JP5055771B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、チャネル領域に歪を導入してキャリアの移動度を高める半導体装置において、歪生成効果の低減を防止する手法に関する。

ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）には、チャネル領域に歪を与えるとキャリアの移動度が向上するという特性がある。ゲート長が１００ｎｍを切るような超高速ＦＥＴ等において、チャネル領域に歪を与える「歪生成技術」が注目されている。歪生成方法としては、図１Ａのように、Ｎチャネル領域が存在するＳｉ（シリコン）層をＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）層表面に形成することでＮチャネル領域に２軸性引張応力を加えて歪を与えるものや、図１Ｂのように、Ｐチャネル領域が存在するＳｉ層にＳｉＧｅ層を埋め込むことでＰチャネル領域に１軸性圧縮応力を加えて歪を与えるものが存在する（非特許文献１及び２参照）。これらの歪生成方法では、ＳｉとＳｉＧｅの格子定数の相違を利用して、応力を発生させている。
A. Shimizu et al., Tech. Dig. of 2001IEDM (IEEE, 2001) p.443-436 K. Goto et al., Tech. Dig. of 2004IEDM (IEEE, 2001) p.209-212

一般に、図２Ａの結晶に対して、図２Ｂのように歪を与えると、図２Ｃのような転位（dislocation）が高温，高応力下の結晶内で活動，増殖する。転位とは、線状の結晶欠陥（defect）を意味する。転位の種類としては、刃状転位やらせん転位が存在する。歪を与えた結晶内で転位が活動，増殖すると、結晶に与えた歪が転位により緩和されてしまう。

転位は、自分自身で核形成して発生することはなく、初期転位を発生源として発生することになる。図１Ａの歪発生方法では例えば、ＳｉＧｅ層の形成時やＳｉ層の形成時に発生する貫通転位が転位の発生源となる。図１Ｂの歪発生方法では例えば、埋込用の溝の形成時のエッチングダメージによって発生する格子欠陥が転位の発生源となる。また、エッチングに形成された（１１１）ファセット面も欠陥を多発させる原因になる。そしてウェハの高温処理時には、Ｓｉ層又はＳｉＧｅ層内の（１１１）面でこれらの初期転位が活動し、図３に示すように、Ｓｉ層又はＳｉＧｅ層内で初期転位から転位が増殖する。転位発生後の歪量ΔＸは、初期歪Ｘ₀、系の中の転位密度Ｎ、比例定数Ａ、およびバーガーズ・ベクトル（ベクトルｂ）を用いて
ΔＸ＝ΔＸ₀−Ａ｜ｂ｜Ｎ
で表わされるが（｜ｂ｜はバーガーズ・ベクトルの大きさである）、転位の発生により、チャネル領域に与えた歪が緩和されてしまい、チャネル領域に歪を与えてキャリアの移動度を向上させるという歪生成の効力が低減してしまう。この結果、半導体素子の性能の低下、特性バラツキの増加が引き起こされる。

したがって、本発明は、チャネル領域に歪を与えてキャリアの移動度を向上させる半導体装置において、歪生成効力の低減を防止する手法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の側面では、半導体装置は、電界効果トランジスタと、前記電界効果トランジスタのチャネル領域に応力を与える歪生成層とを備え、前記歪生成層は、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3の窒素あるいは酸素の少なくとも一方を含むか、または1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3の自己格子間原子・空孔を含み、前記自己格子間原子・空孔の少なくとも一部はクラスタ状に存在することを特徴とする。

具体的な構成例では、歪生成層は、前記チャネル領域が存在する半導体層の下方に位置するグローバル歪生成層、または、前記チャネル領域が存在する半導体層の両側に位置する局所歪生成層である。

本発明の第２の側面では、半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板に、電界効果トランジスタのチャネル領域となるべき半導体層に応力を与える歪生成層を形成する工程と、
（ｂ）前記歪生成層と前記半導体層の少なくとも一方に、酸素または窒素の少なくとも一方を導入する工程と、
（ｃ）前記半導体層上に、前記電界効果トランジスタを形成する工程と
を含むことを特徴とする。

本発明の第３の側面では、半導体装置の製造方法は、
（ａ）半導体基板に、電界効果トランジスタのチャネル領域となるべき半導体層に応力を与える歪生成層を形成する工程と、
（ｂ）前記歪生成層と前記半導体層の少なくとも一方に不純物を導入し、自己格子間原子、空孔、およびこれらのクラスタを形成する工程と、
（ｃ）前記半導体層上に、前記電界効果トランジスタを形成する工程と
を含むことを特徴とする。

このような構成および方法で、クラスタ状に存在する自己格子間原子や空孔は、転位の易動度を抑制し、歪生成層により与えられる歪が緩和されるのを防止することができる。

不純物が、酸素または窒素である場合は、転位の易動度抑制効果に加えて、転位発生密度を抑制する効果も有する（固着効果）。

チャネル領域に歪を与えてキャリアの移動度を向上させる半導体装置において、歪生成効力の低減を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の良好な実施の形態を説明する。

図４は本発明の第１実施例の半導体装置の概略断面図、図５は、図４に示す半導体装置の製造工程図である。第１実施例では、半導体素子としてｐ型ＭＯＳＦＥＴを例にとって説明する。

