge0.2バッファ層16と格子緩和Si1−xGex上層13bとあわせて、層厚を200nm以下、理想的には10nm以下に設定することが望ましい。
【0082】
また、歪Si層17の厚さは30nm以下、理想的には5nmないし10nmが有用である。
【0083】
このようにして埋め込み酸化層15上に格子緩和した薄いSi1−xGex層13b、16さらに歪Si層17を積層した構造の作成が可能となる。
【0084】
(実施形態3)
図7は、本発明の実施形態3に示す半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。本実施形態は本発明の第2の発明に係る実施形態である。
【0085】
本実施形態は、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)基板を用い、SOI層上に歪SiGe層をエピタキシャル成長させ、格子緩和SiGe層を形成する方法でである。
【0086】
先ず、図7(a)にシリコン基板41上に厚さ100nmのシリコン酸化層42、厚さ20nmのシリコン単結晶層43がこの順に形成されたSOI基板を用意する。
【0087】
このようなSOI基板は工業的にも生産されており、入手は容易であるが、一般に安価に入手できるSOI基板はシリコン単結晶層43の厚さが100nm以上と厚いことが多い。その場合は通常の熱酸化炉においてシリコン単結晶層43を酸化することによりSOI層(埋め込み酸化層42上のSi層)43を薄層化できる。例えば初期SOI層43の厚さが100nmの場合およそ160nmの酸化層を形成する条件で表面を熱酸化すれば、およそ20nmのSOI層43が残る。このとき表面にできた熱酸化層は、エッチング等で剥離する。
【0088】
次に、図7(b)に示すように、このSOI基板上に層厚100nmのSi0.85Ge0.15層44(Ge組成15%)を500℃程度の低温で成長する場合について説明する。低温成長を実現するためには、実施形態1、2で説明した超高真空CVD法のほかに、固体原料を用いるMBE(分子線エピタキシー)法も有効である。本実施形態では固体原料を用いるMBE法を用いて形成する方法について説明する。
【0089】
固体原料を用いるMBE法では、Siソースに電子ビームをあてて加熱し、シリコンの蒸気を別の熱源(基板加熱ヒーター)で加熱された基板に供給する。また、同時にファーネスで加熱されたGeソースから蒸気を取り出し、SiおよびGeの蒸気を同時に基板上に供することによりSiGeの混晶層を形成することができる。このときSiソースおよびGeソースの温度を制御することにより、両者の蒸気圧を調整し、所定のGe組成を設計できる。
MBE法によりSOI層43上に、厚さ100nmのSi0.85Ge0.15層44(Ge組成15%)を500℃程度の低温で成長する。
【0090】
このSi0.85Ge0.15層44の成長終了直後の段階ではSi0.85Ge0.15層44はSi結晶層43により引っ張り歪を有している。
【0091】
次に、図7(c)に示すように,この基板を大気中に取りだした後、熱処理炉に導入し1100℃で1時間の高温アニール処理を施す。大気中に取り出すことによりSi0.85Ge0.15層44の表面にごく薄い酸化層45ができ、熱処理時のGe原子の析出や塊状化等を抑制することができる。この熱処理により埋め込み酸化層42と下地SOI層43との間にすべり転位が発生し、Si0.85Ge0.15層44がほぼ格子緩和する。
【0092】
それぞれの工程のあと、格子緩和SiGe層44の表面にはSi酸化層45が形成されているので、HF処理によりこの表面酸化層を除去し、同時に格子緩和SiGe層44の表面をHF処理により水素終端させる。HF処理の条件は実施形態1と同様である。
【0093】
次に、図7(d)に示すように、この基板を再び薄膜成長装置に導入し、格子緩和したSiGe層46を再成長させ結晶性を整え、歪Si層47を最上層に成長する。このようにして歪Si層47/Si1−xGex層46、44/Si層43/Si酸化層42の積層構造が得られる。このようにして得られた構造では、熱処理温度が高い場合は、初期のSOI層中に、その後形成したSiGe層46中からGe原子が拡散するため、Ge濃度は平均的に薄くなり、上記の例では12.5%となる。
【0094】
また本実施形態では熱処理後に水素終端処理を施し歪Si層47の成長を開始しているが、格子緩和SiGe層44の一部表面をエッチング除去した後に水素終端処理を施し、歪Si層47を形成すれば極めて薄い格子緩和SiGe層44を得ることも可能である。例えば上記の例で熱処理後に形成された層厚120nm、Ge組成12.5%の緩和SiGe層44を表面から90nmエッチングにより除去し、層厚30nmを残し、さらに層厚15nmの歪Si層47を再成長すればよい。
【0095】
この方法においても、良質な格子緩和SiGe層44を得るためには高温熱処理工程が必要となり、表面層は酸化される。また仮に表面保護用にSiキャップ層を用意していてもSiGe層からのGeの多量の混入が起こり、Si層は保存されない。すなわち最終的に最上層に歪Si層を得るためには、高温熱処理工程後の再成長の過程が重要となる。
【0096】
(実施形態4)
次に、上記積層構造を用いてMOSFETを作製した例を示す。
【0097】
図6に示すように、Si基板31上に埋め込み酸化層32が形成されている。この埋め込み酸化層32上には、格子緩和SiGe層35、歪Si層34、ゲート酸化層35ゲート電極36が形成されている。歪Si層34にはゲート電極36の両側に、ソース・ドレイン37が形成されている。
【0098】
ここで格子緩和Si0.7Ge0.3層35はGe組成30%、厚さ7nm、歪Si層34は初期厚さ6nmとした。ただしMOSFET作製工程において、歪Si層34の表面はゲート酸化層作成のため熱酸化され、結果として3nmの酸化層と4.5nmの歪Si層34が緩和SiGe/絶縁層(埋め込み酸化層)の上に積層された構造となっている。
