歪み半導体基板の製造方法および歪みMOSFETの製造方法
【課題】歪み緩和バッファ層を設けることなく、結晶構造を有する半導体基板の表面に歪み半導体層を形成でき、したがって、簡単かつ低コストで歪み半導体基板を作製できる歪み半導体基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する(S1)。半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素をその絶縁膜中にイオン注入する(S2)。その元素が絶縁膜中からはじき出されて半導体基板中に拡散して、その元素を要因とした歪みが半導体基板に生じるように熱処理を行う(S3)。
【解決手段】結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する(S1)。半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素をその絶縁膜中にイオン注入する(S2)。その元素が絶縁膜中からはじき出されて半導体基板中に拡散して、その元素を要因とした歪みが半導体基板に生じるように熱処理を行う(S3)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は歪み半導体基板の製造方法に関し、より詳しくは、結晶構造を有する半導体基板に歪みの要因となる元素を導入して歪み半導体基板を作製する製造方法に関する。
【0002】
また、この発明は、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する歪みMOSFETの製造方法に関する。
【背景技術】
【0003】
これまで、超LSI(Ultra-Large Scale Integration Circuit;大規模集積回路)などの用途のために、シリコン(Si)基板上に作製されたMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor、MOS電界効果トランジスタ)(以下「Si−MOSFET」と記す。)の微細化に向けた研究が盛んに行われてきた。最近では、超LSIのさらなる高速化に向けて、高移動度のGaAsを材料とするMOSFETが実用化されている。しかし、SiはGaやAsよりも地球上に豊富に存在し、安価であり、しかも、人体や環境に与える害がないという優れた特長を持つ。そのため、Si基板上に高速なMOSFETを作製できれば、その有用性は大きい。そこで、Siにゲルマニウム(Ge)を混ぜた混晶であるSiGeを次のように利用する方法が考え出された。すなわち、Siよりも原子間距離(格子定数)が大きいSiGeの上にSiを堆積(成長)させると、面内(横)方向と成長(縦)方向で原子間距離の異なるSi層(歪みSi層)が作製される。この歪みSi層では、通常の単結晶Siと比較してバンド構造が変化するため、その中のキャリアは移動度が上がる。この歪みSi層をMOSFETのチャネル(キャリアの通り道)とする歪みSi−MOSFETの実現が期待されている。その他にも、歪みSiGeや歪みGeをチャネルとするMOSFETも高速動作が期待され、研究されている。
【0004】
従来、これら歪みを導入した高速MOSFETをSi基板上に作製する場合、一般的には、まず「歪み緩和SiGeバッファ層」をSi基板上に形成している。すなわち、単結晶Si基板上にエピタキシャル成長法によってSiGeを徐々に堆積させると、初めはSiと同じ格子定数で成長してゆくが、SiGe層が或る膜厚を超えると、SiGeの本来の格子定数に戻る(これを緩和という)。これにより、歪み緩和SiGeバッファ層が形成される。続いて、緩和したSiGe層の上に、Siを成長させて堆積し、Si層を形成する。このSi層は、SiGeと同じ格子定数で成長するので、歪みSi層となる。この歪みSi層を用いてMOSFETを作製すれば、チャネル領域に歪みを導入した歪みSi−MOSFETが得られる。この方法では、MOSFETを作製する工程自体は、単なるSi基板上のMOSFETの場合と何ら変わらないため、実施が容易であるという利点がある。
【0005】
しかしながら、上述の一般的な方法では、十分に歪みが緩和された良質な歪み緩和SiGeバッファ層(SiGe膜)を得るためには、1μm以上の厚さまで膜を堆積する必要がある。このため、高コストとなり、また、SiGe層を介したリーク電流が大きくなるという問題が発生する。
【0006】
そこで、例えば特許文献1(特開2004−363636号公報)に記載されているように、SGOI(SiGe-on-Insulator)と呼ばれる基板、すなわち、SOI(Si-on-Insulator)におけるSiO2上のSi層をSiGeに置き換えたものに相当する基板が提案されている。作製方法としては、非特許文献1(杉山ら(N. Sugiyama et al.)著、「SIMOX技術を用いた、薄く緩和したSiGe/SiO2/Si構造上への歪みシリコン層の形成(Formation of strained-silicon layer on thin relaxed-SiGe/SiO2/Si structure using SIMOX technology)」、シン・ソリッド・フィルムズ(Thin Solid Films)、369巻、2000年7月3日、p.199−202)に記載されているように、Si基板上に傾斜組成SiGeバッファ層を成長してから酸素イオン注入を行い、絶縁層を形成する、いわゆるSIMOX法が提案されている。また、非特許文献2(エイ・アール・パウエルら(A. R. Powell et al.)著、「低変位で緩和したSiGe材料の成長に対する新しいアプローチ(New approach to the growth of low dislocation relaxed SiGe material)」、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Letters)、64巻、14号、1994年、p.1856−1858)に記載されているように、Si層の薄いSOI上にSiGeを成長する方法も提案されている。これらの方法を用いてすでに高移動度の歪みSi−MOSFETが作製されている。
【0007】
例えば非特許文献1に記載の方法では、まず、図9Aに示すように、単結晶Si基板101上に厚さ1μmのSi0.9Ge0.1層を形成する。このとき厚さ800nmの傾斜組成層102が挿入され、表面にはSiのキャップ層103が形成されている。この試料に対し、図9Bに示すように、加速エネルギー180keV、ドーズ量4×1017/cm2で酸素イオン(O+)を注入した後、1350℃で6時間のアニールを行う(これを「SIMOX熱処理」と呼ぶ。)。このSIMOX熱処理によって、図9Cに示すように、厚さ100nm程度の埋め込み酸化膜104が形成される。領域105はSiGe層である。この試料の深さ方向の元素分布を評価した結果によれば、SiGe層105よりも下に埋め込み酸化膜104が形成されているが、この埋め込み酸化膜104中にはGe元素がほとんど含まれていないことが示されている。これは、酸素イオン注入後のアニール時にSiO2が形成される過程で、Ge元素がはじき出されたためである。SiGe結晶中に埋め込み酸化膜が形成された後に、図9Dに示すように、この試料の表面層105を一部エッチング除去し、さらにフッ酸溶液に浸すことにより表面に水素終端処理をした後、厚さ200nm程度のSi0.9Ge0.1バッファ層106及び厚さ20nm程度のSi層107を成長する。
【0008】
上記非特許文献1の方法では、SIMOX熱処理後は埋め込み酸化膜104よりも下の領域102ではGe原子が基板奥深くまで拡散しているのに対し、埋め込み酸化膜104よりも上の領域105では熱処理前のGe濃度が保持され、埋め込み酸化膜中104ではGe原子がほとんど存在しない。つまり、埋め込み酸化膜104を挟んで、Ge濃度に大きな差が生じている。これは、高温下でのGe拡散は非常に速いが、一方で埋め込み酸化膜104がGe拡散に対して障壁として機能しており、SIMOX熱処理時にGeが酸化膜104からはじき出されるからである。
【特許文献1】特開2004−363636号公報
【非特許文献1】杉山直治ら(N. Sugiyama et al.)著、「SIMOX技術を用いた、薄く緩和したSiGe/SiO2/Si構造上への歪みシリコン層の形成(Formation of strained-silicon layer on thin relaxed-SiGe/SiO2/Si structure using SIMOX technology)」、シン・ソリッド・フィルムズ(Thin Solid Films)、369巻、2000年7月3日、p.199−202
【非特許文献2】エイ・アール・パウエルら(A. R. Powell et al.)著、「低変位で緩和したSiGe材料の成長に対する新しいアプローチ(New approach to the growth of low dislocation relaxed SiGe material)」、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Letters)、64巻、14号、1994年、p.1856−1858
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述のように、従来の一般的な方法では、十分に歪みが緩和された良質な歪み緩和SiGeバッファ層(SiGe膜)を得るためには、1μm以上の厚さまで膜を堆積する必要がある。このため、高コストとなり、また、SiGe層を介したリーク電流が大きくなるという問題が発生する。
【0010】
また、特許文献1に記載されたようなSGOI基板は、製造方法が複雑であり、高コストとなるという問題がある。
【0011】
特に、非特許文献1の方法は、複雑であり、高コストとなる。しかも、SiGe層のGe濃度を高くすることが困難である(より高移動度のMOS−FETを得るためには、バンド構造を変化させる要因である歪みを大きくする必要がある。すなわち、Ge原子濃度が高くなくてはならない。しかし、上記方法では原子濃度比数10%程度が限界であると推定される。)。また、SIMOX熱処理で高温(1350℃)のアニールを行うため、良質なSi/SiGe界面を保持することが困難である。また、SiGe層上に形成したSi層とSiGe層の界面の不純物が素子の動作に悪影響を及ぼす、という問題がある。
【0012】
そこで、この発明の課題は、歪み緩和バッファ層を設けることなく、結晶構造を有する半導体基板の表面に歪み半導体層を形成でき、したがって、簡単かつ低コストで歪み半導体基板を作製できる歪み半導体基板の製造方法を提供することにある。
【0013】
また、この発明は、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する歪みMOSFETの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記課題を解決するため、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、
結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する第1工程と、