図４の半導体装置は、Ｓｉ基板１０１と、ゲート絶縁膜１０２と、ゲート電極１０３と、サイドウォール１０４とを具備する。Ｓｉ基板１０１には、ｐチャネル領域１１１ｐ、ソース領域１１２、ドレイン領域１１３、ソース・ドレインエクステンション領域１３４（以下、単に「エクステンション１３４」と称する）が形成されている。

この半導体装置はさらに、ｐチャネル領域１１１ｐに１軸性圧縮応力を加えて歪を与える歪生成層１２１を有する。この歪生成層１２１は、ソース領域１１２とドレイン領域１１３に形成された溝１３１に埋め込まれた局所歪生成層であり、Ｓｉ基板１０１に接している。図４の例では、歪生成層１２１はＳｉＧｅで構成される。この場合、Ｓｉの格子定数とＳｉＧｅの格子定数の相違が、１軸性圧縮応力の発生原因になっている。なお、第１実施例では、ｐチャネル領域１１１ｐに圧縮応力を与えるので、歪生成層１２１をＳｉＧｅ層としているが、ｎ型ＭＯＳＦＥＴに一軸性の引っ張り応力を与える場合は、歪生成層１２１をＳｉＣ（シリコンカーボン）で構成するのが望ましい。

Ｓｉ基板１０１とＳｉＧｅ歪生成層１２１との界面１３２および近傍に、不純物として窒素不純物または酸素不純物を含有する不純物領域１３３を設ける。酸素や窒素の存在自体により、発生転位密度を低減する効果（転位の固着作用）が得られる。

図６は、不純物の導入による転位速度の低減を示すグラフである。特に転位が走り始める初期の状態（印加されるせん断応力が小さい状態）では、窒素や酸素を添加することによって、不純物が存在しない場合と比較して、矢印Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに示すように、転位の運動速度が抑制されることが解る。

すなわち、Ｓｉ基板１０１やＳｉＧｅ歪生成層１２１に不純物領域１３３を形成しておけば、半導体基板１０１内や歪生成層１２１内の初期転位が固着され、高温，高応力下でも、Ｓｉ基板１０１やＳｉＧｅ歪生成層１２１での転位の活動，増殖が防止される。

第１実施例の半導体装置では、Ｓｉ基板１０１とＳｉＧｅ歪生成層１２１との界面１３２に沿った領域に不純物領域１３３を形成している。これにより、キャリアの移動度を向上するためにチャネル領域１１１ｐに与えられる応力が、転位により緩和されてしまうのを防止することができる。

不純物領域１３３に存在する不純物の濃度は、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3の範囲であるのが望ましい。これらの範囲の上限を超えると、シリコンが窒化，酸化されて窒化シリコン，酸化シリコンになってしまい、下限を下回ると、転位の固着作用の程度が不十分になってしまうからである。

図７は、不純物の濃度と転位の固着作用との関係を示す図である。運動停止臨界応力（応力が臨界以下になると転位運動が停止する）が達成される不純物の濃度は、理論上は、窒素不純物では1.0×10¹⁵cm^-3と同程度の０．１１ｐｐｍ程度で、酸素不純物では2.5×10¹⁷cm^-3と同程度の５．０ｐｐｍ程度であるが、実際のデバイスで転位の易動度を十分に抑制するには、上述のように、不純物の濃度が1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3の範囲であるのが望ましい。

図５を参照して、図４の半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図５Ａに示すように、Ｓｉ基板１０１表面に、熱酸化法により膜厚２ｎｍのＳｉＯ２（酸化シリコン）膜１０２を堆積させ、続いて、ＳｉＯ２膜１０２表面に、ＣＶＤ法により層厚１００ｎｍのＰｏｌｙＳｉ（ポリシリコン）層１０３を堆積させる。

次に、図５Ｂに示すように、ドライエッチング法により、ＰｏｌｙＳｉゲート電極１０３を形成する。ゲート電極１０３をマスクとし、ＳｉＯ2膜１０２を介してＳｉ基板１０１内に、Ｐ−領域（エクステンション）１３４を、加速エネルギ５ｋｅＶでイオン注入法により形成する。

次に、図５Ｃに示すように、エッチバック法により、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜１０２を形成し、全面にＳｉＮ膜を堆積して異方性エッチングによりサイドウォール１０４を形成する。ゲート電極１０３およびサイドウォール１０４をマスクとして、イオン注入によりＰ＋領域（ソース・ドレイン領域）を形成する。

次に、図５Ｄに示すように、Ｓｉ基板１０１のｐ＋ソース・ドレイン領域に、ドライエッチング法により、溝１３１を形成する。溝１３１の深さＤは５０ｎｍ程度、溝１３１の間隔Ｓは２００ｎｍ程度である。溝１３１の表面１３２およびその周辺領域に、イオン注入法により酸素または窒素を注入エネルギ１０〜４０ｋｅＶで打ち込み、不純物領域１３３を形成する。不純物領域１３３の厚さは１０〜４０ｎｍ、不純物領域１３３の不純物の濃度は、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3である。続いて、エッチングダメージ，注入ダメージの回復と、格子欠陥，初期転位固着のためのアニールを行う。アニールはＲＴＡを使用して８００℃〜１０００℃程度で数秒間行う。

