JP2006024728A - Manufacturing method of strained silicon wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、貫通転位および積層欠陥密度の低減化を図ることができる歪みシリコンウエハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a strained silicon wafer capable of reducing threading dislocations and stacking fault density.
近年、単結晶シリコン基板上にSiGe層をエピタキシャル成長させ、該SiGe層上に歪みSi層をエピタキシャル成長させた歪みシリコンウエハが提案されている。
前記歪みSi層には、Siに比べて格子定数が大きいSiGe層によって、引っ張り歪みが生じており、この歪みにより、Siのバンド構造が変化し、縮退が解けてキャリア移動度が高まる。
したがって、この歪みSi層をチャネル領域として用いることによって、通常のバルクシリコンを用いた場合と比べて、1.5倍以上のキャリア移動の高速化が可能となる。
このため、歪みシリコンウエハは、高速MOSFET、MODFET、HEMT等に好適なウエハとして注目されている。
In recent years, a strained silicon wafer has been proposed in which a SiGe layer is epitaxially grown on a single crystal silicon substrate and a strained Si layer is epitaxially grown on the SiGe layer.
In the strained Si layer, tensile strain is caused by the SiGe layer having a larger lattice constant than Si, and this strain changes the band structure of Si, and the degeneration is solved and the carrier mobility is increased.
Therefore, by using this strained Si layer as the channel region, the carrier movement speed can be increased by 1.5 times or more compared with the case of using normal bulk silicon.
For this reason, a strained silicon wafer has attracted attention as a suitable wafer for high-speed MOSFETs, MODFETs, HEMTs, and the like.
上記のような歪みシリコンウエハにおいて、良質な歪みSi層を得るためには、その下地として、シリコン基板上に、良質なSiGe層、すなわち、貫通転位密度が低く、歪みが緩和され、平滑な表面を有するSiGe層をエピタキシャル成長させることが必要である。 In order to obtain a high-quality strained Si layer in the strained silicon wafer as described above, a high-quality SiGe layer, that is, a threading dislocation density is low, a strain is reduced, and a smooth surface is provided on the silicon substrate. It is necessary to epitaxially grow a SiGe layer having
しかしながら、SiとSiGeの格子定数の違いから、シリコン基板上へのSiGe層のエピタキシャル成長の際、ミスフィット転位が発生する。そして、該ミスフィット転位に起因する貫通転位は、高密度でその表面まで達し、該SiGe層上に形成される歪みSi層にまで、同様の高密度の転位が発生するという課題が生じていた。 However, due to the difference in lattice constant between Si and SiGe, misfit dislocations occur during the epitaxial growth of the SiGe layer on the silicon substrate. And the threading dislocation resulting from this misfit dislocation reached the surface at high density, and the same high density dislocation occurred up to the strained Si layer formed on the SiGe layer. .
前記歪みSi層における転位は、デバイス素子の形成時において、接合リーク電流が増大する大きな原因となることから、従来から、貫通転位密度を低減させるための様々な提案がなされている。 Since dislocations in the strained Si layer cause a large increase in junction leakage current at the time of forming a device element, various proposals for reducing the threading dislocation density have been conventionally made.
例えば、特許文献1には、単結晶シリコン基板上に、Ge成分が約25%/μm以下の濃度勾配で増大するSiGe階層化層をエピタキシャル成長させた後、前記SiGe階層化層の上に、歪みSi層をエピタキシャル成長させる半導体デバイスの製造方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses that after a SiGe layered layer in which a Ge component increases with a concentration gradient of about 25% / μm or less is epitaxially grown on a single crystal silicon substrate, a strain is formed on the SiGe layered layer. A method for manufacturing a semiconductor device in which a Si layer is epitaxially grown is disclosed.
同様に、特許文献2にも、第1の元素Aの単結晶基板上に、AxBx-1で表される各層が一定組成である複数の組成傾斜層を形成し、最上層より下の層の端にミスフィット転位を発生させることにより、不整合な低欠陥の最上層を形成させた多層材料が開示されている。 Similarly, Patent Document 2 also forms a plurality of composition gradient layers in which each layer represented by A x B x-1 has a constant composition on a single crystal substrate of the first element A, and is below the uppermost layer. A multi-layer material is disclosed in which misfit dislocations are generated at the edge of each layer to form a mismatched low defect top layer.