【0099】
次に、本発明の第1、第2の発明を用い、上記のMOSFETを作成した。その方法を図8、図9を用いて述べる。
【0100】
先ず、図8(a)に示すように、Si基板81上に、Ge組成を徐々に増加した傾斜組成SiGe層82(厚さ2.5μm)を形成し、この上に厚さ2μmのSi0.7Ge0.3層83を積層する。次に、Si0.7Ge0.3層83上に厚さ20nmのSiキャップ層84を形成する。この積層構造はSi2H6およびGeH4を原料とする超高真空CVD法を用いて形成する。
【0101】
次に、図8(b)に示すように、この積層基板に酸素イオン注入を施す。このときの加速エネルギーは180keV、注入ドーズ量は4×1017cm−2とする。
【0102】
次に、酸素イオン注入された後、1350℃、4時間の熱処理を行う。この熱処理工程により、表面から400nmの深さを中心に厚さ100nmの埋め込み酸化層が形成される。この埋め込み酸化層によってSi0.7Ge0.3層83とSiGe傾斜組成層82の間には、埋め込み酸化層85が形成される。またこの熱処理工程によって、Si0.7Ge0.3層83は格子緩和する。
【0103】
次に、図8(c)に示すように、厚さ400nmのSi0.7Ge0.3層83の表面をHF:硝酸混合溶液で7nmまでエッチングする。このときSiキャップ層84もエッチングされる。ここでエッチングはこの他の方法を用いてもよい。
【0104】
次に、図8(d)に示すように、再び成膜装置に導入し、Si0.7Ge0.3層83上に、厚さ6nmの歪Si層86を形成する。
【0105】
次に、図8(e)に示すように、歪Si層86の表面を熱酸化する。形成された熱酸化層87は層厚3nmで、結果として3nmの酸化層87と4.5nmの歪Si層86が形成される。
【0106】
次に、図8(f)に示すように、酸化層87上に厚さ50nmの多結晶Si層88を堆積する。
【0107】
次に、図9(a)に示すように、基板全面に絶縁層を形成し、RIEによってエッチングしてゲート電極88の側面にゲート側壁89を形成する。
【0108】
次に、図9(b)に示すように、不純物をイオン注入し、多結晶Siゲートおよび、ゲート両端のソース・ドレイン90の低抵抗化をする。イオン注入後のラピッドサーマルアニールは、温度を850℃程度にとどめることが望ましい。温度が高すぎると歪Si層86内に形成されたチャンネル部の歪が緩和する恐れがある。また温度が高すぎるとSi/SiGe界面がGeの拡散により劣化することが懸念される。
【0109】
最後にソース・ドレイン90、ゲートにアルミニウムの電極を形成して素子が完成する。図9(b)に示す素子においては、埋め込み酸化層85が図6の埋め込み酸化層32に相当する。また、図9(b)における基板81及び傾斜組成SiGe層82は、図6における基板31に相当する。
【0110】
このようにして形成されたMOSFETは歪Si層をチャネルとして用いているので、素子の高速化が図られる。
【0111】
【発明の効果】
本発明によれば、Si結晶上にSiGe層を積層した場合に格子緩和をする臨界膜厚に関係なく、薄い格子緩和したSiGe層を得ることができるため、歪Si/緩和SiGe/絶縁層の積層構造において、Si結晶上のSiGe層の臨界層厚と同等あるいはそれ以下の、きわめて薄い緩和SiGeを得ることが可能となる。また、歪シリコンが形成されているSiGe層が非常に薄いため素子分離などの微細加工が容易であり、接合容量も増大しない。
【0112】
また、格子緩和SiGe層の表面を水素終端したり酸化層を形成したりした後、エッチングして歪Si層を再形成しているので、これらの界面特性が良好となり素子特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造の作成方法説明するための断面図。
【図2】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造の作成方法を説明するための断面図。
【図3】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造の作成方法を説明するための断面図。
【図4】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造の作成方法を説明するための断面図。
【図5】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層構造作成時の格子緩和SiGe層表面処理の条件を示すための表。
【図6】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造を用いたMOSFETの断面図。
【図7】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造の形成方法を説明するための各工程における断面図。
【図8】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造を用いたMOSFETの作成方法を説明するための各工程の断面図。
【図9】 本発明による歪Si/格子緩和SiGe/絶縁層の積層構造を用いたMOSFETの作成方法を説明するための各工程の断面図。
【符号の説明】
11…Si基板
12…SiGe傾斜組成層
13…SiGe固定組成層
13a…SiGe層
13b…格子緩和SiGe層
14…Siキャップ層
15…埋め込み酸化層
16…再成長SiGe層
17…歪Si層
31…基板
32…埋め込み酸化層
35…格子緩和SiGe層
36…ゲート電極
37…ソース・ドレイン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a strained Si layer.
