JP2000269476A - Semiconductor crystal, manufacturing method thereof, and semiconductor device - Google Patents
Semiconductor crystal, manufacturing method thereof, and semiconductor deviceInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 SiGeC層における熱処理に伴う結晶構造
の劣化を抑制しうる構造を実現する。
【解決手段】 離散した量子化準位が生じない程度に薄
い,数原子層程度の厚みのSi1-x Gex 層(0<x<
1)と、Si1-y Cy 層(0<y<1)とを交互に多層
に積層し、単一のSiGeC層として機能しうるSi
1-x Gex /Si1- y Cy 短周期超格子体を形成する。
これにより、Ge−C結合を排除し、結晶性が良好であ
りかつ熱的にも安定なSiGeC−3元混晶体を得る。
Si1-x Ge x /Si1-y Cy 短周期超格子体の形成方
法としては、Si1-x Gex 層とSi 1-y Cy 層とを交
互にエピタキシャル成長させる方法と、Si/Si1-x
Gex短周期超格子体を形成した後、Cのイオン注入を
行ない、さらに熱処理によってC原子をSi層に移動さ
せる方法とがある。
(57) [Summary]
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal structure accompanying a heat treatment in a SiGeC layer.
And a structure capable of suppressing the deterioration of the semiconductor device.
SOLUTION: It is so thin that discrete quantization levels do not occur.
A few atomic layers of Si1-x Gex Layer (0 <x <
1) and Si1-y Cy Layers (0 <y <1) alternately
That can function as a single SiGeC layer
1-x Gex / Si1- y Cy Form a short-period superlattice.
This eliminates the Ge—C bond and provides good crystallinity.
And a thermally stable SiGeC ternary mixed crystal is obtained.
Si1-x Ge x / Si1-y Cy How to form short-period superlattices
As a method, Si1-x Gex Layer and Si 1-y Cy Interchange with layers
A method of epitaxial growth with each other and Si / Si1-x
GexAfter forming a short-period superlattice, C ion implantation is performed.
C atoms are transferred to the Si layer by heat treatment.
There is a way to make it.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、IV族元素混晶半導
体,その製造方法及びこれを利用した半導体装置に関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a group IV element mixed crystal semiconductor, a method of manufacturing the same, and a semiconductor device using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、Si基板上にヘテロ接合を利用し
た半導体デバイスを形成することにより、従来のホモ接
合型のSiデバイスよりも高速で動作するデバイスを作
製する試みがなされている。ヘテロ接合を形成する材料
としては、Siと同じIV族元素であるGe,Cを用いた
混晶半導体であるSiGeやSiGeCが有望と考えら
れている。2. Description of the Related Art In recent years, attempts have been made to fabricate a device that operates at a higher speed than a conventional homojunction type Si device by forming a semiconductor device using a heterojunction on a Si substrate. As a material for forming a heterojunction, SiGe or SiGeC, which is a mixed crystal semiconductor using Ge and C, which are the same group IV elements as Si, is considered to be promising.
【0003】特に3種類の元素からなるSiGeC混晶
半導体は、3種類の元素の組成比を変えることにより、
バンドギャップと格子定数とを互いに独立に制御するこ
とが可能であることから、デバイス設計の自由度が高
く、Siとの格子整合も可能であるなどの理由により大
変注目されている。例えば、特開平10−116919
号公報に開示されるように、Si層とSiGeC層との
ヘテロ界面に生じる伝導帯不連続を利用して、界面に形
成される2次元電子ガスをキャリアとして用いることに
より、従来のSiデバイスよりも高速動作可能な電界効
果型トランジスタが可能といわれている。[0003] In particular, a SiGeC mixed crystal semiconductor composed of three types of elements can be obtained by changing the composition ratio of the three types of elements.
Since it is possible to control the band gap and the lattice constant independently of each other, attention has been paid to the reason that the degree of freedom in device design is high and lattice matching with Si is also possible. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-116919
As disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 2002-157, the two-dimensional electron gas formed at the interface is used as a carrier by utilizing the conduction band discontinuity generated at the hetero interface between the Si layer and the SiGeC layer. It is also said that a high-speed field-effect transistor is possible.
【0004】そして、現在、SiGeC混晶の作製に
は、SiGe層のエピタキシャル成長中にCの原料ガス
を添加する方法や、SiGe層にイオン注入を行なうこ
とにより、Cを添加する方法が用いられている。At present, a method of adding a C source gas during epitaxial growth of a SiGe layer or a method of adding C by performing ion implantation into the SiGe layer are used for producing a SiGeC mixed crystal. I have.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
Applied Physics Letters 第65巻(1994)2559頁に記載
されているように、SiGe層へのCの添加には固溶限
界が存在し、約4%程度以上のC原子を添加することに
より結晶性が著しく劣化し非晶質化することが知られて
いる。また、本発明者達の実験によると、SiGeC層
を種々の温度で熱処理(アニール)すると、結晶性が劣
化することがわかった。特に、C濃度を増加させるにつ
れて、結晶性の劣化が顕著になる傾向がみられた。However, for example,
As described in Applied Physics Letters, Vol. 65 (1994), p. 2559, the addition of C to the SiGe layer has a solid solution limit, and the crystallinity is increased by adding about 4% or more of C atoms. Is known to deteriorate significantly and become amorphous. Further, according to experiments performed by the present inventors, it has been found that heat treatment (annealing) of the SiGeC layer at various temperatures deteriorates crystallinity. In particular, there was a tendency that as the C concentration was increased, the deterioration of crystallinity became remarkable.
【0006】図8は、本発明者達の実験によるデータで
あって、SiGe0.31C0.0012結晶層を種々の温度で熱
処理(アニール)した試料のX線回折スペクトルの変化
を示す図である。同図に示すように、800℃以下の温
度で熱処理された試料の回折ピークの位置はas-grownの
試料の回折ピークの位置とほとんど変わらない。しか
し、900℃で熱処理された試料の回折ピークの位置は
as-grownの試料の回折ピークの位置から少しシフトし始
めている。そして、950℃以上の温度で熱処理された
試料の回折ピークの位置は、as-grownの試料の回折ピー
クの位置から大きくずれ始める。また、1000℃以上
の温度で熱処理された試料の回折ピークは半値幅が大き
くなるとともに、as-grownで観測されているフリンジが
ほとんど消失している。この実験データからみると、温
度が約950℃以上の熱処理を行なうと、SiGe0.31
C0.0012結晶層の結晶性が悪化していることがわかる。FIG. 8 is a diagram showing data obtained from experiments conducted by the present inventors, showing changes in the X-ray diffraction spectrum of a sample obtained by heat-treating (annealing) a SiGe 0.31 C 0.0012 crystal layer at various temperatures. As shown in the figure, the position of the diffraction peak of the sample heat-treated at a temperature of 800 ° C. or less is almost the same as the position of the diffraction peak of the as-grown sample. However, the position of the diffraction peak of the sample heat-treated at 900 ° C is
It starts to shift slightly from the position of the diffraction peak of the as-grown sample. Then, the position of the diffraction peak of the sample that has been heat-treated at a temperature of 950 ° C. or more starts to shift greatly from the position of the diffraction peak of the as-grown sample. In addition, the diffraction peak of the sample heat-treated at a temperature of 1000 ° C. or more has a large half-value width, and the fringe observed by as-grown has almost disappeared. According to the experimental data, when the heat treatment at a temperature of about 950 ° C. or more is performed, SiGe 0.31
It can be seen that the crystallinity of the C 0.0012 crystal layer has deteriorated.
