JP3843043B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、SiGeC層あるいはSiGe層を用いたヘテロ接合の電界効果型トランジスタを備えた半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化が進行しつつあるが、MOS型トランジスタの微細化もゲート長が0.1μmを下回るような超微細化領域においては、短チャンネル効果の影響や抵抗成分の増大などにより、電流駆動能力が飽和するなど、これまでのような性能向上を見込めないことが予想されている。特に、微細MOSトランジスタの高駆動力化のためには、チャネルのキャリア移動度の向上や、ソース・ドレイン電極のコンタクトの低抵抗化が重要である。
【0003】
そこで、シリコン基板上に形成される単一組成のSiを用いた相補型半導体装置(CMOSデバイス)に代わって、Si/SiGe系(IV族混晶)によるヘテロ構造CMOSデバイス(Heterostructure CMOS:以下、HCMOSデバイスと略する)の提案がされている。これは、チャネルとしてSi/Si02 界面ではなくバンドギャップが相異なる2種類の半導体によるヘテロ接合体の界面を利用するものである。このようなSiよりも高いキャリア移動度を与えるSi/SiGe系を用いることにより、より高速の素子を実現できると期待されている。このSi/SiGe系では、組成の制御によりSi基板上に所望の歪量とバンドギャップ値とを有するエピタキシャル成長層を形成することが可能である。IBM社のIsmail は、Si/SiGe系系のHCMOSデバイスによる特性向上についての基礎実験をしている(K. Ismail, "Si/SiGe High Speed Field-Effect Transistors", IEDM Tech. Dig. 1995, p509. 及びM.A. Armstrong et al, "Design of Si/SiGe Hetrojunction Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors" IEDM Tech. Dig. 1995, p761.を参照)。
【0004】
図15は、このHCMOSデバイスの一例を示す断面図である。同図に示すように、Si基板101の一部には、ソース・ドレイン領域109と、ゲート絶縁膜107及びその上にゲート電極110とにより構成される電界効果型トランジスタが設けられている。そして、ゲート電極110の下方におけるソース領域−ドレイン領域間のいわゆるチャネル領域には、SiGeバッファ層102と、δドープ層115と、スペーサ層103と、i−Si層104と、i−SiGe層105と、i−Si層106とが形成されている。これらの領域において、SiGeバッファ層102は、i−Si層104とi−SiGe層105との間にn−チャネル層112を形成するために、i−Si層104に引っ張り歪みを与えるものである。このSiGeバッファ層102において、Si基板101の直上ではGe組成比が0%となり、最上ではGe組成比が30%となるように、段階的に組成比が変更されている。
【0005】
ここで、負バイアスが印加されると、i−Si層104において、下方のSiGeバッファ層102とのヘテロ界面にn−チャネル層112が形成される。δドープ層115は、上方に形成されるn−チャネル層112にキャリアである電子を供給するものである。また、スペーサー層103は、下方に形成されたδドープ層115のイオンと上方のn−チャネル層112とを空間的に分離し、キャリアのイオン散乱による移動度の低下を防止するものである。
【0006】
また、正バイアスが印加されると、i−SiGe層105において、上方のi−Si層106とのヘテロ界面にはp−チャネル層111が形成される。ゲート絶縁膜107は、ゲート電極110とp−チャネル層111とを絶縁するためのものである。
【0007】
上述のように、ヘテロ電界効果トランジスタにおいては、バンドギャップの異なる2種類の半導体層間のヘテロ界面にチャネルを形成することが特徴である。従って、チャネル形成のために必然的にバンドギャップの異なる少なくとも2種類の半導体層が存在する。加えて、半導体層中に電子又は正孔が高速で移動するためのチャンネルを形成するには、ヘテロ界面に伝導帯又は価電子帯の不連続部を有することが必要となる。上述のSi/SiGe系では、正孔についてはSiGe層105がi−Si層106に対して価電子帯における不連続部を有するため、正孔用のチャネルが形成される(図15の左方部分参照)。しかし、伝導帯には不連続部がほとんどないので、電子用のチャネルを形成するために、i−Si層104に引っ張り歪を印加することにより、i−SiGe層105とのヘテロ界面に伝導帯の不連続部を形成している(図15の右方部分参照)。
【0008】
このような構造をもつHCMOSデバイスは、Si/Si02 によるチャネルを使用する従来のCMOSデバイスに比べ、同じ加工寸法で2倍の高速度動作を半分の消費電力で実現できることがシミュレーションの結果から予想されている。すなわち、Si半導体とSiGe混晶を組み合わせることによりヘテロ界面を形成し、高移動度チャネルを形成した半導体素子であって、ヘテロ接合を利用する素子の高速動作と、MOSデバイスの大規模集積性を両立する素子として非常に注目を集めている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなSiGeなどのIV族混晶を利用するヘテロデバイスは従来のCMOSデバイスの性能限界を克服する方法として大いに期待されているが、SiGeに代表されるIV族混晶を用いるヘテロ電界効果トランジスタは、その製造の難しさから同じSiGe混晶を用いたヘテロデバイスであるヘテロバイポーラトランジスタに比べ研究開発が遅れており、まだその期待される性能を十分発揮しうる構造および製造方法の検討が十分に行われているとはいえない。また、ヘテロ電界効果トランジスタの中でも、上述のようなゲート電極と半導体層の間に絶縁膜を有するいわゆるヘテロMOS構造の場合、SiGe層内には安定で良好な絶縁膜を形成できないため、ゲート絶縁膜としてSi02 からなる酸化膜を使用する。従って、ゲート絶縁膜の直下は必ずSi層である必要があるが、SiはSiGeに比べ必ずバンドギャップが大きいという特徴をもっている。
【0010】
そのために、上記従来のHCMOSデバイスの構造においては、以下のような問題があった。
【0011】
第1に、上述のように、Si基板101上に電子のチャネルを形成するために、i−Si層104に引っ張り歪を印加して、Si/SiGeヘテロ界面にバンド不連続を形成している。しかし、格子定数を変化させることから、格子緩和による転位の導入を伴う。
【0012】
図16は、SiGeバッファ層102とその上のi−Si層104とを抜き出して示す断面図である。i−Si層104は、SiGeバッファ層102よりも格子定数が小さいことから、結晶成長した段階で引っ張り歪みが蓄積されている。この歪みの蓄積が大きくなると、同図に示すように、i−Si層104に転位が入ってしまう。このように、i−Si層104とSiGeバッファ層102との間における格子不整合歪による転位や欠陥の導入は避けられない。したがって、この結晶を利用した素子の初期特性はともかく、信頼性や寿命の観点からは、転位の増殖などによる特性劣化の影響がでてくると考えられる。
【0013】
また、Si基板101上にSiより格子定数の大きなSiGeからなるSiGeバッファ層102を積層し、その上に成長するi−Si層104に引っ張り歪を蓄積させているが、SiGeバッファ層102の膜厚を大きくしていくと、その間にSiGeバッファ層102の格子定数がSiの格子定数から本来のSiGeの格子定数に変化する臨界膜厚を超えるため、格子緩和が生じSiGeバッファ層102にも転位等の欠陥が導入される。
【0014】
これらの欠陥は、素子の初期特性への影響は少ない場合もあるが、長期的な信頼性や寿命という観点からは、重大な問題を引き起こすおそれがある。すなわち、電流による欠陥の増殖や、金属や不純物の欠陥を介在した拡散による劣化が生じ、信頼性の低下を招くおそれがある。
【0015】
本発明の第1の目的は、HCMOSデバイスのゲート下方のチャネル領域における構造としてキャリア蓄積層を形成しうるバンド不連続部を有しながら格子整合又はほぼ格子整合したヘテロ接合体を利用することにより、キャリアの移動度が高くかつ信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【0016】
第2に、SiGeに代表されるIV族混晶を用いたヘテロ電界効果デバイスは、従来の微細CMOSデバイスの性能限界を克服する素子構造として有効な技術であるが、現時点ではチャネル移動度の向上の研究に比べ、ソース・ドレイン電極のコンタクトの最適化の検討はさらに不十分であり、その高移動度を十分生かしきる構造になっているとはいえない。上述のIBM社によるヘテロCMOSデバイスの技術も、チャネル領域の移動度向上については詳細な検討が行われているが、微細トランジスタの性能向上に重要なもう一つの要素であるソース・ドレイン電極のコンタクトの低抵抗化についてはほとんど検討がなされていない。
【0017】
すなわち、Si単結晶を用いたCMOSデバイス構造においては、ソース・ドレイン電極に接続される基板側のコンタクト領域の構造についてはさまざまな検討が為されているが、一般的なCMOSデバイスにおける最適なコンタクト領域の構造および形成方法が、素子構造が異なるヘテロ電界効果デバイスにおいても最良であるかどうかは検討が必要である。
【0018】
本発明の第2の目的は、ヘテロ電界効果デバイスの優れた特性を損ねることなく小さなコンタクト抵抗を発揮しうるコンタクト領域を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の半導体装置は、半導体基板の一部に形成され、ゲート電極とソース・ドレイン領域と該ソース・ドレイン領域間のチャネル領域とを有する電界効果トランジスタを備えている半導体装置であって、上記チャネル領域には、Si層と、上記Si層に接して形成されたSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、Si1-x-y Gex Cy 層内における上記Si層に近接した領域にはキャリア蓄積層が形成されており、上記Si1-x-y Gex Cy 層の各元素の組成比は、上記Si1-x-y Gex Cy 層と上記Si層とが格子整合する組成比に調整されている。
【0020】
これにより、Cの組成比yが0.01〜0.03であるSi1-x-y Gex Cy 層とSi層との界面には、キャリアを2次元的に閉じこめるキャリア蓄積層を形成するのに必要なバンド不連続部を形成することが可能である。そして、このキャリア蓄積層がチャネルとして機能するので、Si層よりも大きなキャリア移動度を与えるSi1-x-y Gex Cy 層をチャネルとする動作速度の大きい電界効果型トランジスタが得られる。しかも、Si1-x-y Gex Cy 層とSi層との間では、格子不整合がなくなりあるいは極めてわずかになるように制御できるので、格子歪を0あるいはほとんどないように調整でき、Si1-x-y Gex Cy 層に結晶欠陥が入らないように構成することが可能である。したがって、高い信頼性を有する半導体装置を得ることができる。そして、格子不整合に起因する歪のないSi1-x-y Gex Cy 層内にチャネルが形成されるので、極めて高い信頼性を有する半導体装置が得られることになる。
【0021】
本発明の第2の半導体装置は、半導体基板の一部に形成され、ゲート電極とソース・ドレイン領域と該ソース・ドレイン領域間のチャネル領域とを有する電界効果トランジスタを備えている半導体装置であって、上記チャネル領域には、Si層と、上記Si層に接して形成されたSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、上記Si1-x-y Gex Cy 層内における上記Si層に近接した領域にはキャリア蓄積層が形成されており、上記Si1-x-y Gex Cy 層は、上記Si層よりも小さい格子定数を有し、かつ格子緩和を生じない膜厚を有している。
【0022】
これにより、Si1-x-y Gex Cy 層には引っ張り歪みが加わるために、Si層とのバンドの不連続量を大きくすることができ、キャリアの閉じこめ効率が向上する。
【0023】
本発明の第3の半導体装置は、半導体基板の一部に形成され、ゲート電極とソース・ドレイン領域と該ソース・ドレイン領域間のチャネル領域とを有する電界効果トランジスタを備えている半導体装置であって、上記チャネル領域には、Si層と、上記Si層に接して形成されたSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、上記Si1-x-y Gex Cy 層内における上記Si層に近接した領域にはキャリア蓄積層が形成されており、上記Si1-x-y Gex Cy 層の伝導帯の下端と上記Si層の伝導帯の下端との間のエネルギーレベルが不連続である。
【0024】
本発明の第4の半導体装置は、半導体基板の一部に形成され、ゲート電極とソース・ドレイン領域と該ソース・ドレイン領域間のチャネル領域とを有する電界効果トランジスタを備えている半導体装置であって、上記チャネル領域には、Si層と、上記Si層に接して形成されたSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、上記Si1-x-y Gex Cy 層内における上記Si層に近接した領域にはキャリア蓄積層が形成されており、上記キャリア蓄積層に蓄積されるキャリアは負又は正のキャリアである。
【0025】
本発明の第5の半導体装置は、半導体基板の一部に形成され、ゲート電極とソース・ドレイン領域と該ソース・ドレイン領域間のチャネル領域とを有する電界効果トランジスタを備えている半導体装置であって、上記チャネル領域には、Si層と、上記Si層に接して形成されたSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、上記上記Si層内の上記Si1-x-y Gex Cy 層に近接した領域には、上記蓄積層にキャリアを供給するためのキャリア供給層がさらに形成されている。
【0026】
本発明の第6の半導体装置は、Si基板上に、互いに組成が異なるSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)と、ゲート酸化膜と、ゲート電極とを備え、ヘテロ界面に閉じ込められた電荷を上記ゲート電極から印加した電圧により制御するものである。
【0027】
上記Si1-x-y Gex Cy 層のGe組成比x及びSi組成比yを上記Si基板にほぼ格子整合する範囲とし、さらに、上記Si1-x-y Gex Cy 層のバンドギャップエネルギーを制御して伝導帯端及び価電子帯端の不連続を形成し、電子または正孔のチャネルとすることができる。
【0028】
本発明の第7の半導体装置は、半導体基板上に形成された少なくとも1つの電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、上記電界効果トランジスタは、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)を含む第1の半導体層、上記第1の半導体層とはバンドギャップの異なる半導体により構成される第2の半導体層、及び上記第1,第2の半導体層の間の界面付近の領域に形成されたキャリア蓄積層を有するチャネル領域と、第3の半導体層及び該第3の半導体層よりもバンドギャップの大きい半導体で構成される第4の半導体層を有するソース・ドレイン領域と、上記第3の半導体層の直上に形成された低抵抗の導体膜からなるソース・ドレインコンタクト層とを備えている。
【0029】
これにより、ヘテロ接合を利用したキャリア移動の高いつまり動作速度の高い電界効果トランジスタにおけるソース・ドレイン領域へのコンタクト抵抗を低減することが可能になる。
【0030】
上記第1の半導体層と上記第3の半導体層とを共通の第1の半導体膜により構成し、上記第2の半導体層と上記第4の半導体層とを共通の第2の半導体膜により構成し、上記第2の半導体膜を上記第1の半導体膜の上に形成しておくことができる。
【0031】
本発明の半導体装置の製造方法は、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)を含む第1の半導体層と、上記第1の半導体層とは異なるバンドギャップを有する第2の半導体層と、上記第1,第2の半導体層の間の界面付近の領域に形成されたチャネルとなるキャリア蓄積層とを有し、電界効果トランジスタとして機能する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の電界効果トランジスタ形成領域に、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第3の半導体層と、該第3の半導体層よりも大きいバンドギャップを有する第4の半導体層とを順次形成する第1の工程と、上記第4の半導体層の上方に導体膜を堆積した後、該導体膜をパターニングしてゲート電極を形成する第2の工程と、上記ゲート電極の両側方に位置する上記電界効果型トランジスタ形成領域に少なくとも上記キャリア蓄積層に達する深さまで不純物を導入して、ソース・ドレイン領域を形成する第3の工程と、上記ソース・ドレイン領域における上記第4の半導体層を、少なくとも上記第3の半導体層が露出するまでエッチングにより除去する第4の工程と、上記第3の半導体層の露出した面上に低抵抗の導体膜からなるソース・ドレインコンタクト層を形成する第5の工程とを備えている。
【0032】
この方法により、上述の構造を有する半導体装置が容易に形成されることになる。
【0033】
上記第1の工程は、上記第1及び第3の半導体層を共通の第1の半導体膜から同時に形成し、上記第2及び第4の半導体層を共通の第2の半導体膜から同時に形成するように行うことができる。
【0034】
上記第4の工程は、上記第3の半導体層と上記第4の半導体層とに対するエッチング選択比の高いエッチング条件で行うことが好ましい。
【0035】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
第1の実施形態に係るHCMOSデバイスは、SiGe/Si系にCを添加してなるSiGeCの3元混晶系を用い、このSiGeC層とSi層とをほぼ格子整合させ、バンドギャップエネルギーの差異からヘテロ界面にバンド不連続部を形成する電界効果トランジスタである。
【0036】
図1は、第1の実施形態に係るHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。同図に示すように、シリコン基板10上には、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとが形成されているが、まず、NMOSトランジスタの構造から説明する。
