JP4371710B2 - Semiconductor substrate, semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基体、半導体装置及びこれらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、単結晶基板上にそれと異なる材料をエピタキシャル成長させるヘテロエピタキシャル成長法が知られている。ヘテロエピタキシャル成長法では、結晶成長の材料や条件によって、結晶格子が歪んだエピタキシャル層を形成することができる。結晶格子が歪んだエピタキシャル層では、引張り応力によってエピタキシャル層中の原子間隔が広がっているため、エピタキシャル層中のキャリアの有効質量が減少し、キャリアの移動度を向上させることができる。
【0003】
これを利用した技術として、SiGe層によって歪まされたシリコン層(以下「歪みシリコン層」という。)によって、キャリアの移動度を上げる技術が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。SiGe層の上にシリコンをエピタキシャル成長させると、格子定数がシリコンよりも大きいSiGeに倣ってシリコンが形成されるので(SiとGeの格子定数差は約4%)、数%程度の歪みが生じる(ただし、SiGe層に含まれるGeの量によって異なる。)。
【0004】
これに対し、シリコン層の上側からシリコン層に引っ張り応力を加えて、シリコン層の結晶格子を歪ませる技術がある。例えば、チャネル領域の上方に形成されたゲート電極側からチャネル領域に対して引っ張り応力を加えることによって、チャネル領域の移動度を向上させる技術が開示されている(例えば、非特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−286418号公報
【非特許文献1】
”最先端半導体分野で2つのトランジスタ高性能化技術を開発”、[online]、平成15年12月17日、三菱電機株式会社、インターネット、<URL:http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2002/1217-b.html>
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1では、SiGe層に欠陥が含まれるため、高い結晶性を持つ歪みシリコン層を形成することが困難である。また、非特許文献1では、歪みのないシリコン層を形成した後に、シリコン層の上に形成されたデバイス構造によって歪みを導入しているが、この場合、歪みシリコン層の下は、シリコン層を歪ませる前に整合した材料で出来ているため、シリコン層の上部から歪みを印加する際に、シリコン層の下の層にそれを阻止しようとする力が生じる。一般に、シリコン層に2軸性の応力を印加して、歪みを発生させる場合、以下の式1に従ってシリコンの面内に歪み量が生じる。
【0007】
ε=(1−ν)・σ/E …(式1)
ここでεはシリコンの面内の歪み量(無単位)、νはシリコン結晶のポアソン比(無単位)、σはシリコン層の面内に印加される2軸性応力〔Gpa〕、Eはシリコン結晶のヤング率〔Gpa〕である。通常、E=162Gpa、ν=0.26の場合、SiGe上のシリコンの歪み量εを1〜2%とするには、σ=2.2〜4.4(Gpa)の応力が必要となる。したがって、一般的なSi−LSI(large-scale integration)構造においては、表面のシリコン層を歪ませるだけではなく、下地の部分まで歪ませる必要がある。そのため、シリコン層の上部あるいは側面から応力をかける場合には、上記の値よりも大きな応力をかける必要がある。
【0008】
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、半導体層を効率的に歪ませることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の側面は、半導体基体に係り、半導体層と、前記半導体層を支持する多孔質層と、前記半導体層に応力を加えて該半導体層に歪みを生じさせる歪み誘起領域と、を備えることを特徴とする。
【0010】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記多孔質層及び前記半導体層は、複数の島状の領域を含み、前記歪み誘起領域は、前記複数の島状の領域の間に形成されていることが望ましい。
【0011】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体層は、複数の島状の半導体領域を含み、前記歪み誘起領域は、前記複数の島状の半導体領域の間に形成されていることが望ましい。
【0012】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記多孔質層は、多孔質シリコン層であることが望ましい。
【0013】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体層は、単結晶シリコンで構成されていることが望ましい。
【0014】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記歪み誘起領域は、酸化シリコンで構成されていることが望ましい。
【0015】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記歪み誘起領域は、窒化シリコンで構成されていることが望ましい。
【0016】
本発明の第2の側面は、半導体装置に係り、前記半導体層に半導体デバイスが形成されていることを特徴とする。
【0017】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体デバイスのチャネルの上方に、前記半導体層に応力を加えて該半導体層に歪みを生じさせる第2の歪み誘起領域を更に備えることが望ましい。
【0018】
本発明の第3の側面は、半導体基体の製造方法に係り、基板に多孔質層を形成する工程と、前記多孔質層の上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層に応力を加えて該半導体層に歪みを生じさせる歪み誘起領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0019】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体層を形成する工程の後に、前記多孔質層及び前記半導体層を部分的にエッチングして開口部を形成する工程を更に含み、前記歪み誘起領域を形成する工程では、前記開口部に前記歪み誘起領域を形成することが望ましい。
【0020】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体層を形成する工程の後に、前記半導体層を部分的にエッチングして開口部を形成する工程を更に含み、前記歪み誘起領域を形成する工程では、前記開口部に前記歪み誘起領域を形成することが望ましい。
【0021】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記多孔質層を形成する工程では、前記基板に複数の多孔質領域を形成し、前記歪み誘起領域を形成する工程では、前記複数の多孔質領域の半導体層の間に前記歪み誘起領域を形成することが望ましい。
【0022】
本発明の第4の側面は、半導体装置の製造方法に係り、上記の製造方法を適用して製造された半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板に半導体デバイスを作り込む工程と、を含むことを特徴とする。
【0023】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記半導体デバイスのチャネルの上方から前記半導体層に応力を加えて該半導体層に更に歪みを形成する工程を含むことが望ましい。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。
【0025】
(第1の実施形態)
図1(a)〜図1(e)は、本発明の好適な第1の実施形態に係る基板製造方法を説明するための図である。
【0026】
図1(a)に示す工程では、基板11を準備する。基板11としては、例えば、シリコンが好適であるが、他の材料を採用してもよい。
【0027】
図1(b)に示す工程では、基板11の表面に多孔質層12を形成する。多孔質層12のヤング率は、図1(c)に示す工程で形成される半導体層13のヤング率よりも低い。多孔質層12を構成する材料としては、シリコンを多孔質化した多孔質シリコンを採用するのが好適である。多孔質シリコン層は、シリコン基板の表面を陽極化成することによって形成することができる。陽極化成は、フッ化水素酸を含む電解液中に陽極及び陰極を配置し、それらの電極の間に基板を配置し、それらの電極間に電流を流すことにより実施することができる。
【0028】
また、多孔質シリコン層は、略均一な多孔度を持つ単一の層で構成されてもよいし、互いに異なる多孔度を持つ2以上の層で構成されてもよい。また、多孔質シリコン層のヤング率は、多孔度(porosity)を変化させることによって、少なくとも約1GPa〜約83GPaまで変化させることができる(例えば、L.Canham編、D.Bellet著、”Properties of Porous Silicon”、INSPEC、The Institution of Electrical Engineers、p.127−131を参照。)。
【0029】
図5は、上記D.Belletの論文に開示されたデータに基づいて、多孔質シリコンの多孔度ρとヤング率Eとの関係を図示したものである。図5に示すように、多孔質シリコンの多孔度が高いほどヤング率が低いことが分かる。多孔質シリコンの多孔度は、陽極化成を用いる場合には、溶液の濃度、電流密度、シリコン基板の比抵抗等によって制御することができるため、多孔質シリコンのヤング率を所望の値にすることができるという利点がある。
【0030】
なお、本発明において、多孔質層を形成する方法は、陽極化成に限定されず、例えば、基板に水素又はヘリウム等をイオン注入する方法を採用することができる。
【0031】
図1(c)に示す工程では、多孔質層12上にエピタキシャル成長法により半導体層13を形成する。エピタキシャル成長法によって、良質の単結晶半導体層を形成することができる。
【0032】
図1(d)に示す工程では、半導体層13上にレジストを塗布した後に、一般的なリソグラフィ工程によって、多孔質層12及び半導体層13をパターニングして開口部を形成する。これによって、島状の多孔質層12’及び半導体層13’が、基板11の上に複数形成される。なお、開口部の幅は、特に限定されないが1μm以上であるのが望ましい。
