JP2006216661A - Method of manufacturing semiconductor wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面に二次元引張り歪みを内在させた歪みSi層が形成された半導体ウェーハの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor wafer in which a strained Si layer having a two-dimensional tensile strain in its surface is formed.
シリコン単結晶を用いた半導体デバイスの性能を向上させるためには、シリコン単結晶中の電子又は正孔の移動度を高めることが有効であると報告されている。具体的には、電子又は正孔が流れる領域となるシリコン層を二次元引張り歪みを内在させた歪みSi層とすることで、キャリアの移動度が向上するため、この技術を用いて高速動作を可能にするC−MOSデバイスなどが検討されている。歪みSi層を有する半導体ウェーハは、Siウェーハ上にSiよりも格子定数の大きい緩和SiGe層をエピタキシャル成長法を用いて形成し、この緩和SiGe層の上に薄いSi層をエピタキシャル成長することにより歪みSi層を作製する。Siウェーハ上に形成されるSiGe層はGe濃度が最大30%にもなるため、Si基板とSiGe層との格子定数の違いによってミスフィット転位のような結晶欠陥が発生してしまい、その上に形成する歪みSi層に悪影響を及ぼす問題が生じていた。従来の製造方法により生じていた結晶欠陥密度は1×105〜1×107/cm2程度であった。この問題を解決するために、SiGeのGe組成比を一定の緩い傾斜で増加させたバッファ層を用いる方法や、Ge組成比を階段状に変化させたバッファ層を用いる方法、Ge組成比を超格子状に変化させたバッファ層を用いる方法及びSiのオフカットウェーハを用いてGe組成比を一定の傾斜で変化させたバッファ層を用いる方法等が提案されている。 In order to improve the performance of a semiconductor device using a silicon single crystal, it has been reported that it is effective to increase the mobility of electrons or holes in the silicon single crystal. Specifically, by using a strained Si layer in which two-dimensional tensile strain is incorporated in the silicon layer that is a region where electrons or holes flow, carrier mobility is improved. Possible C-MOS devices are being studied. A semiconductor wafer having a strained Si layer is formed by forming a relaxed SiGe layer having a lattice constant larger than that of Si on the Si wafer by using an epitaxial growth method and epitaxially growing a thin Si layer on the relaxed SiGe layer. Is made. Since the SiGe layer formed on the Si wafer has a Ge concentration of up to 30%, crystal defects such as misfit dislocations are generated due to the difference in lattice constant between the Si substrate and the SiGe layer. There has been a problem of adversely affecting the strained Si layer to be formed. The crystal defect density produced by the conventional manufacturing method was about 1 × 10 5 to 1 × 10 7 / cm 2 . In order to solve this problem, a method using a buffer layer in which the Ge composition ratio of SiGe is increased at a constant gentle slope, a method using a buffer layer in which the Ge composition ratio is changed stepwise, and a Ge composition ratio exceeding There have been proposed a method using a buffer layer changed into a lattice shape, a method using a buffer layer in which the Ge composition ratio is changed with a constant inclination using a Si off-cut wafer, and the like.
