JP2003536273A - エッチング阻止層システム - Google Patents
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Abstract
Description
。
と物理的世界との間の橋渡しをする。MEMSには、センサ、アクチュエータ、
化学反応器、薬剤デリバリーシステム、タービン、及び表示技術などのさまざま
な装置が含まれる。全てのMEMSの心臓部には、シリコンやその他の電子材料
を用いて「マイクロ機械加工」された(膜、片持ち梁、橋、アーム、チャンネル
、あるいは格子などの)物理的構造が存在する。MEMSは、関連するマイクロ
エレクトロニクスとほぼ同サイズ規模であり、理想的には、この関連するマイク
ロエレクトロニクスと完全に集積化されるので、MEMSは、マイクロエレクト
ロニクス産業と同一の材料、工程、装置、及び技術を利用すべきである。シリコ
ンの加工技術は、既に超大規模集積回路(VLSI)に関して広範囲に開発され
ているので、シリコンはマイクロ機械加工の主要な材料である。シリコンは、ま
た、半導体材料を構成するのに機械的に優れており、他の電子材料では、シリコ
ンほど完全に研究された材料は何ら存在しない。
ッチング阻止」層を、エチレンジアミンとピロカテコールの水溶液(EDP)、
水酸化カリウム水溶液(KOH)、またはヒドラジン(N2H2)などの異方性ウ
ェットエッチング剤と組み合わせて使用することにより製作される。エッチ選択
性を、他の材料より早くエッチングできる材料の優先的なエッチングとして定義
し、遅いエッチング速度に対する速いエッチング速度の比として数量化する。選
択性は、1019cm-3以上の硼素レベルで実現され、硼素濃度が増加するにつれ
て強くなる。
に対する張り合わせ絶縁体上シリコン(BESOI)処理中にも用いられること
に注意すべきである。このエッチング阻止では、例えば物理的な大きさや欠陥な
どにおいてマイクロ機械加工のエッチング阻止とは多少異なる要求があるが、基
本的にはこれらは同一である。したがって、一つの適用領域での教示され開発さ
れたものは、他の領域でも影響を与えられ、またそうすべきである。特に、高速
エレクトロニクス用の基板としての応力緩和SiGe合金における進歩は、絶縁
体上のSiGeを作成する張り合わせ機構が、高速無線通信システムを構築する
ために望ましい処理であろうことを示唆している。
止物質システムを提供する。本エッチング阻止物質システムは、厳密な組成にお
いは変化し得るが、概略0.2から0.5の間のxを有するドーピングしたまた
はドーピングしていないSi1-xGexである。厚さ方向の断面においては、エッ
チング阻止物質自身は均一な組成を有する。エッチング阻止物は、水酸化カリウ
ム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、エチレンジアミン/ピロカテコール/
ピラジン(EDP)、TMAH、及びヒドラジン等のシリコンの水性異方性エッ
チング剤によるマイクロ機械加工に用いられる。例えば、片持ち梁をこのエッチ
ング阻止物質システムにより作成でき、その場合、これらのエッチング剤の一つ
に曝されることにより、その基板と周囲の物質から解放される。すなわち、「マ
イクロ機械加工」される。これらの溶液は、一般的に、7×1019cm-3より少
ない硼素を含有する全てのシリコン、あるいは、ほぼ18より少ないxを有する
ドーピングされていないSi1-xGex合金をエッチングする。
いない純粋のシリコンに比べて、優れた選択性、すなわちエッチング速度の差異
を有する。このことは、ゲルマニウムを添加してエネルギー帯構造を変化させる
ことに貢献する。さらに、Si1-xGex合金における非縮退ドーピングはエッチ
ング阻止動作に影響を及ぼすべきではない。
との間の漸変組成バッファを用いることが含まれる。名称のように、このバッフ
ァは、基板とバッファの境界面にある純粋シリコンから、バッファとエッチング
阻止層の境界面(この境界面はなお相当な速度でエッチングできる)におけるゲ
ルマニウム、及び存在する場合はドーパント、の組成まで厚さ方向に直線的に変
化する組成を有している。ここで、この境界面のバッファ側からエッチング阻止
物質までのゲルマニウム濃度に戦略的な飛躍があり、それによりエッチング阻止
層のエッチング剤に対する耐性がかなり大きくなる。
が提供される。本発明の一実施の形態においては、このシステムは、実質的に応
力緩和されたSi1-xGexの漸変層と、実質的に応力緩和されたSi1-yGeyの
均一なエッチング阻止層とを有する。本発明の他の実施の形態においては、この
システムは、実質的に応力緩和されたSi1-xGexの漸変層と、実質的に応力緩
和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層と、張力を受けたSi1-zGez 層とを有する。本発明の更に他の実施の形態においては、このシステムは、実質
的に応力緩和されたSi1-xGexの漸変層と、実質的に応力緩和されたSi1-y
Geyの均一なエッチング阻止層と、張力を受けたSi1-zGezの第2のエッチ
ング阻止層と、実質的に応力緩和されたSi1-wGew層とを有する。
法には、実質的に応力緩和されたSi1-xGexの漸変層をSi基板上に沈着させ
、実質的に応力緩和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層を漸変バッフ
ァ上に沈着させ、エッチング素子層を解放するために基板と漸変バッファとの部
分をエッチングすることが含まれる。
供される。この方法には、実質的に応力緩和されたSi1-xGexの漸変層をSi
基板上に沈着させ、実質的に応力緩和されたSi1-yGeyの均一な第一のエッチ
ング阻止層を漸変バッファ上に沈着させ、張力を受けたSi1-zGezの第二のエ
ッチング阻止層を沈着させ、実質的に応力緩和されたSi1-wGew層を沈着させ
、第一のエッチング素子層を解放するために基板と漸変バッファとの部分をエッ
チングし、Si1-zGezの第二のエッチング素子層を解放するために残った漸変
バッファ部をエッチングすることが含まれる。
はあるSOI処理においては、良好なエッチング阻止結果は、硼素が非常に高濃
度のときのみ得られ、シリコン結晶構造上でのドーパントの効果が非常に重要に
なる。シリコン原子の位置を、シリコンより小さな原子である硼素により置換す
ると、シリコン格子の収縮が起こる。ドーピングした格子は、ドーピングされて
いない基板の格子に対する凝集性を残すので、基板面中に二軸「格子不整合」応
力が発生する。この応力は、同一平面上のドーピングされた物質を二軸延伸させ
る。すなわち、弾性的に変形させる。単位格子のベースが変形するので、高さも
ポアソン(Poisson)歪みによって変形する。したがって、Si:B格子
は、それが水平方向に拡張するに従って垂直方向に収縮し、平衡値よりも小さな
垂直格子定数を導く。このSi:Bの薄層にとって、このように材料が弾性的に
変形している、すなわち「仮像(pseudomorphic)」である、こと
はエネルギー的に有利である。
性的に膜を歪ませる代わりに転位を生じる方がエネルギー的に有利となる「臨界
厚さ」を層の厚さが超えるまで、膜の単位面積あたりの全歪みエネルギーが増大
する。転位ループは、膜表面または膜の縁で不均質に有核であり、成長する。そ
して、基板膜の界面の方に滑りを生じる。一つのループが界面に出会うと、二つ
の端部(それらは膜の厚みを横切るので、ここでは「糸状(スレディング:th
ereading)」転位と呼ぶ)が互いに離間するように移動し続け、「不整
合」転位として知られる界面での線欠陥を残す。線欠陥は格子不整合応力を説明
する。そして、水平歪み及び垂直歪みを減少させ、平面内の格子定数及び垂直格
子定数を平衡値に回復させる。すなわち、材料を「応力緩和」させる。ダイアモ
ンド立方晶系または閃亜鉛鉱の基板上の低不整合で軽く歪んだエピタキシャル膜
に対しては、拡散や大部分のCVD工程に伴う高温のような、上昇した温度での
これらの結晶構造に対する{111}<110>の容易なスリップシステムのた
めに、直交<110>不整合転位の網目が最もありそうな構成である。
置換の効果は、硼素の置換の効果と同一である。もちろん、その影響力は、置換
する化学種の相対的な大きさと濃度とにより異なる。また、例えばゲルマニウム
などの、シリコンより大きな原子を組み込むことは、Si:Bのような張力の生
じる状況をもたらすよりも、むしろ圧縮応力と圧縮歪みとをもたらす。