次に、図５Ｅに示すように、溝１３１の内部に、ＣＶＤ法により、ＳｉＧｅ層１３１を埋め込んで、ＳｉＧｅからなる歪生成層１２１を形成する。

第１実施例では、図５のように、Ｓｉ基板１０１と歪生成層１２１との界面１３２に沿って、Ｓｉ基板１０１側に不純物領域１３３が形成される。第１実施例で転位の発生源となる初期転位は、溝１３１の形成時のエッチングダメージにより発生する転位ループなどの格子欠陥（図１Ｂ）である。格子欠陥あるいは転位ループは、界面１３２の周辺領域（Ｓｉ基板１０１側）の随所に発生する可能性があるため、第１実施例では、界面１３２に沿ったＳｉ基板１０１側の周辺領域全体に渡って、不純物領域１３３を形成する。

図８は、第１実施例の不純物領域について説明するための図である。歪生成層１２１やチャネル領域１１１ｐに転位が入ると、歪生成層１２１によりチャネル領域１１１ｐに与える歪が、転位によって緩和されてしまう。この結果、キャリアの移動度を向上させるという歪導入の効果が低減し、あるいは、ゲートリーク電流が増加してしまう。つまり、第１実施例の構成で問題視すべき転位は、チャネル領域１１１ｐに入り込もうとする転位と、ＳｉＧｅ歪生成層１２１内に存在する転位である。リーク電量の低減という視点で見たとき、不純物領域１３３を形成すべき領域は、界面１３２の周辺領域の内でも、特にチャネル領域１１１ｐの水平方向に位置する領域Ｈである。最もチャネル領域１１１に近接するからである。

不純物領域１３３に導入された不純物は、その後のＳｉＧｅ層成長プロセス時にＳｉＧｅ層内に拡散し、ＳｉＧｅ層１２１内で発生して増殖する転位を固着する。これにより、ＳｉＧｅ層内で発生して、チャネル領域１１１に与えた歪を緩和させる原因となる転位を抑制する。このように、ＳｉＧｅ層１２１内で転位を固着することも、不純物領域１３３に導入された不純物の重要な効果である。

次に、図９〜図１１を参照して、本発明の第２実施例を説明する。図９は本発明の第２実施例の半導体装置の概略断面図、図１０は、図９の半導体装置の製造工程図である。第２実施例では、半導体素子としてｎ型ＭＯＳＦＥＴを作製する。

図９の半導体装置は、Ｓｉ基板１０１と、ゲート絶縁膜１０２と、ゲート電極１０３と、サイドウォール１０４とを具備する。また、ｎ型チャネル領域１１１ｎ、ソース領域１１２、ドレイン領域１１３が形成されるＳｉ層１２２と、チャネル領域１１１ｎに２軸性引張応力を加えて歪を導入するＳｉＧｅ歪生成層１２１を有する。ＳｉＧｅ歪生成層１２１は、Ｓｉ層１２２の下敷層としてＳｉ層１２２に接して位置し、Ｓｉ層１２２に歪を与えるグローバル歪構造をとる。ここでは、Ｓｉの格子定数とＳｉＧｅの格子定数が異なることが２軸性引張応力の発生原因になっている。この意味で、Ｓｉ層１２２を適宜「歪Ｓｉ層」あるいは「歪導入半導体層」と称する。なお、第２実施例の構成でｎチャネル領域１１１ｎに二軸性引張り応力を与えるのに、歪生成層１２１を引張型のＳｉＧｅとするのが通例であるが、ｐチャネルとする場合は、歪生成層１２１を圧縮型のＳｉＣとするのが通例である。

図９の半導体装置はまた、Ｓｉ層１２２とＳｉＧｅ歪生成層１２１との界面１３２の周辺領域に、不純物として窒素不純物，または酸素不純物を含有する不純物領域１３３を有する。歪生成層１２１側の不純物領域１３３での不純物の濃度は、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3である。

図１０を参照して、図９の半導体装置の製造方法を説明する。

まず、図１０Ａのように、Ｓｉからなる半導体基板１０１表面に、ＣＶＤ法により、層厚１μｍのＳｉＧｅ層１２１を堆積させて、ＳｉＧｅからなる歪生成層１２１を形成する。ＳｉＧｅ歪生成層１２１の内部に、イオン注入法により、不純物領域１３３ａを形成する。同層の不純物領域１３３ａの厚さは１０〜４０ｎｍ、不純物の濃度ピークは、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3である。同層へのイオン注入エネルギは１０〜４０ＫｅＶ程度である。

次に、図１０Ｂのように、ＳｉＧｅ歪生成層１２１表面に、ＣＶＤ法により、層厚数十ｎｍのＳｉ層１２２を形成する。Ｓｉ層１２２の内部に、イオン注入法により、不純物領域１３３ｂを形成する。同層の不純物領域１３３ｂの厚さは１０ｎｍ、不純物の濃度ピークは、1.0×10¹⁸cm^-3〜5.0×10¹⁹cm^-3である。ＳｉＧｅ層１２１側の不純物領域１３３ａと、Ｓｉ層１２２側の不純物領域１３３ｂを合わせて、不純物領域１３３とする。次に、初期転位固着のためのアニールを行う。アニールはＲＴＡを使用して８００℃〜１０００℃程度で数秒程度行う。