しかしながら、上記特許文献1、2に記載されているような、従来のSiGe組成傾斜層(階層化層)によっては、格子歪みを十分に緩和させることは困難であり、完全に歪みを緩和させるためには、歪み緩和SiGe層の厚さが約1μm以上必要であった。このため、前記ミスフィット転位に起因するクロスハッチ模様の凹凸が発生し、その上に成長させる歪みSi層の表面粗さRmsが2〜4μmにもなり、表面が平滑に形成されないという不都合も招いていた。 However, depending on the conventional SiGe composition graded layer (hierarchical layer) as described in Patent Documents 1 and 2, it is difficult to sufficiently relax the lattice strain. Required a thickness of the strain relaxation SiGe layer of about 1 μm or more. Therefore, the aforementioned irregularities are generated crosshatch pattern caused by misfit dislocations, surface roughness R ms of the strained Si layer grown thereon also becomes 2-4 [mu] m, even disadvantage that the surface is not smoothly formed I was invited.
また、最上層である歪みSi層の厚さは、その下層のSiGe層のGe濃度(格子定数)に依存し、例えば、SiGe層のGe濃度が20%の場合は、歪みSi層の厚さは10nm以下では擬似的な成長となり、歪みSi層/SiGe層界面において、ミスフィット転位が発生しない。 Further, the thickness of the uppermost strained Si layer depends on the Ge concentration (lattice constant) of the SiGe layer below the uppermost layer. For example, when the Ge concentration of the SiGe layer is 20%, the thickness of the strained Si layer is Is pseudo-growth below 10 nm, and no misfit dislocation occurs at the strained Si layer / SiGe layer interface.
しかしながら、半導体デバイス製造においては、デバイス活性層および製造プロセスにおいて消耗される歪みSi層の厚さを考慮すると、歪みSi層の厚さは、15nm程度は必要であり、Ge濃度によっては臨界膜厚を超える場合もあった。 However, in the semiconductor device manufacturing, considering the thickness of the device active layer and the strained Si layer consumed in the manufacturing process, the thickness of the strained Si layer needs to be about 15 nm, and the critical film thickness depends on the Ge concentration. In some cases,
したがって、歪みシリコンウエハを製造するに際して、デバイス形成に十分な厚さを有する歪みSi層を形成することができ、かつ、上記のような組成傾斜層をエピタキシャル成長させる際の貫通転位の発生および伸張を防止することができる方法が求められていた。 Therefore, when manufacturing a strained silicon wafer, a strained Si layer having a thickness sufficient for device formation can be formed, and threading dislocations can be generated and stretched when epitaxially growing the composition gradient layer as described above. There was a need for a method that could prevent this.
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、エピタキシャル成長により製造される歪みシリコンウエハにおいて、最上層である歪みSi層における貫通転位および欠陥密度の一層の低減化を図ることができる歪みシリコンウエハの製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve the above technical problem, and in a strained silicon wafer manufactured by epitaxial growth, further aims to further reduce threading dislocations and defect density in the strained Si layer which is the uppermost layer. It is an object of the present invention to provide a method for producing a strained silicon wafer that can be used.
本発明に係る歪みシリコンウエハの製造方法は、単結晶シリコン基板上に、Ge濃度を25%/μm未満の傾斜で増加させながら、厚さ1μm以上3μm以下のSi1-xGex組成傾斜層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex組成傾斜層上に、厚さ500nm以上1000nm以下の歪み緩和Si1-xGex層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、前記歪み緩和Si1-xGex層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする。
上記のように、歪みSi層を形成する前に、歪み緩和Si1-xGex層上に、擬似的な成長を維持した状態で、Ge濃度を減少させていくSi1-xGex逆組成傾斜層を形成しておくことにより、歪みSi層は、歪み緩和SiGe層のGe濃度に対応した格子定数を有する歪みSiの臨界膜厚よりも厚い膜厚で形成することが可能となる。
The strained silicon wafer manufacturing method according to the present invention includes a Si 1-x Ge x composition gradient layer having a thickness of 1 μm or more and 3 μm or less on a single crystal silicon substrate while increasing the Ge concentration with a gradient of less than 25% / μm. A step of epitaxially growing (x ≦ 0.5), and a strain relaxation Si 1-x Ge x layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 500 nm or more and 1000 nm or less on the Si 1-x Ge x composition gradient layer. A step of epitaxial growth and a Si 1-x Ge x inverse composition graded layer (x on the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer while decreasing the Ge concentration with a slope of 5% / μm to 25% / μm. ≧ 0.05) and a step of epitaxially growing a strained Si layer having a thickness of 5 nm to 30 nm on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer.
