(57)【要約】【課題】結晶欠陥の発生を抑制しつつ、格子位置炭素濃度が熱平衡状態での値よりも高いシリコンカーボン層を形成する。【解決手段】ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソースの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第１非晶質シリコン層とｎチャネルＭＯＳトランジスタのドレインの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第２非晶質シリコン層とを形成する第１工程と、第１非晶質シリコン層と第２非晶質シリコン層とを５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して第１非晶質シリコン層及び第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で第１非晶質シリコン層と第２非晶質シリコン層とを５０ｍｓ以下の短時間加熱して第１非晶質シリコン層のうち第２工程により結晶化されなかった部分と第２非晶質シリコン層のうち第２工程により結晶化されなかった部分とを結晶化する第３工程とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコン上に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタのソースの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第１非晶質シリコン層と、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのドレインの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第２非晶質シリコン層とを、前記結晶シリコンの表面に形成する第１工程と、
前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して、前記第１非晶質シリコン層及び前記第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、
１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で、前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５０ｍｓ以下の時間加熱して、前記第１非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分と前記第２非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分とを結晶化する第３工程とを有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記第１非晶質シリコン層及び前記第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から２ｎｍ以上結晶化することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程で形成する前記第１及び第２非晶質シリコン層の厚さは、６０ｎｍ以下であり、
前記第１及び第２非晶質シリコン層のうち前記第２工程で結晶化されずに前記第３工程で結晶化される部分の厚さは２０ｎｍ以上であることを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
結晶シリコンの表面に、カーボンを含む非晶質シリコン層を形成する第１工程と、
前記非晶質シリコン層を５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して、前記非晶質シリコン層を底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、
前記非晶質シリコン層を１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で、５０ｍｓ以下の時間加熱して、前記非晶質シリコン層のうち前記第１工程により結晶化されなかった部分を結晶化する第３工程とを有する
シリコンカーボン層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法およびシリコンカーボン層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンの電子移動度は引張歪により増加する。この現象を利用して、ｎ―ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタのチャネル移動度を増加させる技術が提案されている。
【０００３】
この技術では、ｎチャネルＭＯＳトランジスタタのチャネルの両側に、シリコン原子の一部が炭素（Ｃ）原子で置換されたシリコン結晶（以下、シリコンカーボンと呼ぶ）が形成される。シリコンカーボン（以下、Ｓｉ：Ｃと表す）の格子定数は、シリコン（Ｓｉ）の格子定数より小さい。このためチャネルは、両側に形成されたシリコンカーボンにより引っ張られる。その結果、チャネルに引張歪が発生して、電子の移動度（すなわち、チャネル移動度）が増加する。
【０００４】
熱平衡状態でＳｉの格子位置に入り得るＣ原子は、１３００℃でも高々１×１０−４原子％〜１×１０−３原子％である。したがって、熱平衡状態のシリコンカーボンの格子定数はＳｉの格子定数と殆ど変らない。このため、チャネルの両側に熱平衡状態のシリコンカーボンを形成しても、電子の移動度は殆ど改善されない。
【０００５】
一方、炭素を含む非晶質シリコン層（以下、非晶質シリコンカーボン層と呼ぶ）を短時間熱処理により再結晶化させると、熱平衡状態で格子位置に入り得るＣ原子の濃度を超えてＣ原子がシリコンの格子位置に入る。短時間熱処理によりシリコンの格子位置に入るＣ原子の濃度は、１.０〜１．８原子％程度に達する。そこで、非晶質シリコンカーボン層を短時間熱処理して、チャネルの両側（すなわち、ソース及びドレイン）にシリコンカーボン層を形成することが提案されている。
【０００６】
短時間熱処理の方法としては、RTA（rapid thermal annealing）により非晶質シリコンカーボン層を750℃〜900℃に10秒程度昇温する方法が提案されている。別の方法としては、非晶質シリコンカーボン層にレーザ光を数ms（millisecond）照射して非晶質シリコンカーボン層を1200℃〜1350℃に昇温する方法（以下、短時間レーザアニールと呼ぶ）が提案されている。
【０００７】
シリコンの格子位置に入ったＣ原子（以下、格子位置Ｃ原子と呼ぶ）の濃度は、RTAにより形成されるシリコンカーボンでは、高々１原子％程度である。一方、レーザアニールにより形成されるシリコンカーボンの格子位置Ｃ原子の濃度（以下、格子位置Ｃ濃度と呼ぶ）は、約1.8原子％になり得る。
【０００８】
すなわち短時間レーザアニールは、シリコンカーボン中の格子位置Ｃ濃度を最も高くする方法である。しかし短時間レーザアニールには、形成されたシリコンカーボンに結晶欠陥が多数存在するという問題がある。
【０００９】
短時間レーザアニールにより発生する結晶欠陥は、短時間レーザアニールとRTAの組み合わせにより減少することが報告されている。報告されている、RTAの熱処理温度および熱処理時間はそれぞれ、850℃および40秒である。ただし、格子位置Ｃ原子の濃度については明らかにされていない。また、レーザアニールとRTAのどちらを先に行うかも明らかにされていない。
