JP2001338879A - Manufacturing method of semiconductor crystal - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor crystal

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JP2001338879A JP2001084225A JP2001084225A JP2001338879A JP 2001338879 A JP2001338879 A JP 2001338879A JP 2001084225 A JP2001084225 A JP 2001084225A JP 2001084225 A JP2001084225 A JP 2001084225A JP 2001338879 A JP2001338879 A JP 2001338879A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To grow an SiGeC crystal that can be applied to a semiconductor device, and has uniformity (there is no local structure such as an SiC crystal) and excellent crystallinity on a substrate. SOLUTION: After the surface of an Si substrate 1 is subjected to pretreatment, an ultra-high-vacuum chemical vapor deposition device (UHV-CVD device) is used for forming an SiGeC layer 2 on the Si substrate 1. The growth temperature of the SiGeC layer 2 at this time is set to 490 deg.C or less, and Si2H5, GeH4, and SiH3CH3 are used as the raw materials of Si, Ge, and C, respectively, thus forming the SiGeC layer 2 having the excellent crystallinity.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン(Si)
原子とゲルマニウム(Ge)原子と炭素(C)原子から
なる半導体結晶の製造方法に関する。
[0001] The present invention relates to silicon (Si).
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor crystal including atoms, germanium (Ge) atoms, and carbon (C) atoms.

【0002】[0002]

【従来の技術】Siとヘテロ構造を形成し、超高速半導
体デバイスを作製可能な材料としてSiとGeからなる
混晶半導体(SiGe)がよく知られている。しかし、
SiGeはSiに比べ格子定数が大きいため、Si層上
にSiGe層をエピタキシャル成長させた場合、SiG
e層には非常に大きな圧縮歪みが生じる。そのため、あ
る一定の膜厚(臨界膜厚)以上のSiGe層をSi層上
に堆積した場合に、SiGe結晶に転位等の欠陥の発生
を伴って、結晶中の歪みが緩和されるという現象が起き
る。また、結晶成長直後には欠陥がない場合でも、半導
体プロセスに不可欠な熱処理を加えた場合に、特にGe
の含有率が高いSiGe結晶では結晶中に欠陥が発生し
やすい。つまり、SiGe結晶は、熱的耐性が低いとい
う、デバイス作製という観点から見ると、好ましからぬ
性質も持っている。また、Si/SiGeヘテロ接合部
において、エネルギーバンドのオフセットが、SiGe
層の価電子帯のみに発生する。従って、キャリアの閉じ
こめは価電子帯だけで起こるため、Si/SiGeヘテ
ロ構造のSiGe層をチャネルとするMOSトランジス
タを形成する場合、正孔をキャリアとするpチャネル型
トランジスタしか作製することができない。
2. Description of the Related Art A mixed crystal semiconductor (SiGe) composed of Si and Ge is well known as a material capable of forming a heterostructure with Si and producing an ultrahigh-speed semiconductor device. But,
Since SiGe has a larger lattice constant than Si, when a SiGe layer is epitaxially grown on the Si layer, SiG
A very large compressive strain occurs in the e-layer. Therefore, when a SiGe layer having a certain film thickness (critical film thickness) or more is deposited on the Si layer, a phenomenon in which a defect such as dislocation is generated in the SiGe crystal and strain in the crystal is relaxed occurs. Get up. Even when there is no defect immediately after crystal growth, when heat treatment indispensable for a semiconductor process is applied, Ge
In a SiGe crystal having a high content of, defects are likely to occur in the crystal. That is, the SiGe crystal also has unfavorable properties such as low thermal resistance from the viewpoint of device fabrication. Also, at the Si / SiGe heterojunction, the energy band offset is
It occurs only in the valence band of the layer. Therefore, carrier confinement occurs only in the valence band. Therefore, when forming a MOS transistor having a SiGe layer having a Si / SiGe heterostructure as a channel, only a p-channel transistor having holes as carriers can be manufactured.

【0003】以上のようなSi1-XGeX結晶の弱点を補
う意味で、最近特に重要視されているのが、SiとGe
とCからなる混晶半導体(SiGeC)である。Cは、
SiやGeに比べて原子半径の小さな元素であり、この
Cを結晶に導入することにより、結晶の格子定数を小さ
くし、結晶中の歪みを低減させることが可能となる。ま
た、これにより 、結晶中に蓄積されている歪みの量が
小さくできるので、熱的耐性も向上させることができ
る。さらに、Si/SiGeCヘテロ接合部において、
Ge及びCの含有率を高くしたときに(Geが数10
%、Cが数%)、SiGeC層の価電子帯と伝導帯の両
方にエネルギーバンドのオフセットを生じさせることが
できる。この場合、キャリアの閉じこめは伝導帯と価電
子帯のいずれでもおこり、pチャネル型トランジスタの
みならずnチャネル型トランジスタの作製も可能とな
る。
In order to compensate for the above-mentioned weak points of the Si 1-x Ge x crystal, Si and Ge have recently received special attention.
And C are mixed crystal semiconductors (SiGeC). C is
An element having an atomic radius smaller than that of Si or Ge. By introducing C into a crystal, the lattice constant of the crystal can be reduced, and the strain in the crystal can be reduced. In addition, since the amount of strain accumulated in the crystal can be reduced, the thermal resistance can be improved. Further, at the Si / SiGeC heterojunction,
When the contents of Ge and C are increased (Ge is several tens
%, C is several%), which can cause an energy band offset in both the valence band and the conduction band of the SiGeC layer. In this case, confinement of carriers occurs in both the conduction band and the valence band, so that not only a p-channel transistor but also an n-channel transistor can be manufactured.

