JP2006344941A - Cmos集積回路の製造に用いるゲルマニウム・エピタキシャル膜を絶縁体上で成長させる方法 - Google Patents

Cmos集積回路の製造に用いるゲルマニウム・エピタキシャル膜を絶縁体上で成長させる方法 Download PDF

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Abstract


【課題】 SOIおよびGOIの両部分に対して用いられるCMOSの製造方法を好適に提供すること。
【解決手段】 本発明によるシリコンベースのCMOSを製造する方法は、シリコン基板ウェハを用意する工程(12)、シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程(14)、絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程(16)、絶縁層上およびシリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程(18)、多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程(20)、絶縁材料を用いて多結晶ゲルマニウムを被覆する工程(22)、多結晶ゲルマニウムの溶解に十分な温度でウェハを短時間アニールする工程(24)、ウェハを冷却して多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促す工程(26)、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程、CMOSデバイスを完成させる工程(28)を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、高速集積回路に関し、特に、ゲルマニウム・オン・インシュレータのコンポネントとシリコン・オン・インシュレータのコンポネントとを有するCMOSに関する。
従来の高速集積回路は、デバイスのサイズを縮小してキャリアの輸送時間を短縮することによって、および、ストレインド・シリコン(strained silicon)を用いてキャリアの移動性を高めることによって形成されていた。両プロセスは、短チャンネルのデバイスと複雑な製造プロセスとを要求していた。
ゲルマニウムの電子移動度と正孔移動度は、シリコンの場合の約3倍であり、このため、ゲルマニウムCMOSの速度は、同世代(same generation)のシリコンCMOS集積回路の少なくとも2倍になると考えられている。ゲルマニウム・オン・インシュレータ(GOI)技術を用いた場合の速度は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)技術を用いた場合の約2倍になると考えられている。超高性能のシステム・オン・チップ(SOC)集積回路は、SOCの高速部にGOI CMOSを用い、集積回路の低速部にSOI CMOSを用いることによって製造され得る。SOCチップの性能は、実質的に、同世代の集積回路製造技術を用いた最先端のシリコン集積SOCよりも高い。
Liu et al.,High quality single−crystal Ge on insulator by liquid−phase epitaxy on Si substrate,Applied Phisics Letters,vol.84,no.14,pp 2563−2565は、シリコン基板上でのシード層の形成によってゲルマニウム結晶方向がコントロールされる、ゲルマニウム・オン・インシュレータ・デバイスについて記述している。
本発明の目的は、SOIおよびGOIの両部分に対して用いられる、CMOS製造方法を提供することである。
本発明の目的は、従来のデバイス構造よりも2世代以上速い速度を提供することである。
(発明の要約)
シリコン/ゲルマニウムCMOSの製造方法は、シリコン基板ウェハを用意する工程と、シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程と、絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、絶縁層上、および、シリコン基板の少なくとも一部の上に、多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程と、多結晶ゲルマニウムを絶縁材料を用いて被覆する工程と、多結晶ゲルマニウムが溶解するのに十分な温度でウェハを短時間アニールする工程と、ウェハを冷却して多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシ(LPE)を促す工程と、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、CMOSデバイスを完成させる工程とを含む。
本発明は、更に以下の手段を提供する。
(項目1)
シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
シリコン基板ウェハを用意する工程と、
該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程と、
該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
該多結晶ゲルマニウムが溶解するのに十分な温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
該CMOSデバイスを完成させる工程
とを含む、方法。
(項目2)