【0033】
図1(e)に示す工程では、図1(d)に示す工程で形成された開口部に露出した基板11上に、半導体層13’に応力を印加する歪み誘起領域14を形成する。歪み誘起領域14は、第2の半導体13’が略水平な方向に延びるように半導体層13’に応力を印加すべく、多孔質層12’及び半導体層13’をこれらの表面に実質的に平行な方向に引っ張るように働く。歪み誘起領域14によって面内方向に引っ張り力が加えられた半導体層13’は、結晶格子が歪み、半導体層13’内を移動するキャリアの移動度が向上する。歪み誘起領域14としては、例えば、TEOS(tetra ethyl ortho silicate)等を原材料にした酸化シリコンやSiNを採用することができる。
【0034】
以上のようにして、基板11に形成された多孔質層12’と、多孔質層12’の上に形成された半導体層13’と、半導体層13’のキャリア移動度が増大するように半導体層13’に応力を印加する歪み誘起領域14と、を備える基板を作製することができる。
【0035】
CVD(chemical vapor deposition)酸化シリコンの形成には、TEOS、TEOS+O、TEOS+O、SiH+O、SiH+NO、SiHCl+NO等が用いられる。CVDの方式には、熱CVD及びプラズマCVDがある。
【0036】
窒化シリコンの形成には、熱CVD及びプラズマCVDを用いることができる。その原材料としてSiを含む原料としては、SiCl、SiH、SiHClがあり、Nを含む原料としてはNH、N、N等がある。
【0037】
また、半導体層13’よりもヤング率が低い多孔質層12’が下層に配置されているため、歪み誘起領域14から半導体層13’に印加される引っ張り力のほとんどが半導体層13’に印加されて、半導体層13’を引っ張る力はより小さな力で済む。このように、半導体層13’の下層に多孔質層12’を配置して、引っ張り力を効率よく面内歪みに変換することによって、より少ない応力でより大きな歪みを発生させることができる。
【0038】
また、島状の半導体層13’が形成されることによって、半導体層13’の各々を独立に歪ませることができる。半導体層13が多孔質層12上に一様に形成される場合には、半導体層13を歪ませたときに、全体の歪みの量が莫大なものになりうる。例えば、SiGe上の歪みシリコン層は、SiGeが完全に緩和しているとすると、面内で1%程度歪む。300mmウエハの直径で考えると、歪みの総量は3mmとなる。無歪み状態から歪ませると、直径で3mm大きなシリコン層となるが、実際にはこのような量までシリコン層全体を歪ませることは出来ない。しかし、本実施形態によれば、島状の半導体層13’を基板11の上に形成することによって、例えば、10μm角の半導体層13’の島に対して1μmの開口部を形成して、半導体層13’の個々の島を10.1mm、そのすき間にある開口部を0.9mmとして、半導体層13’の島を個別に歪ませることができる。
【0039】
SiGe上の歪Siの形成の場合は、堆積時(エピタキシャル成長時)に既に歪みをもって形成されるので、実寸が大きくなることはないが、無歪のものを後から歪ませると上記の様なことになる。
【0040】
(第2の実施形態)
以下、本発明の好適な第2の実施形態に係る基板製造方法を説明について説明する。本実施形態に係る基板製造方法は、概略的には、第1の実施形態に係る基板製造方法の一部の工程を変更したものである。図2は、本実施形態に係る基板製造方法を示す図である。図2(a)〜図2(c)に示す工程は、図1(a)〜図1(c)に示す工程と同様である。
【0041】
図2(d)に示す工程では、半導体層13をエッチングして開口部を形成する。図2(e)に示す工程では、開口部に露出した多孔質層12の上に歪み誘起領域14を形成する。以上のように構成することによって、多孔質層12上に形成された半導体層13’を効率的に歪ませることができる。
【0042】
(第3の実施形態)
以下、本発明の好適な第3の実施形態に係る基板製造方法を説明について説明する。本実施形態に係る基板製造方法は、概略的には、第1の実施形態に係る基板製造方法の一部の工程を変更したものである。図3は、本実施形態に係る基板製造方法を示す図である。図3(a)、(c)に示す工程は、図1(a)、(c)に示す工程とそれぞれ同様である。
【0043】
図3(b)に示す工程では、基板11に部分的に多孔質層を形成する。多孔質層を形成する方法としては、陽極化成を採用する場合には、例えば、陽極化成で使用する薬液(フッ化水素酸等)から基板を保護する保護膜(例えば、窒化膜あるいは耐HF性マスク)を基板11上に形成した後に、基板11を陽極化成することによって、図1(b)に示す部分的な多孔質層12’’を形成することができる。図3(d)に示す工程では、半導体層13をエッチングして開口部を形成する。図3(e)に示す工程では、開口部に露出した基板11の上に歪み誘起領域14を形成する。以上のように構成することによって、多孔質層12上に形成された半導体層13’を効率的に歪ませることができる。
【0044】
[半導体基板の第1の適用例]
本適用例では、本発明の好適な第1〜第3のいずれかの実施形態に係る基板の製造方法を適用して製造され得る半導体基板を利用した半導体装置の製造方法を示す。
【0045】
図4は、本発明の好適な第1〜第3の実施形態のうち例示的に第2の実施形態に示す工程で作製された基板の半導体層13’及び歪み誘起領域14の近傍を示したものである。まず、半導体層13、13’の表面に素子分離領域54、ゲート絶縁膜56を形成する(図4(a)を参照)。ゲート絶縁膜56の材料としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ガドリニウム、酸化ランタン、酸化ジルコニウム、及びこれらの混合物ガラス等が好適である。ゲート酸化膜56は、例えば、半導体層13、13’の表面を酸化させたり、CVD法又はPVD法により半導体層13、13’の表面に該当する物質を堆積させたりすることにより形成され得る。
【0046】
次いで、ゲート絶縁膜56上にゲート電極55を形成する。ゲート電極55は、例えば、P型又はN型不純物がドープされた多結晶シリコンや、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル、アルミニウム、銅などの金属又はこれらの少なくとも1種を含む合金や、モリブデンシリサイド、タングステンシリサイド、コバルトシリサイドなどの金属珪化物や、チタンナイトライド、タングステンナイトライド、タンタルナイトライドなどの金属窒化物などで構成され得る。ゲート絶縁膜56は、例えばポリサイドゲートのように、互いに異なる材料からなる複数の層を積層して形成されてもよい。ゲート電極55は、例えば、サリサイド(セルフアラインシリサイド)と呼ばれる方法で形成されてもよいし、ダマシンゲートプロセスと呼ばれる方法で形成してもよいし、他の方法で形成してもよい。以上の工程により図4(a)に示す構造体が得られる。
【0047】
次いで、燐、砒素、アンチモンなどのN型不純物又はボロンなどのP型不純物を半導体層13、13’に導入することにより、比較的低濃度のソース、ドレイン領域58を形成する(図4(b)を参照)。不純物は、例えば、イオン打ち込み及び熱処理などにより導入することができる。
【0048】
次いで、ゲート電極55を覆うようにして絶縁膜を形成した後に、これをエッチバックすることにより、ゲート電極59の側部にサイドウォール59を形成する。
【0049】
次いで、再び上記と同一の導電型の不純物を半導体層13、13’に導入し、比較的高濃度のソース、ドレイン領域57を形成する。以上の工程により図4(b)に示す構造体が得られる。
【0050】
次いで、ゲート電極55の上面並びにソース及びドレイン領域57の上面に金属珪化物層60を形成する(図4(c)を参照)。金属珪化物層60の材料としては、例えば、ニッケルシリサイド、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、モリブデンシリサイド、タングステンシリサイドなどが好適である。これらの珪化物は、ゲート電極55の上面並びにソース及びドレイン領域57の上面を覆うように金属を堆積させて、その後、熱処理を施すことによって、該金属とその下部のシリコンとを反応させた後に、該金属のうち未反応部分を硫酸などのエッチャントで除去することによって形成することができる。ここで、必要に応じて、珪化物層の表面を窒化させてもよい。以上の工程により図4(c)に示す構造体が得られる。
【0051】
次いで、シリサイド化したゲート電極の上面並びにソース及びドレイン領域の上面を覆うように絶縁膜61を形成する(図4(d)を参照)。絶縁膜61の材料としては、燐及び/又はボロンを含む酸化シリコンなどが好適である。
【0052】
次いで、必要に応じて、CMP(chemical mechanical polishing)法により表面を平坦化した後に、絶縁膜61にコンタクトホールを形成する。KrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザ、Fエキシマレーザ、電子ビーム、X線等を利用したフォトリソグラフィー技術を適用すると、一辺が0.25ミクロン未満の矩形のコンタクトホール、又は、直径が0.25ミクロン未満の円形のコンタクトホールを形成することができる。
【0053】
次いで、コンタクトホール内に導電体を充填する。導電体の充填方法としては、バリアメタル62となる高融点金属やその窒化物の膜をコンタクトホールの内壁に形成した後に、タングステン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などの導電体63を、CVD法、PVD(physical vapor deposition)法、めっき法などを利用して堆積させる方法が好適である。ここで、絶縁膜61の上面よりも高く堆積した導電体をエッチバック法やCMP法により除去してもよい。また、導電体の充填に先立って、コンタクトホールの底部に露出したソース及びドレイン領域の珪化物層の表面を窒化させてもよい。以上の工程により基板にFET(field effect transistor)等のトランジスタを作り込むことができ、図4(d)に示す構造のトランジスタを有する半導体装置が得られる。
【0054】
以上のように、本実施形態によれば、半導体層を効率よく歪ませることができ、半導体層のキャリア移動度を向上させることができるため、半導体層に形成されたトランジスタ等のデバイスを高速駆動させることができる。