As described above, the Si 1-x Ge x reverse is performed by decreasing the Ge concentration while maintaining the pseudo growth on the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer before forming the strained Si layer. By forming the composition gradient layer, the strained Si layer can be formed with a thickness larger than the critical thickness of strained Si having a lattice constant corresponding to the Ge concentration of the strain relaxation SiGe layer.
また、本発明に係る第2の態様の歪みシリコンウエハの製造方法は、単結晶シリコン基板上に、Ge濃度を25%/μm未満の傾斜で増加させながら、厚さ1μm以上3μm以下のSi1-xGex組成傾斜層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex組成傾斜層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする。
このように、Si1-xGex逆組成傾斜層のエピタキシャル成長において、Si1-xGex組成傾斜層により生じた歪みを十分に緩和することができる限り、前記歪み緩和Si1-xGex層の形成を省略しても、上記と同様の歪みシリコンウエハを得ることができる。
A method of manufacturing a strained silicon wafer of the second aspect of the present invention, on a single crystal silicon substrate, while the Ge concentration is increased at an inclination of less than 25% / [mu] m, a thickness of less than 1μm least 3 [mu] m Si 1 a step of epitaxially growing a -x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5), and reducing the Ge concentration on the Si 1-x Ge x composition gradient layer with a gradient of 5% / μm to 25% / μm And a step of epitaxially growing a Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05), and a strained Si layer having a thickness of 5 nm to 30 nm on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer And a step of epitaxially growing the substrate.
As described above, in the epitaxial growth of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer, the strain relaxation Si 1-x Ge x is sufficient as long as the strain generated by the Si 1-x Ge x composition gradient layer can be sufficiently relaxed. Even if the formation of the layer is omitted, a strained silicon wafer similar to the above can be obtained.
さらに、本発明に係る第3の態様の歪みシリコンウエハの製造方法は、単結晶シリコン基板上に、Ge濃度を25%/μm未満の傾斜で増加させながら、厚さ1μm以上3μm以下のSi1-xGex組成傾斜層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex組成傾斜層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ500nm以上1000nm以下の歪み緩和Si1-xGex層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、前記歪み緩和Si1-xGex層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする。
このように、歪み緩和Si1-xGex層上に、擬似的な成長を維持した状態で、Si1-xGex逆組成傾斜層を形成した後に歪み緩和SiGe層を形成することによっても、上記と同様の歪みシリコンウエハを得ることができる。
Further, in the third aspect of the method for producing a strained silicon wafer according to the present invention, Si 1 having a thickness of 1 μm or more and 3 μm or less is formed on a single crystal silicon substrate while increasing the Ge concentration with a slope of less than 25% / μm. a step of epitaxially growing a -x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5), and reducing the Ge concentration on the Si 1-x Ge x composition gradient layer with a gradient of 5% / μm to 25% / μm And a step of epitaxially growing a Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) and a strain relaxation Si having a thickness of 500 nm to 1000 nm on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer. A step of epitaxially growing a 1-x Ge x layer (x ≦ 0.5) and a step of epitaxially growing a strained Si layer having a thickness of 5 nm to 30 nm on the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer. Specially It is a sign.
Thus, the strain relaxed Si 1-x Ge x layer, while maintaining the pseudo growth, also by forming a strained relaxed SiGe layer after the formation of a Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer A strained silicon wafer similar to the above can be obtained.
前記組成傾斜層および/または歪み緩和層は、Si1-xGexに代えて、Si1-yCy(y>0.1)またはSi1-zNz(z>0.1)であってもよい。
このように、本発明においては、ヘテロ層の組成は、SiGeに限定されるものではなく、SiCまたはSiNによっても同様に、歪みシリコンウエハを得ることができる。
The composition gradient layer and / or the strain relaxation layer is made of Si 1-y Cy (y> 0.1) or Si 1-z N z (z> 0.1) instead of Si 1-x Ge x. There may be.
Thus, in the present invention, the composition of the hetero layer is not limited to SiGe, and a strained silicon wafer can be obtained similarly by using SiC or SiN.