は、硼素の濃度を極めて高くする必要がある。硼素濃度を極めて高くすると、多
くのMEMSの用途において望ましい厚い膜中での転位の導入が導かれる。通常
拡散過程によりp++が生じるので、転位密度と硼素濃度とにそれぞれ傾きが存在
する。硼素濃度の傾き中でエッチングが停止するので、薄膜部は典型的には大き
な曲率を有し、この曲率は焼きなまし処理により補正される。さらに、エッチン
グ処理の選択性は硼素濃度に対して極めて敏感に反応する。硼素濃度が臨界的な
7×1019cm-3より小さくなると、選択性は大きく変化する。このように、こ
の硼素濃度は溶解度の限界に近いので、縦及び横の次元でのドーパント濃度の変
動により、MEMS工程での歩留りが悪くなる。SiGeエッチング阻止物によ
りドーパント濃度とエッチングの選択性との関連が立たれる。また、SiGe合
金は混和性の合金システムであるので、SiとGeとの間の溶解度に完全な連続
性が存在する。
,pp.3621−31(1990))に記載されたシリコンの異方性エッチン
グの理論は適切なモデルを広く考察している。なお、この理論はここで参照する
ことにより本願中に組み入れられる。絶対エッチング速度や溶解生成物等の細目
は異なる可能性があるが、全般的な概念は全ての異方性エッチング剤に対して有
効である。その理由は、異方性エッチング剤は全て水性のアルカリ溶液であり、
エッチング剤の寄与は、H2OやOH-について最も詳細にモデル化されているこ
とである。事実、現在の文献は、エッチング剤間での一貫した振る舞いを示して
いる。
データを越えた仮説は何ら提出されていない。エッチング阻止減少に対する二つ
の可能な説明が提案された。それらは、硼素の濃度が高いことによるより強い結
合と、硼素に基づいた不活性化層の形成とである。研究が蓄積されるに伴い、エ
ッチング速度の理論は、二つの確かな解決法のいずれかに沿って提案された。そ
の一方の電子的モデルは、エッチング速度の振る舞いをキャリアの動作に帰し、
他方の表面不活性化モデルは、エッチング速度の振る舞いを、直接に、シリコン
基板上への表面不活性化酸化物に基づいた層の形成に帰する。
または応力には影響を受けないと結論付けた。彼らは、エッチング速度の減少が
、ほぼ3×1019cm-3を超えた硼素濃度の増加の4乗に比例することを観察し
た。彼らの説明する酸化還元エッチング処理には4個の電子が必要であり、その
ことにより、彼らは、p++物質中でのエッチング阻止効果を、正孔濃度が高いた
めに電子がオージェ再結合により失われる可能性が高いためであると説明する。
レベルである2.2×1019cm-3と一致するほぼ2〜3×1019cm-3でエッ
チング速度が落ち始めることを観察した。縮退においては、フェルミレベルが荷
電子帯に落ち込み、バンドベンディング(band−bending)は、一原
子層の配列の厚さに限定される。エッチングに必要な、注入された電子は、この
ような狭いポテンシャルの井戸を通り抜けて、p++のバルク結晶中で再結合する
ことが可能であり、この再結合によりエッチング反応が停止する。このエッチン
グ阻止の型における残りのエッチング速度は伝導帯電子によるものと考えられ、
この伝導帯電子の量は正孔、すなわち硼素、の濃度に逆比例する。4個の電子は
1個のシリコン原子をエッチングするのに必要である。このことにより、残りの
エッチング速度が硼素濃度の4乗に依存することが説明できる。
上のSiOx表面不活性化層の形成が観察された。p+‐Siの場合には、表面
に存在する多数の正孔が、薄い酸化物状の層を有する自然発生の表面不活性化を
引き起こす。この酸化物状の層は、熱酸化物のようには完全に網の目状になって
いないので、この層はより速くエッチングでき、この層を横切って反応体とエッ
チング生成物の移送がなお行われ、ある最終的な全体的なエッチング速度が導か
れる。高いドーパント濃度により生じた格子歪みにより、層の成長を大きくでき
る。さらに、エッチング速度の減少は、多量にドーピングされたp−シリコンお
よびn−シリコンの双方で生じるので、エッチング速度の減少はフェルミレベル
効果ではない。
.172(1995))は、上述した観察と仮説および彼ら自身の発見を復号電
気機械モデルに取り入れ、そこで、エッチング阻止は、高キャリア濃度下で酸化
膜の成長速度が高まることに起因するとした。キーとなるプロセスは、界面での
正孔により促進される酸化であり、この酸化は、Si−Si結合とヒドロキシ基
とに対する反応と競合することによりエッチングを阻止する。しかし、より重要
なのは、この酸化が、SiOxバリヤを形成することによりエッチングを阻止す
ることである。p++のシリコンにおいては、サイデル他により大要の述べられた
電子の動作の逆の動作として、エッチング阻止の動作をするのに十分な量の正孔
が供給される。すなわち、電子が、熱的に、ポテンシャルの井戸を回避するかバ
ルク結晶中へ突き抜ける代わりに、バルク結晶からの正孔が、ポテンシャル障壁
を熱的に克服ないし突き抜けて界面に至る。このエッチング阻止プロセスは動的
であることが認識できる。すなわち、このプロセスは、シリコンの溶解と形成お
よび酸化物上の層の溶解の競い合いであり、その最終的な結果はゼロでないエッ
チング速度である。
有し、かつシリコン中のドーパントや不純物よりもはるかに拡散し難いため、抗
エッチング添加物として魅力的である。さらに、シリコン−ゲルマニウム合金の
エピタキシーはシリコンの酸化物に関して選択性を有し、パターン化及び構造化
を容易にする。シリコン−ゲルマニウム合金エピタキシーは、MEMSと共にモ
ノリシックに集積化される電子部品に対して高いキャリアの移動度をもたらしさ
えする。
のマイクロ機械加工に限定的にのみ適したものである。ゲルマニウムを用いるこ
とに関する上述した利点にもかかわらず、現在、シリコン−ゲルマニウム物質中
でのエッチング阻止効果に関して不適切な理解が存在し、高ゲルマニウム含有率
固溶体の異方性エッチングに関する情報は存在しない。
てに対して共通に、HNO3またはH2O2などの酸化剤、および酸化物除去のた
めのHFまたはH3PO4などの錯化剤が存在する。初期の研究は、商業的に利用
可能なH2O2−HF配合である「Superoxol」などの溶液による等方性
ゲルマニウムエッチングに関してなされた。更に最近では、HNO3,HNO2,
HF,H2SO4,H2SO2,CH3COOH,H2O2およびH2Oの種々の組み合
わせに関して研究がなされている。
の幾つかは、シリコン上のゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウム合金を選択
的にエッチングする。しかし、一つのエッチング剤のみがこの研究題目に関する
逆の優位性を示している。すなわち、75℃で100%のNH4OHは2.5μ
m/hrでポリシリコンを直接侵蝕するが、ポリゲルマニウムに対しては660
Å/hrで侵蝕する。不幸なことに選択度はほぼ37だけに過ぎず、シリコンに
対するエッチング速度は実用できないほど遅い。エッチングは等方性であり、マ
イクロ機械加工での有用性が限定されてしまう。
械加工に関して失望させるものである。シャング(Shang)他(J.Ele
ctrochem.Soc.141,p.507(1994))は、KOH−p
ropanol−K2Cr2O7水溶液中での応力緩和され転位したSi0.7Ge0. 3 :B(1019cm-3)に対して選択度6を得た。シャング他はここで参照する
ことにより本願に組み入れられる。ジ(Yi)他(Mat.Res.Soc.S
ym.Proc.3779,p.91(1995))は、10%以上のゲルマニ
ウム合金に対して70℃で1000以上の選択度を備えた新規なNH4NO3−N
H4OHエッチング剤を開発した。この混合物は純粋ゲルマニウムをエッチング
しないが、純粋シリコンを5.67μm/hrでエッチングする。このエッチン
グ速度は、マイクロ機械加工の目的に対しては劣った速度である。両システムと
も等方性である。
、同じKOH−propanol−K2Cr2O7溶液中での選択度をほぼ40ま
で改善した。ナロズニー(Narozny)他(IEEE IEDM(1988
)563)は、このような「歪み選択」配合を最初に用いた。しかし、彼らは、
(1018cm-3の硼素でドーピングした30%ゲルマニウムに対して)選択度2
0を実現したに過ぎず、また純粋シリコン26に対して室温で遅いエッチング速度
1.5μm/hrを実現したに過ぎない。シャング他とナロズニー他の結果は、
十分に確立された硼素のエッチング阻止能力から簡単に得られたかもしれないが
、ゴッドベイ(Godbey)他(Appl.Phys.Lett.56,p.