このような結晶欠陥を抑制しながら歪みSi層を有する半導体ウェーハを製造する方法として、Si支持板上に、Si酸化層、第1のSi層が順次設けられてなる基板を用意し、エピタキシャル成長法により、前記第1のSi層上に、無歪み状態での格子定数が、無歪みのSiの格子定数及び次に成長させるSiGe層と同組成におけるSiGeの格子定数と異なる格子定数を有する転位変換層(Ge層)を形成する工程と、エピタキシャル成長法により、前記転位変換層上にSiGe層を形成する工程と、熱処理により、前記SiGe層を格子緩和させる工程と、エピタキシャル成長法により、前記SiGe層上に歪み状態の第2のSi層を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この特許文献1によれば、Ge層のような転位変換層を用いることで、例えば800℃、1時間の熱処理により第1のSi層と転位変換層との界面に該界面に平行に局所的な歪みが誘起され、この熱処理によりSiGe層が格子緩和する際に、第1のSi層に生じる貫通転位が上記局所的な歪みにより界面ですべり転位に変換させるため、貫通転位がSiGe層に達することが無い。そのため、良質な歪みSi層を有し、その下地のSiGe層が薄いSOI基板を有する半導体装置が得られると記載されている。また、結晶基板と、この結晶基板上に形成された絶縁性結晶薄膜と、この絶縁性結晶薄膜上に形成された、前記絶縁性結晶薄膜と格子整合性の高い第1の結晶薄膜と、この第1の結晶薄膜上に形成された、前記第1の結晶薄膜とは格子定数が異なる格子緩和を起こす臨界膜厚以下の厚さの第2の結晶薄膜とを具備する半導体装置が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。この特許文献2によれば、絶縁性結晶薄膜材料として弗化カルシウム、γ−アルミナを用いることで、100nm以下の膜厚で、この上に形成する半導体結晶薄膜に十分に歪みを導入することができると記載されている。
特許文献1及び2の技術はいずれもSiよりも格子定数の大きなSiGe層上にSi層をエピタキシャル成長させることにより歪みSi層を形成するものであり、十分に格子緩和されたSiGe層を用いてSi層に歪みを発生させること、及びSiGe層中に転位を発生させないようにして歪みSi層の成長時に転位を伝播させないこと、という2つの課題を解決するものであった。
The techniques of
しかしながら、特許文献1に示される製造方法では、格子緩和のための熱処理温度を800℃で行うと、この温度ではSiGe層を十分に緩和させるに必要なすべり転位が界面で生じないので格子の緩和が進まず、十分な歪みが生じないという欠点があった。なお、熱処理を1000℃以上で行うと、Ge層が溶融してしまい、表面のラフネスが悪化すると同時に結晶欠陥が生じてしまう。また、特許文献2に示される半導体装置では、弗化カルシウム等の特殊な層を用いるため、通常の半導体製造プロセスを使用することが困難であり、その製造コストが高く、100nm以下の薄膜化への対応に劣る等の汎用性に欠けていた。更に、特許文献1及び2に示される歪みSi層を有する半導体装置では、少なくとも2回以上の薄膜成長プロセスを伴うものであり、多くのプロセスを伴った複雑な多層構造から構成されるものであったため、必ずしも高品質な半導体ウェーハを製造することができておらず、また簡便な方法で作製できるとはいえなかった。
本発明の目的は、比較的単純な積層構造で、十分な引張り歪みを有し、かつ結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハの製造方法を提供することにある。
However, in the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, when the heat treatment temperature for lattice relaxation is performed at 800 ° C., the slip dislocation necessary for sufficiently relaxing the SiGe layer does not occur at the interface, so that the lattice relaxation occurs. However, there is a drawback that sufficient distortion does not occur. When the heat treatment is performed at 1000 ° C. or higher, the Ge layer is melted, and the surface roughness is deteriorated and at the same time, crystal defects are generated. Further, in the semiconductor device disclosed in
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor wafer having a relatively simple laminated structure, a sufficient tensile strain, and a strained Si layer having few crystal defects.
請求項1に係る発明は、図1に示すように、(a) シリコンウェーハ11表面にSiGe混晶層12及び第1Si層13をこの順に形成する工程と、(b) 第1Si層13の表層又はシリコンウェーハ11とは別に用意した支持ウェーハ14の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層16を形成する工程と、(c) シリコンウェーハ11と支持ウェーハ14をSiO2層16を介して重ね合せることにより積層体17を形成する工程と、(d) 積層体17のシリコンウェーハ11を所定の厚さに薄膜化することにより第2Si層18とする工程と、(e) 第1Si層13とSiO2層16の界面及び第1Si層13側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する工程と、(f) 積層体17を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する工程と、(g) 第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することによりSiGe混晶層12を緩和させるとともに第1Si層13と第2Si層18の一部にGeを拡散する工程とを含むことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法である。
請求項1に係る発明では、(a)工程〜(g)工程を経ることにより、比較的単純な積層構造にも関わらず、十分な引張り歪みを有し、かつ1×102〜1×103/cm2程度と結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハを製造することができる。
As shown in FIG. 1, the invention according to claim 1 includes (a) a step of forming a SiGe mixed
In the invention according to claim 1, by passing through the steps (a) to (g), it has a sufficient tensile strain in spite of a relatively simple laminated structure, and 1 × 10 2 to 1 × 10 6 A semiconductor wafer on which a strained Si layer having a crystal defect of about 3 / cm 2 is formed can be manufactured.
