JP5355692B2

JP5355692B2 - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP5355692B2
Application number: JP2011521740A
Authority: JP
Inventors: 光介辰村; 敦寛木下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: KR101354844B1; KR20120014220A; WO2011004474A1; US8653560B2; US20120139007A1; CN102473642B; JPWO2011004474A1; CN102473642A

Description

本発明は、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）ＦＥＴのチャネル領域に高移動度チャネル材料を用いた半導体装置及びその製造方法に関する。

Ｓｉを用いた半導体装置の微細化に伴い、微細化による駆動能力の向上率が鈍化する傾向にある中、Ｓｉよりも高いキャリア移動度を有するIII-Ｖ族材料やIV族のＧｅ等をチャネル材料に用いた、高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴが検討されている。これを実用化するには、高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴをＳｉを主成分とする基板上に高密度に形成する手法の確立が必要である。

上記手法の確立に適用できるものとして、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＯ₂層の開口領域を結晶成長の際のシード部として用い、このシード部からＳｉＯ₂層で覆われている領域にまでIII-Ｖ族半導体を横方向成長させる方法がある（例えば、非特許文献１参照）。しかし、この方法ではシード部が面積ペナルティとなり、高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴの集積度を低下させる問題がある。

また、チャネル領域にはIII-Ｖ族材料を採用する一方、ソース／ドレイン領域にはＳｉＧｅを採用した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この文献には、高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴをＳｉ基板上に高密度に形成するための構造及び手法は何ら開示されていない。

また、ソース／ドレイン領域を不純物を含有したシリコンによって構成し、チャネル領域をＳｉよりも広いエネルギーバンドギャップを有する半導体材料によって構成したＭＩＳＦＥＴが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この文献には、異種半導体材料をＳｉ基板上に、高い結晶性、高い結晶配向性、及び高い平坦性をもって形成する手法は何ら開示されていない。

特開２００８−１６０１３１号公報特開２０００−０１２８３８号公報

T. Hoshii, et al., Extended Abstracts of the 2007 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tsukuba, 2007, pp. 132-133

本発明の目的は、高移動度チャネル材料を有するＭＩＳＦＥＴについて、チャネル材料の結晶性を維持しつつ、Ｓｉを主成分とする基板上に高密度に形成することのできる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の一態様に係わる半導体装置の製造方法は、表面と垂直方向の結晶方位が［１１０］方向のＳｉ_1-xＧｅ_x（０≦ｘ＜０．５）を表面部に有する支持基板の表面部上に、ゲート長方向が前記［１１０］方向と直交する［１１１］方向となるようにダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートをマスクに用いて前記基板の表面部にソース／ドレイン領域を形成する工程と、前記ソース／ドレイン領域の形成後に、前記ダミーゲートの側部に絶縁膜を埋め込み形成する工程と、前記絶縁膜をマスクに用いて前記ダミーゲートをエッチングし、更に前記ソース／ドレイン領域間の前記基板の表面部をエッチングする工程と、前記基板の表面部のエッチングにより露出した前記ソース／ドレイン領域の端部をシードとして用い、前記ソース／ドレイン領域間にIII-Ｖ族半導体又はＧｅからなるチャネル領域を成長する工程と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の別の一態様に係わる半導体装置は、支持基板の表面部に、表面と垂直方向の結晶方位が［１１０］方向のＳｉ_1-xＧｅ_x（ｘ＜０．５）からなり、前記［１１０］方向と直交する［１１１］方向に離間して設けられ、且つチャネル長方向の側面の面方位が前記［１１０］方向と直交する｛１１１｝面に形成されたソース／ドレイン領域と、前記ソース／ドレイン領域間に設けられた、チャネル長方向の結晶方位が［１１１］のIII-Ｖ族半導体又はＧｅからなるチャネル領域と、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、高移動度チャネル材料を有するＭＩＳＦＥＴについて、チャネル材料の結晶性を維持しつつ、Ｓｉを主成分とする基板上に高密度に形成することができる。

本発明の第１の基本技術を説明するための図。本発明の第２の基本技術を説明するための図。（１１０）面に等価な指数面とそれに垂直な｛１１１｝面との関係を示す図。第１の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す断面図。第１の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図。図４のＭＩＳＦＥＴにおけるチャネル領域のチャネル長方向と垂直な断面図。第１の実施形態の変形例であり、オフセット領域を回避する例を示す断面図。 III-Ｖ族材料の成長に先立ちＢＯＸ層を掘り込んだ例を示す断面図。Ｓｉ（１１０）面内におけるチャネル長方向と伝導率との関係を示す図。第３の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す断面図。第３の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図。第４の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す斜視図。第４の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す斜視図。第４の実施形態の変形例であり、チャネル領域の断面図。

本発明の実施の形態の説明に先立ち、各実施形態の背景となる基本技術に付いて説明する。

（基本技術１）
III-Ｖ族半導体は、絶縁膜で覆われたＳｉ（１１１）面の絶縁膜開口部（言い換えるとＳｉ露出部）に選択的に、＜１１１＞方向の優先方向をもって成長させることが可能である。図１（ａ）（ｂ）は、この例を模式的に示している。図１（ａ）のように、絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜１に覆われたＳｉ（１１１）表面の所望の場所に、ＳｉＯ₂開口領域２を形成する。図１（ａ）の構造に対しIII-Ｖ族半導体を気相成長する場合、図１（ｂ）のようにＳｉＯ₂開口領域２の上に選択的に、上面が（１１１）面、側面が（０-1１），（０１-1），（１-1０），（-1１０），（-1０１），（１０-1）面である六角柱形状のIII-Ｖ族半導体３からなる構造を形成することができる。