374(1990))は、ドーピングされていないSi0.7Ge0.3を用いて選択
度17を得た。歪み選択エッチング剤に関するどの論文も選択性に対する説明を
提供していない。
るので、不十分なエッチング速度は重大な不利な点である。さらに、歪み選択性
エッチング剤に曝されるMEMSは臨界厚さよりも薄くなければならないであろ
う。しかし、仮像構造が解放されてその歪みが応力緩和されたときに、選択性は
劣化する。犠牲歪みエッチング阻止層を使用することができ、そのとき追加的な
処理工程と設計上の制約が課される。しかし、犠牲歪みエッチング阻止層は、現
在の酸化物/窒化物犠牲層に勝る利点を少なくとも提供するであろう。すなわち
、単結晶性を犠牲歪みエッチング阻止層上に継続でき、かつ酸化物に関してシリ
コン−ゲルマニウムが選択性を有するので、設計/パターニングの自由度が得ら
れる。
やEDPのような異方性エッチング剤中でのエッチング阻止効果は、ほとんどあ
るいは完全に得られないというものであった。12%のゲルマニウムまで、サイ
デル他は、エッチング速度の重要な抑制を何ら発見しなかった。2%のゲルマニ
ウムで歪み補償したp++層は、ゲルマニウムを有しない層との間に何の顕著な相
違も示さなかった。ゲルマニウムを埋め込むことにより、フェイジョー(Fei
joo)他(J.Electrochem.Soc.139,pp.1312−
13(1992))は、ほぼ0.6%のピーク濃度を有する吸収線量に対応して
、80℃でEDP中に12〜24の最大選択度を得た。
.969(1967))は、しかし、非常に小さい0.05のxを有するSi1
−xGex固溶体はエチレンジアミン−ピロカテコール−水(EPW)溶液中で
エッチングしなかったことを観察した。この相違点は、<111>方向へのエッ
チングが極めて遅いため正確な測定が困難な{111}ウエハーを使用したこと
が原因であるかもしれない。異方性媒体中でのゲルマニウムに富んだ合金に関し
ては、これ以外の情報は報じられていない。
に対応して、検出された限定的な選択性の原因に関する議論はほとんどなされて
いない。セイダル他は、大量にドーピングした硼素のエッチング阻止物に対する
彼らのモデルは、ゲルマニウムがシリコンに対して等電子であるため、ゲルマニ
ウムに対しては適用できないと注意している。彼らは、その代わり、エッチング
速度のわずかな減少は、エネルギー帯構造における変化によるものか、あるいは
再結合の中心として作用する不整合転位などの格子欠陥の極めて高い集中の結果
であると仮定している。
テムを提供する。このエッチング阻止物質システムは、厳密な組成においては変
化し得るが、概略0.2から0.5の間のxを有するドーピングされたあるいは
ドーピングされていないSi1-xGexである。厚さ方向を横切ってこのエッチン
グ阻止物質自体が均一な組成を有してる。このエッチング阻止物は水酸化カリウ
ム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、エチレンジアミン/ピロカテコール/
ピラジン(EDP)、TMAH、及びヒドラジン等のシリコンの水性異方性エッ
チング剤によるマイクロ機械加工に用いられる。例えば、片持ち梁をこのエッチ
ング阻止物質システムにより作成でき、その場合、これらのエッチング剤の一つ
に曝されることにより、その基板と周囲の物質から解放される。すなわち、「マ
イクロ機械加工」される。これらの溶液は、一般的に、7×1019cm-3より少
ない硼素を含有する全てのシリコン、あるいは、ほぼ18より少ないxを有する
ドーピングされていないSi1-xGex合金をエッチングする。
ングされていない純粋のシリコンに比べて、優れた選択性、すなわちエッチング
速度の差異を有する。このことは、ゲルマニウムを添加してエネルギー帯構造を
変化させることに貢献する。さらに、Si1-xGex合金における非縮退ドーピン
グはエッチング阻止動作に影響を及ぼすべきではない。
との間の漸変組成バッファを用いることが含まれる。名称のように、このバッフ
ァは、基板とバッファの境界面にある純粋シリコンから、バッファとエッチング
阻止層の境界面(この境界面はなお相当な速度でエッチングできる)におけるゲ
ルマニウム、及び存在する場合はドーパント、の組成まで厚さ方向に直線的に変
化する組成を有している。ここで、この境界面のバッファ側からエッチング阻止
物質までのゲルマニウム濃度に戦略的な飛躍があり、それによりエッチング阻止
層のエッチング剤に対する耐性がかなり大きくなる。例えば、バッファはSi0. 85 Ge0.15まで程度を上げることができ、その後Si0.7Ge0.3の均一なエッチ
ング阻止層に飛躍できる。名目上、バッファにおける組成の傾きは5〜10%G
e/μmであり、Ge濃度の飛躍は5〜15相対原子パーセントGeである。バ
ッファとエッチング阻止物質とは、化学気相反応法(CVD)や分子線エピタキ
シー(MBE)などにより、標準的なシリコン基板上にエピタキシャルに沈着さ
れる。上例においては、ゲルマニウム濃度によりエッチング阻止動作が導かれ、
したがってエッチング阻止物へのドーピング濃度は、エッチングの選択性に影響
を及ぼすことなく、独立に変化させ得ることに注意すべきである。
用いた本発明によれば、結晶欠陥の影響は最小である。漸変バッファを用いるこ
とにより、最上部のエッチング阻止層中での糸状転位密度(TDD)が抑制され
る。このことにより、均一なほぼ欠陥のないSi1-xGexエッチング阻止層とな
る。
ればならず、その部分の大きさが十分に制御されなければならないことにある。
このようにして、急で予告可能なエッチング阻止動作のために、エッチング阻止
層の頂部と漸変領域の端部との間に高い選択性が存在しなければならない。バッ
ファからエッチング阻止層への組成の滑らかな推移により、マイクロ機械加工部
分での湾曲した縁と大きな寸法変動が生じる。反対に、組成に飛躍があると、明
確な鋭い縁と、解放された構造での精密な寸法が得られる。しかし、例えば20
〜25原子%Ge以上のように、飛躍が大き過ぎると、格子定数の対応する変動
、すなわちミスマッチ、が欠陥を生じる場合がある。
置き換えることができるが、ドーピングされていない(等電子)物質を含む有効
なエッチング阻止物質のスペクトラムを拡大し、それによりマイクロ機械加工構
造の設計の柔軟性を改善する。例えば、標準的なマイクロ機械加工処理では、シ
リコンセンサ構造の次元が単一の均一な厚さに限定されてしまう。慣性検出のた
めの共振素子では、共振器が振動質量より薄いようなより柔軟な設計によりかな
り利益が得られる。本発明は、このような多くの厚さを有する構造に対する技術
を可能とする。このような基礎的な利点により、この新規な技術は、シリコンマ
イクロ機械加工によるMEMSの製造に広く適用できる。
能力である。集積回路(IC)の要求に適合しない、硼素を大量にドーピングし
たエッチング阻止物を、阻止品質についての等電子エッチング阻止物および適度
にドーピングしたエッチング阻止物の双方または一方により置換することにより
、機械的素子と関連する電子素子とを同一のウエハー上で同時に処理できる。ゲ
ルマニウムはシリコンに完全に混和し、ドーパントや不純物よりもはるかに拡散
し難い。ゲルマニウムを用いて合金化することにより、電子素子の高いキャリア
移動度が実現される。
り、このことにより、パターニングと構造化とが容易になる。加えて、欠陥はこ
れらの材料のエッチング素子効率に影響しないように思える。
3インチまたは4インチの亜燐酸でドーピングした(2〜4(cm)、または硼
素でドーピングした(7〜10.2(cm)(001)シリコン基板を用いた。
ウエハーをピラニア槽(3:1 95%H2SO4水溶液:30%H2O2水溶液)