[0002]
[Prior art]
Various semiconductor elements using silicon crystals are widely used. In order to improve the performance of this semiconductor element, it is one of effective means to increase the traveling speed (mobility) of electrons traveling in the silicon crystal.
[0003]
However, the upper limit of the mobility of electrons traveling in the silicon crystal is determined by the physical properties of the silicon crystal, and even if the structure of the semiconductor element is devised, the upper limit of the mobility cannot be exceeded. However, in recent years, it has been reported that the mobility of electrons is increased in a strained silicon crystal obtained by adding strain to the original silicon crystal.
[0004]
As a means of applying strain to silicon crystals, a base crystal having a slightly different lattice constant from that of silicon crystal is prepared, and a silicon layer thinner than the critical film thickness (layer thickness at which the crystal relaxes) is grown on the base crystal. The method of growing is generally taken. Specifically, a SiGe mixed crystal layer having a Ge composition of about 20% is prepared as a base crystal (in this case, the lattice constant of the SiGe crystal is about 0.8% larger than the lattice constant of the Si crystal), and the SiGe crystal layer is formed on the SiGe crystal layer. A strained Si layer is obtained by thin film growth of a silicon layer having a critical layer thickness of 100 nm or less.
[0005]
However, since it is difficult to obtain a SiGe crystal substrate that is mass-produced industrially and is inexpensive and excellent in quality, a thickness (critical film thickness) that normally uses a silicon wafer as a substrate and lattice-relaxes the SiGe layer thereon. The SiGe underlayer having a lattice-relaxed structure is obtained by vapor phase growth.
[0006]
However, in this method, since a SiGe layer having a Ge composition of 20% is directly grown on the Si substrate, many defects such as dislocations are generated when the SiGe layer is lattice-relaxed, and strained silicon is grown on the SiGe layer. There is a problem that dislocations penetrate through the layer with this defect as a nucleus.
[0007]
Therefore, there is a method in which a buffer layer is formed on a silicon substrate and a lattice-relaxed SiGe layer is formed thereon in order to prevent defects in the SiGe layer when the lattice is relaxed. This buffer layer is a graded composition in which Ge atoms are gradually mixed into a sufficiently thick SiGe layer or Si crystal layer having the same composition (same lattice constant) as the normal lattice-relaxed SiGe layer, and the composition of Ge is gradually increased. A buffer layer is used. Thus, since the desired SiGe layer is obtained by gradually increasing the Ge composition, the difference from the lattice constant with the underlying layer does not change abruptly, and a good lattice-relaxed SiGe layer can be obtained.
[0008]
However, when such a buffer layer and a lattice-relaxed SiGe layer are combined, it becomes a very thick layer, which hinders subsequent device fabrication. For example, when the elements are integrated, it is necessary to separate the fine elements, but the SiGe layer having a thickness of 1 μm or more is too thick to separate the elements. In SOI (SILICON ON INSULATOR) technology, which is expected to reduce the junction capacitance, the SiGe layer (with buffer layer) of 1 μm or more on the buried oxide film is too thick, increasing the junction capacitance of the device. There is a problem to make.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventionally, if the lattice-relaxed SiGe layer is not formed thick together with the buffer layer, a high-quality strained Si layer cannot be obtained, and not only element isolation but also a problem of increasing the coupling capacity of the element occurs. is there.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and a semiconductor in which a thin and good lattice relaxed SiGe layer is formed on an oxide layer, and a high-quality strained Si layer is formed on the lattice relaxed SiGe layer. An object is to provide a method for manufacturing a device.
