JP2004342815A - Method of producing semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の製造方法、より詳細には、SiGe層を有する半導体基板の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、シリコン基板上に、SiGe層を介してSiをエピタキシャル成長させた歪Si層をチャネル領域に用いた高速デバイスが提案されている。
この歪Si層は、Siに比べて格子定数が大きいSiGeに引っ張られて歪を生じており、これにより、Siのバンド構造が変化し、縮退が解けて、キャリア移動度が増大する。
よって、この歪Si層をチャネル領域に用いることにより、バルクSiを用いた場合の1.5倍以上のキャリア移動の高速化が可能となる。
【0003】
上記のような歪Si層を、転位が生じることなく得るためには、シリコン基板上に転位密度が低いSiGe層をエピタキシャル成長させる必要がある。
しかしながら、SiとSiGeは格子定数が異なることから、格子不整合により転位が発生し、その影響が歪Si層にまで及び、その結果、デバイス活性層である歪Si層において、転位が生じるという問題があった。
【0004】
これに対しては、従来は、エピタキシャル成長の過程において、SiGe層中のGe濃度を段階的に増加させる組成傾斜層を形成することにより、転位の発生を防止する方法が採用されていた(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
しかしながら、この方法でも、トランジスタの動作不良を防止するほどの転位の低減化を図ることは困難であった。
また、Ge濃度を段階的に増加させるため、SiGe層の厚さが約3μmと非常に厚いものとなり、このような厚いSiGe層のエピタキシャル成長には時間を要し、生産効率、コストの面においても劣っていた。
【0006】
上記課題に対しては、さらに、シリコン基板表面にV字状の溝を形成した後、SiGe層をエピタキシャル成長させることにより、SiGe層中の転位密度を低減させるという提案がなされている(特許文献2参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開平6−252046号公報
【特許文献2】
特開2002−359189号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記のシリコン基板表面に溝を形成する方法は、SiGe層成膜中に発生した転位が、前記溝側面で抜けて消滅するため、SiGe層中の転位密度を低減させることができるというものである。
【0009】
しかしながら、上記方法においては、エピタキシャル成長により形成されるSiGe層も、薄層であるほど、SiC基板表面に形成されたV字状の溝と同様に、溝を有する状態で形成されやすかった。このため、デバイス領域は溝が形成された以外の部分に制限され、パターン設計上も制約され、デバイス形成時に無駄が生じやすいものであった。
【0010】
したがって、基板が溝により分断されることなく、全体を有効に活用することができることが望ましく、すなわち、SiGe層における転位の発生を抑制し、かつ、自由なパターン設計が可能となるように、SiGe層表面全体が平坦に形成されることが求められていた。
【0011】
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、SiGe層を有する半導体基板の製造方法において、SiGe層の薄層化、かつ、転位密度の低減化を図ることができ、しかも、SiGe層表面が平坦化された半導体基板の製造方法を提供することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体基板の製造方法は、結晶方位<111>のシリコン基板表面に、面方位(001)を有する窪みを形成した後、前記シリコン基板上にSiGe層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
上記方法によれば、格子不整合により発生する転位を窪みの内部で終端させることができるため、SiGe層の薄層化およびSiGe層表面における転位密度の低減化を図ることができる。
【0013】
前記窪みは、アルカリエッチングにより形成されることが好ましい。
アルカリ溶液による化学的研磨(ケミカルポリッシング)処理によれば、その特徴である異方性により、上記のような特定方位の窪みをnmオーダーで容易に形成することができる。
【0014】
また、本発明に係る半導体基板の製造方法は、前記SiGe層上に、さらに、Si層を形成することを特徴とする。
このようにして形成された半導体基板におけるSi層は、転位密度の低い歪Si層として得ることができ、キャリア移動度の高速化を図ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る半導体基板の製造方法は、結晶方位<111>のシリコン基板表面に、面方位(001)を有する窪みを形成し、その表面にSiGe層をエピタキシャル成長させるものである。
上記製造方法によれば、SiとSiGeとの格子不整合により発生する転位を、シリコン基板表面に形成された窪みの内部で終端させることができ、SiGe層表面にまで及ぶような貫通転位の密度の低減化を図ることができる。
したがって、SiGe層上に、さらに、歪Si層を形成させる場合においても、貫通転位を抑制するために、従来は、組成傾斜層等によりμmオーダーの厚さを要していたSiGe層を、nmオーダーにまで薄層化させることができる。
【0016】
