JP2005011848A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si単結晶基板11上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層12を形成する第1工程と、SiGe濃度傾斜層上にGe濃度が一定であるSiGe濃度一定層13を形成する第2工程と、SiGe濃度一定層上に歪みSi層14を形成する第3工程とを含み、第1、第2及び第3工程の各層のうち少なくとも1層がエピタキシャル成長により形成される半導体基板の製造方法の改良である。その特徴ある構成は、第3工程に続いて、エピタキシャル成長時に基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を更に含むところにある。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速MOSFET等に用いられる歪みSi層を有する半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、Si基板上にSiGe層を介してエピタキシャル成長した歪みSi層をチャネル領域に用いた高速のMOSFET、MODFET、HEMTが提案されている。この歪みSi−FETでは、Siに比べて格子定数の大きいSiGeによりSi層に引っ張り歪みが生じる。そのためSiのバンド構造が変化して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り、通常のSi層に比べて約1.3〜8倍程度の高速化が可能になる。
また、プロセスとしてCZ法による通常のSi基板を基板として使用でき、従来のCMOS工程で高速CMOSを実現可能にするものである。
【0003】
FETのチャネル領域として要望される歪みSi層を有する半導体基板は、Si基板上に格子定数の大きいSiGe層をエピタキシャル成長し、SiGe層の上に薄いSi層をエピタキシャル成長して作製する。SiGe層や歪みSi層をエピタキシャル成長させる工程では、エピタキシャル成長に必要なプロセスガスが表面だけでなく裏面にも回り込んでしまい、裏面外周部や面取り部にSiGeエピタキシャル層を堆積してしまう問題があった。この裏面外周部や面取り部に形成されたSiGeエピタキシャル層を除去しないと、後に続くデバイス工程での生産ラインにGe汚染をもたらしてしまうため、十分な除去が必要であったがこの裏面及び面取り面のエピタキシャル層のみを除去する技術は未だ見出されていない。
【0004】
一方、本出願人は、SOI基板及びその製造方法並びにこれを用いた半導体装置を提案した(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1に示されるSOI基板を製造する方法では、一方の面のみの酸化膜を溶解除去する技術が記載されている。図3に示すように、全面に酸化膜20aが形成されたシリコン基板20を低速度で回転させながら低速度で下降し、基板20の下面に相当する一方の主面のみをフッ酸水溶液21に接触させる。基板20の一方の主面がフッ酸水溶液21に接触すると、図3(a)の拡大図に示すようにフッ酸水溶液がその表面張力により、一方の主面上の酸化膜10aに均一に接触し、この酸化膜10aを溶解除去する。この際、矢印で示すように容器22の上方からアルゴン等のキャリアガス23を基板の上面及びフッ酸水溶液21に向けて流しておく。キャリアガス23は図の矢印に示すように流れるため、フッ酸水溶液の蒸気により基板端面部分の酸化膜10aの浸食を防止する。図3(b)に示すように所定時間基板20をフッ酸水溶液21に接触させた後、基板20を低速度で回転させながらフッ酸水溶液21から低速度で引上げる。これにより、一方の主面のみ露出した基板20が得られる。
【0005】
【特許文献1】
国際公開第WO01/003191号パンフレット(第10頁、第7図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に示される方法では、基板の非接触面をエッチング液に水平に接触させることが難しく、また一方の主面は露出できるが、面取り面に形成された膜を十分に除去できない。そのため、この上記特許文献1に示される一方の主面のみ露出させる方法を、歪みSi層を有する半導体基板の裏面及び面取り面に形成されるエピタキシャル層の除去方法に用いることはできない。
【0007】
本発明の目的は、エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができ、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できる半導体基板の製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、図1に示すように、Si単結晶基板11上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層12を形成する第1工程と、SiGe濃度傾斜層上にGe濃度が一定であるSiGe濃度一定層13を形成する第2工程と、SiGe濃度一定層13上に歪みSi層14を形成する第3工程とを含み、第1、第2及び第3工程の各層のうち少なくとも1層がエピタキシャル成長により形成される半導体基板の製造方法の改良である。その特徴ある構成は、第3工程に続いて、エピタキシャル成長時に基板11の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を更に含むところにある。