【0007】そこで、本発明者達は、このようなSiG
eC結晶層の結晶性劣化の原因を究明するための実験を
進め、SiGeC結晶層の熱処理による劣化は、主とし
て、混晶中のSi−C結合に比較してGe−C結合が著
しく不安定であることに起因することを見出した。Therefore, the present inventors have developed such a SiG.
An experiment was conducted to determine the cause of the crystallinity degradation of the eC crystal layer. The degradation of the SiGeC crystal layer due to the heat treatment was mainly due to the fact that the Ge—C bond was significantly unstable compared to the Si—C bond in the mixed crystal. I found that it was due to something.
【0008】図7(a),(b)は、Ge基板上にGe
0.98C0.02結晶層を、Si基板上にSi0.98C0.02結晶
層をそれぞれ成長させた試料に熱処理を加えたときのX
線回折スペクトルの変化を示す図である。ただし、Ge
0.98C0.02結晶層はGe基板へのCのイオン注入及び熱
処理により形成され、Si0.98C0.02結晶層はSi及び
Cの原料となるガスを用いてSi基板上にエピタキシャ
ル成長されている。FIGS. 7A and 7B show Ge on a Ge substrate.
When a 0.98 C 0.02 crystal layer is subjected to heat treatment to a sample obtained by growing a Si 0.98 C 0.02 crystal layer on a Si substrate,
It is a figure showing a change of a line diffraction spectrum. However, Ge
The 0.98 C 0.02 crystal layer is formed by ion implantation of C into the Ge substrate and heat treatment, and the Si 0.98 C 0.02 crystal layer is epitaxially grown on the Si substrate using a gas serving as a raw material of Si and C.
【0009】図7(a)に示すように、Ge基板上のG
e0.98C0.02結晶層の場合、475〜550℃の温度で
熱処理された試料からの回折ピ−クはほぼ同じ位置に観
測されているが、温度450℃以下の温度で熱処理され
た試料からの回折ピ−クは観測されていない。一方、6
00℃以上の温度で熱処理されたGe0.98C0.02結晶層
の回折ピーク位置がシフトし、特に、700℃以上の温
度で熱処理されたGe 0.98C0.02結晶層からのピークは
消失している。この結果は、600℃以上の温度で熱処
理を受けるとGeC結晶が何らかの変化を生じているこ
とを示し、特に、Ge−C結合が解離することを示して
いる。[0009] As shown in FIG.
e0.98C0.02In the case of a crystalline layer, at a temperature of 475-550 ° C
The diffraction peaks from the heat-treated sample are observed at almost the same position.
Measured at a temperature below 450 ° C.
No diffraction peak from the sample was observed. On the other hand, 6
Ge heat treated at a temperature of 00 ° C or higher0.98C0.02Crystal layer
The diffraction peak position shifts,
Ge heat treated 0.98C0.02The peak from the crystal layer is
Has disappeared. This result was obtained by heat treatment at a temperature of 600 ° C or higher.
That the GeC crystal has undergone some change
In particular, it shows that the Ge—C bond is dissociated.
I have.
【0010】一方、図7(b)に示すように、Si基板
上のSi0.98C0.02結晶層の場合、1000℃までの熱
処理においてSi0.98C0.02結晶層からの回折ピークが
明確に観測されている。On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the case of the Si 0.98 C 0.02 crystal layer on the Si substrate, the diffraction peak from the Si 0.98 C 0.02 crystal layer is clearly observed in the heat treatment up to 1000 ° C. I have.
【0011】以上の結果を総合すると、SiGeC結晶
においてはGe−C結合の不安定性が結晶劣化の原因の
1つであり、Ge−C結合の形成を抑制することが結晶
性向上のカギを握っているといえる。When the above results are combined, instability of the Ge—C bond is one of the causes of crystal deterioration in the SiGeC crystal, and suppressing the formation of the Ge—C bond is the key to improving the crystallinity. It can be said that.
【0012】本発明の目的は、SiGeC層の不安定性
の原因に着目し、Ge−C結合を含まずにSiGeC結
晶層とみなしうる短周期超格子層を形成することによ
り、結晶性が良好で、かつ、熱的にも安定なSiGeC
−3元混晶体,その製造方法及びSiGeC−3元混晶
体を利用した半導体装置を提供することにある。An object of the present invention is to focus on the cause of the instability of the SiGeC layer, and to form a short-period superlattice layer that can be regarded as a SiGeC crystal layer without including a Ge—C bond, thereby achieving good crystallinity. , And thermally stable SiGeC
It is an object of the present invention to provide a ternary mixed crystal, a manufacturing method thereof, and a semiconductor device using a SiGeC ternary mixed crystal.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体結晶は、
SiとGeとを主成分とするSi1-x Gex 層(0<x
<1)と、SiとCとを主成分とするSi1-y Cy 層
(0<y<1)とを2周期以上交互に積層したSi1-x
Gex /Si1-y Cy 超格子体構造を有し、上記Si
1-x Gex /Si1-y Cy 超格子体は、単一のSiGe
C層として機能するものである。According to the present invention, there is provided a semiconductor crystal comprising:
Si 1-x Ge x layer containing Si and Ge as main components (0 <x
<1) and, Si and Si 1-y as a main component and C C y layer (0 <y <1) and was laminated alternately two periods or more Si 1-x
Having a Ge x / Si 1-y C y superlattice structure,
The 1-x Ge x / Si 1-y C y superlattice is a single SiGe
It functions as a C layer.
【0014】これにより、Ge−C結合をほとんど含ま
ずにSiGeC層として機能するSi1-x Gex /Si
1-y Cy 超格子体構造が得られるので、熱処理を受けて
も良好な結晶性を安定して維持しうる,SiGeC層と
同等の機能を有する半導体結晶が得られる。Thus, the Si 1-x Ge x / Si functioning as a SiGeC layer with almost no Ge—C bond
Since a 1-y C y superlattice structure is obtained, a semiconductor crystal having a function equivalent to that of a SiGeC layer that can stably maintain good crystallinity even when subjected to heat treatment is obtained.
【0015】上記Si1-x Gex /Si1-y Cy 超格子
体中のSi1-x Gex 層とSi1-yCy 層とが、離散し
た量子化準位が生じる厚みよりも薄いことにより、より
確実に単一のSiGeC層として機能するSi1-x Ge
x /Si1-y Cy 短周期超格子体が得られる。The thickness of the Si 1-x Ge x layer and the Si 1-y C y layer in the Si 1-x Ge x / Si 1-y C y superlattice is smaller than the thickness at which discrete quantization levels are generated. Is thinner, so that Si 1-x Ge functioning as a single SiGeC layer
x / Si 1-y C y A short-period superlattice is obtained.
【0016】本発明の半導体装置は、基板と、上記基板
上に設けられ少なくともSiを含む第1の半導体層と、
上記半導体層と接して設けられSiGeC層として機能
する第2の半導体層とを備え、上記第2の半導体層は、
SiとGeとを主成分とするSi1-x Gex 層(0<x
<1)と、SiとCとを主成分とするSi1-y Cy 層
(0<y<1)とを少なくとも2周期以上交互に積層し
た構造を有する。A semiconductor device according to the present invention includes a substrate, a first semiconductor layer provided on the substrate and containing at least Si.
A second semiconductor layer provided in contact with the semiconductor layer and functioning as a SiGeC layer, wherein the second semiconductor layer comprises:
Si 1-x Ge x layer containing Si and Ge as main components (0 <x
It has a structure in which <1) and a Si 1-y C y layer (0 <y <1) containing Si and C as main components are alternately stacked for at least two periods.
