JP2002110832A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
みSiをチャネルとして有する電界効果トランジスタ、
およびヘテロバイポーラトランジスタを集積化すること
を目的とする。 【解決手段】 絶縁膜上に薄膜SiGeバッファ層とひ
ずみSiチャネルを積層したMOSFETおよび、同じ
く薄膜SiGe層上にエピタキシャル成長したSiGe
ベース層およびその上のSiエミッタ層を有するHBT
を複合化した構造を採用する。またMOSFETを構成
する部分の絶縁膜上の薄膜SiGe層の厚さを、HBT
を構成する部分のそれより薄くする。さらにMOSFE
Tを構成する部分の絶縁膜上の薄膜SiGe層のGe組
成を、HBTを構成する部分のそれより高くする。
Description
の製造方法に関し、より詳細には、高速、低消費電力の
トランジスタ、特にひずみシリコン(Si)をチャネル
として有する電界効果トランジスタとヘテロバイポーラ
トランジスタとを集積化した半導体装置及びその製造方
法に関する。
において、ベースからエミッタへの正孔の逆注入を抑制
し、電子の注入効率を向上させる手法として、ベース部
より禁制帯幅の広い半導体材料を用いるヘテロバイポー
ラトランジスタ(HBT)のアイディアは古くから知ら
れている。特に、AlGaAs/GaAs系のHBTで
は、エミッタ−ベース間において荷電子帯のバンド不連
続幅を伝導帯のそれより大きく取れるため、正孔の逆注
入抑制の効果を十分に発揮できる。
ース層にSiより禁制帯幅の小さいひずみSiGeを用
いたHBTがすでに作成されている。
ルギバンド構造を表す概念図である。同図に表したよう
に、このHBTは、Si基板にコレクタ部102を形成
し、その上にLPCVD(Low Pressure Chemical Vapo
r Deposition:減圧化学気相成長法)などの薄膜成長の
手法によりベース層となるSiGe結晶層104を成長
し、さらにエミッタとなるSi層106が積層される。
つまり、ベース−エミッタ間にも、ベース−コレクタ間
にもヘテロ接合が形成される「ダブルへテロ構造」とな
る。
にベース‐コレクタ側のチャージアップのため動作速度
が遅くなることが懸念される。このようなSiGe薄膜
ベース層を用いたHBTでは、GaAs系等の化合物半
導体を用いたHBTと比べ、従来のSi系CMOSFE
Tとの複合化が容易に設計できることが最大の利点とな
る。すなわち、高出力の電流利得が必要とされる高周波
(アナログ)回路をHBTで作成し、ロジック部分をS
i−CMOSで作成する複合素子が実現されている。
加えると、バンド構造が変調され電子や正孔の移動度が
向上することが知られてる。たとえば格子緩和したSi
Ge結晶上に形成したひずみSi層では、電子移動度、
正孔移動度共に2倍以上の向上が期待されており、いく
つかの構造提案や素子試作の報告がある。
するための具体的な構造としては、通常のSi基板上に
厚さ数μm、Ge組成20〜30%のSiGe層を成長
することにより格子緩和したSiGe層(仮想基板)を
形成し、その上に臨界膜厚以下のSi層を積層する方法
が一般的である。この構造では基板の表面にひずみSi
層が露出しているために、従来のSi−MOSFET作
成と類似の工程でMOSFETが試作できる。
板上に薄膜成長したSiGe層をベース層とするHBT
と、従来のSi−CMOSとの複合素子は実現されてい
る。またSi基板上に厚く成長したSiGe層を仮想基
板とするひずみSiを用いたFETも提案されている。
e層を仮想基板とした場合には、多数の素子を集積化し
た際の素子分離が困難なため、CMOSやHBTとの複
合化は困難である。
されたものであり、その目的は、格子緩和したSiGe
結晶上のひずみSiを用いたMOSFETとHBTとの
複合化を実現するための構造および作成方法を提供する
ことにある。
め、本発明においては、絶縁膜上に薄膜SiGeバッフ
ァ層とひずみSiチャネルを積層したMOSFETおよ
び、同じく薄膜SiGe層上にエピタキシャル成長した
SiGeベース層およびその上のSiエミッタ層を有す
るHBTを複合化した構造を採用する。