【0055】
[半導体基板の第2の適用例]
本適用例は、上記半導体基板の第1の適用例によって製造された半導体装置に更に改良を加えたものである。本適用例では、上記半導体基板の第1の適用例によって半導体層13、13’の表面に形成されるゲート電極55として、第2の半導体13、13’が略水平な方向に延びるものを用い、さらに半導体層13、13’を歪ませることが出来る。このようなゲート電極55としては、例えば、ゲート電極55にイオン注入をした後に、熱処理を施したものを採用することができる。
【0056】
この場合、歪み誘起領域14としては、島状に形成された半導体層13、13’に引っ張り力を加える材料を用いるのが望ましいが、このような材料を必ずしも用いる必要はない。素子分離の特性に応じて最適化された種々の材料(すなわち、半導体層13、13’に引っ張り力を与える材料とは限らない。)及び構成を採用することができる。
【0057】
また、半導体層13、13’の表面に層間絶縁膜を形成して、これによる応力を制御することによって、半導体層13、13’に更に応力を印加することもできる。
【実施例】
以下、本発明の好適な実施例を挙げる。
【0058】
(実施例1)
8インチP型のシリコンウエハ11(抵抗率0.013〜0.017Ω-cm)を用意して(図1(a)に対応)、その表面に多孔質シリコン12を陽極化成法により形成した(図1(b)に対応)。ここで、陽極化成溶液は50%HF:IPA=2:1(体積比)、電流密度は8mA/cm、電流印加時間は11min、多孔質シリコン12の膜厚は10μmであった。陽極化成後、シリコンウエハ11を、400℃で1時間、酸素中で低温酸化した後に、表面酸化膜をDHF等で除去し、エピタキシャル装置へロードした。エピタキシャル装置へロードした後に、シリコンウエハ11を、水素雰囲気中で950℃で10秒表面処理を施して、表面孔の穴埋めを行った。さらに少量のシリコン系ガスを導入して、残留した表面孔の穴埋めを行った。その後、シリコンウエハ11の上にシリコンをエピタキシャル成長させて、所定の厚さのエピタキシャルシリコン層13を形成した(図1(c)に対応)。エピタキシャルシリコン層13の膜厚は、作製するデバイスに応じて決定し、10nm程度〜数μmまで広範囲に制御することができた。
【0059】
次いで、エピタキシャルシリコン層13の表面に保護酸化膜を形成して、リソグラフィ工程でパターニング及びエッチングを行って、エピタキシャルシリコン層13及びその下の多孔質シリコン12を島状にパターニングした(図1(d)に対応)。島の大きさや形状は、作製するデバイスにより決定した。島の大きさは、1μm〜数百μmまで制御することができた。
【0060】
シリコンをエッチオフした後に、島状に形成されたエピタキシャルシリコン層13’及び多孔質シリコン12’の隙間に、TEOS+Oを原材料とするCVD法にて酸化膜14を形成した(図1(e)に対応)。酸化シリコン膜は、その応力を高範囲に制御することが出来るため、引っ張りの力を島状に形成されたエピタキシャルシリコン層13’及び多孔質シリコン12’の側壁へ印加するように条件を設定した。
【0061】
以上のようにして、表面のシリコン半導体層13’を歪ませることが出来た。
【0062】
(実施例2)
本実施例は、概略的には、実施例1における一部の工程を変更したものである。即ち、本実施例では、エピタキシャルシリコン層13の表面に保護酸化膜を形成して、リソグラフィ工程でパターニング及びエッチングを行って、エピタキシャルシリコン層13及びその下の多孔質シリコン12をパターニングする代わりに、エピタキシャルシリコン層12を島状にパターニングした(図2(d)に対応)。
【0063】
(実施例3)
本実施例は、概略的には、実施例1における一部の工程を変更したものである。即ち、本実施例では、シリコンウエハ11に部分的に多孔質シリコン層12’’を形成した(図3(b)に対応)。このように部分的に多孔質シリコン層12’’を形成するために、シリコンを選択的に陽極化成する方法としては、例えば、(1)シリコンを多孔質化する領域にボロンをイオン注入してP++層にする、(2)HF耐性のある絶縁性の保護膜をシリコン上にパターニングして、選択的に多孔質化する領域以外の表面をカバーする、等がある。
【0064】
(実施例4)
実施例1〜3に対して、表面シリコンに島状にCMOS(complementary metal-oxide semiconductor)構造を形成した(図4に対応)。CMOSの形成については、一般的な方法によって形成した。N型、P型MOSトランジスタの電子移動度及び正孔移動度が、無歪みのものに対して増大することが確認できた。
【0065】
(実施例5)
実施例4に対して更にシリコン半導体層に歪みを加える方法を適用した。具体的には、チャネル直上のゲート電極55に砒素を注入し、ゲートを囲うようにゲート保護膜を形成した。その後、アニール処理を行い、ゲート電極55とゲート保護膜の伸び縮みを利用して、チャネル領域に局所的な歪みを発生させ、島状シリコン間の引っ張り力を印加する材料における引張り力に加えて、ゲート直上からの応力印加により効率よく半導体層13、13’を歪ませることが出来た。また、半導体層13、13’の下に半導体層13、13’よりもヤング率の低い多孔質シリコン12、12’を配置することによって更に効果的に表面のシリコン半導体層13、13’を歪ませることが出来た。
【0066】
なお、上記示した実施例1〜5において、多孔質シリコンの形成条件は、上記の条件に限らない。多孔度(porosity)を変化させるために、基板のタイプ(P型、N型)、比抵抗、溶液濃度、電流、温度等を変えることができる。多孔質シリコン上にシリコンをエピタキシャル成長させる方法としては、CVD法、MBE(molecular beam epitaxy)法、スパッタ法、液相成長法等、多種の方法を採用することができる。また、他の工程についても、ここの実施例に限られた条件だけでなく、さまざまな条件で実施することができる。
【0067】
【発明の効果】
本発明によれば、例えば、半導体層を効率的に歪ませることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な第1の実施形態に係る基板製造方法を説明するための図である。
【図2】本発明の好適な第2の実施形態に係る基板製造方法を説明するための図である。
【図3】本発明の好適な第3の実施形態に係る基板製造方法を説明するための図である。
【図4】本発明の好適な実施形態に係る半導体基板の第1の適用例を説明するための図である。
【図5】多孔度とヤング率との関係を示す図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor substrate, a semiconductor device, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a heteroepitaxial growth method in which a different material is epitaxially grown on a single crystal substrate is known. In the heteroepitaxial growth method, an epitaxial layer having a distorted crystal lattice can be formed depending on the crystal growth material and conditions. In an epitaxial layer with a distorted crystal lattice, the atomic spacing in the epitaxial layer is widened by tensile stress, so that the effective mass of carriers in the epitaxial layer is reduced and the mobility of carriers can be improved.
[0003]
As a technique using this, a technique for increasing the mobility of carriers by a silicon layer distorted by a SiGe layer (hereinafter referred to as “strained silicon layer”) is disclosed (for example, see Patent Document 1). When silicon is epitaxially grown on the SiGe layer, silicon is formed following SiGe having a lattice constant larger than that of silicon (difference between lattice constants of Si and Ge is about 4%), so that distortion of about several percent occurs. However, it depends on the amount of Ge contained in the SiGe layer.)
[0004]
On the other hand, there is a technique in which tensile stress is applied to the silicon layer from above the silicon layer to distort the crystal lattice of the silicon layer. For example, a technique for improving the mobility of a channel region by applying a tensile stress to the channel region from the side of the gate electrode formed above the channel region is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1). .
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-286418 A [Non-Patent Document 1]