これは、III-Ｖ族半導体を含む閃亜鉛鉱型結晶や、Ｇｅを含むダイヤモンド型結晶が［１１１］方向に優先方向成長し易いという特徴、並びに｛１１０｝面が表面エネルギーの比較的低い安定な面であるという特徴を持つためである。この実例は、例えば文献（M. Deura, et.al., Journal of Crystal Growth 310, p4768 (2008)）で報告されている。

（基本技術２）
本明細書では、ある特定の結晶方向を＜ｈｋｌ＞で、それと等価な結晶方向を総称して［ｈｋｌ］で示す。同様に、ある特定の結晶面を（ｈｋｌ）で、それと等価な面を総称して｛ｈｋｌ｝で示す。（ｈｋｌ）面と＜ｈｋｌ＞方向とは、（ｈｋｌ）面の垂直方向が＜ｈｋｌ＞方向となる関係にある。

（１１０）面と、（-1１１）面及び（１-1-1）面とは垂直な関係にある。従って、（１１０）基板の場合、表面に対し垂直に切り立った（-1１１）面及び（１-1-1）面からなる凹部を形成可能である。図２（ａ）（ｂ）はこれを模式的に示す。なお、図２（ａ）（ｂ）において、５はソース領域、６はドレイン領域、Ｌｇはチャネル長（ゲート長）、Ｗはチャネル幅（ゲート幅）を示している。

図２（ａ）に示すように、（１１０）基板上にチャネル長方向（ソース領域５とドレイン領域６を結ぶ方向）が＜-1１１＞方向になるようＭＩＳＦＥＴを配置するものとする。そして、チャネル部を垂直にエッチングすると、図２（ｂ）に示すように、露出するソース領域５とドレイン領域６の側面は夫々（-1１１）面と（１-1-1）面となる。一方、他の主要低指数面である（００１）基板や（１１１）基板の場合、表面と｛１１１｝面は垂直な関係にない。

図２（ｂ）では上面が（１１０）面、側面が（-1１１）面及び（１-1-1）面の場合を挙げたが、本発明の範囲はこの特定の指数面に限るものではなく、これと等価な結晶面の組み合わせの場合も含む。図３に示すように、（１１０）面に等価な指数面は（１１０）面を含め計１２ある。また、その一つを表面とした場合、表面に垂直で互いに向かい合う｛１１１｝面のペアは２組ある。従って、基板上面の面方位として｛１１０｝面の何れかを選択した場合、ソース／ドレイン領域の側面の面方位が上記選択した［１１０］面と直交する｛１１１｝面となるようにすればよい。なお、本明細書ではこれ以降、等価な結晶面の組み合わせのうち、代表として上面（１１０）面、側面（-1１１）面及び（１-1-1）面の場合について記述する。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図４は、本発明の第１の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す断面図であり、特にチャネル長方向に沿った断面を示している。

本実施形態では、支持基板として、Ｓｉ基板１１上に埋め込み絶縁層（ＢＯＸ：Buried OXide layer）１２を形成し、その上にＳｉ層（ＳＯＩ層）１３を形成したＳＯＩ基板が用いられる。そして、このＳＯＩ基板１０上に、ソース領域２１，ドレイン領域２２，チャネル領域２３，ゲート絶縁膜２４，及びゲート電極２５を有するＭＩＳＦＥＴが形成されている。

ソース／ドレイン領域２１，２２はＳｉ層１３から形成され、それらの基板表面と垂直方向の結晶方位は＜１１０＞である。ソース／ドレイン領域２１，２２により挟まれたチャネル領域２３はIII-Ｖ族半導体材料から形成される。ソース領域２１とチャネル領域２３との界面に垂直な方向は＜-1１１＞であり、ドレイン領域２２とチャネル領域２３との界面に垂直な方向は＜１-1-1＞である。ゲート絶縁膜２４とゲート電極２５を合わせたゲートスタックの側面には、側壁絶縁膜２６が形成されている。また、これら各部が形成された基板表面上は層間絶縁膜２７に覆われており、層間絶縁膜２７の表面は平坦化されている。そして、層間絶縁膜２７の表面はゲート電極２５の表面と同じ高さとなっている。

次に、本実施形態のＭＩＳＦＥＴの製造方法を、図５（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、上面が（１１０）面であるＳｉ層１３を有するＳＯＩ基板（支持基板）１０を用意する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、チャネル長方向が＜-1１１＞となる方位で、通常の所謂ゲート・ファースト（gate-first）プロセスでＭＩＳＦＥＴを形成する。