膜上の薄膜SiGe層の厚さを、HBTを構成する部分
のそれより薄くするとよい。また、MOSFETを構成
する部分の絶縁膜上の薄膜SiGe層のGe組成を、H
BTを構成する部分のそれより高くするとよい。
層の上に電界効果型素子とバイポーラ型素子とが設けら
れてなる半導体装置であって、前記電界効果型素子は、
前記絶縁層の上に形成された第1のIV族半導体からなる
バッファ層と、前記バッファ層の上に設けられ前記第1
のIV族半導体よりも格子定数の小さい第2のIV族半導体
からなるひずみ半導体層と、を有し、前記ひずみ半導体
層にチャネル領域とソース領域及びドレイン領域が設け
られてなり、前記バイポーラ型素子は、前記絶縁層の上
に形成された第3のIV族半導体からなるコレクタ層と、
前記コレクタ層の上に設けられ前記第3のIV族半導体と
略同一の格子定数を有する第4のIV族半導体からなるベ
ース層と、前記ベース層の上に設けられ、前記第3及び
第4のIV族半導体よりも格子定数の小さい第5のIV族半
導体からなるエミッタ層と、を有することを特徴とす
る。
とは、周期律表のIV族元素を主成分とする半導体であ
り、Si、Ge、Cなどの単元素半導体のみならず、各
種のIV族元素が混合した半導体も包含するものとする。
さらに、これらに不純物が添加されたものも包含するも
のとする。
eを主成分とし、前記第2のIV族半導体は、Siを主成
分とし、前記第3のIV族半導体は、SiGeを主成分と
し、前記第4のIV族半導体は、前記第3のIV族半導体と
実質的に同一であり、前記第5のIV族半導体は、Siを
主成分とすることができる。
eを主成分とし、前記第3のIV族半導体は、SiGeを
主成分とし、前記第1のIV族半導体におけるGeの濃度
は、前記第3のIV族半導体におけるGeの濃度よりも高
いものとすることができる。
クタ層の層厚よりも薄いものとすることができる。
び前記ベース層に導入された格子ひずみは、前記ひずみ
半導体層及び前記エミッタ層に導入された格子ひずみよ
りも小なるものとすることができる。
絶縁層の上に電界効果型素子とバイポーラ型素子とが設
けられてなる半導体装置の製造方法であって、絶縁層の
上にシリコンとゲルマニウムとを含有する半導体層が積
層されたウェーハを形成する工程と、前記ウェーハ上の
一部分のみを表面から酸化させて酸化層を形成すること
より、前記酸化層の下に残留する前記半導体層における
ゲルマニウムの濃度を上昇させる工程と、前記ウェーハ
上の前記一部分において前記電界効果型素子を形成する
工程と、前記ウェーハ上の前記一部分以外において前記
バイポーラ型素子を形成する工程と、を備えたことを特
徴とする。
実施の形態について説明する。
成の一例を表す概念図である。すなわち、同図は、本発
明の半導体装置において選択的に設けることができる構
成上の特徴点のいくつかを同時に表したものである。
上に形成された絶縁膜14を介して、FET部10Aと
HBT部10Bとが設けられている。
と、絶縁膜14の上には格子緩和したSiGeバッファ
層16Aを介してひずみSi層18が形成されている。
ひずみSi層18部は、その一部がチャネル領域18
A、18Bとされ、これらのチャネルの両端には、それ
ぞれ高濃度にドーピングされたソース・ドレイン領域1
8C、18Dが形成されている。そして、チャネル領域
18A、18Bの上にはゲート絶縁膜24を介してゲー
ト電極26が設けられ、その両側には側壁部28が設け
られている。また、ソース・ドレイン領域20の上に
は、電極29がそれぞれ設けられている。
と、絶縁膜14の上には格子緩和したn型SiGeから
なるコレクタ層16B、格子緩和したp型SiGeから
なるベース層34、n型Siからなるエミッタ層36が
形成され、これら各層の間には、絶縁膜30、外部ベー
ス32、絶縁膜38がそれぞれ設けられている。
された、格子緩和したSiGe層16Aの上に、ひずみ
Si層18を積層することにより、このひずみSi層1
8をチャンネルとして利用でき、より高い移動度を有す
るMOSFETが作成できる。
た、格子緩和したSiGe層16Bをコレクタ層とし、
その上に薄膜成長したSiGe層34をベース層とし、
Siエミッタ層36を積層するHBTを作成することに