前記シリコン基板ウェハを用意する工程が、該シリコン基板ウェハ上にシリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程が、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程を含む、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記ウェハを短時間アニールする工程が、約920℃から1000℃までの温度に該ウェハを加熱する工程を含む、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記CMOSを完成させる工程が、ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、項目1に記載の方法。
(項目6)
シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
シリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、シリコン基板ウェハを用意する工程と、
該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程を含む、該シリコンベースのCMOS上にゲルマニウムベースのCMOSを形成する工程と、
該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
該多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程と、
該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
該多結晶ゲルマニウムが溶解するのに十分な温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
該ゲルマニウムベースのCMOSデバイスを完成させる工程
とを含む、方法。
(項目7)
前記多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程が、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程を含む、項目6に記載の方法。
(項目8)
前記ウェハを短時間アニールする工程が、約920℃から1000℃までの温度に該ウェハを加熱する工程を含む、項目6に記載の方法。
(項目9)
前記CMOSを完成させる工程が、前記ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、項目6に記載の方法。
(項目10)
シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
シリコン基板ウェハを用意する工程と、
該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程と、
該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
該多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程と、
該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
該多結晶ゲルマニウムは溶解するが該シリコン基板ウェハと該絶縁層が溶解しない約920℃から1000℃までの温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
該CMOSデバイスを完成させる工程
とを含む、方法。
(項目11)
前記シリコン基板ウェハを用意する工程が、該シリコン基板ウェハ上にシリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、項目10に記載の方法。
(項目12)
前記CMOSを完成させる工程が、ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、項目10に記載の方法。
上述の本発明に関する要約と目的は、本発明の性質を迅速に理解出来るようにするために提供されたものである。本発明に関する更なる十分な理解は、以下に続く好ましい実施形態に関する詳細な記述を図面と併せて参照することによって得ることが出来る。
(好ましい実施形態に関する記述)
本発明の方法に係るデバイス構造は、従来のデバイス構造の速度よりも2世代以上速い速度を提供する。本発明は、シリコンCMOS集積回路基板上にゲルマニウムCMOSを製造するため、シリコン基板上の絶縁体の上にゲルマニウムのエピタキシャル層を成長させ、バルクシリコンCMOSハイブリッド集積回路上にゲルマニウム・オン・インシュレータ(GOI)CMOSを形成する方法を提供する。この技術は、システムの高速部に対してはゲルマニウムCMOSが提供され、一方でシステムの低速部は従来のバルクシリコン技術を用いて製造される、高速のシステム・オン・チップ(SOC)回路の製造に対して適切である。
図1を参照する。本発明の方法は工程10に示されている。上記方法は、従来の製造技術を用いてシリコンウェハを用意する工程12を含む。工程14では、窒化シリコンの薄層が約10nmから500nmの厚さでシリコンウェハ上に堆積される。これは、他の絶縁層によって置換され得る。工程16では、上記窒化シリコンは、パターニングおよびエッチングされる。その後、工程18において、多結晶ゲルマニウムの層は、約5nmから100nmまでの厚さに非選択的に堆積される。上記のゲルマニウム堆積法はCVD(化学気相成長),PVD(物理気相成長),MBE(分子線エピタキシ)、または、その他の適切な薄膜堆積法であり得る。
工程20では、ゲルマニウムフィルムは所望の特徴にパターニングおよびエッチングされる。これら特徴は、ゲルマニウムフィルムがシリコン基板上に直接的に配置されている小領域を含み得る。上記小領域は、その後のゲルマニウム・エピタキシャル・プロセスにおいて、シードとして機能する。