本発明に係る製造方法においては、結晶方位<111>のシリコン基板を用い、その表面に面方位(001)を有する窪みを形成する。
本発明に係る製造方法においては、シリコン基板および窪みの面方位を上記のように特定することにより、基板と窪みの面方位との差が、SiGe層のエピタキシャル成長速度に表れ、SiGe層が薄膜であっても、表面形状が平坦に形成される。
【0017】
図1に、前記シリコン基板1に形成される窪み2を模式的に示す。図1(a)は断面図であり、図1(b)は上面図である。
また、図3に、図1に示すような窪み2が形成されたシリコン基板1表面に、SiGe層3をエピタキシャル成長させた場合を段階的に示す。
図3に示すように、本発明によれば、SiGe層3が薄膜であっても、シリコン基板1に形成された窪み2の形状が、SiGe層3の表面には反映されることなく、平坦な表面を容易に得ることができる。
このようなSiGe層3の表面の平坦化は、前記窪み2の面に対しては、各面方向でSiGe層3のエピタキシャル成長速度が異なり、(001)面のエピタキシャル成長速度が<111>面のそれよりも大きいこと、また、積層することによる形状のダレ(緩和)が要因となっている。
【0018】
図2に、シリコン基板1表面に形成された窪み2による転位制御の様子を模式的に示す。
図2に示すように、通常の平坦なシリコン基板においては、SiとSiGeとの格子不整合により発生した転位が、SiGe層3の表面にまで貫通してしまう。
一方、シリコン基板1表面に窪み2が形成されている場合には、該窪み2の部分で発生した転位は、窪み2の面で終端し、SiGe層3の表面にまで貫通する転位を抑制することができる。
【0019】
上記のように窪みは転位をその内部において終端させる役割を果たすものであり、このため、窪みのサイズは、1〜10nmオーダーであることが好ましい。
【0020】
前記シリコン基板表面の窪みは、アルカリエッチングにより形成することが好ましい。
このようなアルカリ溶液を用いた化学的研磨(ケミカルポリッシング)処理によれば、その特徴である異方性により、結晶方位<111>のシリコン基板表面に、面方位(001)を有する窪みをnmオーダーで容易に形成することができる。
【0021】
前記アルカリエッチングの処理時間は、上記のような窪みを形成するためには、3分間以上であることが好ましく、より好ましくは、10分間以上である。
なお、アルカリエッチングに用いられる溶液の種類および濃度、エッチング処理時間は、シリコン基板表面に形成する窪みのサイズ、密度等に応じて適宜調整される。
【0022】
前記アルカリエッチング処理の後は、通常の処理と同様に、SiGe層をエピタキシャル成長させる前に、鏡面加工(ミラーラッピング)処理を行うが、その際、先に形成した窪みを残すように処理する。
【0023】
上記のようにして形成されたSiGe層上には、Si層を積層させることにより、転位密度の低い歪Si層を形成することができる。
上述したように、転位密度の低い歪Si層を形成した基板においては、該歪Si層は、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。
【0024】
【実施例】
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1]
結晶引上げ後、ラッピング加工された結晶方位<111>を有するシリコン基板表面を、10%水酸化ナトリウム溶液で3分間ケミカルポリッシング処理を行った。このアルカリエッチングにより、シリコン基板表面に、面方位(001)を有する窪みが形成された。
このシリコン基板を、前記窪みを残す程度にミラーラッピング処理し、表面上の窪みの密度を測定した。
得られたシリコン基板上に、SiGe層(Si:70%、Ge:30%;厚さ200nm)をエピタキシャル成長させて、さらに、歪Si層(厚さ20nm)をエピタキシャル成長させた。
前記歪Si層の表面は平坦であった。
上記により得られた基板をSeccoエッチングし、歪Si層表面のエッチピット密度(EPD:Etch Pit Density)を評価した。
これらの結果を表1に示す。
【0025】
[実施例2〜4]
表1の実施例2〜4に示す水酸化ナトリウム溶液の濃度、エッチング時間とし、それ以外については、実施例1と同様にして、アルカリエッチングを行ったところ、シリコン基板表面に、面方位(001)を有する窪みが形成された。
これらの各シリコン基板を、前記窪みを残す程度にミラーラッピング処理し、表面上の窪みの密度を測定した。
得られた各シリコン基板上に、実施例1と同様にして、SiGe層および歪Si層をエピタキシャル成長させた。
前記歪Si層の表面はいずれも平坦であった。
上記により得られた各基板をSeccoエッチングし、歪Si層表面のEPDを評価した。
これらの結果を表1に示す。
【0026】
[比較例1]
結晶引上げ後、ラッピング加工された結晶方位<111>を有するシリコン基板上に、実施例1と同様にして、SiGe層および歪Si層をエピタキシャル成長させた。
上記により得られた基板をSeccoエッチングし、歪Si層表面のEPDを評価した。
この結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
表1から分かるように、シリコン基板表面の窪みの密度を増加させることにより、EPD、すなわち、歪Si層の転位が抑制されることが認められた。
また、シリコン基板の窪み部分は、エピタキシャル成長させたSiGe層表面においては窪みが残っておらず、表面全体が平坦に形成されていた。
【0029】
【発明の効果】
本発明に係る製造方法によれば、SiGe層の薄層化、かつ、転位密度の低減化を図ることができ、しかも、SiGe層表面が平坦化された半導体基板が得られる。これにより、SiGe層を有する半導体基板の生産コストの削減、生産効率の向上を図ることも可能となる。