【0004】さらに、CをSiGe層に導入することに
より、ボロンなどの不純物の拡散を抑制する機能を発揮
する。この場合には、C原子の含有率が0.1%程度以
下のSiGeC結晶が用いられる。
Further, by introducing C into the SiGe layer, a function of suppressing diffusion of impurities such as boron is exhibited. In this case, a SiGeC crystal having a C atom content of about 0.1% or less is used.

【0005】このSiGeC結晶は、後述するように、
溶融法等の熱的平衡状態で行われる方法では形成するこ
とができないため、従来より分子線エピタキシー(Mole
cular Beam Epitaxy: MBE)や、化学気相堆積(Chem
ical Vapor Deposition:CVD)等の熱的に非平衡な状
態で行われる結晶成長技術が、該結晶の形成に用いられ
てきた。
[0005] This SiGeC crystal has a
Since it cannot be formed by a method performed in a thermal equilibrium state such as a melting method, it has been conventionally known that molecular beam epitaxy (Mole
cular Beam Epitaxy: MBE, chemical vapor deposition (Chem)
Crystal growth techniques performed in a thermally non-equilibrium state, such as chemical vapor deposition (CVD), have been used to form the crystals.

【0006】このうちMBE法は、300−500℃の
超高真空条件下で原料原子を蒸発させて基板上に向かわ
せ、結晶を基板上に成長させる方法である。しかし、こ
の方法では、原料の交換が必要なこと、微小な凹面上に
結晶成長できないこと、基板の大口径化が困難なことな
どの不具合があり、特にSiGeC結晶の大量生産には
不向きである。
[0006] Among them, the MBE method is a method in which source atoms are evaporated under ultra-high vacuum conditions of 300 to 500 ° C and directed toward a substrate to grow a crystal on the substrate. However, this method has disadvantages such as the necessity of exchanging raw materials, the inability to grow a crystal on a minute concave surface, and the difficulty in increasing the diameter of a substrate, and is particularly unsuitable for mass production of SiGeC crystals. .

【0007】次にCVD法では、Rapid Thermal Chemic
al Vapor Deposition (RT−CVD)法や、Limited Re
action Processing(LRP)法が用いられるが、これ
は、中−高真空下に原料ガスを多量の水素とともに導入
して加熱した基板上に結晶を成長させる方法である。S
iGeC結晶の場合、Siの原料としては主にシラン
(SiH4 )が、Geの原料としてはGeH4 が、Cの
原料としてはモノメチルシラン(SiH3CH3)、エチ
レン(C24)またはアセチレン(C22)などが用い
られている。また、結晶成長は、従来はSiGe層の成
長と同様に550−600℃の温度条件で行われてい
る。
Next, in the CVD method, Rapid Thermal Chemic
al Vapor Deposition (RT-CVD)
An action processing (LRP) method is used, in which a source gas is introduced together with a large amount of hydrogen under a medium-high vacuum to grow a crystal on a heated substrate. S
In the case of an iGeC crystal, the raw material of Si is mainly silane (SiH 4 ), the raw material of Ge is GeH 4 , and the raw material of C is monomethylsilane (SiH 3 CH 3 ), ethylene (C 2 H 4 ) or Acetylene (C 2 H 2 ) or the like is used. Conventionally, crystal growth has been performed under a temperature condition of 550 to 600 ° C., similarly to the growth of the SiGe layer.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】SiGeC結晶は、歪
みやバンドオフセット制御の自由度が格段に広がるた
め、SiGe結晶以上に多様で高性能のデバイスを実現
することができる材料であるが、SiGeC結晶は、以
下に述べるような性質により作製が容易ではない。
The SiGeC crystal is a material capable of realizing various and high-performance devices more than the SiGe crystal because the degree of freedom in controlling distortion and band offset is greatly expanded. Is not easy to produce due to the properties described below.

【0009】まず、C原子のSiやGeへの固溶度は非
常に低く(熱平衡状態でSiへは約1017/cm3 、G
eへは約108/cm3)、Cの含有率が高い(%オーダ
ー)SiGe結晶の作製は、溶融法等の熱的平衡状態で
行なう方法では不可能である。
First, the solid solubility of C atoms in Si and Ge is very low (about 10 17 / cm 3 in Si in a thermal equilibrium state,
e is about 10 8 / cm 3 ), and it is impossible to produce SiGe crystals having a high C content (% order) by a method performed in a thermal equilibrium state such as a melting method.

【0010】また、C原子は、結晶の格子位置のみなら
ず、格子間にも入り込みやすい性質を有しており、結晶
格子間に入ったC原子はキャリアの再結合中心になり、
デバイス特性に悪影響を与えると考えられる。
Further, C atoms have a property that they can easily enter not only the lattice positions of the crystal but also the lattices, and the C atoms between the crystal lattices become recombination centers of carriers.
It is thought to have an adverse effect on device characteristics.

【0011】さらに、SiGeC結晶中でCはSiと選
択的に結合する傾向があり、結晶性の炭化珪素(Si
C)が局所的に生じやすい。またSiCは、アモルファ
スに近い構造をとることもある。また結晶成長条件によ
っては、Cの凝集物もできやすい。これらの局所的な構
造は、結晶性を低下させる原因になる。
Further, C has a tendency to selectively bond with Si in the SiGeC crystal, so that crystalline silicon carbide (Si)
C) tends to occur locally. SiC may have a structure close to amorphous. Also, depending on the crystal growth conditions, aggregates of C are likely to be formed. These local structures cause a decrease in crystallinity.