具体的には、Ｓｉ層１３に対してメサ型の素子分離工程を実施することにより、最終的にソース／ドレイン領域及びチャネル領域となるアクティブ領域のみを残し、その他の領域をエッチングする。続いて、Ｓｉ層１３上にダミーゲート絶縁膜３１とダミーゲート電極３２を堆積した後、レジストパターニングによりゲートパターンを規定する。続いて、レジストパターンをドライエッチングで転写し、ゲート電極パターニングを行う。その後、ダミーゲート電極３２をマスクとして用い、Ｓｉ層１３に不純物を高濃度に注入し、熱活性化工程を実施することにより、ソース領域２１とドレイン領域２２を形成する。その後、絶縁膜の堆積とドライエッチングにより側壁絶縁膜２６をセルフアラインで形成し、最後に層間絶縁膜２７を堆積し表面を平坦化する。

この段階では、チャネル領域はＳｉから形成されている。これをダミーチャネル領域と呼ぶ。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜３１とダミーゲート電極３２とが形成されている。ソース領域２１とドレイン領域２２は高濃度にドーピングされたＳｉから形成される。

なお、ダミーゲート絶縁膜３１の形成前に、Ｓｉ層１３上にＳｉ_1-xＧｅ_x（ｘ＜０．５）層をエピタキシャル成長させ、これをチャネル領域として用いることも可能である。チャネル領域にＳｉ_1-xＧｅ_x層を設けることにより、次のような効果も得られる。

(1) ＳｉＧｅのホール移動度はＳｉよりも約２倍高く、ｐＭＯＳの高移動度チャネル材料として有効である。ダミーゲート絶縁膜形成前にＳｉＧｅ層を成長させ、ｎＭＯＳのみでチャネル領域を本実施形態のチャネル後作りプロセスでIII-Ｖ族に置き換えると、ｎＭＯＳはIII-Ｖチャネル、ｐＭＯＳはＳｉＧｅチャネルとなる。従って、ｐＭＯＳに対して後作りフローをする必要が無く、製造コストを低下させることができる。この場合、ｎＭＯＳとｐＭＯＳ共にソース／ドレイン領域はＳｉＧｅ層となる。

(2) Ｓｉ_1-xＧｅ_xにおけるＧｅの組成比ｘは、０以上０．５以下とすることが好ましく、例えば０．２５から０．３５が良い。Ｓｉ_1-xＧｅ_x のｘが増加するほど、ホール移動度が増加する一方、ＳｉＧｅの耐熱性が低下する傾向がある。ｘが０．５を超えるとソース／ドレイン領域の活性化アニール工程における約１０００℃の高温熱負荷に耐性がなくなる。本実施形態においては、ゲート・ファースト−プロセスによるダミーゲートスタックの形成が不可能になる。

ｘ＝０．２５は、Ｓｉの４つの結合種のうち３本はＳｉと結合し、残り１本がＧｅとなる割合に相当する。この状態だと、耐熱性劣化を抑えつつ、Ｇｅ添加によるホール移動度向上の利点を享受できる。但し、高温アニール時に基板深部へ熱拡散するＧｅ量も考慮に入れると、ｘ＝０．２５〜０．３５程度のｘが特に好ましい。

(3) ＳｉＧｅをチャネルとして使用する場合、その厚みｄは５ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることが好ましく、例えば７ｎｍが良い。これは、ＭＩＳＦＥＴがＯＮの状態でチャネル領域に形成される反転層の厚さは、ゲートバイアスに依存して１５ｎｍから５ｎｍ程度となるためである。一方、あまりに厚いＳｉＧｅ層はエピタキシャル成長が難しい。

(4) ＳｉよりもＳｉＧｅの方が格子定数が大きいため、ソース領域端及びドレイン領域端をシード部としてIII-Ｖ族を成長させる際、シード部とチャネル領域の格子ミスマッチが小さくなり、より高品質なチャネルを形成することも可能となる。

次いで、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜２６，２７をマスクにダミーゲート電極３２，ダミーゲート絶縁膜３１，及びダミーチャネル領域を除去することにより、溝部３３を形成する。この結果、ソース領域端部とドレイン領域端部とに夫々、（-1１１）面と（１-1-1）面が露出する。

この後、ソース領域端部とドレイン領域端部の｛１１１｝面を平滑化する工程を実施してもよい。この｛１１１｝面は、次工程のIII-Ｖ族気相成長において結晶成長のシード部となる。より高品質なIII-Ｖ族チャネルを形成するには、ソース領域端部とドレイン領域端部によりラフネスのない、より原子レベルで平坦な｛１１１｝面を形成することが好ましい。

平滑化工程としては、次に挙げる二つの内一つ、若しくは両方を実施してよい。

(ｉ）一つは、｛１１１｝面のエッチングレートが他の面よりも遅い異方性ウェットエッチング処理である。水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）や、抱水ヒドラジン溶液（Ｈ₂ＮＮＨ₂・Ｈ₂Ｏ）によるＳｉウェットエッチングは、｛１１１｝面のエッチレートが遅い異方性エッチングであり、ラフネスを除去し原子レベルで平坦な｛１１１｝面を形成するのに有効である。

（ii）もう一つは、Ｈ₂雰囲気中の高温熱処理である。同熱処理には、Ｈ₂による還元作用によりＳｉ表面の酸化物を除去しＳｉの表面拡散を容易にする、高温にすることでＳｉの表面拡散を活発にする、の二つの作用により、Ｓｉ表面を平坦にする効果がある。例えば、４０Torrの減圧のＨ₂雰囲気中、１０００℃ｍ，３ｍｉｎの処理で、ラフネスが除去されて原子レベルで平坦なＳｉ表面が得られる［例えば、R. Hiruta, Applied Surface, Science Vol.237, p63-67 (2004)参照］。