【0037】
NMOSトランジスタにおいて、Si基板10上にはpウェル11(高濃度p型シリコン層)が形成されており、さらにその上に、V族元素が高濃度にドーピングされたδドープ層及びスペーサー層を有するSi層13nと、SiGeC層14n(Cの組成率は1%、Geの組成率は8.2%)とが順次形成されている。後述するように、このSiGeC層14nにおける各元素の組成比は、SiGeC層14nとその直下のSi層13nとが格子整合する値となっている。
【0038】
このSiGeC層14nとSi層13nとのヘテロ界面には、図1の右方部分に示すように、バンドオフセット値ΔEc を有する伝導帯Ecのバンド不連続部が存在しており、このバンド不連続部に負のキャリアである電子を2次元電子ガス(2DEG)として閉じこめるためのキャリア蓄積層が形成される。そして、このSiGeC層14n側の界面付近に形成されたキャリア蓄積層が電子が高速で走行するチャネルとなる。SiGeC層14n内では、Si層内に比べて電子の移動度が大きく、このNMOSトランジスタの動作速度も大きくすることができる。
【0039】
さらに、このSiGeC層14nの上に、SiGe層15n(Geの組成率は30%、Siの組成率は70%)と、Si層17nとが順次形成され、さらに表面には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜19nが形成されている。このゲート絶縁膜19nの下にはSi層17nが存在しているために、Si層17nの表面を酸化するだけで結晶性の高いゲート絶縁膜19nを容易に形成することができる。ゲート絶縁膜19nの上には、ゲート電極18nが形成され、このゲート電極18nの両側に位置する基板内にはソース・ドレイン層16nが形成されている。SiGeC層14n内における電子の走行は、ゲート電極18nに印加される電圧によって制御される。なお、ソース・ドレイン層16nは、pウェル11に達する深さにまで形成されているが、少なくとも、SiGeC層14nに形成されるチャネルとなる部分の深さにまで形成しておけばよい。
【0040】
一方、PMOSトランジスタは、以上で説明したNMOSトランジスタとほぼ同じ構成を有している。Si基板10上にはnウェル12(高濃度n型Si層)が形成されており、さらにその上に、V族元素が高濃度にドーピングされたδドープ層を有するSi層13pと、SiGeC層14p(Geの組成率は8.2%、Cの組成率は1%)とが順次形成されている。さらに、このSiGeC層14pの上に、SiGe層15p(Geの組成率は30%、Siの組成率は70%)と、Si層17pとが順次形成されている。PMOSトランジスタの場合は、キャリアが正孔となるが、この正孔が流れるチャネルはSiGe層15pとSi層17pとの界面のSiGe層15p側に形成される。このSiGe層15pとSi層17pとのヘテロ界面に、バンドオフセット値ΔEv を有する価電子帯のバンド不連続部が存在し、この不連続部にキャリア蓄積層が形成される。したがって、SiGe層15p側の界面に形成されたキャリア蓄積層チャネルを正孔が走行するが、SiGe層15p内でもSi層内に比べて正孔の移動度が大きいので、このPMOSトランジスタの動作速度も大きくなる。
【0041】
PMOSトランジスタにおいて、Si層17pの上には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜19pが形成されている。ゲート電極18pの両側にはソース・ドレイン層16pが形成され、SiGe層15pにおける正孔の走行はゲート電極18pに印加される電圧により制御されている。
【0042】
また、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとの間は、基板に形成された溝をシリコン酸化膜によって埋め込んでなるトレンチ分離20が設けられており、このトレンチ分離20によって、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとが、互いに電気的に分離されている。
【0043】
なお、各Si層13n,13p、各SiGeC層14p,14n、各SiGe層15n,15p、各Si層17n,17pは、結晶成長によりそれぞれ同時に形成されている。そして、各層の寸法は、例えば以下のような寸法とすることができる。ただし、必ずしも以下の寸法に限定されるものではない。
【0044】
各Si層13n,13pの厚みは例えば0.6μm程度であり、0〜1μmの範囲にあることが好ましい。スペーサー層の厚みは例えば30nm程度であり、0〜50nmの範囲にあることが好ましい。各SiGeC層14p,14nの厚みは3〜50nmであることが好ましい。各SiGe層15n,15pの厚みは5nm程度であり、3〜5nmの範囲にあることが好ましい。各Si層17n,17pの厚みは1nm程度であり、0.5〜5nmの範囲にあることが好ましい。ゲート絶縁膜19n,19pの厚みは、例えば5nm程度である。
【0045】
また、ゲート電極18n,18pのゲート長は0.25μm,ゲート幅は2.5μm、ソース・ドレイン領域の幅は1.2μm程度であり、ソース・ドレイン電極21n,21pのコンタクト面積は、0.5μm×0.6μm程度である。各ウェル13n,13pのドーピング濃度は1×1017〜1×1018cm-3程度であり、δドープ層のドーピング濃度は、1×1018〜1×1020cm-3程度である。
【0046】
本実施形態におけるHCMOSデバイス(HeterostructureCMOSデバイス)の特徴は、SiGeC層を用いている点である。このSiGeC層は、Si、Ge、Cの各々の組成比の調整により、バンドギャップ量およびシリコンに対する格子不整合率を変えることができる。ここで、本実施形態におけるSi,Ge,Cの組成比と、各層の歪及びバンドオフセット量との関係について詳細に説明する。
【0047】
図2は、横軸にC(カーボン)の組成比(%)、縦軸にGeの組成比(%)をとったときに、SiGeC層とSi層との格子不整合率(%)(ミスフィット)が変化する様子を示している。ミスフィットがゼロのラインは、SiGeC層とSi層との格子定数が等しいことを示す。Ge(ゲルマニウム)単結晶の格子定数はSi単結晶の格子定数よりも大きく、C(カーボン)単結晶の格子定数は、Si単結晶の格子定数よりも小さいので、GeとCの組成比を調整することで、SiGeC層14nの格子定数とSi層13nの格子定数とを一致させることができるのである。
【0048】
図3は、Si,Ge,Cの3元素の組成比に対する格子整合との関係を示す特性図である。同図の3つの頂点は、それぞれSi,Ge,Cの組成率が100%(組成比が1)の点であり、SiGeC層の3元混晶系の組成比の調整によってSiとの格子不整合率が変化する様子を示している。同図中のハッチング領域はSiGeC層に引っ張り歪を与える組成比の領域を示し、同図中の実線は、SiGeC層とSi層との格子不整合がゼロつまり両者が格子整合するための各元素の組成比の条件を示す。Geの格子定数はSiの格子定数よりも4.2%大きく、Cの格子定数はSiの格子定数よりも34.3%小さいので、Geの組成比をCの組成比よりも8.2倍大きくすることで、SiGeC層の格子定数をSi層の格子定数に一致させることができる。
【0049】
本実施形態におけるSiGeC層14nにおいては、Geの組成率が8.2%(x=0.082)であり、Cの組成率が1%(y=0.01)であることから、図3よりSi基板との格子不整合が0であり、SiGeC層14nと下方のSi層13nとは同じ格子定数を有していることがわかる。
【0050】
次に、図4は、横軸にCの組成比をとり、縦軸にエネルギーレベルをとったときに、SiGeC層とSi層との界面における伝導帯のバンドオフセット値ΔEc、ならびに価電子帯のバンドオフセット値ΔEvが変化する様子を示している。但し、黒丸は価電子帯のバンドオフセット値ΔEvであり、白丸は伝導帯のバンドオフセット値ΔEcを表わしている。また、エネルギーの原点は、伝導帯に対してはSiの伝導帯の下端のエネルギー値にとり、価電子帯に対してはSiの価電子帯の上端のエネルギー値にとってある。また、同図の実線は無歪み系に対応し、同図の点線は引っ張り歪み系に対応している。
【0051】
図4に示すように、本実施形態のSiGeC層(Cの組成比が0.01)及びSi層間の界面における伝導帯ならびに価電子帯のバンドオフセット値は、それぞれ300meV、0meVであり、SiGeC層とSi層の界面では価電子帯にはバンド不連続部がなく、伝導帯にのみバンド不連続部が形成されることがわかる。また、本実施形態のSiGeC層14nにおけるCの組成比は0.01であるので、SiGeC層14nとSi層13nとは格子整合している。したがって、2次元電子ガスが走行するチャネルが形成されるSiGeC層14n内において、下方のSi層13nとの格子不整合に起因する転位等の欠陥の発生を防止できる。
【0052】
一方、本実施形態におけるSiGeC層14nとSi層13n間の界面における価電子帯にはバンド不連続部がないため、SiGeC層14n内に正孔を閉じ込めることができない。そこで、正孔をキャリアとするPMOSトランジスタの場合は、SiGe層15pとSi層17pとのヘテロ接合を利用している。SiGe単結晶の格子定数はSi単結晶の格子定数よりも大きく、しかも、SiGe層15pはSi層13pと格子整合しているSiGeC層14pの上に位置するため、圧縮歪みによるバンド構造の変化により価電子帯でのバンドオフセット値が大きくなっている。この場合もゲートからの電界印加時にバンド傾斜により正孔が2次元的に閉じ込められ(2DHG)て、キャリア蓄積層となる。したがって、SiGe層15p内のキャリア蓄積層が正孔が高速で走行するためのチャネルとなる。
【0053】
以上のように、本実施形態の構造によると、NMOSトランジスタにおいては、SiGeC層14nにおける各元素Si,Ge,Cの組成比の調整により、伝導帯のバンドオフセット値を2次元電子ガスを蓄積するのに十分な値に維持しながら、SiGeC層とSi層との間の格子整合を図ることができる。よって、SiGeC層内における2次元電子ガスの高いキャリア移動度を利用した動作速度の高速化を実現しながら、欠陥密度の低減による高い信頼性を発揮することができる。また、SiGeC層14nとSi層13n間の界面における価電子帯にはバンド不連続部がないため、SiGeC層14n内に正孔を閉じ込めることができないが、SiGe層15pとSi層17pとのヘテロ接合を利用することで、正孔をキャリアとして利用するPMOSトランジスタのチャネルを形成することができ、高速動作を実現することができる。
【0054】
そして、速度の大きいNMOSトランジスタと、SiGeを用いて価電子帯のバンド不連続部を形成して速度の大きいPMOSトランジスタとを集積することにより、高性能なHCMOSデバイスを実現することができる。
【0055】
なお、本実施形態では、Geの組成率を8.2%、Cの組成率を1%としたが、図4から格子整合系でバンド不連続部つまりバンドオフセット値ΔEvがもっとも大きくなるようにするには、Cの組成比を大きくすればよいことがわかる。このように大きなバンドオフセット値ΔEvを設けることにより、ヘテロ界面に閉じ込められた2次元電子ガス(2DEG)は、電子の濃度が高くなってもヘテロ界面を乗り越えることがなく、安定して走行することができる。特に、Cの組成比を0.01〜0.03の範囲に調整することが好ましい。この範囲内では、無歪み系及び引っ張り歪み系のいずれにおいても、2次元電子ガスを閉じこめるためのキャリア蓄積層を形成するのに適正なバンドオフセット値ΔEv(=−0.2〜−0.6えV)を得ることができる。
【0056】
なお、本実施形態では、SiGe層15pにおけるGeの組成率を30%としたが、バンドオフセット値がもっとも大きくなるようにGeの組成率を大きくし、圧縮歪みを大きくしてもよい。
【0057】
また、HCMOSデバイスはSi基板上に形成することから、素子のスピードが要求されるところにはこのHCMOSデバイスを用い、それ以外には、通常のSi単一組成を有する活性領域上に形成したCMOSデバイスを作製してもよい。このように構成することで、Si基板に直接作製するMOS型電界効果トランジスタとの集積化をも可能になる。なお、SiGeCを用いたデバイスとしては、同一基板上にp,n型のトランジスタを形成する必要はない。例えば、移動体通信機器に用いる集積回路の場合、高速動作が要求される高周波領域で使用される増幅器,ミキサー等は相補型回路を構成する必要がないために、p,n型のうちの一方のみ(例えばn型)のSiGeCを用いたMOSトランジスタで構成し、相補型回路を構成する必要のあるデジタル信号処理を行う部分をSi単一組成を用いたCMOSデバイスで構成することなどが考えられる。
【0058】
次に、第1の実施形態のHCMOSデバイスの製造方法について、図5(a)〜(f)を参照しながら説明する。図5(a)〜(f)は、図1に示すHCMOSデバイスの構造を実現するための製造工程の一例を示す断面図である。
【0059】
まず、図5(a)に示す工程で、Si基板10にpウェル11、nウェル12をイオン注入により形成する。
【0060】
次に、図5(b)に示す工程で、各ウェル11,12上に、UHVーCVD法によりδドープ層を含むSi層13と、SiGeC層14(Ge:8.2%、C:1%)と、SiGe層15と、Si層17とをそれぞれ成長させる。なお、δドープ層及びスペーサー層も形成されているが、見やすくするためにこれらの層の図示は省略されている。
【0061】
次に、図5(c)に示す工程で、PMOSトランジスタ、NMOSトランジスタとを電気的に分離するために、トレンチ分離用の溝を形成した後、この溝をシリコン酸化膜で埋めてトレンチ分離20を形成する。この処理により、Si層13、SiGeC層14、SiGe層15、Si層17が、各々NMOSトランジスタ側のSi層13n、SiGeC層14n、SiGe層15n、Si層17nと、PMOSトランジスタ側のSi層13p、SiGeC層14p、SiGe層15p、Si層17pとに分離される。さらに、Si層17n,17pの表面を酸化してゲート絶縁膜19n,19pをそれぞれ形成する。
【0062】
次に、図5(d)に示す工程で、基板の全面上にポリシリコン膜を堆積した後、これをパターニングしてNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタの各ゲート絶縁膜19n,19pの上にゲート電極18n,18pをそれぞれ形成する。その後、各ゲート電極18n,18pをマスクとして、NMOSトランジスタ側には、リンイオン(P+ )の注入により、ソース・ドレイン領域16nを形成し、PMOSトランジスタ側には、ボロンイオン(B+ )の注入により、ソース・ドレイン領域16pをそれぞれ形成する。NMOSトランジスタのソース・ドレイン領域16nの深さは少なくともSiGeC層14n内のキャリア蓄積層よりも深ければよく、PMOSトランジスタのソース・ドレイン領域16pの深さは、少なくともSiGe層15p内のキャリア蓄積層よりも深ければよい。これは、SiGeC層14n、SiGe層15p内の各キャリア蓄積層にチャネルが形成されるためである。
【0063】
次に、図5(e)に示す工程で、ゲート絶縁膜19n,19pのうちソース・ドレイン領域16n,16pの上方の部分に開口を形成し、図5(f)に示す工程で、ゲート絶縁膜19n,19pの開口にソース・ドレイン電極21n,21pをそれぞれ形成する。
【0064】
これにより、Si基板10の上にNMOSトランジスタ、PMOSトランジスタからなるHCMOSデバイスが形成される。
【0065】
このように、本実施形態の製造方法によると、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタで異なったチャネルを形成する必要があるものの、結晶成長はNMOSトランジスタ,PMOSトランジスタで共通に行うことができ、簡単に製造することができる。
【0066】
(第2の実施形態)
上述の第1の実施形態では、SiGeC層をシリコンに格子整合させたものを用いて電界効果型トランジスタを形成したが、本実施形態では、結晶性の劣化のない範囲で、SiGeC層に積極的に歪みを導入し、この歪みによるバンド構造の変化を利用したトランジスタとするものである。本実施形態に係るHCMOSデバイスの構造は、基本的には、図1に示す第1の実施形態に係るPMOSトランジスタ,NMOSトランジスタを1つのトランジスタ内に実現した構造となっている。
【0067】
図6(a)〜(c)は、それぞれSiGeC層に圧縮歪みを生ぜしめた場合、SiGeC層をSi層に格子整合させた場合(歪みなし)、及びSiGeC層に引っ張り歪みを生ぜしめた場合における結晶構造の状態を示す図である。同図(a)に示すように、SiGeC層の格子定数をSi層の格子定数よりも大きくするとSiGeC層には圧縮歪みが生じ、SiGeC層における伝導帯の下端−価電子帯の上端間のバンドギャップ値が拡大する。一方、同図(c)に示すように、SiGeC層の格子定数をSi層の格子定数よりも小さくするとSiGeC層には引っ張り歪が生じ、SiGeC層における伝導帯の下端−価電子帯の上端間のバンドギャップが縮小する。すなわち、SiGeC層の歪みによりバンド構造が変化していくので、この効果を積極的に利用することで、SiGeC層に隣接するSi層等の層のバンドオフセット値を変更することができる。
【0068】
ここで、SiGeC層の格子定数をSi層の格子定数からずらせた場合でも、SiGeC層の厚みを格子緩和が起こらず歪みが蓄積される程度にすることにより、転位等の結晶欠陥の発生に起因する素子の信頼性の低下を有効に防止することができる。
【0069】
図7(a),(b)は、本実施形態に係る電界効果トランジスタのチャネル領域におけるバンド構造図及び断面図である。Si基板の上にSi層13nを成長させた後、Cの組成比を大きくしたSiGeC層14n(Geを10%、Cを4%)を成長させることにより、SiGeC層14nにおけるバンドギャップ値は大きく、格子定数は小さくなるように設定することができる。そして、SiGeC層14nの厚みを格子緩和が起こらずに歪みが蓄積される程度に小さくしておくことにより、SiGeC層14nは引っ張り歪みを受ける。したがって、Cの組成比を大きくすることによるバンドギャップ値の増大効果に加えて、SiGeC層14nの引っ張り歪みにより、SiGeC層14nからSi層13nの界面における伝導帯のバンドオフセット値が大きくなり、2次元電子ガス(2DEG)の閉じ込め効率が向上する。
【0070】
さらに、SiGeC層14nは格子緩和していないので、上面の格子定数はSi層13nの格子定数に一致している。したがって、SiGeC層14nの上にSiGe層15pを成長させると、SiGe層15pの格子定数がSi層13nの格子定数よりも大きいためにSiGe層15pは圧縮歪みを受ける。
【0071】