上述のとおり、本発明によれば、従来よりも、貫通転位および積層欠陥等の欠陥密度がより低減された歪みシリコンウエハが提供される。
したがって、本発明に係る製造方法により得られる歪みシリコンウエハは、貫通転位密度の低い高品質の歪みSi層が形成されるため、該歪みSi層をデバイス活性層として用いることにより、キャリア移動度の高速化が図られ、次世代以降のLSIや個別半導体デバイス等に好適に利用することができる。
As described above, according to the present invention, a strained silicon wafer is provided in which the defect density such as threading dislocations and stacking faults is further reduced as compared with the prior art.
Therefore, since a high-quality strained Si layer having a low threading dislocation density is formed in the strained silicon wafer obtained by the manufacturing method according to the present invention, carrier mobility can be improved by using the strained Si layer as a device active layer. The speed is increased, and it can be suitably used for the next generation LSIs and individual semiconductor devices.
以下、本発明をより詳細に説明する。
図1に、本発明に係る製造方法により得られた歪みシリコンウエハの構造の一例を示す。
図1に示す歪みシリコンウエハは、単結晶シリコン基板1上に、Ge濃度が25%/μm未満の傾斜で増加する厚さ1μm以上3μm以下のSi1-xGex組成傾斜層(x≦0.5)2が積層されている。そして、その上に、厚さ500nm以上1000nm以下の歪み緩和Si1-xGex層(x≦0.5)3が積層され、さらに、Ge濃度が5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少するSi1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)4が積層され、最後に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層5が順次積層されている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
FIG. 1 shows an example of the structure of a strained silicon wafer obtained by the manufacturing method according to the present invention.
The strained silicon wafer shown in FIG. 1 has a Si 1-x Ge x composition graded layer (x ≦ 0) having a thickness of 1 μm or more and 3 μm or less with a Ge concentration increasing at a slope of less than 25% / μm on a single crystal silicon substrate 1. .5) 2 are stacked. A strain relaxation Si 1-x Ge x layer (x ≦ 0.5) 3 having a thickness of 500 nm or more and 1000 nm or less is laminated thereon, and a Ge concentration is 5% / μm or more and 25% / μm or less. A Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) 4 that decreases with inclination is stacked, and finally, a strained Si layer 5 having a thickness of 5 nm to 30 nm is sequentially stacked.
上記のように、歪みSi層5を積層させる前に、歪み緩和Si1-xGex層3上に、擬似的な成長を維持した状態で、Ge濃度を減少させていくSi1-xGex逆組成傾斜層4を形成しておくことにより、歪みSi層5の膜厚は、臨界膜厚ではなく、Si1-xGex逆組成傾斜層4の条件により決定される。
すなわち、歪みSi層5は、歪み緩和SiGe層3のGe濃度に対応した格子定数を有する歪みSiの臨界膜厚よりも厚い膜厚で形成することが可能となる。
したがって、ミスフィット転位および貫通転位密度が低い歪みSiウエハを得ることができる。
As described above, prior to laminating the strained Si layer 5, on the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer 3, while maintaining the pseudo growth, gradually decreasing the Ge concentration Si 1-x Ge By forming the x inverse composition gradient layer 4, the thickness of the strained Si layer 5 is determined not by the critical thickness but by the conditions of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4.
That is, the strained Si layer 5 can be formed with a thickness larger than the critical thickness of strained Si having a lattice constant corresponding to the Ge concentration of the strain relaxation SiGe layer 3.
Therefore, a strained Si wafer having a low misfit dislocation and threading dislocation density can be obtained.
以下、図1に示す本発明に係る歪みシリコンウエハの製造方法を詳細に説明する。
本発明において用いられる単結晶シリコン基板1としては、例えば、チョクラルスキー(CZ)法で引き上げられた単結晶インゴットから切り出されたP型ホウ素ドープ基板で、方位(100)、抵抗率0.1Ωcm以上、初期酸素濃度15×1017atoms/cm3以下等の仕様のシリコンプライム基板が好適に用いられる。もちろん、CZ基板以外の基板、例えば、FZ基板等も用いることができる。
Hereinafter, the manufacturing method of the strained silicon wafer according to the present invention shown in FIG. 1 will be described in detail.
The single crystal silicon substrate 1 used in the present invention is, for example, a P-type boron doped substrate cut out from a single crystal ingot pulled up by the Czochralski (CZ) method, having an orientation (100) and a resistivity of 0.1 Ωcm. As described above, a silicon prime substrate having a specification such as an initial oxygen concentration of 15 × 10 17 atoms / cm 3 or less is preferably used. Of course, a substrate other than the CZ substrate such as an FZ substrate can also be used.