"Developing two transistor performance enhancement technologies in the cutting-edge semiconductor field" [online], December 17, 2003, Mitsubishi Electric Corporation, Internet, <URL: http://www.mitsubishielectric.co.jp /news/2002/1217-b.html>
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1, since the SiGe layer includes defects, it is difficult to form a strained silicon layer having high crystallinity. In Non-Patent Document 1, strain is introduced by the device structure formed on the silicon layer after forming the silicon layer without strain. In this case, the silicon layer is placed under the strained silicon layer. Since it is made of a material that is matched before it is distorted, when a strain is applied from the top of the silicon layer, a force is generated in the layer below the silicon layer to prevent it. In general, when biaxial stress is applied to a silicon layer to generate strain, the amount of strain is generated in the plane of silicon according to the following formula 1.
[0007]
ε = (1−ν) · σ / E (Formula 1)
Where ε is the amount of strain in the silicon surface (no unit), ν is the Poisson's ratio (no unit) of the silicon crystal, σ is the biaxial stress [Gpa] applied in the surface of the silicon layer, and E is the silicon It is the Young's modulus [Gpa] of the crystal. Usually, when E = 162 Gpa and ν = 0.26, a stress of σ = 2.2 to 4.4 (Gpa) is required to set the strain amount ε of silicon on SiGe to 1 to 2%. . Therefore, in a general Si-LSI (large-scale integration) structure, it is necessary not only to distort the silicon layer on the surface but also to distort the underlying portion. Therefore, when stress is applied from the upper part or side surface of the silicon layer, it is necessary to apply stress larger than the above value.
[0008]
The present invention has been made in view of the above background, and an object thereof is to efficiently distort a semiconductor layer.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention relates to a semiconductor substrate, a semiconductor layer, a porous layer that supports the semiconductor layer, a strain-inducing region that applies stress to the semiconductor layer to cause distortion in the semiconductor layer, It is characterized by providing.
[0010]
According to a preferred embodiment of the present invention, the porous layer and the semiconductor layer include a plurality of island-shaped regions, and the strain inducing region is formed between the plurality of island-shaped regions. It is desirable.
[0011]
According to a preferred embodiment of the present invention, the semiconductor layer includes a plurality of island-shaped semiconductor regions, and the strain induction region is formed between the plurality of island-shaped semiconductor regions. desirable.
[0012]
According to a preferred embodiment of the present invention, the porous layer is preferably a porous silicon layer.
[0013]
According to a preferred embodiment of the present invention, the semiconductor layer is preferably composed of single crystal silicon.
[0014]
According to a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the strain induction region is made of silicon oxide.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the strain induction region is made of silicon nitride.
[0016]
A second aspect of the present invention relates to a semiconductor device, wherein a semiconductor device is formed in the semiconductor layer.
[0017]
According to a preferred embodiment of the present invention, it is desirable to further include a second strain inducing region that applies a stress to the semiconductor layer to cause strain in the semiconductor layer above the channel of the semiconductor device.
[0018]
A third aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor substrate, the step of forming a porous layer on a substrate, the step of forming a semiconductor layer on the porous layer, and applying stress to the semiconductor layer. Forming a strain-inducing region that causes strain in the semiconductor layer.
[0019]
According to a preferred embodiment of the present invention, after the step of forming the semiconductor layer, the method further includes a step of partially etching the porous layer and the semiconductor layer to form an opening, and the strain induction In the step of forming the region, it is desirable to form the strain induction region in the opening.
[0020]
According to a preferred embodiment of the present invention, after the step of forming the semiconductor layer, the method further includes a step of partially etching the semiconductor layer to form an opening, and forming the strain induction region Then, it is desirable to form the strain induction region in the opening.