上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する第2工程と、
上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う第3工程とを有する。
【0015】
この発明の歪み半導体基板の製造方法では、まず第1工程で、結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、次工程で、歪みの要因となる元素を一時的にストックするために形成される。続いて、第2工程で、上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する。この元素は、上記半導体基板中で歪みの要因となる元素である。最後に、第3工程で、上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う。これにより、歪み緩和バッファ層を設けることなく、上記半導体基板の表面部分に歪みをもつ層(これを「歪み半導体層」と呼ぶ。)を形成できる。したがって、簡単かつ低コストで歪み半導体基板を作製できる。
【0016】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法では、上記歪みの要因となる元素をイオン注入法を用いて導入しているため、エピタキシャル成長法を用いる場合と比較して、工程時間が短くなり、さらに低コストになるという利点がある。
【0017】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法により作製された歪み半導体基板では歪み緩和バッファ層が存在しない。したがって、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、歪み緩和バッファ層を介したリーク電流が発生しない。
【0018】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、超LSIが通常形成されているシリコン基板又はSOI基板に適用することが可能である。また、上記絶縁膜としては、通常用いられている酸化シリコン及び窒化シリコンを用いることが可能である。したがって、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、CMOS(相補型MOS)製造プロセスに適用することが可能である。
【0019】
また、第1工程における絶縁膜の形成は必ずしも1000℃以上の高温を必要としないため、一般的なCMOS製造プロセスで行われる熱酸化膜の形成とは別工程として実施することが可能である。したがって、例えば半導体基板の表面の一部領域に一般的なCMOSを形成した後、この発明の歪み半導体基板の製造方法を上記半導体基板の表面の他の領域に適用することが可能である。このように、この発明の歪み半導体基板の製造方法は応用範囲が広い。
【0020】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことを特徴とする。
【0021】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことによって、上記絶縁膜に上記歪みの要因となる元素を一時的にストックし、それを上記半導体基板に拡散する処理が繰り返し行われる。したがって、上記歪み半導体層中の上記歪みの要因となる元素の濃度を高くすることが可能である。したがって、高移動度のMOS−FETの形成が容易となる。
【0022】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、
上記半導体基板はシリコン基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0023】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、半導体基板として、超LSIが通常形成されているシリコン(Si)基板を用いている。したがって、本発明により作製された歪みSiGe基板を一般的なCMOSや不揮発性メモリのチャネル部に用いることが可能となる。また、半導体基板としてのシリコン基板の表面の一部領域に一般的なSi−MOSFETを形成し、この発明の歪み半導体基板の製造方法を上記半導体基板の表面の他の領域に適用して歪みSiGe基板とし、そこにMOSFET(歪みSi−MOSFET)を形成するような作り分けが可能となる。また、上記絶縁膜としてのシリコン酸化膜またはシリコン窒化物は、一般的なCMOSプロセスで用いられている。したがって、この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0024】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、
上記半導体基板はSOI基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0025】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、半導体基板としてSOI基板を用いている。したがって、本発明により作製された歪みSiGe基板をより微細なMOSFET形成に用いることが可能となる。また、上記絶縁膜としてのシリコン酸化膜またはシリコン窒化物は、一般的なCMOSプロセスで用いられている。したがって、この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0026】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であることを特徴とする。
【0027】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記絶縁膜の膜厚は5nm以上であるから、上記第2工程でイオン注入によって上記歪みの要因となる元素を上記絶縁膜中のみに注入することが容易になる。すなわち、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中に分布して留まるように制御することができる。一方、上記絶縁膜の膜厚は50nm以下であるから、上記歪みの要因となる元素の飛程のピークと上記半導体基板との間の距離が比較的近い。したがって、上記第3工程で熱処理によって上記歪みの要因となる元素を上記半導体基板まで比較的短時間で拡散させることができ、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中から十分にはじき出されるようにすることができる。
【0028】
これに対して、上記絶縁膜の膜厚が5nmを下回れば、上記第2工程でイオン注入によって上記歪みの要因となる元素を上記絶縁膜中のみに注入することが困難になる。すなわち、上記歪みの要因となる元素は上記絶縁膜を貫通して飛び越えて、上記半導体基板中に飛程のピークを持つことになる。このとき、上記半導体基板に欠陥が生じる。このため、本発明により作製された歪み半導体基板上にMOSFETを形成した場合、そのMOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことになる。一方、上記絶縁膜の膜厚が50nmを超えれば、上記歪みの要因となる元素の飛程のピークと上記半導体基板との間の距離が遠くなる。このため、上記第3工程で熱処理によって上記歪みの要因となる元素が上記半導体基板まで拡散する時間が長くなる問題や、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中から十分にはじき出されず、上記絶縁膜中に残留してしまうという問題が生じる。
【0029】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程で、上記元素としてゲルマニウムを、負イオン注入法によって注入することを特徴とする。
【0030】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板に、上記歪みの要因となる元素としてゲルマニウム(Ge)を導入する。したがって、それらのSi基板又はSOI基板の表面部分に容易に歪みを加えることができ、その表面部分のバンド構造を変化させてその表面部分(歪みSiGe層)のキャリアの移動度をより高くすることができる。したがって、本発明により作製された歪み半導体基板上にMOSFETを形成した場合、高移動度の歪みSiGe−MOSFETが得られる。また、負イオン注入法によれば、負イオンが絶縁膜に入射するとき二次電子を発生させることがない。したがって、上記第2工程で、上記絶縁膜をチャージアップさせることなく、Geを注入することが可能となる。従って、作製された歪みSiGe−MOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことがない。
【0031】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記ゲルマニウムのドーズ量は1×1015/cm2以上であることを特徴とする。
【0032】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記ゲルマニウム(Ge)のドーズ量は1×1015/cm2以上である。したがって、例えば上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下である場合に、上記第3工程で熱処理によって、上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板の表面部分(歪みSiGe層)のGe濃度(原子濃度比)を容易に10%以上にすることができ、その表面部分に十分な歪みを加えることができる。
【0033】
これに対して、上記ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2を下回っていれば、上記第3工程で熱処理によって上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板の表面部分のGe濃度(原子濃度比)を10%以上にすることが困難で、その表面部分に十分な歪みを加えることができない。
【0034】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であることを特徴とする。
【0035】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であるから、上記第2工程で上記絶縁膜中に注入された上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に容易に拡散する。これにより、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じる。
【0036】
これに対して、上記第3工程で上記熱処理の温度が800℃を下回れば、上記第2工程で上記絶縁膜中に注入された上記元素が上記絶縁膜中に微粒子の形態で残留することとなる。このため、上記半導体基板中に拡散する上記元素の濃度が低くなる。また、本発明により作製された歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する場合において、上記絶縁膜をそのMOSFETの絶縁膜として用いるとき、MOSFETの動作特性にヒステリシス等の悪影響を及ぼすことになる。