そして、前記単結晶シリコン基板1上に、厚さ1μm以上3μm以下のSi1-xGex組成傾斜層(x≦0.5)2をエピタキシャル成長させる。
このSi1-xGex組成傾斜層2は、Ge濃度が25%/μm未満の傾斜で増加するように形成される。
Ge濃度傾斜が25%/μmを超える場合は、濃度傾斜が急激すぎるため、エピタキシャル成長時に転位や欠陥を生じるおそれがある。
同様の観点から、前記Si1-xGex組成傾斜層2のGe濃度比xは0.5以下であることが好ましい。
また、前記Si1-xGex組成傾斜層2の厚さが1μm未満の場合には、歪みが不十分となり、一方、3μmを超えても、望ましい歪み量はあまり変わらないことから、Si1-xGex組成傾斜層2の厚さは1μm以上3μm以下であることが好ましい。
Then, a Si 1-x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5) 2 having a thickness of 1 μm to 3 μm is epitaxially grown on the single crystal silicon substrate 1.
The Si 1-x Ge x composition gradient layer 2 is formed so that the Ge concentration increases with a gradient of less than 25% / μm.
When the Ge concentration gradient exceeds 25% / μm, since the concentration gradient is too steep, dislocations and defects may occur during epitaxial growth.
From the same viewpoint, the Ge concentration ratio x of the Si 1-x Ge x composition gradient layer 2 is preferably 0.5 or less.
When the thickness of the Si 1-x Ge x graded composition layer 2 is less than 1μm, the distortion becomes insufficient, whereas, since it exceeds 3 [mu] m, desired amount of distortion does not vary much, Si 1 The thickness of the -x Ge x composition gradient layer 2 is preferably 1 μm or more and 3 μm or less.
次に、前記Si1-xGex組成傾斜層2の上に、Ge組成比が一定の歪み緩和Si1-xGex層3をエピタキシャル成長させる。
この歪み緩和Si1-xGex層3は、Si1-xGex組成傾斜層2より生じた歪みを十分に緩和させる観点から、厚さ500nm以上1000nm以下で形成されることが好ましい。
本発明においては、この歪み緩和Si1-xGex層3の表面において、緩和率が95%を超えており、かつ、貫通転位密度が103/cm2以下であることが前提条件となる。
Next, a strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3 having a constant Ge composition ratio is epitaxially grown on the Si 1-x Ge x composition gradient layer 2.
The strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3 is preferably formed with a thickness of 500 nm or more and 1000 nm or less from the viewpoint of sufficiently relaxing the strain generated by the Si 1-x Ge x composition gradient layer 2.
In the present invention, on the surface of the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer 3, the precondition is that the relaxation rate exceeds 95% and the threading dislocation density is 10 3 / cm 2 or less. .
また、本発明においては、次に積層させるSi1-xGex逆組成傾斜層4のエピタキシャル成長において、Si1-xGex組成傾斜層2により生じた歪みを十分に緩和することができれば、前記歪み緩和Si1-xGex層3の形成を省略することもできる。
この場合は、Si1-xGex逆組成傾斜層4の表面において、緩和率が95%を超えており、かつ、貫通転位密度が103/cm2以下であることが必要である。
In the present invention, then in the epitaxial growth of Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4 to be laminated, if it is possible to sufficiently relax the strain caused by the Si 1-x Ge x graded composition layer 2, the The formation of the strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3 can be omitted.
In this case, it is necessary that the relaxation rate exceeds 95% and the threading dislocation density is 10 3 / cm 2 or less on the surface of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4.
さらに、前記歪み緩和Si1-xGex層3の上に、Ge濃度が5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少するSi1-xGex逆組成傾斜層4をエピタキシャル成長させる。
このときのGe濃度傾斜は、上記範囲内とすることにより、下記実施例に示すように、貫通転位密度を103/cm2以下と低くすることができる。
また、前記Si1-xGex逆組成傾斜層4のGe濃度比xは0.05以上であることが好ましい。
Further, on the strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3, an Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4 whose Ge concentration decreases with a gradient of 5% / μm or more and 25% / μm or less is epitaxially grown.
By setting the Ge concentration gradient at this time within the above range, the threading dislocation density can be lowered to 10 3 / cm 2 or less as shown in the following examples.