したがって、本実施形態に係る半導体装置によると、SiGeC層14nに引っ張り歪み、SiGe層15pに圧縮歪みを導入することにより、SiGeC層14nとSi層13nとの界面における伝導帯でのバンドオフセット値を大きく、またSiGe層15pとSi層17pとの界面における価電子帯でのバンドオフセット値を大きくしておき、このトランジスタをNMOSトランジスタとして使用する場合にはSiGeC層14nに形成されるチャネルを利用する一方、PMOSトランジスタとして使用する場合にはSiGe層15pに形成されるチャネルを利用することで、共通のゲート電極やソース・ドレイン領域を有しながら、チャネル位置の異なるHCMOSデバイスを形成することができる。
【0072】
しかも、各層の厚みを適正に設定することで、格子不整合による転位や欠陥の導入の無い、良好な結晶性による信頼性の高い電界効果型トランジスタを有するHCMOSデバイスを得ることができる。
【0073】
なお、上述の図4の破線は、本実施形態におけるSiGeC層14nに0.25%の引っ張り歪みが加わるような組成を示している。一般に、SiGeC層におけるGeの組成比がCの組成比の8.2倍のときにSi層に格子整合するのであるから、Geの組成比をCの組成比の8.2倍よりも小さくすることでSiGeC層14nに引っ張り歪みを導入することができる。また、Cの組成比をyとしたとき、Geの組成を8.2y−0.12とした場合、SiGeC層14nの格子定数をSi層13nの格子定数より0.25%小さくすることができる。
【0074】
図4に示すように、無歪み系の場合と同じく、SiGeC層14nとSi層13nの界面では、価電子帯にはバンド不連続部がなく、伝導帯にのみバンド不連続が形成されることがわかる。Cの組成率が2%以下の場合は伝導帯のバンドオフセット値は無歪みの場合とほとんど同じであり、Cの組成率とGeの組成率との比が格子整合の条件を満足する値からずれても、格子整合系とほぼ同じ素子特性を得ることができる。このことは、SiGeC層14nを結晶成長する際のCの組成率とGeの組成率の制御の面から見て、条件に幅を持たせることができることを意味し、SiGeC層の結晶成長を容易にする。また、Cの組成率が2%以上の場合、無歪みの場合と比べて、同じCの組成率においてもバンドオフセット値を大きくとることができる。これにより、バンドオフセット値をより大きくとる必要がある場合にも対応することができる。
【0075】
ここでは、SiGeCの格子定数をSiよりも小さくして使用してはいるが、層の厚みは格子緩和が起こらず歪みが蓄積される程度にしているので、転位等の結晶欠陥により素子の信頼性が低下することはない。
【0076】
(第3の実施形態)
先に述べた第1の実施形態では、電界効果トランジスタのチャネル領域にSiGeC層をSi層に格子整合させたへテロ構造を形成し、ヘテロ界面におけるバンド不連続部に電子もしくは正孔を閉じ込めて、キャリアとして用いた。
【0077】
本実施形態では、キャリアを閉じ込める領域をヘテロ界面ではなくSi/SiGeC/Siもしくは、Si/SiGe/Siの構造で量子井戸構造を形成し、障壁層ではさまれる量子井戸( SiGeC 、SiGe)をチャネルとして動作するトランジスタを設ける。
【0078】
図8は、本実施形態に係るHCMOSデバイスの断面図である。Si基板30上に、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとが形成されたCMOSデバイス構造である。この構造では、シリコン基板30上にpウェル31及びnウェル32を設けている点と、その上にV族元素が高濃度にドーピングされたδドープ層を有する第1のSi層33n,33pを設けている点とは、第1の実施形態における図1に示すHCMOSデバイスの構造と同じである。ただし、この第1のSi層33n,33p上のPMOSトランジスタ,NMOSトランジスタの構造は、上記第1の実施形態の構造と異なっている。
【0079】
NMOSトランジスタにおいては、第1のSi層33nの上に、第1のSi層33nに格子整合する組成を有するSiGeC層34nが形成されており、さらにSiGeC層34nの上に第2のSi層35nが積層されている。本実施形態では、第1のSi層33n−SiGeC層34n−第2のSi層35nに亘る伝導帯において、2つのバンド不連続部によって挟まれる量子井戸領域(SiGeC層34n)が存在するので、この量子井戸領域であるSiGeC層34nにキャリアである2次元電子ガス(2DEG)を閉じこめるためのキャリア蓄積層が形成される(図8の右方のバンド図参照)。すなわち、NMOSトランジスタの動作時にはSiGeC層34nにチャネルが形成される。なお、第2のSi層35nの上に、膜厚の小さなSiGe層36nと、第3のSi層37nとが順次形成されている。
【0080】
この構造により、上記第1の実施形態と同様に、Si層に比べて電子の移動度の大きいSiGeC層34nにキャリアの移動のためのチャネルが形成されるので、動作速度の大きいNMOSトランジスタが得られる。加えて、量子井戸層となるSiGeC層34nの膜厚が小さいため、キャリアの閉じ込め効率が上記第1の実施形態における構造よりも向上し、混晶比の小さな系で実現できる。そのため、混晶化に伴う結晶構造の規則性の悪化に起因するキャリアの散乱などのキャリアとなる電子の移動度を劣化させる要因を抑制できる。
【0081】
PMOSトランジスタにおいても、第1のSi層33pの上に、第1のSi層33pに格子整合する組成を有するSiGeC層34pと、第2のSi層35pと、膜厚の小さいSiGe層36pと、第3のSi層37pとが順次形成されている点は上記NMOSトランジスタの構造と同じである。ただし、PMOSトランジスタの場合は、第2のSi層35p−SiGe層36p−第3のSi層37pに亘る価電子帯において、2つのバンド不連続部で挟まれる量子井戸領域(SiGe層36p)が存在し、この量子井戸領域にキャリアである正孔を2次元的に閉じこめるためのキャリア蓄積層が形成される。すなわち、PMOSトランジスタの動作時には、SiGe層36pにチャネルが形成される。SiGe層36pもSi層に比べて正孔の移動度が大きいので、このPMOSトランジスタの動作速度も大きくなる。
【0082】
さらに、NMOSトランジスタ,PMOSトランジスタにおいて、基板の上には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜39n,39pが形成され、ゲート絶縁膜39n,39pの上にはゲート電極38n,38pが形成されている。ゲート電極38n,38pの両側にはソース・ドレイン層42n,42pが形成され、ソース・ドレイン領域42n,42pの上にはソース・ドレイン電極41n,41pがコンタクトしている。なお、いうまでもないが、NMOSトランジスタ,PMOSトランジスタにおいて、量子井戸領域であるSiGeC層34n,SiGe層36pにおける電子,正孔の走行はゲート電極38n,38pに印加される電圧によりそれぞれ制御されている。
【0083】
また、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタとの間は、分離用溝にシリコン酸化膜を埋め込んでなるトレンチ分離40が形成されており、このトレンチ分離40によって、NMOSトランジスタ,PMOSトランジスタは、互いに電気的に分離されている。
【0084】
本実施形態のHCMOSデバイスによると、第1の実施形態と同様に、NMOSトランジスタにおいては、Si層に格子整合するとともに量子井戸領域となるSiGeC層34nが形成されており、このSiGeC層34nに電子が走行するためのチャネルが形成される。また、PMOSトランジスタにおいても、量子井戸領域となるSiGe層36pが形成されており、このSiGe層36pに正孔が走行するためのチャネルが形成される。したがって、キャリア閉じこめ効率の高い量子井戸構造を利用したスイッチング速度の大きいNMOSトランジスタとPMOSトランジスタとを集積することにより、高性能なHCMOSを実現することができる。
【0085】
ただし、本実施形態において、素子のスピードが要求される回路にこのHCMOSデバイスを用い、それ以外の回路には、通常のSi基板上に形成したCMOSデバイスを作製するようにしてもよく、Si基板上に直接形成したMOS型電界効果トランジスタとの集積をも可能である。
【0086】
なお、必ずしも、NMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタのチャネルの双方が量子井戸領域となっていなくてもよい。
【0087】
次に、第3の実施形態に係るHCMOSデバイスの製造方法について、図9(a)〜(f)を参照しながら説明する。図9(a)〜(f)は、図8に示すHCMOSデバイスの構造を実現するための製造工程の一例を示す断面図である。
【0088】
まず、製造工程の概略を説明すると、SiGeC層34,第2のSi層35及びSiGe層36を成長させる際に、SiGeC層34及びSiGe層36の膜厚を、量子井戸構造となるように10nm以下、例えば3nmとしている。その他の部分は、図5(a)〜(f)に示す工程とほぼ同じ工程で形成される。
【0089】
まず、図9(a)に示す工程で、Si基板30にpウェル31、nウェル32をイオン注入により形成する。
【0090】
そして、図9(b)に示す工程で、pウェル31,nウェル32上に、UHVーCVD法によりδドープ層を含む第1のSi層33と、SiGeC層34(Ge:36%、C:4%)と、第2のSi層35と、SiGe層36と、第3のSi層37とを順次成長させていく。
【0091】
次に、図9(c)に示す工程で、PMOSトランジスタ、NMOSトランジスタとを電気的に分離するために、トレンチ分離用溝を形成した後、この溝をシリコン酸化膜で埋めてトレンチ分離40を形成する。この処理により、第1のSi層33、SiGeC層34、第2のSi層35、SiGe層36、第3のSi層37及びゲート絶縁膜39が、各々NMOSトランジスタ側の第1のSi層33n、SiGeC層34n、第2のSi層35n、SiGe層36n、第3のSi層37nと、PMOSトランジスタ側の第1のSi層33p、SiGeC層34p、第2のSi層35p、SiGe層36p、第3のSi層37pとに分離される。その後、第3のSi層37n,37pの表面を酸化して、ゲート絶縁膜39n,39pを形成する。
【0092】
この後、図9(d)に示す工程で、ゲート電極38ん、38pを形成した後、NMOSトランジスタ側には、リンイオン(P+ )の注入により、ソース・ドレイン領域42nを形成し、PMOSトランジスタ側には、ボロンイオン(B+ )の注入により、ソース・ドレイン領域42pを形成する。NMOSトランジスタのソース・ドレイン領域42nの深さは少なくともSiGeC層34nよりも深ければよく、PMOSトランジスタのソース・ドレイン領域42pの深さは、少なくともSiGe層36pよりも深ければよい。これは、SiGeC層34n、SiGe層36p内にチャネルが形成されるためである。
【0093】
この後、図9(e)に示す工程で、ソース・ドレイン領域42n、42pの上方部分のゲート絶縁膜39n,39pに開口を形成し、図9(f)に示す工程で、その開口に、ソース・ドレイン電極41n,41pをそれぞれ形成する。
【0094】
以上の工程により、第3の実施形態に係るNMOSトランジスタ、PMOSトランジスタからなるHCMOSデバイスの構造が実現する。
【0095】
本実施形態の製造方法によると、NMOSトランジスタのチャネルをヘテロ接合を利用した量子井戸構造のSiGeC層34nとし、PMOSトランジスタのチャネルをヘテロ接合を利用した量子井戸構造のSiGe層36pとするHCMOSデバイスが容易に形成される。しかも、本実施形態の製造方法によると、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタで異なったチャネルを形成する必要があるものの、結晶成長はNMOSトランジスタ,PMOSトランジスタで共通に行うことができ、簡単に製造することができる。
【0096】
(第4の実施の形態)
図10は、第4の実施形態に係る電界効果トランジスタの構造を示す断面図である。本実施形態は、ヘテロ電界効果トランジスタに適したソース・ドレインコンタクトを提供する構造に関するものである。
【0097】
同図に示されるように、Si層からなるウェル51の上には、SiGeバッファ層52と、δドープ層53と、スペーサー層54と、n−チャネル層67と、i−Si層55と、i−Si1-x Gex 層56と、i−Si層57と、ゲート絶縁膜58とが形成されている。そして、ゲート絶縁膜58の上にゲート電極65が形成され、i−Si1-x Gex 層56のうちゲート電極65の両側方に位置する領域の上に、ソース・ドレインコンタクトW層61とAlソース・ドレイン電極63とが順次形成されている。また、ゲート電極65の両側において、SiGeバッファ層52の一部,δドープ層53,スペーサー層54,n−チャネル層67,i−Si層55,i−Si1-x Gex 層56及びi−Si層57に亘る領域に、ソース・ドレイン領域59が形成されている。さらに、ゲート電極65とAlソース・ドレイン電極63との間は、第1層目の絶縁膜66によって埋められている。
【0098】
ここで、上記電界効果トランジスタの各部の構造について説明する。
【0099】
まず、SiGeバッファ層52内におけるGeの組成率は、上方に向かうにしたがって大きくなっている。このSiGeバッファ層52は、SiGe混晶を格子緩和させるのに十分な膜厚で形成することにより、Siよりも大きな格子定数を有しており、その上に歪み効果を利用したn−チャネルの形成が可能になされている。なお、このような格子緩和させたSiGeバッファ層を用いずに、Si基板に格子整合させた状態でSi層とSiGe層のヘテロ接合を形成した場合、価電子帯には段差の大きい大きな不連続部が現れるが、伝導帯には不連続部はほとんど現れないため、2次元電子ガスを閉じこめてn−チャネルを形成することは困難である。
【0100】
ここで、SiGeバッファ層52中でのGeの組成率は、例えば0%〜30%まで連続的にもしくは薄い層ごとに段階的に変化している。この時、各層で格子緩和を発生させ、バッファ層の最上面で基板面内の格子定数がバルクのSi0.7 Ge0.3 と同一になるようにする。組成率を縦方向に変化させるのは、格子緩和に伴う転位等の結晶欠陥がその上のチャネルに与える影響を小さくするためである。なお、SiGeバッファ層52の全体の膜厚は大体1μm程度必要である。
【0101】
このSiGeバッファ層52上に不純物を加えないSi0.7 Ge0.3 からなるスペーサー層54を配置する。このスペーサー層54とその上のSi層55とのヘテロ界面に存在する伝導帯の不連続部にキャリア蓄積層を形成し、このキャリア蓄積層を2次元的に電子を閉じ込めるn−チャネル67とする。
【0102】
δドープ層53は、n−チャネル67にキャリアである電子を供給するために、PやAsといったV族の元素を高濃度にドープした層である。δドープ層53上のスペーサー層54は、不純物をドープしないSi0.7 Ge0.3 から構成され、n−チャネル67のキャリア電子とδドープ層53のイオンを空間的に分離することにより、キャリア電子のイオンによる散乱を低減し、移動度を向上させる役割を持つ。このスペーサー層54の膜厚は、厚いほどイオン化した不純物によるキャリアの散乱効果を低減することができるが、逆にキャリア密度が減少してしまうので、3nm程度の厚みにすることが好ましい。
【0103】
i−Si1-x Gex 層56とi−Si層57は、ヘテロ界面に価電子帯に段差を形成し、p−チャネル68を形成するために使用される。Xは0.7前後に設定することが好ましい。
【0104】
ゲート絶縁膜58は、ゲート電極65とその下の半導体層との間を絶縁することにより、ゲートリーク電流を低減させ、素子の低消費電力動作を可能にする。なお、SiGe層56を酸化して形成される酸化膜は水溶性で不安定な膜となるため、SiGe系電界効果トランジスタにおいてもゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いることが好ましい。従って、Si系ヘテロMOSデバイスにおいては、ゲート絶縁膜の直下の半導体層はSi層であることが好ましい。
【0105】
すなわち、本実施形態に係る電界効果トランジスタは、上記の積層膜からなるチャネル領域と、図10の破線で示されるソース・ドレイン領域59と、トランジスタの動作のための電流の導入・取り出しのためのAlソース・ドレイン電極63と、電流を制御するための電圧を印加するためのゲート電極65とにより構成されている。そして、この電界効果トランジスタをn−チャネル電界効果型トランジスタとして使用する場合にはn−チャネル67を形成させるようにゲート電極65に電圧を印加し、p−チャネル電界効果型トランジスタとして使用する場合にはp−チャネル68を形成させるようにゲート電極65に電圧を印加する。
【0106】
本実施形態に係る発明の特徴は、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層と、上記第1の半導体層とは異なるバンドギャップを有する第2の半導体層と、上記第1,第2の半導体層の間の界面付近の領域に形成されたキャリア蓄積層とを有するチャネル領域と、第3の半導体層と、該第3の半導体層よりも大きいバンドギャップを有する第4の半導体層とを有するソース・ドレイン領域と、上記第3の半導体層の直上に形成された低抵抗の導体膜からなるソース・ドレインコンタクト層とを備えている点である。
【0107】
そして、本実施形態の電界効果トランジスタをn−チャネル電界効果型トランジスタとして使用する場合には、i−Si層55はSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層であり(x=y=0)、SiGeバッファ層52は第2の半導体層であり、i−Si1-x Gex 層56は第3の半導体層であり、i−Si層57はi−Si1-x Gex 層56よりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるi−Si1-x Gex 層56の直上にソース・ドレインコンタクトW層61が形成されている。
【0108】
一方、本実施形態の電界効果トランジスタをp−チャネル電界効果型トランジスタとして使用する場合には、i−Si1-x Gex 層56はSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層である(y=0)とともに第3の半導体層であり、i−Si層57は第2の半導体層であるとともに第3の半導体層よりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるi−Si1-x Gex 層56の直上にソース・ドレインコンタクトW層61が形成されている。
【0109】
以上のように、本実施形態では、Alソース・ドレイン電極63とのコンタクトを行う基板側の領域を、チャネル形成のための各半導体層のうちバンドギャップの小さい層に設けている。この実施形態の場合、p−チャネル形成用のSi層57とi−Si1-x Gex 層 56のヘテロ界面のうち、バンドギャップの小さいi−Si1-x Gex 層56の直上にソース・ドレインコンタクトW層61を設ける構造としている。これにより、最上層の半導体層であるi−Si層57の直上にコンタクトを設けるよりもコンタクト抵抗が小さくなり、素子の低消費電力と高速動作とが可能になる。