【0012】このように、比較的Cの含有率が高く、且
つ半導体デバイスへの応用が可能な均質性を有する(S
iC結晶等の局所的構造がない)SiGeC結晶、すな
わち比較的Cの含有率が高く、欠陥密度の低い良質なS
iGeC層をSi層上にエピタキシャル成長させるの
は、非常に困難である。
As described above, the content of C is relatively high, and it has uniformity that can be applied to semiconductor devices (S
SiGeC crystal having no local structure such as iC crystal, that is, high quality S having a relatively high C content and a low defect density
It is very difficult to epitaxially grow an iGeC layer on a Si layer.

【0013】例えば、熱的に非平衡な条件下で行なわれ
る上述のCVD法によっても、高含有率のCを含む、欠
陥密度の低い良質なSiGeC結晶を形成させることは
困難であった。
For example, it has been difficult to form a high-quality SiGeC crystal containing a high content of C and having a low defect density even by the above-described CVD method performed under thermally non-equilibrium conditions.

【0014】本発明の目的は、半導体デバイスへの応用
が可能な、均質性を有し(SiC結晶等の局所的構造が
ない)、良好な結晶性を持つSiGeC結晶を基板上に
成長させる方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method for growing a SiGeC crystal having uniformity (having no local structure such as SiC crystal) and good crystallinity on a substrate, which can be applied to a semiconductor device. Is to provide.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体結晶の製
造方法は、基板が保持された容器内に、シリコン(S
i)を含有する原料ガスと、ゲルマニウム(Ge)を含
有する原料ガスと、炭素(C)を含有する原料ガスとを
導入し、上記原料ガスを熱分解することにより、Si原
子とGe原子とC原子とを含有する半導体結晶を上記基
板上に製造する方法であって、上記熱分解を490℃以
下の温度で行なう方法である。
According to the method of manufacturing a semiconductor crystal of the present invention, silicon (S) is placed in a container holding a substrate.
A raw material gas containing i), a raw material gas containing germanium (Ge), and a raw material gas containing carbon (C) are introduced, and the raw material gas is thermally decomposed to obtain Si atoms and Ge atoms. A method for producing a semiconductor crystal containing C atoms on the substrate, wherein the thermal decomposition is performed at a temperature of 490 ° C. or lower.

【0016】これにより、SiとGeとCとを含み、結
晶性が良好な半導体結晶を基板上に形成させることがで
きる。
Thus, a semiconductor crystal containing Si, Ge and C and having good crystallinity can be formed on the substrate.

【0017】また、上記半導体結晶の製造方法におい
て、上記半導体結晶の形成を、熱CVD法により行うこ
とにより、結晶性が良好な半導体結晶を効率良く基板上
に形成することができる。さらに、すでにパターニング
された部材を有する基板上にも良好な結晶性を持つ半導
体結晶を形成することができる。
In the method of manufacturing a semiconductor crystal, by forming the semiconductor crystal by a thermal CVD method, a semiconductor crystal having good crystallinity can be efficiently formed on a substrate. Further, a semiconductor crystal having good crystallinity can be formed even on a substrate having a patterned member.

【0018】上記半導体結晶の製造方法において、上記
半導体結晶に含まれるSiの原料ガスとして、Si2
6 もしくはSi38 を使用することにより、490℃
以下の低温においても半導体結晶の成長速度を約4−8
nm/min程度とすることができる。従って、良好な
結晶性を持つ半導体結晶を有する半導体デバイスを量産
することが可能になる。
In the method of manufacturing a semiconductor crystal, the source gas of Si contained in the semiconductor crystal may be Si 2 H
490 ° C by using 6 or Si 3 H 8
The growth rate of the semiconductor crystal is about 4-8 even at the following low temperature.
It can be about nm / min. Therefore, it becomes possible to mass-produce a semiconductor device having a semiconductor crystal having good crystallinity.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図を用いて
以下に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】図1(a)−(b)は、Si基板上に熱C
VD法を用いてSiGeC層を形成する工程を示した図
である。
FIGS. 1 (a) and 1 (b) show heat C on a Si substrate.
FIG. 4 is a diagram showing a step of forming a SiGeC layer using a VD method.

【0021】まず、図1(a)に示す工程で、Si基板
1の前処理を行なう。Si基板上1にSiGeC等の結
晶を成長させる場合、Si基板1の前処理は非常に重要
であるので、必ず行なう。ここで、基板としては、(0
01)面のSiウエハーを用いる。
First, in the step shown in FIG. 1A, pretreatment of the Si substrate 1 is performed. When a crystal such as SiGeC is grown on the Si substrate 1, the pretreatment of the Si substrate 1 is very important and must be performed. Here, as the substrate, (0
The Si wafer having the 01) plane is used.

【0022】はじめに、硫酸−過酸化水素水混合溶液で
Si基板1の表面を洗浄し、Si基板1の表面上の有機
物、金属汚染物質を除去する。次に、アンモニア−過酸
化水素水溶液にてSi基板1の表面を洗浄し、Si基板
1の表面上の付着物を除去する。続いて、フッ化水素酸
を用いてSi基板1の表面上の自然酸化膜を取り去る。
次に、再びアンモニア−過酸化水素水溶液にSi基板1
を浸漬し、Si基板1の表面に薄い保護酸化膜を形成す
る。
First, the surface of the Si substrate 1 is washed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide to remove organic substances and metal contaminants on the surface of the Si substrate 1. Next, the surface of the Si substrate 1 is washed with an ammonia-hydrogen peroxide aqueous solution to remove deposits on the surface of the Si substrate 1. Subsequently, the natural oxide film on the surface of the Si substrate 1 is removed using hydrofluoric acid.
Next, the Si substrate 1 is again placed in the ammonia-hydrogen peroxide aqueous solution.
To form a thin protective oxide film on the surface of the Si substrate 1.

