JP2005244187A - 歪みシリコンウエハおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 SiGe層を有する歪みシリコンウエハにおいて、SiGe層上に形成される歪みSi層における貫通転位密度の一層の低減化を図ることができる歪みシリコンウエハおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 単結晶シリコン基板上に、Ge組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成し、この積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しいSiGe層を形成し、このSiGe層上に、厚さ15nm未満、かつ、貫通転位密度1×103cm-2以下の歪みSi層を形成する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、シリコン基板上にSiGe層および歪みSi層を積層させた歪みシリコンウエハおよびその製造方法に関する。
近年、単結晶シリコン基板上にSiGe層をエピタキシャル成長させ、該SiGe層上に歪みSi層をエピタキシャル成長させた歪みシリコンウエハが提案されている。この歪みシリコンウエハは、その歪みSi層をチャネル領域として用いることによって、通常のバルクSiを用いた場合と比べて、2倍上のキャリア移動の高速化が可能となる。
このため、高速MOSFET、MODFET、HEMT等に好適なウエハとして注目されている。
上記のようなSiGe層を有する歪みシリコンウエハにおいては、チャネル領域として使用する歪みSi層をエピタキシャル成長させる際、その下地となるSiGe層をシリコン基板上にエピタキシャル成長させておく必要がある。
しかしながら、SiとSiGeの格子定数の違いから、シリコン基板上へのSiGe層のエピタキシャル成長時にミスフィット転位が発生する。そして、該ミスフィット転位に起因する貫通転位が高密度で表面まで達し、該SiGe層上に形成される歪みSi層まで、同様の高密度の転位が存在することとなる。
前記歪みSi層における転位は、デバイス素子の形成時において、接合リーク電流が増大する大きな原因となる。
さらに、貫通転位と残留歪みエネルギーにより、歪みSi層表面に、クロスハッチと呼ばれる凹凸が発生するという問題も生じていることから、従来から、貫通転位密度を低減させるための様々な提案がなされている。
例えば、特許文献1には、単結晶シリコン基板上に、850℃以上で、Ge成分が約25%/μm以下の濃度勾配で増大するSiGe階層化層をエピタキシャル成長させた後、前記SiGe階層化層の上に、歪みSi層をエピタキシャル成長させる半導体デバイスの製造方法が開示されており、前記歪みSi層の厚さは、100〜1000Åの範囲が望ましい旨記載されている。
また、特許文献2には、シリコン基板上に、Ge組成比が漸次増加するSiGe層のステップ傾斜組成層の上に、Ge組成比が一定であるSiGe緩和層、歪みSi層を備えた半導体ウエハにおいて、ステップ数を増加させることにより、貫通転位密度を低減させることができることが記載されている。このときの各層の膜厚として、ステップ傾斜組成層が1.5μm、緩和層が0.7〜0.8μm、歪みSi層が15〜22nmとすることが例示されている。
また、特許文献3には、シリコン基板に、Geの濃度が22モル%以上であるSiGe層を厚さ約100〜500nmで堆積した後、前記SiGe層にH+イオンを注入し、前記シリコン基板およびSiGe層を熱アニーリングしてSiGe層を緩和し、該緩和SiGe層上に歪みSi層を厚さ約5〜30nmで堆積する半導体基板の製造方法が記載されている。
また、特許文献4には、SiGe層は、膜厚の増加により転位を発生して格子緩和が生ずる膜厚である臨界膜厚の2倍より薄い膜厚であり、前記第2のSiGe層は、表面に向けてGe組成比が漸次増加するSiGeの傾斜組成層と該傾斜組成層の上面のGe組成比で傾斜組成層上に配されたSiGeの一定組成層とを交互にかつ連続したGe組成比で複数層積層状態にして構成され、前記第2のSiGe層下面のGe組成比は、前記第1のSiGe層におけるGe組成比の層中の最大値より低い半導体基板が開示されており、歪みSi層の所定の厚さは、例えば、20nmにて形成する旨が記載されている。
特許第2792785号 特開2002−118254号 特開2003−229360号 特開2003−197544号
しかしながら、上記特許文献1においては、実施例における貫通転位密度は、105cm-2オーダーであり、しかも、転位密度の低下に対して、歪みSi層の厚さが影響を及ぼすことについては何ら記載も示唆もされていない。
同様に、上記特許文献2、3に記載された半導体基板においても、転位密度の低減化を図るために、SiGe層を緩和させる方法が開示されているにすぎず、歪みSi層の厚さと貫通転位密度低減との関係についてはまったく触れられていない。
さらに、上記特許文献4に記載された半導体基板においても、例示的に歪みSi層の厚さを20nmで形成する旨記載されているが、その厚さが貫通転位密度の低減化に影響を及ぼす点については全く触れられていない。