[0011]
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of re-growing a high-quality strained Si layer on a lattice-relaxed SiGe layer.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first invention includes a step of forming a strained SiGe layer on a substrate, a step of forming a Si cap layer on the strained SiGe layer, and the strained SiGe layer through the Si cap layer. An oxygen introduction step for introducing oxygen into the strained SiGe layer by implanting oxygen ions into the oxygen diffusion layer, and an oxide layer is formed in the oxygen introduction portion by heat treatment after the oxygen introduction stepAnd beforeThe strained SiGe layer located above the oxide layer is lattice-relaxed to form a lattice-relaxed SiGe layerFurthermore, the Si cap layer is oxidized from the surface.A heat treatment step;Removing the Si cap layer including the surface oxidized by the heat treatment step;And a step of growing a strained Si layer on the lattice-relaxed SiGe layer.
[0015]
The method further comprises an etching step of etching the surface of the lattice-relaxed SiGe layer, and the strained Si layer is grown after the etching step.LetIt is preferable.
[0016]
In addition, a hydrogen termination step of terminating the lattice-relaxed SiGe layer surface by HF treatment is further provided, and the strained Si layer is grown after the hydrogen termination step.LetIt is preferable.
[0017]
Moreover, it is preferable to remove hydrogen on the surface of the lattice-relaxed SiGe layer terminated with hydrogen after the hydrogen termination step.
[0018]
Also, on the surface of the lattice relaxed SiGe layeranotherAn oxidation step for forming an oxide layer, and after the oxidation step, by heat treatment under vacuum,anotherAn oxide layer removing step for removing the oxide layer, and growing the strained Si layer after the oxide layer removing step.LetIt is preferable.
[0019]
Preferably, the method further includes a step of forming a buffer layer made of SiGe on the substrate, and the strained SiGe layer is formed on the buffer layer.
[0020]
The substrate is preferably a Si substrate.
[0021]
The substrate is preferably a silicon-on-insulator substrate.
[0022]
The oxide layer formed by the heat treatment step separates the strained SiGe layer into a strained SiGe located above the oxide layer and a strained SiGe layer located below the oxide layer. Is preferred.
[0023]
In the oxygen introduction step, it is preferable that oxygen ions are implanted into the strained SiGe layer under a condition that the implantation range is shallower than the thickness of the strained SiGe layer.
[0024]
In the first invention, oxygen is introduced into the strained SiGe layer, and an oxide layer is formed in the SiGe layer by heat treatment. By this oxide layer, the strained SiGe layer is separated into an upper layer of the lattice-relaxed SiGe layer and a lower layer of the SiGe layer. The separated SiGe upper layer can be set to be thin by adjusting the oxygen implantation range, and when the oxide film is formed by heat treatment, the strain on the SiGe upper layer is absorbed by this oxide layer, Defects such as dislocations are not introduced, and thin and good lattice relaxed SiGe can be formed.
[0025]
Also,The surface of the lattice relaxed SiGe layer was etched and etchedLattice relaxed SiGe layerofSurface is hydrogen-terminated by HF treatmentLetA hydrogen termination step,Hydrogen terminatedGrowth of strained Si layer on lattice relaxed SiGe layer surfaceLetProcessIt is preferable to have.
[0027]
At this time,After the hydrogen termination step,Before the growth process of the strained Si layer,The lattice relaxed SiGe layerofSurface hydrogenBy heat treatmentMore steps to removePossess,Hydrogen was removed in this wayLattice relaxed SiGe layerofGrowing the strained Si layer on the surfaceLetIt is preferable.
[0028]
Also, a SiGe layer is grown on the lattice relaxed SiGe layerLetAnd further comprising the step of growing the strained Si layer on the SiGe growth layer.LetIt is preferable.
[0029]
in this way,Surface of lattice relaxed SiGe layer is hydrogen terminated by HF treatmentLetA good strained Si layer can be formed by removing hydrogen and regrowing strained Si in the same chamber before protecting the surface and regrowing the strained Si layer.
[0030]
The lattice relaxed SiGe layerofOn the surfaceanotherOxide layerAs a protective layerForming an oxidation step;The substrateBy heat treatment under vacuum,protectionRemove layerprotectionA layer removal step;protectionGrowing strained Si layer on the surface of lattice-relaxed SiGe layer with the layer removedLetProcessIt is preferable to have.
[0031]
At this time,Before the oxidation step,The lattice relaxed SiGe layerofRemove part of the surfaceLattice relaxed SiGe layer removalProcessThefurtherHavethisLattice relaxed SiGe layer removalIt is preferable to perform the oxidation step after the step.
[0032]
Also,After the protective layer removing step, before the strained Si layer growing step, the protective layerRelaxed SiGe layer from which is removedSurface ofaboveNew lattice relaxationGrowing SiGe layerMakeFurther processHave this new lattice relaxationSiGe layerSurface ofGrowing strained Si layer on topLetIt is preferable.