[0021]
According to a preferred embodiment of the present invention, in the step of forming the porous layer, a plurality of porous regions are formed on the substrate, and in the step of forming the strain induction region, the plurality of porous regions are formed. It is desirable to form the strain induction region between the semiconductor layers.
[0022]
A fourth aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and includes a step of preparing a semiconductor substrate manufactured by applying the above manufacturing method, and a step of fabricating a semiconductor device on the semiconductor substrate. It is characterized by that.
[0023]
According to a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to include a step of applying a stress to the semiconductor layer from above the channel of the semiconductor device to further strain the semiconductor layer.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0025]
(First embodiment)
FIG. 1A to FIG. 1E are views for explaining a substrate manufacturing method according to a preferred first embodiment of the present invention.
[0026]
In the step shown in FIG. 1A, a substrate 11 is prepared. As the substrate 11, for example, silicon is suitable, but other materials may be adopted.
[0027]
In the step shown in FIG. 1B, the porous layer 12 is formed on the surface of the substrate 11. The Young's modulus of the porous layer 12 is lower than the Young's modulus of the semiconductor layer 13 formed in the step shown in FIG. As a material constituting the porous layer 12, it is preferable to employ porous silicon obtained by making silicon porous. The porous silicon layer can be formed by anodizing the surface of the silicon substrate. Anodization can be performed by disposing an anode and a cathode in an electrolyte containing hydrofluoric acid, disposing a substrate between the electrodes, and passing a current between the electrodes.
[0028]
The porous silicon layer may be composed of a single layer having a substantially uniform porosity, or may be composed of two or more layers having mutually different porosities. Also, the Young's modulus of the porous silicon layer can be changed from at least about 1 GPa to about 83 GPa by changing the porosity (eg, edited by L. Canham, D. Bellet, “Properties of Porous Silicon ", INSPEC, The Institution of Electrical Engineers, p. 127-131).
[0029]
FIG. 5 illustrates the relationship between the porosity ρ and the Young's modulus E of porous silicon based on the data disclosed in the above D. Bellet paper. As shown in FIG. 5, it can be seen that the higher the porosity of porous silicon, the lower the Young's modulus. When using anodization, the porosity of the porous silicon can be controlled by the solution concentration, current density, specific resistance of the silicon substrate, etc., so that the Young's modulus of the porous silicon is set to a desired value. There is an advantage that can be.
[0030]
In the present invention, the method of forming the porous layer is not limited to anodization, and for example, a method of ion implantation of hydrogen, helium, or the like into the substrate can be employed.
[0031]
In the step shown in FIG. 1C, the semiconductor layer 13 is formed on the porous layer 12 by an epitaxial growth method. A high-quality single crystal semiconductor layer can be formed by an epitaxial growth method.
[0032]
In the process shown in FIG. 1D, after applying a resist on the semiconductor layer 13, the porous layer 12 and the semiconductor layer 13 are patterned by a general lithography process to form openings. Thereby, a plurality of island-shaped porous layers 12 ′ and semiconductor layers 13 ′ are formed on the substrate 11. The width of the opening is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more.
[0033]
In the step shown in FIG. 1E, a strain induction region 14 for applying stress to the semiconductor layer 13 ′ is formed on the substrate 11 exposed in the opening formed in the step shown in FIG. The strain-inducing region 14 substantially applies the porous layer 12 ′ and the semiconductor layer 13 ′ to their surfaces so as to apply stress to the semiconductor layer 13 ′ so that the second semiconductor 13 ′ extends in a substantially horizontal direction. Work to pull in parallel direction. In the semiconductor layer 13 ′ to which a tensile force is applied in the in-plane direction by the strain induction region 14, the crystal lattice is distorted, and the mobility of carriers moving in the semiconductor layer 13 ′ is improved. As the strain induction region 14, for example, silicon oxide or SiN using TEOS (tetraethyl orthosilicate) or the like as a raw material can be employed.
[0034]
As described above, the semiconductor layer 13 ′ is formed so that the carrier mobility of the porous layer 12 ′ formed on the substrate 11, the semiconductor layer 13 ′ formed on the porous layer 12 ′, and the semiconductor layer 13 ′ is increased. A substrate comprising a strain-inducing region 14 for applying a stress to the layer 13 ′ can be produced.
[0035]
For the formation of CVD (chemical vapor deposition) silicon oxide, TEOS, TEOS + O 2 , TEOS + O 3 , SiH 4 + O 2 , SiH 4 + N 2 O, SiH 2 Cl 2 + N 2 O, or the like is used. CVD methods include thermal CVD and plasma CVD.
[0036]
Thermal CVD and plasma CVD can be used to form silicon nitride. Examples of the raw material containing Si as a raw material include SiCl 2 , SiH, and SiH 2 Cl 2 , and examples of the raw material containing N include NH 3 , N 2 H 4 , and N 2 .
[0037]
Further, since the porous layer 12 ′ having a lower Young's modulus than the semiconductor layer 13 ′ is disposed in the lower layer, most of the tensile force applied from the strain induction region 14 to the semiconductor layer 13 ′ is applied to the semiconductor layer 13 ′. Thus, the force for pulling the semiconductor layer 13 'is smaller. As described above, by disposing the porous layer 12 ′ under the semiconductor layer 13 ′ and efficiently converting the tensile force into the in-plane strain, it is possible to generate a larger strain with less stress.
[0038]
Further, by forming the island-shaped semiconductor layer 13 ′, each of the semiconductor layers 13 ′ can be distorted independently. In the case where the semiconductor layer 13 is uniformly formed on the porous layer 12, when the semiconductor layer 13 is distorted, the total amount of distortion can be enormous. For example, a strained silicon layer on SiGe is distorted by about 1% in the plane if SiGe is completely relaxed. Considering the diameter of a 300 mm wafer, the total amount of distortion is 3 mm. When distorted from an unstrained state, the silicon layer is 3 mm larger in diameter, but in reality, the entire silicon layer cannot be distorted to such an amount. However, according to the present embodiment, by forming the island-shaped semiconductor layer 13 ′ on the substrate 11, for example, a 1 μm opening is formed on the island of the 10 μm square semiconductor layer 13 ′. The individual islands of the semiconductor layer 13 ′ can be distorted individually by 10.1 mm and the opening in the gap of 0.9 mm.
[0039]
In the case of the formation of strained Si on SiGe, since it is already formed with strain at the time of deposition (epitaxial growth), the actual size will not increase. become.
[0040]
(Second Embodiment)
Hereinafter, description will be given of a substrate manufacturing method according to a second preferred embodiment of the present invention. The substrate manufacturing method according to the present embodiment is schematically obtained by changing some processes of the substrate manufacturing method according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a substrate manufacturing method according to this embodiment. The steps shown in FIGS. 2A to 2C are the same as the steps shown in FIGS. 1A to 1C.
[0041]
In the step shown in FIG. 2D, the semiconductor layer 13 is etched to form an opening. In the step shown in FIG. 2E, the strain inducing region 14 is formed on the porous layer 12 exposed in the opening. By configuring as described above, the semiconductor layer 13 ′ formed on the porous layer 12 can be efficiently distorted.
[0042]
(Third embodiment)
Hereinafter, a description will be given of a substrate manufacturing method according to a preferred third embodiment of the present invention. The substrate manufacturing method according to the present embodiment is schematically obtained by changing some processes of the substrate manufacturing method according to the first embodiment. FIG. 3 is a diagram showing a substrate manufacturing method according to this embodiment. The steps shown in FIGS. 3A and 3C are the same as the steps shown in FIGS. 1A and 1C, respectively.