次に、図１０Ｃのように、半導体層１２２表面に、熱酸化法によって、膜厚２ｎｍのＳｉＯ２膜１０２を堆積させる。続いて、ＳｉＯ２膜１０２表面に、ＣＶＤ法によって層厚１００ｎｍのＰｏｌｙＳｉ層１０３を堆積させる。

次に、図１０Ｄのように、ドライエッチング法により、ＰｏｌｙＳｉからなるゲート電極１０３を形成し、ＳｉＯ２膜１０２を介してヒ素（Ａｓ）等をイオン注入して、Ｓｉ層１２２にＮ−領域（エクステンション）１３４を形成する。

次に、図１０Ｅのように、ＳｉＯ２膜１０２をエッチバックしてゲート絶縁膜１０２とし、全面にＳｉＮ膜を堆積し、異方性エッチングによりＳｉＮサイドウォール１０４を形成する。ゲート電極１０３およびサイドウォール１０４をマスクとするイオン注入により、Ｓｉ層１２２にＮ＋（ソース・ドレイン）領域を形成する。

図１１は、第２実施例の不純物領域１３３を説明するための図である。第２実施例では、Ｓｉ層（歪導入半導体層）１２２と、ＳｉＧｅ層（歪生成層）１２１との界面１３２の周辺領域に不純物領域１３３が形成される。第２実施例で転位の発生源となる初期転位は、Ｓｉ層１２２の形成時や歪生成層１２１の形成時に発生する貫通転位（図１Ａ）である。貫通転位は、界面１３２の周辺領域の随所に発生する可能性があるため、第２実施例では、界面１３２の周辺領域に全面的に不純物領域１３３を形成する。

第２実施例でチャネル領域１１１ｎに転位が入ると、チャネル領域１１１ｎに与えた歪が転位によって緩和されてしまい、キャリアの移動度を向上させるという歪生成の効力が低減してしまう。つまり、第２実施例で問題視すべき転位は、チャネル領域１１１ｎに入り込もうとする転位と、チャネル直下の領域のＳｉＧｅ領域である。この理由で、第２実施例で不純物領域１３３を形成すべき領域は特に、界面１３２に沿った領域の内、チャネル領域１１１の鉛直方向の一点差線で示す領域Ｖであると言える。最もチャネル領域１１１ｎに近接する領域であるからである。

次に、不純物領域の不純物の濃度分布について説明する。第２実施例では、Ｓｉ層１２２の内部と歪生成層１２１の内部にそれぞれ不純物領域１３３ａ、１３３ｂが形成される。図１１の右側の不純物の濃度分布に示されるように、Ｓｉ層１２２の内部とＳｉＧｅ歪生成層１２１の内部に不純物の濃度ピークが存在している。

Ｓｉ層１２２の内部の濃度ピークＰ１付近では主に、Ｓｉ層１２２側に発生した転位が固着される。ＳｉＧｅ歪生成層１２１の内部の濃度ピークＰ２付近では主に、ＳｉＧｅ歪生成層１２１側に発生した転位が固着される。

第２実施例では、不純物領域１３３の不純物の濃度ピークを、Ｓｉ層１２２の内部とＳｉＧｅ歪生成層１２１の内部の両方に設定しているが、どちらか一方にたけ設定する構成としてもよい。その場合には、転位の易動度を抑制し、歪生成効力の低減を防止するという観点からは、ＳｉＧｅ歪生成層１２１の内部に濃度ピークを設定するのが望ましい。また、不純物領域１３３の不純物の濃度ピークを、Ｓｉ層１２２とＳｉＧｅ歪生成層１２１との界面１３２に設定するようにしてもよい。高濃度領域が半導体層１２２にも歪生成層１２１にも及ぶからである。

なお、不純物領域の不純物の濃度分布についての上記説明は、第１実施例にも当て嵌まる。

次に、ＳｉＧｅ歪発生層１２１の中に、不純物領域１３３と同時に点欠陥（自己格子間原子、空孔）を設けることにより、歪生成効果の低減を抑制する実施例について説明する。本実施例では、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅを成長したＳｉＧｅ／Ｓｉ基板を利用している。
＜酸素注入による歪加速＞
まず、Ｓｉ基板上にＳｉＧｅ層歪生成層をエピタキシャル成長し、酸素または窒素を注入してサンプルを作成する。サンプルでのＳｉＧｅのＧｅ濃度は７％、ＳｉＧｅ膜厚は３４０ｎｍである。

図１２は、このサンプルに４５ｋｅＶ、１Ｅ１４ｃｍ-2の条件で酸素（Ｏ）を注入したときの濃度分布である。酸素は、ＳｉＧｅエピ膜内にピークを有して存在している。また、４５ｋｅＶ、６Ｅ１３ｃｍ-2の条件で酸素注入した場合も、ピーク位置は同じであり、ピーク濃度が、図１２と比較してやや減じる結果となる。