【0037】
この発明の歪みMOSFETの製造方法は、
上記歪み半導体基板の製造方法を実施した後、
上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、
上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成することを特徴とする。
【0038】
上記第2工程では、上記第1工程で形成した絶縁膜中に上記歪みの要因となる元素が注入される。このため、上記第3工程で800℃以上の高温で熱処理を実施しても、上記絶縁膜中上記歪みの要因となる元素が微かに残留したり、上記絶縁膜自身に欠陥等のダメージが残る可能性がある。そこで、この発明の歪みMOSFETの製造方法では、上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成する。これにより、高性能な歪み半導体−MOSFETを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0039】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0040】
なお、以下の各実施形態では、本発明を適用する対象、つまり結晶構造を有する半導体基板として、単結晶シリコン基板を用いる場合について説明する。
【0041】
(第1実施形態)
図1は、一実施形態の歪みSiGe基板の製造方法の概略工程フローを示している。この工程フローを、図2A、図2Bの工程断面図を参照しながら、次に説明する。
【0042】
(1)まず、図2Aに示すように、結晶構造を有する半導体基板としての単結晶シリコン基板201の表面に、絶縁膜としてのシリコン酸化膜202を形成する(図1中の工程S1)。
【0043】
このシリコン酸化膜202は、次工程で、歪みの要因となるゲルマニウム203を一時的にストックするために形成される。
【0044】
(2)次に、図2Bに示すように、シリコン基板201の材料とは格子定数が異なる元素であるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中にイオン注入する(図1中の工程S2)。
【0045】
このゲルマニウム203は、シリコン基板201中で歪みの要因となる元素である。
【0046】
ここで、イオン注入を負イオン注入法により行えば、負イオンが絶縁膜に入射するとき二次電子を発生させることがない。したがって、シリコン酸化膜202をチャージアップさせることなく、Geを注入することが可能となる。この結果、この製造方法により作製された歪みシリコン基板を用いて歪みSiGe−MOSFETを作製した場合、歪みSiGe−MOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことがない。
【0047】
また、この製造方法では、歪みの要因となるゲルマニウム203をイオン注入法を用いて導入しているため、エピタキシャル成長法を用いる場合と比較して、工程時間が短くなり、低コストになるという利点がある。
【0048】
(3)次に、ゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中からはじき出されてシリコン基板201中に拡散して、ゲルマニウム203を要因とした歪みがシリコン基板201に生じるように熱処理を行う(図1中の工程S3)。
【0049】
このようにした場合、シリコン基板201の表面部分に、歪みの要因となるゲルマニウム(Ge)203が導入されて、シリコン基板201の表面部分に容易に歪みを加えることができる。これにより、シリコン基板201の表面部分のバンド構造を変化させてその表面部分(歪みSiGe層)のキャリアの移動度をより高くすることができる。
【0050】
これにより、歪み緩和バッファ層を設けることなく、シリコン基板201の表面部分に歪みをもつ層(これを「歪みSiGe層」と呼ぶ。)を形成できる。したがって、簡単かつ低コストでゲルマニウムを含有する歪みシリコン基板を作製できる。
【0051】
また、この製造方法により作製された歪みシリコン基板では歪み緩和バッファ層が存在しない。したがって、そのような歪みシリコン基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、歪み緩和バッファ層を介したリーク電流が発生しない。
【0052】
また、この製造方法は、超LSIが通常形成されている単結晶シリコン基板201を対象としている。また、絶縁膜としては、通常用いられているシリコン酸化膜202を用いている。したがって、この歪みシリコン基板の製造方法は、CMOS(相補型MOS)製造プロセスに適用することが可能である。また、この製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0053】
また、工程S1におけるシリコン酸化膜202の形成は必ずしも1000℃以上の高温を必要としないため、一般的なCMOS製造プロセスで行われる熱酸化膜の形成とは別工程として実施することが可能である。したがって、例えばシリコン基板201の表面の一部領域に一般的なCMOSを形成した後、この製造方法をシリコン基板201の表面の他の領域に適用することが可能である。このように、この歪みシリコン基板の製造方法は応用範囲が広い。
【0054】
例えば、この製造方法により作製された歪みSiGe基板を一般的なCMOSや不揮発性メモリのチャネル部に用いることが可能となる。また、シリコン基板201としてのシリコン基板の表面の一部領域に一般的なSi−MOSFETを形成し、この発明の歪みシリコン基板の製造方法をシリコン基板201の表面の他の領域に適用して歪みSiGe基板とし、そこにMOSFET(歪みSiGe−MOSFET)を形成するような作り分けが可能となる。
【0055】
次に、上述の製造方法によるサンプル試作例を、実際のデータを挙げながら詳しく説明する。
【0056】
まず、酸素雰囲気中900℃にて、シリコン基板((100)結晶面)201に熱酸化膜202を25nmの厚さに形成する(工程S1)。その後、負イオン注入装置を用いて、加速エネルギ10keV、ドーズ量1×1015/cm2という条件にてGeを注入する(工程S2)。
【0057】
ここで、図3は、イオン注入後(熱処理前)のサンプルについて、高分解能ラザフォード後方散乱(High-resolution Rutherford Back Scattering:HRBS)法によって深さ方向の元素分布を測定した結果を示している。図3の横軸は上記シリコン酸化膜表面からの深さ(単位nm)を表し、図3の縦軸は原子濃度比を表している。図3中の黒丸は酸素(O)、黒三角はシリコン(Si)、白丸はゲルマニウム(Ge)を表す。なお、左縦軸はO、Siの濃度比に対応し、右縦軸はGeの濃度比に対応している。この結果により、深さ12nm程度の位置、すなわち、熱酸化膜の厚さ25nmのほぼ中央においてGe濃度が最大となっていることがわかる。
【0058】
その後、本サンプルを分割し、各々500℃、700℃、900℃において、Ar雰囲気中にて1時間の熱処理を行った(工程S3)。
【0059】
図4、図5、図6は、それぞれ500℃、700℃、900℃の温度で熱処理を受けたサンプルについて、HRBS法によって深さ方向の元素分布を測定した結果を示している(それらの図の横軸、縦軸は図3のものと同様に設定されている。)。図4に示す500℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeプロファイルはイオン注入後(熱処理前)のGeプロファイルと比較して、ほとんど変化していない。これに対して、図5に示す700℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeがわずかにはじき出されている。また、図6に示す900℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeは、シリコン基板201と熱酸化膜202との界面から数nm程度(ピーク深さは5nm程度)、シリコン基板201中に入り込んだ領域にはじき出されていることがわかる。
【0060】
また、図7A、図7B、図7Cは、それぞれ500℃、700℃、900℃の熱処理を受けたサンプルについて、透過電子顕微鏡(TEM)で観察して得られた写真を示している。さらに、図8A、図8B、図8Cは、それぞれ図7A、図7B、図7Cに対応して、500℃、700℃、900℃の熱処理を受けたサンプルについての断面構造を模式的に示している。これらの図においては、図2A、図2Bにおけるのと同様に、201はシリコン基板、202はシリコン酸化膜、203はゲルマニウムを表す。
【0061】
図7A及び図8Aに示すように、500℃の熱処理を受けたサンプルでは、Ge203は熱酸化膜202中に微粒子として残留していることがわかる。つまり、Ge原子203は凝縮して、直径数nm程度の微粒子がランダムに配置された状態になっていると考えられる。
【0062】
図7B及び図8Bに示すように、700℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中でGe203が凝集して、その粒径が大きくなっていることがわかる(凝集現象)。このときの微粒子の直径は5nm程度以上にまで成長している。
【0063】
さらに図7C及び図8Cに示すように、900℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中にGe原子203がほぼ残留していないことがわかる。
【0064】
これらの結果は、熱処理によって熱酸化膜202中でGe原子203の拡散が生じると同時にGe原子203の凝縮も生じることを示している。500℃程度の比較的低温では凝縮現象が優位になるのに対し、900℃程度の比較的高温では拡散現象が優位になると考えられる。すなわち、本試作で900℃の熱処理を受けたサンプルは、上記熱酸化膜202中からGe原子203がはじき出されて、シリコン基板201と熱酸化膜202の界面からシリコン基板201中に5nm程度の深さの領域に高濃度に分布(再分布)したと考えられる。
【0065】
これらの結果を踏まえて、製造条件に関して、次のことが言える。
【0066】
i)工程S1で形成されるシリコン酸化膜202の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であるのが望ましい。
【0067】
シリコン酸化膜202の膜厚は5nm以上であれば、工程S2でイオン注入によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中のみに注入することが容易になる。すなわち、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中に分布して留まるように制御することができる。一方、シリコン酸化膜202の膜厚は50nm以下であるから、歪みの要因となるゲルマニウム203の飛程のピークとシリコン基板201との間の距離が比較的近い。したがって、工程S3で熱処理によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン基板201まで比較的短時間で拡散させることができ、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中から十分にはじき出されるようにすることができる。