The Ge concentration ratio x of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4 is preferably 0.05 or more.
なお、上記のように、歪み緩和Si1-xGex層3の形成を省略した場合において、例えば、Si1-xGex逆組成傾斜層4の表面において、緩和率が95%を超えており、かつ、貫通転位密度が103/cm2以下でないときは、前記Si1-xGex逆組成傾斜層4上に、歪み緩和Si1-xGex層を形成してもよい。 When the formation of the strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3 is omitted as described above, for example, the relaxation rate exceeds 95% on the surface of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4. When the threading dislocation density is not 10 3 / cm 2 or less, a strain relaxation Si 1-x Ge x layer may be formed on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4.
前記Si1-xGex組成傾斜層2、歪み緩和Si1-xGex層3、Si1-xGex逆組成傾斜層4等のエピタキシャル成長は、例えば、ランプ加熱によるCVD法、超高真空中でのCVD法(UHV−CVD)等の気相エピタキシャル成長法や分子線エピタキシャル成長法(MBE)等により行うことができる。
成長条件は、成長させるSiGe層のSiとGeの組成比や、膜厚、用いる成長方法、装置等により異なり、適宜設定されるが、例えば、ランプ加熱によるCVD法により、歪み緩和Si0.7Ge0.3層をエピタキシャル成長させる場合は、キャリアガス:H2、原料ガス:SiH4、GeH4、チャンバ圧:10〜100Torr、温度:650〜680℃、成長速度10〜50nm/分の条件下で行われる。
The epitaxial growth of the Si 1-x Ge x composition gradient layer 2, the strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3, the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4, etc. can be performed by, for example, a CVD method by lamp heating, It can be carried out by vapor phase epitaxial growth method such as CVD method (UHV-CVD), molecular beam epitaxial growth method (MBE) or the like.
Growth conditions, and the composition ratio of Si and Ge in the SiGe layer grown film thickness, used growth method, unlike the apparatus or the like, but is appropriately set, for example, by a CVD method using lamp heating, strain relief Si 0.7 Ge 0.3 When epitaxially growing a layer, it is carried out under conditions of carrier gas: H 2 , source gas: SiH 4 , GeH 4 , chamber pressure: 10-100 Torr, temperature: 650-680 ° C., and growth rate of 10-50 nm / min.
なお、前記Si1-xGex逆組成傾斜層4の表面は、例えば、H2気流中850〜1200℃、圧力10〜760Torr程度での高温水素熱処理等により、平滑化しておくことが好ましい。
これにより、その上に形成される歪みSi層5は、平滑な表面が平滑になり、かつ、転位の発生も抑制される。
The surface of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4 is preferably smoothed by, for example, high-temperature hydrogen heat treatment at 850 to 1200 ° C. and a pressure of about 10 to 760 Torr in an H 2 gas stream.
As a result, the strained Si layer 5 formed thereon has a smooth surface and the generation of dislocations is also suppressed.
上記のようにして形成されたSi1-xGex逆組成傾斜層4の上に、例えば、CVD法等により単結晶Si層をエピタキシャル成長させる。
この単結晶Si層は、単結晶シリコン基板1と格子定数が異なる歪みSi層5として形成される。
この歪みSi層5は、デバイス活性領域となることから、歪み緩和Si1-xGex層3に対する臨界膜厚を超える十分な厚さとして、5nm以上30nm以下で形成されることが好ましい。
On the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 4 formed as described above, a single crystal Si layer is epitaxially grown by, for example, a CVD method or the like.
This single crystal Si layer is formed as a strained Si layer 5 having a lattice constant different from that of the single crystal silicon substrate 1.
Since the strained Si layer 5 serves as a device active region, it is preferably formed in a thickness of 5 nm to 30 nm as a sufficient thickness exceeding the critical film thickness for the strain relaxation Si 1-x Ge x layer 3.
上記CVD法による歪みSi層5の形成は、例えば、キャリアガス:H2、原料ガス:SiH2Cl2またはSiH4、チャンバ圧:10〜760Torr、温度:650〜1000℃の条件下で行われる。 Formation of the strained Si layer 5 by the CVD method is performed, for example, under conditions of carrier gas: H 2 , source gas: SiH 2 Cl 2 or SiH 4 , chamber pressure: 10 to 760 Torr, temperature: 650 to 1000 ° C. .