[0033]
in this way,The surface of the lattice relaxed SiGe layerAnother protective layerBefore the regrowth of the strained Si layer, protected by the oxide layer, heat treatment under vacuum in the same chamber,protectionA good strained Si layer can be formed by re-growing strained Si after removing the layer.
[0034]
First2The invention ofA step of forming a strained SiGe layer on the substrate, an oxygen introduction step of introducing oxygen into the strained SiGe layer by implanting oxygen ions into the strained SiGe layer, and an oxygen introduction by heat treatment after the oxygen introduction step. A heat treatment step of forming a lattice-relaxed SiGe layer by lattice-relaxing a strained SiGe layer positioned above the oxide layer, and growing a SiGe layer on the lattice-relaxed SiGe layer; A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a SiGe growth layer; and growing a strained Si layer on the SiGe growth layer.I will provide a.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0037]
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, Si is formed on a p-
[0038]
Si1-XGeXThe source gas of the
[0039]
Next, in an ultra-high vacuum CVD apparatus, Si1-XGeX(X: 0 → 0.2) Strained Si continuously on the
[0040]
Strain Si0.8Ge0.2The source gas for the
[0041]
Next, in a high vacuum CVD apparatus, strained Si0.8Ge0.2A
[0042]
The raw material gas for the
[0043]
Next, as shown in FIG. 2, the substrate is moved from the ultra-high vacuum CVD apparatus to the ion implantation apparatus, and oxygen ion implantation is performed. At this time, strained Si0.8Ge0.2Strained Si so that oxygen ions remain in layer 13.0.8Ge0.2Oxygen ions are implanted under the condition that the implantation range is shallower than the layer thickness (1 μm) of the
[0044]
The depth at which the buried oxide layer is formed can be adjusted by changing the implantation energy. For example, if the implantation energy is increased, the implantation range is increased, and a buried oxide layer is formed at a deeper position. On the other hand, if the driving energy is lowered, the driving range can be reduced. However, when the implantation range is reduced, the magnitude of the fluctuation is not so small, and if the implantation energy is too low, the distribution of implanted oxygen will spread to the substrate surface centering on the implantation range. So be careful. Specifically, the implantation energy is preferably 25 keV or more.
[0045]
Also, strained Si0.8Ge0.2About 150 nm or more and 600 nm or less are preferable from the surface of the
[0046]
Next, as shown in FIG. 3, the substrate is taken out from the ion implantation apparatus and subjected to heat treatment at 1350 ° C. for 4 hours. By this heat treatment step, a buried oxide layer 15 having a thickness of 100 nm is formed around a depth of 400 nm from the surface. This buried oxide layer 15 causes strained Si.0.8Ge0.2Layer 13 is Si1-XGeXLower layer 13a and Si1-XGeXSeparated into
[0047]
In this heat treatment step, temperature setting is the most important. When oxygen ions are implanted into the SiGe layer and the lattice is relaxed by heat treatment as compared with the Si layer, it is desirable to set the temperature lower because it causes surface degradation such as unevenness with respect to heat load. For example, a temperature of 1200 ° C. to 1350 ° C. is preferable.
[0048]
Further, during this heat treatment, the crystal surface of the
[0049]
For example, by introducing about 0.5% oxygen gas into an inert gas such as argon gas as a heat treatment atmosphere, the heat treatment can be performed while thinly oxidizing the surface of the
[0050]
At this time, the thickness of the
[0051]
Even when this heat treatment is performed without forming the
[0052]
There is almost no Ge element in the buried oxide layer 15 formed in this heat treatment step.1-XGeXLower layer 13a and Si1-XGeXIt diffuses into the
[0053]
On the other hand, in this heat treatment step, Si1-XGeXIn the
[0054]
In addition, Si on the buried oxide layer 151-xGexWhen the
[0055]
Next, the
[0056]
Next, HF + HNO3A non-oxidized Si layer of the
[0057]
HF + HNO at this time3The composition of the system etchant is (HF: H2O: HNO3) = 1: 20: 50, and the etching rate at room temperature is 600 nm / min with respect to Si.0.8Ge0.2Is 1300 nm / min. At this time, it is possible to further reduce the etching rate by reducing the concentration of hydrofluoric acid and nitric acid. For example (HF: H2O: HNO3) = 1: 100: 500, Si0.8Ge0.2Is 70 nm / min.