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明であって、(h) 第2熱処理の後に、酸化性雰囲気下、1100〜1300℃で1〜600分間保持する第3熱処理を施す製造方法である。
請求項2に係る発明では、この第3熱処理により第2Si層18を薄膜化するか又は第2Si層18を酸化膜に変えてしまうことで(g)工程で拡散させたGeの高濃度化を図ることができる。
Invention of
In the invention according to
請求項3に係る発明は、図2に示すように、(A) シリコンウェーハ21表面にSiGe混晶層22及び第1Si層23をこの順に形成する工程と、(B) 第1Si層23の表層又はシリコンウェーハ21とは別に用意した支持ウェーハ24の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層26を形成する工程と、(C) シリコンウェーハ21内部の、第1Si層23表面から0.3〜1.0μm下方にイオン濃度のピークが位置するように水素又は希ガスのイオンを注入してシリコンウェーハ21内部のイオン注入位置にダメージ層21aを形成する工程と、(D) シリコンウェーハ21と支持ウェーハ24をSiO2層26を介して重ね合せることにより積層体27を形成する工程と、(E) ダメージ層21a位置でシリコンウェーハ21を剥離することにより第2Si層28を形成する工程と、(F) 第1Si層23とSiO2層26の界面及び第1Si層23側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する工程と、(G) 積層体27を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する工程と、(H) 第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することによりSiGe混晶層22を緩和させるとともに第1Si層23と第2Si層28の一部にGeを拡散する工程とを含むことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法である。
請求項3に係る発明では、(A)工程〜(H)工程を経ることにより、比較的単純な積層構造にも関わらず、十分な引張り歪みを有し、かつ1×102〜1×103/cm2程度と結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハを製造することができる。
As shown in FIG. 2, the invention according to claim 3 includes (A) a step of forming a SiGe mixed
In the invention according to claim 3, by passing through the steps (A) to (H), it has a sufficient tensile strain in spite of a relatively simple laminated structure, and 1 × 10 2 to 1 × 10 6 A semiconductor wafer on which a strained Si layer having a crystal defect of about 3 / cm 2 is formed can be manufactured.
請求項4に係る発明は、請求項3に係る発明であって、(I) 第2熱処理の後に、酸化性雰囲気下、1100〜1300℃で1〜600分間保持する第3熱処理を施す製造方法である。
請求項4に係る発明では、この第3熱処理により第2Si層28を薄膜化するか又は第2Si層28を酸化膜に変えてしまうことで(H)工程で拡散させたGeの高濃度化を図ることができる。
The invention according to claim 4 is the invention according to claim 3, wherein (I) the second heat treatment is followed by a third heat treatment that is held at 1100 to 1300 ° C. for 1 to 600 minutes in an oxidizing atmosphere. It is.
In the invention according to claim 4, by increasing the concentration of Ge diffused in the step (H) by thinning the second Si layer 28 or changing the second Si layer 28 to an oxide film by the third heat treatment. Can be planned.
本発明の半導体ウェーハの製造方法は、比較的単純な積層構造にも関わらず、十分な引張り歪みを有し、かつ1×102〜1×103/cm2程度と結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハを製造することができるという利点がある。 The method for producing a semiconductor wafer of the present invention is a strained Si having a sufficient tensile strain and a crystal defect of about 1 × 10 2 to 1 × 10 3 / cm 2 despite a relatively simple laminated structure. There is an advantage that a semiconductor wafer in which a layer is formed can be manufactured.