次いで、図５（ｄ）（ｅ）に示すように、ソース／ドレイン領域２１，２２間にIII-Ｖ族半導体からなるチャネル領域２３を形成する。具体的には、図５（ｄ）に示すように、（-1１１）面からなるソース領域端部と（１-1-1）面からなるドレイン領域端部に、それぞれIII-Ｖ族材料からなる成長層２３ａを選択的に成長させる。そして、図５（ｅ）に示すように、左右の成長層２３ａを接続することにより、チャネル領域２３を形成する。ここで、III-Ｖ族が［１１１］方向に優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。

このようにして形成されたチャネル領域２３のチャネル長方向と垂直な断面形状は、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、｛１１０｝結晶面からなる４角以上の多角形になる傾向がある。何れもチャネル長方向が＜-1１１＞の場合である。なお、図６（ａ）〜（ｃ）において、紙面表裏方向がチャネル長方向である。

図６（ａ）では、断面が（１１０），（１０１），（０-1１），（-1-1０），（-1０-1），（０１-1）面からなる６角形となっている。図６（ｂ）では、図６（ａ）に加えて（０-1１），（-1０-1）面からなる溝部を有する８角形となっている。図６（ｃ）では、（１１０），（０１-1），（-1-1０），（１０１）の四角形（台形）となっている。

これらは、（基本技術１）で説明したように｛１１０｝面が表面エネルギーの低い安定な結晶面であるためであるが、表面エネルギーの低いが故に側面の｛１１０｝面は原子レベルで平坦になる傾向がある。この結果、最終的にチャネル部とゲート絶縁膜の界面が原子レベルで平坦になる。チャネル／ゲート絶縁膜界面の平坦性が高いほど、表面反転層をチャネル長方向に走行するキャリアがラフネスにより散乱される頻度が減るので、電流駆動力は増大する。従って、図６（ａ）に示すようなチャネル形状は、デバイス性能向上に寄与する。

なお、図６（ｂ）に示すように、（０-1１）面と（-1０-1）面からなる溝部Ｄが形成される場合でも、溝部Ｄはチャネル長方向に沿って形成されるため、チャネル長方向に流れる電流を阻害する要因とはならない。このため、図６（ｂ）に示すような溝部Ｄが形成されても殆ど問題とならない。

また、III-Ｖ族材料としては、ＧａＰ，ＡｌＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ，ＩｎＧａＡｓ，及びＩｎＧａＮＡｓからなるグループから選択することができる。

次いで、図５（ｆ）に示すように、ゲート絶縁膜２４とゲート電極２５を形成することにより、前記図４に示す構造が完成することになる。

ゲート絶縁膜２４としては、Ａｌ₂Ｏ_{3 ，}ＨｆＯ₂，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｔａ₂Ｏ₅，ＬａＡｌＯ，ＬａＡｌＳｉＯ，ＨｆＳｉＯ，ＨｆＳｉＯＮ，ＨｆＬａＳｉＯＮ，ＨｆＡｌＳｉＯＮ，ＨｆＴａＳｉＯＮ，及びＨｆＬａＡｌＳｉＯＮからなるグループから選択することができる。ゲート絶縁膜２４の堆積方法としては、ＭＯＣＶＤ、ＡＬＤ、スパッタリング、及びそれらの組み合わせから選択することができる。ゲート絶縁膜２４の成膜後、プラズマ窒化により窒素を導入してもよい。

ゲート電極２５としては、ＴｉＮ，Ａｌ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌＮ，ＨｆＳｉ，ＨｆＣ，ＨｆＣＮ，ＴａＣ，ＴａＮ，Ｗ，ＷＮ，Ｍｏ，ＭｏＮからなるグループから選択することができる。ゲート電極２５の堆積方法としては、ＭＯＣＶＤ、ＡＬＤ、スパッタリング、及びそれらの組み合わせから選択することができる。また、堆積後適当温度熱処理により、凹部の金属充填率を向上させることができる。

前記図５（ｆ）の工程でゲート絶縁膜２４を堆積する際、溝部の側面にもゲート絶縁膜２４が堆積される。このため、図７（ａ）に示すように、チャネル領域２３の両端にゲート電極２５の支配の及ばないオフセット領域が生じる場合がある。

これを回避するためには、図５（ｄ）（ｅ）のIII-Ｖ族材料の気相成長工程に先立って、in-situ doped Ｓｉや in-situ doped III-Ｖ族をゲート絶縁膜２４の厚さ程度成長させることが有効である。それらの in-situ doped Ｓｉや in-situ doped III-Ｖ族はソース若しくはドレインの一部として機能する。この様子を、図７（ｂ）に示す。図中の２９が in-situ doped Ｓｉ層である。

また別の方法として、図５（ｄ）（ｅ）のIII-Ｖ族材料の気相成長工程に先立って、ゲートの側壁をウェットエッチング等でゲート絶縁膜２４の厚さ程度エッチバックさせることも有効である。この様子を、図７（ｃ）に示す。側壁絶縁膜２６がエッチバックされているため、側壁絶縁膜２６の側面にゲート絶縁膜２４が形成されても、オフセットを回避することができる。