【0110】
なお、Si層上のSi0.7 Ge0.3 層の上にWを成長させた後、金属(この場合Al)を堆積させると、非常に抵抗の低いコンタクトを得ることができる。このSiGe膜を利用したコンタクトは、従来のCMOSデバイスで一般的に低抵抗コンタクトとして利用されているシリサイド技術を用いた低抵抗コンタクトよりも1桁抵抗値が低いコンタクトが得られる(IEEE Electron Device Letters誌vol.17, No.7,1996 pp360)。
【0111】
この論文では、SiGe層はソース・ドレイン電極コンタクト形成のためだけに成長させられているが、本実施形態のように、チャネル形成用のSiGe層にコンタクトをとる構造をとれば、後述するトランジスタ製造方法で明らかにするように、新たにSiGe結晶を成長させる必要がなくなり生産性が向上する。
【0112】
ただし、本実施形態において、デバイスのスピードが要求されるところにこのHCMOSデバイスを用い、それ以外には、通常のSi基板上に形成したCMOSデバイスを作製するようにしてもよく、Si基板上に直接形成したMOS型電界効果トランジスタとの集積をも可能である。
【0113】
つぎに、本実施形態に係る電界効果トランジスタの製造方法について説明する。図11(a)〜(e)及び図12(a)〜(e)は、図10に示す電界効果トランジスタの構造を実現するための製造工程の一例を示す断面図である。
【0114】
まず、図11(a)に示す工程で、チャネル形成のエピタキシャル成長に先立ち、Si基板50にイオン注入を行い、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタの下地となるpウェル51n,及びnウェル51pを形成する。
【0115】
次に、図11(b)に示す工程で、基板上にエピタキシャル成長を行う前に、基板にRCA洗浄法等を利用した洗浄を施して、表面の不純物を除去する。その後、表面の酸化膜を除去し、基板をエピタキシャル成長装置に挿入し、真空状態で加熱を行って清浄な表面を得る。そして、この清浄な表面上に、チャネル領域を形成するための半導体層のエピタキシャル成長を行う。この半導体層には、SiGeバッファ層52、δドープ層53、スペーサー層54、n−チャネル層67、i−Si層55、i−Si1-x Gex 層56、p−チャネル層68、i−Si層57等が含まれる。ただし、見やすくするために、δドープ層53,スペーサー層54,n−チャネル層67及びp−チャネル層68の図示は省略する。以下、この半導体層内の各層の形成手順を説明する。
【0116】
半導体層の成長方法については、固体ソースを用いるMBE法や気体ソースを利用するUHV−CVD法などが利用できる。UHV−CVD法の場合、装置内の雰囲気をまず超高真空(10-10 Torr程度)にし、結晶成長に必要なソースを真空容器内に導入してから、10-5〜10-6Torr程度の真空度に到達した状態で結晶成長を行う。
【0117】
そこで、本実施形態においても、上述の処理により基板に清浄な表面を生成した後、真空容器内の真空度が十分高くなった時点で基板温度を500〜700℃程度に設定し、各半導体結晶層の成長を行う。なお、基板温度を変化させると、単一の半導体結晶層内で組成比が変化するなど結晶の質に影響を与えるために、基本的には単一層を成長させている間は基板温度を変化させない。また、800℃以上といった高温では、GeとSiが相互拡散してヘテロ界面の急峻性が損なわれたり、歪み緩和が行われチャネル特性が悪化するなど、好ましくないことが起こるため、成長温度は上記のように700℃以下を選択しておく。
【0118】
結晶成長は、超高真空状態にした真空容器内に、結晶成長に必要なソースガスを導入することで行う。結晶成長に使用するソースガスとしては、Si層の成長用にはジシランを使用している。SiGe層の成長には、ジシラン等のSi層を成長させるためのソースガスに加え、ゲルマンをGeのソースガスとして使用する。この時、各ソースガスの分圧比の調整により、SiGe層内のSiとGeの組成比を制御することができる。ガス流量は、真空度が10-5〜10-6Torr程度になるように調整する。
【0119】
まず、組成比を段階的に変化させかつ格子緩和された多数のSiGe層を積層してSiGeバッファ層52を形成する。このとき、組成比を段階的に変化させるために、上述のように、Siのソースガスの分圧とGeのソースガスの分圧の比を段階的に変化させる。
【0120】
次に、δドープ層53の形成には、アルシンもしくはフォスフィンといったドーパントガスを、ジシランおよびゲルマンとともに真空容器内に導入する。
【0121】
ここで、δドープ層53に導入した不純物がスペーサー層54に混じると、トランジスタ特性が劣化するために、ドーパントガスを真空容器内に導入した後は、一度ソースガスの供給をとめ、真空度が十分向上した後にスペーサー層54を成長させるためのガスを導入し、スペーサー層54を成長させる。スペーサー層54の組成は均一にSi0.7 Ge0.3 とし、ジシランとゲルマンの流量を固定して成長を行う。
【0122】
スペーサー層54の成長後、ソースガスの供給を一旦停止し、真空度が向上してからジシランのみを成長室に導入し、不純物をドープしないi−Si層55を成長させる。
【0123】
i−Si層55の成長後、再びジシランとゲルマンを成長室に導入し、i−Si1-x Gex 層56を成長させる。Geの組成比は70%とする。i−Si1-x Gex 層56の成長後、ソースガスの供給を一旦停止した後、真空度が向上してからジシランのみを成長室に導入し、i−Si層57を成長させる。
【0124】
以上の処理により、チャネル領域を構成する半導体層のエピタキシャル成長工程は終了する。
【0125】
次に、図11(c)に示す工程では、基板をUHV−CVD装置から取り出して熱酸化炉内に導入し、最上層のi−Si層57の表面を酸化してシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜58を形成する。
【0126】
次に、図11(d)に示す工程で、ゲート絶縁膜58上にゲート電極65を形成する。このゲート電極の形成法は従来のCMOSデバイス工程と同様である。すなわち、ポリシリコン膜を堆積し、不純物をイオン注入した後ドライエッチによりポリシリコン膜をパターニングして、ゲート電極65n,65pを形成する。不純物イオンとしてはフッ化ボロンイオン(BF2+)を使用することができる。このゲート電極用のポリシリコン膜が堆積された段階では、ソース・ドレイン領域は形成されていない。
【0127】
次に、図11(e)に示す工程で、ゲート電極65n,65pをマスクとして、ドーパントとなる不純物イオンを基板内に注入して、ソース・ドレイン領域59n,59pを形成した後、コンタクトを取るために基板上に露出している酸化膜を除去するためのエッチングをおこなう。なお、イオン注入の際には、イオンの加速電圧を、不純物分布のピークがソース・ドレイン電極のコンタクトを設ける層にあるように選択する。注入する不純物イオンとしては、NMOSトランジスタ領域にはn型不純物である砒素イオン(As+ )もしくは燐イオン(P+ )を、PMOSトランジスタ領域にはp型不純物であるボロンイオン(B+ )を使用する。したがって、NMOSトランジスタのソース・ドレイン領域59nを形成するためのイオン注入と、PMOSトランジスタのソース・ドレイン領域59pを形成するためのイオン注入とは、それぞれ別個のマスクを用いて行う必要がある。
【0128】
なお、イオン注入直後は、不純物の活性化のためのアニールを行う。ただし、アニール熱処理により、ヘテロ界面でのSiとGeの相互拡散や、Si/SiGe系に存在する歪みの緩和過程における結晶欠陥の発生がないよう、1000℃程度で短時間(30秒)のRTA(ラピッドサーマルアニーリング)を行うことが好ましい。
【0129】
次に、図12(a)に示す工程で、基板上に再度フォトレジストマスク(図示せず)を形成し、ドライエッチングによりNMOSトランジスタ形成領域−PMOSトランジスタ形成領域間の領域を少なくともチャネル領域よりも深く掘り込んで、素子分離用溝71を形成する。
【0130】
次に、図12(b)に示す工程で、溝71を含む基板の全面上に第1層目の絶縁膜72を堆積する。絶縁膜を構成する材料としては高温プロセスを避けるために、500℃以下で成膜できるプラズマCVD法によるTEOS膜などを使用することが好ましい。このとき、溝71に埋め込まれた絶縁膜によりトレンチ分離73が構成される。
【0131】
次に、本実施形態の特徴であるソース・ドレインコンタクトを以下の手順により形成する。ただし、図10に示す構造を実現するための工程は、以下の手順に限定されるものではない。
【0132】
本実施形態の効果を最大限発揮するためには、最終的にコンタクトの下地となる極めて薄い特定の半導体層が存在している必要がある。そのために、本実施形態では、下地となる特定の半導体層としてi−Si1-x Gex 層56n,56pを選択し、i−Si1-x Gex 層56n,56pが露出するまでエッチングを行う。このi−Si1-x Gex 層56n,56pを露出させる際にはウェットエッチングによる選択性の高いエッチングを用いることが好ましい。ただし、ウェットエッチングは異方性に乏しく、微細加工に適していないため、まず、ドライエッチングにより、第1層目の絶縁膜72のうちソース・ドレイン電極を形成しようとする領域を選択的に除去してコンタクトホールを形成し、ゲート絶縁膜58n,58pを露出させた後、ウェットエッチングを行うことが望ましい。このような処理の例としては、例えば以下の処理がある。
【0133】
まず、最上層の酸化膜(ゲート絶縁膜58n,58p)の除去には、よく知られているようにフッ酸系の溶液を使用する。そして、i−Si層57n,57pが露出すると、フッ酸はシリコンをほとんど除去しないので、エッチング液をi−Si層57を除去できるエッチング液に変更する。ここで、本実施形態では、i−Si層57n,57pの下のi−Si1-x Gex 層56n,56pにコンタクトを形成するので、i−Si1-x Gex 層56n,56pをあまりエッチせず、i−Si層57n,57pを選択的にエッチできるエッチング液(エッチャント)を選択する。そして、このエッチャントを使用し、i−Si層57n,57pを除去し、i−Si1-x Gex 層56n,56pを露出させる。このとき、i−Si1-x Gex 層56n,56pの一部がオーバーエッチングにより除去されてもよい。先述したように、このi−Si1-x Gex 層56n,56pは、NMOSトランジスタのチャネル領域にn−チャネルを形成させるためにエピタキシャル成長させたものである。従って、本実施形態を用いれば、SiGe層を用いた低抵抗コンタクトを形成するために新たにi−Si1-x Gex 層56n,56pを成長させるための工程が不要となる。
【0134】
次に、コンタクトを形成するために、この露出したi−Si1-x Gex 層56n,56pの上に低抵抗の金属膜を堆積させる。この金属膜を構成する金属材料としては、先述のようにタングステン(W)を使用すると非常に抵抗値の低いコンタクトを形成することができる。そこで、本実施形態では、LPCVD法により、WF6 を水素で希釈したガスをソースガスとして用い、温度条件を400℃として、i−Si1-x Gex 層56n,56p上にソース・ドレインコンタクトW層61n,61pを選択成長させている。
【0135】
次に、図12(e)に示す工程で、スパッタリングを行って、基板の全面上にAl合金膜を堆積した後、パターニングして、Alソース・ドレイン電極63n,63pを形成する。以上の工程で、ソース・ドレイン領域上に低抵抗のコンタクトを形成することができる。
【0136】
先述のように、Si系ヘテロMOSデバイスにおいては、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用する関係上、半導体最上層はバンドギャップの大きいSi層であることが好ましいため、本実施形態のような半導体層を除去した後コンタクト金属層を形成する技術は、Si系ヘテロMOSデバイスの形成に特に適した技術である。
【0137】
(第5の実施形態)
上記実施形態では、SiとSiGeとからなるヘテロ接合体を利用したチャネル構造を代表例として取り上げたが、HCMOSデバイスのソース・ドレイン領域に低抵抗のコンタクトを形成する発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、Siとこの実施形態のSiGeとの積層構造以外の構成をもつヘテロエピタキシャル積層膜によるチャネル、例えばSiとSi1-x-y Gex Cy (0≦x≦1,0≦y≦1)混晶半導体との間にチャネル形成したものでもかまわない。ヘテロ界面によるチャネル形成には、必ずバンドギャップの異なる2種類の半導体の接合が必要となるため、このような低抵抗のコンタクト層の形成が有効となる。
【0138】
図13は、図1に示す構造に低抵抗のコンタクト金属層を形成した第5の実施形態に係るHCMOSデバイスの断面図である。
【0139】
同図に示すように、本実施形態に係るHCMOSデバイスにおいては、SiGe層15n,15pの上に、ソース・ドレインコンタクトW層25n,25pが形成されている。
【0140】
本実施形態に係る発明の特徴は、上記第1の実施形態の特徴に加え、上記第4の実施形態と同様に、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層と、上記第1の半導体層とは異なるバンドギャップを有する第2の半導体層と、上記第1,第2の半導体層の間の界面付近の領域に形成されたキャリア蓄積層とを有するチャネル領域と、第3の半導体層と、該第3の半導体層よりも大きいバンドギャップを有する第4の半導体層とを有するソース・ドレイン領域と、上記第3の半導体層の直上に形成された低抵抗の導体膜からなるソース・ドレインコンタクト層とを備えている点である。
【0141】
そして、本実施形態のNMOSトランジスタにおいては、SiGeC層14nはSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層であり、Si層13nは第2の半導体層であり、SiGe層15nは第3の半導体層であり、Si層17nはSiGe層15nよりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるSiGe層15nの直上にソース・ドレインコンタクトW層25nが形成されている。
【0142】
一方、本実施形態のPMOSトランジスタにおいては、SiGe層15pはSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層である(y=0)とともに第3の半導体層であり、Si層17pは第2の半導体層であるとともに第3の半導体層よりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるSiGe層15pの直上にソース・ドレインコンタクトW層25pが形成されている。
【0143】
以上のように、本実施形態では、Alソース・ドレイン電極21n,21pとのコンタクトを行う基板側の領域(ソース・ドレインコンタクトW層25n,25p)を、チャネル形成のための各半導体層のうちバンドギャップの小さい層の直上に設けているので、最上層の半導体層であるSi層17n,17pの直上にコンタクトを設けるよりもコンタクト抵抗が小さくなり、素子の低消費電力と高速動作とが可能になる。
【0144】
特に、SiGe層15n,15pに接触するように、タングステン(W)からなるソース・ドレインコンタクトW層25n,25pを設けているので、非常に低いコンタクト抵抗が得られる。
【0145】
すなわち、本実施形態では、上記第1の実施形態の効果を発揮しながら、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。
【0146】
(第6の実施形態)
図14は、図8に示す構造に低抵抗のコンタクト金属層を形成した第6の実施形態に係るHCMOSデバイスの断面図である。
【0147】
同図に示すように、本実施形態に係るHCMOSデバイスにおいては、量子井戸領域となっているSiGe層36n,36pの上に、ソース・ドレインコンタクトW層45n,45pが形成されている。
【0148】
本実施形態に係る発明の特徴は、上記第3の実施形態の特徴に加え、上記第4の実施形態と同様に、Si1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層と、上記第1の半導体層とは異なるバンドギャップを有する第2の半導体層と、上記第1,第2の半導体層の間の界面付近の領域に形成されたキャリア蓄積層とを有するチャネル領域と、第3の半導体層と、該第3の半導体層よりも大きいバンドギャップを有する第4の半導体層とを有するソース・ドレイン領域と、上記第3の半導体層の直上に形成された低抵抗の導体膜からなるソース・ドレインコンタクト層とを備えている点である。
【0149】
そして、本実施形態のNMOSトランジスタにおいては、量子井戸領域であるSiGeC層34nはSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層であり、第1のSi層33nは第2の半導体層であり、量子井戸領域であるSiGe層36nは第3の半導体層であり、第3のSi層37nはSiGe層36nよりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるSiGe層36nの直上にソース・ドレインコンタクトW層45nが形成されている。
【0150】
一方、本実施形態のPMOSトランジスタにおいては、SiGe層36pはSi1-x-y Gex Cy 層(0≦x≦1,0≦y≦1)を含む第1の半導体層である(y=0)とともに第3の半導体層であり、第3のSi層37pは第2の半導体層であるとともに第3の半導体層よりもバンドギャップの大きい第4の半導体層であって、第3の半導体層であるSiGe層36pの直上にソース・ドレインコンタクトW層45pが形成されている。
【0151】
以上のように、本実施形態では、Alソース・ドレイン電極41n,41pとのコンタクトを行う基板側の領域(ソース・ドレインコンタクトW層45n,45p)を、チャネル形成のための各半導体層のうちバンドギャップの小さい層の直上に設けているので、最上層の半導体層であるSi層37n,37pの直上にコンタクトを設けるよりもコンタクト抵抗が小さくなり、デバイスの低消費電力と高速動作とが可能になる。
【0152】
特に、SiGe層36n,36pに接触するように、タングステン(W)からなるソース・ドレインコンタクトW層45n,45pを設けているので、非常に低いコンタクト抵抗が得られる。
【0153】