【0068】
これに対して、シリコン酸化膜202の膜厚が5nmを下回れば、工程S2でイオン注入によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中のみに注入することが困難になる。すなわち、歪みの要因となるゲルマニウム203はシリコン酸化膜202を貫通して飛び越えて、シリコン基板201中に飛程のピークを持つことになる。このとき、シリコン基板201に欠陥が生じる。このため、本発明により作製された歪みシリコン基板上にMOSFETを形成した場合、そのMOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことになる。一方、シリコン酸化膜202の膜厚が50nmを超えれば、歪みの要因となるゲルマニウム203の飛程のピークとシリコン基板201との間の距離が遠くなる。このため、工程S3で熱処理によって歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン基板201まで拡散する時間が長くなる問題や、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中から十分にはじき出されず、シリコン酸化膜202中に残留してしまうという問題が生じる。
【0069】
ii)工程S2におけるゲルマニウム(Ge)のドーズ量は1×1015/cm2以上であるのが望ましい。
【0070】
ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2以上であれば、シリコン酸化膜202の膜厚が5nm以上かつ50nm以下である場合に、工程S3で熱処理によって、シリコン基板201としてのSi基板又はSOI基板の表面部分(歪みSiGe層)のGe濃度(原子濃度比)を容易に10%以上にすることができ、その表面部分に十分な歪みを加えることができる。
【0071】
これに対して、ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2を下回っていれば、工程S3で熱処理によってシリコン基板201としてのSi基板又はSOI基板の表面部分のGe濃度(原子濃度比)を10%以上にすることが困難で、その表面部分に十分な歪みを加えることができない。
【0072】
iii)工程S3における熱処理の温度は800℃以上であるのが望ましい。
【0073】
熱処理の温度は800℃以上であれば、工程S2でシリコン酸化膜202中に注入されたゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中からはじき出されてシリコン基板201中に容易に拡散する。これにより、ゲルマニウム203を要因とした歪みがシリコン基板201に生じる。
【0074】
これに対して、工程S3で熱処理の温度が800℃を下回れば、工程S2でシリコン酸化膜202中に注入されたゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中に微粒子の形態で残留することとなる。このため、シリコン基板201中に拡散するゲルマニウム203の濃度が低くなる。また、本発明により作製された歪みシリコン基板を用いてMOSFETを作製する場合において、シリコン酸化膜202をそのMOSFETの絶縁膜として用いるとき、MOSFETの動作特性にヒステリシス等の悪影響を及ぼすことになる。
【0075】
上述の製造条件i)〜iii)を採用すれば、シリコン基板201と熱酸化膜202との界面からシリコン基板201中に5nm程度入った深さの領域に歪みSiGe層を作製することが可能となる。つまり、シリコン基板201と熱酸化膜202の界面近傍にのみGeを含んだ歪みSiGe層が形成される。したがって、作製されたゲルマニウムを含有する歪みシリコン基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、従来の問題であった歪み緩和バッファ層(SiGeバッファ層)を介したリーク電流が発生しない。
【0076】
(第2実施形態)
一実施形態の歪みシリコン基板の製造方法では、図1中に示した工程S1を実施した後、工程S2と工程S3とをこの順に繰り返し行う。
【0077】
このように工程S2と工程S3とをこの順に繰り返し行うことによって、図2B中のシリコン酸化膜202に歪みの要因となるゲルマニウム203を一時的にストックし、それをシリコン基板201に拡散する処理が繰り返し行われる。したがって、歪みSiGe層中の歪みの要因となるゲルマニウム203の濃度を高くすることが可能である。
【0078】
したがって、この実施形態により作製された歪みシリコン基板上にMOSFETを形成した場合、高移動度の歪みMOSFETが得られる。
【0079】
(第3実施形態)
上記工程S2では、工程S1で形成したシリコン酸化膜202中に歪みの要因となるゲルマニウム203が注入される(図2B参照)。このため、工程S3で800℃以上の高温で熱処理を実施しても、シリコン酸化膜202中歪みの要因となるゲルマニウム203が微かに残留したり、シリコン酸化膜202自身に欠陥等のダメージが残る可能性がある。
【0080】
そこで、この発明の一実施形態の歪みSi−MOSFETの製造方法は、次のようなものである。すなわち、
(1)第1または第2実施形態の製造方法により歪みシリコン基板を作製する。
【0081】
(2)その後、図1中の工程S1で形成したシリコン酸化膜202(図2A参照)を除去して、歪みシリコン基板の表面に新たなシリコン酸化膜(図示せず)を形成する。
【0082】
(3)その新たなシリコン酸化膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを、一般的なMOS製造プロセスにより形成する。
【0083】
これにより、高性能な歪みSi−MOSFETを製造することが可能となる。
【0084】
上述の各実施形態では、本発明を適用する対象、つまり結晶構造を有する半導体基板として、単結晶シリコン基板を用いる場合について説明したが、これに限られるものではない。本発明が適用される結晶構造を有する半導体基板は、ゲルマニウム、化合物半導体、SOI基板でも良い。SOI基板を用いれば、本発明により作製された歪みSOI基板を、より微細なMOSFET形成に用いることができる。
【0085】
また、工程S1で形成される絶縁膜は、シリコン酸化膜202ではなく、例えばシリコン窒化膜であっても良い。その場合も、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0086】
【図1】この発明の一実施形態の歪みSi基板の製造方法の概略工程フローを示す図である。
【図2A】上記歪みSi基板の製造方法を説明する工程断面図である。
【図2B】上記歪みSi基板の製造方法を説明する工程断面図である。
【図3】イオン注入後の深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図4】温度500℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。を示す図である。
【図5】温度700℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図6】温度900℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図7A】温度500℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図7B】温度700℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図7C】温度900℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図8A】温度500℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図8B】温度700℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図8C】温度900℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図9A】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9B】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9C】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9D】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【符号の説明】
【0087】
201 シリコン基板
202 シリコン酸化膜
203 ゲルマニウム
【技術分野】
【0001】
この発明は歪み半導体基板の製造方法に関し、より詳しくは、結晶構造を有する半導体基板に歪みの要因となる元素を導入して歪み半導体基板を作製する製造方法に関する。
【0002】
また、この発明は、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する歪みMOSFETの製造方法に関する。
【背景技術】
【0003】
これまで、超LSI(Ultra-Large Scale Integration Circuit;大規模集積回路)などの用途のために、シリコン(Si)基板上に作製されたMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor、MOS電界効果トランジスタ)(以下「Si−MOSFET」と記す。)の微細化に向けた研究が盛んに行われてきた。最近では、超LSIのさらなる高速化に向けて、高移動度のGaAsを材料とするMOSFETが実用化されている。しかし、SiはGaやAsよりも地球上に豊富に存在し、安価であり、しかも、人体や環境に与える害がないという優れた特長を持つ。そのため、Si基板上に高速なMOSFETを作製できれば、その有用性は大きい。そこで、Siにゲルマニウム(Ge)を混ぜた混晶であるSiGeを次のように利用する方法が考え出された。すなわち、Siよりも原子間距離(格子定数)が大きいSiGeの上にSiを堆積(成長)させると、面内(横)方向と成長(縦)方向で原子間距離の異なるSi層(歪みSi層)が作製される。この歪みSi層では、通常の単結晶Siと比較してバンド構造が変化するため、その中のキャリアは移動度が上がる。この歪みSi層をMOSFETのチャネル(キャリアの通り道)とする歪みSi−MOSFETの実現が期待されている。その他にも、歪みSiGeや歪みGeをチャネルとするMOSFETも高速動作が期待され、研究されている。
【0004】