図５（ｄ）（ｅ）の工程でIII-Ｖ族材料を成長させる際、成長したIII-Ｖ族構造の下面はＢＯＸ層と接している一方、その上面はそうなっていない。このことが原因で、III-Ｖ族の上部と下部で成長速度が異なり均質性が劣化する可能性もある。これを回避するためには、III-Ｖ族の成長に先立って、ＢＯＸ層を適当程度掘り込むことが有効である。この様子を、図８（ａ）（ｂ）に示す。

図８（ａ）に示すように、前記図５（ｃ）の工程で、露出した埋め込み絶縁層１２を一定量だけエッチングし、ＢＯＸ掘り込み領域３４を形成する。その後、図８（ｂ）に示すように、III-Ｖ族半導体からなるチャネル領域２３を選択成長させる。この場合、III-Ｖ族の成長の過程においては、III-Ｖ族構造の上面と下面がより近い状況にあり、均質性の向上が期待できる。

このように本実施形態では、基板表面と垂直方向の結晶方位が＜１１０＞であるＳｉからなるソース・ドレイン領域と、チャネル長方向が＜-1１１＞であるIII-Ｖ族からなるチャネル領域とを有するＭＩＳＦＥＴを、ダミーチャネル領域を除去する工程を経て、ソース端とドレイン端とに夫々現れた（-1１１）面と（１-1-1）面とをシード部としてIII-Ｖ族を横方向成長させることによって形成している。この構造と手法の効果として、III-Ｖ族半導体をチャネル領域に用いた高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴを、Ｓｉ基板上に高密度に且つ高品質に形成することを可能としている。次に、この効果を公知例との対比においてより具体的に説明する。

（特許文献１）はチャネル領域にはIII-Ｖ族材料を、ソース／ドレイン領域にはＳｉＧｅを採用した構造を、また（特許文献２）は、チャネル領域にはＳｉよりも広いエネルギーバンドギャップ有する半導体材料を、ソース／ドレイン領域には不純物を含有したＳｉを採用した構造を開示しているが、ソース／ドレイン領域の結晶方位の規定については言及していない。これに対して、本実施形態の構造（図４）では、ソース領域とドレイン領域の基板表面に垂直方向の結晶方位は＜１１０＞、ソース領域とチャネル領域との界面に垂直方向は＜-1１１＞、ドレイン領域とチャネル領域との界面に垂直方向は＜１-1-1＞、という結晶面方位規定を定めている。

この結晶面方位規定は、高品質なIII-Ｖ族チャネル部を形成するに際して、重要な役割がある。即ち、この結晶面方位規定を設定した場合にのみ、ダミーゲートを除去した後の凹部の両端にあたる向かい合うソース領域及びドレイン領域の端部が共に｛１１１｝面になる。本実施形態では、このソース／ドレイン領域の端部のＳｉ｛１１１｝をシード部として、III-Ｖ族を両端から選択的エピタキシャル成長させて、最終的に凹部をIII-Ｖ族で充填し、それをチャネル領域としている。そのように形成されたIII-Ｖのチャネル部は、高い結晶性、高い結晶配向性、高い平坦性、及びソース若しくはドレインとの界面が極めて急峻、というデバイス特性上好ましい特徴を有することができる。

それ以外の結晶面方位を選択した場合、III-Ｖの優先成長方向である［１１１］方向とチャネル長方向とは一致せず、チャネル長方向とは異なった方向へのIII-Ｖ族の優先方向成長が起こる。このため、高い結晶配向性、及び高い平坦性を有するチャネル部の形成は困難である。また、III-Ｖ族を高品質にエピタキシャル成長させるにあたり｛１１１｝面はシード部として最も優位な面である。本実施形態の結晶面方位規定以外を選択した場合、ソース領域及びドレイン領域の端部が｛１１１｝面とならないため、高い結晶性を実現できない。また、面方位制御をしない場合、ソース領域端からIII-Ｖ族を結晶成長する際、界面において多数のマイクロファセットが形成され界面の急峻性が劣化し、ショートチャネル効果が劣化する。

加えて、本実施形態の結晶面方位規定を設定することにより、(1)ソース領域からチャネル領域へのキャリア注入速度の増大、並びに (2)ソース領域、ドレイン領域、及びソース領域／チャネル領域の界面抵抗の低減、の二つの要因に起因して電流駆動力を増大できる。これは、図９に示すように、Ｓｉ（１１０）面内においては［１１１］方向の電子の伝導質量が他の方位のそれよりも小さくなるためである。高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴの場合、チャネル部自体の抵抗は小さく駆動電流を支配する割合が低いから、ソースからの注入速度の向上が特に重要となる。

また、一般にゲート長（Ｌｇ）が微細になるほどチャネル部の抵抗は下がるから、駆動電流は寄生抵抗やソースからのキャリアの注入速度により影響を受けるようになる。それらの影響は、Ｌｇが１５０ｎｍ以下で顕在化し、５０ｎｍ以下で特に顕著になる。そのため、本実施形態の結晶面方位規定の設定は、Ｌｇが１５０ｎｍ以下の高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴに対して特に有効であり、Ｌｇが５０ｎｍ以下の場合は更にその効果が大きい。