すなわち、本実施形態では、上記第3の実施形態の効果を発揮しながら、コンタクト抵抗の低減を図ることができる。
【0154】
(その他の変形形態)
上記第1〜第6の実施形態では、ゲート電極の下にゲート絶縁膜を設けたMOS型電界効果トランジスタについて説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。特に、最上層に絶縁膜があるヘテロMOS構造ではなく、ヘテロ界面を用いる電界効果トランジスタならば、絶縁膜を用いないショットキー接合を用いるデバイスでも実施可能であり、抵抗の低減効果を得ることが可能になり、デバイスの低消費電力高速動作上有利となる。
【0155】
上記第1〜第6の実施形態では、δドープ層を形成したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、δドープ層を設けなくても本発明の効果を発揮することは可能である。また、δドープ層を形成する場合でも、スペーサー層は必ずしも必要でない。
【0156】
上記第1,第2,第3,第5,第6の実施形態におけるSiGe層に変えて、Cを微量添加したSiGeC層を設けてもよい。
【0157】
また、上記第1,第2,第3,第5,第6の実施形態においては、SiGeC層とSiGe層との上下関係を逆にしてもよいものとする。その場合、第5,第6の実施形態では、ソース・ドレイン領域におけるSiGeC層の直上にソース・ドレインコンタクトW層を形成すればよい。
【0158】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、電界効果トランジスタを有する半導体装置において、Si層とSi1-x-y Gex Cy 層とを設け、Si1-x-y Gex Cy 層内に形成されるキャリア蓄積層などをチャネルとして利用するようにしたので、動作速度が大きく、かつ信頼性の高い電界効果型トランジスタを有する半導体装置の提供を図ることができる。
【0159】
この半導体装置の構造は、本発明の半導体装置の製造方法により容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係るSiGeC系HCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図2】HCMOSデバイス内のSiGeC層の格子歪みのGe組成率及びC組成率に対する依存性を示す図である。
【図3】SiGeC系HCMOSデバイスのSiGeC層とSi層との間において格子整合あるいは引っ張り歪みを生じるSi,Ge,Cの組成率との関係を示す図である。
【図4】SiGeC層のC組成比とエネルギーギャップ値との関係を示す図である。
【図5】第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図6】第2の実施形態におけるSiGeC層の組成と格子不整合による歪みとの関係を示す図である。
【図7】第2の実施形態に係る格子整合系SiGeC−HCMOSデバイスのバンドーラインナップを示す図である。
【図8】第3の実施形態に係る量子井戸構造のチャネルを有するHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図9】第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図10】第4の実施形態に係るHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図11】第4の実施形態に係るHCMOSデバイスの製造工程のうちの前半部分を示す断面図である。
【図12】第4の実施形態に係るHCMOSデバイスの製造工程のうちの後半部分を示す断面図である。
【図13】第5の実施形態に係るHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図14】第6の実施形態に係るHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図15】従来のHCMOSデバイスの構造を示す断面図である。
【図16】従来のHCMOSデバイスのヘテロ界面に導入される格子不整合歪みによる転位等の欠陥を示す図である。
【符号の説明】
10 Si基板
11 pウェル
12 nウェル
13 Si層
14 SiGeC層
15 SiGe層
16 ソース・ドレイン領域
17 Si層
18 ゲート電極
19 ゲート絶縁膜
21 ソース・ドレイン電極
25 ソース・ドレインコンタクトW層
30 Si基板
31 pウェル
32 nウェル
33 第1のSi層
34 SiGeC層
35 第2のSi層
36 SiGe層
37 第3のSi層
38 ゲート電極
39 ゲート絶縁膜
41 ソース・ドレイン電極
42 ソース・ドレイン領域
45 ソース・ドレインコンタクトW層
50 Si基板
51n p−ウェル
51p n−ウェル
52 SiGeバッファ層
53 δドープ層
54 スペーサー層
55 i−Si層
56 i−Si1-xGex層
57 i−Si層
58 ゲート絶縁膜
59 ソース・ドレイン領域
61 ソース・ドレインコンタクトW層
63 Alソース・ドレイン電極
65 ゲート電極
66 第1層目の絶縁膜
67 n−チャネル
68 p−チャネル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device including a heterojunction field effect transistor using a SiGeC layer or a SiGe layer, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, high integration of semiconductor devices is progressing. However, in the miniaturization region where the gate length is less than 0.1 μm, the miniaturization of the MOS transistor is also affected by the short channel effect and the increase of the resistance component. As a result, it is expected that the current performance cannot be expected such as saturation of the current driving capability. In particular, in order to increase the driving power of a fine MOS transistor, it is important to improve the carrier mobility of the channel and to reduce the resistance of the contact between the source and drain electrodes.
[0003]
Therefore, instead of a complementary semiconductor device (CMOS device) using Si of a single composition formed on a silicon substrate, a heterostructure CMOS device (Heterostructure CMOS: hereinafter) based on Si / SiGe (group IV mixed crystal) (Abbreviated as HCMOS device). This utilizes not the Si / Si02 interface as a channel but the interface of a heterojunction of two kinds of semiconductors having different band gaps. It is expected that a higher-speed device can be realized by using a Si / SiGe system that gives higher carrier mobility than Si. In this Si / SiGe system, an epitaxial growth layer having a desired strain amount and band gap value can be formed on a Si substrate by controlling the composition. IBM's Ismail is conducting basic experiments for improving characteristics with Si / SiGe HCMOS devices (K. Ismail, "Si / SiGe High Speed Field-Effect Transistors", IEDM Tech. Dig. 1995, p509). And MA Armstrong et al, "Design of Si / SiGe Heterojunction Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistors" IEDM Tech. Dig. 1995, p761.).
[0004]
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of this HCMOS device. As shown in the figure, a field effect transistor including a source /
[0005]
Here, when a negative bias is applied, an n-
[0006]
When a positive bias is applied, the p-
[0007]
As described above, a hetero field effect transistor is characterized in that a channel is formed at a hetero interface between two types of semiconductor layers having different band gaps. Therefore, at least two types of semiconductor layers having different band gaps inevitably exist for channel formation. In addition, in order to form a channel for electrons or holes to move at high speed in the semiconductor layer, it is necessary to have a conduction band or valence band discontinuity at the heterointerface. In the Si / SiGe system described above, a hole channel is formed for the holes because the
[0008]
From the simulation results, it is expected that the HCMOS device having such a structure can realize twice the high-speed operation with the same processing size and half the power consumption as compared with the conventional CMOS device using the Si / Si02 channel. ing. That is, a semiconductor element in which a heterointerface is formed by combining a Si semiconductor and a SiGe mixed crystal, and a high mobility channel is formed. The high-speed operation of an element using a heterojunction and the large-scale integration of a MOS device are achieved. It has attracted a great deal of attention as a compatible element.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the hetero devices using the group IV mixed crystal such as SiGe as described above are greatly expected as a method of overcoming the performance limit of the conventional CMOS device, but the hetero device using the group IV mixed crystal represented by SiGe is used. Field-effect transistors have been delayed in research and development compared to heterobipolar transistors, which are hetero devices using the same SiGe mixed crystal, due to the difficulty of their production, and the structure and method of production that can still fully demonstrate their expected performance. It cannot be said that the examination has been sufficiently conducted. Also, among the hetero field effect transistors, in the case of a so-called hetero MOS structure having an insulating film between the gate electrode and the semiconductor layer as described above, a stable and good insulating film cannot be formed in the SiGe layer. An oxide film made of SiO2 is used as the film. Therefore, it is necessary that the Si layer is always directly under the gate insulating film, but Si has a feature that the band gap is always larger than that of SiGe.
[0010]
Therefore, the structure of the conventional HCMOS device has the following problems.
[0011]
First, as described above, in order to form an electron channel on the
[0012]
FIG. 16 is a sectional view showing the
[0013]
Further, the
[0014]
Although these defects may have little influence on the initial characteristics of the device, they may cause a serious problem from the viewpoint of long-term reliability and lifetime. In other words, the growth of defects due to current and the deterioration due to diffusion through the defects of metals and impurities may occur, leading to a decrease in reliability.
[0015]
A first object of the present invention is to utilize a heterojunction lattice-matched or substantially lattice-matched with a band discontinuity capable of forming a carrier accumulation layer as a structure in a channel region under the gate of an HCMOS device. Another object is to provide a highly reliable semiconductor device with high carrier mobility.
[0016]
Second, hetero-field effect devices using group IV mixed crystals represented by SiGe are effective technologies as element structures that overcome the performance limitations of conventional fine CMOS devices, but at the present time, channel mobility is improved. Compared with this research, the optimization of the contact between the source and drain electrodes is still insufficient, and it cannot be said that the structure is able to make full use of its high mobility. Although the above-mentioned hetero CMOS device technology by IBM has also been studied in detail for improving the mobility of the channel region, contact of the source / drain electrodes, which is another important factor for improving the performance of a fine transistor Little consideration has been given to lowering the resistance.