[0043]
In the step shown in FIG. 3B, a porous layer is partially formed on the substrate 11. As a method for forming the porous layer, when anodization is employed, for example, a protective film (for example, a nitride film or HF resistance) that protects the substrate from a chemical solution (hydrofluoric acid or the like) used in anodization. After forming the mask) on the substrate 11, the substrate 11 is anodized to form the partial porous layer 12 ″ shown in FIG. In the step shown in FIG. 3D, the semiconductor layer 13 is etched to form an opening. In the step shown in FIG. 3E, the strain induction region 14 is formed on the substrate 11 exposed in the opening. By configuring as described above, the semiconductor layer 13 ′ formed on the porous layer 12 can be efficiently distorted.
[0044]
[First application example of semiconductor substrate]
In this application example, a semiconductor device manufacturing method using a semiconductor substrate that can be manufactured by applying the substrate manufacturing method according to any one of the first to third embodiments of the present invention will be described.
[0045]
FIG. 4 shows the vicinity of the semiconductor layer 13 ′ and the strain-inducing region 14 of the substrate manufactured by the process shown in the second embodiment exemplarily among the preferred first to third embodiments of the present invention. Is. First, an element isolation region 54 and a gate insulating film 56 are formed on the surfaces of the semiconductor layers 13 and 13 ′ (see FIG. 4A). Examples of the material of the gate insulating film 56 include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, aluminum oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, titanium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, gadolinium oxide, lanthanum oxide, zirconium oxide, and the like. The glass mixture is suitable. The gate oxide film 56 can be formed, for example, by oxidizing the surface of the semiconductor layers 13 and 13 ′ or depositing a corresponding material on the surfaces of the semiconductor layers 13 and 13 ′ by the CVD method or the PVD method.
[0046]
Next, a gate electrode 55 is formed on the gate insulating film 56. The gate electrode 55 is made of, for example, polycrystalline silicon doped with a P-type or N-type impurity, a metal such as tungsten, molybdenum, titanium, tantalum, aluminum, or copper, or an alloy containing at least one of these, molybdenum silicide, It can be composed of a metal silicide such as tungsten silicide or cobalt silicide, or a metal nitride such as titanium nitride, tungsten nitride, or tantalum nitride. The gate insulating film 56 may be formed by stacking a plurality of layers made of different materials, such as a polycide gate. The gate electrode 55 may be formed by, for example, a method called salicide (self-aligned silicide), a method called a damascene gate process, or another method. The structure shown in FIG. 4A is obtained through the above steps.
[0047]
Next, N-type impurities such as phosphorus, arsenic, and antimony or P-type impurities such as boron are introduced into the semiconductor layers 13 and 13 ′, thereby forming relatively low concentration source and drain regions 58 (FIG. 4B). )). Impurities can be introduced, for example, by ion implantation and heat treatment.
[0048]
Next, after forming an insulating film so as to cover the gate electrode 55, the insulating film is etched back, thereby forming the sidewall 59 on the side portion of the gate electrode 59.
[0049]
Next, impurities having the same conductivity type as those described above are again introduced into the semiconductor layers 13 and 13 ′ to form relatively high concentration source / drain regions 57. The structure shown in FIG. 4B is obtained through the above steps.
[0050]
Next, a metal silicide layer 60 is formed on the upper surface of the gate electrode 55 and the upper surfaces of the source and drain regions 57 (see FIG. 4C). As a material of the metal silicide layer 60, for example, nickel silicide, titanium silicide, cobalt silicide, molybdenum silicide, tungsten silicide and the like are suitable. These silicides are formed by depositing a metal so as to cover the upper surface of the gate electrode 55 and the upper surfaces of the source and drain regions 57, and then performing a heat treatment to react the metal with the underlying silicon. The unreacted portion of the metal can be removed with an etchant such as sulfuric acid. Here, if necessary, the surface of the silicide layer may be nitrided. The structure shown in FIG. 4C is obtained through the above steps.
[0051]
Next, an insulating film 61 is formed so as to cover the upper surface of the silicided gate electrode and the upper surfaces of the source and drain regions (see FIG. 4D). As a material of the insulating film 61, silicon oxide containing phosphorus and / or boron is preferable.
[0052]
Next, if necessary, the surface is planarized by CMP (chemical mechanical polishing), and then contact holes are formed in the insulating film 61. When a photolithographic technique using a KrF excimer laser, ArF excimer laser, F 2 excimer laser, electron beam, X-ray or the like is applied, a rectangular contact hole with a side of less than 0.25 microns or a diameter of 0.25 microns Less circular contact holes can be formed.
[0053]
Next, a conductor is filled in the contact hole. As a method for filling the conductor, after forming a film of a refractory metal serving as the barrier metal 62 or a nitride thereof on the inner wall of the contact hole, the conductor 63 such as tungsten alloy, aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy is formed. A deposition method using a CVD method, a PVD (physical vapor deposition) method, a plating method, or the like is preferable. Here, the conductor deposited higher than the upper surface of the insulating film 61 may be removed by an etch back method or a CMP method. Prior to filling the conductor, the surface of the silicide layer in the source and drain regions exposed at the bottom of the contact hole may be nitrided. Through the above steps, a transistor such as a field effect transistor (FET) can be formed on the substrate, and a semiconductor device having a transistor having the structure shown in FIG.
[0054]
As described above, according to the present embodiment, the semiconductor layer can be efficiently distorted and the carrier mobility of the semiconductor layer can be improved, so that a device such as a transistor formed in the semiconductor layer can be driven at high speed. Can be made.
[0055]
[Second application example of semiconductor substrate]
In this application example, the semiconductor device manufactured by the first application example of the semiconductor substrate is further improved. In this application example, as the gate electrode 55 formed on the surface of the semiconductor layers 13 and 13 ′ according to the first application example of the semiconductor substrate, a gate electrode 55 that extends in a substantially horizontal direction is used. Further, the semiconductor layers 13 and 13 ′ can be distorted. As such a gate electrode 55, for example, a gate electrode 55 that has been subjected to heat treatment after ion implantation can be employed.
[0056]
In this case, as the strain induction region 14, it is desirable to use a material that applies a tensile force to the island-shaped semiconductor layers 13 and 13 ′, but such a material is not necessarily used. Various materials (that is, not necessarily a material that gives a tensile force to the semiconductor layers 13 and 13 ′) and configurations that are optimized in accordance with element isolation characteristics can be employed.
[0057]
Further, by forming an interlayer insulating film on the surface of the semiconductor layers 13 and 13 ′ and controlling the stress caused thereby, it is possible to further apply stress to the semiconductor layers 13 and 13 ′.
【Example】
Preferred examples of the present invention will be given below.