次に本発明の第1の実施の形態を図1に基づいて説明する。
先ず図1に示すように、シリコンウェーハ11及び支持ウェーハ14を用意する。このシリコンウェーハ11は、単結晶シリコンであれば特に限定されず、チョクラルスキー法(Czochralski method、以下、CZ法という。)やフローティングゾーン法(Floating-Zone method、以下、FZ法という。)で作製されたシリコンウェーハを用いることができる。デバイスを形成する歪みSi層の品質を高めるため、少なくともウェーハの表面近傍には結晶欠陥が少ないものを使用することが好ましい。具体的には、熱処理を施してウェーハ表面近傍にDZ(Denuded Zone)層を形成したウェーハやCZ法の引上げ条件を調整することにより単結晶中のいわゆるGrown-in欠陥を低減或いは消滅させたウェーハや、FZウェーハなどが好適である。また、支持ウェーハ14は、上記シリコンウェーハ11で挙げた単結晶シリコンを用いることができるが、これら単結晶シリコンだけでなく、抵抗率が1000Ωcm以上の高抵抗率ウェーハを用いることで、高周波特性に優れた移動体通信用の半導体ウェーハを製造することができる。また、支持ウェーハ14には石英基板、サファイア基板、SiC基板、窒化アルミニウム基板等の絶縁性基板を用いることもできる。
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 1, a
次に、シリコンウェーハ11表面にSiGe混晶層12及び第1Si層13をこの順に形成する((a)工程)。SiGe混晶層12や第1Si層13は、例えば分子線エピタキシャル成長(MBE;MolecularBeam Epitaxy)装置や超高真空化学気相成長(UHV−CVD;Ultra High Vacuum Chemical Vapour Deposition)装置などにより形成することが好ましい。形成するSiGe混晶層12のGe組成は3〜30%が好ましく、5〜25%が特に好ましい。SiGe混晶層12のGe組成が3%未満であると拡散によりGe濃度が薄くなり、十分な引張り歪みを有する歪みSi層が形成されず、Ge組成が30%を越えると第1Si層13とSiGe混晶層12の格子定数の違いによりSiGe混晶層12にミスフィット転位が発生し易くなるとともに、後に続く熱処理工程によってミスフィット転位が増加してしまい、最終的に形成される歪みSi層の結晶性に悪影響を及ぼす。形成するSiGe混晶層12の厚さは20nm〜1μmが好ましく、50〜500nmが特に好ましい。厚さが20nm未満では十分な引張り歪みを有する歪みSi層が形成されず、厚さが1μmを越えると寄生容量の増加等により歪みSi層に形成されるデバイス特性が悪化する。形成する第1Si層13の厚さは5〜50nmが好ましく、10〜30nmが特に好ましい。
次に、第1Si層13の表層又は支持ウェーハ14の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層16を形成する((b)工程)。SiO2層16の形成には通常の熱酸化法を用いてもよいし、CVD法により第1Si層13の表層又は支持ウェーハ14の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2を堆積してSiO2層16を形成してもよい。形成するSiO2層16の厚さは50〜1000nmが好ましく、100〜250nmが特に好ましい。
Next, the SiGe
Next, the SiO 2 layer 16 is formed on one or both of the surface layer of the
次に、シリコンウェーハ11と支持ウェーハ14をSiO2層16を介して重ね合せることにより積層体17を形成する((c)工程)。この(c)工程では、シリコンウェーハ11と支持ウェーハ14をSiO2層16を介して常温で重ね合せることにより接着される。
次に、積層体17のシリコンウェーハ11を薄膜化することにより第2Si層18とする((d)工程)。薄膜化して得られる第2Si層18の厚さは、30〜300nmが好ましく、50〜150nmが特に好ましい。厚さが30nm未満では歪みSi層が薄くなりすぎる不具合を生じ、厚さが300nmを越えると、歪みSi層の厚さが厚くなり過ぎてしまい、欠陥が発生し易くなって半導体ウェーハの品質が落ちてしまう。シリコンウェーハ11の薄膜化方法には、研削や研磨、酸水溶液やアルカリ水溶液を用いたウェットエッチング、プラズマを利用した気相エッチング、ラッピング等が挙げられる。積層体17の接着強度を向上させるための熱処理を行うことが好ましい。この熱処理は例えばアルゴンガス雰囲気下、1100℃で120分間保持することで貼り合わせ位置17aにおける接着強度が向上する。
Next, the
Next, the
次に、第1Si層13とSiO2層16の界面及び第1Si層13側の界面近傍の双方を含む領域15にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する((e) 工程)。上記領域15にイオン注入することにより、後に続く工程で施す第1及び第2熱処理によりイオン注入した水素イオン又は希ガスイオンが熱処理中に第1Si層13とSiO2層16との結合力を弱め、SiGe混晶層12が歪み緩和するのを容易にする。その結果所定の厚さで残留する第2Si層18が歪緩和したSiGe拡散層19に格子整合して歪みSi層18aとなる。第1Si層13側の界面近傍とは、第1Si層13とSiO2層16の界面及び第1Si層13側の界面近傍の双方を含む領域を意味する。注入する希ガスとしてはヘリウム、ネオン等が挙げられる。注入イオンとしては水素イオンが特に好ましい。水素イオンを注入する場合には、イオン注入量は3〜50×1015atoms/cm2が好ましく、10×1015atoms/cm2が特に好ましい。イオン注入量が3×1015atoms/cm2未満ではSiGe混晶層12中のGeが移動し易くならず、50×1015atoms/cm2を越えてもその効果は変わらない。