[0017]
That is, in the CMOS device structure using Si single crystal, various studies have been made on the structure of the contact region on the substrate side connected to the source / drain electrodes, but the optimum contact in a general CMOS device. It is necessary to examine whether the structure of the region and the formation method are the best in a hetero field effect device having a different element structure.
[0018]
A second object of the present invention is to provide a semiconductor device having a contact region capable of exhibiting a small contact resistance without impairing the excellent characteristics of a hetero field effect device, and a method for manufacturing the same.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A first semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain regions. In the channel region, an Si layer and Si formed in contact with the Si layer 1-xy Ge x C y Layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) are provided, and Si 1-xy Ge x C y A carrier storage layer is formed in a region close to the Si layer in the layer, and the Si 1-xy Ge x C y The composition ratio of each element of the layer is the above Si 1-xy Ge x C y The composition ratio is adjusted so that the layer and the Si layer lattice match.
[0020]
Thereby, Si whose composition ratio y of C is 0.01 to 0.03 1-xy Ge x C y A band discontinuity necessary for forming a carrier accumulation layer for two-dimensionally confining carriers can be formed at the interface between the layer and the Si layer. And since this carrier storage layer functions as a channel, Si that gives larger carrier mobility than the Si layer 1-xy Ge x C y A field effect transistor having a high operation speed with the layer as a channel can be obtained. Moreover, Si 1-xy Ge x C y Since the lattice mismatch between the layer and the Si layer can be controlled to be eliminated or extremely small, the lattice strain can be adjusted to be 0 or almost not, and Si 1-xy Ge x C y It is possible to configure so that crystal defects do not enter the layer. Therefore, a highly reliable semiconductor device can be obtained. And there is no distortion caused by lattice mismatch 1-xy Ge x C y Since a channel is formed in the layer, a semiconductor device having extremely high reliability can be obtained.
[0021]
A second semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain regions. In the channel region, an Si layer and Si formed in contact with the Si layer 1-xy Ge x C y Layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) 1-xy Ge x C y A carrier storage layer is formed in a region close to the Si layer in the layer, and the Si 1-xy Ge x C y The layer has a lattice constant smaller than that of the Si layer and has a thickness that does not cause lattice relaxation.
[0022]
As a result, Si 1-xy Ge x C y Since tensile strain is applied to the layer, the amount of band discontinuity with the Si layer can be increased, and the carrier confinement efficiency is improved.
[0023]
A third semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain regions. In the channel region, an Si layer and Si formed in contact with the Si layer 1-xy Ge x C y Layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) 1-xy Ge x C y A carrier storage layer is formed in a region close to the Si layer in the layer, and the Si 1-xy Ge x C y The energy level between the lower end of the conduction band of the layer and the lower end of the conduction band of the Si layer is discontinuous.
[0024]
A fourth semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain regions. In the channel region, an Si layer and Si formed in contact with the Si layer 1-xy Ge x C y Layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) 1-xy Ge x C y A carrier storage layer is formed in a region close to the Si layer in the layer, and the carriers stored in the carrier storage layer are negative or positive carriers.
[0025]
A fifth semiconductor device of the present invention is a semiconductor device comprising a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain regions. In the channel region, an Si layer and Si formed in contact with the Si layer 1-xy Ge x C y Layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1), and the Si in the Si layer is provided. 1-xy Ge x C y A carrier supply layer for supplying carriers to the storage layer is further formed in a region close to the layer.
[0026]
The sixth semiconductor device of the present invention is formed on a Si substrate having different compositions from each other. 1-xy Ge x C y A layer (0.ltoreq.x.ltoreq.1, 0 <y.ltoreq.1), a gate oxide film, and a gate electrode are provided, and charges confined at the heterointerface are controlled by a voltage applied from the gate electrode.
[0027]
Si 1-xy Ge x C y The Ge composition ratio x and the Si composition ratio y of the layer are set to a range in which the Si substrate is substantially lattice-matched. 1-xy Ge x C y By controlling the band gap energy of the layer, a discontinuity between the conduction band edge and the valence band edge can be formed to form an electron or hole channel.
[0028]
A seventh semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including at least one field effect transistor formed on a semiconductor substrate, wherein the field effect transistor includes Si 1-xy Ge x C y A first semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1), a second semiconductor layer made of a semiconductor having a band gap different from that of the first semiconductor layer, and the first semiconductor layer A channel region having a carrier accumulation layer formed in a region near the interface between the second semiconductor layers, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor composed of a semiconductor having a larger band gap than the third semiconductor layer. Source / drain regions having a semiconductor layer and a source / drain contact layer made of a low-resistance conductor film formed immediately above the third semiconductor layer.
[0029]
This makes it possible to reduce the contact resistance to the source / drain region in a field effect transistor that uses a heterojunction and has high carrier movement, that is, high operating speed.
[0030]
The first semiconductor layer and the third semiconductor layer are constituted by a common first semiconductor film, and the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are constituted by a common second semiconductor film. Then, the second semiconductor film can be formed on the first semiconductor film.
[0031]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes Si 1-xy Ge x C y A first semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1), a second semiconductor layer having a band gap different from that of the first semiconductor layer, and the first and second layers A method of manufacturing a semiconductor device having a carrier storage layer serving as a channel formed in a region near an interface between semiconductor layers and functioning as a field effect transistor, wherein a Si substrate is formed on a field effect transistor formation region of a semiconductor substrate. 1-xy Ge x C y First step of sequentially forming a third semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) and a fourth semiconductor layer having a larger band gap than the third semiconductor layer And a second step of depositing a conductor film above the fourth semiconductor layer and then patterning the conductor film to form a gate electrode; and the field effect transistor located on both sides of the gate electrode. Impurities are introduced into the formation region to a depth that reaches at least the carrier accumulation layer to form source / drain regions, and the fourth semiconductor layer in the source / drain regions is formed at least by the third step. A fourth step of removing by etching until the semiconductor layer is exposed, and a fifth step of forming a source / drain contact layer made of a low-resistance conductor film on the exposed surface of the third semiconductor layer; It is provided.