【００１０】
この報告とは別に、非晶質シリコンカーボン層をRTA(熱処理温度750℃〜850℃、熱処理時間30秒〜120秒）により熱処理した後、レーザアニールまたはＸｅフラッシュランプアニールにより熱処理する方法が提案されている。この提案では、格子位置Ｃ濃度および結晶欠陥の有無については言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−６２５２９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Hiroshi Itokawa, Kiyotaka Miyano, Yusuke Oshiki, Hiroyuki Onoda, Masahito Nishigoori, Ichiro Mizushima, and Kyoichi Suguro, “Carbon Incorporation into Substitutional Silicon Site by Carbon Cryo Ion Implantation and Metastable Recrystallization Annealing as Stress Technique in n-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”, conference publication of Junction Technology (IWJT), 2010, pp.1-4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし上述したいずれの方法を用いても、短時間レーザアニールによるシリコンカーボンと同程度に格子位置Ｃ濃度が高く且つRTAによるシリコンカーボンと同程度に結晶欠陥が少ないシリコンカーボンを形成することは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の問題を解決するために、本製造方法の一観点によれば、結晶シリコン上に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタのソースの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第１非晶質シリコン層と前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのドレインの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第２非晶質シリコン層とを前記結晶シリコンの表面に形成する第１工程と、前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して前記第１非晶質シリコン層及び前記第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５０ｍｓ以下の時間加熱して前記第１非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分と前記第２非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分とを結晶化する第３工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。 
【発明の効果】
【００１５】
開示の方法によれば、短時間レーザアニールによるシリコンカーボン（Ｓｉ：Ｃ）と同程度に格子位置Ｃ濃度が高く且つRTAによるシリコンカーボンと同程度に結晶欠陥密度が小さいシリコンカーボン（Ｓｉ：Ｃ）を、ｎチャネルＭＯＳトランジスタの両側（すなわち、ソースおよびドレインの少なくとも一部）に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
【図２】図２は、実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
【図３】図３は、実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
【図４】図４は、非晶質シリコンカーボン層からLSAにより形成したシリコンカーボンの格子定数を示す図である。
【図５】図５は、LSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像である。
【図６】図６は、850℃ 30秒のRTAにより形成したシリコンカーボンのTEM像である。
【図７】図７は、図６のシリコンカーボンをin-plane法で測定したＸ線回折パターンである。
【図８】図８は、LSAの代わりにＸｅフラッシュランプアニールにより形成したシリコンカーボンのin-planeＸ線回折パターンである。
【図９】図９は、比較的高温のRTAとLSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像である。
【図１０】図１０は、図９のシリコンカーボンのout of plane格子定数を示す図である。
【図１１】図１１は、低温RTAと低温RTA後のLSAにより形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数を示す図である。
【図１２】図１２は、600℃３分のRTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像である。
【図１３】図１３は、図１２のシリコンカーボンをin-plane法で測定したＸ線回折パターンである。
【図１４】図１４は、a/c界面近傍のTEM像である。
【図１５】図１５は、LSAとLSA後のRTAにより形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数を示す図である。
【図１６】図１６は、図１５のシリコンカーボンのTEM像である。
【図１７】図１７は、一定の厚さのシリコンカーボンが成長する熱処理時間を示す表である。
【図１８】図１８は、チャネルの両側に形成するシリコンカーボンの深さとチャネルストレスの関係を示す図である。
【図１９】図１９は、図１８の計算に用いた歪Ｓｉ ＭＯＳトランジスタ・モデルを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１８】
（１）製造方法
図１〜３は、実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。
【００１９】
実施の形態の製造方法では、Ｓｉ基板２にｎチャネルＭＯＳトランジスタ構造を形成しその後、ｎチャネルＭＯＳトランジスタのソース及びドレインの少なくとも一部をシリコンカーボン（Ｓｉ：Ｃ）に変換する。
【００２０】
（１−１）ｎチャネルＭＯＳトランジスタ構造の形成（図１（ａ）〜図２（ａ）参照）
シリコン（Ｓｉ）基板２に、浅い溝（Shallow Trench）を形成する。図１（ａ）に示すように、形成した溝をフィールド絶縁膜４で埋め込み、STI（Shallow Trench Isolation）による素子分離構造を形成する。シリコン基板２の面方位は、好ましくは（００１）である。
【００２１】
Ｓｉ基板２の代わりに、SOI（Silicon on Insulator）基板を用いてもよい。また、STIの代わりにLOCOS(Local Oxidation of Silicon)による素子分離構造を形成してもよい。
【００２２】