次に、積層体17を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する((f)工程)。この第1熱処理では500℃で30分間保持することが特に好ましい。更に、第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することによりSiGe混晶層12を緩和させるとともに第1Si層13と第2Si層18の一部にGeを拡散する((g)工程)。この第2熱処理では850℃で120分間保持することが特に好ましい。第1熱処理及び第2熱処理を施すことにより、SiGe混晶層12が緩和するとともに第1Si層13と第2Si層18の一部にGeが拡散してSiGe拡散層19となる。第2Si層18は、SiGe拡散層19の格子定数に倣うように引張られて歪みを生じ、歪みSi層18aとなる。
Next, at least one of hydrogen ions or rare gas ions is applied so that the ion concentration peak is located in the region 15 including both the interface between the
Next, a first heat treatment is performed by holding the laminate 17 at 450 to 600 ° C. for 15 to 600 minutes in an inert gas atmosphere containing nitrogen or Ar gas (step (f)). In this first heat treatment, it is particularly preferable to hold at 500 ° C. for 30 minutes. Furthermore, the SiGe
また、第2熱処理の後に、酸化性雰囲気下、1100〜1300℃で1〜600分間保持する第3熱処理を施しても良い((h)工程)。この第3熱処理により歪みSi層18aとなった第2Si層18を薄膜化するか又は歪みSi層18aとなった第2Si層18を酸化膜に変えてしまうことで上記(g)工程で拡散させたSiGe拡散層19中のGeを高濃度することができる。なお、上記(g)工程の第2熱処理を終えた段階で歪みSi層18aが歪みSi層として必要な厚さを有し、かつSiGe拡散層19が必要十分なGe濃度を確保している場合には、この第3熱処理を省略できる。最後に、表面に形成した酸化膜20を除去して表層を露出させることで、歪みSi層を有する半導体ウェーハが得られる。歪みSi層18aの厚さは、SiGe拡散層19のGe濃度にもよるが、5〜30nmが好ましい。
なお、第1及び第2熱処理工程により第2Si層18から歪みSi層18aが形成されるように処理しているが、第2Si層18の表層を酸化するとともに、SiGe混晶層12中のGeを拡散させて、歪みSi層が形成されないように各工程を進めても良い。この場合には、熱処理工程後に酸化膜20を除去してから、露出したSiGe拡散層19上にエピタキシャル成長法によりSiを積層することで歪みSi層18aが形成された半導体ウェーハが得られる。このように、(a)工程〜(g)工程を経ることにより、比較的単純な積層構造にも関わらず、十分な引張り歪みを有し、かつ1×102〜1×103/cm2程度と結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハを製造することができる。
Moreover, you may perform the 3rd heat processing hold | maintained at 1100-1300 degreeC for 1 to 600 minutes in oxidizing atmosphere after 2nd heat processing ((h) process). The
In addition, although it processed so that the distortion |
次に本発明の第2の実施の形態を図2に基づいて説明する。
図2に示すように、シリコンウェーハ21及び支持ウェーハ24を用意する。ここでのシリコンウェーハ21及び支持ウェーハ24は前述した第1の実施の形態におけるシリコンウェーハ11及び支持ウェーハ14と同様の種類を用いることができる。先ず、シリコンウェーハ21表面にSiGe混晶層22及び第1Si層23をこの順に形成する((A)工程)。続いて、第1Si層23の表層又は支持ウェーハ24の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層26を形成する((B)工程)。(A)工程及び(B)工程は前述した第1の実施の形態における(a)工程及び(b)工程と同様にして行うことができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, a