【0017】これにより、第1の半導体層と、第2の半
導体層との間で,Si/SiGeCなどのヘテロ接合を
形成することが可能になり、このヘテロ接合を利用した
高機能の半導体装置,例えばHEMTとして機能する電
界効果トランジスタ等が得られることになる。Thus, a heterojunction such as Si / SiGeC can be formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and a high-performance semiconductor device utilizing the heterojunction can be formed. Thus, for example, a field effect transistor functioning as a HEMT can be obtained.
【0018】上記Si1-x Gex 層とSi1-y Cy 層と
は、離散した量子化準位が生じる厚みよりも薄いことが
好ましい。It is preferable that the Si 1-x Ge x layer and the Si 1-y C y layer are thinner than a thickness at which discrete quantization levels are generated.
【0019】本発明の第1の半導体結晶の製造方法は、
SiとGeとを主成分とするSi1- x Gex 層(0<x
<1)のエピタキシャル成長と、SiとCとを主成分と
するSi1-y Cy 層(0<y<1)のエピタキシャル成
長とを交互に2回ずつ以上繰り返すことにより、単一の
SiGeC層として機能するSi1-x Gex /Si1- y
Cy 短周期超格子体を形成する方法である。The first method for producing a semiconductor crystal according to the present invention comprises:
Si 1- x Ge x layer containing Si and Ge as main components (0 <x
The epitaxial growth of <1) and the epitaxial growth of a Si 1-y C y layer (0 <y <1) containing Si and C as main components are alternately repeated twice or more, thereby forming a single SiGeC layer. Functional Si 1-x Ge x / Si 1- y
This is a method for forming a Cy short-period superlattice.
【0020】この方法により、上述の半導体結晶が容易
に形成されることになる。According to this method, the above-mentioned semiconductor crystal is easily formed.
【0021】本発明の第2の半導体結晶の製造方法は、
SiとGeとを主成分とするSi1- x Gex 層(0<x
<1)のエピタキシャル成長と、Siを主成分とするS
i層のエピタキシャル成長とを交互に2回ずつ以上繰り
返してSi1-x Gex /Si積層体を形成する工程
(a)と、上記Si1-x Gex /Si積層体内にCのイ
オン注入を行なう工程(b)と、Cが導入された上記S
i1-x Gex /Si積層体に熱処理を施す工程(c)と
を含み、Si1-x Gex /Si1-y Cy 積層体(0<y
<1)を形成する方法である。According to a second method of manufacturing a semiconductor crystal of the present invention,
Si 1- x Ge x layer containing Si and Ge as main components (0 <x
<1) Epitaxial growth and S containing Si as a main component
(a) forming an Si 1-x Ge x / Si laminate by alternately repeating the epitaxial growth of the i-layer two times or more, and implanting C ions into the Si 1-x Ge x / Si laminate. Performing step (b) and the above S in which C is introduced
subjecting the i 1-x Ge x / Si laminate to a heat treatment (c), wherein the Si 1-x Ge x / Si 1-y Cy laminate (0 <y
This is a method for forming <1).
【0022】この方法により、熱処理に伴うGe−C結
合の破壊によってC原子がSi層に移動する現象を利用
して、エピタキシャル成長時にはCをドープするための
ガスを不要とすることで清浄な基板表面を維持しつつ、
種々の応用が可能なSi1-xGex /Si1-y Cy 積層
体を得ることができる。According to this method, a gas for doping C is not required at the time of epitaxial growth by utilizing the phenomenon that C atoms move to the Si layer due to the destruction of the Ge—C bond due to the heat treatment, thereby eliminating the need for a gas for doping C. While maintaining
It is possible to obtain a Si 1-x Ge x / Si 1-y Cy laminate that can be used in various applications.
【0023】上記工程(a)では、上記Si1-x Gex
/Si1-y Cy 積層体中のSi1-xGex 層とSi1-y
Cy 層とが離散化された量子化準位が生じる厚みを有す
るようにSi1-x Gex 層とSi層とを形成することに
より、量子素子を構成するために有用な多重量子障壁層
などとして機能するSi1-x Gex /Si1-y Cy 積層
体が得られる。In the step (a), the Si 1-x Ge x
/ Si 1-y C Si 1 -x Ge x layer of y laminate in the Si 1-y
By the C y layer to form a Si 1-x Ge x layer and the Si layer so as to have a thickness of discrete quantization levels occurs, the multi-quantum barrier layer useful for forming the quantum device Thus, a Si 1-x Ge x / Si 1-y C y laminate functioning as such is obtained.
【0024】上記工程(a)では、上記Si1-x Gex
/Si1-y Cy 積層体中のSi1-xGex 層とSi1-y
Cy 層とが離散化された量子化準位が生じる厚みよりも
薄い厚みを有するようにSi1-x Gex 層とSi層とを
形成することにより、ヘテロ接合型半導体素子を構成す
るために有用な単一のSiGeC層として機能しうるS
i1-x Gex /Si1-y Cy 積層体が得られる。In the step (a), the Si 1-x Ge x
/ Si 1-y C Si 1 -x Ge x layer of y laminate in the Si 1-y
By the C y layer to form a Si 1-x Ge x layer and the Si layer so as to have a thickness less than the thickness discrete quantized levels occurs, for configuring the heterojunction semiconductor device That can function as a single SiGeC layer useful for
An i 1-x Ge x / Si 1-y C y laminate is obtained.
【0025】その場合、上記工程(c)における熱処理
温度が700℃を越える温度であることが好ましい。In this case, the heat treatment temperature in the step (c) is preferably a temperature exceeding 700 ° C.
【0026】[0026]
【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体結晶お
よびその製造方法に関する実施形態と、半導体装置への
応用例に関する実施形態とについて、図面を参照しなが
ら説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment relating to a semiconductor crystal and a method for manufacturing the same according to the present invention and an embodiment relating to an application to a semiconductor device will be described with reference to the drawings.
【0027】(第1の実施形態)図1(a),(b)
は、第1の実施形態に係るSiGeC混晶体(Si1-x
Gex /Si1-y Cy 短周期超格子)の巨視的な積層構
造と、その短周期超格子の微視的な積層構造(原子配
列)とを概略的に示す図である。(First Embodiment) FIGS. 1A and 1B
Is a SiGeC mixed crystal (Si 1-x ) according to the first embodiment.
And Ge x / Si 1-y C y macroscopic multilayer structure of the short-period superlattice), the short-period superlattice of microscopic multilayer structure and (atomic arrangement) is a diagram schematically showing.
【0028】図1(a)に示すように、本実施形態のS
iGeC混晶体は、Si基板101の上に、Si0.68G
e0.32層102と、Si0.96C0.04層103とを200
周期分交互に積層して構成されている。図1(b)に示
すように、各層102,103は、いずれも3原子層を
有している。As shown in FIG. 1A, the S of this embodiment
The iGeC mixed crystal has a Si 0.68 G
e The 0.32 layer 102 and the Si 0.96 C 0.04 layer 103
It is configured by being alternately stacked for the period. As shown in FIG. 1B, each of the layers 102 and 103 has three atomic layers.