次に、フィールド絶縁膜４に囲われた領域にホウ素をイオン注入する。その後、Ｓｉ基板２を熱処理してホウ素を活性化する。これにより、Ｐウェル６が形成される。その後、Ｓｉ基板２の表面を酸化して、ゲート絶縁膜８になる熱酸化膜を形成する。
【００２３】
熱酸化膜を形成したＳｉ基板２上に、ポリシリコン膜と絶縁膜（例えば、シリコン窒化膜）をCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりこの順番で形成する。
【００２４】
この絶縁膜の上に、ゲート電極１０に対応するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、絶縁膜、ポリシリコン膜及び熱酸化膜をドライエッチングする。これにより図１（ａ）に示すように、保護絶縁膜１２、ゲート電極１０、およびゲート酸化膜８が形成される。
【００２５】
次に、ゲート電極１０の両側の領域１４ｓ,１４ｄに、ｎ型不純物イオン（例えば、リンイオン又はヒ素イオン）を注入する。これらの領域１４ｓ,１４ｄのうちゲート絶縁膜８に隣接する部分は、ｎ型エクステンション領域になる。
【００２６】
さらにゲート電極１０の両側の領域１６ｓ,１６ｄ（図１（ｂ）参照）に、ｐ型不純物（例えば、インジウム（Ｉｎ）イオン、又はホウ素（Ｂ）イオン、又はフッ化ホウ素（ＢＦ2）イオン）を注入する。これらの領域１６ｓ,１６ｄのうちゲート絶縁膜８に隣接する部分は、ｐ型のポケット領域になる。
【００２７】
次に、Ｓｉ基板２、フィールド絶縁４、およびゲート電極１０の上に、絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）をCVD法により形成する。この絶縁膜を、RIE(Reactive Ion Etching)によりを垂直方向に異方性エッチングする。これにより、図１（ｃ）に示すように、サイドウォール１８が形成される。サイドウォール１８は、シリコン酸化膜の単層の構造に限られない。例えば、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の二層構造であってもよい。下側のシリコン窒化膜は、エクステンション領域に対応する領域１４ｓ、１４ｄへのイオン注入前に形成されてもよい。
【００２８】
サイドウォール１８の形成後、ソース２０（図２（ａ）参照）に対応する領域およびドレイン２２に対応する領域にｎ型不純物（例えば、燐(P)またはヒ素（As））をイオン注入する。
【００２９】
ｎ型不純物がPイオンの場合、加速エネルギーは例えば2keV〜20keVである。ドーズは例えば、2×1015〜2×1016cm-2である。チルト角は例えば、0°〜10°である。ｎ型不純物がAsイオンの場合、加速エネルギーは例えば5keV〜30keVである。ドーズは例えば、1×1015〜5×1015cm-2である。チルト各は例えば、0°〜10°である。
【００３０】
次に、Ｓｉ基板２をスパイクアニールする。このスパイクアニールによりこれまでに注入した不純物が活性化され、ｎ型エクステンション領域２４s,２４ｄ、ポケット領域２６ｓ,２６ｄ、ソース２０およびドレイン２２が形成される。ソース２０およびドレイン２２の厚さは、例えば50nm〜150nmになる。
【００３１】
スパイクアニールのピーク温度は、例えば950℃〜1050℃である。Ｓｉ基板２の温度がピーク温度から50℃低い温度を上回ってる時間は1〜2秒程度である。熱処理雰囲気は、例えばN2ガスである。
【００３２】
（１−２）非晶質シリコンカーボン層の形成（図２（ｂ）参照）
次に図２（ｂ）に示すように、ソース２０の少なくとも一部に対応しｎ型不純物とカーボンとを含む第１非晶質シリコン層（非晶質シリコンカーボン層）２８ａを、Ｓｉ基板２（結晶シリコン）の表面に形成する。同様に、ドレイン２２の少なくとも一部に対応しｎ型不純物とカーボンとを含む第２非晶質シリコン層（非晶質シリコンカーボン層）２８ｂを、Ｓｉ基板２（結晶シリコン）の表面に形成する。第１非晶質シリコン層２８ａと第２非晶質シリコン層２８ｂとは、チャネル３０を挟んで対向するように形成される。
【００３３】
図２（ｂ）に示す例では、第１非晶質シリコン層２８ａは、ソース２０の一部に対応している。しかし第１非晶質シリコン層２８ａは、ソース２０全体に対応してもよい。或いは、第１非晶質シリコン層２８ａは、ソース２０を含む領域（例えば、ソール２０より厚い領域）に対応してもよい。同様に、第２非晶質シリコン層２８ｂはドレイン２２全体またはドレイン２２（例えば、ソール２２より厚い領域）を含む領域に対応してもよい。
【００３４】
具体的には例えば、ソース２０およびドレイン２２の表層部に炭素（Ｃ）イオンまたは炭素原子を含むクラスターイオンを注入する。炭素原子を含むクラスターイオンは例えば、C7H7,C14H14,C16H16のイオンである。
【００３５】
室温でＳｉ結晶に炭素イオン（Ｃ＋）を注入して非晶質層を形成することは容易ではない。そこで、Ｓｉ基板２を-50℃以下に冷却してから、炭素イオン（Ｃ＋）を注入する。或いは、Ｓｉ基板２に室温（０℃〜５０℃）でゲルマニウムイオン（Ｇｅ＋）やシリコンイオン（Ｓｉ＋）などを注入して非晶質領域を形成してから、炭素イオン（Ｃ＋）を室温でＳｉ基板２に注入してもよい。これらいずれかのイオン注入により、例えばソース接合およびドレイン接合より浅い領域に炭素を含む第１及び第２非晶質シリコン層２８ａ, ２８ｂを形成する。
【００３６】
注入エネルギーおよびドーズ量は例えば、第１及び第２非晶質シリコン層２８ａ, ２８ｂの厚さが30nm〜60nmになると共に炭素のピーク濃度が2×1021cｍ-3以下となるように制御される。炭素イオン（Ｃ＋）を注入する場合、注入エネルギーおよびドーズ量は例えば8keVおよび2×1015cm-2に制御する。Ｓｉ基板２は、例えば-100℃に冷却する。この場合、約40nmの非晶質シリコン層が形成される。炭素のピーク濃度は、5×1020cm-3（１原子％）になる。炭素のピーク濃度は例えば、5×1020cm-3以上2×1021ｃｍ-3以下が好ましい。
【００３７】
（１−３）非晶質シリコンカーボン層の低温熱処理（図２（ｃ）参照）
次に、第１非晶質シリコン層２８ａと第２非晶質シリコン層２８ｂとを５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して、第１非晶質シリコン層２８ａ及び第２非晶質シリコン層２８ｂをそれぞれの底部から厚さ方向の途中まで結晶化する。この５５０℃以上６５０℃以下の熱処理（以下、低温熱処理と呼ぶ）により第１非晶質シリコン層２８ａの裏面側の領域が、第１シリコンカーボン層３２ａになる。同様にこの熱処理により、第２非晶質シリコン層２８ｂの裏面側の領域が、第２シリコンカーボン層３２ｂになる。尚、第１非晶質シリコン層２８ａの底部とは、第１非晶質シリコン層２８ａとＳｉ基板２の界面（正確には、第１非晶質シリコン層２８ａの表面に対向する界面）のことである。第２非晶質シリコン２８ｂの底部についても、同様である。
【００３８】
具体的には例えば、RTAによりＳｉ基板２を600℃に昇温する。熱処理時間（Ｓｉ基板２の温度が最高温度より５℃低い温度を上回っている時間）は、例えば3minである。熱処理雰囲気は、例えばN2ガスである。この熱処理により、第１非晶質シリコン層２８ａおよび第２非晶質シリコン層２８ｂはそれぞれ例えば12.5nm結晶化させて、第１シリコンカーボン層３２ａおよび第２シリコンカーボン層３２ｂになる。
【００３９】
第１非晶質シリコン層２８ａと第２非晶質シリコン層２８ｂとを低温熱処理する温度（以下、低温熱処理温度と呼ぶ）は、好ましくは５５０℃以上６５０℃以下である。更に好ましくは、低温熱処理温度は５７０℃以上６３０℃以下である。最も好ましくは、低温熱処理温度は５９０℃以上６１０℃以下である。