[0058]
Also, lattice relaxation Si1-xGexThe step of etching the surface of the
[0059]
Next, the etched lattice relaxed Si1-XGeXThe surface of the
[0060]
Where lattice relaxation Si1-XGeXSince the surface of the
[0061]
Next, as shown in FIG. 4, the substrate is again carried into the ultra-high vacuum CVD apparatus, and the lattice relaxation Si is subjected to hydrogen termination treatment by one-end heat treatment.1-xGexSurface hydrogen and residual impurities of the
[0062]
Next, lattice relaxation Si is performed by an ultrahigh vacuum CVD apparatus.1-xGexLattice relaxed Si on the
[0063]
Next, lattice relaxation Si is performed by ultra-high vacuum CVD.0.8Ge0.2A strained Si layer 17 is continuously formed on the regrown layer 16 so as to have a thickness of 20 nm. The source gas of the strained Si layer 17 is Si2H6And The growth conditions are as follows: substrate temperature is 650 ° C., Si2H6The raw material gas partial pressure is set to 30 mPa.
[0064]
At this time, lattice relaxation Si1-xGexWithout forming the strained Si layer 17 directly on the
[0065]
This lattice relaxation Si0.8Ge0.2Buffer layer 16 and lattice relaxation Si1-xGexTogether with the
[0066]
Further, the thickness of the strained Si layer 17 is 30 nm or less, ideally 5 nm to 10 nm.
[0067]
Thus thin Si relaxed on the buried oxide layer 15 by lattice relaxation.1-xGexA good strained Si layer 17 can be formed on the
[0068]
FIG. 5 shows the required minimum concentration of the HF solution in the hydrogen termination treatment described in the present embodiment and the lattice relaxation Si that is the treatment surface.1-xGexThe relationship with the Ge composition ratio X of the
[0069]
The HF concentration shown here is a desirable minimum value. When a HF solution having a concentration lower than this is used, hydrogen termination treatment is insufficient, and lattice relaxation Si1-xGexOxygen impurities on the surface of the
[0070]
As a result, it is preferable to increase the HF concentration in the hydrogen termination treatment, for example, lattice relaxation Si1-xGexIt can be seen that a solution having an HF concentration of 1.5% or more is desirable when the Ge composition ratio X of the
[0071]
Also, hydrogen terminated lattice relaxed Si1-xGexSince the surface of the
[0072]
However, in order to remove oxygen and carbon impurities slightly remaining on the surface, it is preferable to perform not only hydrogen desorption at 400 ° C. to 500 ° C. but also heat treatment at about 850 ° C. to 900 ° C. However, lattice relaxation Si1-xGexThe surface of the
[0073]
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the lattice relaxation Si in the first embodiment.1-xGexInstead of performing hydrogen termination treatment as a protective layer on the surface of the
[0074]
Accordingly, the steps from FIG. 1 to FIG. 3 are the same as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
[0075]
Lattice relaxed Si described in the first embodiment1-xGexAfter removing a part of the surface of the
[0076]
Next, this substrate is carried into an ultra-high vacuum CVD apparatus, and the oxide layer as a protective layer is removed by heat treatment under vacuum.
[0077]
The heat treatment conditions for removing the oxide layer are desirably 850 ° C. to 900 ° C. In this case, the heat treatment for removing the oxide layer needs to have a larger heat load than that in the case of hydrogen termination, but specifically, lattice relaxed Si having a Ge composition of 20%.1-xGexIn the case of a layer, a heat treatment at 850 ° C. for 30 minutes or less is desirable.
[0078]
Next, as shown in FIG. 4, the lattice-relaxed Si from which the oxide layer has been removed by an ultra-high vacuum CVD apparatus.1-xGexLattice relaxed Si on the surface of the
[0079]
Next, lattice relaxation Si is performed by ultra-high vacuum CVD.0.8Ge0.2A strained Si layer 17 is continuously formed on the regrown layer 16 so as to have a thickness of 20 nm. The source gas of the strained Si layer 17 is Si2H6And The growth conditions are as follows: substrate temperature is 650 ° C., Si2H6The raw material gas partial pressure is set to 30 mPa.
[0080]
At this time, lattice relaxation Si1-xGexWithout forming a strained Si layer directly on the
[0081]
This lattice relaxation Si0.8Ge0.2Buffer layer 16 and lattice relaxation Si1-xGexTogether with the
[0082]
The thickness of the strained Si layer 17 is 30 nm or less, ideally 5 nm to 10 nm.
[0083]
Thus thin Si relaxed on the buried oxide layer 15 by lattice relaxation.1-xGexIt is possible to create a structure in which the
[0084]
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the semiconductor device shown in the third embodiment of the present invention. This embodiment is an embodiment according to the second invention of the present invention.
[0085]
The present embodiment is a method of forming a lattice-relaxed SiGe layer by epitaxially growing a strained SiGe layer on an SOI layer using an SOI (silicon on insulator) substrate.