より、同一の材料系で超高速のCMOSFETとHBT
を、容易な素子分離工程により作製することが可能とな
る。
T部10Bのバンド構造を表す概念図である。同図に表
した価電子帯Ev及び伝導帯Ecのダイアグラムから分
かるように、格子緩和したn型SiGe層16Bをコレ
クタとして、その上にP型緩和SiGeベース層34を
積層しさらにn型ひずみSi層36をエミッタとする構
造では、エミッタ・ベース間のみがヘテロ接合となる。
このため、コレクタ層16Bへのチャージアップによる
性能劣化は起こりにくく、高い動作特性を維持すること
ができる。
4上の薄膜SiGe層16Aの厚さを、HBT部10B
のSiGe層16Bよりも薄くすることにより、HBT
部10Bではコレクターの抵抗を下げることなく、且
つ、FET部10Aにおいては基板側を空乏化する動作
条件を実現できる。
薄膜SiGe層16AのGe濃度を、HBT部10Bを
構成する部分のSiGe層16Bよりも高くすることに
より、HBT部10Bでは、エミッタ・ベース間の格子
不整合を低減し、且つFET部10Aではチャンネル領
域18A、18Bにより大きなひずみを導入し、移動度
の増大効果を高めることができる。
A、16B及び34や、Si層18、36は、C(炭
素)を含有していても良い。すなわち、これらの半導体
層のいずれかあるいは全てが、所定量のCを含有してい
ても、上述の作用効果を同様に得ることは可能であり、
Cを含有させることにより、格子ひずみ量とバンド不連
続量との関係をより広範に調節することが可能となる。
形態についてさらに詳細に説明する。
実施例にかかる半導体装置の要部断面構成を表す概念図
である。同図については、図1乃至図2に関して前述し
たものと同様の要素には同一の符号を付した。
1)Si基板12の上に埋め込み酸化膜14が形成さ
れ、その上にFET部10AとHBT部10Bが設けら
れている。
と、埋め込み酸化膜14の上には、格子緩和したSiG
eバッファ層16AとひずみSiチャネル層18、が積
層されており、ひずみSiチャンネル層18の上にはゲ
ート26およびソース/ドレイン電極29が形成されて
CMOSFET部が構成されている。ここでゲート絶縁
膜24としては、ひずみSi層18の表面を熱酸化して
得られる厚さ約3nmの酸化膜を用いており、その上に
多結晶Si層を堆積してゲート電極26を形成してい
る。
と、絶縁膜14の上には格子緩和したn型SiGeから
なるコレクタ層16B、格子緩和した厚さ50nmのp
型SiGeからなるベース層34、n型Siからなるエ
ミッタ層36が形成され、これら各層の上下には、絶縁
膜30、外部ベース32、絶縁膜38、外部エミッタ4
0がそれぞれ設けられている。
ついて説明する。図3に例示したように、絶縁膜14の
上に格子緩和したSiGe層16A、16Bを直接接合
した構造を具体化するための要素材料技術としては、以
下の3つの手法を挙げることができる。
r)上にSiGeをエピタキシャル成長する方法(A.R.P
owell et al., Appl. Phys. Lett. 64, 1856 (1994)) (2)Si基板上に形成した酸化膜と、Si基板上にエ
ピタキシャル成長したSiGeの積層構造を対向しては
りあわせ、後にSiGe積層構造の一部を除去する方法
(特許第3037934号、特許第2908787号) (3)SiGe層に酸素イオン注入を施し、高温アニー
ルを経てSiGe層中に埋め込み酸化膜を形成する方法 本実施例においては、ひとつの具体例として、厚さ1μ
m以上の厚さのSiGe層に直接酸素イオン注入を施
し、アニールをすることにより埋め込み酸化膜層14を
形成した。
製造方法の要部を表す工程断面図である。
表したように、比抵抗4.5〜6Ωcmのp型(10
0)Siウェーハ12を基板に用い、傾斜組成SiGe
層202と、Si0.8Ge0.2層204、Si層2
06を順次成長した。 ここで、Si基板12上への各
層の薄膜成長は、超高真空CVD装置を用いて行った。
原料ガスは、Si2H6、およびGeH4として、ドー
パントの添加はしていない。代表的な成膜条件は、基板
温度650℃、Si2H6原料分圧30mPa、GeH
4分圧60mPaとした。