【００４０】
（１−４）非晶質シリコンカーボン層の高温短時間熱処理（図３（ａ）参照）
その後、第１非晶質シリコン層２８ａと第２非晶質シリコン層２８ｂとを更に、それぞれの温度が１１００℃以上Ｓｉの融点未満（１４１２℃）になるように５０ｍｓ以下の短時間加熱する。
【００４１】
この高温短時間熱処理により図３（ａ）に示すように、第１非晶質シリコン層２８ａのうち上記低温熱処理により結晶化されなかった部分がその表面まで結晶化されて、第３シリコンカーボン層３２ｃになる。
【００４２】
この時、第１非晶質シリコン層２８ａは、炭素原子を格子位置に取り込みながら固相エピタキシャル成長（再結晶化）する。その際、第１非晶質シリコン層２８ａ中の炭素原子は、例えば略１００％格子位置に取り込まれる。したがって第３シリコンカーボン層３２ｃの格子位置Ｃ濃度は、熱平衡状態における格子位置Ｃ濃度より格段に高くなる。
【００４３】
同様に上記高温短時間熱処理により、第２非晶質シリコン層２８ｂのうち上記低温熱処理により結晶化されなかった部分がその表面まで結晶化されて、第４シリコンカーボン層３２ｄになる。第２非晶質シリコン層２８ｂ中の炭素原子は例えば略１００％格子位置に取り込まれ、第４シリコンカーボン層３２ｄの格子位置Ｃ濃度は、熱平衡状態における格子位置Ｃ濃度より格段に高くなる。
【００４４】
以上により、格子位置Ｃ原子を高濃度に含む第３シリコンカーボン層３２ｃを有するソース２０が形成される。同様に、格子位置Ｃ原子を高濃度に含む第４シリコンカーボン層３２ｄを有するドレイン２２が形成される。しかも第３及び第４シリコンカーボン層３２ｃ,３２ｄには、後述するように殆ど結晶欠陥が発生しない。
【００４５】
―格子位置Ｃ原子―
非晶質シリコンカーボンの結晶化により、Ｃ原子は例えば略１００％格子位置に取り込まれる。この時、格子位置Ｃ原子は過飽和状態である。このため、結晶化したシリコンカーボンを加熱し続けると、Ｃ原子は徐々に格子間に移動する。その結果、格子位置Ｃ濃度は最終的には、加熱温度での熱平衡状態の格子位置Ｃ濃度（加熱温度が１３００℃の場合、１×１０−４原子％〜１×１０−３原子％）になる。格子間に移動するＣ原子は、加熱時間が５０ｍｓを超えると無視できなくなる。
【００４６】
実施の形態の加熱時間は、５０ｍｓ以下である。このため、格子間へ移動するＣ原子は略無視できる。すなわち実施の形態によれば、結晶化により格子位置に取り込まれたＣ原子が、略そのまま格子位置に固定される。したがって、第３シリコンカーボン層３２ｃおよび第４シリコンカーボン層３２dにおける格子位置Ｃ濃度は、熱平衡状態のシリコンカーボン層の格子位置Ｃ濃度より格段に高くなる。
【００４７】
―熱処理方法―
非晶質シリコンカーボンを高温短時間熱処理する方法としては、Ｓｉ基板２の表面にレーザ光またはランプ光を0.1ms以上50ms以下照射する熱処理方法が好ましい。ここでレーザ光またはランプ光の照射時間（すなわち、加熱時間）とは、照射光のパワーがその最大値の1/2以上に保持される時間である。
【００４８】
具体的には例えば、Ｓｉ基板２をホットプレートで400℃〜550℃に予備加熱しながら、LSA（Laser spike annealing）またはFLA(Flash Lamp annealing)により熱処理する。LSAは、0.4ms〜1.6msの高温短時間熱処理に適している。FLAは、0.8ms〜40msの高温短時間熱処理に適している。LSAの雰囲気は、例えば大気である。FLAの雰囲気は、例えばN2ガスである。
【００４９】
Ｓｉ基板２を400℃〜550℃に予備加熱することで、Ｓｉ基板２の急激な温度上昇が抑制されＳｉ基板２のひび割れが防止される。加熱時間を0.1ms以上にすることで急激な温度上昇がさらに抑制され、Ｓｉ基板２のひび割れが防止される。予備加熱の温度は、200℃〜650℃であってもよい。
【００５０】
LSAでは例えば、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザが生成するレーザ光をＳｉ基板２に照射する。レーザ光の波長は、例えば１０．６μｍである。照射されたレーザ光は、フリーキャリア吸収により熱に変換される。
【００５１】
FLAでは例えば、Xeランプが生成する光をＳｉ基板２に照射する。Xeランプ光のスペクトルは、可視光で最大になる。したがってXeランプ光は主に、バンド間吸収により熱に変換される。Xeランプ光の代わりに、Arアークランプが生成する光をＳｉ基板２に照射してもよい。
【００５２】
上記レーザ光およびランプ光は殆ど、Ｓｉ基板２の表面から１０μｍ以内の領域で吸収される。このため、Ｓｉ基板２の表層だけが急激に加熱される。一方、Ｓｉ基板２の内部は殆ど加熱されない。
【００５３】
光照射が終了すると、Ｓｉ基板の表層で発生した熱がＳｉ基板２内部に拡散し、Ｓｉ基板の表層は急冷される。その結果、第１及び第２非晶質シリコン層２８ａ,２８ｂは極短時間だけ高温になる。このため、過飽和状態の格子位置Ｃ原子を大量に含む非晶質シリコンカーボン層３２ｃ,３２ｄが形成される。
【００５４】
（１−５）ソース／ドレイン電極の形成（図３（ｂ）及び（ｃ）参照）
次にゲート電極１０上の保護絶縁膜１２を除去する。保護絶縁膜１２は例えば、シリコン窒化膜である。この場合、保護絶縁膜１２はリン酸により除去することができる。
【００５５】
保護絶縁膜１２の除去後、図３（ｂ）に示すように、ゲート電極１０、サイドウォール１８、ソース２０、ドレイン２２、およびフィールド絶縁膜４の上に金属膜３４（例えば、ニッケル、コバルト等の高融点金属膜）を形成する。
【００５６】
この金属膜３４とシリコン基板２を加熱して、ゲート電極１０の表層、ソース２０の表層およびドレイン２２の表層をシリサイド化する。加熱温度は、200℃〜500℃である。
【００５７】
その後図３（ｃ）に示すように、未反応の金属膜３４を除去して、ゲート電極１０上、ソース２０上およびドレイン２２上にそれぞれソース電極３８ｓおよびドレイン電極３８ｄを形成する。未反応金属膜の除去後、シリサイド化した金属膜およびＳｉ基板２を更に加熱してもよい。
【００５８】
以上により、歪Ｓｉ ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３９が形成される。その後、歪Ｓｉ ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３９を覆う層間絶縁膜（図示せず）およびコンタクトプラグ（図示せず）等を形成する。
【００５９】
後述するように、第３シリコンカーボン層３２ｃの格子位置Ｃ濃度は、熱処理をLSA（短時間レーザアニール）だけにして形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度と同程度に高い。第４シリコンカーボン層３２ｄの格子位置Ｃ濃度についても同様である。
【００６０】
このため第３シリコンカーボン層３２ｃおよび第４シリコンカーボン層３２ｄの格子定数は、Ｓｉの格子定数より十分小さくなる。その結果チャネル３０は、第３シリコンカーボン層３２ｃと第４シリコンカーボン層３２ｄにより両側から強く引っ張られる。その結果、チャネル３０に引張歪が発生して、チャネル移動度（電子移動度）が増加する。
【００６１】
しかも第３及び第４シリコンカーボン層３２ｃ,３２ｄには、RTAで形成したシリコンカーボン層と同様、殆ど結晶欠陥が発生しない。このため、歪Ｓｉ ｎチャネルＭＯＳトランジスタ３９の信頼性は高い。
【００６２】