従来、これら歪みを導入した高速MOSFETをSi基板上に作製する場合、一般的には、まず「歪み緩和SiGeバッファ層」をSi基板上に形成している。すなわち、単結晶Si基板上にエピタキシャル成長法によってSiGeを徐々に堆積させると、初めはSiと同じ格子定数で成長してゆくが、SiGe層が或る膜厚を超えると、SiGeの本来の格子定数に戻る(これを緩和という)。これにより、歪み緩和SiGeバッファ層が形成される。続いて、緩和したSiGe層の上に、Siを成長させて堆積し、Si層を形成する。このSi層は、SiGeと同じ格子定数で成長するので、歪みSi層となる。この歪みSi層を用いてMOSFETを作製すれば、チャネル領域に歪みを導入した歪みSi−MOSFETが得られる。この方法では、MOSFETを作製する工程自体は、単なるSi基板上のMOSFETの場合と何ら変わらないため、実施が容易であるという利点がある。
【0005】
しかしながら、上述の一般的な方法では、十分に歪みが緩和された良質な歪み緩和SiGeバッファ層(SiGe膜)を得るためには、1μm以上の厚さまで膜を堆積する必要がある。このため、高コストとなり、また、SiGe層を介したリーク電流が大きくなるという問題が発生する。
【0006】
そこで、例えば特許文献1(特開2004−363636号公報)に記載されているように、SGOI(SiGe-on-Insulator)と呼ばれる基板、すなわち、SOI(Si-on-Insulator)におけるSiO2上のSi層をSiGeに置き換えたものに相当する基板が提案されている。作製方法としては、非特許文献1(杉山ら(N. Sugiyama et al.)著、「SIMOX技術を用いた、薄く緩和したSiGe/SiO2/Si構造上への歪みシリコン層の形成(Formation of strained-silicon layer on thin relaxed-SiGe/SiO2/Si structure using SIMOX technology)」、シン・ソリッド・フィルムズ(Thin Solid Films)、369巻、2000年7月3日、p.199−202)に記載されているように、Si基板上に傾斜組成SiGeバッファ層を成長してから酸素イオン注入を行い、絶縁層を形成する、いわゆるSIMOX法が提案されている。また、非特許文献2(エイ・アール・パウエルら(A. R. Powell et al.)著、「低変位で緩和したSiGe材料の成長に対する新しいアプローチ(New approach to the growth of low dislocation relaxed SiGe material)」、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Letters)、64巻、14号、1994年、p.1856−1858)に記載されているように、Si層の薄いSOI上にSiGeを成長する方法も提案されている。これらの方法を用いてすでに高移動度の歪みSi−MOSFETが作製されている。
【0007】
例えば非特許文献1に記載の方法では、まず、図9Aに示すように、単結晶Si基板101上に厚さ1μmのSi0.9Ge0.1層を形成する。このとき厚さ800nmの傾斜組成層102が挿入され、表面にはSiのキャップ層103が形成されている。この試料に対し、図9Bに示すように、加速エネルギー180keV、ドーズ量4×1017/cm2で酸素イオン(O+)を注入した後、1350℃で6時間のアニールを行う(これを「SIMOX熱処理」と呼ぶ。)。このSIMOX熱処理によって、図9Cに示すように、厚さ100nm程度の埋め込み酸化膜104が形成される。領域105はSiGe層である。この試料の深さ方向の元素分布を評価した結果によれば、SiGe層105よりも下に埋め込み酸化膜104が形成されているが、この埋め込み酸化膜104中にはGe元素がほとんど含まれていないことが示されている。これは、酸素イオン注入後のアニール時にSiO2が形成される過程で、Ge元素がはじき出されたためである。SiGe結晶中に埋め込み酸化膜が形成された後に、図9Dに示すように、この試料の表面層105を一部エッチング除去し、さらにフッ酸溶液に浸すことにより表面に水素終端処理をした後、厚さ200nm程度のSi0.9Ge0.1バッファ層106及び厚さ20nm程度のSi層107を成長する。
【0008】
上記非特許文献1の方法では、SIMOX熱処理後は埋め込み酸化膜104よりも下の領域102ではGe原子が基板奥深くまで拡散しているのに対し、埋め込み酸化膜104よりも上の領域105では熱処理前のGe濃度が保持され、埋め込み酸化膜中104ではGe原子がほとんど存在しない。つまり、埋め込み酸化膜104を挟んで、Ge濃度に大きな差が生じている。これは、高温下でのGe拡散は非常に速いが、一方で埋め込み酸化膜104がGe拡散に対して障壁として機能しており、SIMOX熱処理時にGeが酸化膜104からはじき出されるからである。
【特許文献1】特開2004−363636号公報
【非特許文献1】杉山直治ら(N. Sugiyama et al.)著、「SIMOX技術を用いた、薄く緩和したSiGe/SiO2/Si構造上への歪みシリコン層の形成(Formation of strained-silicon layer on thin relaxed-SiGe/SiO2/Si structure using SIMOX technology)」、シン・ソリッド・フィルムズ(Thin Solid Films)、369巻、2000年7月3日、p.199−202
【非特許文献2】エイ・アール・パウエルら(A. R. Powell et al.)著、「低変位で緩和したSiGe材料の成長に対する新しいアプローチ(New approach to the growth of low dislocation relaxed SiGe material)」、アプライド・フィジクス・レターズ(Applied Physics Letters)、64巻、14号、1994年、p.1856−1858
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述のように、従来の一般的な方法では、十分に歪みが緩和された良質な歪み緩和SiGeバッファ層(SiGe膜)を得るためには、1μm以上の厚さまで膜を堆積する必要がある。このため、高コストとなり、また、SiGe層を介したリーク電流が大きくなるという問題が発生する。
【0010】
また、特許文献1に記載されたようなSGOI基板は、製造方法が複雑であり、高コストとなるという問題がある。
【0011】
特に、非特許文献1の方法は、複雑であり、高コストとなる。しかも、SiGe層のGe濃度を高くすることが困難である(より高移動度のMOS−FETを得るためには、バンド構造を変化させる要因である歪みを大きくする必要がある。すなわち、Ge原子濃度が高くなくてはならない。しかし、上記方法では原子濃度比数10%程度が限界であると推定される。)。また、SIMOX熱処理で高温(1350℃)のアニールを行うため、良質なSi/SiGe界面を保持することが困難である。また、SiGe層上に形成したSi層とSiGe層の界面の不純物が素子の動作に悪影響を及ぼす、という問題がある。
【0012】
そこで、この発明の課題は、歪み緩和バッファ層を設けることなく、結晶構造を有する半導体基板の表面に歪み半導体層を形成でき、したがって、簡単かつ低コストで歪み半導体基板を作製できる歪み半導体基板の製造方法を提供することにある。
【0013】
また、この発明は、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する歪みMOSFETの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記課題を解決するため、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、
結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する第1工程と、
上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する第2工程と、
上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う第3工程とを有する。
【0015】
この発明の歪み半導体基板の製造方法では、まず第1工程で、結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、次工程で、歪みの要因となる元素を一時的にストックするために形成される。続いて、第2工程で、上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する。この元素は、上記半導体基板中で歪みの要因となる元素である。最後に、第3工程で、上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う。これにより、歪み緩和バッファ層を設けることなく、上記半導体基板の表面部分に歪みをもつ層(これを「歪み半導体層」と呼ぶ。)を形成できる。したがって、簡単かつ低コストで歪み半導体基板を作製できる。
【0016】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法では、上記歪みの要因となる元素をイオン注入法を用いて導入しているため、エピタキシャル成長法を用いる場合と比較して、工程時間が短くなり、さらに低コストになるという利点がある。
【0017】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法により作製された歪み半導体基板では歪み緩和バッファ層が存在しない。したがって、そのような歪み半導体基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、歪み緩和バッファ層を介したリーク電流が発生しない。
【0018】
また、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、超LSIが通常形成されているシリコン基板又はSOI基板に適用することが可能である。また、上記絶縁膜としては、通常用いられている酸化シリコン及び窒化シリコンを用いることが可能である。したがって、この発明の歪み半導体基板の製造方法は、CMOS(相補型MOS)製造プロセスに適用することが可能である。
【0019】
また、第1工程における絶縁膜の形成は必ずしも1000℃以上の高温を必要としないため、一般的なCMOS製造プロセスで行われる熱酸化膜の形成とは別工程として実施することが可能である。したがって、例えば半導体基板の表面の一部領域に一般的なCMOSを形成した後、この発明の歪み半導体基板の製造方法を上記半導体基板の表面の他の領域に適用することが可能である。このように、この発明の歪み半導体基板の製造方法は応用範囲が広い。
【0020】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことを特徴とする。
【0021】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことによって、上記絶縁膜に上記歪みの要因となる元素を一時的にストックし、それを上記半導体基板に拡散する処理が繰り返し行われる。したがって、上記歪み半導体層中の上記歪みの要因となる元素の濃度を高くすることが可能である。したがって、高移動度のMOS−FETの形成が容易となる。