中で10分間洗浄し、その後4.4%HFおよびDI水中で10秒間洗浄した。
そして、垂直UHVCVD反応器のロードロック(ほぼ10-8Torr)中にそ
の基板を一晩置いた。翌日、反応室の縁にその基板を約2時間持ち上げ、全ての
揮発物、有機物及び水を追い出した。そして、850〜900℃の反応器室中に
ウエハーを数分間掲げることにより、残留している全ての酸化物を脱着した。反
応器が処理温度にある間、SiH4を用いて1μmの寸法のシリコンバッファ層
を沈着させた。この準備手続毎に引き続き、SiH4,GeH4,H2中の1%B2 H6,およびH2中の1%PH3を用いて750〜900℃の温度範囲でエピタキ
シャル構造を成長させた。
チング剤であり、考慮するのに最も簡単容易であり、使用するのに比較的容易か
つ安全である。絶対的なエッチング速度の詳細は異なるが、種々の異方性シリコ
ンエッチング剤が調和的に振舞った。異方性エッチングに関する十分に支持され
たサイデル他の理論はエッチング剤に対して明白に非特異的である。シリコンの
異方性エッチングおよびエッチング阻止に関する結果、議論および結論は、全て
の異方性エッチング剤に対して有効であるように、広く考慮される。円筒エッチ
ングおよびパターンの形成された酸化物の双方を用いて、エッチング速度に関す
るゲルマニウムの有効性を決定した。
図1A〜1Dに示すように、WU_2,WU_3,WU_4、及びUHV_17
のエピタキシャル構造を製作した。図1Aは、シリコン基板102上に形成され
たエピタキシャルSiGeエッチング阻止構造100(WU_2)の機能ブロッ
ク図である。この構造は複数の応力緩和された漸変層104を有する。漸変層1
04は基板表面のSi0.98Ge0.02,5×1020cm-3BからSi0.74Ge0.26 ,1018cm-3Pの表面層まで変化する。各層の厚さはμm単位で示される。
グ阻止構造110(WU_3)の機能ブロック図である。この構造は、基板表面
のSi0.99Ge0.01からSi0.84Ge0.16の表面層まで変化する複数の応力緩和
した漸変層114を有する。
グ阻止構造120(WU_4)の機能ブロック図である。この構造は、Si0.66 Ge0.34の応力緩和した漸変層124を有する。
グ阻止構造130(WU_4)の機能ブロック図である。この構造は、基板表面
のSi0.97Ge0.03,3×1015cm-3BからSi0.66Ge0.34,4×1016c
m-3Bの表面層まで変化する複数の応力緩和した漸変層134を有する。
り応力緩和することが知られている。これらのエピ構造の低い漸変速度と十分な
厚さとにより、十分に応力緩和した表面膜が保証される。このようにして、漸変
バッファにより、応力緩和し、高品質で、高ゲルマニウム濃度の合金に関する、
以前には近寄れなかったエッチングの型のエッチング実験が可能となる。これま
で説明したように、従来の研究は、転位を最小にするために、仮像であるSi1- x Gex層または低濃度のゲルマニウムを取り扱うか、糸状転位で飽和したゲルマ
ニウム重合金を取り扱った。したがって、漸変技術によりSi1-xGex固溶体の
真性エッチング阻止特性を使用できる。
08cm-2のTDDを表す。図2は、構造110(WU_3)の断面TEMの顕
微鏡写真である。最上面は上右方向である。平行線(不整合転位)が漸変バッフ
ァの境界を定める。糸状転位は発見できず、このことが高い結晶品質を裏付ける
。ぼんやりした縦方向の帯は「等傾角干渉縞」(TEMのアーチファクト)であ
り、糸状転位ではない。
_3)および130(UHV_17)を裏付ける。これらの構造は、縦方向に等
しい方法で処理され、ほとんど欠陥を含まない。このように応力緩和した漸変構
造のTDDは、105〜106cm-2の範囲内に示された。漸変バッファを省略す
ることにより、構造120(WU_4)を意図的に処理し、図3に示すように、
有意に不完全とした。図3は、構造120(WU_4)の断面TEMの顕微鏡写
真である。最上面は右側である。図2と対比すると、この膜は糸状転位で飽和さ
れており、それにより、不十分な結晶品質が裏付けられる。これらの全ての4個
の試料中での不整合転位はこのような厚い上面層の下に埋められているので、上
面からのエッチングにとうてい影響を及ぼせない。
ぞれグラフ4及び5に示す。これらのドーパント濃度は純粋シリコンと純粋ゲル
マニウムとの移動度から示したように計算した。構成130(UHV_17)は
30%ゲルマニウムを含むので、真の硼素含量は、純粋シリコン線に近い間のど
こかに存在する。ともかく、硼素でドーピングすることは、エッチングを阻止す
るために必要な水準に近づいていないことは明白である。意図的な背景としての
nドーピングにより構造100中に抑制されたゲルマニウムを用いてポテンシャ
ルの相互作用あるいは相乗作用を研究するために、構造130をp型ドーピング
した。
ルマニウム濃度を同定し、最上面からエッチングすることによりエッチング速度
の値を得た。
すように、ゲルマニウムのエッチング速度の振る舞いを裏付け、閾値ゲルマニウ
ム濃度を16〜22%の範囲に狭めた。膜をn型にドーピングすることにより、
確実に硼素の影響が何ら生じないようにした。グラフの左側の丸い点で規定され
た段はエピ構造中の層を表す。左の縦軸は各層の深さを表し、右の縦軸は各層の
名目上のゲルマニウム濃度に関する。円弧は最初の溝表面であり、四角い点はエ
ッチングされた表面の跡を示す。
こかでエッチング速度がめざましく増大することは明らかであり、このことは、
ゲルマニウムの臨界濃度がその傍にあることを示している。
ように、ほぼ4.8〜5μmの深さでエッチングが目覚しく加速する。5%Ge
/μmの漸変速度で、閾値ゲルマニウム濃度が20%ゲルマニウムに近いことが
合理的に保証される。溝のそれぞれの側の輪郭を示す。低い方の棒は、そこで輪
郭が始まり、最初の溝の形状から偏倚し始める場所を示す。この点での深さは、
最上部の表面から4.8〜5.0μm下にあるように思われる。
、サイデル他から18.29μm/hrとして取得した。構造物100(WU_
2),110(WU_3),120(WU_4)及び130(UHV_17)を
表中に示す。18.29μmで正規化して図8にサイデル他の点に沿って実験デ
ータをグラフ化する。
WU_4)片の個々のエッチング速度中に、他の良好な試料よりも大きな評価す
べきばらつきが上下双方にあった。したがって、誤差棒を表記した。全てのデー
タの比較すると、格子不整合応力と高いTDDとから、構造120(WU_4)
の考慮できる表面粗さを多分咎めるべきであるという意見が支持される。かくし
て、漸変層の資料はこの問題を示さないので、漸変層はその有効性を既に証明し
ている。
エッチング阻止モデルの存在を暗示するだけでなく、新しいデータに対する信頼
を付け加える。さらに、EDPよりもより環境にやさしいKOHは、従来のp++ エッチング阻止物を有するEDPよりもSiGe合金と共により良いエッチング
阻止剤であるように思われる。
ンゲルマニウム合金が、最も大量に硼素でドーピングした材料と競合する例外的
なエッチング阻止物であるということは明白である。三つの異なったエッチング
技術と二つのエッチングシステム、KOH及びEDP、とがこのことを決定的に
示している。KOHゲルマニウム曲線の急勾配の部分の単一相対エッチング速度
との交点、サイデル他により定義されたいわゆる「臨界濃度」、は、ゲルマニウ
ムに対して、2×1021cm-3、すなわち4%であるように思われる。この値は
、硼素に対して彼らの「臨界濃度」よりもほぼ100倍大きいが、固体溶解性に
も電気的活動度にも限界がないのであるから、ゲルマニウムを用いてより高い選
択性を理論的に得ることができる。