上記のような貫通転位密度の低い歪みSi層が形成された歪みシリコンウエハは、該歪みSi層において、キャリア移動の高速化が図られ、高速デバイスを形成する上で好適な基板として用いることができる。 The strained silicon wafer formed with the strained Si layer having a low threading dislocation density as described above can be used as a suitable substrate for forming a high-speed device because the carrier movement in the strained Si layer is accelerated. it can.
上記実施形態においては、組成傾斜層および/または歪み緩和層として、SiGe層を形成した場合について説明したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、SiGe層に代えて、SiCまたはSiNをエピタキシャル成長させた層であってもよい。
前記SiC層、SiN層は、SiGe層の場合と同様の厚さで形成される。
また、Si1-yCy層の場合のC濃度比yは、最終的に形成されるデバイスのキャリア移動度等の性能に関係する歪みSi層の適度な歪みの観点から、0.1以上であることが好ましい。
同様に、Si1-zNz層の場合のN濃度比zも、0.1以上であることが好ましい。
In the above embodiment, the case where the SiGe layer is formed as the composition gradient layer and / or the strain relaxation layer has been described. However, the present invention is not particularly limited to this, and instead of the SiGe layer, SiC or It may be a layer obtained by epitaxially growing SiN.
The SiC layer and the SiN layer are formed with the same thickness as that of the SiGe layer.
In addition, the C concentration ratio y in the case of the Si 1-y Cy layer is 0.1 or more from the viewpoint of appropriate strain of the strained Si layer related to performance such as carrier mobility of the finally formed device. It is preferable that
Similarly, the N concentration ratio z in the case of the Si 1-z N z layer is also preferably 0.1 or more.
前記SiC層、SiN層の形成も、SiGe層の場合と同様に、例えば、ランプ加熱によるCVD法、超高真空中でのCVD法(UHV−CVD)等の気相エピタキシャル成長法や分子線エピタキシャル成長法(MBE)等により行うことができる。
成長条件は、成長させるSiC層のSiとCの濃度比、SiN層のSiとNの濃度比や、膜厚、用いる成長方法、装置等により異なり、適宜設定される。
For the formation of the SiC layer and the SiN layer, as in the case of the SiGe layer, for example, a CVD method by lamp heating, a vapor phase epitaxial growth method such as a CVD method in ultra high vacuum (UHV-CVD), or a molecular beam epitaxial growth method. (MBE) or the like.
The growth conditions vary depending on the concentration ratio of Si and C of the SiC layer to be grown, the concentration ratio of Si and N of the SiN layer, the film thickness, the growth method used, the apparatus, and the like, and are set appropriately.
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
[実施例および比較例]
単結晶シリコン基板として、CZ法−P型(ボロン)のシリコン基板で、方位(100)、抵抗率0.1〜1.0Ω・cm、初期酸素濃度15×1017atoms/cm3以下のものを用いた。
この基板表面に、Si1-xGex組成傾斜層(x≦0.3)を厚さ2000nmでエピタキシャル成長させ、その上に、厚さ1000nmの歪み緩和Si0.7Ge0.3層をエピタキシャル成長させた。
さらに、その上に、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)を厚さ1000nmでエピタキシャル成長させた。
このとき、前記Si1-xGex逆組成傾斜層は、Ge濃度が低下する組成傾斜を1〜30%/μmの範囲(8点)で変化させて形成した。
そして、これらの表面に、厚さ20nmの歪みSi層をエピタキシャル成長させた。
図2に、各Ge濃度傾斜によりSi1-xGex逆組成傾斜層を形成した各歪みシリコンウエハの貫通転位密度をグラフとして示した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
[Examples and Comparative Examples]
Single crystal silicon substrate, CZ method-P type (boron) silicon substrate with orientation (100), resistivity 0.1-1.0 Ω · cm, initial oxygen concentration 15 × 10 17 atoms / cm 3 or less Was used.
A Si 1-x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.3) was epitaxially grown on the substrate surface at a thickness of 2000 nm, and a strain-relaxed Si 0.7 Ge 0.3 layer having a thickness of 1000 nm was epitaxially grown thereon.
Further, an Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) was epitaxially grown thereon with a thickness of 1000 nm.
At this time, the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer was formed by changing the composition gradient in which the Ge concentration decreases in the range of 1 to 30% / μm (8 points).
A strained Si layer having a thickness of 20 nm was epitaxially grown on these surfaces.
FIG. 2 is a graph showing the threading dislocation density of each strained silicon wafer in which the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer is formed by each Ge concentration gradient.