【0023】次に、図1(b)に示す工程で、前処理さ
れたSi基板1を、結晶成長装置内に導入する。本実施
形態では、結晶成長装置として超高真空化学気相成長装
置(UHV−CVD装置)を用いている。この方法は、
結晶成長を1.3×10-8Pa(1.0×10-10 To
rr)以下の超高真空に減圧して行なう半導体結晶の製
造方法である。本実施形態においては、Si基板1を結
晶成長室へ導入してから一旦、結晶成長室内の圧力を
2.66×10-7 Pa(2.0×10-9 Torr)ま
で減圧している。
Next, in the step shown in FIG. 1B, the pretreated Si substrate 1 is introduced into a crystal growth apparatus. In this embodiment, an ultra-high vacuum chemical vapor deposition apparatus (UHV-CVD apparatus) is used as a crystal growth apparatus. This method
The crystal growth was 1.3 × 10 −8 Pa (1.0 × 10 −10 To
rr) This is a method for producing a semiconductor crystal performed by reducing the pressure to an ultra-high vacuum as described below. In the present embodiment, the pressure in the crystal growth chamber is temporarily reduced to 2.66 × 10 −7 Pa (2.0 × 10 −9 Torr) after the Si substrate 1 is introduced into the crystal growth chamber.

【0024】次に、水素ガス雰囲気中でSi基板1を8
50℃まで加熱し、Si基板1上に形成されている保護
酸化膜を除去し、清浄なSi基板1表面を露出させる。
Next, the Si substrate 1 is placed in an atmosphere of hydrogen gas for 8 hours.
Heating to 50 ° C. removes the protective oxide film formed on the Si substrate 1 to expose a clean surface of the Si substrate 1.

【0025】続いて、Si基板1の温度を結晶成長を行
なう490℃まで低下させて原料ガスを導入し、厚さ1
00nm程度のSiGeC層2をSi基板1上に成長さ
せる。結晶の成長は、本実施形態では490℃で行なう
が、原料ガスが分解可能な約300℃以上で、490℃
以下の温度であれば良好な結晶性を持つSiGeC層を
形成することができる。
Subsequently, the temperature of the Si substrate 1 is lowered to 490 ° C. where crystal growth is performed, and a source gas is introduced.
A SiGeC layer 2 of about 00 nm is grown on the Si substrate 1. In this embodiment, the crystal is grown at 490 ° C.
At the following temperature, a SiGeC layer having good crystallinity can be formed.

【0026】また、Siの原料ガスとして比較的低温で
分解しやすいSi26 を、Geの原料としてGeH4
を、Cの原料としてSiH3 CH3 をそれぞれ用いる。
各ガスの圧力は、Si26 が9.1×10-3 Pa
(7×10-5 Torr),GeH4 が4.2×10-2
Pa(3×10-4 Torr),Si38 が1.1×
10-3 Pa(9×10-6 Torr)と一定に固定され
ている。
Also, Si 2 H 6, which is easily decomposed at a relatively low temperature, is used as a Si source gas, and GeH 4
And SiH 3 CH 3 as a raw material of C.
The pressure of each gas is 9.1 × 10 −3 Pa for Si 2 H 6.
(7 × 10 −5 Torr), GeH 4 is 4.2 × 10 −2
Pa (3 × 10 −4 Torr), Si 3 H 8 is 1.1 ×
It is fixed at 10 −3 Pa (9 × 10 −6 Torr).

【0027】ここで、Siの原料ガスとしてはSi2
6 の他に低温分解性のSi38 も用いることができ
る。ただし、Siの原料ガスとして一般に用いられるシ
ラン(SiH4 )は、低温(490℃程度)での結晶成
長性が悪いため、本実施形態では使用しない。また、こ
こで用いられる原料ガスの圧力は、これまで報告されて
いるSiGeC結晶の成長方法における圧力条件と比較
して低く設定してある。これは、Si26 などのSi
の原料ガスは爆発性ガスであるため、SiGeC結晶の
成長工程においては原料ガスの圧力が低い方が安全性の
面で好ましいからである。また、原料ガスの圧力が低い
ことにより、原料ガスが節約でき、コスト面でも有利に
なる。
Here, Si 2 H is used as a raw material gas for Si.
In addition to 6 , low temperature decomposable Si 3 H 8 can also be used. However, silane (SiH 4 ), which is generally used as a raw material gas for Si, is not used in this embodiment because its crystal growth at low temperatures (about 490 ° C.) is poor. The pressure of the raw material gas used here is set lower than the pressure conditions in the SiGeC crystal growth method reported so far. This is because Si 2 H 6
This is because the source gas is an explosive gas, and in the growth step of the SiGeC crystal, a lower pressure of the source gas is preferable from the viewpoint of safety. Further, since the pressure of the source gas is low, the source gas can be saved, which is advantageous in terms of cost.

【0028】尚、本実施形態では、超高真空化学気相成
長装置(UHV−CVD装置)を用いてSi基板1上に
SiGeC層2を堆積したが、LRP装置やRT−CV
D装置を用いてもよい。
In the present embodiment, the SiGeC layer 2 is deposited on the Si substrate 1 by using an ultra-high vacuum chemical vapor deposition apparatus (UHV-CVD apparatus).
A device D may be used.