また、本発明に係る製造方法により得られたSi層を有する半導体基板を用いれば、転位密度の低い高品質の歪Si層が形成されているため、これをチャネル領域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ることとなり、半導体素子のより一層の微細化、高性能化等に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】シリコン基板に形成される窪みを模式的に示したものであり、(a)は断面図、(b)は上面図である。
【図2】シリコン基板表面に形成された窪みによる転位制御の様子を模式的に示した断面図である。
【図3】窪みが形成されたシリコン基板表面へのSiGe層のエピタキシャル成長を段階的に示した断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 窪み
3 SiGe層
4 転位[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor substrate having a SiGe layer.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a high-speed device using a strained Si layer obtained by epitaxially growing Si on a silicon substrate via a SiGe layer as a channel region has been proposed.
This strained Si layer is strained by being pulled by SiGe having a larger lattice constant than Si, whereby the band structure of Si is changed, degeneracy is released, and carrier mobility is increased.
Therefore, by using this strained Si layer for the channel region, the speed of carrier movement can be 1.5 times or more as high as that when bulk Si is used.
[0003]
In order to obtain such a strained Si layer without dislocations, it is necessary to epitaxially grow a SiGe layer having a low dislocation density on a silicon substrate.
However, since Si and SiGe have different lattice constants, dislocations are generated due to lattice mismatch, which affects the strained Si layer, and as a result, dislocations occur in the strained Si layer which is a device active layer. was there.
[0004]
On the other hand, conventionally, a method of preventing the occurrence of dislocation by forming a composition gradient layer that gradually increases the Ge concentration in the SiGe layer in the process of epitaxial growth has been adopted (for example, Patent Document 1).
[0005]
However, even with this method, it has been difficult to reduce the number of dislocations so as to prevent a malfunction of the transistor.
In addition, since the Ge concentration is increased stepwise, the thickness of the SiGe layer becomes very thick, about 3 μm, and it takes time for the epitaxial growth of such a thick SiGe layer, and also in terms of production efficiency and cost. Was inferior.
[0006]
In order to solve the above problem, it has been proposed to reduce the dislocation density in the SiGe layer by forming a V-shaped groove on the surface of the silicon substrate and then epitaxially growing the SiGe layer (Patent Document 2). reference).