なお、第３シリコンカーボン層３２ｃから第４シリコンカーボン層３２ｄに向かう方向は、Ｓｉ基板２の＜１１０＞方向に一致することが好ましい。チャネル移動度は、この方向に引張歪が発生した場合に最も大きくなる。
【００６３】
（２）シリコンカーボンの歪と欠陥
― LSA/FLAによるシリコンカーボン ―
図４は、非晶質シリコンカーボン層（炭素を含む非晶質シリコン層）からLSAにより形成したシリコンカーボンの格子定数を示す図である。横軸は、格子定数を測定したシリコンカーボンの厚さである。縦軸は、out of plane Ｘ線回折（XRD;x-ray diffraction）により測定したＳｉ基板表面に垂直な方向の格子定数（以下、out of plane格子定数と呼ぶ）である。
【００６４】
図４に格子定数を示すシリコンカーボンは、以下の手順により形成する。まずリンイオンまたはヒ素イオンを注入したＳｉ基板を、約1000℃でスパイクアニールしてｎ型シリコン層を形成する。
【００６５】
このｎ型シリコン層に炭素イオンを注入して、厚さ約40nmの非晶質シリコンカーボン層を形成する。注入エネルギーおよびドーズ量はそれぞれ、8keVおよび2×1015cm-2である。基板温度は-100℃である。Ｓｉ基板の面方位は、（００１）である。注入された炭素原子のピーク濃度は、約1原子％である。ここまでの手順（及び形成条件）は、上記「（１）製造方法」に例示した第１及び第２非晶質シリコン層２８ａ,２８ｂの形成手順（及び形成条件）と同じである。
【００６６】
その後、非晶質シリコンカーボン層の温度が1200℃になるように、LSAによりＳｉ基板を約0.4ms加熱する。これにより、Ｓｉ基板の表面にシリコンカーボン層が形成される。
【００６７】
図４中のプロット４０は、以上の手順により形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数である。図４中の第１破線４２ａは、Ｓｉの格子定数（0.5432nm）を示している。第２破線４２ｂは、炭素濃度が１原子％の、基板に対して格子緩和したシリコンカーボンの格子定数（0.5412nm）を示している。すなわち第２破線４２ｂは、炭素濃度が１原子％の、孤立したシリコンカーボンの格子定数である。
【００６８】
第３破線４２ｃは、原子配列が界面で連続するように成長（コヒーレント成長）した、炭素濃度が１原子％のシリコンカーボンのout of plane格子定数（0.5374nm）である。
【００６９】
図４に示すように緩和したシリコンカーボンの格子定数４２ｂは、Ｓｉ基板の格子定数４２ａより小さい。したがってシリコンカーボンがコヒーレント成長すると、Ｓｉ基板の表面に平行な方向に引っ張られる。その結果、Ｓｉ基板表面に平行な方向の格子定数（以下、in-plane 格子定数と呼ぶ）が広がって、Ｓｉの格子定数に略一致する。
【００７０】
Ｓｉ基板の表面に平行な方向に引っ張られたシリコンカーボンは、Ｓｉ基板の表面に垂直な方向には収縮する。このため、コヒーレント成長したシリコンカーボンのout of plane格子定数４２ｃは、緩和したシリコンカーボンの格子定数４２ｂより更に小さくなる。なおout of plane格子定数４２ｂ,４２ｃは計算値である。
【００７１】
図４に示すように、LSAにより形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０は、炭素濃度が１原子％のシリコンカーボンのout of plane格子定数４２ｃに略一致する。したがって、格子定数４０に対応するシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度は約１原子％である。
【００７２】
結晶化する前の非晶質シリコンカーボン中の炭素原子ピーク濃度は、上述したように約1原子％である。したがって図４は、LSAによりシリコンカーボンを形成すると、炭素原子が略１００％格子位置に入ることを示している。したがって、LSAにより形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度は、熱平衡状態のシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度より格段に高い。
【００７３】
なお、750℃〜900℃ 10秒のRTAによりシリコンカーボンを形成すると、格子位置に入るＣ原子は、LSAにより形成したシリコンカーボンより２０〜３０％少ないことが知られている。
【００７４】
図５は、シリコンカーボン４４のTEM（Transmission Electron Microscopy）像である。図５のシリコンカーボン４４は、上述した条件でLSAにより形成したものである。下側の領域４５は、Ｓｉ基板のTEM像である。上側の領域４７は、試料作製に用いた絶縁膜のTEM像である。図５に示すようにように、LSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像４４には、積層欠陥が多数観察される。
【００７５】
図６は、850℃ 30秒のRTAにより形成したシリコンカーボン４９のTEM像である。
図６に示すように、RTAにより形成したシリコンカーボンには結晶欠陥は殆ど見られない。
【００７６】
図７は、LSAにより形成したシリコンカーボンをin-plane法で測定したＸ線回折パターンである。測定したシリコンカーボンは、上記手順により形成したものである。横軸は、Ｘ線回折角２θＨである。縦軸は、規格化強度（Normalized Intensity）である。
【００７７】
上述したように、コヒーレント成長したシリコンカーボンのin-plane格子定数はＳｉ基板の格子定数に略一致する。したがってＳｉの格子定数に対応する角度に、回折ピーク４６が現れる。回折ピーク４６は、試料表面から数ｎｍまでの浅い領域で反射されたＸ線の回折パターンである。回折ピーク４６は、Ｓｉの（０２２）面に対応している。
【００７８】
図７の回折ピーク４６は、裾野の部分（特に、破線４８で囲われた部分）が膨らんでいる。この膨らみは、測定したシリコンカーボンすなわちLSAにより形成したシリコンカーボンに結晶欠陥（積層欠陥や残留欠陥）が高密度に存在することを示している。
【００７９】
図８は、LSAの代わりにＸｅフラッシュランプアニール(FLA)により形成したシリコンカーボンのin-planeＸ線回折パターンである。横軸は、Ｘ線回折角２θＨである。縦軸は、規格化強度（Normalized Intensity）である。
【００８０】
図８の回折ピーク５０は、図７の回折ピーク４６と略同じ形をしている。したがって図８は、Ｘｅフラッシュランプアニールによりシリコンカーボンを形成しても、結晶欠陥が高密度発生することを示している。
【００８１】
以上のように、LSA（又は、FLA）によりシリコンカーボンを形成すると、格子位置Ｃ濃度が熱平衡状態のシリコンカーボンより格段に高くなる。しかし、多数の結晶欠陥が発生する。
【００８２】
RTAによりシリコンカーボンを形成しても、格子位置Ｃ濃度は熱平衡状態のシリコンカーボンより格段に高くなる。しかし格子位置Ｃ濃度は、LSA（又は、FLA）により形成したシリコンカーボンの方が高い。一方、結晶欠陥は、RTAにより形成したシリコンカーボンの方が少ない。
【００８３】
― 比較的高温（750℃〜900℃）のRTAとRTA後のLSAによるシリコンカーボン ―
図９は、比較的高温のRTAとLSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像５２である。
【００８４】