【0029】SiGeC混晶体の形成は、Si(00
1)基板101の上に、超高真空化学的気相成長法(U
HV−CVD法)(Ultra High Vacuum Chemical Vapor
Deposition )法により、3原子層からなるSi0.68G
e0.32層102と3原子層からなるSi0.96C0.04層1
03とを交互にエピタキシャル成長させ、これを200
周期繰り返している。そして、SiGeC混晶体全体の
膜厚は約160nmである。Si,Ge,Cの原料ガス
には、それぞれSi2 H6 ,GeH4 ,SiH3CH3
を用い、成長温度は約550℃である。The formation of the SiGeC mixed crystal is based on Si (00
1) An ultra-high vacuum chemical vapor deposition method (U
HV-CVD method) (Ultra High Vacuum Chemical Vapor)
Si 0.68 G consisting of three atomic layers by the Deposition method
e Si 0.96 C 0.04 layer 1 consisting of 0.32 layer 102 and 3 atomic layers
03 are alternately epitaxially grown, and this is
The cycle is repeated. The total thickness of the SiGeC mixed crystal is about 160 nm. The source gases of Si, Ge, and C include Si 2 H 6 , GeH 4 , and SiH 3 CH 3 , respectively.
And the growth temperature is about 550 ° C.
【0030】形成した短周期超格子体における実際の原
子配列はダイヤモンド構造を形成しているが、図1
(b)では発明の概念を分かり易く説明するために、正
方晶を用いて原子の積層を示している。このように、G
e原子とC原子とが互いに共通の層に存在することがな
いので、Ge−C結合の形成はほとんど存在しない。し
かも、以下に説明するように、この短周期超格子体は、
1つのSiGeC結晶体として機能する。The actual atomic arrangement in the formed short-period superlattice forms a diamond structure.
In (b), for easy understanding of the concept of the invention, a stack of atoms is shown using a tetragonal crystal. Thus, G
Since e atoms and C atoms are not present in a common layer, formation of a Ge—C bond hardly exists. Moreover, as described below, this short-period superlattice is
It functions as one SiGeC crystal.
【0031】図2は、文献(Semiconductor and Semime
tals Vol.24(ACADEMIC PRESS,INC.)p.29 Volume Editor
RAYMOND DINGLE)(C.Weisbuch著)の図18に記載され
ている,ある積層体の井戸層及び障壁層の厚みを変えた
ときのエネルギーバンド構造の変化を示す図である。同
図において、横軸は井戸層,障壁層の厚み(nm)を表
し、縦軸はポテンシャルエネルギー(eV)を表してい
る。同図に示されるように、この積層体では、井戸層,
障壁層の厚みが約10nmの時には、離散的な量子化準
位が形成されているのに対し、井戸層,障壁層の厚みが
約1.5nm以下になると、離散的な量子化準位がなく
なり、1つのバルク的なバンドに変化する。つまり、量
子効果がなくなることで、キャリアが短周期超格子層全
体を1つの層と認識して動作することになる。これと同
様に、図1(a),(b)に示す短周期超格子体は、各
層の厚みが約1nmレベルになると、離散的な量子化準
位がなくなり、単一のSiGeC層として機能すること
になる。FIG. 2 shows a reference (Semiconductor and Semime).
tals Vol.24 (ACADEMIC PRESS, INC.) p.29 Volume Editor
FIG. 19 is a diagram showing a change in an energy band structure when the thickness of a well layer and a barrier layer of a certain laminated body is changed, which is described in FIG. 18 of (RAYMOND DINGLE) (by C. Weisbuch). In the figure, the horizontal axis represents the thickness (nm) of the well layer and the barrier layer, and the vertical axis represents the potential energy (eV). As shown in the figure, in this laminate, a well layer,
When the thickness of the barrier layer is about 10 nm, discrete quantization levels are formed. On the other hand, when the thicknesses of the well layer and the barrier layer are about 1.5 nm or less, the discrete quantization levels are reduced. It changes to one bulk band. In other words, by eliminating the quantum effect, the carrier operates by recognizing the entire short-period superlattice layer as one layer. Similarly, in the short-period superlattice shown in FIGS. 1A and 1B, when the thickness of each layer becomes about 1 nm, there is no discrete quantization level, and it functions as a single SiGeC layer. Will do.
【0032】よって、本実施形態のSi1-x Gex /S
i1-y Cy 短周期超格子体(0<x,y<1)は、各層
の平均的な厚みが約0.8nmであるので、Ge−C結
合をほとんど含まないことによる結晶性の安定性を維持
しつつ、SiGeC層としての機能を発揮することがで
きる。Therefore, the Si 1-x Ge x / S of this embodiment
The i 1-y C y short-period superlattice (0 <x, y <1) has an average thickness of about 0.8 nm for each layer, and therefore has little crystallinity due to almost no Ge—C bond. The function as a SiGeC layer can be exhibited while maintaining stability.
【0033】つまり、本実施形態の製造方法は、従来の
SiGeC層における不具合の原因がGe−C結合の不
安定性にあることに着目し、このGe−C結合を含まず
に、かつ、SiGeC層として機能しうるSi1-x Ge
x /Si1-y Cy 短周期超格子体を形成する方法といえ
る。That is, the manufacturing method of the present embodiment focuses on the fact that the cause of the defect in the conventional SiGeC layer is the instability of the Ge—C bond, and does not include the Ge—C bond. 1-x Ge that can function as
It can be said that this is a method of forming a x / Si 1-y C y short-period superlattice.
【0034】(第2の実施形態)本実施形態では、Si
/Si1-x Gex 積層膜(0<x<1)へのCイオンの
注入,熱処理にによって、Si1-x Gex /Si1-y C
y 短周期超格子体(0<y<1)の形成にも利用しうる
Si1-x Gex /Si1-y Cy 積層体の製造方法につい
て説明する。図3(a),(b)は、本実施形態におけ
るSi1-x Gex/Si1-y Cy 積層体の製造工程を示
す断面図である。(Second Embodiment) In this embodiment, Si
/ Si 1-x Ge x multilayer film implanted C ions into (0 <x <1), by the heat treatment, Si 1-x Ge x / Si 1-y C
A method of manufacturing a Si 1-x Ge x / Si 1-y C y laminate that can be used for forming a y short-period superlattice (0 <y <1) will be described. FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the Si 1-x Ge x / Si 1-y Cy laminate according to the present embodiment.
【0035】まず、図3(a)に示す工程で、Si(0
01)基板101の上に、UHV−CVD法により、厚
みが10nmのSi層105と、厚みが10nmのSi
0.8Ge0.2 層106とを交互にエピタキシャル成長さ
せ、合計10周期のSi/Si0.8 Ge0.2 超格子体を
形成する。First, in the step shown in FIG.
01) A 10 nm thick Si layer 105 and a 10 nm thick Si layer 105 are formed on the substrate 101 by UHV-CVD.
The 0.8 Ge 0.2 layers 106 are alternately epitaxially grown to form a total of 10 periods of a Si / Si 0.8 Ge 0.2 superlattice.
【0036】次に、図3(b)に示す工程で、この超格
子体に、Cのイオン注入を加速エネルギーが約45ke
V,ドーズ量が約1×1015cm-2の条件で行なう。そ
の後、950℃,15秒の間熱処理を行なう。Next, in the step shown in FIG. 3B, C ions are implanted into the superlattice body at an acceleration energy of about 45 ke.
V and the dose are about 1 × 10 15 cm −2 . Thereafter, heat treatment is performed at 950 ° C. for 15 seconds.
【0037】図4(a),(b),(c)は、それぞれ
順に、超格子体における熱処理前後のGe原子及びC原
子の濃度分布,Cイオン注入直後における超格子体中の
C原子の分布状態,熱処理後の超格子体中におけるC原
子の分布状態を示す図である。FIGS. 4A, 4B, and 4C show, respectively, the concentration distribution of Ge atoms and C atoms before and after the heat treatment in the superlattice, and the distribution of C atoms in the superlattice immediately after C ion implantation. It is a figure which shows the distribution state and the distribution state of C atom in the superlattice body after heat processing.