傾斜組成層202、Ge組成20%で固定した厚さ1μ
mの固定組成層204、さらに最上層に厚さ30nmの
Si層206を積層した構造となっている。最上層のS
i層206は、SIMOX(Separation by IMplanted
OXygen)の高温アニールに対する表面保護層の役割を果
たすが、工程中にそのほとんどが酸化膜(SiO2層)
となることが予想される。
み酸化膜14を形成した。すなわち、SiGe層の形成
が終了した試料に、酸素イオン注入および高温アニール
を施した。具体的な条件は、イオン注入が酸素イオン加
速エネルギー180keV、注入ドーズ4×1017c
m−2、アニールが1300℃、8時間である。このプ
ロセスにより、表面から400nmの深さのところに厚
さ100nmの酸化膜層14が形成される。ここで酸化
膜14の中にはGe元素がほとんど存在せず、Ge元素
は高温アニール中に拡散してしまったものと推定され
る。また、酸化膜14上のSiGe層204Bは完全に
格子緩和をしている。一方、埋め込み酸化膜14の下側
のSiGe層204AはGeが拡散して濃度の低下した
SiGe層が奥深くまで続いている。これに対して、埋
め込み酸化膜14の上側のSiGe層204Bでは、酸
化膜層が壁となり、Geの拡散は抑制される。
に、Ge組成20%、厚さ約400nmのSiGe層2
04Bが形成される。
iGe層204の表面を酸化膜210および窒化膜21
2で覆う。これらの酸化膜(膜厚100nm)210お
よび窒化膜(膜厚200nm)212は、CVD法で堆
積することができる。但し、他の実施例として後に説明
するように、熱酸化を施してもかまわない。
た保護膜のうちMOSFETを作成する部分のみを、フ
ォトリソグラフィの手法でエッチングし、SiGe層2
04Bの表面を露出させる。具体的には、レジスト塗布
後エッチングを施す部分のみ開口し、ドライエッチング
およびHF処理により窒素化膜および酸化膜を除去す
る。
たSiGe層204Bをエッチングし、Si層を堆積す
る。具体的には、まず、露出した部分のSiGe層20
4Bの一部除去と再成長前表面処理工程を行う。CVD
法で形成した酸化膜を除去した後にも、SIMOX工程
終了後の基板表面には熱酸化膜層が形成されていること
が予想されるため、弗酸による酸化膜除去を行い、さら
にHF+HNO3系エッチャントでSiおよびSiGe
層の一部をエッチングした。
(HF:H2O:HNO3)=1:20:50であり、
室温でのエッチングレートはSiに対して600nm/
分、Ge組成20%のSiGeに対しては1300nm
/分であった。この溶液は濃度を調整することによりエ
ッチング速度をさらに遅くすることが可能である。この
段階で酸化膜上のSiGe層204Bの厚さを100n
m以下、理想的には5ないし10nm程度にまで薄くす
る。しかし素子の設計によっては必ずしも、CMOS部
のSiGe層の厚さを極薄にまでする必要は無い。
より露出したSiGe層204Bの表面に水素終端処理
を施す。
し、再成長開始前に1Paの水素雰囲気下で900℃の
加熱処理を施し、表面層をクリーニングした後、熱さ3
0nmの薄膜結晶のSi層18を成長する。このSi層
18には応力歪が加わっており、MOSFETのチャン
ネルとなる。すなわち、Siは、SiGeよりも格子定
数が小さい。従って、Si層18には、面内方向に沿っ
た引っ張り応力が負荷されて引っ張りひずみが導入され
ている。
(d)に表したように、ひずみSi層18の表面に厚さ
5nmの熱酸化膜24を形成する。さらにゲート26と
なる厚さ100nmの多結晶Si層214を堆積する。
り、図6(a)に表したように、ゲート26となる部分
の多結晶Si層のみ残し残りの多結晶Si層214を除
去する。
の要部を完成させる。具体的には、絶縁物の堆積とエッ
チバックプロセスによってゲート側壁28を形成し、さ
らに、n型・p型に適応した不純物のイオン注入を適宜
行って、ソース/ドレイン領域18C、18Dの形成と
ゲート26の低抵抗化を施す。ここでn型・p型FET
素子の分離は、埋め込み酸化膜14上のSiGe層16
Aをエッチングにより除去することにより容易に行うこ
とが可能である。
る。