[0058]
Example 1
An 8-inch P-type silicon wafer 11 (resistivity 0.013 to 0.017 Ω-cm) was prepared (corresponding to FIG. 1A), and porous silicon 12 was formed on the surface by anodization ( Corresponding to FIG. Here, the anodizing solution was 50% HF: IPA = 2: 1 (volume ratio), the current density was 8 mA / cm 2 , the current application time was 11 min, and the thickness of the porous silicon 12 was 10 μm. After anodization, the silicon wafer 11 was oxidized at 400 ° C. for 1 hour in oxygen at a low temperature, and then the surface oxide film was removed with DHF or the like and loaded into an epitaxial device. After loading to the epitaxial apparatus, the silicon wafer 11 was subjected to surface treatment at 950 ° C. for 10 seconds in a hydrogen atmosphere to fill the surface holes. Furthermore, a small amount of silicon-based gas was introduced to fill the remaining surface holes. Thereafter, silicon was epitaxially grown on the silicon wafer 11 to form an epitaxial silicon layer 13 having a predetermined thickness (corresponding to FIG. 1C). The film thickness of the epitaxial silicon layer 13 was determined according to the device to be manufactured, and could be controlled over a wide range from about 10 nm to several μm.
[0059]
Next, a protective oxide film is formed on the surface of the epitaxial silicon layer 13, and patterning and etching are performed in a lithography process, thereby patterning the epitaxial silicon layer 13 and the porous silicon 12 thereunder into an island shape (FIG. 1D). )). The size and shape of the island was determined by the device to be manufactured. The size of the island could be controlled from 1 μm to several hundred μm.
[0060]
After the silicon is etched off, an oxide film 14 is formed by a CVD method using TEOS + O 3 as a raw material in the gap between the island-shaped epitaxial silicon layer 13 ′ and the porous silicon 12 ′ (FIG. 1E). Corresponding). Since the stress of the silicon oxide film can be controlled in a high range, conditions were set so that a tensile force was applied to the sidewalls of the epitaxial silicon layer 13 ′ and the porous silicon 12 ′ formed in an island shape. .
[0061]
As described above, the silicon semiconductor layer 13 ′ on the surface could be distorted.
[0062]
(Example 2)
In the present embodiment, a part of the steps in Embodiment 1 is schematically changed. That is, in this embodiment, instead of patterning the epitaxial silicon layer 13 and the underlying porous silicon 12 by forming a protective oxide film on the surface of the epitaxial silicon layer 13 and performing patterning and etching in a lithography process, The epitaxial silicon layer 12 was patterned into an island shape (corresponding to FIG. 2D).
[0063]
(Example 3)
In the present embodiment, a part of the steps in Embodiment 1 is schematically changed. That is, in this example, a porous silicon layer 12 '' was partially formed on the silicon wafer 11 (corresponding to FIG. 3B). As a method of selectively anodizing silicon in order to partially form the porous silicon layer 12 ″ in this way, for example, (1) boron is ion-implanted into a region where silicon is made porous. (2) Patterning an HF-resistant insulating protective film on silicon to cover the surface other than the region to be selectively made porous.
[0064]
(Example 4)
In contrast to Examples 1 to 3, an island-like CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) structure was formed on the surface silicon (corresponding to FIG. 4). The CMOS was formed by a general method. It was confirmed that the electron mobility and hole mobility of the N-type and P-type MOS transistors were increased with respect to the unstrained one.
[0065]
(Example 5)
A method of applying strain to the silicon semiconductor layer was further applied to Example 4. Specifically, arsenic was implanted into the gate electrode 55 immediately above the channel, and a gate protective film was formed so as to surround the gate. After that, annealing is performed, and local strain is generated in the channel region by utilizing the expansion and contraction of the gate electrode 55 and the gate protective film, in addition to the tensile force in the material that applies the tensile force between the island-shaped silicons. The semiconductor layers 13, 13 ′ could be efficiently distorted by applying stress from directly above the gate. Further, by disposing the porous silicon 12 and 12 ′ having a lower Young's modulus than the semiconductor layers 13 and 13 ′ under the semiconductor layers 13 and 13 ′, the surface silicon semiconductor layers 13 and 13 ′ are more effectively distorted. I was able to do it.
[0066]
In Examples 1 to 5 shown above, the conditions for forming porous silicon are not limited to the above conditions. In order to change the porosity, the substrate type (P type, N type), specific resistance, solution concentration, current, temperature, etc. can be changed. As a method for epitaxially growing silicon on porous silicon, various methods such as a CVD method, an MBE (molecular beam epitaxy) method, a sputtering method, and a liquid phase growth method can be employed. Further, the other steps can be carried out under various conditions as well as the conditions limited to the embodiment described here.
[0067]
【The invention's effect】
According to the present invention, for example, the semiconductor layer can be efficiently distorted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a substrate manufacturing method according to a preferred first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a substrate manufacturing method according to a preferred second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view for explaining a substrate manufacturing method according to a preferred third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a first application example of a semiconductor substrate according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between porosity and Young's modulus.

Claims (14)

基板と、
前記基板上の表面に形成された多孔質層と前記多孔質層上の表面に形成された半導体層とをパターニングして形成された、複数の島状の多孔質領域及び複数の島状の半導体領域と、
前記複数の島状の半導体領域及び前記複数の島状の多孔質領域を形成する時に、前記基板の表面が露出するように形成された開口部と、
前記開口部に形成されて前記基板の表面と前記半導体領域及び前記多孔質領域の側壁とに接し、かつ前記半導体領域及び前記多孔質領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域と、
前記半導体領域の表面に前記歪み誘起領域とは異なる工程で形成された素子分離領域と、を有し、
前記半導体領域のヤング率は前記多孔質領域のヤング率よりも大きいことを特徴とする半導体基体。
A substrate,
A plurality of island-shaped porous regions and a plurality of island-shaped semiconductors formed by patterning a porous layer formed on the surface of the substrate and a semiconductor layer formed on the surface of the porous layer Area,
An opening formed to expose a surface of the substrate when forming the plurality of island-shaped semiconductor regions and the plurality of island-shaped porous regions;
The semiconductor region formed in the opening is in contact with the surface of the substrate and the sidewalls of the semiconductor region and the porous region, and applies a stress in a horizontal direction to the surface of the semiconductor region and the porous region. A strain-inducing region that causes strain in the
An element isolation region formed in a step different from the strain induction region on the surface of the semiconductor region,
A semiconductor substrate characterized in that a Young's modulus of the semiconductor region is larger than a Young's modulus of the porous region .
基板と、
前記基板上の表面に形成された多孔質層と、
前記多孔質層上の表面に形成された半導体層をパターニングして形成された、複数の島状の半導体領域と、
前記複数の島状の半導体領域を形成する時に、前記多孔質層が露出するように形成された開口部と、
前記開口部に形成されて前記多孔質層の表面と前記半導体領域の側壁とに接し、かつ前記半導体領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域と、
前記半導体領域の表面に前記歪み誘起領域とは異なる工程で形成された素子分離領域と、を有し、
前記半導体領域のヤング率は前記多孔質領域のヤング率よりも大きいことを特徴とする半導体基体。
A substrate,
A porous layer formed on the surface of the substrate;
A plurality of island-shaped semiconductor regions formed by patterning a semiconductor layer formed on the surface of the porous layer;
An opening formed to expose the porous layer when forming the plurality of island-shaped semiconductor regions;
A strain-inducing region that is formed in the opening and is in contact with the surface of the porous layer and the sidewall of the semiconductor region, and generates a strain in the semiconductor region by applying a stress in a horizontal direction to the surface of the semiconductor region. When,
An element isolation region formed in a step different from the strain induction region on the surface of the semiconductor region,
A semiconductor substrate characterized in that a Young's modulus of the semiconductor region is larger than a Young's modulus of the porous region .