【0038】図4(a)において、横軸は超格子体中の
深さを表し、縦軸は濃度を表している。また、曲線Ger
はGe濃度を、曲線Cimplはイオン注入直後熱処理前の
C濃度を、曲線Caneaは熱処理後におけるC濃度をそれ
ぞれ表している。同図の曲線Cimplに示すように、熱処
理前においては、Si層105とSi0.8 Ge0.2 層1
06とにおいて、Cが約1×1020cm-3の濃度でほぼ
均一に分布している。それに対し、同図の曲線Caneaに
示すように、熱処理後においては、Si層105ではC
濃度が濃くなり、Si0.8 Ge0.2 層106ではC濃度
が薄くなることがわかる。このことは、図4(b),
(c)に示すごとく、熱処理中にSi0.8Ge0.2 層内
のC原子が隣接するSi層へ移動したことを示してい
る。In FIG. 4A, the horizontal axis represents the depth in the superlattice, and the vertical axis represents the concentration. Also, the curve Ger
Represents the Ge concentration, the curve Cimpl represents the C concentration immediately after the ion implantation and before the heat treatment, and the curve Canea represents the C concentration after the heat treatment. As shown by a curve Cimpl in the same figure, before the heat treatment, the Si layer 105 and the Si 0.8 Ge 0.2 layer 1
06, C is distributed almost uniformly at a concentration of about 1 × 10 20 cm −3 . On the other hand, as shown by the curve Canea in FIG.
It can be seen that the concentration increases and the C concentration decreases in the Si 0.8 Ge 0.2 layer 106. This is shown in FIG.
As shown in (c), C atoms in the Si 0.8 Ge 0.2 layer moved to the adjacent Si layer during the heat treatment.
【0039】従って、Si/Si0.8 Ge0.2 超格子体
へのCイオン注入および熱処理を用いることにより、エ
ピタキシャル成長中にCをドープしなくても、Si1-y
Cy/Si0.8 Ge0.2 超格子体を形成できることがわ
かる。Therefore, by using C ion implantation and heat treatment into the Si / Si 0.8 Ge 0.2 superlattice, Si 1-y can be obtained without doping C during epitaxial growth.
It can be seen that a C y / Si 0.8 Ge 0.2 superlattice can be formed.
【0040】図5は、図3(a),(b)に示す工程を
経た超格子体に対し、熱処理温度を変えてアニールを行
なった時のC濃度の分布の相違を示す図である。同図に
おいて、曲線Gerは超格子体中のGe濃度を、曲線Cas
imはイオン注入直後で熱処理を施していない超格子体中
のC濃度を、曲線C700 は700℃の熱処理を施した超
格子体中のC濃度を、曲線C950 は950℃の熱処理を
施した超格子体中のC濃度を、曲線C1000は1000℃
の熱処理を施した超格子体中のC濃度を、それぞれ示し
ている。熱処理時間はいずれも15秒間である。同図か
らわかるように、700℃の熱処理によってはC原子が
十分移動しておらず、950℃と1000℃とでは、C
原子の移動作用は十分得られ、かつ、両者ではC濃度の
分布がほとんど変わらない。したがって、この方法によ
って形成されたSiC/SiGe界面の構造は安定なも
のであると推定される。FIG. 5 is a diagram showing the difference in the distribution of the C concentration when annealing is performed on the superlattice having undergone the steps shown in FIGS. 3A and 3B while changing the heat treatment temperature. In the figure, the curve Ger represents the Ge concentration in the superlattice and the curve Cas
im represents the C concentration in the superlattice immediately after the ion implantation and has not been subjected to the heat treatment, curve C700 represents the C concentration in the superlattice subjected to the heat treatment at 700 ° C., and curve C950 represents the C concentration in the superlattice subjected to the heat treatment at 950 ° C. The C concentration in the lattice is 1000 ° C.
Respectively show the C concentration in the superlattice body subjected to the heat treatment. The heat treatment time is 15 seconds in each case. As can be seen from the figure, C atoms did not move sufficiently by the heat treatment at 700 ° C.
The effect of transferring atoms is sufficiently obtained, and the distribution of the C concentration hardly changes between the two. Therefore, it is presumed that the structure of the SiC / SiGe interface formed by this method is stable.
【0041】本実施形態の製造方法によると、Si1-x
Gex 層とSi1-y Cy 層とを交互にエピタキシャル成
長させて、Si1-x Gex /Si1-y Cy 積層体を形成
する方法に比べ、以下のような利点が得られる。According to the manufacturing method of this embodiment, Si 1-x
The following advantages are obtained as compared with a method of forming a Si 1-x Ge x / Si 1-y C y laminate by alternately epitaxially growing a Ge x layer and a Si 1-y C y layer.
【0042】Si1-x Gex 層とSi1-y Cy 層とを交
互に形成する場合には、Si1-y C y 層を形成した後に
C原料が成長室内に残留することにより清浄な基板表面
が得られないなどの不具合を招くことがある。一方、イ
オン注入を用いてCを添加する場合、積層体を構成する
2つの層のうち一方の層のみに選択的にCをドープする
ことは不可能と考えられていた。それに対し、本実施形
態のSi1-x Gex /Si1-y Cy 積層体の製造方法で
は、まず、Si/Si1-x Gex 積層体を形成してお
き、このSi/Si1-x Gex 積層体にCをイオン注入
してから、熱処理の際に生じるC原子のSi層への移動
現象を利用することによって、Si1-x Gex /Si
1-y Cy 積層体を形成することができる。Si1-x Gex Layer and Si1-y Cy Interchange with layers
When formed together, Si1-y C y After forming the layer
Clean substrate surface due to C material remaining in growth chamber
May not be obtained. On the other hand,
When C is added using on-injection, a laminate is formed
Selectively doping only one of the two layers with C
That was considered impossible. In contrast, this embodiment
Si1-x Gex / Si1-y Cy In the manufacturing method of the laminate
First, Si / Si1-x Gex Forming a laminate
This Si / Si1-x Gex C ions are implanted into the laminate
And then transfer of C atoms generated during heat treatment to the Si layer
By utilizing the phenomenon, Si1-x Gex / Si
1-y Cy A laminate can be formed.
【0043】つまり、本実施形態の製造方法において
は、従来のSiGeC層における不具合の原因がGe−
C結合の不安定性にあることに着目し、このGe−C結
合の不安定性によるC原子の移動を利用することによ
り、Si1-x Gex /Si1-y C y 積層体を形成するこ
とができる。That is, in the manufacturing method of this embodiment,
Is that the cause of the defect in the conventional SiGeC layer is Ge-
Focusing on the instability of the C bond, this Ge-C bond
Using the transfer of C atoms due to the instability of
, Si1-x Gex / Si1-y C y Forming a laminate
Can be.
【0044】そして、このSi1-x Gex /Si1-y C
y 積層体中のSi1-x Gex 層とSi1-y Cy 層とが、
離散した量子化準位が生じる程度の厚みを有する場合
(本実施形態の場合など)には、多重量子化障壁層(M
QB)などとして機能しうるSi1-x Gex /Si1-y
Cy 超格子体を得ることができる。Then, the Si 1-x Ge x / Si 1-y C
and y Si 1-x Ge x layer of the laminate in the Si 1-y C y layer is,
When the thickness is large enough to generate discrete quantization levels (such as in the present embodiment), the multiple quantization barrier layer (M
QB) etc. which can function as Si 1-x Ge x / Si 1-y
A C y superlattice can be obtained.