図１３は、酸素注入による歪量の増大効果を示すグラフである。このグラフは、酸素注入後のＸ線回折（実線）と、ＳｉＧｅ成長直後のエピ膜（以下、「Ａｓエピ」と称する）のＸ線回折（点線）の測定結果を比較して示すものである。左側のピークがＳｉＧｅのピーク、右側のピークがＳｉのピークである。なお、測定はOut-plane法（界面に垂直方向に格子定数の変化を測定する方法）で行っている。

酸素注入により、ＳｉＧｅのピーク位置が低角度側にシフトしており、ＳｉＧｅ格子がＺ軸方向（エピ界面に垂直な方向）に伸びたことを示している。ピーク強度の減少は、酸素注入によりＳｉＧｅ内部に格子欠陥がわずかに発生したことを示している。この結晶欠陥についての考察は、後述する。

In-plane法（ＸＹ面内、すなわちエピ界面に平行なＳｉＧｅ内部の格子定数を求める方法）のＸ線回折では、酸素注入サンプル、Ａｓエピともに基板のＳｉに整合しており、酸素注入による界面に並行な方向での格子定数の変化は観察されなかった。なお、In-plane法では、ＳｉＧｅ表面から１０ｎｍ以下の領域の格子定数を測定した。

Out-plane法、In-plane法の双方の測定結果を図１４に示す。

上述のように、Ｘ線回折の結果は、酸素注入により、基板との整合を維持したまま、エピ界面垂直方向に格子定数が伸びたことを示している。これは、酸素の注入によりＳｉＧｅの格子間隔が大きくなるが、界面で基板Ｓｉと整合を取るために、縦方向に格子が伸びたことを示している。これを、Ｇｅ濃度の変化量という視点で見たとき、Ａｓエピの状態でＧｅ含有量が７％であったものが、酸素を注入することにより、見かけ上のＧｅ含有量が７．４％になったことに対応している。

注入によりわずかに欠陥が導入されたことが、図１３のＸ線回折結果からうかがわれる。この欠陥を、図１５に示すようにＴＥＭ観察で確認すると、転位ループやアモルファス層のようなものではなく、ＴＥＭでは観察できない程度に小さな欠陥であることがわかる。すなわち、酸素注入によるＳｉＧｅ歪生成層へのダメージは、ほとんど存在しないと評価でき、もっぱら歪生成効果のほうが期待される。
＜転位易動度に対する酸素注入の効果；転位運動速度の抑制＞
人為的に導入した圧痕から発生する転位の易動度を測定することにより、酸素注入サンプルの転位の易動度を、Ａｓエピ膜のサンプルの転位易動度と比較した。

ダイヤモンドペンの先端をＳｉＧｅエピ膜表面に押し付けることにより圧痕を形成し、これを転位の発生源とした。圧痕キズの存在により、臨界膜厚条件よりも緩い条件であっても、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系がミスフィット・ストレスを有していれば、ＳｉＧｅ膜内の内部応力により、ＳｉＧｅ膜内で転位が運動を開始する。

ＳｉＧｅ／Ｓｉエピ系では、２軸の応力が働いている。転位の運動は、ダイヤモンド構造での転位のすべり系の特徴を反映して、圧痕（表面欠陥）から両側に広がるように伝搬していく。

図１６は、転位運動のメカニズムを示す図である。転位のすべり系である（１１１）面は、図の四面体で示すように４枚ある。また、ダイヤモンド構造での転位のバーガーズ・べクトル（ベクトルｂ）は＜１１０＞方向であるが、せん断応力に対して有効に作用するバーガーズ・ベクトルは、一つの（１１１）面に２本あり、合計８つのすべり系が存在する。

図１６では、１枚の（１１１）面について、一つのバーガーズ・ベクトルについて転位の運動する様子を描いている。運動転位１２は、（１１１）面では、白矢印で示すように圧痕１１の両側に広がりながら伝播する。（１００）面との境界はミスフィット転位となる。すべてのすべり系を考慮すると、圧痕を起点として、クロス（十字）状に転位が運動することになる。ΔＬは、運動した転位の長さを表わす。

図１７は、圧痕により発生する転位を実際に観測した観察写真である。５５０℃２１０分の熱処理（アニール等）の後、点欠陥が溶けやすいセコエッチング液を用いて選択エッチングを行い、表面腐食凹として転位を観測した結果である。圧痕からクロス状に転位が走っているのがわかる。運動した転位の全長（ΔＬ）を熱処理時間（Δｔ）で割り算することにより、各熱処理温度における熱処理時間内での転位の平均易動度を求めることができる。

図１８は、このようにして求めた転位の易動度の温度依存性を示すグラフである。黒丸はＡｓエピ膜の転位易動度であり、白丸は酸素注入サンプルの転位易動度の測定結果である。このグラフから、酸素を注入することによって、転位の運動の速さが抑制されることが結論付けられる。
＜酸素注入による発生転位密度の抑制＞
図１９は、酸素注入による転位発生の抑制効果を示す図である。As grown（Ａｓエピ）のＳｉＧｅ層と、酸素注入後のサンプルの双方に、一定制御下で圧痕を導入し、圧痕から発生する転位の数を比較する。圧痕の形成は、硬さ試験機を利用し、常に同じ加重（５０グラム重）で、同じ形状の圧痕を発生させる。