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-6-252046 [Patent Document 2]
JP-A-2002-359189
[Problems to be solved by the invention]
The above-described method of forming a groove on the surface of a silicon substrate is capable of reducing the dislocation density in the SiGe layer because the dislocation generated during the film formation of the SiGe layer escapes on the side surface of the groove and disappears. .
[0009]
However, in the above method, as the SiGe layer formed by epitaxial growth is thinner, it is more likely to be formed with a groove, like the V-shaped groove formed on the surface of the SiC substrate. For this reason, the device region is limited to a portion other than the portion where the groove is formed, and the pattern design is also restricted.
[0010]
Therefore, it is desirable that the substrate can be effectively utilized without being divided by the groove. That is, the SiGe layer is formed so as to suppress the occurrence of dislocations in the SiGe layer and to enable a free pattern design. It has been required that the entire layer surface be formed flat.
[0011]
The present invention has been made to solve the above technical problem, and in a method for manufacturing a semiconductor substrate having a SiGe layer, a SiGe layer can be made thinner and a dislocation density can be reduced, Moreover, it is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor substrate having a planarized SiGe layer surface.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention is characterized in that a depression having a plane orientation (001) is formed on the surface of a silicon substrate having a crystal orientation <111>, and then a SiGe layer is epitaxially grown on the silicon substrate. .
According to the above method, dislocations generated due to lattice mismatch can be terminated inside the depressions, so that the thickness of the SiGe layer can be reduced and the dislocation density on the surface of the SiGe layer can be reduced.
[0013]
Preferably, the depression is formed by alkali etching.
According to the chemical polishing (chemical polishing) treatment using an alkali solution, the above-mentioned depression in a specific direction can be easily formed on the order of nm due to the anisotropy characteristic of the treatment.
[0014]
Further, the method of manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention is characterized in that a Si layer is further formed on the SiGe layer.
The Si layer in the semiconductor substrate formed in this manner can be obtained as a strained Si layer having a low dislocation density, and the carrier mobility can be increased.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
In the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention, a depression having a plane orientation (001) is formed on the surface of a silicon substrate having a crystal orientation <111>, and a SiGe layer is epitaxially grown on the surface.
According to the above manufacturing method, the dislocation generated by the lattice mismatch between Si and SiGe can be terminated inside the depression formed on the surface of the silicon substrate, and the density of threading dislocation extending to the surface of the SiGe layer can be reduced. Can be reduced.
Therefore, even when a strained Si layer is further formed on the SiGe layer, in order to suppress threading dislocations, the SiGe layer, which conventionally required a thickness of μm order by a composition gradient layer or the like, is changed to nm. It can be thinned to the order.
[0016]
In the manufacturing method according to the present invention, a depression having a plane orientation (001) is formed on the surface of a silicon substrate having a crystal orientation <111>.
In the manufacturing method according to the present invention, by specifying the plane orientation of the silicon substrate and the recess as described above, the difference between the plane orientation of the substrate and the recess appears in the epitaxial growth rate of the SiGe layer, and the SiGe layer is formed as a thin film. Even if there is, the surface shape is formed flat.
[0017]
FIG. 1 schematically shows a
FIG. 3 shows, in a stepwise manner, the case where the
As shown in FIG. 3, according to the present invention, even if the
Such planarization of the surface of the
[0018]
FIG. 2 schematically shows a state of dislocation control by the
As shown in FIG. 2, in a normal flat silicon substrate, dislocations generated due to lattice mismatch between Si and SiGe penetrate to the surface of the
On the other hand, when the
[0019]
As described above, the depression plays a role of terminating the dislocation inside the dislocation, and therefore, the size of the depression is preferably on the order of 1 to 10 nm.
[0020]
Preferably, the depression on the surface of the silicon substrate is formed by alkali etching.
According to such chemical polishing (chemical polishing) using an alkaline solution, a depression having a plane orientation (001) is formed on the surface of a silicon substrate having a crystal orientation <111> by nm due to the anisotropy characteristic of the treatment. It can be easily formed in order.