3)及び130(UHV_17)から得られる実質的な選択性は、欠陥または異
なった原子半径により誘発される歪みがエッチング阻止動作の主たる原因ではな
いことを示している。
る応力緩和された材料であるWU_2、WU_3及びUHV_17からの優れた
結果は、再結合の中心として機能している格子欠陥が、ゲルマニウムまたは等電
位添加物のそれぞれとともにエッチング阻止動作を引き起こすという見解を否定
する。さらに、構造物120(WU_4)のエッチング速度をKOH−ゲルマニ
ウム傾向線と比較すると、高いTDDすらエッチング阻止に劇的に(全く無いに
しても)影響を及ぼしはせず、属性的方法でも影響を及ぼさないことを示す。
する直接的で魅力的な説明は、ここで引用することにより本願に組み入れられる
、アール・リーンクー(R.Leancu)(Sensors and Act
uators,A46−47(1995)35−37)により大要が述べられた
機構である。15〜30%のゲルマニウムに対して、異なった性質の純粋シリコ
ンの特性にどのようにゲルマニウムが影響を及ぼすかのみについて仮定するより
も、純粋ゲルマニウムのバルク特性から説明し換える方がより論理的に見える。
すなわち、ゲルマニウム原子はもはやドーパントではなく、むしろ最も真実の意
味での合金種であるのだから、ゲルマニウム原子にシリコン原子とまさに等しい
信用を付与すべきである。かくして、問題のシリコン−ゲルマニウム合金は、純
粋ゲルマニウムのエッチング特性からの明白な影響を示すべきであり、この影響
にはKOH中で低速であることも含まれる。
に混和性の二元性システムは、合金組成に対して、エッチング速度の線型依存性
を示すであろう。純粋ゲルマニウムを含む高いゲルマニウム濃度でのエッチング
速度データを用いずとも、図8に、このような場合は当て嵌まらないことが明白
に示されている。同一の趣旨に沿って、エッチング速度が単純に化学構造の結果
であるとすれば、すなわち、各元素の特性の結果であるとすれば、何故エッチン
グ阻止効果に対してゲルマニウムのある臨界濃度が存在するのかが不明である。
事実、非線形のプロットと臨界濃度とは、エッチング速度は、化学構造というよ
りもエネルギー帯構造の関数であることを示唆している。
グ阻止理論により描いた硼素−EDP曲線の形状に極めて類似しているが、傾斜
は必ずしもそうではないことを示している。ゲルマニウムKOHデータが、ゲル
マニウムには適用できないことを警告している完全に異なったモデルに基づいた
硼素−EDPデータにゲルマニウムKOHデータがほんのたまたま似ていたと創
造することは困難である。すなわち、形状が極めてよく一致するときに、ゲルマ
ニウムに対する真のエッチング阻止機構は、硼素に対する真のエッチング阻止機
構とは完全に無関係であることは有り得ない。
エネルギー体モデルを考える理由が存在する。第一に、Si1-xGexデータはp++ Si:Bデータと類似している。Si1-xGexデータは、臨界濃度と残りのエ
ッチング速度の指数法則依存性とを有し、p++Si:Bデータはエネルギー帯効
果により良く説明できる。これらの量において、ゲルマニウムは、シリコンのバ
ンド構造を著しく変化させることが知られている。さらに、ゲルマニウムのエッ
チング阻止に対して二つの可能な機構は、欠陥とエネルギー帯とであった。欠陥
により高められた再結合は、我々の漸変層の方法により除去できる。エネルギー
帯構造は、他の可能性に過ぎない。
温で0.66eVのエネルギーバンドギャップEgを有する。したがって、ゲル
マニウムをシリコンに添加すると、バンドギャップが減少する。すなわち、試料
WU_2、WU_3、WU_4およびUHV_17の状態である、無歪Si0.7
Ge0.3はほぼ1.04eVのエネルギーギャップを有している。ゲルマニウム
は、また、シリコンの4.05eVに対して小さな電子親和力χ=4.00eV
を有している。かくして、ゲルマニウムを組み込むことにより、電子親和力も同
様に減少する。ゲルマニウムが添加されるとき、バンドギャップと電子親和力が
減少し、それにより伝導帯中のポテンシャルの井戸と荷電子帯中のポテンシャル
障壁が減少する。
ルの距離である。Si1-xGexのバンドギャップは、ゲルマニウム濃度に対して
完全に線型には変化しないことが理解されている。しかし、ゲルマニウムの含量
を増やすに伴ってどのように電子親和力が減少するかは知られていない。それに
もかかわらず、上記二つの関数が線型に近似された場合には、bも大略ゲルマニ
ウムの濃度に線型に依存している。
衡電子及び正孔のそれぞれの量niおよびpiが増加する。
kはボルツマン定数、Tは温度である。この式を簡略化するために、NcとNv
とを定数で純粋シリコンに対する値に等しいと仮定する。再びEgのゲルマニウ
ム濃度への依存度が線型であると考えると、piは指数的にゲルマニウムの濃度
に関係する。
と障壁とは突き抜けを許すほど鋭くないと仮定する。このことは、浅い障壁を有
するSi1-xGexに対して特に当て嵌まる。さらに、表面の反転層はn型である
。そして、表面不活性化反応への正孔の供給がhである。hは、バルクからの正
孔の量であり、ポテンシャルの障壁を熱的に克服する量である。かくして、hは
ボルツマン活性化プロセスである。
hは全体としてゲルマニウム濃度に指数的に関係する。このことは、式[1]と
[2]を式[3]に代入することにより容易に理解できる。その結果、
チング処理を阻止するための臨界的な正孔濃度が存在する場合には、臨界的なゲ
ルマニウム濃度が観察される。
うに移動するにつれ、増大する。しかし、正孔濃度はpドーピングにより有意に
増大する。事実、この二つの効果は、互いに正確に相殺する。非本質的な場合に
は、平衡正孔濃度pは
る変化である。そこで、式[5]に式[3]中のpiを代入すると、Eg/2−EF が式[3]中でbの変化を正確に相殺する。かくして、非退縮ドーピングによ
り、hの値は
iGeエッチング阻止の大きな利点は、エッチ選択性がGe濃度のみに依存する
ということである。
、精査した。ゲルマニウム濃度(15〜17%)が、エッチング阻止選択性が減
少し始めるときの濃度に近かったため、構造物110(WU_3)は、SiGe
合金を用いて利用できる「最も硬い」エッチング阻止剤を提供はしなかった。こ
の結果は、図9に示すように、非常に有望である。図9はマイクロ機械加工され
た検査物900の上面の写真である。これらの低Ge濃度においてすら、図9の
検査物900のようなエッチングされた部分が可能である。均一層中でGe濃度
をより高くすれば(30%)、1000:1に近づく選択性を有する極めて硬い
エッチ阻止物が生じる。
ロ機械加工された実際の構造とから、十分なゲルマニウムを有する応力緩和され
たシリコン−ゲルマニウム合金は非常に優れたエッチング阻止物である。34%
ゲルマニウムに対応する1000に達する選択度が、<100>方向に対してK
OH中で得られた。これらの結果に対して、歪みも欠陥もその原因とはならない
。高い欠陥密度はSi1-xGexのエッチング速度に劇的な影響を及ぼさない。相
対エッチング速度をゲルマニウムの濃度に対してプロットすると、臨界濃度と残
りの速度の指数法則依存性を有するp++Si:Bデータと同一の形状となる。応
力緩和されたSiGe合金中でのエッチング阻止動作は、Ge濃度のみに関係付
けられたバンド構造中の変化に相関する。
エッチング選択性は、半導体/酸化物構造を形成するのに直接適用される。絶縁
体上シリコンを形成する一つの方法は、Siウエハーを、二酸化シリコンを塗布
した他のSiウエハー上に接着することである。ウエハーの一方が薄いときには
、二酸化シリコン/Si上のSiの薄層が作成される。このような構造は、Si