窒化膜などの保護膜218で覆う。続いて、HBT部の
保護膜を除去し、図6(c)に表したように、バイポー
ラトランジスタのコレクタ部となるSiGe層204B
を露出させる。この後、FET部で行ったように、Si
Ge層204Bをエッチングして、厚さを調整する工程
を加えてもよい。このとき、SiGe層204Bの厚さ
がFET部のそれと同じになるまでエッチングしてもよ
い。この後、イオン注入により砒素を濃度3×1017
cm−3になるように導入して、コレクタ部となるSi
Ge層16Bを形成する。
タ部16Bの表面にCVD法により厚さ20nmの酸化
膜30を形成し、さらに100nmの多結晶Si層32
を堆積する。この多結晶Si層32にホウ素のイオン注
入を施した後、図7(b)に表したように、外部ベース
(ベース層の電極引き出し部)のみを残し多結晶Si層
32を除去する。さらに、CVD酸化膜30の真性ベー
スに対応する部分のみに開口を施す。
ほどのひずみSi層成長前と同様に清浄化し、薄膜成長
装置に導入し、図7(c)に表したように、ベース層と
なる厚さ50nmのSiGe層34を成長する。このと
き成長するSiGe層34には、5×1019cm−3
のホウ素が不純物として添加されている。このベース層
34は開口したコレクタ部のみでなく、先に形成した外
部ベース部32の上にも成長をするため、後の工程で外
部ベースに電極を形成することにより、ベース層のコン
タクトが確保される。さらに、SiGe層34に続き、
不純物を添加していない厚さ2nmのSi層36を成長
する。
の酸化膜38を堆積し真性ベース部のみ開口を施したの
ち、多結晶Si(厚さ100nm)層40を堆積後、砒
素のイオン注入を施し、さらにエミッタとなる部分を残
して周囲を除去して図8(a)に表した構造が得られ
る。
化膜(図示せず)で覆う。ここでイオン注入後の不純物
活性化のために、900℃・60秒のアニールを施す。
このイオン注入後の活性化アニールは、イオン注入を施
した直後に毎回行わなくても、本実施例のように、すべ
てのイオン注入工程が終了した後に1度だけ行ってもよ
い。また、この活性化アニールにより、多結晶Siエミ
ッタ層40に導入された不純物の砒素が一部拡散し、S
iGeベース層34との間の厚さ2nmのSi層36に
はいりこむ。したがってSiGeベース層34と、薄膜
結晶成長したSi層36との界面がp−n接合部とな
る。
に、各電極形成部の開口をあけ、アルミニウムを蒸着し
電極加工を施して図8(b)に表した構造が完成する。
10Aのゲート電極材料として、Wなどの金属を用いる
ことも可能である。また、ゲート絶縁膜24としては、
Si酸化膜(SiO2)はもちろん、Si窒化膜(Si
3N4)、Si酸窒化膜(SiOxNy)、Al
2O3、Ta2O5、TiO2、Ya2O3等の高誘電
体ゲート絶縁膜も用いることが出来る。
施例にかかる半導体装置について説明する。
構成を表す概念図である。同図については、図1乃至図
8に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を
付した。
12の上に埋め込み酸化膜14が形成され、その上にF
ET部10AとHBT部10Bが設けられている。
と、埋め込み酸化膜14の上には、格子緩和したSiG
eバッファ層16AとひずみSiチャネル層18、が積
層されており、ひずみSiチャンネル層18の上にはゲ
ート26およびソース/ドレイン電極29が形成されて
CMOSFET部が構成されている。ここでゲート絶縁
膜24としては、ひずみSi層18の表面を熱酸化して
得られる厚さ約3nmの酸化膜を用いており、その上に
多結晶Si層を堆積してゲート電極26を形成してい
る。
と、絶縁膜14の上には格子緩和したn型SiGeから
なるコレクタ層16B、格子緩和した厚さ50nmのp
型SiGeからなるベース層34、n型Siからなるエ
ミッタ層36が形成され、これら各層の上下には、絶縁
膜30A、30B、外部ベース32、絶縁膜38A、3
8Bがそれぞれ設けられている。
16AとSiGeコレクタ層16Bにおけるゲルマニウ
ム濃度が異なる。すなわち、バッファ層16Aの方がコ
レクタ層16Bよりも高いゲルマニウム濃度を有する。