【0022】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、
上記半導体基板はシリコン基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0023】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、半導体基板として、超LSIが通常形成されているシリコン(Si)基板を用いている。したがって、本発明により作製された歪みSiGe基板を一般的なCMOSや不揮発性メモリのチャネル部に用いることが可能となる。また、半導体基板としてのシリコン基板の表面の一部領域に一般的なSi−MOSFETを形成し、この発明の歪み半導体基板の製造方法を上記半導体基板の表面の他の領域に適用して歪みSiGe基板とし、そこにMOSFET(歪みSi−MOSFET)を形成するような作り分けが可能となる。また、上記絶縁膜としてのシリコン酸化膜またはシリコン窒化物は、一般的なCMOSプロセスで用いられている。したがって、この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0024】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、
上記半導体基板はSOI基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【0025】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、半導体基板としてSOI基板を用いている。したがって、本発明により作製された歪みSiGe基板をより微細なMOSFET形成に用いることが可能となる。また、上記絶縁膜としてのシリコン酸化膜またはシリコン窒化物は、一般的なCMOSプロセスで用いられている。したがって、この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0026】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であることを特徴とする。
【0027】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記絶縁膜の膜厚は5nm以上であるから、上記第2工程でイオン注入によって上記歪みの要因となる元素を上記絶縁膜中のみに注入することが容易になる。すなわち、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中に分布して留まるように制御することができる。一方、上記絶縁膜の膜厚は50nm以下であるから、上記歪みの要因となる元素の飛程のピークと上記半導体基板との間の距離が比較的近い。したがって、上記第3工程で熱処理によって上記歪みの要因となる元素を上記半導体基板まで比較的短時間で拡散させることができ、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中から十分にはじき出されるようにすることができる。
【0028】
これに対して、上記絶縁膜の膜厚が5nmを下回れば、上記第2工程でイオン注入によって上記歪みの要因となる元素を上記絶縁膜中のみに注入することが困難になる。すなわち、上記歪みの要因となる元素は上記絶縁膜を貫通して飛び越えて、上記半導体基板中に飛程のピークを持つことになる。このとき、上記半導体基板に欠陥が生じる。このため、本発明により作製された歪み半導体基板上にMOSFETを形成した場合、そのMOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことになる。一方、上記絶縁膜の膜厚が50nmを超えれば、上記歪みの要因となる元素の飛程のピークと上記半導体基板との間の距離が遠くなる。このため、上記第3工程で熱処理によって上記歪みの要因となる元素が上記半導体基板まで拡散する時間が長くなる問題や、上記歪みの要因となる元素が上記絶縁膜中から十分にはじき出されず、上記絶縁膜中に残留してしまうという問題が生じる。
【0029】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第2工程で、上記元素としてゲルマニウムを、負イオン注入法によって注入することを特徴とする。
【0030】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板に、上記歪みの要因となる元素としてゲルマニウム(Ge)を導入する。したがって、それらのSi基板又はSOI基板の表面部分に容易に歪みを加えることができ、その表面部分のバンド構造を変化させてその表面部分(歪みSiGe層)のキャリアの移動度をより高くすることができる。したがって、本発明により作製された歪み半導体基板上にMOSFETを形成した場合、高移動度の歪みSiGe−MOSFETが得られる。また、負イオン注入法によれば、負イオンが絶縁膜に入射するとき二次電子を発生させることがない。したがって、上記第2工程で、上記絶縁膜をチャージアップさせることなく、Geを注入することが可能となる。従って、作製された歪みSiGe−MOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことがない。
【0031】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記ゲルマニウムのドーズ量は1×1015/cm2以上であることを特徴とする。
【0032】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記ゲルマニウム(Ge)のドーズ量は1×1015/cm2以上である。したがって、例えば上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下である場合に、上記第3工程で熱処理によって、上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板の表面部分(歪みSiGe層)のGe濃度(原子濃度比)を容易に10%以上にすることができ、その表面部分に十分な歪みを加えることができる。
【0033】
これに対して、上記ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2を下回っていれば、上記第3工程で熱処理によって上記半導体基板としてのSi基板又はSOI基板の表面部分のGe濃度(原子濃度比)を10%以上にすることが困難で、その表面部分に十分な歪みを加えることができない。
【0034】
一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であることを特徴とする。
【0035】
この一実施形態の歪み半導体基板の製造方法では、上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であるから、上記第2工程で上記絶縁膜中に注入された上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に容易に拡散する。これにより、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じる。
【0036】
これに対して、上記第3工程で上記熱処理の温度が800℃を下回れば、上記第2工程で上記絶縁膜中に注入された上記元素が上記絶縁膜中に微粒子の形態で残留することとなる。このため、上記半導体基板中に拡散する上記元素の濃度が低くなる。また、本発明により作製された歪み半導体基板を用いてMOSFETを作製する場合において、上記絶縁膜をそのMOSFETの絶縁膜として用いるとき、MOSFETの動作特性にヒステリシス等の悪影響を及ぼすことになる。
【0037】
この発明の歪みMOSFETの製造方法は、
上記歪み半導体基板の製造方法を実施した後、
上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、
上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成することを特徴とする。
【0038】
上記第2工程では、上記第1工程で形成した絶縁膜中に上記歪みの要因となる元素が注入される。このため、上記第3工程で800℃以上の高温で熱処理を実施しても、上記絶縁膜中上記歪みの要因となる元素が微かに残留したり、上記絶縁膜自身に欠陥等のダメージが残る可能性がある。そこで、この発明の歪みMOSFETの製造方法では、上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成する。これにより、高性能な歪み半導体−MOSFETを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0039】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0040】
なお、以下の各実施形態では、本発明を適用する対象、つまり結晶構造を有する半導体基板として、単結晶シリコン基板を用いる場合について説明する。
【0041】
(第1実施形態)
図1は、一実施形態の歪みSiGe基板の製造方法の概略工程フローを示している。この工程フローを、図2A、図2Bの工程断面図を参照しながら、次に説明する。
【0042】
(1)まず、図2Aに示すように、結晶構造を有する半導体基板としての単結晶シリコン基板201の表面に、絶縁膜としてのシリコン酸化膜202を形成する(図1中の工程S1)。
【0043】
このシリコン酸化膜202は、次工程で、歪みの要因となるゲルマニウム203を一時的にストックするために形成される。
【0044】
(2)次に、図2Bに示すように、シリコン基板201の材料とは格子定数が異なる元素であるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中にイオン注入する(図1中の工程S2)。
【0045】
このゲルマニウム203は、シリコン基板201中で歪みの要因となる元素である。
【0046】
ここで、イオン注入を負イオン注入法により行えば、負イオンが絶縁膜に入射するとき二次電子を発生させることがない。したがって、シリコン酸化膜202をチャージアップさせることなく、Geを注入することが可能となる。この結果、この製造方法により作製された歪みシリコン基板を用いて歪みSiGe−MOSFETを作製した場合、歪みSiGe−MOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことがない。
【0047】
また、この製造方法では、歪みの要因となるゲルマニウム203をイオン注入法を用いて導入しているため、エピタキシャル成長法を用いる場合と比較して、工程時間が短くなり、低コストになるという利点がある。
【0048】
(3)次に、ゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中からはじき出されてシリコン基板201中に拡散して、ゲルマニウム203を要因とした歪みがシリコン基板201に生じるように熱処理を行う(図1中の工程S3)。