【0045】一方、このSi1-x Gex /Si1-y Cy
積層体中のSi1-x Gex 層とSi 1-y Cy 層とが、離
散した量子化準位が生じる厚みよりも薄い厚みを有する
場合には、上記第1の実施形態と同様に、単一のSiG
eC層として機能しうるSi 1-x Gex /Si1-y Cy
短周期超格子体(0<x,y<1)を得ることができ
る。その理由について、以下に説明する。On the other hand, this Si1-x Gex / Si1-y Cy
Si in the laminate1-x Gex Layer and Si 1-y Cy Layers are separated
Has a thickness less than the thickness at which the scattered quantization levels occur
In this case, as in the first embodiment, a single SiG
Si that can function as an eC layer 1-x Gex / Si1-y Cy
A short-period superlattice (0 <x, y <1) can be obtained.
You. The reason will be described below.
【0046】本実施形態で説明したC原子の移動現象は
厚みが1nmレベルのSi層と、厚みが1nmレベルの
Si0.8 Ge0.2 層とを用いても同様に生じることが、
定性的には確認されている。また、SiGe層における
任意のGe含有比,任意のCイオン注入条件に対して
も、熱処理によるC原子の移動作用が確認されている。The C atom migration phenomenon described in the present embodiment can be similarly generated even when a 1 nm-thick Si layer and a 1 nm-thick Si 0.8 Ge 0.2 layer are used.
Qualitatively confirmed. In addition, it has been confirmed that the C atoms can be moved by the heat treatment for any Ge content ratio and any C ion implantation conditions in the SiGe layer.
【0047】よって、本実施形態の方法を応用して、当
初1nmレベルの厚みを有するSi層とSi1-x Gex
層を形成しておいて、その後Cのイオン注入,熱処理を
順次行なうことにより、上記第1の実施形態と同様に、
1つのSiGeC層として機能するSi0.8 Ge0.2 /
SiC短周期超格子体を形成することができる。Therefore, by applying the method of this embodiment, the Si layer having a thickness of 1 nm level and the Si 1-x Ge x
After the layer is formed, the ion implantation of C and the heat treatment are sequentially performed, and thus, as in the first embodiment,
Si 0.8 Ge 0.2 / functioning as one SiGeC layer
An SiC short-period superlattice can be formed.
【0048】第1の実施形態の製造方法を用いる場合、
Si1-x Gex 層とSi1-y Cy 層とを交互に形成する
が、上述のように、Si1-y Cy 層を形成した後にC原
料が成長室内に残留することにより清浄な基板表面が得
られないなどの不具合がある。それに対し、まず、Si
/Si1-x Gex 超格子体を形成しておき、このSi/
Si1-x Gex 超格子体にCをイオン注入してから、熱
処理の際に生じるC原子のSi層への移動現象を利用し
て、Si1-x Gex /Si1-y Cy 短周期超格子体を形
成することにより、SiGeC層として機能しうるSi
1-x Gex /Si1-y Cy 短周期超格子体を容易かつ迅
速に製造することができる。When using the manufacturing method of the first embodiment,
The Si 1-x G x layer and the Si 1-y C y layer are alternately formed. However, as described above, the C raw material remains in the growth chamber after the formation of the Si 1-y C y layer, resulting in the cleanliness. There is a problem that a proper substrate surface cannot be obtained. On the other hand, first, Si
/ Si 1-x Ge x superlattice is formed, and this Si /
After C is ion-implanted into the Si 1-x Ge x superlattice, the movement of C atoms to the Si layer during the heat treatment is utilized to make use of the Si 1-x Ge x / Si 1-y C y. By forming a short-period superlattice, Si that can function as a SiGeC layer
A 1-x Ge x / Si 1-y C y short-period superlattice can be easily and rapidly manufactured.
【0049】(第3の実施形態)図6は、第3の実施形
態の短周期超格子体を利用した半導体装置であるヘテロ
接合型電界効果トランジスタ(HMOSFET)の構造
を示す断面図である。本実施形態の短周期超格子体は、
上記第1,第2の実施形態のうちのいずれかの方法によ
って形成されるものである。また、本実施形態において
は、nチャネル型HMOSFETへの応用について説明
するが、pチャネル型HMOSFETに対しても適用す
ることができることはいうまでもない。Third Embodiment FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a heterojunction field effect transistor (HMOSFET) which is a semiconductor device using a short-period superlattice according to a third embodiment. The short-period superlattice of the present embodiment is:
It is formed by any one of the first and second embodiments. In the present embodiment, an application to an n-channel HMOSFET will be described. However, it is needless to say that the invention can be applied to a p-channel HMOSFET.
【0050】同図に示すように、本実施形態のHMOS
FETは、Si基板111と、Si基板上に設けられた
高濃度のp型不純物を含むSiからなるp型ウェル11
2と、p型ウェル112の上に形成されたi-Si層11
3と、i-Si層112内の表面に近い領域かつ表面とは
一定の間隔を隔てた領域に高濃度のn型不純物(ヒ素な
ど)をドープしてなるδドープ層114と、i-Si層1
14の上に形成されたSi0.68Ge0.32/Si0.96C
0.04短周期超格子からなるSiGeC層116と、Si
GeC層116の上に形成されたイントリンシックSi
からなるSiキャップ層117と、Siキャップ層11
7の上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁
膜118と、ゲート絶縁膜118の上に設けられたポリ
シリコンからなるゲート電極119とを備えている。ま
た、ゲート電極119をマスクとするイオン注入によ
り、上記i-Si層114,SiGeC層116,Siキ
ャップ層117に亘る領域に高濃度のn型不純物(ヒ素
など)をドープして形成されたソース領域120とドレ
イン領域121とが設けられている。As shown in FIG.
The FET comprises a Si substrate 111 and a p-type well 11 made of Si containing a high concentration of p-type impurities provided on the Si substrate.
2 and i-Si layer 11 formed on p-type well 112
3, a δ-doped layer 114 in which a region close to the surface in the i-Si layer 112 and a region spaced apart from the surface by a predetermined distance are doped with a high concentration n-type impurity (such as arsenic); Tier 1
14 formed on Si 0.68 Ge 0.32 / Si 0.96 C
A SiGeC layer 116 composed of a 0.04 short-period superlattice;
Intrinsic Si formed on GeC layer 116
Cap layer 117 made of Si and the Si cap layer 11
7, a gate insulating film 118 made of a silicon oxide film and a gate electrode 119 made of polysilicon provided on the gate insulating film 118. In addition, a source formed by doping high-concentration n-type impurities (such as arsenic) into a region extending over the i-Si layer 114, the SiGeC layer 116, and the Si cap layer 117 by ion implantation using the gate electrode 119 as a mask. A region 120 and a drain region 121 are provided.