請求項1に係る発明では、このように上記工程を経ることにより、エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を除去することができ、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できる。
【0009】
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、エピタキシャル層の除去が酸エッチング又はメカノケミカルポリッシング(以下、CMPという。)のいずれか一方又はその双方により施される製造方法である。
請求項2に係る発明では、上記方法により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができる。
【0010】
請求項3に係る発明は、請求項2に係る発明であって、エピタキシャル層の除去がフッ酸及び硝酸を含む混合溶液に基板の裏面及び面取り面に接触させることにより行われる製造方法である。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
先ず、Si単結晶基板11を用意し、この基板11上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層12を形成する(第1工程)。このSiGe濃度傾斜層12は減圧CVD法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成される。減圧CVD法による形成は、キャリアガスとしてH2を、ソースガスとしてSiH4及びGeH4をそれぞれ用い、基板上に形成されるSiGe層の成長に応じてGeH4の流量割合を徐々に増加させることで得られる。形成されるSiGe濃度傾斜層12の厚さは、0.5〜10μm、好ましくは1.0〜3μmである。SiGe濃度傾斜層中のゲルマニウム濃度の上限はシリコン100mol%に対して100mol%に規定される。このうち、より好ましくは10mol%〜50mol%の範囲内に規定される。
【0012】
次いで、SiGe濃度傾斜層12の上にGe濃度が一定であって所望の厚さを有するSiGe濃度一定層13を形成する(第2工程)。SiGe濃度一定層13を形成する工程では、前述した減圧CVD法を用い、ソースガスであるSiH4及びGeH4の流量比を所望の割合、具体的にはSiGe濃度傾斜層12の最表層におけるSiGe割合と同様の割合となるように流量比を固定してSiGe層を形成することにより、濃度一定のSiGe層が得られる。
【0013】
次に、SiGe濃度一定層13a上に歪みSi層14を形成する(第3工程)。歪みSi層14は減圧CVD法を用いてエピタキシャル成長させることにより形成される。減圧CVD法による形成は、キャリアガスとしてH2を、ソースガスとしてSiH4を用い、単結晶Si層を形成する方法と同様の方法によりエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長するSiはSiGe濃度一定層の格子定数に倣うように成長するため、形成されるSi層は、格子定数が通常の単結晶Siに比べて大きく引っ張られて歪んだ構造となる。形成される歪みSi層14の厚さは、5〜50nm、好ましくは15〜25nmである。
【0014】
作製された半導体基板の裏面及び面取り面にはSiGe濃度傾斜層、SiGe濃度一定層や歪みSi層をエピタキシャル成長により形成する際に、反応ガスが基板の裏面及び面取り面にまで回り込んで裏面及び面取り面にエピタキシャル層が形成されている。本発明の特徴ある構成は、第3工程に続いて、エピタキシャル成長時に基板11の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を更に含むところにある。エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を除去することで、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できる。エピタキシャル層の除去は酸エッチング又はCMPのいずれか一方又はその双方により施される。これらの方法により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができる。特にエピタキシャル層の除去が酸エッチングにより施されるとき、基板をベルヌーイチャックで保持した状態でフッ酸及び硝酸を含む混合溶液に基板の裏面及び面取り面に接触させることにより行うことが好ましい。
【0015】
この酸エッチングに使用される酸エッチング溶液はフッ酸及び硝酸の混合溶液が好適である。フッ酸と硝酸の混合割合は重量比でHF:HNO3=1:4〜10、特に好ましくは1:5である。酸エッチングによる基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層の除去は、図2に示すように、先ず基板をベルヌーイチャック16により搬送し、基板10裏面が表面側となるように向きを反転させる。次いで、基板10を高速で回転させ、エッチング液を供給する揺動ノズル17から1L/minの流量で酸エッチング液18を基板10裏面へと供給する。基板10裏面に供給された酸エッチング液18は、基板の高速回転による遠心力によって基板外側に向かって均一に流れるため、基板裏面及び面取り面は均一なエッチングが施される。この酸エッチングによる基板裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層の取り代はエピタキシャル層を積んだ分だけである。