【0049】
このようにした場合、シリコン基板201の表面部分に、歪みの要因となるゲルマニウム(Ge)203が導入されて、シリコン基板201の表面部分に容易に歪みを加えることができる。これにより、シリコン基板201の表面部分のバンド構造を変化させてその表面部分(歪みSiGe層)のキャリアの移動度をより高くすることができる。
【0050】
これにより、歪み緩和バッファ層を設けることなく、シリコン基板201の表面部分に歪みをもつ層(これを「歪みSiGe層」と呼ぶ。)を形成できる。したがって、簡単かつ低コストでゲルマニウムを含有する歪みシリコン基板を作製できる。
【0051】
また、この製造方法により作製された歪みシリコン基板では歪み緩和バッファ層が存在しない。したがって、そのような歪みシリコン基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、歪み緩和バッファ層を介したリーク電流が発生しない。
【0052】
また、この製造方法は、超LSIが通常形成されている単結晶シリコン基板201を対象としている。また、絶縁膜としては、通常用いられているシリコン酸化膜202を用いている。したがって、この歪みシリコン基板の製造方法は、CMOS(相補型MOS)製造プロセスに適用することが可能である。また、この製造方法では、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【0053】
また、工程S1におけるシリコン酸化膜202の形成は必ずしも1000℃以上の高温を必要としないため、一般的なCMOS製造プロセスで行われる熱酸化膜の形成とは別工程として実施することが可能である。したがって、例えばシリコン基板201の表面の一部領域に一般的なCMOSを形成した後、この製造方法をシリコン基板201の表面の他の領域に適用することが可能である。このように、この歪みシリコン基板の製造方法は応用範囲が広い。
【0054】
例えば、この製造方法により作製された歪みSiGe基板を一般的なCMOSや不揮発性メモリのチャネル部に用いることが可能となる。また、シリコン基板201としてのシリコン基板の表面の一部領域に一般的なSi−MOSFETを形成し、この発明の歪みシリコン基板の製造方法をシリコン基板201の表面の他の領域に適用して歪みSiGe基板とし、そこにMOSFET(歪みSiGe−MOSFET)を形成するような作り分けが可能となる。
【0055】
次に、上述の製造方法によるサンプル試作例を、実際のデータを挙げながら詳しく説明する。
【0056】
まず、酸素雰囲気中900℃にて、シリコン基板((100)結晶面)201に熱酸化膜202を25nmの厚さに形成する(工程S1)。その後、負イオン注入装置を用いて、加速エネルギ10keV、ドーズ量1×1015/cm2という条件にてGeを注入する(工程S2)。
【0057】
ここで、図3は、イオン注入後(熱処理前)のサンプルについて、高分解能ラザフォード後方散乱(High-resolution Rutherford Back Scattering:HRBS)法によって深さ方向の元素分布を測定した結果を示している。図3の横軸は上記シリコン酸化膜表面からの深さ(単位nm)を表し、図3の縦軸は原子濃度比を表している。図3中の黒丸は酸素(O)、黒三角はシリコン(Si)、白丸はゲルマニウム(Ge)を表す。なお、左縦軸はO、Siの濃度比に対応し、右縦軸はGeの濃度比に対応している。この結果により、深さ12nm程度の位置、すなわち、熱酸化膜の厚さ25nmのほぼ中央においてGe濃度が最大となっていることがわかる。
【0058】
その後、本サンプルを分割し、各々500℃、700℃、900℃において、Ar雰囲気中にて1時間の熱処理を行った(工程S3)。
【0059】
図4、図5、図6は、それぞれ500℃、700℃、900℃の温度で熱処理を受けたサンプルについて、HRBS法によって深さ方向の元素分布を測定した結果を示している(それらの図の横軸、縦軸は図3のものと同様に設定されている。)。図4に示す500℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeプロファイルはイオン注入後(熱処理前)のGeプロファイルと比較して、ほとんど変化していない。これに対して、図5に示す700℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeがわずかにはじき出されている。また、図6に示す900℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中のGeは、シリコン基板201と熱酸化膜202との界面から数nm程度(ピーク深さは5nm程度)、シリコン基板201中に入り込んだ領域にはじき出されていることがわかる。
【0060】
また、図7A、図7B、図7Cは、それぞれ500℃、700℃、900℃の熱処理を受けたサンプルについて、透過電子顕微鏡(TEM)で観察して得られた写真を示している。さらに、図8A、図8B、図8Cは、それぞれ図7A、図7B、図7Cに対応して、500℃、700℃、900℃の熱処理を受けたサンプルについての断面構造を模式的に示している。これらの図においては、図2A、図2Bにおけるのと同様に、201はシリコン基板、202はシリコン酸化膜、203はゲルマニウムを表す。
【0061】
図7A及び図8Aに示すように、500℃の熱処理を受けたサンプルでは、Ge203は熱酸化膜202中に微粒子として残留していることがわかる。つまり、Ge原子203は凝縮して、直径数nm程度の微粒子がランダムに配置された状態になっていると考えられる。
【0062】
図7B及び図8Bに示すように、700℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中でGe203が凝集して、その粒径が大きくなっていることがわかる(凝集現象)。このときの微粒子の直径は5nm程度以上にまで成長している。
【0063】
さらに図7C及び図8Cに示すように、900℃の熱処理を受けたサンプルでは、熱酸化膜202中にGe原子203がほぼ残留していないことがわかる。
【0064】
これらの結果は、熱処理によって熱酸化膜202中でGe原子203の拡散が生じると同時にGe原子203の凝縮も生じることを示している。500℃程度の比較的低温では凝縮現象が優位になるのに対し、900℃程度の比較的高温では拡散現象が優位になると考えられる。すなわち、本試作で900℃の熱処理を受けたサンプルは、上記熱酸化膜202中からGe原子203がはじき出されて、シリコン基板201と熱酸化膜202の界面からシリコン基板201中に5nm程度の深さの領域に高濃度に分布(再分布)したと考えられる。
【0065】
これらの結果を踏まえて、製造条件に関して、次のことが言える。
【0066】
i)工程S1で形成されるシリコン酸化膜202の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であるのが望ましい。
【0067】
シリコン酸化膜202の膜厚は5nm以上であれば、工程S2でイオン注入によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中のみに注入することが容易になる。すなわち、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中に分布して留まるように制御することができる。一方、シリコン酸化膜202の膜厚は50nm以下であるから、歪みの要因となるゲルマニウム203の飛程のピークとシリコン基板201との間の距離が比較的近い。したがって、工程S3で熱処理によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン基板201まで比較的短時間で拡散させることができ、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中から十分にはじき出されるようにすることができる。
【0068】
これに対して、シリコン酸化膜202の膜厚が5nmを下回れば、工程S2でイオン注入によって歪みの要因となるゲルマニウム203をシリコン酸化膜202中のみに注入することが困難になる。すなわち、歪みの要因となるゲルマニウム203はシリコン酸化膜202を貫通して飛び越えて、シリコン基板201中に飛程のピークを持つことになる。このとき、シリコン基板201に欠陥が生じる。このため、本発明により作製された歪みシリコン基板上にMOSFETを形成した場合、そのMOSFETの動作特性に悪影響を及ぼすことになる。一方、シリコン酸化膜202の膜厚が50nmを超えれば、歪みの要因となるゲルマニウム203の飛程のピークとシリコン基板201との間の距離が遠くなる。このため、工程S3で熱処理によって歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン基板201まで拡散する時間が長くなる問題や、歪みの要因となるゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中から十分にはじき出されず、シリコン酸化膜202中に残留してしまうという問題が生じる。
【0069】
ii)工程S2におけるゲルマニウム(Ge)のドーズ量は1×1015/cm2以上であるのが望ましい。
【0070】
ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2以上であれば、シリコン酸化膜202の膜厚が5nm以上かつ50nm以下である場合に、工程S3で熱処理によって、シリコン基板201としてのSi基板又はSOI基板の表面部分(歪みSiGe層)のGe濃度(原子濃度比)を容易に10%以上にすることができ、その表面部分に十分な歪みを加えることができる。
【0071】
これに対して、ゲルマニウム(Ge)のドーズ量が1×1015/cm2を下回っていれば、工程S3で熱処理によってシリコン基板201としてのSi基板又はSOI基板の表面部分のGe濃度(原子濃度比)を10%以上にすることが困難で、その表面部分に十分な歪みを加えることができない。
【0072】
iii)工程S3における熱処理の温度は800℃以上であるのが望ましい。
【0073】
熱処理の温度は800℃以上であれば、工程S2でシリコン酸化膜202中に注入されたゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中からはじき出されてシリコン基板201中に容易に拡散する。これにより、ゲルマニウム203を要因とした歪みがシリコン基板201に生じる。
【0074】
これに対して、工程S3で熱処理の温度が800℃を下回れば、工程S2でシリコン酸化膜202中に注入されたゲルマニウム203がシリコン酸化膜202中に微粒子の形態で残留することとなる。このため、シリコン基板201中に拡散するゲルマニウム203の濃度が低くなる。また、本発明により作製された歪みシリコン基板を用いてMOSFETを作製する場合において、シリコン酸化膜202をそのMOSFETの絶縁膜として用いるとき、MOSFETの動作特性にヒステリシス等の悪影響を及ぼすことになる。
【0075】