【0051】図6の左側にはこのHMOSFETのゲー
ト電極下方の各層113,114,116,117にお
ける伝導帯端のエネルギーレベルEcが表示されてい
る。つまり、Si0.68Ge0.32/Si0.96C0.04短周期
超格子からなるSiGeC層116と、i-Si層113
との間に存在する伝導帯端のバンド不連続によっていわ
ゆるヘテロ障壁が形成され、SiGeC層116のうち
Si/SiGeCヘテロ障壁に接する領域に電子を閉じ
こめられる。そして、この領域に二次元電子ガスによる
nチャネルが形成され、このnチャネルを電子が高速で
走行することが可能になる。The energy level Ec at the conduction band edge of each layer 113, 114, 116, 117 below the gate electrode of this HMOSFET is shown on the left side of FIG. In other words, the SiGeC layer 116 made of the Si 0.68 Ge 0.32 / Si 0.96 C 0.04 short-period superlattice and the i-Si layer 113
A so-called hetero-barrier is formed due to the band discontinuity at the conduction band edge existing between the Si and SiGeC layers, and electrons are confined in a region of the SiGeC layer 116 that is in contact with the Si / SiGeC hetero-barrier. Then, an n-channel is formed in this region by the two-dimensional electron gas, and electrons can travel on this n-channel at a high speed.
【0052】すなわち、本実施形態のHMOSFETに
よると、Si/SiGeCヘテロ障壁に沿ってnチャネ
ル115が形成され、電子が高速でnチャネル115を
走行することができる。その場合、SiGeC層におい
てはSi層に比べて電子の移動度が大きく,かつ,nチ
ャネルには不純物ドーピングを行なわなくても済むため
に、イオン化不純物散乱が抑制され、高速動作が可能で
ある。That is, according to the HMOSFET of this embodiment, the n-channel 115 is formed along the Si / SiGeC hetero-barrier, and electrons can travel on the n-channel 115 at high speed. In this case, since the mobility of electrons is higher in the SiGeC layer than in the Si layer, and impurity doping is not required in the n-channel, scattering of ionized impurities is suppressed and high-speed operation is possible.
【0053】次に、本実施形態のSiGeC層116
は、すでに説明した第1の実施形態のごとく、Si1-x
Gex 層とSi1-y Cy 層(0<x,y<1)とを交互
にエピタキシャル成長させることにより、Si1-x Ge
x /Si1-y Cy 短周期超格子体を形成する方法によっ
てもよいし、第2の実施形態のごとく、Si1-x Gex
層(0<x<1)とSi層とを交互にエピタキシャル成
長させることによりSi/Si1-x Gex 短周期超格子
体を形成した後、Cのイオン注入を行ない、さらに熱処
理を行なうことにより、Si1-x Gex /Si1-y Cy
短周期超格子体(0<y<1)を形成する方法によって
もよい。Next, the SiGeC layer 116 of the present embodiment
Are Si 1-x as in the first embodiment already described.
By alternately epitaxially growing a Ge x layer and a Si 1-y C y layer (0 <x, y <1), a Si 1-x Ge layer is formed.
x / Si 1-y C y A short-period superlattice may be formed, or as in the second embodiment, Si 1-x Ge x
After a Si / Si 1-x Ge x short-period superlattice is formed by alternately epitaxially growing layers (0 <x <1) and a Si layer, C ion implantation is performed, followed by heat treatment. , Si 1-x Ge x / Si 1-y C y
A method of forming a short-period superlattice (0 <y <1) may be used.
【0054】なお、Si1-x Gex /Si1-y Cy 短周
期超格子体からなるSiGeC層とヘテロ接合を形成す
るための半導体層としては、本実施形態におけるSi層
だけでなく、SiGe層,SiC層などのSiを含む層
があり、いずれを用いてもよいものとする。The semiconductor layer for forming a heterojunction with the SiGeC layer composed of the Si 1-x Ge x / Si 1-y C y short-period superlattice is not limited to the Si layer in the present embodiment. There are Si-containing layers such as a SiGe layer and a SiC layer, and any of them may be used.
【0055】また、Si1-x Gex /Si1-y Cy 短周
期超格子体にn型もしくはp型不純物がドープされてい
ても、Si1-x Gex /Si1-y Cy 短周期超格子体の
単一のSiGeC層としての機能が損なわれることはな
い。[0055] Moreover, Si 1-x Ge x / Si 1-y C y be n-type or p-type impurity in the short period superlattice body be doped, Si 1-x Ge x / Si 1-y C y The function of the short-period superlattice as a single SiGeC layer is not impaired.
【0056】なお、図2に示す特性において、Si1-x
Gex /Si1-y Cy 短周期超格子体中に離散した量子
化準位がわずかに生じていても、全体としてSiGeC
層として機能しうるエネルギー範囲があればよい。[0056] Incidentally, in the characteristic shown in FIG. 2, Si 1-x
Even if a few discrete quantization levels are generated in the Ge x / Si 1-y C y short-period superlattice, SiGeC
What is necessary is that there is an energy range that can function as a layer.
【0057】[0057]
【発明の効果】本発明によれば、SiGeC系半導体結
晶の結晶性の向上、SiGeC系半導体結晶を用いたデ
バイスの高速性向上を実現することができるという顕著
な効果が得られる。According to the present invention, a remarkable effect is obtained in that the crystallinity of the SiGeC-based semiconductor crystal can be improved and the high-speed performance of a device using the SiGeC-based semiconductor crystal can be improved.
【図1】(a),(b)は、第1の実施形態に係るSi
1-x Gex /Si1-y Cy 短周期超格子の巨視的な積層
構造と、その短周期超格子の微視的な積層構造とを概略
的に示す図である。FIGS. 1A and 1B show a Si according to a first embodiment; FIGS.
And 1-x Ge x / Si 1 -y C y macroscopic multilayer structure of the short-period superlattice, and a microscopic multilayer structure of the short-period superlattice is a diagram schematically showing.
【図2】積層体の井戸層及び障壁層の厚みを変えたとき
のエネルギーバンド構造の変化を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a change in an energy band structure when the thicknesses of a well layer and a barrier layer of a stacked body are changed.
【図3】(a),(b)は、第2の実施形態におけるS
i1-x Gex /Si1-y Cy 積層体の製造工程を示す断
面図である。FIGS. 3 (a) and 3 (b) show S in the second embodiment.
i is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the 1-x Ge x / Si 1 -y C y multilayer body.
【図4】(a),(b),(c)は、それぞれ順に、超
格子体における熱処理前後のGe原子及びC原子の濃度
分布,Cイオン注入直後における超格子体中のC原子の
分布状態,熱処理後の超格子体中におけるC原子の分布
状態を示す図である。4 (a), (b), and (c) respectively show the concentration distribution of Ge atoms and C atoms before and after heat treatment in the superlattice, and the distribution of C atoms in the superlattice immediately after C ion implantation. FIG. 4 is a diagram showing a state and a distribution state of C atoms in a superlattice body after heat treatment.
【図5】図3(a),(b)に示す工程を経た超格子体
に対し、熱処理温度を変えてアニールを行なった時のC
濃度の分布の相違を示す図である。FIG. 5 is a graph showing C when annealing was performed on the superlattice body through the steps shown in FIGS. 3A and 3B while changing the heat treatment temperature.
It is a figure which shows the difference of density distribution.
【図6】第3の実施形態の短周期超格子体を利用した半
導体装置であるヘテロ接合型電界効果トランジスタ(H
MOSFET)の構造を示す断面図である。FIG. 6 shows a heterojunction field effect transistor (H) which is a semiconductor device using the short-period superlattice according to the third embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a MOSFET.
【図7】(a),(b)は、Ge基板上にGe0.98C
0.02結晶層を、Si基板上にSi 0.98C0.02結晶層をそ
れぞれ成長させた試料に熱処理を加えたときのX線回折
スペクトルの変化を示す図である。FIGS. 7A and 7B show Ge on a Ge substrate; FIGS.0.98C
0.02The crystal layer is formed on a Si substrate by Si 0.98C0.02Remove the crystal layer
X-ray diffraction when heat-treated to each grown sample
It is a figure showing a change of a spectrum.