工程22では、約10nmから100nmの厚さを有する共形の酸化ケイ素の誘電層が堆積され、ゲルマニウムフィルムが被覆される。工程24では、短時間アニール(RTA)が用いられ、シリコン基板ウェハとゲルマニウムフィルムとを約920℃から1000℃の間で加熱する。結晶ゲルマニウムの融解温度は937℃である。この熱処理の間、ゲルマニウムフィルムは融解してSiNフィルムとSiOフィルムは微小なルツボ(micro crusible)として機能し、液体ゲルマニウムが溢れるのを防ぎ、一方でシリコン基板と、SiOと、SiNとが固体状態を維持し続けるようにする。このため、本発明の方法を実行する上で、約920℃から1000℃までの温度範囲は臨界的である。その後、ウェハは冷却される。工程26において、冷却プロセス中にゲルマニウムの液相エピタキシャル(LPE)成長が起こり、シリコン基板に隣接してシーディングウィンドウ(seeding window)内のSi/Ge界面に成長フロントが形成され、上記成長フロントはゲルマニウム薄膜を介して横方向に拡大して行く。最終的に、シーディングウィンドウにおいて集中化(concentrated)および終端化(terminated)された欠陥を有する単結晶ゲルマニウムが形成される。これにより、GOI形成プロセスが完了する。このプロセスにより、ゲルマニウムCMOS・オン・インシュレータの薄膜デバイスを製造するための原料物質が提供される。その後、工程28において、CMOS構造が完成される。
ゲルマニウム−シリコンCMOSは、以下のように製造され得る。図2を参照すると、バルクCMOSのフロントエンドを完成させるための、最先端のバルクCMOS製造プロセスが示されている。上記CMOS製造プロセスは、シリコン基板30を用意する工程12を含む。上記工程12は、シリコンベースのCMOSを製造することを含む。上記シリコンベースのCMOSを製造する工程は、ゲートオキサイド32を堆積させる工程と、N+ソース34、ドレイン電極36およびゲート電極38を形成する工程と、P+ソース40、ドレイン電極42およびゲート電極44を形成する工程とを含む。
ウェハ表面を平坦化するために、酸化保護被膜46が堆積され、CMP(化学的機械的研磨)される。フォトレジストが適用され、上記オキサイドがパターニングおよびエッチングされ、その後、イオン注入され、図2に示されている構造が生成される。
図3を参照する。ゲルマニウムベースのCMOSをシリコンベースのCMOS上に形成する工程は、厚さが約5nmから100nmまでのゲルマニウム層48を堆積させる工程を含む。ゲルマニウム層48は厚さ約10nmから100nmの絶縁層50で覆われ、上記絶縁層50はゲルマニウム層48を被覆する。上記絶縁層はSiNまたはSiOであり得る。ウェハはRTA炉(RTA furnace)24に置かれ、ゲルマニウムにLPEを施す工程26は、温度約920℃から1000℃の間で行なわれる。絶縁層50はエッチングされ、単結晶ゲルマニウム層48が露出される。上記GOIを絶縁するために、任意のマスクが用いられ、シード領域内のゲルマニウムフィルムをエッチングし得る。上記マスクは、ここでのウェハの製造に好適なものであり得る。シード領域内のゲルマニウム52全てを完全に除去する必要は、必ずしもない。
HfO,ZrOのような高誘電率ゲート絶縁膜54が堆積され、続いて多結晶ゲルマニウムまたは多結晶シリコンの堆積される。フォトレジストが適用され、パターニングされ、多結晶ゲルマニウムまたは多結晶シリコンはエッチングされ(工程20)、高速CMOSゲート電極56を形成する。イオン注入により、ゲルマニウムCMOSにおいてn−LLD領域58とp−LLD領域60が形成される。酸化物/窒化物のゲート側壁62が形成される。別のイオン注入工程によって、P+ソース/ドレイン領域64とN+ソース/ドレイン領域66とが形成される。ソース/ドレイン・イオン注入に先立ち、ソース/ドレイン領域で選択的なシリコンエピタキシャル成長に関する任意の工程が用いられ、ソース/ドレイン寄生抵抗(parasitic resistance)を減らし、デバイスの性能を高めることは好適であり得る。結果として得られる構造は、図4に示される。
図5を参照する。ソース/ドレインとゲートのサリサイド化に関する任意の工程が実行され、ソース/ドレイン領域とゲート電極と金属接触との上に、サリサイド層68が形成され得る。酸化保護被膜が堆積され、続いて金属接触70を形成するためにメタライゼーションが行なわれる。図5では、簡略化のため、バルクCMOSのメタルライン(metal line)は示されていない。シリコンバルクCMOSのメタライゼーションは、GOI CMOSの製造以前に完成、または、部分的に完成されるが、ゲルマニウムシード・ビアのアスペクト比は大きいため、ゲルマニウム薄膜はビアを充填することが出来ない。この場合、ゲルマニウム薄膜を堆積させる前に、ゲルマニウムシード・ビアを充填するための選択的なシリコンエピタキシャルプロセスが必要とされ得る。
図6は、ゲルマニウム、シリコン、およびヒ化ガリウムの各々に対し、電子移動度と正孔移動度とをドーピング密度の関数として表示している。この図に示されているように、Geの電子移動度と正孔移動度は、シリコンの場合の3倍以上である。
上述のように、GOIコンポネントとSOIコンポネントの両方を有するCMOSデバイスの製造方法が述べられてきた。添付の請求項に規定されている本発明の目的から逸れずに、更なる変更と改良が実行され得ることが理解される。
図1は、本発明の方法を示すフローチャートである。 図2は、本発明の方法に従った半導体デバイスの製造に関する一つの断面を示している。 図3は、本発明の方法に従った半導体デバイスの製造に関する一つの断面を示している。 図4は、本発明の方法に従った半導体デバイスの製造に関する一つの断面を示している。 図5は、本発明の方法に従った半導体デバイスの製造に関する一つの断面を示している。 図6は、ゲルマニウム、シリコン、およびヒ化ガリウムに対し、電子移動度と正孔移動度とをドーピング密度の関数として表示している。
符号の説明
30 シリコン基板
46 酸化保護被膜
34 N+ソース
36 ドレイン電極
38 ゲート電極
40 P+ソース
42 ドレイン電極
44 ゲート電極
50 絶縁層
48 ゲルマニウム層