活性層がバルクSi基板から二酸化シリコン層に対して分離されているため、低
電力エレクトロニクス及び高速度エレクトロニクスで有用である。
ンドイッチの一方の側面を薄くすることが難しいことに有る。高い再生産性と高
い歩留りを得るために、全体のウエハーを均一にかつ非常に正確に薄くしなけれ
ばならない。埋め込まれた各阻止物はほとんど成功せずに使用されてきた。埋め
込まれても、歪んだSiGeの薄層が用いられ、しかし、最初の方で述べたよう
に、これらのエッチングは100よりはるかに小さいエッチング選択度を示し、
したがって、不十分である。
している。シリコンウエハー1002上の漸変SiGe層1004と均一な組成
層1004との構造物1000を、二酸化シリコン1012を塗布したシリコン
ウエハー1010を有する構造物1008に接着することにより、本発明のエッ
チング阻止物を、シリコンウエハー上に形成された二酸化シリコン上の非常に均
一で応力緩和されたSiGe合金を製作するのに用いることができる。この工程
を概略的に図10に示す。
ン基板1002と漸変層1004とが選択的に除去される。仕上がった構造物1
014は、絶縁物上のSiGe基板である。構造物1008は、ガラスやガラス
セラミックのようなバルク絶縁物質であっても良いことを認識すべきである。
た。新しいシステムは、現在の技術に対して多くの利点を提供する。ゲルマニウ
ムは、シリコンに対して等電位で、完全に可溶であり、その中でほとんど拡散し
ない。シリコン−ゲルマニウムの沈着物は酸化物に対して選択的である。欠陥は
、エッチング阻止効果を弱めない。このエッチング阻止物質は完全に非ドーピン
グであることができ、提案したバンド構造モデルに従って、非退縮ドーピングが
エッチング阻止行動に影響を及ぼさない。このことにより、信じられない有用性
と設計の柔軟性、特にマイクロエレクトロニクスを用いた集積が可能となる。こ
の目的のために、ゲルマニウムは、更に高いキャリア移動度を可能とする。
たは半導体基板)上の応力緩和したSiGe上に種々の歪んだSi電子素子を集
積するのに容易く用いることができる。このようなシステムの一つは絶縁基板上
のSiGe(SiGeOI)である。以下でこの工程の更に詳細な説明を行う。
X)およびウエハー接着(エッチングによる除去またはスマートカット(Sma
rt−Cut)の工程が続く)である。SIMOXは、酸素の注入と、それに続
く高温焼きなまし工程とを含み、その明らかな簡単さに故に魅力的である。この
技術は低Ge組成に対してある程度の成功を示したが、高Ge率に対し、特にS
i0.5Ge0.5に対して、Si1-xGexO2の熱力学的不安定さに起因して、埋め
込んだ酸化物構造が効果を示さなかった。簡単に述べれば、GeO2の揮発性の
性質によりGeが酸化物中に組み込まれず、したがって高いGeの部分に対して
適切な酸化物を形成するのには不十分なSi原子が存在する。他方では、SiG
eウエハーを酸化したハンドルウエハーに対してSiGeのウエハーを接着し続
いて過剰な材料を除去することを含む接着技術は、不安定な酸化物の問題を除い
て全てのGeの部分に適用できる。さらに、この手順は一般的であり、SiGe
を、全ての絶縁ウエハーを含む所望の基板上に作成できる。
〜11Fに示す。このプロセスは、成長の工程と張り合わせの工程とに分けられ
る。成長の工程は、(a)CMPが続く応力緩和したSiGe漸変バッファのU
HVCVD成長、及び(b)歪んだSi(ε−Si)及びSiGe接着層の再成
長である。張り合わせの工程は、(c)絶縁基板へのウエハーの張り合わせ、(
d)背面の研削、(e)漸変層中でのSiエッチング阻止、および(f)歪んだ
Si上でのSiGeエッチング阻止である。
5μmの組成的に漸変するSiGeバッファ1102をUHVCVD反応器を用
いて900℃でSi基板1100上に沈着した。この漸変バッファは糸状転位を
最小化し、不整合が漸変層中だけに存在し、均一組成のキャップ中には存在しな
いように保証する。しかし、これらの下にある不整合は、なお、成長の間表面の
クロスハッチを形成してしまう歪み場を生成する。このウエハーの接着を妨げる
表面粗さを除去するために、ノマルスキー顕微鏡法を用いてクロスハッチが最早
見えなくなるまで(化学機械研磨CMPを用いて)ウエハーを研磨した。
Siから成る歪んだSi構造1104を研磨したSiGeウエハー上に650℃
でUHVCVDにより成長させた。低い成長温度により最小の表面交換と相互拡
散とが保証され、Si層とSiGe層との間の鋭い界面を保証する。歪んだSi
層は最終エッチングステップの間エッチング阻止物として作用し、歪んだSiチ
ャンネルのための厚さの要求と表面粗さの制約とに応じる。この歪んだSi層は
、またなんとかMOSFET素子チャンネルとしても用いられ得る。
的に酸化したSiウエハー1108に接着した。適当な接着を保証するために、
ウエハー上に疎水性の接着前洗浄を行った。SCI層がGeをエッチングし、し
たがってSiGe表面を粗くしてしまうので、標準的なRCA洗浄は、接着保証
のためには用いることができない。その代わりに、50:1HFへの30秒間の
浸漬を伴うピラニア洗浄(10分間)を用いた。このピラニア洗浄では、表面の
疎水性は残る。このような洗浄では、適切な温度での引き続く焼きなましの後で
、親水性の洗浄よりもより強く接着できることが分かった。さらに、水の界面で
の粒子のため、(図12AのIR画像中に示したように)内在する気孔が無いこ
とを保証するために、ウエハーは、また、極めて清潔な環境中で接着しなければ
ならない。
り強い接着が保証されるが、その温度はGeの、歪んだSi層中への拡散を最小
にするのに十分なだけ低い。さらに、この温度で2時間焼きなますことにより、
最初の焼きなましの間に形成される内在する水素の気孔が拡散できる。その結果
、焼きなまし後のウエハー対には気孔が存在しないことを赤外線映像を用いて見
出した。マスザラ(Maszara)かみそり試験技術(図13B)を用いて推
定した部分表面エネルギーは3.7J/m2(この値は酸化物接着に対するSi
について見出された表面部分エネルギーと同様である)であった。この気孔が存
在しないことにより、層間剥離の危険を有しなで、他の材料処理を行うのに全く
十分なだけ接着が強いことが表明される。
面を保護ため、窒化物を用いて塗布した。SiGeウエハーの背面を次に111
2として研削し、ほぼ450μm除去し、そして第一のエッチングを1114で
ウエハー上で行い、残りのSiをSiGeウエハーから除去した。シリコンを侵
襲してSiGeを侵襲しない全てのエッチング剤(例えばKOH,TMAH)を
使用できる。例えば、KOH混合物(水中での重量によりKOH30%)を80
℃で2時間エッチングを行うことを採用でき、その後背面のSiをSiGeウエ
ハーから除去する。概略20%より高いGeの組成を有する応力緩和したSi1- x GexをKOHエッチングは重大には侵襲しない。ここで、純粋Siまたは歪ん
だSiGeに基づいた構造とは異なり、応力緩和したSiGe層は自然のエッチ
ング阻止物を提供し、かくしてp++阻止層の必要性を軽減する。エッチング阻止
性能に関して独立の変数としてのドーピングの柔軟性は、素子層を異なった用途
のために設計する上で重要である。例えば、p++層はRF用途においては望まし
くない。
歪んだSi層1104上で停止する。このエッチングの有効成分は、全てのGe
酸化剤(例えば、H2O2、HNO3、低温湿式酸化剤)からなり、酸化物剥ぎ取
り剤(例えばHF)と結合している。例えば、低温度(650℃〜750℃)湿
式酸化は、図13に示すように、Siよりはるかに速い速度でSiGeを酸化す
ることが分かった。すなわち、700℃1時間の酸化でSi0.75Ge0.25は2.