【図8】SiGe0.31C0.0012結晶層を種々の温度で熱
処理(アニール)した試料のX線回折スペクトルの変化
を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a change in an X-ray diffraction spectrum of a sample obtained by heat-treating (annealing) a SiGe 0.31 C 0.0012 crystal layer at various temperatures.
101 Si基板 102 Si0.68Ge0.32層 103 Si0.96C0.04層 105 Si層 106 Si0.8 Ge0.2 層 111 Si基板 112 p型ウェル 113 i-Si層 114 δドープ層 115 nチャネル 116 SiGeC層 117 Siキャップ層 118 ゲート絶縁膜 119 ゲート電極 120 ソース領域 121 ドレイン領域101 Si substrate 102 Si 0.68 Ge 0.32 layer 103 Si 0.96 C 0.04 layer 105 Si layer 106 Si 0.8 Ge 0.2 layer 111 Si substrate 112 p-type well 113 i-Si layer 114 δ-doped layer 115 n-channel 116 SiGeC layer 117 Si cap layer 118 gate insulating film 119 gate electrode 120 source region 121 drain region
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片山 幸治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 能澤 克弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 岳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 久保 実 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F040 DA01 DC01 DC02 EC07 EE04 EE06 5F045 AA07 AA15 AB01 AB02 AB06 AC01 AD09 AF03 BB12 BB16 CA07 DA54 HA15 HA16 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Koji Katayama, 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Gaku Sugawara 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Minoru Kubo 1006 Odaka Kadoma, Kadoma City, Osaka Pref. DC02 EC07 EE04 EE06 5F045 AA07 AA15 AB01 AB02 AB06 AC01 AD09 AF03 BB12 BB16 CA07 DA54 HA15 HA16
Claims (9)
ex 層(0<x<1)と、SiとCとを主成分とするS
i1-y Cy 層(0<y<1)とを2周期以上交互に積層
したSi1-x Gex /Si1-y Cy 超格子体構造を有
し、 上記Si1-x Gex /Si1-y Cy 超格子体は、単一の
SiGeC層として機能することを特徴とする半導体結
晶。 1. A Si 1-x G containing Si and Ge as main components.
S for e x layer (0 <x <1), mainly Si and C
i 1-y C y layer (0 <y <1) and a having a Si 1-x Ge x / Si 1-y C y superlattice structure formed by alternately laminating two cycles or more, the Si 1-x Ge A semiconductor crystal characterized in that the x / Si 1-y C y superlattice functions as a single SiGeC layer.
1-x Gex 層とSi1-yCy 層とは、離散した量子化準
位が生じる厚みよりも薄いことを特徴とする半導体結
晶。2. The semiconductor crystal according to claim 1, wherein Si in said Si 1-x Ge x / Si 1-y C y superlattice.
1-x Ge The x layer and the Si 1-y C y layer, a semiconductor crystal according to claim thinner than the thickness of the discrete quantization levels occurs.
体層と、 上記半導体層と接して設けられSiGeC層として機能
する第2の半導体層とを備え、 上記第2の半導体層は、 SiとGeとを主成分とするSi1-x Gex 層(0<x
<1)と、SiとCとを主成分とするSi1-y Cy 層
(0<y<1)とを少なくとも2周期以上交互に積層し
た構造を有することを特徴とする半導体装置。3. A semiconductor device comprising: a substrate; a first semiconductor layer provided on the substrate and containing at least Si; and a second semiconductor layer provided in contact with the semiconductor layer and functioning as a SiGeC layer. Is a Si 1-x Ge x layer containing Si and Ge as main components (0 <x
(1) A semiconductor device having a structure in which a Si 1-y C y layer (0 <y <1) containing Si and C as main components is alternately laminated at least for two or more periods.
量子化準位が生じる厚みよりも薄いことを特徴とする半
導体装置。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the Si 1-x Ge x layer and the Si 1-y Cy layer are thinner than a thickness at which discrete quantization levels are generated. Semiconductor device.
ex 層(0<x<1)のエピタキシャル成長と、Siと
Cとを主成分とするSi1-y Cy 層(0<y<1)のエ
ピタキシャル成長とを交互に2回ずつ以上繰り返すこと
により、 単一のSiGeC層として機能するSi1-x Gex /S
i1-y Cy 短周期超格子体を形成することを特徴とする
半導体結晶の製造方法。5. A Si 1-x G containing Si and Ge as main components.
e x layer and the epitaxial growth of (0 <x <1), by repeating Si and Si 1-y C y layer mainly composed of a C (0 <y <1) epitaxial growth and alternately over twice the Si 1-x Ge x / S functioning as a single SiGeC layer
A method for producing a semiconductor crystal, comprising forming an i 1-y C y short-period superlattice.
ex 層(0<x<1)のエピタキシャル成長と、Siを
主成分とするSi層のエピタキシャル成長とを交互に2
回ずつ以上繰り返してSi1-x Gex /Si積層体を形
成する工程(a)と、 上記Si1-x Gex /Si積層体内にCのイオン注入を
行なう工程(b)と、 Cが導入された上記Si1-x Gex /Si積層体に熱処
理を施す工程(c)とを含み、 Si1-x Gex /Si1-y Cy 積層体(0<y<1)を
形成することを特徴とする半導体結晶の製造方法。6. A Si 1-x G containing Si and Ge as main components.
2 and the epitaxial growth of e x layer (0 <x <1), the epitaxial growth of the Si layer containing Si as the main component alternately
A step (a) of forming a Si 1-x Ge x / Si laminate by repeating at least twice, a step (b) of implanting C ions into the Si 1-x Ge x / Si laminate, Heat treating the introduced Si 1-x Ge x / Si laminate to form a Si 1-x Ge x / Si 1-y Cy laminate (0 <y <1). A method of manufacturing a semiconductor crystal.
おいて、 上記工程(a)では、上記Si1-x Gex /Si1-y C
y 積層体中のSi1-xGex 層とSi1-y Cy 層とが離
散化された量子化準位が生じる厚みを有するようにSi
1-x Gex 層とSi層とを形成することを特徴とする半
導体結晶の製造方法。7. The method for manufacturing a semiconductor crystal according to claim 6, wherein in the step (a), the Si 1-x Ge x / Si 1-y C
The Si 1-x Ge x layer and the Si 1-y C y layer in the y- layered body have a thickness such that a discretized quantization level is generated.
The method of manufacturing a semiconductor crystal, which comprises forming a 1-x Ge x layer and the Si layer.
おいて、 上記工程(a)では、上記Si1-x Gex /Si1-y C
y 積層体中のSi1-xGex 層とSi1-y Cy 層とが離
散化された量子化準位が生じる厚みよりも薄い厚みを有
するようにSi1-x Gex 層とSi層とを形成すること
を特徴とする半導体結晶の製造方法。8. The method for manufacturing a semiconductor crystal according to claim 6, wherein in the step (a), the Si 1-x Ge x / Si 1-y C
Si y-laminate in 1-x Ge x layer and the Si 1-y C y layer and is discretized Si 1-x As having a thickness less than the thickness of quantization levels occurs Ge x layer and the Si A method for manufacturing a semiconductor crystal, comprising forming a layer.
方法において、 上記工程(c)における熱処理温度が700℃を越える
温度であることを特徴とする半導体結晶の製造方法。9. The method of manufacturing a semiconductor crystal according to claim 6, wherein the heat treatment temperature in the step (c) is higher than 700 ° C.
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