54 高誘電率ゲート絶縁膜
56 高速CMOSゲート電極
58 n−LLD領域
60 p−LLD領域
62 ゲート側壁
68 サリサイド層
70 金属接触

Claims (12)

  1. シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
    シリコン基板ウェハを用意する工程と、
    該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程と、
    該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
    該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
    該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
    該多結晶ゲルマニウムが溶解するのに十分な温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
    該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
    該CMOSデバイスを完成させる工程
    とを含む、方法。
  2. 前記シリコン基板ウェハを用意する工程が、該シリコン基板ウェハ上にシリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程が、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程を含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記ウェハを短時間アニールする工程が、約920℃から1000℃までの温度に該ウェハを加熱する工程を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記CMOSを完成させる工程が、ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、請求項1に記載の方法。
  6. シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
    シリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、シリコン基板ウェハを用意する工程と、
    該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程を含む、該シリコンベースのCMOS上にゲルマニウムベースのCMOSを形成する工程と、
    該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
    該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
    該多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程と、
    該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
    該多結晶ゲルマニウムが溶解するのに十分な温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
    該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
    該ゲルマニウムベースのCMOSデバイスを完成させる工程
    とを含む、方法。
  7. 前記多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程が、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程を含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記ウェハを短時間アニールする工程が、約920℃から1000℃までの温度に該ウェハを加熱する工程を含む、請求項6に記載の方法。
  9. 前記CMOSを完成させる工程が、前記ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、請求項6に記載の方法。
  10. シリコンゲルマニウムCMOSを製造する方法であって、
    シリコン基板ウェハを用意する工程と、
    該シリコン基板ウェハ上に絶縁層を堆積させる工程と、
    該絶縁層をパターニングおよびエッチングする工程と、
    該絶縁層上、および、該シリコン基板ウェハの少なくとも一部の上に、厚さが約5nmから100nmまでの多結晶ゲルマニウムの層を堆積させる工程と、
    該多結晶ゲルマニウムをパターニングおよびエッチングする工程と、
    該多結晶ゲルマニウムを絶縁層を用いて被覆する工程と、
    該多結晶ゲルマニウムは溶解するが該シリコン基板ウェハと該絶縁層が溶解しない約920℃から1000℃までの温度まで、該ウェハを短時間アニールする工程と、
    該ウェハを冷却して該多結晶ゲルマニウムの液相エピタキシを促し、これにより単結晶ゲルマニウム層を形成する工程と、
    該CMOSデバイスを完成させる工程
    とを含む、方法。
  11. 前記シリコン基板ウェハを用意する工程が、該シリコン基板ウェハ上にシリコンベースのCMOSを形成する工程を含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記CMOSを完成させる工程が、ゲルマニウムベースのCMOSデバイスのソース/ドレイン・サリサイド化とゲート・サリサイド化とを含む、請求項10に記載の方法。
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