この特徴により、後に詳述するように、HBTの特性の
劣化を防ぎつつ、FETの移動度をさらに高めることが
可能となる。
について説明する。
の要部を表す工程断面図である。
に表したように、厚さ100nmの埋め込み酸化膜を含
むSOI基板400(SOI層402の厚さ約20n
m)上に、UHV−CVD法またはMBE法またはLP
−CVD法により、Si0.9Ge0.1層404を1
50nm、Siキャップ層406を5nm成長する。こ
の時、各層の膜厚は、成長温度における臨界膜厚を十分
に下回っているため、ミスフィット転位など欠陥は生じ
ない。
素で50%に希釈した酸素ガスを用いて1100℃に
て、図10(b)に表したように、層厚150nmの熱
酸化膜408を形成する。この熱酸化工程により、薄膜
成長法で形成したSiGe層404のGe原子は埋め込
み酸化膜14上の結晶層404、402の中を拡散す
る。しかし、埋め込み酸化膜14中には入り込まず、ま
た表面側の熱酸化膜408中にもGe原子は入り込まな
い(すなわち、熱酸化がSiGe層404に向かって進
むにつれてGe原子は結晶層404、402中に濃縮さ
れる)ため、最終的に埋め込み酸化膜14の上にはGe
組成15%、厚さ100nmのSiGe層410および
厚さ150nmの熱酸化膜408が残る。
を覆っている酸化膜408をいったん除去した後、5n
mの酸化膜30AをCVD法により堆積し、さらにその
表面をすべて窒化膜30Bで覆う。このときの窒化膜
(層厚10nm)はCVD法で堆積する。堆積した窒化
膜30Bおよび酸化膜30Aのうち、フォトリソグラフ
ィの手法でMOSFETを作成する部分のみをエッチン
グ除去し、図11(a)に表したように、SiGe層4
10の表面を露出させる。より具体的には、図示しない
レジスト塗布後エッチングを施す部分のみ開口し、ドラ
イエッチング処理により窒素化膜30Bを除去した後、
酸化膜30Aを酸処理により除去する。
び酸化炉に導入し、図11(b)に表したように、開口
部を熱酸化する。このとき、温度1100℃で130n
mの熱酸化膜416を形成することによりSiGe層4
10の薄層化ができる。このとき表面の熱酸化膜416
にはGeが含まれず、酸化の進行とともにGeは結晶層
410へとはじき出される。さらに埋め込み酸化膜14
と表面の熱酸化膜416との間にはさまれたGe原子
は、埋め込み酸化膜14を通りぬけることもできないの
で、SiGe層410が薄くなるにつれてGe濃度が高
くなる。その結果、FET部においては、埋め込み酸化
膜14上にGe組成45%、厚さおよそ30nmのSi
Ge層16Aと熱酸化膜416が残る。なお、開口部以
外の窒化膜30Bで覆われた部分に関しては酸化は進行
しない。
応じて電子や正孔(特に正孔)の移動度の増大の効果が
大きい。理想的には、1%以上の歪が加わっていること
が望ましい。これは、下地となるSiGe層16AのG
e組成にして約25%あるいはそれ以上に相当する。ま
た、格子緩和したSiGe層16Aがその上に成長する
ひずみSi層と同程度の層厚を有する場合は、両者の応
力がバランスして、一部応力が緩和SiGe層16Aへ
も加えられる可能性がある。その結果として、ひずみS
i層に1%以上の歪を加えるためには、下地のSiGe
層16AのGe組成を40%あるいはそれ以上とするこ
とが必要とされる。さらに、MOSFETにおいてゲー
ト長を0.1μm以下のサイズにまで微細化することを
想定した場合、ショートチャンネル効果の影響が無視で
きなくなる。これを低減するために、SOI構造におい
てSOI層の厚さを20nm程度あるいはそれ以下にす
る方法が有効とされている。以上のように、埋め込み酸
化膜層14上のSiGe層16Aの厚さを極薄化し、G
e濃度を高くすることはCMOS作製にとってはメリッ
トが大きい。
電子帯のバンド不連続量をさほど大きく取らなくても、
逆注入抑制の効果は得られる。むしろ、SiGe層16
BのGe組成を大きくすると、プロセスの困難さや、臨
界膜圧の制約などが生ずるため、必ずしもHBT部では
SiGe層16BのGe組成を高くする必要は無い。さ
らに、コレクタ部の電極を形成することを考えると、S
iGe層16Bの厚さを極端に薄くすることは、抵抗値