そこで、本発明者は、歪みSi層と貫通転位密度の低減化との関係に着目して、検討を重ねた結果、所定の歪みSi層の厚さにおいて、転位密度が低下することを見出した。
すなわち、本発明は、SiGe層を有する歪みシリコンウエハにおいて、SiGe層上に形成される歪みSi層における貫通転位密度の一層の低減化を図ることができる歪みシリコンウエハおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る歪みシリコンウエハは、単結晶シリコン基板上に、Ge組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層が形成され、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層が形成され、前記緩和SiGe層上に歪みSi層が形成された歪みシリコンウエハであって、前記歪みSi層の厚さが15nm未満であり、かつ、前記歪みSi層の貫通転位密度が1×103cm-2以下であることを特徴とする。
上記のように、歪みSi層の厚さを15nm未満とすることにより、貫通転移密度を大きく低減させた歪みシリコンウエハを提供することができる。
前記歪みシリコンウエハにおいては、歪みSi層の厚さは、2nm以上15nm未満であることが好ましい。
転位密度の低減化に加え、チャネル層の形成等の観点から、歪みSi層は、上記範囲内の膜厚で形成することが望ましい。
また、本発明に係る歪みシリコンウエハの製造方法は、単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、前記緩和SiGe層上に、厚さ15nm未満の歪みSi層を形成する第3工程とを備えていることを特徴とする。
上記のように、歪みSi層の厚さを15nm未満で形成することにより、貫通転移密度を大きく低減させた歪みシリコンウエハを提供することができる。
また、本発明に係る歪みシリコンウエハの他の製造方法は、単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、前記緩和SiGe層上に、歪みSi層を形成する第3工程とを備え、前記第1、第2および第3工程を、減圧雰囲気下で、単結晶シリコン基板を円周方向に300rpm以上1500rpm以下で回転させながら行うことを特徴とする。
このように、300rpm以上の高速回転にて、エピタキシャル成長を行うことで貫通転位を低減させることが可能となる。
前記単結晶シリコン基板の表面は、鏡面であり、かつ、ヘイズが存在していることが好ましい。
上記のように、単結晶シリコン基板の表面にヘイズを残存させることで、貫通転移密度をより大きく低減させた歪みシリコンウエハを提供することができる。
上述のとおり、本発明によれば、貫通転位密度がより低減された歪みシリコンウエハが提供される。
このように、本発明に係る歪みシリコンウエハは、貫通転位密度の低い高品質歪みSi層が形成されるため、該歪みSi層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、半導体素子より一層の微細化、高性能化等に寄与することができ、高速MOSFET、MODFET、HEMT等にも好適に利用することができる。
また、本発明に係る製造方法によれば、上記の本発明に係る歪みシリコンウエハを容易に得ることができる。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る歪みシリコンウエハは、単結晶シリコン基板上に、Ge組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層が形成され、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層が形成され、前記緩和SiGe層上に歪みSi層が形成された歪みシリコンウエハであって、前記歪みSi層の厚さが15nm未満であり、かつ、前記歪みSi層の貫通転位密度が1×103cm-2以下であることを特徴とするものである。
上記のように、歪みSi層厚さを15nm未満とすることにより、第2のSiGe層上に歪みSi層を形成させる際に発生する貫通転位を抑制することができ、従来の歪みシリコンウエハよりも、貫通転位密度を1/10〜1/100程度にまで低減させることができる。
なお、前記積層SiGe層は、Ge組成比がステップ状に逓増した構造であり、傾斜構造も含むものとする。
また、本発明において、SiGe層のGe構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しいとあるのは、全く同じ場合に限られず、ほぼ同等である場合も含む。
上記本発明に係る歪みシリコンウエハを得るためには、単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、前記緩和SiGe層上に、厚さ15nm未満の歪みSi層を形成する第3工程とを備えていることを特徴とする本発明に係る製造方法を用いることが好ましい。
上記本発明に係る歪みシリコンウエハを得るためのその他の態様としては、単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、前記緩和iGe層上に、歪みSi層を形成する第3工程とを備え、上記第1、第2および第3工程を、減圧雰囲気下で、単結晶シリコン基板を円周方向に300rpm以上1500rpm以下で回転させながら行う。