【0029】また、本実施形態では、基板として(00
1)面のSiウエハーを用いたが、これ以外の面方位を
持つSiウエハーを用いてもよく、すでにパターニング
された部材を有する基板上にも良好な結晶性を持つSi
GeC層を形成することが可能である。以上の工程によ
り、Si基板1上に良好な結晶性を持つSiGeC層2
を形成することができる。
In this embodiment, the substrate (00
1) Although a Si wafer having a plane is used, a Si wafer having a plane orientation other than the above may be used, and a Si wafer having good crystallinity can be formed on a substrate having an already patterned member.
It is possible to form a GeC layer. Through the above steps, the SiGeC layer 2 having good crystallinity on the Si substrate 1
Can be formed.

【0030】本実施形態において、SiGeC結晶の成
長温度を490℃で行なったが、これは、結晶成長に最
適な温度を探る目的で以下に行なった検討の結果から導
かれた温度である。
In the present embodiment, the growth temperature of the SiGeC crystal was set at 490 ° C., which is a temperature derived from the results of the following study for the purpose of searching for the optimum temperature for crystal growth.

【0031】まず、本実施形態と同様の方法でSi基板
の前処理を行なった後、UHV−CVD法を用いてSi
基板上にSiGeC層を堆積させた。結晶の成長温度は
480℃から520℃の間の各温度で行なった。原料ガ
スも本実施形態と同様にSiの原料としてSi26
を、Geの原料としてGeH4 を、Cの原料としてSi
3 CH3 を用い、各ガスの圧力も本実施形態と同じと
した。
First, after pretreatment of the Si substrate is performed in the same manner as in the present embodiment, the Si substrate is subjected to the UHV-CVD method.
A SiGeC layer was deposited on the substrate. The crystal growth temperature was between 480 ° C. and 520 ° C. The raw material gas is also Si 2 H 6 as the Si raw material as in the present embodiment.
, GeH 4 as a Ge source, and Si as a C source.
H 3 CH 3 was used, and the pressure of each gas was the same as in this embodiment.

【0032】次に、以上の操作で作製した試料のSiG
eC層の結晶性を、X線回折スペクトルを測定すること
によって調べた。図2にその結果を示す。ここで、各試
料におけるSiGeC層の膜厚は、全て約100nmに
設定した。
Next, the SiG of the sample produced by the above operation was
The crystallinity of the eC layer was investigated by measuring the X-ray diffraction spectrum. FIG. 2 shows the result. Here, the thickness of the SiGeC layer in each sample was all set to about 100 nm.

【0033】まず、図2において、全ての試料で観測さ
れる34.56度付近のピークは、基板として用いたS
iの(004)面の回折によるピークであり、エピタキ
シャル成長されたSiGeC層とは無関係である。ここ
で注目すべきSiGeC結晶層のピークは、34.0―
34.1度の間に現れているピークである。
First, in FIG. 2, the peak around 34.56 degrees observed in all the samples is the peak of S used for the substrate.
This is a peak due to diffraction of the (004) plane of i, and has nothing to do with the epitaxially grown SiGeC layer. The peak of the SiGeC crystal layer to be noted here is 34.0-
It is a peak that appears between 34.1 degrees.

【0034】図2より、525℃で成長させた試料のス
ペクトルには、SiGeC結晶の(004)面に起因す
る回折ピークが角度34.0度付近に観測されている。
しかし、ピーク形状は非常にブロードで強度も弱い。一
般にX線回折スペクトルのピークの強度及び半値幅(ピ
ーク強度の1/2の強度でのピーク幅)は、結晶性と非
常に強い相関があることが知られている。つまり、結晶
性が良い場合は、ピークの強度は強くなり、半値幅は狭
くなる。逆に結晶性が悪い場合は、ピークの強度は弱
く、半値幅は広くなる傾向がある。このことから、52
5℃で成長させた試料のSiGeC層は、結晶性が非常
に悪く、結晶内に欠陥などが多く存在することが推測さ
れる。
From FIG. 2, in the spectrum of the sample grown at 525 ° C., a diffraction peak due to the (004) plane of the SiGeC crystal is observed at an angle of about 34.0 degrees.
However, the peak shape is very broad and weak. In general, it is known that the peak intensity and half width (peak width at half the peak intensity) of the X-ray diffraction spectrum have a very strong correlation with the crystallinity. That is, when the crystallinity is good, the peak intensity becomes strong and the half width becomes narrow. Conversely, when the crystallinity is poor, the peak intensity is weak and the half width tends to be wide. From this, 52
The SiGeC layer of the sample grown at 5 ° C. has very poor crystallinity, and it is assumed that there are many defects and the like in the crystal.

【0035】また、ノマルスキー顕微鏡による結晶表面
の観察によっても、525℃で成長させた試料のSiG
eC層には凹凸が見られ、表面形態が非常に悪いことも
判明した(図示せず)。
The observation of the crystal surface with a Nomarski microscope also revealed that the SiG of the sample grown at 525 ° C.
The eC layer had irregularities, and it was also found that the surface morphology was very poor (not shown).

【0036】次に、成長温度を510℃−500℃程度
まで下げた場合、ピーク強度は少し増大するものの、依
然として半値幅は大きい。このことから、510℃−5
00℃付近で成長させた試料のSiGeC層では、52
5℃で成長させた試料のSiGeC層に比べて、若干の
結晶性の改善はなされるものの、半導体デバイスの活性
領域として十分利用できる程度に結晶性が良好であると
は考えにくい。また、成長温度が510℃−500℃付
近である試料の表面をノマルスキー顕微鏡で観察したと
ころ、表面形態は改善されていなかった(図示せず)。
Next, when the growth temperature is lowered to about 510 ° C. to 500 ° C., the peak intensity is slightly increased, but the half width is still large. From this, 510 ℃ -5
In the sample SiGeC layer grown near 00 ° C., 52
Although the crystallinity is slightly improved as compared with the SiGeC layer of the sample grown at 5 ° C., it is unlikely that the crystallinity is good enough to be used as an active region of a semiconductor device. When the surface of the sample whose growth temperature was around 510 ° C. to 500 ° C. was observed with a Nomarski microscope, the surface morphology was not improved (not shown).

