(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、前記キャリア供給層中にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が含有されている電界効果型半導体装置において、
前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする電界効果型半導体装置。
【請求項２】
キャリア供給層が、エピタキシャルシリコンまたはエピタキシャルシリコンゲルマニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の電界効果型半導体装置。
【請求項３】
基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、少なくとも前記キャリア供給層に対して前記チャネル層側にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が含有されている層を設けた電界効果型半導体装置において、
前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする電界効果型半導体装置。
【請求項４】
電気的に中性な元素が含有されている層が、エピタキシャルシリコンまたはエピタキシャルシリコンゲルマニウムからなることを特徴とする請求項３に記載の電界効果型半導体装置。
【請求項５】
ドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が、Ｃ、Ｆ、Ｎの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の電界効果型半導体装置。
【請求項６】
基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有する電界効果型半導体装置の製造方法であって、前記キャリア供給層をエピタキシャル成長により、ｐ型またはｎ型のドーパント及び拡散を抑制する電気的に中性な元素を同時にドーピングすることによって形成する工程を有し、
前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。
【請求項７】
基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有する電界効果型半導体装置の製造方法であって、少なくとも前記キャリア供給層に対して前記チャネル層側にエピタキシャル成長により、電気的に中性な元素を同時にドーピングすることによってドーパントの拡散を抑制する層を形成する工程を有し、前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に電界効果型半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年相補型電界効果トランジスタの高性能化を目的とし、高いキャリア移動度、電流駆動能力が期待できるＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ構造を用いた電界効果トランジスタの研究が行われている。これは、２次元キャリアガスをチャネルとして用いるものであり、キャリアの不純物散乱による移動度の低下という現象が生じる。これは、不純物が多くなった場合に、キャリアが流れにくくなり、その結果移動度が低下するということである。
【０００３】
一方、この問題点を解決する手法として、チャネルの上層または下層にキャリア供給層として原子レベルから数１０ｎｍの領域にドーピングをする、いわゆるδドーピングや変調ドーピングを用いる手法を挙げることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、エピタキシャル成長法で形成した、キャリア供給層のドーピングプロファイルの急峻性は、後のゲート酸化膜形成での熱処理の際に不純物が上下に拡散することにより崩れてしまい、求められるトランジスタ特性が得られないという問題点があった。すなわち、熱処理によってキャリア供給層のドーパントが拡散してしまうと、スペーサ層の実効的な膜厚が減少し、キャリアの不純物散乱の影響が大きくなり、移動度が低下してしまうわけである。例えば、ＰｅｏｐｌｅらはＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，Ｖｏｌ．３，１９８５において、キャリア供給層とチャネルに挟まれるスペーサ層の膜厚が０ｎｍ〜４０ｎｍの間で、室温でのホール移動度は、それぞれ約３６０ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ〜約８５０ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃとスペーサ層の膜厚の減少とともにホール移動度も低下することを報告している。
【０００５】
この課題を解決する技術としては、エピタキシャル成長やゲート酸化膜形成での熱処理を低温化することにより、キャリア供給層中に含有されているドーパントの上下の層への拡散を抑制する方法がとられている。低温で絶縁膜を形成する代表的な技術として、プラズマＣＶＤ法が挙げられるが、プラズマＣＶＤ法によって形成された絶縁膜は、熱酸化法で形成されたものに比べて半導体／絶縁体界面の界面準位密度が大きく、耐圧も低いという欠点がある。また、エピタキシャル成長の低温化により、良好な結晶性が得られないという問題もでてくる可能性がある。
【０００６】
一方、熱処理によるドーパントの拡散は、主に格子間に存在するＳｉとドーパントが格子位置と格子間位置を互いに移動しながら拡散していく機構によるものである。特に、この機構で拡散するドーパントとしては、Ｂ，Ｐ，Ａｓなどが挙げられる。
【０００７】
そこで本発明は、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を避けるために施された、急峻なドーピングプロファイルを有するキャリア供給層に含有されるドーパントの拡散を、結晶成長温度を低温にすることなく抑制することが可能であり、従来に比べて結晶性を低下させずにさらにすぐれた電気特性を有する電界効果型半導体装置およびその製造方法を提供することを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を避けるために施された、急峻なドーピングプロファイルを有するキャリア供給層に、電気的に中性な不純物を導入することによってドーパントの拡散を抑制しようとするものである。
【０００９】
具体的には、本発明のうちの第１の発明の電界効果型半導体装置は、基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、前記キャリア供給層中にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が含有されている電界効果型半導体装置において、前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする構成となっている。