なお、ソース領域、ドレイン領域、及びそれらのチャネル領域との界面の結晶方位は、ＭＩＳＦＥＴより該当部分をＦＩＢ（Focused Ion Beem）によるピックアップ法で切り出し、断面を高分解能透過電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）で撮像するか、若しくは透過電子回折法（Transmission Electron Diffraction：ＴＥＤ）により分析すれば、明らかにすることができる。

（非特許文献１）と本実施形態の形成方法では、共にＳｉ｛１１１｝面をシード部としたIII-Ｖ族の結晶成長を含む。ここで、（非特許文献１）はＳｉＯ₂開口部のＳｉ（１１１）面をシード部とした横方向成長を利用しているため、シード部に相当する面積のペナルティが不可避である。これに対して、本実施形態の形成方法においては、（-1１１）面からなるソース領域端部と（１-1-1）面からなるドレイン領域端部がシード部として機能するために、付加的な面積のペナルティが存在しない。この結果、面積ペナルティなくＳｉ｛１１１｝をシード部とした高移動度チャネル材料の高品質結晶成長が可能となる。

本実施形態の形成方法（図５（ａ）〜（ｆ））においては、ソースとドレインの高温活性化アニールの後に、チャネル領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極の積層構造の形成がなされる。これを、チャネル・ラスト（Channel-last）プロセスと呼ぶ。ゲート積層部への高温熱負荷は、高移動度材料チャネル／ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜／ゲート電極の両界面の特性を著しく劣化させる。しかし、チャネル・ラスト−プロセスを用いることにより、これを回避することができる。

一方、（非特許文献１）の形成方法はチャネル・ファースト（Channel-fist）プロセスであり、ゲート積層部への高温熱負荷を回避できない。また、（特許文献２）は第１の実施形態の形成方法と同じくチャネル・ラスト−プロセスであるが、結晶面方位規定がなく、Ｓｉ｛１１１｝面をシード部として使用できないため、高移動度チャネル材料の高品質結晶成長が不可能である。

つまり、本実施形態の形成方法は、限定された結晶面方位規定を設けた構造とすることにより、高温熱負荷回避可能なチャネル・ラスト−プロセスで、面積ペナルティなく、Ｓｉ｛１１１｝をシード部とした高品質結晶成長による、高移動度材料のチャネル領域形成を可能としている。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、チャネル領域２３がＧｅからなることを除いて第１の実施形態と同じ構造のＭＩＳＦＥＴを、Ｇｅチャネル領域の形成方法を除いて第１の実施形態と同じ形成方法により形成する。即ち、基板面に垂直方向の結晶方位が＜１１０＞であるＳｉからなるソース／ドレイン領域２１，２２と、チャネル長方向が＜-1１１＞であるＧｅからなるチャネル領域２３を有するＭＩＳＦＥＴを、ダミーチャネル領域を除去する工程を経て、ソース端とドレイン端とに夫々現れた（-1１１）面と（１-1-1）面とをシード部としてＧｅを横方向成長させることによって形成する。

Ｇｅは、ホール移動度がＳｉの約４倍あり、特にｐ型ＭＩＳＦＥＴの高移動度チャネル材料として有望である。しかし、Ｇｅチャネル領域とソース／ドレイン領域との界面及び、Ｇｅチャネル領域とゲート絶縁膜界面が高温熱負荷に弱いことが問題であった。

これに対して本実施形態では、チャネル・ラスト−プロセスであるため、高温熱負荷を回避することができる。加えて、面積ペナルティなくＳｉ｛１１１｝をシード部としたＧｅの高品質結晶成長を実施できる。従って本実施形態によれば、ＧｅチャネルＭＩＳＦＥＴをＳｉ基板上に高密度に、高品質に形成することが可能となる。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す断面図であり、特にチャネル長方向に沿った断面を示している。なお、図１０中の４１，５１〜５７は、図４中の１１，２１〜２７に対応している。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、ＳＯＩ基板の代わりにバルク基板を用いたことにある。

Ｓｉ基板４１上に、ＳＴＩ（Shallow trench isolation）４５により素子分離されて、ＭＩＳＦＥＴが形成されている。ソース領域５１とドレイン領域５２はＳｉから形成され、それらの基板表面に垂直方向の結晶方位は＜１１０＞である。ソース／ドレイン領域５１，５２により挟まれたチャネル領域５３はIII-Ｖ族材料から形成される。ソース領域５１とチャネル領域５３との界面の垂直方向は＜-1１１＞であり、ドレイン領域５２とチャネル領域５３との界面の垂直方向は＜１-1-1＞である。ゲート絶縁膜５４とゲート電極５５を合わせたゲートスタックの側面には側壁絶縁膜５６が形成されている。また、ＭＩＳＦＥＴは層間絶縁膜５７に覆われている。

図１１は、図１０のＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図である。基板が異なるだけで、基本的には第１の実施形態で説明した図５（ａ）〜（ｆ）と同様の工程で作製される。