圧痕形成後に７５０℃、５分間の熱処理により、圧痕から転位を発生させ、発生した転位密度の比較を行う。図１９において、As grownと酸素注入サンプルで、水平方向および垂直方向に走る白い線が転位である。酸素を注入することで、発生する転位密度が明らかに低減していることがわかる。

この現象は、酸素による転位の固着作用によるものと推測される。圧痕により結晶格子は大きく乱れる。熱処理の初期において、圧痕導入により発生した乱れた結晶が回復を始める。このとき、格子は完全に回復するわけではなく、部分的に欠陥が残存する。この欠陥の中で、偶然に（１１１）面に載った転位がエピ膜の内部のストレスにより運動を開始し、伝播を開始する。

酸素注入サンプルで転位密度が減少する理由は、結晶格子の回復時に酸素が欠陥を固着し、結果として、活動する転位の数が減少するものと推測される。
＜窒素注入による歪増大＞
次に、窒素を注入したときの効果を説明する。図２０は、ＳｉＧｅ／Ｓｉのエピ膜に窒素を注入したときの窒素濃度分布を示すグラフである。酸素注入の場合と同様に、Ｇｅ濃度を７％、Ｓｉ基板上に成長するＳｉＧｅ膜厚は、３４０ｎｍである。窒素注入条件は、４５ｋｅＶ、１Ｅ１３cm^-2である。窒素は、ＳｉＧｅ膜内にピーク濃度を有して存在する。窒素の注入条件を、４５ｋｅＶ、１Ｅ１４cm^-2にすると、窒素濃度のピーク位置は変わらず、ピーク濃度が約１桁増加する。

図２１は、窒素注入による歪量の増大効果を示すＸ線回折結果のグラフである。左側のピークがＳｉＧｅのピーク、右側のピークがＳｉのピークである。なお、測定はOut-plane法（界面に垂直方向に格子定数の変化を測定する方法）で行っている。

窒素注入により、ＳｉＧｅのピーク位置が低角度側にシフトしており、ＳｉＧｅ格子がＺ軸方向（エピ界面に垂直な方向）に伸びたことを示している。ピーク強度の減少は、窒素注入によりＳｉＧｅ内部に格子欠陥がわずかに発生したことを示しているが、酸素注入の場合と同様に、この欠陥は、ＴＥＭで観察できない程度に小さいものである。

このように、Ｘ線回折の結果は、窒素注入によりエピ界面に対して垂直方向に格子定数が伸びたことを示している。これは、窒素の注入によりＳｉＧｅの格子間隔が大きくなり、縦方向に格子が伸びたことを示している。
＜転位易動度に対する窒素注入の効果；転位運動速度の抑制＞
人為的に導入した圧痕から発生する転位の易動度を測定することにより、窒素注入サンプルの転位の易動度を、Ａｓエピのサンプルの転位易動度と比較した。酸素注入の場合と同様に、ダイヤモンドペンの先端をＳｉＧｅエピ膜表面に押し付けることにより圧痕を形成し、これを転位の発生源とする。熱処理により運動した転位の全長（ΔＬ）を熱処理時間（Δｔ）で割り算することにより、各熱処理温度における熱処理時間内での転位の平均易動度を求める。

図２２は、このようにして求めた転位の易動度の温度依存性を示すグラフである。黒丸はAs grown（Ａｓエピ）膜の転位易動度であり、白丸は４５ｋｅＶ、１Ｅ１４cm^-2で窒素注入したサンプルの転位易動度の測定結果である。このグラフから、窒素を注入することによって、転位の運動の速さが抑制されることが結論付けられる。
＜窒素注入による発生転位密度の抑制＞
図２３は、窒素注入による転位発生の抑制効果を示す図である。As grown（Ａｓエピ）のＳｉＧｅ層と、窒素注入後のサンプルの双方に、一定の制御下で圧痕を導入し、圧痕から発生する転位の数を比較する。圧痕の形成は、硬さ試験機を利用し、常に同じ加重（５０グラム重）で、同じ形状のものを発生させる。

圧痕形成後に７５０℃、５分間の熱処理により、圧痕から転位を発生させ、発生した転位密度の比較を行う。図２３において、As grownと窒素注入サンプルで、水平方向および垂直方向に走る白い線が転位である。窒素を注入することで、発生する転位密度が低減していることがわかる。

この現象は、窒素による転位の固着作用によるものと推測される。圧痕により結晶格子は大きく乱れる。熱処理の初期において、圧痕導入により発生した乱れた結晶が回復を始める。このとき、格子は完全に回復するわけではなく、部分的に欠陥が残存する。この欠陥から、ＳｉＧｅ／Ｓｉが有するストレスにより、偶然（１１１）面に載った転位が運動を開始する。窒素注入により転位密度が減少する理由は、結晶の回復時に窒素が転位を固着することにより、活動する転位の数が減少し、運動転位の数が減少するものと推測される。
＜点欠陥クラスタによる転位易動度低減のメカニズム＞
図２４は、酸素注入サンプルに対しプレアニールを行うと、抑制されたはずの転位易動度が回復するという事実を示すグラフである。黒丸はＡｓエピのサンプルの６００℃での転位易動度、白丸は酸素注入サンプルの６００℃での転位易動度、黒三角は、酸素注入サンプルに対して、転位易動度測定の前に７００℃５分間のプレアニールを行ったときの転位易動度を示す。グラフから明らかなように、プレアニールを行うと、プレアニールを加えない場合と比較して、易動度が増大する。

