[发明专利]半导体结晶、其制造方法及半导体装置

说明书

本发明涉及一种IV族元素混晶半导体、其制造方法及使用该半导体的半导体装置。

近年来，通过在硅(Si)基板上形成利用异质结的半导体元件，来制成工作速度比已往的同质结型Si器件快的器件，有这样的尝试。目前，除了Si以外，使用了也是IV族元素的锗(Ge)、碳(C)的混晶半导体，即SiGe、SiGeC等材料被视为可形成异质结的有前途的材料。

特别是，由三种元素构成的SiGeC混晶半导体，可通过改变这三种元素的构成比来互相独立地控制带隙和晶格常数，所以设计器件时的自由度高，且能与Si进行晶格匹配。因为如此，所述SiGeC混晶半导体正备受大大的瞩目。例如，在日本国专利公开公报：特开平10-116919号中所揭示的那样，有人认为：通过利用在Si层和SiGeC层的异质界面所产生的导带不连续，并用形成在界面上的二维电子气体来作载流子，就可实现工作速度比已往的Si器件快的场效应晶体管。

再就是，目前，要制造SiGeC混晶时，常采用在SiGe层的外延生长过程中加入C原料气体的方法、靠着离子注入法而在SiGe层中加入C的方法等等。

然而，例如在“Applied Physics Letters(应用物理学报)”第65卷(1994年)2559页所记载的那样，众所周知，因在SiGe层中加入C时，存在有固溶界限，故在加入大约4％以上的C原子时，会导致结晶性明显地劣化和非晶质化。还有，从本案发明人的实验可知，在各种温度下对SiGeC层进行热处理(退火处理)时，结晶性会劣化。尤其是，愈增加C浓度，结晶性的劣化愈明显起来。

图8是经本案发明人的实验所得到的结果数据，示出的是对SiGe_0.31C_0.0012结晶层以各种温度进行热处理(退火处理)后所得到的各试料的X射线衍射光谱的变化。如该图所示，在800℃以下的温度下施以热处理的试料的衍射峰值位置和as-grown(结晶生长后未受任何处理的)试料的差不多。可是，经900℃热处理的试料的衍射峰值位置稍微从as-grown试料的衍射峰值位置开始移动。还有，经950℃以上的热处理的试料的衍射峰值位置开始从as-grown试料的衍射峰值位置大幅度地错开。再就是，对经1000℃以上的热处理的试料来说，其衍射峰值的半值幅变宽且在as-grown试料中所观测到的衍射条纹大致消失了。从该实验的结果数据可看到：若在大约950℃以上的温度下进行热处理，SiGe_0.31C_0.0012结晶层的结晶性会劣化。

于是，为了查明所述SiGeC结晶层的结晶性劣化的原因，本案发明人推进了实验，结果查明了经热处理后的SiGeC结晶层的劣化的主要原因是：在该混晶中，与Si-C键相比，Ge-C键非常不稳定。

图7(a)、(b)分别示出对在Ge基板上让Ge_0.98C_0.02结晶层生长、以及在Si基板上让Si_0.98C_0.02结晶层生长而得到的各试料以各种温度进行热处理后所得到的各试料的X射线衍射光谱的变化。这里，Ge_0.98C_0.02结晶层是通过在Ge基板中注入C离子并通过热处理而形成的，Si_0.98C_0.02结晶层是使用Si及C的原料气体来在Si基板上外延生长的。

如图7(a)所示，对Ge基板上的Ge_0.98C_0.02结晶层而言，经475到550℃的热处理的试料的衍射峰值基本上可观测在同一位置上，但不能观测出经450℃以下的热处理的试料的衍射峰值。另外，经600℃以上的热处理的Ge_0.98C_0.02结晶层的衍射峰值位置都发生移动，特别是从经过700℃以上的热处理的Ge_0.98C_0.02结晶层中消失了峰值。从该结果可推论如下：若受600℃以上的热处理，GeC结晶中会产生某种变化，尤其是产生Ge-C键的裂开。

另一方面，如图7(b)所示，对Si基板上所生长的Si_0.98C_0.02结晶层来说，经过到1000℃为止的热处理的各试料中都明确地观测出衍射峰值。

总之，SiGeC结晶中的Ge-C键的不稳定性就是SiGeC结晶劣化的原因之一，怎样抑制Ge-C键的形成则是一个提高结晶性的关键。