まず、図１１（ａ）に示すように、上面が（１１０）面であるＳｉ基板４１を用意する。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、ＳＴＩ４５による素子分離を実施した後、チャネル長方向が＜-1１１＞となる方位で、通常のゲート・ファースト−プロセスでＭＩＳＦＥＴを形成する。具体的には、第１の実施形態と同様に、ダミーゲート絶縁膜６１とダミーゲート電極６２をゲートパターンに形成した後、不純物を高濃度に注入してソース領域５１とドレイン領域５２を形成し、さらに側壁絶縁膜５６及び層間絶縁膜５７を堆積させる。

この段階では、ダミーチャネル領域はＳｉから形成される。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜６１とダミーゲート電極６２とが形成されている。ソース領域５１とドレイン領域５２は高濃度にドーピングされたＳｉから形成される。

次いで、図１１（ｃ）に示すように、ダミーゲート電極６２、ダミーゲート絶縁膜６１を除去した後、チャネル部のＳｉを適当量掘り込む。この結果、ソース領域端部とドレイン領域端部とに夫々（-1１１）面と（１-1-1）面が露出する。一方、Ｓｉを掘り込んだ部分の底面は、（１１０）面からなる。

次いで、図１１（ｄ）（ｅ）に示すように、第１の実施形態と同様に、III-Ｖ族材料を（-1１１）面からなるソース領域端部と（１-1-1）面からなるドレイン領域端部に選択的に成長させ、チャネル領域５３を形成する。III-Ｖ族が［１１１］優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。

次いで、図１１（ｆ）に示すように、第１の実施形態同様に、ゲート絶縁膜５４とゲート電極５５を形成する。

このように本実施形態では、バルク基板を用いて第１の実施形態と同様に、高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴをＳｉ基板上に高密度に形成することができる。しかも、ＳＯＩ基板を使用する場合と比較して低コストである通常のバルクＳｉ基板を使用可能であるため、製造コストを低減することが可能となる。

（第４の実施形態）
図１２は、本発明の第４の実施形態に係わるＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴの素子構造を示す斜視図である。なお、図１２中の７１〜７３，８１〜８７は、図４中の１１〜１３，２１〜２７に対応している。

本実施形態では、支持基板として、Ｓｉ基板７１上に埋め込み絶縁層（ＢＯＸ）７２を形成し、その上にＳｉ層（ＳＯＩ層）７３を形成したＳＯＩ基板が用いられる。そして、このＳＯＩ基板のＳｉ層７３を薄壁状に加工することにより形成されたソース領域８１及びドレイン領域８２、更にチャネル領域８３，ゲート絶縁膜８４，及びゲート電極８５を有するＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴが形成されている。

ソース領域８１とドレイン領域８２はＳｉから形成され、それらの基板表面と垂直方向の結晶方位は＜１１０＞である。ソース領域８１，８２により挟まれたチャネル領域８３はIII-Ｖ族材料から形成される。ソース領域８１とチャネル領域８３との界面に垂直方向は＜-1１１＞であり、ドレイン領域８２とチャネル領域８３との界面に垂直方向は＜１-1-1＞である。チャネル領域８３の周囲には、ゲート絶縁膜８４が覆っており、されにその外周をゲート電極８５が覆っている。ゲート絶縁膜８４とゲート電極８５とを合わせたゲートスタックの側面には側壁絶縁膜８６が形成されている。またＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴは層間絶縁膜８７に覆われている。

次に、本実施形態のＦｉｎ型ＦＥＴの製造方法を、図１３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

まず、図１３（ａ）に示すように、上面が（１１０）面であるＳＯＩ層を有する基板を用意し、チャネル長方向が＜-1１１＞となる方位で、通常のゲート・ファースト−プロセスでＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴを形成する。この段階では、チャネル領域はＳｉから形成される。これをダミーチャネル領域と呼ぶ。また、ダミーチャネル領域の上部には、ダミーゲート絶縁膜９１とダミーゲート電極９２とが形成されている。ソース領域８１とドレイン領域８２は高濃度にドーピングされたＳｉから形成される。

次いで、図１３（ｂ）に示すように、側壁絶縁膜８６と層間絶縁膜８７（図示せず）を形成した後、これらの絶縁膜をマスクに用いて、ダミーゲート電極９２、ダミーゲート絶縁膜９１、及びダミーチャネル領域を除去する。この結果、ソース領域８１の端部とドレイン領域８２の端部とに夫々（-1１１）面と（１-1-1）面が露出する。

次いで、図１３（ｃ）に示すように、III-Ｖ族材料を（-1１１）面からなるソース領域端部と（１-1-1）面からなるドレイン領域端部に選択的に成長させ、チャネル領域８３を形成する。III-Ｖ族が［１１１］優先方向成長する気相成長条件を選ぶことにより、横方向成長が可能となる。その後、ゲート絶縁膜８４とゲート電極８５を形成することによって、前記図１２に示す構造が得られる。