観察したシリコンカーボンは、非晶質シリコンカーボン層を850℃30秒のRTAにより熱処理した後さらにLSAにより熱処理して形成したものである。非晶質シリコンカーボン層の形成手順（および形成条件）およびLSAの熱処理条件は、「― LSA/FLAによるシリコンカーボン ―」で説明した条件と同じである。
【００８５】
図９に示すようにように、850℃30秒のRTAとRTA後のLSAにより形成したシリコンカーボンのTEM像５２には積層欠陥は殆ど観察されない。同様の結果は、850℃を含む750℃〜900℃のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成しても得られる。すなわち、比較的高温（750℃〜900℃）のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、LSAだけの熱処理によりシリコンカーボンを形成した場合に比べ結晶欠陥は少なくなる。
【００８６】
図１０は、図９のシリコンカーボンのout of plane格子定数５４を示す図である。横軸は、格子定数を測定したシリコンカーボンの厚さである。縦軸は、out of plane格子定数である。図１０には、熱処理をLSAだけにして形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０（図４参照）も示されている。
【００８７】
図１０に示すように、850℃30秒のRTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数５４は、熱処理をLSAだけにして形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０とＳｉの格子定数４２aとの中間にある。
【００８８】
これは、850℃30秒のRTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度が、LSAだけの熱処理で形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度の半分程度であることを示している。同様の結果は、850℃を含む750℃〜900℃のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成した場合にも得られる。
【００８９】
以上のように、比較的高温（750℃〜900℃）のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、LSAだけの熱処理によりシリコンカーボンを形成する場合に比べ、結晶欠陥密度は減少する。しかし、格子位置Ｃ濃度も減少する。これは、比較的高温（750℃〜900℃）のRTAにより非晶質シリコンカーボンが全て結晶化するとともに、格子位置Ｃ原子の一部が格子間に移動するためと考えられる。
【００９０】
― 低温（550℃〜650℃）RTAと低温RTA後のLSAによるシリコンカーボン ―
図１１は、550℃〜650℃のRTA（以下、低温RTAと呼ぶ）と低温RTA後のLSAにより形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数５６を示す図である。横軸は、格子定数を測定したシリコンカーボンの厚さである。縦軸は、out of plane格子定数である。
【００９１】
測定したシリコンカーボンは、非晶質シリコンカーボン層を600℃3分のRTAにより熱処理した後さらにLSAにより熱処理して形成したものである。非晶質シリコンカーボン層の形成手順（および形成条件）とLSAの熱処理条件は、「― LSA/FLAによるシリコンカーボン ―」で説明した条件と同じである。
【００９２】
図１１には、熱処理をLSAだけにして形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０（図４参照）も示されている。図１１に示すように、低温RTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンのout of 格子定数５６は、LSAだけの熱処理により形成したシリコンカーボンのout of 格子定数４０と略同じである。
【００９３】
これは、600℃3分のRTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度が、LSAだけの熱処理により形成したシリコンカーボンの格子位置Ｃ濃度と略同じことを示している。同様の結果は、RTAの熱処理温度が600℃を含む550℃〜650℃の場合にも得られる。
【００９４】
図１２は、シリコンカーボンのTEM像６４である。観察したシリコンカーボンは、上述した条件で600℃３分のRTAとその後のLSAにより形成したものである。
【００９５】
図１２に示すようにように、600℃３分のRTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンの６４のTEM像には積層欠陥等の結晶欠陥は殆ど観察されない。一方、LSAだけの熱処理で形成されたシリコンカーボンのTEM像４４には、図５に示すように、結晶欠陥が多数発生する。すなわち600℃３分のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、LSAだけの熱処理によりシリコンカーボンを形成した場合に比べ結晶欠陥が格段に少なくなる。同様の結果は、600℃を含む550℃〜650℃のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成した場合にも得られる。
【００９６】
以上のように、低温（550℃〜650℃）RTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、LSAだけの熱処理によりシリコンカーボンを形成した場合より、結晶欠陥が少なくなる。低温（550℃〜650℃）RTAとその後のLSAにより形成したシリコンカーボンの結晶欠陥密度は、RTAだけの熱処理により形成したシリコンカーボンの結晶欠陥密度と同程度である。
【００９７】
図１３は、図１２のシリコンカーボンをin-plane法で測定したＸ線回折パターン５８である。横軸は、Ｘ線回折角２θＨである。縦軸は、規格化強度（Normalized Intensity）である。
【００９８】
図１３には、熱処理をLSAだけにして形成したシリコンカーボンのＸ線回折パターン４６も示されている。図１３にはさらに、熱処理をＸｅフラッシュランプアニールだけにして形成したシリコンカーボンのＸ線回折パターン５０も示されている。
【００９９】
図１３に示すように、Ｘ線回折ピーク５８の裾野（特に、破線４８で囲われた部分）は、LSAやXeフラッシュランプアニールだけの熱処理により形成したシリコンカーボンのＸ線回折パターン４６，５０の裾野より狭くなっている。これは、600℃３分のRTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、LSA（またはXeフラッシュランプアニール）だけの熱処理によりシリコンカーボンを形成した場合より、結晶欠陥が少なくことを示している。
【０１００】
以上のように、低温（550℃〜650℃）RTAとその後のLSAによりシリコンカーボンを形成すると、RTAだけの熱処理によりシリコンカーボンを形成する場合と同程度に、結晶欠陥が少なくなる。しかも、格子位置Ｃ濃度は、LSA（または、FLA）だけの熱処理によりシリコンカーボンを形成した場合と同程度に高くなる。
【０１０１】