これは、７００℃５分間の熱処理により、酸素注入により導入されて転位の運動を抑制していた何らかの要因が消滅したか、その密度が減じたことを示している。換言すると、転位易動度を抑制していたものは、結晶中の酸素の存在そのものというよりは、７００℃５分という比較的弱い熱処理で消滅する別の要因によると思われる。

短時間の熱処理で消滅ものは、注入の際に発生した自己格子間原子や空孔のようなサイズが小さいクラスタ欠陥であると推測される。すなわち、酸素注入による転位易動度の低減は、注入により発生した点欠陥クラスタが転位の運動を阻害することに起因すると考えられる。
点欠陥クラスタは、高温では熱的に不安定であり、解離しやすくなる。転位の易動度回復現象も、プレアニールの温度が高いほど強くなるはずである。

図２５は、プレアニール温度と、抑制した転位易動度の回復度との関係を示すグラフである。プレアニール温度が高くなるに従って、易動度回復が大きくなることがわかる。

図２６は、運動転位と点欠陥クラスタとの相互作用による転位易動度の低下のメカニズムを模式的に示す図である。白矢印の方向に運動する転位１２は、不純物の注入でエピ膜に生じた点欠陥クラスタ１５により抵抗を受けながら動くので、その易動度が抑制される。プレアニールによりこの点欠陥クラスタが消滅あるいは減少すると、抑制されたはずの転位運動が回復してしまう。

この点欠陥クラスタは、図１５のようにＴＥＭ観察では認識されず、結晶に対するダメージは小さいが、転位易動度の抑制には顕著な効果を発揮する。具体的には、自己格子間原子、あるいは空孔がクラスタ状に集合することにより、転位が走るのを抑制していると言える。同様のことが、窒素の注入にも当てはまる。

以上のことから、酸素や窒素の注入による転位易動度の抑制効果は、点欠陥クラスタによるが、発生する転位密度の減少は、酸素や窒素の固着作用によるものであると考えられる。つまり、転位易動度の抑制と、発生する転位密度の低減という２つの側面において、これらの効果に寄与する要因は別々のものと結論づけられる。

転位易動度の低減のためには、点欠陥クラスタが生成されればよいので、酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）以外に、Ｃ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｇｅなどを用いることができる。

ただし、これらの元素の中で、転位発生密度も抑制できるのは、十分な転位固着作用を有する酸素および窒素であり、ボロン（Ｂ）等は、クラスタを形成して転位易動度を抑制することはできるが、転位発生密度の抑制は不十分である。

上述した実施形態では、空孔、自己格子間原子、およびこれらのクラスタを形成するのにイオン注入法を用いたが、これに限定されず、歪生成層（ＳｉＧｅなど）と歪導入層（Ｓｉ層）の境界またはその周辺領域に点欠陥クラスタが形成される任意の方法を採用してもよい。

最後に、上記の記載に関し、以下の付記を記載する。
（付記１） 電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのチャネル領域に応力を与える歪生成層と、
を備え、前記歪生成層は1.0×10¹⁸ cm^-3 〜5.0×10¹⁹cm^-3の酸素あるいは窒素の少なくとも一方を含有することを特徴とする半導体装置。
（付記２） 電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのチャネル領域に応力を与える歪生成層と、
を備え、前記歪生成層は1.0×10¹⁸ cm^-3 〜5.0×10¹⁹cm^-3の自己格子間原子・空孔を含み、前記自己格子間原子・空孔の少なくとも一部は、クラスタ状に存在することを特徴とする半導体装置。
（付記３）
前記歪生成層は、前記チャネル領域が存在する半導体層の下方に位置するグローバル歪生成層であることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記４） 前記歪生成層は、前記チャネル領域が存在する半導体層の両側に位置する局所歪生成層であることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記５） 前記酸素あるいは窒素の濃度ピークは、前記歪生成層の内部に位置することを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記６） 前記自己格子間原子、空孔の濃度ピークは、前記歪生成層の内部に位置することを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記７） 前記歪生成層は、前記チャネル領域に対して水平方向に存在し、前記チャネル領域に１軸性応力を加えることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記８） 前記歪生成層は、前記チャネル領域に対して鉛直方向に位置し、前記チャネル領域に２軸性応力を加えることを特徴とする付記２に記載の半導体装置。
（付記９） 半導体基板に、電界効果トランジスタのチャネル領域となるべき半導体層に応力を与える歪生成層を形成する工程と、
前記歪生成層と前記半導体層の少なくとも一方に、酸素または窒素の少なくとも一方を導入する工程と、
前記半導体層上に、前記電界効果トランジスタを形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１０） 半導体基板に、電界効果トランジスタのチャネル領域となるべき半導体層に応力を与える歪生成層を形成する工程と、
前記歪生成層と前記半導体層の少なくとも一方に不純物を導入して、自己格子間原子、空孔、およびこれらのクラスタを形成する工程と、
前記半導体層上に、前記電界効果トランジスタを形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記１１） 前記不純物導入工程は、イオン注入によることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１２）
前記導入される不純物は、Ｏ、Ｎ、Ｃ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、Ｂ、Ｇｅ、またはこれらの組み合わせであることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１３）
前記不純物の導入量は、５×１０¹⁴ｃｍ^-2以下であることを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１４）
前記前記電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域の一部に、溝部を形成する工程と、
前記溝部のうち少なくとも前記チャネル領域に近接する側に前記不純物を導入する工程と、
前記溝部に前記半導体基板と格子定数の異なる材料を埋め込んで前記歪生成層を形成する工程と
をさらに含むことを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１５）
前記歪生成層を前記半導体基板上に形成し、
前期不純物を、前記歪生成層に導入し、
前記歪生成層上に、当該歪生成層と格子定数の異なる材料で前記半導体層を形成する
ことを特徴とする付記１０に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１６）
前記不純物の導入により、前記歪生成層と前記半導体層の少なくとも一方に、自己格子間原子、空孔、およびこれらのクラスタを形成することを特徴とする付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１７）
前記自己格子間原子、空孔、およびこれらのクラスタの濃度のピークが、前記歪生成層の内部に存在するように、前記不純物を導入することを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。