基板と、
前記基板に部分的に形成された複数の島状の多孔質領域と、
前記基板及び前記複数の島状の多孔質領域の表面に形成された半導体層を、該多孔質領域にそれぞれ対応するようにパターニングして形成された複数の島状の半導体領域と、
前記複数の島状の半導体領域を形成する時に、前記基板が露出するように形成された開口部と、
前記開口部に形成されて前記基板の表面と前記半導体領域の側壁とに接し、かつ前記半導体領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域と、
前記半導体領域の表面に前記歪み誘起領域とは異なる工程で形成された素子分離領域と、を有し、
前記半導体領域のヤング率は前記多孔質領域のヤング率よりも大きいことを特徴とする半導体基体。
A substrate,
A plurality of island-like porous regions partially formed on the substrate;
A plurality of island-shaped semiconductor regions formed by patterning the semiconductor layer formed on the surface of the substrate and the plurality of island-shaped porous regions to respectively correspond to the porous regions;
An opening formed to expose the substrate when forming the plurality of island-shaped semiconductor regions;
A strain-inducing region that is formed in the opening and is in contact with the surface of the substrate and the side wall of the semiconductor region, and causes a strain in the semiconductor region by applying a stress in a horizontal direction to the surface of the semiconductor region;
An element isolation region formed in a step different from the strain induction region on the surface of the semiconductor region,
A semiconductor substrate characterized in that a Young's modulus of the semiconductor region is larger than a Young's modulus of the porous region .
前記多孔質層又は前記複数の島状の多孔質領域は、多孔質シリコン層であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体基体。4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the porous layer or the plurality of island-shaped porous regions is a porous silicon layer. 5. 前記半導体層又は前記複数の島状の半導体領域は、単結晶シリコンで構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体基体。4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor layer or the plurality of island-shaped semiconductor regions are made of single crystal silicon. 5. 前記歪み誘起領域は、酸化シリコンで構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体基体。  4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the strain-inducing region is made of silicon oxide. 5. 前記歪み誘起領域は、窒化シリコンで構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体基体。  4. The semiconductor substrate according to claim 1, wherein the strain-inducing region is made of silicon nitride. 5. 前記半導体領域に半導体デバイスが形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein a semiconductor device is formed in the semiconductor region . 前記半導体デバイスのチャネルの上方に、前記半導体領域に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる第2の歪み誘起領域であるゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置。9. The semiconductor according to claim 8, further comprising a gate electrode that is a second strain inducing region that applies stress to the semiconductor region to cause strain in the semiconductor region above the channel of the semiconductor device. apparatus. 基板の表面に多孔質層を形成する工程と、
前記多孔質層上の表面に該多孔質層のヤング率よりもヤング率が大きい半導体層を形成する工程と、
前記多孔質層及び前記半導体層を前記基板の表面が露出するように部分的にエッチングすることにより、開口部と複数の島状の多孔質領域及び複数の島状の半導体領域とを形成する工程と、
前記開口部に前記基板の表面と前記多孔質領域及び前記半導体領域の側壁とに接し、かつ前記多孔質領域及び前記半導体領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域形成する工程と、
前記歪み誘起領域を形成する工程とは異なる後の工程において前記半導体領域の表面に素子分離領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体基体の製造方法。
Forming a porous layer on the surface of the substrate;
Forming a semiconductor layer having a Young's modulus larger than the Young's modulus of the porous layer on the surface of the porous layer;
Forming the opening, the plurality of island-shaped porous regions, and the plurality of island-shaped semiconductor regions by partially etching the porous layer and the semiconductor layer so that the surface of the substrate is exposed ; When,
The opening is in contact with the surface of the substrate and the sidewalls of the porous region and the semiconductor region, and a stress is applied in a horizontal direction to the surface of the porous region and the semiconductor region to distort the semiconductor region. Forming a strain-inducing region to be generated;
And a step of forming an element isolation region on the surface of the semiconductor region in a later step different from the step of forming the strain inducing region .
基板の表面に多孔質層を形成する工程と、
前記多孔質層上の表面に該多孔質層のヤング率よりもヤング率が大きい半導体層を形成する工程と、
前記半導体層を前記多孔質層の表面が露出するように部分的にエッチングすることにより、開口部と複数の島状の半導体領域とを形成する工程と、
前記開口部に前記多孔質層の表面と前記半導体領域の側壁とに接し、かつ前記半導体領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域形成する工程と、
前記歪み誘起領域を形成する工程とは異なる後の工程において前記半導体領域の表面に素子分離領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体基体の製造方法。
Forming a porous layer on the surface of the substrate;
Forming a semiconductor layer having a Young's modulus larger than the Young's modulus of the porous layer on the surface of the porous layer;
Forming the opening and a plurality of island-shaped semiconductor regions by partially etching the semiconductor layer so that the surface of the porous layer is exposed ;
A strain-inducing region is formed in the opening so as to contact the surface of the porous layer and the sidewall of the semiconductor region and to apply a stress in a horizontal direction to the surface of the semiconductor region to cause distortion in the semiconductor region. Process,
And a step of forming an element isolation region on the surface of the semiconductor region in a later step different from the step of forming the strain inducing region .
基板に部分的に複数の島状の多孔質領域を形成する工程と、
前記基板及び前記複数の島状の多孔質領域の表面に該多孔質領域のヤング率よりもヤング率が大きい半導体層を形成する工程と、
前記半導体層を前記複数の島状の多孔質領域にそれぞれ対応するように前記基板の表面が露出するように部分的にエッチングすることにより、開口部と複数の島状の半導体領域とを形成する工程と、
前記開口部に前記基板の表面と前記半導体領域の側壁とに接し、かつ前記半導体領域の表面に対して水平方向に応力を加えて該半導体領域に歪みを生じさせる歪み誘起領域形成する工程と、
前記歪み誘起領域を形成する工程とは異なる後の工程において前記半導体領域の表面に素子分離領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体基体の製造方法。
Forming a plurality of island-shaped porous regions partially on the substrate;
Forming a semiconductor layer having a Young's modulus larger than the Young's modulus of the porous region on the surface of the substrate and the plurality of island-shaped porous regions;
The semiconductor layer is partially etched so that the surface of the substrate is exposed so as to correspond to the plurality of island-shaped porous regions, thereby forming an opening and a plurality of island-shaped semiconductor regions. Process,
Forming a strain-inducing region in contact with the surface of the substrate and the sidewall of the semiconductor region in the opening and applying a stress in a horizontal direction to the surface of the semiconductor region to cause strain in the semiconductor region ; ,
And a step of forming an element isolation region on the surface of the semiconductor region in a later step different from the step of forming the strain inducing region .
請求項10乃至請求項12のいずれか1項に記載の製造方法を適用して製造された半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板の前記半導体領域に半導体デバイスを作り込む工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A step of preparing a semiconductor substrate manufactured by applying the manufacturing method according to claim 10, and a step of manufacturing a semiconductor device in the semiconductor region of the semiconductor substrate are included. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記半導体デバイスのチャネルの上方から前記半導体領域に応力を加えて該半導体領域に更に歪みを誘起する誘起領域であるゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。The semiconductor device according to claim 13, further comprising: forming a gate electrode which is an inducing region for inducing further strain in the semiconductor region by applying stress to the semiconductor region from above the channel of the semiconductor device. Manufacturing method.
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