【００１０】
また本発明のうちの第２の発明の電界効果型半導体装置は、基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、少なくとも前記キャリア供給層に対して前記チャネル層側にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が含有されている層を設けた電界効果型半導体装置において、前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする構成となっている。
【００１１】
この構成によれば、キャリア供給層中に含有されているドーパントが少なくともチャネル層側に拡散するのを、各層の成長温度を低温にする必要なく防止することができる。
【００１２】
さらに本発明の電界効果型半導体装置の製造方法は、基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、前記キャリア供給層をエピタキシャル成長により、ｐ型またはｎ型のドーパント及び拡散を抑制する電気的に中性な元素を同時にドーピングすることによって形成する工程を有し、前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする構成となっている。または、基板上に形成されたチャネル層と、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を抑制するキャリア供給層とを有し、少なくとも前記キャリア供給層に対して前記チャネル層側にエピタキシャル成長により、電気的に中性な元素を同時にドーピングすることによってドーパントの拡散を抑制する層を形成する工程を有し、前記キャリア供給層に用いるドーパントがＢ、Ｐ、Ａｓの中から選ばれた少なくとも１つであることを特徴とする構成となっている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１における電界効果型半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態における電解効果型半導体装置の構成を示す断面図であり、ここでは、電界効果型半導体装置の一例として、キャリア供給層を有し、２次元ホールガスをチャネルとして用いたｐチャネル電界効果トランジスタの構造断面図を示す。図１において、１０１は半導体基板、１０２はバッファ層、１０３はキャリア供給層、１０４はスペーサ層、１０５はチャネル層、１０６はキャップ層、１０７はゲート酸化膜、１０８はゲート、１０９はソース・ドレインを示している。本発明の特徴は、キャリア供給層１０３の部分であり、本発明によればキャリア供給層１０３中にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素が含有された構成となっている。
【００１５】
この構造によれば、詳細については後述するが、ゲート酸化膜形成などの熱処理において、キャリア供給層におけるドーパントの拡散を抑制することができ、不純物のドーピングプロファイルを崩さずに、電気特性の優れた電界効果型半導体装置を提供することができる。
【００１６】
そこで次に、図１に示した本実施の形態の電界効果型半導体装置の製造方法について、図２に示す製造工程断面図を参照しながら説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）はキャリア供給層を有し、２次元ホールガスをチャネルとして用いたｐチャネル電界効果トランジスタの製造工程のうち、ゲート酸化膜形成よりも前の製造工程を示しており、後の製造工程に関しては従来の工程通りであるため、ここでは説明を省略することとする。
【００１７】
まず、例えばＳｉなどからなる半導体基板１０１上に例えばＳｉなどからなるバッファ層１０２を例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約１０００ｎｍだけエピタキシャル成長により形成する。次に、ドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素（ここではＣ）を含んだキャリア供給層１０３として例えば、Ｂ及びＣドープＳｉ層を、例えばジシラン、ジボラン、メチルシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約１０ｎｍだけエピタキシャル成長により形成する（図２（ａ））。なお、この時ガス分圧を調節することにより、Ｂのドーズ量を約５×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3、Ｃのドーズ量を約１×１０19ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが望ましい。
【００１８】
次に、Ｓｉなどからなるスペーサ層１０４を例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって、基板温度５５０℃で約３ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図２（ｂ））。続いてＳｉ0.7Ｇｅ0.3などからなるチャネル層１０５を例えばジシランとモノゲルマンを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約５ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図２（ｃ））。
【００１９】
その後、Ｓｉなどからなるキャップ層１０６を例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約１０ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図２（ｄ））。その後、従来公知の工程により電界効果トランジスタを形成する。
【００２０】
以上のように、本実施の形態によれば、キャリア供給層にドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素であるＣを導入することによって、後のゲート酸化膜形成などの熱処理におけるキャリア供給層のドーパント拡散を抑制することができる。これにより実効的なスペーサ層の膜厚減少がなくなり、ホール移動度を従来の約２倍にすることができ、電気特性の優れた電界効果型半導体装置を提供することができる。
【００２１】