図１３（ｃ）では、III-Ｖ族チャネル領域は直方体形状をしているが、図１と同様に六角柱形状になる場合もある。本発明の範囲は、この場合も含む。

また、本実施形態を更に進めてゲートオールアラウンド型ＭＩＳＦＥＴを作製することもできる。

図１３（ｂ）のダミーチャネル領域の除去工程に続いて、ＢＯＸ−ＳｉＯ₂層７２を一定量だけ掘り込む工程を実施する。例えば、埋め込み絶縁層７２を２０〜３０ｎｍ程度掘り込む。その後、図１３（ｃ）のIII-Ｖ族結晶成長に続き、high-k 絶縁膜とメタルゲートをＭＯＣＶＤやＡＬＤ法により形成する。例えば、ＨｆＳｉＯをＭＯＣＶＤで形成し、続いてプラズマ窒化によりＮを導入することで、３ｎｍのＨｆＳｉＯＮを形成する。その後、７ｎｍ程度のＴｉＮ若しくはＨｆＣ，ＴａＣをＣＶＤ法により形成する。最後に、ゲート電極部にＡｌやＴｉＡｌを堆積させ、５５０℃程度の熱処理を加える。熱処理を加えることにより、ＡｌやＴｉＡｌを融解させることで、空間充填率を上げることができる。

以上の工程で、図１４に示すように、チャネル長方向に垂直な断面が六角形で、チャネル領域８３の周囲全面にゲート絶縁膜８４を介してゲート電極８５を形成したゲートオールアラウンド型ＭＩＳＦＥＴを形成することができる。

ゲートオールアラウンド型ＭＩＳＦＥＴは、細線型チャネルの表面全てをゲート絶縁膜とゲート電極とが覆う構造であるため、ゲート電極がチャネルの電子状態を制御するその支配力が極めて強く、短チャネル効果に強いことが特徴である。

このようにして、ショートチャネル効果耐性を高めたゲートオールアラウンド型の高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴを、（１）チャネル部の結晶性及び結晶配向性が高い、（２）チャネル／絶縁膜界面の平坦性が高い、というデバイス特性上好ましい特徴を有して、形成することができる。従って本実施形態によれば、ショートチャネル効果耐性を高めたＦｉｎ型の高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴ、又はショートチャネル効果耐性を更に高めたゲートオールアラウンド型の高移動度チャネル材料ＭＩＳＦＥＴ、の高密度形成及びＳｉ基板上形成が可能となる。

なお、本実施形態ではＳＯＩ基板を用いているが、バルクＳｉ基板上にＦｉｎ型ＭＩＳＦＥＴ又はゲートオールアラウンド型ＭＩＳＦＥＴを形成することも可能である。

（変形例）
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。即ち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

また、前述した各具体例は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…ＳｉＯ₂膜
２…ＳｉＯ₂開口領域
３…III-Ｖ族半導体
１０…ＳＯＩ基板（支持基板）
１１，４１，７１…Ｓｉ基板
１２，７２…埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ）
１３，７３…Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
５，２１，５１，８１…ソース領域
６，２２，５２，８２…ドレイン領域
２３，５３，８３…チャネル領域
２４，５４，８４…ゲート絶縁膜
２５，５５，８５…ゲート電極
２６，５６，８６…側壁絶縁膜
２７，５７，８７…層間絶縁膜
２９… in-situ doped Ｓｉ層
３１，６１，９１…ダミーゲート絶縁膜
３２，６２，９２…ダミーゲート電極
３３…溝部
３４…ＢＯＸ掘り込み領域

Claims

表面と垂直方向な結晶方位が［１１０］方向のＳｉ_1-xＧｅ_x（０≦ｘ＜０．５）を表面部に有する支持基板の表面部上に、ゲート長方向が前記［１１０］方向と直交する［１１１］方向となるようにダミーゲートを形成する工程と、
前記ダミーゲートをマスクに用いて前記基板の表面部にソース／ドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース／ドレイン領域の形成後に、前記ダミーゲートの側部に絶縁膜を埋め込み形成する工程と、
前記絶縁膜をマスクに用いて前記ダミーゲートをエッチングし、更に前記ソース／ドレイン領域間の前記基板の表面部をエッチングする工程と、
前記基板の表面部のエッチングにより露出した前記ソース／ドレイン領域の端部をシードとして用い、前記ソース／ドレイン領域間にIII-Ｖ族半導体又はＧｅからなるチャネル領域を成長する工程と、
前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記チャネル領域を成長する前に、前記露出した前記ソース／ドレイン領域の端部に対し、｛１１１｝面のエッチングレートが他の面よりも遅い異方性ウェットエッチング、又はＨ₂雰囲気中の高温熱処理を用いて、｛１１１｝面を平滑化することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記支持基板は、埋め込み絶縁膜上に前記Ｓｉ_1-xＧｅ_xからなる半導体層が形成されたＳＯＩ基板であり、前記基板の表面部のエッチング時に、前記半導体層だけでなく、前記埋め込み絶縁膜の一部をエッチングすることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記チャネル領域の周囲全面に前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
支持基板の表面部に、表面と垂直方向な結晶方位が［１１０］方向のＳｉ_1-xＧｅ_x（ｘ＜０．５）からなり、前記［１１０］方向と直交する［１１１］方向に離間して設けられ、且つチャネル長方向の側面の面方位が前記［１１０］方向と直交する｛１１１｝面に形成されたソース／ドレイン領域と、
前記ソース／ドレイン領域間に設けられた、チャネル長方向の結晶方位が［１１１］のIII-Ｖ族半導体又はＧｅからなるチャネル領域と、
前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
を具備したことを特徴とする半導体装置。
前記チャネル領域のチャネル長方向と垂直な断面の形状が｛１１０｝面からなる多角形であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
前記チャネル領域のチャネル長方向の長さが１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。