[0086]
First, in FIG. 7A, an SOI substrate is prepared in which a
[0087]
Such an SOI substrate is produced industrially and is easily available. In general, an SOI substrate that can be obtained at a low cost often has a thickness of the silicon
[0088]
Next, as shown in FIG. 7B, an Si substrate having a layer thickness of 100 nm is formed on the SOI substrate.0.85Ge0.15The case where the layer 44 (Ge composition 15%) is grown at a low temperature of about 500 ° C. will be described. In order to realize low temperature growth, in addition to the ultrahigh vacuum CVD method described in the first and second embodiments, an MBE (molecular beam epitaxy) method using a solid material is also effective. In the present embodiment, a method of forming using an MBE method using a solid raw material will be described.
[0089]
In the MBE method using a solid material, an Si beam is heated by applying an electron beam, and silicon vapor is supplied to a substrate heated by another heat source (substrate heater). Further, a mixed crystal layer of SiGe can be formed by taking out vapor from a Ge source heated at the same time and supplying Si and Ge vapor onto the substrate at the same time. At this time, by controlling the temperatures of the Si source and the Ge source, the vapor pressure of both can be adjusted and a predetermined Ge composition can be designed.
A 100 nm thick Si layer is formed on the
[0090]
This Si0.85Ge0.15In the stage immediately after the end of the growth of the
[0091]
Next, as shown in FIG. 7C, after the substrate is taken out into the atmosphere, it is introduced into a heat treatment furnace and subjected to a high temperature annealing treatment at 1100 ° C. for 1 hour. By removing it into the atmosphere, Si0.85Ge0.15A very
[0092]
After each step, since the
[0093]
Next, as shown in FIG. 7D, this substrate is again introduced into the thin film growth apparatus, the lattice-relaxed
[0094]
In this embodiment, the hydrogen termination treatment is performed after the heat treatment and the growth of the
[0095]
Also in this method, a high-temperature heat treatment step is required to obtain a high-quality lattice-relaxed
[0096]
(Embodiment 4)
Next, an example in which a MOSFET is manufactured using the above laminated structure will be described.
[0097]
As shown in FIG. 6, a buried oxide layer 32 is formed on the Si substrate 31. On the buried oxide layer 32, a lattice-relaxed SiGe layer 35, a
[0098]
Where lattice relaxation Si0.7Ge0.3The layer 35 had a Ge composition of 30%, a thickness of 7 nm, and the
[0099]
Next, using the first and second inventions of the present invention, the above MOSFET was produced. The method will be described with reference to FIGS.
[0100]
First, as shown in FIG. 8A, a graded composition SiGe layer 82 (thickness 2.5 μm) having a gradually increased Ge composition is formed on a
[0101]
Next, as shown in FIG. 8B, oxygen ion implantation is performed on the laminated substrate. The acceleration energy at this time is 180 keV, and the implantation dose is 4 × 10.17cm-2And
[0102]
Next, after oxygen ion implantation, heat treatment is performed at 1350 ° C. for 4 hours. By this heat treatment process, a buried oxide layer having a thickness of 100 nm is formed around a depth of 400 nm from the surface. This buried oxide layer allows Si0.7Ge0.3A buried
[0103]
Next, as shown in FIG. 8C, Si having a thickness of 400 nm.0.7Ge0.3The surface of the
[0104]
Next, as shown in FIG. 8D, the film is again introduced into the film forming apparatus, and Si0.7Ge0.3A
[0105]
Next, as shown in FIG. 8E, the surface of the
[0106]
Next, as shown in FIG. 8F, a
[0107]
Next, as shown in FIG. 9A, an insulating layer is formed on the entire surface of the substrate, and etching is performed by RIE to form a
[0108]
Next, as shown in FIG. 9B, impurities are ion-implanted to reduce the resistance of the polycrystalline Si gate and the source / drain 90 at both ends of the gate. In rapid thermal annealing after ion implantation, it is desirable to keep the temperature at about 850 ° C. If the temperature is too high, the distortion of the channel portion formed in the
[0109]
Finally, an electrode of aluminum is formed on the source / drain 90 and the gate to complete the device. In the element shown in FIG. 9B, the buried
[0110]
Since the MOSFET formed in this way uses a strained Si layer as a channel, the speed of the element can be increased.
[0111]
【The invention's effect】
According to the present invention, when a SiGe layer is stacked on a Si crystal, a thin lattice relaxed SiGe layer can be obtained regardless of the critical film thickness for lattice relaxation, so that the strained Si / relaxed SiGe / insulating layer In the laminated structure, it is possible to obtain extremely thin relaxed SiGe that is equal to or less than the critical layer thickness of the SiGe layer on the Si crystal. Further, since the SiGe layer on which strained silicon is formed is very thin, microfabrication such as element isolation is easy, and the junction capacitance does not increase.