nチャネル領域に２軸性引張応力を与える構成の半導体装置の側面図である。 ｐチャネル領域に１軸性圧縮応力を与える構成の半導体装置の側面図である。 転位について説明するための結晶断面図である。 欠陥の発生による歪効果の低減を説明するための図である。 第１実施例の半導体装置の概略断面図である。 第１実施例の半導体装置の製造工程図である。 不純物の有無と転位の固着作用との関係を示す図である。 不純物の濃度と転位の固着作用との一般的な関係を示す図である。 第１実施例の不純物領域について説明するための図である。 第２実施例の半導体装置の概略断面図である。 第２実施例の半導体装置の製造工程図である。 第２実施例の不純物領域について説明するための側面図である。 ＳｉＧｅ／Ｓｉサンプルに注入した酸素濃度のプロファイルである。 酸素注入後のＸ線回折のグラフである。 酸素注入サンプルのＸ線回折に基づくＺ軸方向への格子定数の増加を示す表である。 酸素注入サンプルの断面ＴＥＭ画像である。 不純物を注入しない場合の転位運動のメカニズムを説明する概略図である。 圧痕から発生するＳｉＧｅ／Ｓｉ膜中の転位を示す画像である。 酸素注入による転位易動度の低減効果を示すグラフである。 圧痕形成後に熱処理したときの転位発生密度につき、酸素を注入する場合と、注入しない場合を比較して示す図である。 ＳｉＧｅ／Ｓｉサンプルに注入した窒素濃度のプロファイルである。 窒素注入後のＸ線回折のグラフである。 窒素注入による転位易動度の低減効果を示すグラフである。 圧痕形成後に熱処理したときの転位発生密度につき、窒素を注入する場合と、注入しない場合を比較して示す図である。 プレアニールにより転位易動度の回復を説明するためのグラフである。 転位易動度の回復と、アニール時間との関係を示すグラフである。 不純物を注入したときの転位運動抑制のメカニズムを説明する概略図である。

符号の説明

１０１ 半導体基板
１０２ ゲート絶縁膜
１０３ ゲート電極
１０４ サイドウォール
１１１ チャネル領域
１１２ ソース領域
１１３ ドレイン領域
１２１ 歪生成層
１２２ 半導体層
１３１ 溝
１３２ 界面
１３３ 不純物領域
１３４ エクステンション領域

Claims (2)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板上のゲート電極と、
   前記シリコン基板に形成された第１の深さのソース・ドレインエクステンション領域と、
   前記シリコン基板に形成された第２の深さのソース・ドレイン領域と、
   前記ソース・ドレイン領域に形成されたＳｉＧｅまたはＳｉＣを含む歪生成層と、
   前記ソース・ドレイン領域の前記歪生成層と前記シリコン基板の界面に沿って位置する不純物領域であって、酸素と窒素の少なくとも一方を含有する非絶縁性の不純物領域と、
   を含み、
   前記不純物領域の不純物濃度は、1.0×10¹⁸cm^-3 〜5.0×10¹⁹cm^-3 であることを特徴とする半導体装置。
2. シリコン基板にゲート電極、第１の深さのソース・ドレインエクステンション領域、及び第２の深さのソース・ドレイン領域を形成し、
   前記ソース・ドレイン領域にリセスを形成し、
   前記リセスにおいて前記シリコン基板に酸素と窒素の少なくとも一方を含む不純物を注入し、
   前記不純物が注入された前記シリコン基板をアニールした後に、前記リセス内にＳｉＧｅまたはＳｉＣを含む半導体層を埋め込んで前記半導体層と前記シリコン基板の間に非絶縁性の不純物領域を形成し、
   前記不純物領域は前記不純物の濃度が1.0×10¹⁸cm^-3 〜5.0×10¹⁹cm^-3 となるように形成すること特徴とする半導体装置の製造方法。