【0016】
酸エッチング処理を終えた後は、基板裏面を純水によりリンス洗浄を施す。酸エッチングの供給を終えた基板に純水を供給する揺動ノズルから純水を供給する。リンス洗浄は10秒程度施すことで基板裏面に残留するエッチング液を除去できる。リンス洗浄により基板上に残留する水分は、基板を高速で回転させることで生じる遠心力を利用することで、基板上に残留する水分を振り切って乾燥させる。このスピン乾燥を30秒程度施すことで基板裏面は十分に乾燥される。
【0017】
エピタキシャル層除去工程におけるCMPの研磨条件としては、研磨速度が0.75〜1.32m/s、研磨荷重が1.76×104〜2.35×104Pa(180〜240gf/cm2)、研磨時間が3〜10分間、スラリー流量が0.2〜0.4L/分である。このうち特に好ましい条件は研磨速度が0.95m/秒、研磨荷重が1.96×104Pa(200gf/cm2)、研磨時間が3分間、スラリー流量が0.2L/分である。研磨布にはポリウレタン樹脂発泡体を、研磨剤は平均粒径30〜40nmの超高純度コロイダルシリカを主成分とし、pH10.5〜11.0に調整したスラリーを使用する。CMPによるエピタキシャル層除去工程は、片面研磨機、両面研磨機のどちらを利用しても同様の成果が得られる。
【0018】
次に、CMPによる平坦化処理を終えた後の基板裏面をオゾン水と希HF水とで洗浄する。この洗浄はスピン洗浄法により行われる。スピン洗浄法は基板を水平に置き、この基板を高速で回転させながら、基板に洗浄液を供給して表面に付着している金属不純物を除去する方法である。本発明ではオゾン水と希HF水を基板裏面に交互に供給して、基板裏面に付着している金属不純物を除去している。このスピン洗浄法により、基板裏面を均一に洗浄することができる。オゾン水と希フッ酸水を用いた洗浄は各基板間のGe汚染の転写を防止するため、枚葉洗浄処理で行われる。スピン洗浄法の最後はオゾン水によるメガソニック洗浄を行う。メガソニック洗浄とは、米国RCA社が開発した超音波洗浄方法であり、1MHz近傍の極超音波を被洗浄物に液中で照射する方法である。メガヘルツ(MHz)洗浄ともいわれる。従来一般的に洗浄に使われていた超音波洗浄の周波数は、20kHz〜100kHz程度であり、周波数が低いとキャビテーションの発生が起こりやすく、被洗浄物にダメージが入りやすい。また、1μm以下の微細なパーティクルの除去が十分に行われない。一方、メガソニック洗浄のように1MHz程度まで周波数を上げるとキャビテーションしきい値が上昇してダメージが発生し難くなるとともに微細なパーティクルの除去効果も高められるメリットを有する。洗浄槽の底部に振動板を配置したものはバッチ洗浄装置に用いられ、ノズル内部に振動板を設けて液を吐出しながら音波を重畳させるものは枚葉洗浄に用いられる。本発明では、スピン洗浄による洗浄を説明したが、このスピン洗浄にブラシスクラブ等の物理洗浄を併用しても良い。スピン洗浄した後は、基板を回転させて高速回転による遠心力を利用して、基板上に残留する水分を振り切って乾燥させる。
【0019】
このように上記工程を経ることにより、エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができ、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できる。
【0020】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
先ず、単結晶シリコン基板を用意し、この基板上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層をエピタキシャル成長により厚さ2μm形成した。このSiGe濃度傾斜層の最表層におけるGe濃度をSi濃度100mol%に対して20mol%とした。次いで、このSiGe濃度傾斜層の上にSi濃度100mol%に対してGe濃度が20mol%一定のSiGe濃度一定層をエピタキシャル成長により厚さ1μm形成した。次に、SiGe濃度一定層上に歪みSi層をエピタキシャル成長により20nm形成して半導体基板を得た。
次に、基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を酸エッチングを用いて除去した。エッチング溶液にはフッ酸及び硝酸を含む混合溶液を用い、フッ酸と硝酸の混合割合はHF:HNO3=1:5とした。具体的には、基板をベルヌーイチャックにより搬送し、基板裏面が表面側となるように向きを反転させた後、基板を高速で回転させ、エッチング液を供給する揺動ノズルから1L/minの流量で酸エッチング液を基板裏面へと供給して基板裏面及び面取り面に均一なエッチングを施した。この酸エッチングによる基板裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層の取り代はエピタキシャル層を積んだ分だけである。
【0021】