5nm/minの速度で酸化し、反対にSiは大略100倍小さい酸化速度を有
している。引き続くHFへの浸漬との組み合わせで、上述の酸化を、Si上で止
まりながらSiGeの非常に薄い層を取り除くのに使用できる。
1:2:3)溶液がある。この溶液は、(Siのエッチングが20%Ge領域の
近くで停止する停止する場合に)、ほぼ30分のエッチング時間を有する。この
溶液は、非常に高い選択度でSiGeを選択的にエッチングする。特に、応力緩
和されたSi0.75Ge0.25対Siの場合は、選択度は大略300となる。例証の
目的で、12nmの歪んだSi上の応力緩和された400nmのSi0.75Ge0. 25 から成る試験試料を部分的にマスクし、プロフィルメーターを使用してエッチ
ング深さ対時間を測定した。図14の結果は高い選択性を明白に示しており、さ
らにSi0.75Ge0.25の表面層のエッチング速度が比較的高いことを示している
。常用な観察点は、この溶液は、歪んだSi阻止層上の転位糸をエッチングし、
窪みを生じ、このことが次に、エッチング時間が延びた場合に歪んだSi層中に
尾部を生じるということである。
を示している。糸状転位のような構造上の欠陥は、SiGe層の断面TEM中に
何ら観察されなかった。105cm-2の範囲の低密度の糸を、成長したSiGe
及び接着されたSiGeの両者のEDP(エッチング窪み密度)によって確認し
た。このことは、提案したプロセスにより糸状転位の実質的な増加が存在しない
ことを証明する。このことは、埋め込まれる物質システムに応じて多くの追加的
欠陥を生じる可能性のあるSIMOXと対照をなす。特に、種々のGe部分の埋
め込まれたSiGeに対する糸状転位はまだ文献中に報じられていない。
さは略1.0nm、最大の頂上対谷の値が6.4nmであると検出された。この
ことは、HF:H2O2:CH3COOH(1:2:3)SiGeエッチングは良
好な選択性を有するが、それは歪んだSi層をかなり粗く残すということを示し
ている。したがって、このエッチングを使う場合には、表面の粗さが阻止の特性
に影響を及ぼす可能性があるので、Siエッチング阻止層は阻止のチャンネルと
して二つ折りになるのに十分なだけは滑らかではないかもしれない。このような
場合には、最も速く最も一般的な方法は、単純にKOHを用いてSiエッチング
阻止層を除去するか、用いられているGe組成に対して選択的である何らかの他
のSiエッチングを要求する。そして、所望の阻止構造をSiGeOI基板上に
成長させることができ、それには歪んだSi表面チャンネルまたは他のより複雑
な構造が含まれる。
を接着構造中に組み込むことを含むであろう。どちらの方法も我々の柔軟な接着
/エッチング除去プロセスを用いて容易に達成できる。この一般的な方法を用い
ると、絶縁基板(またはその物質、全ての基板)の利益を、SiGeの厚さ、G
eの組成、絶縁基板の厚さ、または型に関する何の制約もなしに、容易に全ての
SiGe素子に適用できる。
と範囲から離れることなく、その形状及び詳細に種々の変形、省略、追加を行な
うことが可能である。
ピタキシャルSiGeエッチング阻止構造の機能ブロック図である。
ピタキシャルSiGeエッチング阻止構造の機能ブロック図である。
ピタキシャルSiGeエッチング阻止構造の機能ブロック図である。
ピタキシャルSiGeエッチング阻止構造の機能ブロック図である。
での34%KOH中の<100>真正シリコンに対するエッチング速度を示すグ
ラフである。
る。
孔の存在しない接着、及び焼きなましに先立って酸化物に接着されたSiGeに
対するマスザラ表面エネルギー試験によるクラックの例証である。
孔の存在しない接着、及び焼きなましに先立って酸化物に接着されたSiGeに
対するマスザラ表面エネルギー試験によるクラックの例証である。
る、酸化物の厚さ対酸化時間のグラフである。
H3COOH(1:2:3)溶液を用いたエッチング結果を示すグラフである。
鏡写真である。
ッチングした後のSiGeOI構造中の残留する歪んだSi層の原子力顕微鏡表
面像である。
Claims (111)
- 【請求項1】 単結晶Si基板上で使用するための単結晶エッチング阻止層
システムであって、 Si1-xGexのほぼ応力緩和された漸変層と、 ほぼ応力緩和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層とを備えたことを
特徴とする単結晶エッチング阻止層システム。 - 【請求項2】 請求項1記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 x<0.20であることを特徴とするシステム。
- 【請求項3】 請求項1記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 y>0.19であることを特徴とするシステム。
- 【請求項4】 請求項1記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 x<0.20およびy>0.19であることを特徴とするシステム。
- 【請求項5】 請求項1記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 前記Si1-yGey層が第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム
。 - 【請求項6】 請求項5記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 前記第2の基板がSiより成ることを特徴とするシステム。
- 【請求項7】 請求項5記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 前記第2の基板がガラスより成ることを特徴とするシステム。
- 【請求項8】 請求項5記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 前記第2の基板が石英より成ることを特徴とするシステム。
- 【請求項9】 請求項5記載の単結晶エッチング阻止層システムであって、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2層を備えたことを特徴とするシ
ステム。 - 【請求項10】 請求項5記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項11】 請求項6記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項12】 請求項7記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項13】 請求項8記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項14】 請求項9記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項15】 請求項1記載の単結晶エッチング阻止層システムであって
、 前記SiO2層は前記Si1-yGey層上に堆積していることを特徴とするシス
テム。 - 【請求項16】 請求項15記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記SiO2層が第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項17】 請求項16記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とする
システム。 - 【請求項18】 請求項16記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板がガラス基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシス
テム。 - 【請求項19】 請求項16記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が石英基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシステ
ム。 - 【請求項20】 請求項16記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項21】 請求項17記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項22】 請求項18記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項23】 請求項19記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項24】 請求項10記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項25】 請求項11記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項26】 請求項12記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項27】 請求項13記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項28】 請求項14記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項29】 請求項20記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項30】 請求項21記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項31】 請求項22記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項32】 請求項23記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 表面が平坦化されたことを特徴とするシステム。 - 【請求項33】 単結晶Si基板上で使用するための単結晶エッチング阻止
層システムであって、 Si1-xGexのほぼ応力緩和された漸変層と、 ほぼ応力緩和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層と、 歪んだSi1-zGez層とを備えたことを特徴とする単結晶エッチング阻止層シ
ステム。 - 【請求項34】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 z<yであることを特徴とするシステム。 - 【請求項35】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 y>0.18であることを特徴とするシステム。 - 【請求項36】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 y>0.18およびz<yであることを特徴とするシステム。 - 【請求項37】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 y>0.18およびz=0であることを特徴とするシステム。 - 【請求項38】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記Si1-zGezが第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項39】 請求項38記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、前記第2の基板がSiから成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項40】 請求項38記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、前記第2の基板がガラスから成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項41】 請求項38記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が石英より成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項42】 請求項38記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2層を備えたことを特徴とするシ