【0037】しかしながら、490℃までSiGeC層
の温度を下げると、ピーク形状の様子は一変し、非常に
シャープなピークが34.05度付近に現れている。さ
らに、SiGeC層の成長温度が490℃のときのスペ
クトルでは、34.05度付近のピークの前後に多くの
小さなピーク群が観測されている。この小さなピーク
は、X線回折像でFringeを形成するもので、結晶性のか
なり良好な結晶でしか観測されない。これらの事実か
ら、490℃で成長させた試料のSiGeC層は結晶性
が良好であることが分かる。
However, when the temperature of the SiGeC layer is lowered to 490 ° C., the shape of the peak shape changes completely, and a very sharp peak appears around 34.05 °. Furthermore, in the spectrum when the growth temperature of the SiGeC layer is 490 ° C., many small peak groups are observed before and after the peak near 34.05 degrees. This small peak forms Fringe in an X-ray diffraction image, and is observed only in a crystal having extremely good crystallinity. From these facts, it is understood that the SiGeC layer of the sample grown at 490 ° C. has good crystallinity.

【0038】さらに、480℃で成長させた試料のSi
GeC層でも、490℃で成長させた場合と同様のシャ
ープな回折ピークが、ほぼ同じ回折角位置に観測されて
いる。これは、480℃で成長させたSiGeC層の結
晶性が非常に良好である上に、格子位置に入り込んだC
の含有率も490℃で成長させたときと変化していない
ことを示している。ここで、490℃及び480℃で作
製した試料の組成をVegard則を用いて見積もったとこ
ろ、Ge原子が30%、C原子が1.2%となり、Ge
及びCの含有率がともに高いSiGeC層が作製されて
いることが判明した。また、490℃と480℃で作製
されたそれぞれの試料表面のノマルスキー顕微鏡による
観察においても、それぞれのSiGeC層表面に凹凸は
観測されず、表面形態も改善されていることが判明した
(図示せず)。
Further, the sample Si grown at 480 ° C.
Also in the GeC layer, the same sharp diffraction peak as in the case of growing at 490 ° C. is observed at almost the same diffraction angle position. This is because the crystallinity of the SiGeC layer grown at 480 ° C. is very good, and the C
Shows that there is no change in the content of the compound when grown at 490 ° C. Here, when the composition of the sample manufactured at 490 ° C. and 480 ° C. was estimated using Vegard's rule, Ge atoms were 30%, C atoms were 1.2%, and Ge was
It has been found that a SiGeC layer having both high C and C contents was produced. In addition, observation of the surfaces of the samples prepared at 490 ° C. and 480 ° C. with a Nomarski microscope showed that no irregularities were observed on the surfaces of the respective SiGeC layers, and that the surface morphology was also improved (not shown). ).

【0039】ここで、Vegard則とは、混合結晶の格子定
数と混合率との関係についての法則で、これに従えば、
例えばSiの含有率がx、Geの含有率が(1−x)で
あるSixGe1-x結晶の格子定数ASiGeは、Siの格子
定数をASi、Geの格子定数をAGeとすると、ASiGe
xASi+(1−x)AGeとなる。各結晶の格子定数が判
明していれば、これを用いて結晶の組成を求めることが
できる。
Here, the Vegard's law is a law regarding the relationship between the lattice constant of a mixed crystal and the mixing ratio.
For example, the lattice constant A SiGe of a Si x Ge 1-x crystal in which the content of Si is x and the content of Ge is (1-x) is such that the lattice constant of Si is A Si and the lattice constant of Ge is A Ge . Then A SiGe =
xA Si + (1-x) A Ge . If the lattice constant of each crystal is known, it can be used to determine the composition of the crystal.

【0040】次に、上記と同様の、SiGeC層の結晶
性と成長温度との関係の検討を、Ge及びCの含有率が
異なる各種のSiGeC層について行った。ここで、S
iGeC層中のGeの含有率とCの含有率は、Si2
6 の圧力を一定にして、GeH4 とSiH3 CH3 の圧
力を変化させることで制御した。その他の条件は本実施
形態と同様とした。この結果をまとめたのが図3であ
る。
Next, a study of the relationship between the crystallinity of the SiGeC layer and the growth temperature was performed on various SiGeC layers having different contents of Ge and C, as described above. Where S
The content of Ge and the content of C in the iGeC layer are determined by Si 2 H
And 6 pressure constant, and controlled by changing the pressure of GeH 4 and SiH 3 CH 3. Other conditions were the same as in the present embodiment. FIG. 3 summarizes the results.

【0041】図3は、縦軸にSiGeC層の成長温度、
横軸に作製したSiGeC層中のCの含有率をとり、そ
れぞれの結晶性の良否を示したものである。良否の判定
は、上記方法と同じくX線回折スペクトルの測定及びノ
マルスキー顕微鏡での観察により行った。図中ではGe
の含有率の違いをマークの種類で示し、塗りつぶしたマ
ークは結晶性が良いもの、白抜きのマークは結晶性が悪
いものを示す。
FIG. 3 shows the growth temperature of the SiGeC layer on the vertical axis,
The horizontal axis shows the content of C in the produced SiGeC layer, and shows the quality of each crystallinity. The quality was determined by measuring the X-ray diffraction spectrum and observing with a Nomarski microscope as in the above method. Ge in the figure
Are indicated by the types of marks, solid marks indicate good crystallinity, and white marks indicate poor crystallinity.