[0112]
Further, since the surface of the lattice-relaxed SiGe layer is hydrogen-terminated or an oxide layer is formed, and then the strained Si layer is re-formed by etching, these interface characteristics are improved, and the device characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method of forming a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a method of forming a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a method of creating a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a method of creating a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
FIG. 5 is a table showing conditions for surface treatment of a lattice-relaxed SiGe layer when creating a strained Si / lattice-relaxed SiGe / insulating layer structure according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a MOSFET using a stacked structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
7 is a cross-sectional view in each step for explaining a method of forming a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention. FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of each step for explaining a method of forming a MOSFET using a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view of each step for explaining a method of forming a MOSFET using a laminated structure of strained Si / lattice relaxed SiGe / insulating layer according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11 ... Si substrate
12 ... SiGe graded composition layer
13 ... SiGe fixed composition layer
13a ... SiGe layer
13b ... lattice relaxed SiGe layer
14 ... Si cap layer
15 ... buried oxide layer
16: Regrown SiGe layer
17 ... Strained Si layer
31 ... Board
32 ... buried oxide layer
35 ... lattice relaxed SiGe layer
36 ... Gate electrode
37 ... Source / Drain
Claims (11)
前記歪SiGe層上にSiキャップ層を形成する工程と、
前記Siキャップ層を通して前記歪SiGe層に酸素イオンを注入することにより前記歪SiGe層内部に酸素を導入する酸素導入工程と、
前記酸素導入工程後、熱処理により、酸素導入部分に酸化層を形成し、前記酸化層よりも上に位置する前記歪SiGe層を格子緩和させて格子緩和SiGe層を形成し、さらに前記Siキャップ層を表面から酸化する熱処理工程と、
この熱処理工程によって酸化された表面を含む前記Siキャップ層を除去する工程と、
前記格子緩和SiGe層上に歪Si層を成長させる工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a strained SiGe layer on the substrate;
Forming a Si cap layer on the strained SiGe layer;
Introducing oxygen into the strained SiGe layer by implanting oxygen ions into the strained SiGe layer through the Si cap layer;
Wherein after the oxygen introduction step, by heat treatment, an oxide layer is formed on the oxygen introduction, before Symbol the strain SiGe layer located above the oxide layer by lattice relaxation by forming a lattice-relaxed SiGe layer, further wherein the Si cap A heat treatment step for oxidizing the layer from the surface ;
Removing the Si cap layer including the surface oxidized by the heat treatment step;
And a step of growing a strained Si layer on the lattice-relaxed SiGe layer.
前記歪SiGe層に酸素イオンを注入することにより前記歪SiGe層内部に酸素を導入する酸素導入工程と、An oxygen introduction step of introducing oxygen into the strained SiGe layer by implanting oxygen ions into the strained SiGe layer;
前記酸素導入工程後、熱処理により、酸素導入部分に酸化層を形成し、さらに前記酸化層よりも上に位置する歪SiGe層を格子緩和させて格子緩和SiGe層を形成する熱処理工程と、After the oxygen introduction step, a heat treatment step of forming a lattice relaxed SiGe layer by forming an oxide layer in the oxygen introduction portion by heat treatment and further relaxing the strained SiGe layer positioned above the oxide layer,
前記格子緩和SiGe層上にSiGe層を成長させてSiGe成長層を形成する工程と、Growing a SiGe layer on the lattice relaxed SiGe layer to form a SiGe growth layer;
前記SiGe成長層上に歪Si層を成長させる工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。And a step of growing a strained Si layer on the SiGe growth layer.
前記格子緩和SiGe層の表面をエッチングし、エッチングされた格子緩和SiGe層の表面をHF処理により水素終端させる水素終端工程と、
水素終端された格子緩和SiGe層表面上に歪Si層を成長させる工程とを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 Growing a strained Si layer on the lattice relaxed SiGe layer,
Etching the surface of the lattice-relaxed SiGe layer, and the hydrogen termination process Ru thereafter hydrogen-terminated by the surface of the etched lattice-relaxed SiGe layer HF treatment,
The method according to claim 1, wherein further comprising the step of Ru grown strained Si layer on the hydrogen-terminated lattice-relaxed SiGe layer on the surface.
前記格子緩和SiGe層の表面に新たな酸化層を保護層として形成する酸化工程と、
前記基板を真空下で熱処理することにより、前記保護層を除去する保護層除去工程と、
前記保護層が除去された格子緩和SiGe層表面上に歪Si層を成長させる工程とを有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 Growing a strained Si layer on the lattice relaxed SiGe layer,
An oxidation step of forming a new oxide layer as a protective layer on the surface of the lattice relaxed SiGe layer;
By annealing the substrate under vacuum, and the protective layer removing step of removing the protective layer,
The method according to claim 1, wherein further comprising the step of Ru grown strained Si layer on the protective layer grating is removed relaxed SiGe layer on the surface.
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