を高める結果となり不都合である。つまり、CMOS部
とは異なり、HBT部ではSiGe層16BのGe組成
を高め、厚さを薄くすることは、性能向上のために有効
な方法ではない。換言すると、CMOS部のみにおい
て、SiGe層16Aの厚さを薄くして、且つGe濃度
を高くすることが望ましい。
高濃度コレクタを形成するために、図12(a)に表し
たように、砒素のイオン注入を行う。このとき、FET
部のSiGe層16Aの領域には、厚さ130nm程度
の熱酸化膜416があるため、砒素は到達しない。
ET部の厚い酸化膜416を除去し、厚さ30nmのS
i0.55Ge0.45層を露出させ、さらにその表面
を清浄化する。そして、厚さ15nmのひずみSi層1
8を成長し、さらにその表面に3nmの熱酸化膜418
を形成する。このとき、ひずみSi層18を選択成長の
モードで形成することにより、HBT部の窒化膜30B
上には成長せず、FET部にのみ成長させることが可能
である。また、その後の薄い熱酸化膜418も、当然H
BT部の窒化膜30B上には形成されない。
ェーハ全面に厚さ約100nmの多結晶Si層420を
堆積する。この層は、FET部、HBT部の全面に堆積
することができる。
ET部の多結晶Si層420をパターニングしてゲート
26を形成し、さらに側壁部28を形成する。さらに、
FET部は、n型、p型FET素子に応じて砒素、ホウ
素のイオン注入を施し、多結晶Siゲート26の低抵抗
化と、ソース/ドレイン領域18C、18Dの低抵抗化
を行う。このとき、HBT部に堆積した多結晶Si層4
20はベース引出し電極(外部ベース)32となるた
め、FET部でホウ素をイオン注入するときに同時にイ
オン注入を施すことができる。図13(a)では、n型
領域を保護膜422で覆い、HBT部及びp型領域にホ
ウ素をイオン注入している状態を表している。つまり、
この工程では、FET部のゲートとHBT部の外部ベー
ス(ベース引き出し部)32を同時に形成している。
が、ここで多結晶SiGeを用いることも、優れた素子
を作製するために有効である。このようにすれば、HB
T部において、真性ベース層はSiGeとなるため、外
部ベースもSiGeとした方が抵抗低減の効果が期待で
きる。同じくFET部のゲートにおいても多結晶SiG
eは高濃度に不純物を導入したときのキャリアの活性化
率が高いことが期待され、低抵抗化さらには、チャンネ
ル側の空乏層の伸びを抑える効果などが期待される。
の低抵抗化や、ソース/ドレイン領域18C、18Dの
低抵抗化が終了した後は、ウェーハ表面をCVDで形成
する酸化膜(保護膜)424で覆い、HBT作成の工程
へすすむ。一方、HBT部では、ホウ素のイオン注入が
終了した多結晶Si層420の上に、図13(b)に表
したように、厚さ50nmの酸化膜38Aと厚さ50n
mの窒化膜38BをそれぞれCVD法で堆積する。
性ベース部に対応する部分の窒化膜38Bおよび酸化膜
38Aを開口し、さらに、ホウ素の添加してある多結晶
Si層420をエッチングする。このとき、多結晶Si
層420のエッチング量を調節し、窒化膜38Bおよび
酸化膜38Aからなるマスクの下側まで一部除去する。
すなわち窒化膜38B、酸化膜38Aが「ひさし」のよ
うに飛び出して残る形状とする。
レクタ部16Bの上の薄い窒化膜30B、酸化膜30A
を除去する。ここでは、まずドライエッチング法で窒化
膜30Bを除去するが、外部ベース32の上を保護する
窒化膜38Bは厚さが厚いので除去されずに残る。
露出させた後、露出した表面を清浄化して、ホウ素を添
加した厚さ50nmのSi0.85Ge0.15層34
を選択成長のモードで成長する。この結果、真性ベース
層34はコレクタ領域16Bに接合し、且つ外部ベース
を保護するひさし状の窒化膜38B/酸化膜38Aの下
で外部ベース32に接続するように形成される。
らに真性ベース34の上に不純物を添加しないSi層3
6を成長し、イオン注入により砒素を添加してエミッタ
に加工する。このときSi層36を成長する際にドーパ
ントを添加してもかまわない。
15%から徐々に30%まで増加する傾斜組成層を用い
ることも、ベース内を走行する電子のスピードを加速す
る効果が期待できて、素子性能を上げるためには有効で