【0042】図3において、例えば、横軸のCの含有率
が1.2%付近のところにプロットされた○印あるいは
●印は、Geを30.5%、Cを1.2%含有するSi
GeC層を作製したときの結果であり、成長温度が49
0℃以下で結晶性は良好(●)、500℃以上で結晶性
が悪い(○)ことを示している。また、Cの含有率が
1.4%のところに□あるいは■で示されているのは、
Geの含有率26.8%、Cの含有率1.4%のSiG
eC層で、この場合も、490℃以下では結晶性が良好
(■)であるが、これ以上の成長温度では、結晶性が良
くない(□)ことを示している。また、図中の点線は、
Cの含有率が異なる各SiGeC層において、結晶性が
良好から不良になる境界の成長温度を結んだ近似曲線で
ある。
In FIG. 3, for example, a circle or a circle plotted where the C content on the horizontal axis is about 1.2% indicates that Ge contains 30.5% and C contains 1.2%. Si
This is the result when a GeC layer was produced, and the growth temperature was 49
At 0 ° C. or lower, the crystallinity is good (●), and at 500 ° C. or higher, the crystallinity is poor (○). Also, when the content of C is 1.4%, it is indicated by □ or Δ,
SiG having a Ge content of 26.8% and a C content of 1.4%
In the case of the eC layer, the crystallinity is good (■) at 490 ° C. or lower, but the crystallinity is not good (□) at a growth temperature higher than 490 ° C. The dotted line in the figure is
This is an approximate curve connecting the growth temperatures at the boundary where the crystallinity changes from good to poor in each SiGeC layer having a different C content.

【0043】この結果を総合的に見ると、結晶性の良否
は、Geの含有率にあまり大きく依存せず、多少のばら
つきはあるものの、490℃−500℃の温度領域を境
にして変化していることが分かる。すなわち、SiGe
C結晶の成長温度がこの温度領域よりも高ければSiG
eC結晶の結晶性は悪くなり、低ければSiGeC結晶
の結晶性が良くなることがこの結果より明確に示されて
いる。特に、Cの含有率が1%を超えるSiGeC試料
については、SiGeC層の成長温度が490℃よりも
低温の場合、全てのSiGeC試料が良好な結晶性を示
した。
Comprehensively looking at the results, the quality of the crystallinity does not depend much on the Ge content, and although there is some variation, it changes with the temperature range of 490 ° C.-500 ° C. You can see that it is. That is, SiGe
If the growth temperature of the C crystal is higher than this temperature range, SiG
This result clearly shows that the crystallinity of the eC crystal deteriorates, and the crystallinity of the SiGeC crystal improves when the crystallinity is low. In particular, for the SiGeC samples having a C content of more than 1%, when the growth temperature of the SiGeC layer was lower than 490 ° C., all the SiGeC samples showed good crystallinity.

【0044】また、Cの含有率が1%未満のSiGeC
層については、Cの含有率が小さいほど結晶性が良好か
ら不良になる境界の温度が高くなる。
In addition, SiGeC having a C content of less than 1%
As for the layer, the lower the content of C, the higher the temperature at the boundary where the crystallinity changes from good to poor.

【0045】ここで、490℃程度まで結晶成長の温度
を低下させた場合に、なぜ良好な結晶が得られるかにつ
いて考える。文献(J.Mi et al.,J.Vac.Sci.Technol.B1
4,166,'96)によると、C原子がSiGeC結晶の成長中
に結晶内に取り込まれる過程では、中間生成物としてS
iCH4 が生成されると考えられている。結晶の成長温
度が低い場合、この中間生成物は成長中の結晶表面であ
まり動き回らないまま表面サイトで分解され、SiやC
原子として結晶の格子位置に取り込まれると考えられ
る。そして、一旦結晶の格子位置に取り込まれたSiや
C原子は、温度が低いため脱離しにくいと考えられる。
しかし、結晶の成長温度が高い場合は、この中間生成物
SiCH4 は、成長表面を動き回りやすく、格子間等に
入り込んで正常な結晶成長を阻害すると考えられる。ま
た、この中間生成物が表面サイトで分解されて、一旦エ
ピタキシャル成長中の結晶表面に取り込まれてからも、
熱のエネルギーによって容易に脱離し、格子間位置等に
入り込むなどして正常な結晶成長を阻害するものと推測
される。従って、上記で得られた結果と合わせると、4
90℃を越える成長温度では、SiCH4 が動き回りや
すく、さらに格子位置C原子が脱離しやすいため、結晶
性が悪くなったと考えられる。
Here, it is considered why good crystals can be obtained when the temperature of crystal growth is lowered to about 490 ° C. Literature (J.Mi et al., J.Vac.Sci.Technol.B1
According to 4,166, '96), in the process in which C atoms are incorporated into a SiGeC crystal during its growth, S
It is believed that iCH 4 is produced. When the growth temperature of the crystal is low, this intermediate product is decomposed at the surface site without moving much on the growing crystal surface, and Si or C
It is considered that atoms are taken into lattice positions of the crystal. Then, it is considered that the Si and C atoms once taken into the lattice position of the crystal are hardly desorbed due to the low temperature.
However, when the crystal growth temperature is high, the intermediate product SiCH 4 is likely to move around the growth surface and penetrate into the interstitial space or the like, and inhibit normal crystal growth. Also, even if this intermediate product is decomposed at the surface site and once incorporated into the crystal surface during epitaxial growth,
It is supposed that normal crystal growth is hindered by easily desorbing due to heat energy and entering interstitial positions and the like. Therefore, when combined with the results obtained above, 4
At a growth temperature exceeding 90 ° C., it is considered that the crystallinity deteriorated because SiCH 4 easily moved around and the C atom at the lattice position was easily desorbed.