なお、キャリア供給層中のドーパントの拡散に基づく実効的なスペーサ層の膜厚減少をなくすためには、本発明とは異なる手法も考えられる。１つ目は、キャリア供給層中のドーパントの濃度が拡散しても十分な量となるように予めかなりの量のドーパントをキャリア供給層に導入する方法、２つ目は、キャリア供給層からのドーパントの拡散が生じても十分な厚みを確保できる膜厚のスペーサ層を形成する方法である。しかしながら、１つ目の方法では、多量のドーパントをキャリア供給層に導入することになるため、キャリア供給層そのものの結晶性が悪化してしまい、また２つ目の方法では、スペーサ層として機能する厚みが大きく成り過ぎる場合があり、キャリア供給層から十分なキャリアを供給できなくなってしまう。従って上記の本発明の方法が最も効果的であると言える。
【００２２】
（実施の形態２）
以下本発明実施の形態２における電界効果型半導体装置について図３に示す製造工程断面図を参照しながら説明する。本実施の形態が上記の実施の形態１と異なるのは、実施の形態１ではキャリア供給層中のドーパントの拡散を抑制するための電気的に中性な元素をキャリア供給層に導入したのに対して、本実施の形態では、キャリア供給層ではなくキャリア供給層に接して電気的に中性な元素を含有する層を設けた点である。
【００２３】
そして本実施の形態における電界効果型半導体装置は、下記のようにして形成することができる。
【００２４】
まず、上記の実施の形態１と同様にして半導体基板１０１上に形成した約１０００ｎｍのバッファ層１０２上に、拡散を抑制する電気的に中性な元素（ここではＣ）を含んだ層３０１ａとして、例えばＣドープＳｉ層を、例えばジシラン、メチルシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約３ｎｍだけエピタキシャル成長により形成する（図３（ａ））。なお、この時ガス分圧を調節することにより、Ｃのドーズ量を約１×１０19ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが望ましい。
【００２５】
次に、キャリア供給層３０２として、例えばＢドープＳｉ層を、例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約１０ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図３（ｂ））。なお、この時ガス分圧を調節することにより、Ｂのドーズ量を約５×１０18ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが望ましい。
【００２６】
さらに、拡散を抑制する電気的に中性な元素を含んだ層３０１ｂとして、例えばＣドープＳｉ層を、例えばジシラン、メチルシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約３ｎｍだけエピタキシャル成長により形成する（図３（ｃ））。なお、この時ガス分圧を調節することにより、Ｃのドーズ量を約１×１０19ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とするのが望ましい。
【００２７】
次に、Ｓｉなどからなるスペーサ層１０４を例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって、基板温度５５０℃で約３ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図３（ｄ））。続いて、上記の実施の形態１と同様にして、Ｓｉ0.7Ｇｅ0.3などからなるチャネル層１０５を例えばジシランとモノゲルマンを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約５ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図３（ｅ））。さらに、Ｓｉなどからなるキャップ層１０６を例えばジシランを用いたＵＨＶ−ＣＶＤ法によって基板温度５５０℃で約１０ｎｍエピタキシャル成長により形成する（図３（ｆ））。その後、従来公知の工程により電界効果トランジスタを形成する。
【００２８】
以上の構成により、本発明の第２の実施の形態では、キャリア供給層の上下の層に、ドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素を導入することによって、後のゲート酸化膜形成などの熱処理における、キャリア供給層のドーパント拡散を抑制することができる。これにより実効的なスペーサ層の膜厚減少がなくなり、ホール移動度を従来の約２倍にすることができ、電気特性の優れた電界効果型半導体装置を提供することができる。
【００２９】
以上本発明の電界効果型半導体装置について、実施の形態とともに説明を行ったが、上記の実施の形態１及び２において、これらのキャリア供給層を有する電界効果トランジスタの形成方法は、ｐチャネルだけでなく、ｎチャネルの場合にもＰ、Ａｓなどのｎ型のドーパントを適用できることは言うまでもなく、また、拡散を抑制する電気的に中性な元素としては、Ｃ以外にもＦ、Ｎなどを用いることができる。
【００３０】
また、実施の形態２において、ドーパント層の上下の層に、拡散を抑制する電気的に中性な元素を含む層を形成したが、少なくともキャリア供給層に対してチャネル層側に形成してやれば効果を得ることができる。
【００３１】
さらに、上記の実施の形態１に示したように、キャリア供給層中に電気的に中性な元素を添加しつつ、実施の形態２に示したように電気的に中性な元素を添加した層を形成してやれば、よりいっそう効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上、本発明の電界効果型半導体装置によれば、キャリアの不純物散乱による移動度の低下を避けるために施されたキャリア供給層、またはキャリア層の上下に接する層のうちの少なくともキャリア供給層に対してチャネル層側に接する層がドーパントの拡散を抑制する電気的に中性な元素を含んでいることにより、後のゲート酸化膜形成などの熱処理において、キャリア供給層におけるドーパントの拡散を抑制することができ、不純物のドーピングプロファイルを崩さずに、電気特性の優れた電界効果型半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における電界効果型半導体装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態１における電界効果型半導体装置のゲート酸化膜より前の製造工程断面図
【図３】本発明の実施の形態２における電界効果型半導体装置のゲート酸化膜より前の製造工程断面図
【符号の説明】
１０１  半導体基板
１０２  バッファ層
１０３  ドーパント拡散抑制元素を含むキャリア供給層
１０４  スペーサ層
１０５  チャネル層
１０６  キャップ層
１０７  ゲート酸化膜
１０８  ゲート
１０９  ソース・ドレイン
３０１ａ  ドーパント拡散抑制層
３０１ｂ  ドーパント拡散抑制層
３０２  キャリア供給層
【図１】
0004096416.tif 000002
【図２】
0004096416.tif 000003
【図３】
0004096416.tif 000004