酸エッチング処理を終えた後の基板裏面に純水を供給する揺動ノズルから純水を供給してリンス洗浄を施した。リンス洗浄後は、基板上に残留する水分をスピン乾燥し、高速回転による遠心力を利用して、基板上に残留する水分を振り切って乾燥させた。
【0022】
<実施例2>
基板の裏面及び面取り面のエピタキシャル層除去を酸エッチングの代わりにCMPにより行った以外は実施例1と同様にして半導体基板を得た。CMP研磨条件としては、研磨速度を0.95m/秒、研磨荷重を2.45×104Pa(250gf/cm2)、研磨時間を4分間、スラリー流量を0.2L/minとした。研磨布にはポリウレタン樹脂発泡体を、研磨剤は平均粒径30〜40nmの超高純度コロイダルシリカを主成分とし、pH10.5〜11.0に調整したスラリーを使用した。CMP研磨した後の基板表面及び裏面の洗浄には、枚葉洗浄処理によるオゾン水と希HF水のスピン洗浄を施し、洗浄の最後はオゾン水によるメガソニック洗浄とした。スピン洗浄後は、基板上に残留する水分をスピン乾燥し、高速回転による遠心力を利用して、基板上に残留する水分を振り切って乾燥させた。
【0023】
<実施例3>
実施例1の酸エッチングの後に、実施例2のCMPを施した以外は実施例1と同様にして半導体基板を得た。
【0024】
<比較例1>
基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層の除去工程を施さない以外は実施例1と同様にして半導体基板を得た。
【0025】
<比較試験及び評価>
実施例1〜3及び比較例1でそれぞれ得られた半導体基板の裏面をICP−MSにより測定し、裏面に残存する金属濃度を測定した。ICP−MSによる測定結果を表1に示す。
【0026】
【表1】
【0027】
表1より明らかなように、比較例1における裏面に残留するゲルマニウム濃度は8.7×1011atoms/cm2程度であった。これに対して本発明の製造方法を施した実施例1〜3における裏面に残留するゲルマニウム濃度は0.5×1010atoms/cm2未満となっており、第3工程である歪みSi層を形成する工程に続いて、基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を施す、具体的には酸エッチング又はメカノケミカルポリッシングのいずれか一方又はその双方によりエピタキシャル層を除去することで、エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができ、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できることが判る。
【0028】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による半導体基板の製造方法は、Si単結晶基板上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層を形成する第1工程と、SiGe濃度傾斜層上にGe濃度が一定であるSiGe濃度一定層を形成する第2工程と、SiGe濃度一定層上に歪みSi層を形成する第3工程とを含み、第1、第2及び第3工程の各層のうち少なくとも1層がエピタキシャル成長により形成される方法の改良であり、その特徴ある構成は、第3工程に続いて、エピタキシャル成長時に基板の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を更に含むところにある。エピタキシャル層の除去は酸エッチング又はメカノケミカルポリッシングのいずれか一方又はその双方により施される。
このように上記工程を経ることにより、エピタキシャル成長により基板裏面及び面取り面に形成されるSiGeエピタキシャル層を容易に除去することができ、裏面及び面取り面における残留ゲルマニウム濃度を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法により得られる半導体基板の断面図。
【図2】本発明の酸エッチングを基板裏面及び面取り面に接触させてエピタキシャル層を除去する方法を示す図。
【図3】従来のシリコン基板の一方の主面のみの酸化膜をフッ酸水溶液で除去する方法を示す図。
【符号の説明】
10 半導体基板
11 Si単結晶基板
12 SiGe濃度傾斜層
13 SiGe濃度一定層
14 歪みSi層
Claims (3)
- Si単結晶基板(11)上にGe濃度が厚さとともに増加するSiGe濃度傾斜層(12)を形成する第1工程と、前記SiGe濃度傾斜層上にGe濃度が一定であるSiGe濃度一定層(13)を形成する第2工程と、前記SiGe濃度一定層(13)上に歪みSi層(14)を形成する第3工程とを含み、前記第1、第2及び第3工程の各層のうち少なくとも1層がエピタキシャル成長により形成される半導体基板の製造方法において、
前記第3工程に続いて、前記エピタキシャル成長時に前記基板(11)の裏面及び面取り面に形成されたエピタキシャル層を除去する工程を更に含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。 - エピタキシャル層の除去が酸エッチング又はメカノケミカルポリッシングのいずれか一方又はその双方により施される請求項1記載の製造方法。
- エピタキシャル層の除去がフッ酸及び硝酸を含む混合溶液に基板の裏面及び面取り面に接触させることにより行われる請求項2記載の製造方法。
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