【0046】以上の検討結果から、結晶の成長温度を4
90℃以下に抑えると、Siの原料ガス圧力が低い条件
下でも、良好な結晶性を持つSiGeC結晶を作製する
ことが可能であると判断できる。特に、炭素の含有率が
1%を超え、且つ結晶性が良好なSiGeC結晶を作製
するには、490℃以下という低温で結晶成長を行うこ
とが有効である。この検討結果から、本実施形態におけ
る結晶成長の温度条件が導かれたのである。
From the above examination results, the crystal growth temperature was set to 4
When the temperature is suppressed to 90 ° C. or less, it can be determined that a SiGeC crystal having good crystallinity can be produced even under a condition in which the Si source gas pressure is low. In particular, in order to produce a SiGeC crystal having a carbon content exceeding 1% and good crystallinity, it is effective to perform crystal growth at a low temperature of 490 ° C. or lower. From this examination result, the temperature condition for crystal growth in the present embodiment was derived.

【0047】ところで、一般に、CVD法等を用いて半
導体結晶を成長させる場合、成長温度を低く設定する
と、結晶の成長速度が遅くなり、結晶成長工程のスルー
プットが低下するという問題が存在する。
In general, when a semiconductor crystal is grown by the CVD method or the like, if the growth temperature is set low, there is a problem that the growth rate of the crystal is reduced and the throughput of the crystal growth process is reduced.

【0048】しかし、本実施形態においては、Siの原
料ガスとして従来主流であったSiH4 に代えて低温で
分解しやすいSi26 を用いたため、490℃でSi
GeC結晶を作製した場合の結晶の成長速度は約4−8
nm/min程度と、SiGe結晶を量産型の成長装置
で作製する場合と比較して遜色ない成長速度が実現でき
る。よって、量産時にも結晶の成長速度についての不具
合はないと考えられる。
However, in this embodiment, Si 2 H 6 which is easily decomposed at a low temperature is used as the Si source gas instead of SiH 4 which has conventionally been the mainstream gas, so that SiH 4 at 490 ° C.
When a GeC crystal is produced, the crystal growth rate is about 4-8.
A growth rate of about nm / min, which is comparable to a case where SiGe crystals are produced by a mass-production type growth apparatus, can be realized. Therefore, it is considered that there is no defect in the crystal growth rate even during mass production.

【0049】本発明により、良好な結晶性を持つSiG
eC結晶を形成することができるので、例えば、Si基
板上に本実施形態に基づいてSiGeC層を堆積し、S
iGeC層上にSi層をさらに堆積し、そのSi層上に
ゲート電極を形成することにより、超高速で稼働するn
チャネル型及びpチャネル型MOSトランジスタなどを
製造することができる。
According to the present invention, SiG having good crystallinity
Since an eC crystal can be formed, for example, a SiGeC layer is deposited on a Si substrate based on the present embodiment,
By further depositing a Si layer on the iGeC layer and forming a gate electrode on the Si layer, n operating at an ultra-high speed
Channel-type and p-channel-type MOS transistors can be manufactured.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明の半導体結晶の製造方法によれ
ば、490℃以下の温度でSiとGeとCを含む結晶を
基板上にエピタキシャル成長させることにより、良好な
結晶性を持つSiGeC結晶層を基板上に形成すること
ができる
According to the method of manufacturing a semiconductor crystal of the present invention, a crystal containing Si, Ge, and C is epitaxially grown on a substrate at a temperature of 490 ° C. or less, thereby forming a SiGeC crystal layer having good crystallinity. Can be formed on substrate

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)−(b)は本発明の実施形態にかかるS
iGeC層の形成工程を示す断面図である。
1 (a) and 1 (b) show S according to an embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the formation process of an iGeC layer.

【図2】480−525℃までの各温度下で成長させた
SiGeC層におけるX線回折スペクトルを示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a SiGeC layer grown at each temperature from 480 to 525 ° C.

【図3】C及びGeの含有率が異なる各種SiGeC層
における結晶性と成長温度との関連性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between crystallinity and growth temperature in various SiGeC layers having different C and Ge contents.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板が保持された容器内に、シリコン
(Si)を含有する原料ガスと、ゲルマニウム(Ge)
を含有する原料ガスと、炭素(C)を含有する原料ガス
とを導入し、上記原料ガスを熱分解することにより、S
i原子とGe原子とC原子とを含有する半導体結晶を上
記基板上に製造する方法であって、上記熱分解を490
℃以下の温度で行なう半導体結晶の製造方法。
A source gas containing silicon (Si) and germanium (Ge) are placed in a container holding a substrate.
By introducing a raw material gas containing carbon and a raw material gas containing carbon (C), and thermally decomposing the raw material gas to obtain S
A method for producing a semiconductor crystal containing i-atoms, Ge-atoms and C-atoms on the substrate, wherein the thermal decomposition
A method for producing a semiconductor crystal performed at a temperature of not more than ° C.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体結晶の製造方法
において、 上記半導体結晶の形成を、熱CVD法により行うことを
特徴とする半導体結晶の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the formation of the semiconductor crystal is performed by a thermal CVD method.
【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体結晶の
製造方法において、 上記半導体結晶に含まれるSiの原料ガスとして、Si
26 またはSi3 8 を使用することを特徴とする半
導体結晶の製造方法。
3. The semiconductor crystal according to claim 1 or 2,
In the manufacturing method, Si is used as a source gas of Si contained in the semiconductor crystal.
Two H6 Or SiThree H 8 Characterized by the use of semi
A method for producing a conductor crystal.
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