[0032]
By this method, a semiconductor device having the above structure can be easily formed.
[0033]
In the first step, the first and third semiconductor layers are simultaneously formed from a common first semiconductor film, and the second and fourth semiconductor layers are simultaneously formed from a common second semiconductor film. Can be done as follows.
[0034]
The fourth step is preferably performed under etching conditions having a high etching selectivity with respect to the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
The HCMOS device according to the first embodiment uses a SiGeC ternary mixed crystal system in which C is added to a SiGe / Si system, and the SiGeC layer and the Si layer are substantially lattice-matched, and a difference in band gap energy is obtained. The field effect transistor forms a band discontinuity at the hetero interface.
[0036]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the HCMOS device according to the first embodiment. As shown in the figure, an NMOS transistor and a PMOS transistor are formed on the
[0037]
In the NMOS transistor, a p-well 11 (high-concentration p-type silicon layer) is formed on a
[0038]
At the heterointerface between the
[0039]
Further, on this
[0040]
On the other hand, the PMOS transistor has almost the same configuration as the NMOS transistor described above. An n-well 12 (high-concentration n-type Si layer) is formed on the
[0041]
In the PMOS transistor, a
[0042]
Further, a
[0043]
The Si layers 13n and 13p, the SiGeC layers 14p and 14n, the SiGe layers 15n and 15p, and the Si layers 17n and 17p are simultaneously formed by crystal growth. And the dimension of each layer can be made into the following dimensions, for example. However, it is not necessarily limited to the following dimensions.
[0044]
The thickness of each
[0045]
The gate length of the
[0046]
The feature of the HCMOS device (Heterostructure CMOS device) in this embodiment is that a SiGeC layer is used. The SiGeC layer can change the band gap amount and the lattice mismatch ratio with respect to silicon by adjusting the composition ratio of each of Si, Ge, and C. Here, the relationship between the composition ratio of Si, Ge, and C, the strain of each layer, and the band offset amount in this embodiment will be described in detail.
[0047]
FIG. 2 shows the lattice mismatch ratio (%) between the SiGeC layer and the Si layer (mis) when the horizontal axis represents the C (carbon) composition ratio (%) and the vertical axis represents the Ge composition ratio (%). (Fit) changes. A line with zero misfit indicates that the lattice constants of the SiGeC layer and the Si layer are equal. The lattice constant of Ge (germanium) single crystal is larger than that of Si single crystal, and the lattice constant of C (carbon) single crystal is smaller than that of Si single crystal. Therefore, the composition ratio of Ge and C is adjusted. By doing so, the lattice constant of the
[0048]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the lattice matching with respect to the composition ratio of the three elements Si, Ge, and C. The three vertices in the figure are points where the composition ratios of Si, Ge, and C are 100% (composition ratio is 1), respectively. It shows how the matching rate changes. The hatched area in the figure shows the area of the composition ratio that gives tensile strain to the SiGeC layer, and the solid line in the figure shows each element for zero lattice mismatch between the SiGeC layer and the Si layer, that is, for both to lattice match The composition ratio conditions are shown. Since the lattice constant of Ge is 4.2% larger than the lattice constant of Si and the lattice constant of C is 34.3% smaller than the lattice constant of Si, the composition ratio of Ge is 8.2 times the composition ratio of C. By increasing the size, the lattice constant of the SiGeC layer can be matched with the lattice constant of the Si layer.
[0049]
In the
[0050]
Next, FIG. 4 shows the band offset value ΔEc of the conduction band at the interface between the SiGeC layer and the Si layer and the valence band when the horizontal axis represents the C composition ratio and the vertical axis represents the energy level. It shows how the band offset value ΔEv changes. However, the black circle represents the band offset value ΔEv of the valence band, and the white circle represents the band offset value ΔEc of the conduction band. The origin of energy is the energy value at the lower end of the Si conduction band for the conduction band, and the energy value at the upper end of the Si valence band for the valence band. Further, the solid line in the figure corresponds to the unstrained system, and the dotted line in the figure corresponds to the tensile strain system.
[0051]
As shown in FIG. 4, the band offset values of the conduction band and the valence band at the interface between the SiGeC layer (C composition ratio of 0.01) and the Si layer of this embodiment are 300 meV and 0 meV, respectively. It can be seen that there is no band discontinuity in the valence band at the interface between Si and Si, and a band discontinuity is formed only in the conduction band. Further, since the composition ratio of C in the
[0052]
On the other hand, since there is no band discontinuity in the valence band at the interface between the
[0053]
As described above, according to the structure of this embodiment, in the NMOS transistor, the band offset value of the conduction band is stored in the two-dimensional electron gas by adjusting the composition ratio of each element Si, Ge, C in the
[0054]
A high-performance HCMOS device can be realized by integrating a high-speed NMOS transistor and a high-speed PMOS transistor by forming band discontinuities in the valence band using SiGe.
[0055]
In this embodiment, the Ge composition ratio is 8.2% and the C composition ratio is 1%. From FIG. 4, the band discontinuity, that is, the band offset value ΔEv is maximized in the lattice matching system. In order to achieve this, it is understood that the composition ratio of C should be increased. By providing such a large band offset value ΔEv, the two-dimensional electron gas (2DEG) confined in the heterointerface does not get over the heterointerface even if the electron concentration increases, and can travel stably. Can do. In particular, it is preferable to adjust the composition ratio of C to a range of 0.01 to 0.03. Within this range, a band offset value ΔEv (= −0.2 to −0.6) appropriate for forming a carrier accumulation layer for confining the two-dimensional electron gas in both the unstrained system and the tensile strain system. V) can be obtained.
[0056]
In this embodiment, the Ge composition ratio in the
[0057]
Further, since the HCMOS device is formed on the Si substrate, this HCMOS device is used where the element speed is required, and otherwise, the CMOS formed on the active region having a normal Si single composition. Devices may be made. With this configuration, integration with a MOS field effect transistor fabricated directly on a Si substrate is also possible. In addition, as a device using SiGeC, it is not necessary to form p and n type transistors on the same substrate. For example, in the case of an integrated circuit used for a mobile communication device, an amplifier, a mixer, etc. used in a high-frequency region where high-speed operation is required do not need to form a complementary circuit. For example, it may be possible to construct a part that performs digital signal processing that requires a complementary circuit by using a MOS device using only SiGeC (for example, n-type) and a CMOS device that uses a single Si composition. .
[0058]
Next, a method for manufacturing the HCMOS device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5A to 5F are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for realizing the structure of the HCMOS device shown in FIG.
[0059]
First, in the step shown in FIG. 5A, a p well 11 and an n well 12 are formed in an
[0060]
Next, in the step shown in FIG. 5B, the
[0061]
Next, in the step shown in FIG. 5C, a trench isolation trench is formed in order to electrically isolate the PMOS transistor and NMOS transistor, and the
[0062]
Next, in the step shown in FIG. 5D, a polysilicon film is deposited on the entire surface of the substrate, and then patterned to form a
[0063]
Next, in the step shown in FIG. 5E, openings are formed in portions of the
[0064]
As a result, an HCMOS device including an NMOS transistor and a PMOS transistor is formed on the
[0065]
As described above, according to the manufacturing method of this embodiment, although it is necessary to form different channels for the NMOS transistor and the PMOS transistor, the crystal growth can be performed in common for the NMOS transistor and the PMOS transistor, and the manufacturing is simple. be able to.
[0066]
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the field effect transistor is formed by using the SiGeC layer lattice-matched with silicon. However, in this embodiment, the SiGeC layer is actively applied within a range in which the crystallinity is not deteriorated. In this case, a transistor is formed by introducing a strain into the transistor and utilizing a change in the band structure due to the strain. The structure of the HCMOS device according to this embodiment is basically a structure in which the PMOS transistor and NMOS transistor according to the first embodiment shown in FIG. 1 are realized in one transistor.
[0067]
FIGS. 6A to 6C show a case where compressive strain is generated in the SiGeC layer, a case where the SiGeC layer is lattice-matched to the Si layer (no strain), and a case where tensile strain is generated in the SiGeC layer. It is a figure which shows the state of the crystal structure in. As shown in FIG. 6A, when the lattice constant of the SiGeC layer is made larger than the lattice constant of the Si layer, the SiGeC layer is subjected to compressive strain, and the band between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band in the SiGeC layer. The gap value increases. On the other hand, when the lattice constant of the SiGeC layer is made smaller than the lattice constant of the Si layer, tensile strain occurs in the SiGeC layer, as shown in FIG. 5C, and between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band in the SiGeC layer. The band gap of is reduced. That is, since the band structure changes due to the strain of the SiGeC layer, the band offset value of the layer such as the Si layer adjacent to the SiGeC layer can be changed by actively utilizing this effect.
[0068]
Here, even when the lattice constant of the SiGeC layer is deviated from the lattice constant of the Si layer, the thickness of the SiGeC layer is set to such an extent that distortion is accumulated without causing lattice relaxation, thereby causing crystal defects such as dislocations. It is possible to effectively prevent a decrease in reliability of the element to be performed.
[0069]
7A and 7B are a band structure diagram and a cross-sectional view in the channel region of the field effect transistor according to the present embodiment. After growing the
[0070]
Further, since the
[0071]
Therefore, according to the semiconductor device according to the present embodiment, by introducing tensile strain into the
[0072]
In addition, by appropriately setting the thickness of each layer, it is possible to obtain an HCMOS device having a highly reliable field effect transistor with good crystallinity without introducing dislocations and defects due to lattice mismatch.
[0073]
Note that the broken line in FIG. 4 indicates a composition in which a tensile strain of 0.25% is applied to the
[0074]
As shown in FIG. 4, as in the case of the unstrained system, there is no band discontinuity in the valence band at the interface between the
[0075]
Here, the lattice constant of SiGeC is used smaller than that of Si, but the thickness of the layer is such that lattice relaxation does not occur and strain is accumulated. There is no decline in sex.
[0076]
(Third embodiment)
In the first embodiment described above, a heterostructure in which the SiGeC layer is lattice-matched to the Si layer is formed in the channel region of the field effect transistor, and electrons or holes are confined in the band discontinuity at the heterointerface. Used as a carrier.
[0077]
In this embodiment, a region for confining carriers is not a heterointerface, but a quantum well structure is formed with a structure of Si / SiGeC / Si or Si / SiGe / Si, and a quantum well (SiGeC, SiGe) sandwiched between barrier layers is channeled. Are provided as transistors.
[0078]
FIG. 8 is a cross-sectional view of the HCMOS device according to this embodiment. This is a CMOS device structure in which an NMOS transistor and a PMOS transistor are formed on a
[0079]
In the NMOS transistor, an
[0080]
With this structure, as in the first embodiment, a channel for carrier movement is formed in the
[0081]
Also in the PMOS transistor, on the
[0082]
Further, in the NMOS transistor and the PMOS transistor,
[0083]
In addition, a
[0084]
According to the HCMOS device of this embodiment, as in the first embodiment, in the NMOS transistor, the
[0085]
However, in this embodiment, this HCMOS device may be used for a circuit that requires element speed, and a CMOS device formed on a normal Si substrate may be manufactured for other circuits. Integration with a MOS field effect transistor directly formed on the top is also possible.
[0086]
Note that both the NMOS transistor and PMOS transistor channels do not necessarily have to be quantum well regions.
[0087]
Next, a method for manufacturing an HCMOS device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9A to 9F are cross-sectional views showing an example of a manufacturing process for realizing the structure of the HCMOS device shown in FIG.
[0088]
First, the outline of the manufacturing process will be described. When the
[0089]
First, in the step shown in FIG. 9A, a p-
[0090]
9B, a
[0091]
Next, in the step shown in FIG. 9C, a trench isolation trench is formed in order to electrically isolate the PMOS transistor and the NMOS transistor, and then the
[0092]
9D, after forming the
[0093]
Thereafter, in the step shown in FIG. 9E, openings are formed in the
[0094]
Through the above steps, the structure of the HCMOS device including the NMOS transistor and the PMOS transistor according to the third embodiment is realized.
[0095]
According to the manufacturing method of the present embodiment, there is an HCMOS device in which the NMOS transistor channel is the
[0096]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the field effect transistor according to the fourth embodiment. The present embodiment relates to a structure for providing a source / drain contact suitable for a hetero field effect transistor.
[0097]
As shown in the figure, on the well 51 made of the Si layer, the
[0098]
Here, the structure of each part of the field effect transistor will be described.
[0099]
First, the composition ratio of Ge in the
[0100]
Here, the composition ratio of Ge in the
[0101]
Si which does not add impurities on the
[0102]
The δ-doped
[0103]
i-Si 1-x Ge x The
[0104]
The
[0105]
That is, the field effect transistor according to the present embodiment has a channel region composed of the above laminated film, a source /
[0106]
The feature of the invention according to this embodiment is that Si 1-xy Ge x C y A first semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), a second semiconductor layer having a band gap different from that of the first semiconductor layer, and the first and second layers A channel region having a carrier accumulation layer formed in a region near the interface between the semiconductor layers, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor layer having a larger band gap than the third semiconductor layer; And a source / drain contact layer made of a low-resistance conductor film formed immediately above the third semiconductor layer.