ところで、非晶質シリコンカーボン層は、Ｓｉの融点未満の温度で熱処理されると固相エピタキシャル成長する。LSA（または、FLA）や比較的高温（750℃〜900℃）のRTAによれば、厚さ40nm程度の非晶質シリコンカーボン層は短時間（例えば、数秒）で全て結晶化する。
【０１０２】
しかし上述した600℃3分の低温RTAによれば、非晶質シリコンカーボン層は、非晶質シリコンカーボン層とＳｉ基板の界面（以下、a/c界面と呼ぶ）から約12.5nm結晶化するだけである。
【０１０３】
図１４は、a/c界面６２近傍のTEM像である。図１４の非晶質シリコンカーボン層６０は、熱処理されていない。図１４に示すように、a/c界面６２には、多数の凹凸が存在する。この様にa/c界面に凹凸が存在した状態で非晶質シリコンカーボンをLSAにより固相エピタキシャル成長させると、図５に示すように結晶欠陥が多数発生する。a/c界面の下側にはヘビーダメージ層が存在し、結晶欠陥の発生をさらに促進する。
【０１０４】
低温RTAにより非晶質シリコンカーボン層を結晶化すると、a/c界面の凹凸が減少する。このため、低温RTA 後にLSAにより残りの非晶質シリコンカーボン層を結晶化しても結晶欠陥は殆ど発生しない。更に低温RTAにより、a/c界面下側のヘビーダメージが部分的に回復する。このため、結晶欠陥がさらに減少する。
【０１０５】
実施の形態では、非晶質シリコンカーボン層を550℃〜650℃で低温熱処理しその底部から途中まで結晶化した後、1100℃以上Ｓｉの融点（1412℃）未満の温度で50ms以下の高温短時間熱処理により残りの非晶質シリコンカーボン層を結晶化する。このためa/c界面の凹凸が減少し、RTAだけの熱処理で形成したシリコンカーボンの結晶欠陥密度と同程度に結晶欠陥密度が低いシリコンカーボン層３２ｃ,３２ｄ（図２（ｃ）参照）が形成される。
【０１０６】
しかも低温RTAにより結晶化されなかった部分は、LSAだけの熱処理により結晶化されるので、格子位置Ｃ濃度が高くなる。
【０１０７】
― LSAとLSA後のRTAによるシリコンカーボン ―
図１５は、LSAとLSA後のRTAにより形成したシリコンカーボン６６のout of plane格子定数６６を示す図である。横軸は、格子定数を測定したシリコンカーボンの厚さである。縦軸は、out of plane格子定数である。
【０１０８】
格子定数を測定したシリコンカーボンは、非晶質シリコンカーボン層をLSAにより熱処理しその後850℃3分のRTAで熱処理して形成したものである。非晶質シリコンカーボン層の形成手順（および形成条件）とLSAの熱処理条件は、「― LSA/FLAによるシリコンカーボン ―」で説明した条件と同じである。図１５には、LSAだけの熱処理により形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０（図４参照）も示されている。
【０１０９】
図１５に示すように、LSAとLSA後のRTAにより形成したシリコンカーボンの格子定数６６は、LSAだけの熱処理により形成したシリコンカーボンのout of plane格子定数４０より小さい。これは、LSA後のRTAにより格子位置Ｃ原子が一部格子間に移動するためと考えられる。
【０１１０】
図１６は、シリコンカーボン６８のTEM像である。観察したシリコンカーボンは、図１５のシリコンカーボン６６と同じ条件で形成したものである。図１６から明らかなように、LSAによって生じた結晶欠陥（図５参照）はLSA後のRTAにより略無くなる。
【０１１１】
以上のように、LSAにより生じる結晶欠陥はLSA後のRTAにより減少する。しかし格子位置Ｃ原子も、同時に減少する。
【０１１２】
（３）低温熱処理時間
上述したようにLSAにより生じる結晶欠陥は、低温RTAによりa/c界面の凹凸が無くなると減少する。
【０１１３】
ところで非晶質シリコンカーボン層の厚さは、後述するように60nm以下が好ましい。このような非晶質シリコンカーボン層のa/c界面における凹凸の高低差は高々3nm程度である。したがって、非晶質シリコンカーボン層を低温熱処理により例えば10nm再結晶化（固相エピタキシャル成長）することで、LSAにより生じる結晶欠陥を略無くすことができる。ただし非晶質シリコンカーボン層を2nm再結晶化してa/c界面の凹凸を部分的に無くすだけでも、結晶欠陥は減少する。
【０１１４】
したがって、低温熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボンの厚さは、2nm以上が好ましい。更に好ましくは、低温熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボンの厚さは10nm以上である。最も好ましくは、低温熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボンの厚さは15nm以上である。
【０１１５】
非晶質シリコンカーボン層の再結晶化速度Ｒは、式（１）で表される。
【０１１６】
【数１】
2015095475.tif 000003
【０１１７】
ここで、Ｔは絶対温度である。ａ１およびａ２は定数である。
【０１１８】
ａ１およびａ２は、非晶質シリコンカーボン層に含まれる不純物の種類および濃度により変化する。上記「―LSA/FLAによるシリコンカーボン ―」で説明した条件で形成した非晶質シリコンカーボン層に対するａ１およびａ２は、それぞれ0.35×1016 (nm/min)及び3×104 (K)である。
【０１１９】
図１７は、一定の厚さを有する非晶質シリコンカーボンが再結晶化する熱処理時間を示す表である。１列目には、熱処理温度が示されている。２列目には、再結晶化速度Ｒが示されている。第３及び４列目にはそれぞれ、シリコンカーボンが2nmおよび20nm再結晶化する熱処理時間が示されている。
【０１２０】
２列目の再結晶化速度Rは、ａ１およびａ２をそれぞれ0.35×1016 (nm/min)及び3×104 (K)として式（１）により算出した。第３及び４列目の熱処理時間は、この再結晶化速度Rに基づいて算出した。
【０１２１】
上述したように、低温熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボン層の厚さは、好ましくは2nm以上である。ただし非晶質シリコンカーボン層を半分以上再結晶化させると、低温RTA後のLSAにより再結晶化するシリコンカーボン層が薄くなり過ぎる。したがって、低温熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボン層は、再結晶化前の非晶質シリコンカーボン層の1/2以下が好ましい。
【０１２２】
図１７によれば、厚さが40nmの非晶質シリコンカーボンを2nm以上1/2以下（2nm以上20nm以下）結晶化させる熱処理時間は、熱処理温度が600℃の場合には、0.47分以上4.7分以下である。このように式（１）によれば、低温熱処理の時間を容易に見積もることができる。
【０１２３】
（４）シリコンカーボンの厚さ
図１８は、チャネルの両側に形成するシリコンカーボンの深さとチャネルストレスの関係を示す図である。横軸は、チャネルの両側に形成するシリコンカーボンの深さである。縦軸は、チャネルに加わる引張応力（チャネルストレス）の大きさである。図１８に示すデータは、計算値である。
【０１２４】
図１９は、図１８の計算（シミュレーション）に用いた歪Ｓｉ ＭＯＳトランジスタ・モデル７０（以下、トランジスタ・モデルと呼ぶ）を説明する図である。
【０１２５】