[0021]
The processing time of the alkali etching is preferably at least 3 minutes, more preferably at least 10 minutes, in order to form the above-mentioned depression.
Note that the type and concentration of the solution used for the alkaline etching and the etching time are appropriately adjusted according to the size and density of the dents formed on the silicon substrate surface.
[0022]
After the alkali etching treatment, a mirror finishing (mirror lapping) treatment is performed before epitaxial growth of the SiGe layer, as in a normal treatment. At this time, the treatment is performed so as to leave the previously formed depression.
[0023]
By stacking a Si layer on the SiGe layer formed as described above, a strained Si layer having a low dislocation density can be formed.
As described above, in a substrate on which a strained Si layer having a low dislocation density is formed, the strained Si layer achieves high-speed carrier movement, and can be used as a substrate suitable for forming a high-speed device.
[0024]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
After the crystal was pulled, the lapping-processed silicon substrate surface having the crystal orientation <111> was subjected to a chemical polishing treatment with a 10% sodium hydroxide solution for 3 minutes. By this alkali etching, a depression having a plane orientation (001) was formed on the surface of the silicon substrate.
This silicon substrate was subjected to a mirror lapping treatment so as to leave the depression, and the density of the depression on the surface was measured.
On the obtained silicon substrate, a SiGe layer (Si: 70%, Ge: 30%; thickness: 200 nm) was epitaxially grown, and further, a strained Si layer (thickness: 20 nm) was epitaxially grown.
The surface of the strained Si layer was flat.
The substrate obtained as described above was subjected to Secco etching, and the etch pit density (EPD: Etch Pit Density) on the surface of the strained Si layer was evaluated.
Table 1 shows the results.
[0025]
[Examples 2 to 4]
The alkali etching was performed in the same manner as in Example 1 except that the concentration of the sodium hydroxide solution and the etching time shown in Examples 2 to 4 in Table 1 were used. ) Was formed.
Each of these silicon substrates was subjected to a mirror lapping treatment so as to leave the above-mentioned depression, and the density of the depression on the surface was measured.
On each of the obtained silicon substrates, a SiGe layer and a strained Si layer were epitaxially grown in the same manner as in Example 1.
The surface of each of the strained Si layers was flat.
Each substrate obtained as described above was subjected to Secco etching, and the EPD on the surface of the strained Si layer was evaluated.
Table 1 shows the results.
[0026]
[Comparative Example 1]
After pulling the crystal, a SiGe layer and a strained Si layer were epitaxially grown on a lapping-processed silicon substrate having a crystal orientation <111> in the same manner as in Example 1.
The substrate obtained as described above was subjected to Secco etching, and the EPD on the surface of the strained Si layer was evaluated.
Table 1 shows the results.
[0027]
[Table 1]
[0028]
As can be seen from Table 1, it was recognized that the EPD, that is, the dislocation of the strained Si layer was suppressed by increasing the density of the depressions on the silicon substrate surface.
Further, in the dent portion of the silicon substrate, no dent remained on the surface of the epitaxially grown SiGe layer, and the entire surface was formed flat.
[0029]
【The invention's effect】
According to the manufacturing method of the present invention, the thickness of the SiGe layer can be reduced and the dislocation density can be reduced, and a semiconductor substrate having a planarized SiGe layer surface can be obtained. This makes it possible to reduce the production cost and improve the production efficiency of the semiconductor substrate having the SiGe layer.
When a semiconductor substrate having a Si layer obtained by the manufacturing method according to the present invention is used, a high-quality strained Si layer having a low dislocation density is formed. As a result, it is possible to contribute to further miniaturization and higher performance of the semiconductor element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 schematically shows a depression formed in a silicon substrate, wherein (a) is a cross-sectional view and (b) is a top view.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state of dislocation control by a depression formed on the surface of a silicon substrate.
FIG. 3 is a sectional view showing stepwise epitaxial growth of a SiGe layer on a surface of a silicon substrate in which a depression is formed.
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