[0107]
When the field effect transistor of this embodiment is used as an n-channel field effect transistor, the i-
[0108]
On the other hand, when the field effect transistor of this embodiment is used as a p-channel field effect transistor, i-Si is used. 1-x Ge x Layer 56 is Si 1-xy Ge x C y The first semiconductor layer including the layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) (y = 0) and the third semiconductor layer, and the i-
[0109]
As described above, in the present embodiment, the region on the substrate side that makes contact with the Al source /
[0110]
Si on the Si layer 0.7 Ge 0.3 After growing W on the layer and then depositing metal (in this case Al), very low resistance contacts can be obtained. The contact using the SiGe film can obtain a contact having a single-digit resistance lower than that of the low-resistance contact using the silicide technology generally used as a low-resistance contact in the conventional CMOS device (IEEE Electron Device Letters Vol.17, No.7, 1996 pp360).
[0111]
In this paper, the SiGe layer is grown only for source / drain electrode contact formation. However, if the structure for contacting the SiGe layer for channel formation is taken as in this embodiment, transistor fabrication described later is performed. As will be apparent from the method, it is not necessary to newly grow a SiGe crystal, and productivity is improved.
[0112]
However, in this embodiment, this HCMOS device may be used where the device speed is required, and otherwise, a CMOS device formed on a normal Si substrate may be manufactured. Integration with a directly formed MOS field effect transistor is also possible.
[0113]
Next, a method for manufacturing the field effect transistor according to this embodiment will be described. FIGS. 11A to 11E and FIGS. 12A to 12E are cross-sectional views illustrating an example of a manufacturing process for realizing the structure of the field effect transistor shown in FIG.
[0114]
First, in the process shown in FIG. 11A, prior to epitaxial growth for channel formation, ions are implanted into the
[0115]
Next, in the step shown in FIG. 11B, before epitaxial growth on the substrate, the substrate is cleaned using an RCA cleaning method or the like to remove impurities on the surface. Thereafter, the oxide film on the surface is removed, the substrate is inserted into an epitaxial growth apparatus, and heating is performed in a vacuum state to obtain a clean surface. Then, epitaxial growth of a semiconductor layer for forming a channel region is performed on this clean surface. This semiconductor layer includes
[0116]
As a method for growing the semiconductor layer, an MBE method using a solid source or a UHV-CVD method using a gas source can be used. In the case of UHV-CVD, the atmosphere in the apparatus is first set to ultra high vacuum (10 -Ten After introducing the source necessary for crystal growth into the vacuum vessel, -Five -10 -6 Crystal growth is performed in a state where the degree of vacuum reaches about Torr.
[0117]
Therefore, also in this embodiment, after generating a clean surface on the substrate by the above-described processing, the substrate temperature is set to about 500 to 700 ° C. when the degree of vacuum in the vacuum vessel becomes sufficiently high, and each semiconductor crystal Do layer growth. Note that changing the substrate temperature affects the quality of the crystal, such as changing the composition ratio within a single semiconductor crystal layer, so the substrate temperature is basically changed while the single layer is grown. I won't let you. Further, at a high temperature such as 800 ° C. or higher, Ge and Si are interdiffused to impair the steepness of the heterointerface, or distortion is relaxed and channel characteristics are deteriorated. As shown in FIG.
[0118]
Crystal growth is performed by introducing a source gas necessary for crystal growth into a vacuum vessel in an ultra-high vacuum state. As a source gas used for crystal growth, disilane is used for the growth of the Si layer. For the growth of the SiGe layer, germane is used as the Ge source gas in addition to the source gas for growing the Si layer such as disilane. At this time, the composition ratio of Si and Ge in the SiGe layer can be controlled by adjusting the partial pressure ratio of each source gas. The gas flow rate is 10 degrees of vacuum. -Five -10 -6 Adjust to about Torr.
[0119]
First, a
[0120]
Next, for forming the δ-doped
[0121]
Here, when impurities introduced into the δ-doped
[0122]
After the growth of the
[0123]
After the growth of the i-
[0124]
With the above processing, the epitaxial growth process of the semiconductor layer constituting the channel region is completed.
[0125]
Next, in the step shown in FIG. 11C, the substrate is taken out from the UHV-CVD apparatus and introduced into a thermal oxidation furnace, and the surface of the uppermost i-
[0126]
Next, a
[0127]
Next, in the step shown in FIG. 11E, impurity ions as dopants are implanted into the substrate using the
[0128]
Immediately after ion implantation, annealing for activating impurities is performed. However, a short time (30 seconds) of RTA at about 1000 ° C. so that the annealing heat treatment does not cause interdiffusion of Si and Ge at the heterointerface and generation of crystal defects in the strain relaxation process existing in the Si / SiGe system. (Rapid thermal annealing) is preferably performed.
[0129]
Next, in the step shown in FIG. 12A, a photoresist mask (not shown) is formed again on the substrate, and the region between the NMOS transistor formation region and the PMOS transistor formation region is made at least more than the channel region by dry etching. The
[0130]
Next, in the step shown in FIG. 12B, a first insulating
[0131]
Next, the source / drain contact, which is a feature of this embodiment, is formed by the following procedure. However, the steps for realizing the structure shown in FIG. 10 are not limited to the following procedures.
[0132]
In order to maximize the effects of the present embodiment, it is necessary that a very thin specific semiconductor layer which finally becomes the base of the contact exists. Therefore, in this embodiment, i-Si is used as a specific semiconductor layer serving as a base. 1-x Ge x The
[0133]
First, as is well known, a hydrofluoric acid-based solution is used to remove the uppermost oxide film (
[0134]
This exposed i-Si is then used to form contacts. 1-x Ge x A low resistance metal film is deposited on the
[0135]
Next, in the step shown in FIG. 12E, sputtering is performed to deposit an Al alloy film on the entire surface of the substrate, followed by patterning to form Al source /
[0136]
As described above, in the Si-based hetero MOS device, the semiconductor upper layer is preferably a Si layer having a large band gap because of the use of a silicon oxide film as the gate insulating film. A technique of forming a contact metal layer after removing the layer is a technique particularly suitable for forming a Si-based hetero MOS device.
[0137]
(Fifth embodiment)
In the above embodiment, a channel structure using a heterojunction composed of Si and SiGe is taken as a representative example. However, the invention for forming a low-resistance contact in the source / drain region of an HCMOS device is limited to this embodiment. A channel formed by a heteroepitaxial laminated film having a configuration other than the laminated structure of Si and SiGe of this embodiment, for example, Si and Si 1-xy Ge x C y (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) A channel formed with a mixed crystal semiconductor may be used. The formation of a channel by a hetero interface necessarily requires the joining of two types of semiconductors having different band gaps, so that the formation of such a low resistance contact layer is effective.
[0138]
FIG. 13 is a cross-sectional view of an HCMOS device according to the fifth embodiment in which a low-resistance contact metal layer is formed in the structure shown in FIG.
[0139]
As shown in the figure, in the HCMOS device according to the present embodiment, source / drain contact W layers 25n and 25p are formed on the SiGe layers 15n and 15p.
[0140]
The feature of the invention according to the present embodiment is similar to the feature of the first embodiment, as well as the fourth embodiment. 1-xy Ge x C y A first semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), a second semiconductor layer having a band gap different from that of the first semiconductor layer, and the first and second layers A channel region having a carrier accumulation layer formed in a region near the interface between the semiconductor layers, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor layer having a larger band gap than the third semiconductor layer; And a source / drain contact layer made of a low-resistance conductor film formed immediately above the third semiconductor layer.
[0141]
In the NMOS transistor of this embodiment, the
[0142]
On the other hand, in the PMOS transistor of this embodiment, the
[0143]
As described above, in the present embodiment, the region on the substrate side (source / drain contact W layers 25n, 25p) that makes contact with the Al source /
[0144]
In particular, since the source / drain contact W layers 25n and 25p made of tungsten (W) are provided so as to be in contact with the SiGe layers 15n and 15p, a very low contact resistance can be obtained.
[0145]
That is, in this embodiment, it is possible to reduce the contact resistance while exhibiting the effects of the first embodiment.
[0146]
(Sixth embodiment)
FIG. 14 is a cross-sectional view of an HCMOS device according to the sixth embodiment in which a low-resistance contact metal layer is formed in the structure shown in FIG.
[0147]
As shown in the figure, in the HCMOS device according to the present embodiment, source / drain contact W layers 45n and 45p are formed on the SiGe layers 36n and 36p serving as quantum well regions.
[0148]
The feature of the invention according to the present embodiment is similar to the feature of the third embodiment, as well as the fourth embodiment. 1-xy Ge x C y A first semiconductor layer including layers (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), a second semiconductor layer having a band gap different from that of the first semiconductor layer, and the first and second layers A channel region having a carrier accumulation layer formed in a region near the interface between the semiconductor layers, a third semiconductor layer, and a fourth semiconductor layer having a larger band gap than the third semiconductor layer; And a source / drain contact layer made of a low-resistance conductor film formed immediately above the third semiconductor layer.
[0149]
In the NMOS transistor of this embodiment, the
[0150]
On the other hand, in the PMOS transistor of this embodiment, the
[0151]
As described above, in the present embodiment, the region on the substrate side (source / drain contact W layers 45n, 45p) for making contact with the Al source /
[0152]
In particular, since the source / drain contact W layers 45n and 45p made of tungsten (W) are provided so as to be in contact with the SiGe layers 36n and 36p, a very low contact resistance can be obtained.
[0153]
That is, in this embodiment, it is possible to reduce the contact resistance while exhibiting the effects of the third embodiment.
[0154]
(Other variations)
In the first to sixth embodiments, the MOS field effect transistor in which the gate insulating film is provided under the gate electrode has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment. In particular, a field effect transistor using a hetero interface rather than a hetero MOS structure having an insulating film as the uppermost layer can be implemented even in a device using a Schottky junction that does not use an insulating film, and an effect of reducing resistance can be obtained. This is advantageous in terms of low power consumption and high speed operation.
[0155]
In the first to sixth embodiments, the δ-doped layer is formed. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and the effect of the present invention can be exhibited without providing the δ-doped layer. Is possible. Even when the δ-doped layer is formed, the spacer layer is not always necessary.
[0156]
Instead of the SiGe layer in the first, second, third, fifth and sixth embodiments, a SiGeC layer to which a small amount of C is added may be provided.
[0157]
In the first, second, third, fifth, and sixth embodiments, the vertical relationship between the SiGeC layer and the SiGe layer may be reversed. In that case, in the fifth and sixth embodiments, the source / drain contact W layer may be formed immediately above the SiGeC layer in the source / drain region.
[0158]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, in a semiconductor device having a field effect transistor, the Si layer and the Si layer 1-xy Ge x C y A layer and Si 1-xy Ge x C y Since the carrier storage layer formed in the layer is used as a channel, it is possible to provide a semiconductor device having a field effect transistor with high operation speed and high reliability.
[0159]
The structure of this semiconductor device can be easily realized by the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a SiGeC-based HCMOS device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing the dependence of lattice strain of a SiGeC layer in an HCMOS device on the Ge composition ratio and the C composition ratio.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the composition ratio of Si, Ge, and C that cause lattice matching or tensile strain between the SiGeC layer and the Si layer of the SiGeC-based HCMOS device.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a C composition ratio of an SiGeC layer and an energy gap value.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the composition of a SiGeC layer and strain due to lattice mismatch in the second embodiment.
FIG. 7 is a view showing a band lineup of a lattice matching SiGeC-HCMOS device according to a second embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of an HCMOS device having a quantum well structure channel according to a third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of an HCMOS device according to a fourth embodiment.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the first half of the manufacturing process of the HCMOS device according to the fourth embodiment.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the latter half of the manufacturing process of the HCMOS device according to the fourth embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of an HCMOS device according to a fifth embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the structure of an HCMOS device according to a sixth embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional HCMOS device.
FIG. 16 is a diagram showing defects such as dislocations due to lattice mismatch distortion introduced into a heterointerface of a conventional HCMOS device.
[Explanation of symbols]
10 Si substrate
11 p-well
12 n-well
13 Si layer
14 SiGeC layer
15 SiGe layer
16 Source / drain region
17 Si layer
18 Gate electrode
19 Gate insulation film
21 Source / drain electrodes
25 Source / drain contact W layer
30 Si substrate
31 p-well
32 n-well
33 First Si layer
34 SiGeC layer
35 Second Si layer
36 SiGe layer
37 Third Si layer
38 Gate electrode
39 Gate insulation film
41 Source / drain electrodes
42 Source / drain regions
45 Source / drain contact W layer
50 Si substrate
51n p-well
51p n-well
52 SiGe buffer layer
53 δ-doped layer
54 Spacer layer
55 i-Si layer
56 i-Si1-xGex layer
57 i-Si layer
58 Gate insulation film
59 Source / drain regions
61 W layer for source / drain contact
63 Al source / drain electrode
65 Gate electrode
66 First layer insulating film
67 n-channel
68 p-channel
Claims (1)
上記チャネル領域には、
Si層と、
上記Si層に接して形成されたSi1−x−y Gex Cy 層(0≦x≦1,0<y≦1)とが設けられていて、
上記Si1−x−y Gex Cy 層内における上記Si層に近接した領域にはキャリア蓄積層が形成されており、
上記Si1−x−y Gex Cy 層の各元素の組成比は、上記Si1−x−y Gex Cy 層と上記Si層とが格子整合する組成比となるようGeの組成比はCの組成比の8.2倍に調整されており、
上記Cの組成比は0.01から0.03であって、
上記キャリア蓄積層に蓄積されるキャリアは負のキャリアであることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device comprising a field effect transistor formed on a part of a semiconductor substrate and having a gate electrode, a source / drain region, and a channel region between the source / drain region,
In the above channel region,
A Si layer;
An Si 1-xy Ge x Cy layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) formed in contact with the Si layer,
A carrier accumulation layer is formed in a region near the Si layer in the Si 1-xy Ge x Cy layer,
The composition ratio of each element of the Si 1-x-y Ge x C y layer, the composition ratio of the Si 1-x-y Ge x C y layer and the Ge to the above Si layer becomes a composition ratio which is lattice-matched Is adjusted to 8.2 times the composition ratio of C ,
The composition ratio of C is 0.01 to 0.03,
A semiconductor device characterized in that carriers accumulated in the carrier accumulation layer are negative carriers .
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