ステム。 - 【請求項43】 請求項38記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項44】 請求項39記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項45】 請求項40記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項46】 請求項41記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項47】 請求項42記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項48】 請求項33記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記SiO2層は前記Si1-zGez層上に堆積していることを特徴とするシス
テム。 - 【請求項49】 請求項48記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記SiO2層が第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項50】 請求項49記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とする
システム。 - 【請求項51】 請求項49記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板がガラス基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシス
テム。 - 【請求項52】 請求項49記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が石英基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシステ
ム。 - 【請求項53】 請求項49記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項54】 請求項50記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項55】 請求項51記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項56】 請求項52記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項57】 単結晶Si基板上で使用するための単結晶エッチング阻止
層システムであって、 Si1-xGexのほぼ応力緩和された漸変層と、 ほぼ応力緩和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層と、 歪んだSi1-zGezの第2のエッチング阻止層と、 ほぼ応力緩和されたSi1-wGew層とを備えたことを特徴とする単結晶エッチ
ング阻止層システム。 - 【請求項58】 請求項57記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 y−0.05<w<y+0.05であることを特徴とするシステム。 - 【請求項59】 請求項57記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 w=yであることを特徴とするシステム。 - 【請求項60】 請求項57記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記Si1-wGewが第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項61】 請求項60記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、前記第2の基板がSiから成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項62】 請求項60記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、前記第2の基板がガラスから成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項63】 請求項60記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が石英より成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項64】 請求項60記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2層を備えたことを特徴とするシ
ステム。 - 【請求項65】 請求項60記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項66】 請求項61記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項67】 請求項62記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項68】 請求項63記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項69】 請求項64記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項70】 請求項57記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記SiO2層は前記Si1-wGew層上に堆積していることを特徴とするシス
テム。 - 【請求項71】 請求項70記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記SiO2層が第2の基板に接着されていることを特徴とするシステム。 - 【請求項72】 請求項70記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が第2のSi基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とする
システム。 - 【請求項73】 請求項70記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板がガラス基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシス
テム。 - 【請求項74】 請求項70記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第2の基板が石英基板上にSiO2の層を備えたことを特徴とするシステ
ム。 - 【請求項75】 請求項70記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項76】 請求項71記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項77】 請求項72記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項78】 請求項73記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項79】 請求項74記載の単結晶エッチング阻止層システムであっ
て、 前記第1のSi基板と漸変層とがほぼ取り除かれたことを特徴とするシステム
。 - 【請求項80】 素子または層を集積する方法であって、 Si1-xGexのほぼ応力緩和された漸変層をSi基板上に堆積させる工程と、 ほぼ応力緩和されたSi1-yGeyの均一なエッチング阻止層を前記漸変バッフ
ァ上に堆積させる工程と、 前記エッチング阻止層を応力緩和するために前記基板と前記漸変バッファ層と
の一部をエッチングする工程とを備えたことを特徴とする方法。 - 【請求項81】 請求項80記載の方法であって、 x<0.20であることを特徴とする方法。
- 【請求項82】 請求項80記載の方法であって、 y>0.19であることを特徴とする方法。
- 【請求項83】 請求項80記載の方法であって、 x<0.20およびy>0.19であることを特徴とする方法。
- 【請求項84】 請求項80記載の方法であって、 前記エッチング阻止層を応力緩和するのに使用するエッチング剤がKOHであ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項85】 請求項80記載の方法であって、 前記エッチング阻止層を応力緩和するのに使用するエッチング剤がTMAHで
あることを特徴とする方法。 - 【請求項86】 請求項80記載の方法であって、 前記エッチング阻止層を応力緩和するのに使用するエッチング剤がEDPであ
ることを特徴とする方法。 - 【請求項87】 請求項80記載の方法であって、 エッチング阻止は応力緩和され、前記エッチング阻止層は平坦化されているこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項88】 請求項87記載の方法であって、 平坦化の方法は、化学機械研磨(CMP)であることを特徴とする方法。
- 【請求項89】 素子または層を集積する方法であって、 Si1-xGexのほぼ応力緩和された漸変層をSi基板上に堆積させる工程と、 ほぼ応力緩和されたSi1-yGeyの均一な第1のエッチング阻止層を前記漸変
バッファ上に堆積させる工程と、 歪んだSi1-zGezの第2のエッチング阻止層を堆積させる工程と、 ほぼ応力緩和されたSi1-wGew層を堆積させる工程と、 前記第1のエッチング阻止層を応力緩和するために前記基板と前記漸変バッフ
ァ層との一部をエッチングする工程と、 前記第2のエッチング阻止Si1-zGez層を応力緩和するために前記残留漸変
バッファの一部をエッチングする工程とを備えたことを特徴とする方法。 - 【請求項90】 請求項89記載の方法であって、 前記第2のエッチング阻止層を応力緩和するために使用するエッチング剤が酸
化剤と酸化物剥離剤とを備えたことを特徴とする方法。 - 【請求項91】 請求項90記載の方法であって、 前記酸化剤が、Siよりはるかに早くGeを酸化することを特徴とする方法。
- 【請求項92】 請求項90記載の方法であって、 前記酸化剤がH2O2を有することを特徴とする方法。
- 【請求項93】 請求項90記載の方法であって、 前記剥離剤がHFを有することを特徴とする方法。
- 【請求項94】 請求項90記載の方法であって、 前記酸化剤がH2O2を有し、前記剥離剤がHFを有することを特徴とする方法
。 - 【請求項95】 請求項94記載の方法であって、 前記希釈剤がCH3COOHを含むことを特徴とする方法。
- 【請求項96】 請求項95記載の方法であって、 前記エッチング剤中の化学物質の割合は(HF:H2O2:CH3COOH)が
(1:2:3)であることを特徴とする方法。 - 【請求項97】 請求項89記載の方法であって、 前記酸化剤がSi1-xGex及びSi1-yGeyを選択的に酸化し、それによりS
i1-zGezに関するエッチング阻止物として動作することを特徴とする方法。 - 【請求項98】 請求項97記載の方法であって、 前記湿式酸化剤の温度が摂氏750度より低いことを特徴とする方法。
- 【請求項99】 請求項97記載の方法であって、 酸化された層をHFと水の溶液により除去することを特徴とする方法。
- 【請求項100】 請求項98記載の方法であって、 酸化された層をHF溶液により除去することを特徴とする方法。
- 【請求項101】 請求項90記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項102】 請求項91記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項103】 請求項92記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項104】 請求項93記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項105】 請求項94記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項106】 請求項95記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項107】 請求項96記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項108】 請求項97記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項109】 請求項98記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項110】 請求項99記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。 - 【請求項111】 請求項100記載の方法であって、 前記Si1-zGez層を前記Si1-wGew層に関する選択エッチング剤を用いて
ほぼ除去することを特徴とする方法。
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