図2のグラフからわかるように、Si1-xGex逆組成傾斜層のGe濃度傾斜は、25%/μm以下とすることにより、貫通転位密度が103/cm2以下と低くなる傾向にある。
ただし、前記Ge濃度傾斜が5%/μm未満の場合になると、貫通転位密度が高くなる傾向にある。
したがって、Si1-xGex逆組成傾斜層のGe濃度傾斜は、5%/μm以上25%/μm以下であることが好ましい。
As can be seen from the graph of FIG. 2, the threading dislocation density tends to be as low as 10 3 / cm 2 or less by setting the Ge concentration gradient of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer to 25% / μm or less. is there.
However, when the Ge concentration gradient is less than 5% / μm, the threading dislocation density tends to increase.
Accordingly, the Ge concentration gradient of the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer is preferably 5% / μm or more and 25% / μm or less.
1 単結晶シリコン基板
2 Si1-xGex組成傾斜層
3 歪み緩和Si1-xGex層
4 Si1-xGex逆組成傾斜層
5 歪みSi層
Single crystal silicon substrate 2 Si 1-x Ge x graded composition layer 3 strain-relaxed Si 1-x Ge x layer 4 Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer 5 the strained Si layer
Claims (4)
前記Si1-xGex組成傾斜層上に、厚さ500nm以上1000nm以下の歪み緩和Si1-xGex層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記歪み緩和Si1-xGex層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする歪シリコンウエハの製造方法。 A step of epitaxially growing a Si 1-x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 1 μm to 3 μm on a single crystal silicon substrate while increasing a Ge concentration with a gradient of less than 25% / μm; ,
Epitaxially growing a strain relaxation Si 1-x Ge x layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 500 nm or more and 1000 nm or less on the Si 1-x Ge x composition gradient layer;
A Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) is formed on the strain-relaxed Si 1-x Ge x layer while decreasing the Ge concentration by a gradient of 5% / μm to 25% / μm. Epitaxially growing, and
And a step of epitaxially growing a strained Si layer having a thickness of 5 nm to 30 nm on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer.
前記Si1-xGex組成傾斜層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする歪シリコンウエハの製造方法。 A step of epitaxially growing a Si 1-x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 1 μm to 3 μm on a single crystal silicon substrate while increasing a Ge concentration with a gradient of less than 25% / μm; ,
On the Si 1-x Ge x composition gradient layer, a Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) while decreasing the Ge concentration with a gradient of 5% / μm or more and 25% / μm or less. Epitaxially growing, and
And a step of epitaxially growing a strained Si layer having a thickness of not less than 5 nm and not more than 30 nm on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer.
前記Si1-xGex組成傾斜層上に、Ge濃度を5%/μm以上25%/μm以下の傾斜で減少させながら、Si1-xGex逆組成傾斜層(x≧0.05)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記Si1-xGex逆組成傾斜層上に、厚さ500nm以上1000nm以下の歪み緩和Si1-xGex層(x≦0.5)をエピタキシャル成長させる工程と、
前記歪み緩和Si1-xGex層上に、厚さ5nm以上30nm以下の歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程とを備えていることを特徴とする歪シリコンウエハの製造方法。 A step of epitaxially growing a Si 1-x Ge x composition gradient layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 1 μm to 3 μm on a single crystal silicon substrate while increasing a Ge concentration with a gradient of less than 25% / μm; ,
On the Si 1-x Ge x composition gradient layer, a Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer (x ≧ 0.05) while decreasing the Ge concentration with a gradient of 5% / μm or more and 25% / μm or less. Epitaxially growing, and
Epitaxially growing a strain relaxation Si 1-x Ge x layer (x ≦ 0.5) having a thickness of 500 nm or more and 1000 nm or less on the Si 1-x Ge x inverse composition gradient layer;
And a step of epitaxially growing a strained Si layer having a thickness of 5 nm or more and 30 nm or less on the strain relaxation Si 1-x Ge x layer.
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CN104103679A (en) * | 2013-04-12 | 2014-10-15 | 合晶科技股份有限公司 | low stress epitaxial silicon wafer |
JP2017112339A (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | 株式会社Sumco | Method for manufacturing silicon germanium epitaxial wafer and silicon germanium epitaxial wafer |
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2004
- 2004-07-08 JP JP2004201308A patent/JP2006024728A/en active Pending
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