前記単結晶シリコン基板の回転数が300rpm未満の場合は、貫通転位が104cm-2レベルまで増加してしまう。一方、回転数が1500rpmを超える場合は、形成する膜厚が安定しない。
上記製造方法において用いられる単結晶シリコン基板の表面は、鏡面であり、かつ、ヘイズが存在していることが好ましい。
上記のように、鏡面であり、かつ、ヘイズが存在する単結晶シリコン基板の表面に、SiGe層を形成させることにより、貫通転位が表面まで伸びずに収束するため、歪みSi層表面での大きな貫通転位低減効果が得られる。
以下、本発明に係る歪みシリコンウエハの具体的な製造方法の一態様を説明する。
まず、表面が鏡面研磨された単結晶シリコン基板を準備する。この際、前記表面には、ヘイズが存在していることが好ましい。
ここで、ヘイズとは、一般的にいう斜光灯下目視にて、鏡面ウエハの表面にスポットライトを照射したとき、ウエハ表面粗さに起因して表面の色が変わって見える表面状態のことをいう。
なお、ヘイズを定量的に表す場合は、光学式または接触式表面粗さ計等により評価することが可能である。ヘイズが残存する場合の表面粗さは、例えば、AFM(接触式)による測定においては、測定範囲1μm2内のRq(JIS B 0601:2001 旧Rms)で、0.20nm以上0.30nm以下である。
表面を鏡面として、かつ、ヘイズを残存させる方法としては、例えば、一般的に行われる3連3段研磨による鏡面研磨において、仕上げ研磨を行わず、2次研磨までで終了させた単結晶シリコンウエハを用いればよい。
このようにヘイズが存在する場合、すなわち、微小な表面粗さが大きい場合は、60°貫通転位が表面まで伸びずに収束するため、歪みSi層表面の貫通転位低減に大きな効果がある。
次に、前記単結晶シリコン基板の表面上に、SiGe層を形成する。
本発明におけるSiGe層の成膜方法は、Ge組成比を0とし、Ge組成比が、例えば、20原子%となるまで、Ge濃度の増加を段階的に変化させたステップ状の第1のSiGe層をエピタキシャル成長させ、さらに、第2のSiGe層としてGe組成比が一定の緩和SiGe層をエピタキシャル成長させる。
なお、Ge組成比が20原子%の場合は、歪み量が0.76%であり、10原子%の場合は0.4%、5原子%の場合は0.2%であるが、Ge組成比は、5原子%以上60原子%以下の範囲内で、歪みシリコンウエハの用途に応じて適宜調整される。
前記SiGe層の形成は、例えば、キャリアガスとしてH2を用い、ソースガスとして、SiH4、GeH4を用いて、成長温度800℃以上1100℃以下の範囲で、膜厚数μm程度までエピタキシャル成長させることにより行う。
前記成長温度が800℃未満の場合は、貫通転位密度が105cm-2オーダーにまで悪化してしまう。このため、SiGe層のエピタキシャル成長は、より高温で行うことが好ましく、これにより、貫通転位密度の低減化を図ることもできる。
前記成長温度が1100℃を超える場合は、SiGe層中に含まれるGe濃度にもよるが、該SiGe層の融点付近となるため、その結晶性を維持することが困難となる。
前記成長温度は900℃以上1100℃以下であることがより好ましい。
また、前記SiGe層形成時における成長速度は、600nm/min以下であることが好ましい。
次に、上記形成した第2のSiGe層上に、歪みSi層を形成する。
該歪みSi層の形成は、例えば、ソースガスとしてSiH4を用いて、900℃以下でエピタキシャル成長させることが好ましい。
前記歪みSi層の厚さは15nm未満であることが好ましい。
前記厚さが15nm以上の場合、SiGe層とSiとの格子定数の差に起因して、歪みSi層の部分的な緩和が始まり、転位が生じる。その結果、貫通転位密度が104cm-2オーダーまで増大することとなる。
なお、前記歪みSi層の厚さは、薄すぎると、デバイス素子を形成することが困難となる。デバイスの用途によっても異なるが、通常、チャネル層形成のためには、最低2nm程度の厚さが必要とされる。
したがって、デバイス素子の作製上の観点からは、前記歪みSi層の厚さは、2nm以上15nm未満であることが好ましく、より好ましくは、5nm以上10nm未満である。
上記のような貫通転位密度の低い歪みSi層が形成された歪みシリコンウエハは、該歪みSi層において、キャリア移動の高速化が図られ、高速デバイスを形成する上で好適な基板として用いることができる。
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せるものではない。
[実施例1〜6]
表面が鏡面研磨されており、かつ、表面にヘイズが確認される単結晶シリコン基板の表面に、SiGe層をエピタキシャル成長させた。このとき、積層SiGe層として、Ge組成比を0から20原子%まで、10ステップで変化させた厚さ2μmの階層化層を形成し、続いて、Ge組成比20原子%で一定組成の厚さ1μmの緩和SiGe層を形成した。
前記積層SiGe層、緩和SiGe層のエピタキシャル成長においては、キャリアガスとしてH2を用い、ソースガスとしてSiH4、GeH4を用いた、また、前記積層SiGe層と緩和SiGe層の成長温度は900℃、成長速度は80nm/minとした。