上述の製造条件i)〜iii)を採用すれば、シリコン基板201と熱酸化膜202との界面からシリコン基板201中に5nm程度入った深さの領域に歪みSiGe層を作製することが可能となる。つまり、シリコン基板201と熱酸化膜202の界面近傍にのみGeを含んだ歪みSiGe層が形成される。したがって、作製されたゲルマニウムを含有する歪みシリコン基板を用いてMOSFET(歪みSiGe−MOSFETなど)を作製する場合、従来の問題であった歪み緩和バッファ層(SiGeバッファ層)を介したリーク電流が発生しない。
【0076】
(第2実施形態)
一実施形態の歪みシリコン基板の製造方法では、図1中に示した工程S1を実施した後、工程S2と工程S3とをこの順に繰り返し行う。
【0077】
このように工程S2と工程S3とをこの順に繰り返し行うことによって、図2B中のシリコン酸化膜202に歪みの要因となるゲルマニウム203を一時的にストックし、それをシリコン基板201に拡散する処理が繰り返し行われる。したがって、歪みSiGe層中の歪みの要因となるゲルマニウム203の濃度を高くすることが可能である。
【0078】
したがって、この実施形態により作製された歪みシリコン基板上にMOSFETを形成した場合、高移動度の歪みMOSFETが得られる。
【0079】
(第3実施形態)
上記工程S2では、工程S1で形成したシリコン酸化膜202中に歪みの要因となるゲルマニウム203が注入される(図2B参照)。このため、工程S3で800℃以上の高温で熱処理を実施しても、シリコン酸化膜202中歪みの要因となるゲルマニウム203が微かに残留したり、シリコン酸化膜202自身に欠陥等のダメージが残る可能性がある。
【0080】
そこで、この発明の一実施形態の歪みSi−MOSFETの製造方法は、次のようなものである。すなわち、
(1)第1または第2実施形態の製造方法により歪みシリコン基板を作製する。
【0081】
(2)その後、図1中の工程S1で形成したシリコン酸化膜202(図2A参照)を除去して、歪みシリコン基板の表面に新たなシリコン酸化膜(図示せず)を形成する。
【0082】
(3)その新たなシリコン酸化膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを、一般的なMOS製造プロセスにより形成する。
【0083】
これにより、高性能な歪みSi−MOSFETを製造することが可能となる。
【0084】
上述の各実施形態では、本発明を適用する対象、つまり結晶構造を有する半導体基板として、単結晶シリコン基板を用いる場合について説明したが、これに限られるものではない。本発明が適用される結晶構造を有する半導体基板は、ゲルマニウム、化合物半導体、SOI基板でも良い。SOI基板を用いれば、本発明により作製された歪みSOI基板を、より微細なMOSFET形成に用いることができる。
【0085】
また、工程S1で形成される絶縁膜は、シリコン酸化膜202ではなく、例えばシリコン窒化膜であっても良い。その場合も、新たな設備やプロセスを必要とせず、製造コストを安く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0086】
【図1】この発明の一実施形態の歪みSi基板の製造方法の概略工程フローを示す図である。
【図2A】上記歪みSi基板の製造方法を説明する工程断面図である。
【図2B】上記歪みSi基板の製造方法を説明する工程断面図である。
【図3】イオン注入後の深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図4】温度500℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。を示す図である。
【図5】温度700℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図6】温度900℃での熱処理後のサンプルの深さ方向の元素濃度分布を示す図である。
【図7A】温度500℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図7B】温度700℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図7C】温度900℃での熱処理後のサンプルのTEMによる観察写真を示す図である。
【図8A】温度500℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図8B】温度700℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図8C】温度900℃での熱処理後のサンプルの断面構造を模式的に示す図である。
【図9A】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9B】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9C】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【図9D】従来の歪みSi基板の製造方法による工程断面図である。
【符号の説明】
【0087】
201 シリコン基板
202 シリコン酸化膜
203 ゲルマニウム
【特許請求の範囲】
【請求項1】
結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する第1工程と、
上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する第2工程と、
上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う第3工程とを有する歪み半導体基板の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記半導体基板はシリコン基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項4】
請求項1または2に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記半導体基板はSOI基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項5】
請求項3または4に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項6】
請求項3または4に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第2工程で、上記元素としてゲルマニウムを、負イオン注入法によって注入することを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項7】
請求項6に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記ゲルマニウムのドーズ量は1×1015/cm2以上であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項9】
請求項1乃至8のいずれか一つに記載の歪み半導体基板の製造方法を実施した後、
上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、
上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成することを特徴とする歪みMOSFETの製造方法。
【請求項1】
結晶構造を有する半導体基板の表面に絶縁膜を形成する第1工程と、
上記半導体基板の材料とは格子定数が異なる元素を上記絶縁膜中にイオン注入する第2工程と、
上記元素が上記絶縁膜中からはじき出されて上記半導体基板中に拡散して、上記元素を要因とした歪みが上記半導体基板に生じるように熱処理を行う第3工程とを有する歪み半導体基板の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第2工程と第3工程とをこの順に繰り返し行うことを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項3】
請求項1または2に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記半導体基板はシリコン基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項4】
請求項1または2に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記半導体基板はSOI基板であり、
上記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項5】
請求項3または4に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記絶縁膜の膜厚は5nm以上かつ50nm以下であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項6】
請求項3または4に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第2工程で、上記元素としてゲルマニウムを、負イオン注入法によって注入することを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項7】
請求項6に記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記ゲルマニウムのドーズ量は1×1015/cm2以上であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の歪み半導体基板の製造方法において、
上記第3工程で上記熱処理の温度は800℃以上であることを特徴とする歪み半導体基板の製造方法。
【請求項9】
請求項1乃至8のいずれか一つに記載の歪み半導体基板の製造方法を実施した後、
上記第1工程で形成した絶縁膜を除去して、上記歪み半導体基板の表面に新たな絶縁膜を形成し、
上記新たな絶縁膜をゲート絶縁膜として含むMOSFETを形成することを特徴とする歪みMOSFETの製造方法。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【公開番号】特開2008−159672(P2008−159672A)
【公開日】平成20年7月10日(2008.7.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−344204(P2006−344204)
【出願日】平成18年12月21日(2006.12.21)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年7月10日(2008.7.10)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年12月21日(2006.12.21)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】
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