トランジスタ・モデル７０は、チャネル３０を挟んで対応するシリコンカーボン層７６ａ,７６ｂを有している。トランジスタ・モデル７０は更に、長さ30ｎｍのゲート７２と幅15nmのサイドウォール７４とを有している。したがって、シリコンカーボン層７６ａ,７６ｂの間隔は60nmである。シリコンカーボン層７６ａ,７６ｂの格子位置Ｃ濃度は2原子%である。基板は、Si基板である。
【０１２６】
シリコンカーボン層７６ａ,７６ｂの深さｄ（厚さ）を変数として、このトランジスタ・モデル７０に生じる応力を計算した。図１８には、チャネル３０の中央で且つ深さ2nmの位置におけるチャネルストレスが示されている。
【０１２７】
チャネルストレスは、シリコンカーボン層７６ａ,７６ｂが深くなるほど大きくなると予測される。しかし図１８に示すように、チャネルストレスは、シリコンカーボン層の深さが40nm〜50nmの範囲で最大になる。
【０１２８】
一方、a/c界面における凹凸の高低差は、非晶質シリコンカーボン層が厚くなるほど大きくなる。例えば、非晶質シリコンカーボン層の厚さが約50nm〜60nmの場合、a/c界面における凹凸高低差は約3nmである。
【０１２９】
この程度の凹凸であれば、低温熱処理により結晶欠陥の発生を抑制できる。しかしa/c界面の凹凸高低差が大きくなり過ぎると、LSAにより生じる結晶欠陥の抑制が困難になる。またa/c界面より少し深い領域に生じるハードダメージ層も、非晶質シリコンカーボン層が厚くなるほど厚くなる。
【０１３０】
したがって、上述した「（１）製造方法」においてＳｉ基板２に形成する非晶質シリコンカーボン層２８ａ,２８ｂの厚さは60nm以下が好ましい。更に好ましくは、Ｓｉ基板２に形成する非晶質シリコンカーボン層の厚さは50nm以下である。最も好ましくは、Ｓｉ基板２に形成する非晶質シリコンカーボン層の厚さは40nm以下である。
【０１３１】
図１８に示すように、シリコンカーボンの深さが20nm以上の場合、チャネルストレスはその最大値の75％以上になる。したがって、「（１）製造方法」において低温熱処理後の高温短時間熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボン層の厚さは20nm以上が好ましい。更に好ましくは、低温熱処理後の高温短時間熱処理により再結晶化させる非晶質シリコンカーボン層の厚さは30nm以上である。最も好ましくは、低温熱処理後の高温短時間熱処理により結晶化させる非晶質シリコンカーボン層の厚さは40nm以上である。
【０１３２】
尚、低温熱処理により結晶化する非晶質シリコンカーボン層の厚さは、低温熱処理前の非晶質シリコンカーボン層の厚さ（例えば、40nm）と高温短時間熱処理により結晶化させる非晶質シリコンカーボン層の厚さ（例えば、30nm）の差分である。この差分（例えば、10nm）は、上述した、低温熱処理により結晶化させる非晶質シリコンカーボンの好ましい厚さの範囲内(好ましくは2nm以上、更に好ましくは10nm以上、最も好ましくは15nm以上)であることが好ましい。
【０１３３】
以上の例では、非晶質シリコンカーボンにおける炭素原子のピーク濃度は約１原子％である。しかし炭素原子のピーク濃度は、１原子％に限られない。例えば、炭素原子のピーク濃度は２原子％であってもよい。
【０１３４】
また以上の例では、シリコンカーボン層は歪 ｎチャネルＭＯＳトランジスタの形成に利用される。しかし、シリコンカーボン層は他の目的に利用されてもよい。例えばシリコンカーボン層は、Ｓｉ基板の反りを防止するために利用されてもよい。その場合、Ｓｉ基板の裏面または表面に非晶質シリコンカーボン層を形成し、実施の形態で説明した熱処理方法（低温熱処理およびその後の高温熱処理）により非晶質シリコンカーボン層を結晶化する。
【０１３５】
また以上の例では、非晶質シリコンカーボンはイオン注入により形成する。しかし、非晶質シリコンカーボンは他の方法により形成してもよい。例えば、非晶質シリコンカーボンはCVDにより形成してもよい。
【０１３６】
また以上の例では、非晶質シリコンカーボン層は基板表面の平坦部に形成される。しかし、非晶質シリコンカーボン層は基板表面の凹部または凸部に形成されてもよい。
【０１３７】
以上の実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１３８】
（付記１）
結晶シリコン上に形成されたｎチャネルＭＯＳトランジスタのソースの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第１非晶質シリコン層と、前記ｎチャネルＭＯＳトランジスタのドレインの少なくとも一部に対応しカーボンを含む第２非晶質シリコン層とを、前記結晶シリコンの表面に形成する第１工程と、
前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して、前記第１非晶質シリコン層及び前記第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、
１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で、前記第１非晶質シリコン層と前記第２非晶質シリコン層とを５０ｍｓ以下の時間加熱して、前記第１非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分と前記第２非晶質シリコン層のうち前記第２工程により結晶化されなかった部分とを結晶化する第３工程とを有する半導体装置の製造方法。
【０１３９】
（付記２）
付記１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記第１非晶質シリコン層及び前記第２非晶質シリコン層をそれぞれの底部から２ｎｍ以上結晶化することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１４０】
（付記３）
付記１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第３工程の加熱時間は、０．１ｍｓ以上５０ｍｓ以下であることを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１４１】
（付記４）
付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１工程で形成する前記第１及び第２非晶質シリコン層の厚さは、６０ｎｍ以下であり、
前記第１及び第２非晶質シリコン層のうち前記第２工程で結晶化されずに前記第３工程で結晶化される部分の厚さは２０ｎｍ以上であることを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【０１４２】
（付記５）
結晶シリコンの表面に、カーボンを含む非晶質シリコン層を形成する第１工程と、
前記非晶質シリコン層を５５０℃以上６５０℃以下の温度に加熱して、前記非晶質シリコン層を底部から厚さ方向の途中まで結晶化する第２工程と、
前記非晶質シリコン層を１１００℃以上でシリコンの融点未満の温度で、５０ｍｓ以下の時間加熱して、前記非晶質シリコン層のうち前記第１工程により結晶化されなかった部分を結晶化する第３工程とを有する
シリコンカーボン層の形成方法。
【符号の説明】
【０１４３】
２・・・Ｓｉ基板
８・・・ゲート絶縁膜
１０・・・ゲート電極
２０・・・ソース
２２・・・ドレイン
２８ａ・・・第１非晶質シリコン層
２８ｂ・・・第２非晶質シリコン層
３０・・・チャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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