そして、前記緩和SiGe層上に、ソースガスとしてSiH4を用いて、800℃で、表1の実施例1〜6に示すように歪みSi層の厚さを変化させて、それぞれ、歪みSi層をエピタキシャル成長させて、歪みシリコンウエハを作製した。
なお、前述した積層SiGe層、緩和SiGe層および歪みSi層の形成の際には、枚葉エピ装置にて、15Torrの減圧雰囲気下、前記単結晶シリコン基板を円周方向に900rpmで回転させてエピタキシャル成長を行った。
得られた歪みシリコンウエハを、Secco液(HF:K2Cr27=2:1)により100nm選択エッチングし、エッチング面を微分干渉顕微鏡により500倍にて観察し、エッチング後のピットをカウントして、貫通転位密度の評価を行った。
これらの結果を表1にまとめて示す。
[比較例1,2]
歪みSi層を表1の比較例1,2に示したような厚さとし、それ以外は、実施例1〜6と同様にして、歪みシリコンウエハを作製し、貫通転位密度の評価を行った。
これらの結果を表1にまとめて示す。
Figure 2005244187
表1に示したように、歪みSi層の厚さが15nm未満(実施例1〜6)の場合は、歪みSi層表面に存在する貫通転位密度は103cm-2以下であり、15nm以上の場合(比較例1,2)は、104cm-2オーダーにまで貫通転位密度が悪化することが確認された。
このような歪みSi層の厚さの増加に伴う貫通転位密度の増加は、SiGeとSiとの格子定数の差に起因して、歪みSi層の部分的な緩和が生じることによるものと考えられる。
[比較例3]
表面が鏡面研磨されており、表面のヘイズを修正した単結晶シリコン基板の表面に、実施例1と同様の方法にて、積層SiGe層および緩和SiGe層をエピタキシャル成長させた。
次に、実施例1と同様の条件で、緩和SiGe層上に歪みSi層を厚さ10.0nm形成した。
得られた歪みシリコンウエハに対して、貫通転位密度の評価を行った結果、3.5×103cm-2であった。
歪みSi層厚さが同条件である実施例4と比較すると、明らかに貫通転位密度が増加しており、表面のヘイズの残存による貫通転位の低減効果が確認された。
[実施例7〜9]
積層SiGe層、緩和SiGe層および歪みSi層の形成時の回転数を表2の実施例7〜9に示した条件にてエピタキシャル成長を行った。このときに形成した歪みSi層厚さは5nmとし、それ以外は、実施例1〜6と同様にして、歪みシリコンウエハを作製し、貫通転位密度の評価を行った。
[比較例4]
積層SiGe層、緩和SiGe層および歪みSi層の形成時の回転数を表2の比較例4に示した条件にてエピタキシャル成長させた。このときに形成した歪みSi層厚さは10nmとし、それ以外は、実施例7〜9と同様にして、歪みシリコンウエハを作製し、貫通転位密度の評価を行った。
Figure 2005244187
表2に示したように、回転数が300rpm(実施例7〜10)以上の場合は、歪みSi層表面に存在する貫通転位密度は103cm-2以下であり、50rpmの場合は(比較例4)は、104cm-2オーダーにまで貫通転位密度が悪化することが確認された。
このように、積層SiGe層、緩和SiGe層および歪みSiGe層を形成する際の、回転数においては、300rpm以上とすることにより、SiGe層内の貫通転位密度を低減することができることが確認された。

Claims (5)

  1. 単結晶シリコン基板上に、Ge組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層が形成され、前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層が形成され、前記緩和SiGe層上に歪みSi層が形成された歪みシリコンウエハであって、前記歪みSi層の厚さが15nm未満であり、かつ、前記歪みSi層の貫通転位密度が1×103cm-2以下であることを特徴とする歪みシリコンウエハ。
  2. 前記歪みSi層の厚さが、2nm以上15nm未満であることを特徴とする請求項1記載の歪みシリコンウエハ。
  3. 単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、
    前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、
    前記緩和SiGe層上に、厚さ15nm未満の歪みSi層を形成する第3工程とを備えていることを特徴とする歪みシリコンウエハの製造方法。
  4. 単結晶シリコン基板上に、800℃以上1100℃以下で、5原子%以上60原子%以下までGe組成比がステップ状に逓増した積層SiGe層を形成する第1工程と、
    前記積層SiGe層上に、Ge構成比が前記積層SiGe層の表面側のGe構成比と等しい緩和SiGe層を形成する第2工程と、
    前記緩和SiGe層上に、歪みSi層を形成する第3工程とを備え、
    前記第1、第2および第3工程を、減圧雰囲気下で、単結晶シリコン基板を円周方向に300rpm以上1500rpm以下で回転させながら行うことを特徴とする歪みシリコンウエハの製造方法。
  5. 前記単結晶シリコン基板の表面は、鏡面であり、かつ、ヘイズが存在していることを特徴とする請求項3または請求項4記載の歪みシリコンウエハの製造方法。
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