ある。
要な部分を開口しアルミニウム等の金属材料で電極を形
成して図9に表した半導体装置が完成する。
絶縁膜上に形成された格子緩和したSiGe層の上に、
チャンネル層となるひずみSi層を積層することによ
り、このひずみSi層をチャンネルに利用でき、より高
速の移動度のMOSFETを実現できる。
に形成された、格子緩和したSiGe層をコレクタ層と
し、その上に薄膜成長したSiGe層をベース層とし、
Siエミッタ層を積層するHBTを作成することによ
り、同一の材料系で超高速のCMOSFETとHBT
を、容易な素子分離工程により作製することが可能とな
る。
す概念図である。
バンド構造を表す概念図である。
部断面構成を表す概念図である。
要部を表す工程断面図である。
要部を表す工程断面図である。
要部を表す工程断面図である。
要部を表す工程断面図である。
要部を表す工程断面図である。
構成を表す概念図である。
工程断面図である。
工程断面図である。
工程断面図である。
工程断面図である。
工程断面図である。
表す概念図である。
13)
Claims (6)
- 【請求項1】絶縁層の上に電界効果型素子とバイポーラ
型素子とが設けられてなる半導体装置であって、 前記電界効果型素子は、前記絶縁層の上に形成された第
1のIV族半導体からなるバッファ層と、前記バッファ層
の上に設けられ前記第1のIV族半導体よりも格子定数の
小さい第2のIV族半導体からなるひずみ半導体層と、を
有し、前記ひずみ半導体層にチャネル領域とソース領域
及びドレイン領域が設けられてなり、 前記バイポーラ型素子は、前記絶縁層の上に形成された
第3のIV族半導体からなるコレクタ層と、前記コレクタ
層の上に設けられ前記第3のIV族半導体と略同一の格子
定数を有する第4のIV族半導体からなるベース層と、前
記ベース層の上に設けられ、前記第3及び第4のIV族半
導体よりも格子定数の小さい第5のIV族半導体からなる
エミッタ層と、を有することを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】前記第1のIV族半導体は、SiGeを主成
分とし、 前記第2のIV族半導体は、Siを主成分とし、 前記第3のIV族半導体は、SiGeを主成分とし、 前記第4のIV族半導体は、前記第3のIV族半導体と実質
的に同一であり、 前記第5のIV族半導体は、Siを主成分とすることを特
徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】前記第1のIV族半導体は、SiGeを主成
分とし、 前記第3のIV族半導体は、SiGeを主成分とし、 前記第1のIV族半導体におけるGeの濃度は、前記第3
のIV族半導体におけるGeの濃度よりも高いことを特徴
とする請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】前記バッファ層の層厚は、前記コレクタ層
の層厚よりも薄いことを特徴とする請求項1〜3のいず
れか1つに記載の半導体装置。 - 【請求項5】前記バッファ層、前記コレクタ層及び前記
ベース層に導入された格子ひずみは、前記ひずみ半導体
層及び前記エミッタ層に導入された格子ひずみよりも小
なることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記
載の半導体装置。 - 【請求項6】絶縁層の上に電界効果型素子とバイポーラ
型素子とが設けられてなる半導体装置の製造方法であっ
て、 絶縁層の上にシリコンとゲルマニウムとを含有する半導
体層が積層されたウェーハを形成する工程と、 前記ウェーハ上の一部分のみを表面から酸化させて酸化
層を形成することより、前記酸化層の下に残留する前記
半導体層におけるゲルマニウムの濃度を上昇させる工程
と、 前記ウェーハ上の前記一部分において前記電界効果型素
子を形成する工程と、 前記ウェーハ上の前記一部分以外において前記バイポー
ラ型素子を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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