次いで、シリコンウェーハ21内部の、第1Si層23表面から0.3〜1.0μm下方にイオン濃度のピークが位置するように水素又は希ガスのイオンを注入してシリコンウェーハ21内部のイオン注入位置にダメージ層21aを形成する((C)工程)。ダメージ層21aを形成する位置は、イオンの注入エネルギーにより決まる。また形成したダメージ層21aを境界として、後に続く剥離工程においてシリコンウェーハ11を剥離するためには、1×1016atoms/cm2を越えるイオン注入量が必要である。
次に、シリコンウェーハ21と支持ウェーハ24をSiO2層26を介して重ね合せることにより積層体27を形成する((D)工程)。この(D)工程では、シリコンウェーハ21と支持ウェーハ24をSiO2層26を介して常温で重ね合せることにより接着される。続いてダメージ層21a位置でシリコンウェーハ21を剥離することにより第2Si層28を形成する((E)工程)。この(E)工程では、積層体27に500℃以上の熱処理を施すことで、ダメージ層21a位置で剥離が進行する。剥離熱処理は、窒素雰囲気下、500℃で30分間保持することが好ましい。剥離後の第2Si層28の表面は鏡面であるが、若干の面粗さを有しているので、平坦化処理を施すことが好ましい。平坦化処理にはタッチポリッシュと呼ばれる研磨代の極めて少ない研磨を行う方法や、アルゴンガスや水素ガス雰囲気中で熱処理することにより平坦化する手法、またこれらを組み合わせて平坦化する方法が挙げられる。熱処理による平坦化は、通常の抵抗加熱式熱処理炉を用いる場合、1000〜1300℃、0.5〜5時間程度の熱処理が好適であり、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を用いる場合には、1100〜1350℃、1〜120秒程度の熱処理が好適である。なお、これらの熱処理を組み合わせて平坦化処理を行うこともできる。積層体27の接着強度を向上させるための熱処理を行うことが好ましい。この熱処理は例えばアルゴンガス雰囲気下、1100℃で120分間保持することで貼り合わせ位置27aにおける接着強度が向上する。
Next, ions of hydrogen or a rare gas are implanted so that the ion concentration peak is located 0.3 to 1.0 μm below the surface of the
Next, the
次に、第1Si層23とSiO2層26の界面及び第1Si層23側の界面近傍の双方を含む領域31にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する((F)工程)。上記領域31にイオン注入することにより、後に続く工程で施す第1及び第2熱処理によりイオン注入した水素イオン又は希ガスイオンが熱処理中に第1Si層23とSiO2層26との結合力を弱め、SiGe混晶層22が歪み緩和するのを容易にする。その結果所定の厚さで残留する第2Si層28が歪緩和したSiGe拡散層29に格子整合して歪みSi層28aとなる。第1Si層23側の界面近傍とは、第1Si層23とSiO2層26の界面及び第1Si層23側の界面近傍の双方を含む領域を指す。注入する希ガスとしてはヘリウム、ネオン等が挙げられる。注入イオンとしては水素イオンが特に好ましい。水素イオンを注入する場合には、イオン注入量は3〜50×1015atoms/cm2が好ましく、10×1015atoms/cm2が特に好ましい。イオン注入量が3×1015atoms/cm2未満ではSiGe混晶層22中のGeが移動し易くならず、50×1015atoms/cm2を越えてもその効果は変わらない。
次に、積層体27を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する((G)工程)。この第1熱処理では500℃で30分間保持することが特に好ましい。更に、第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することによりSiGe混晶層22を緩和させるとともに第1Si層23と第2Si層28の一部にGeを拡散する((H)工程)。この第2熱処理では850℃で120分間保持することが特に好ましい。第1熱処理及び第2熱処理を施すことにより、SiGe混晶層22が緩和するとともに第1Si層23と第2Si層28の一部にGeが拡散してSiGe拡散層29となる。第2Si層28は、SiGe拡散層29の格子定数に倣うように引張られて歪みを生じ、歪みSi層28aとなる。
Next, at least one of hydrogen ions or rare gas ions is applied so that the ion concentration peak is located in a
Next, the
また、第2熱処理の後に、酸化性雰囲気下、1100〜1300℃で1〜600分間保持する第3熱処理を施しても良い((I)工程)。この第3熱処理により歪みSi層28aとなった第2Si層28を薄膜化するか又は歪みSi層28aとなった第2Si層28を酸化膜に変えてしまうことで上記(H)工程で拡散させたSiGe拡散層29中のGeを高濃度することができる。なお、上記(H)工程の第2熱処理を終えた段階で歪みSi層28aが歪みSi層として必要な厚さを有し、かつSiGe拡散層29が必要十分なGe濃度を確保している場合には、この第3熱処理を省略できる。最後に、表面に形成した酸化膜30を除去して表層を露出させることで、歪みSi層を有する半導体ウェーハが得られる。歪みSi層28aの厚さは、SiGe拡散層29のGe濃度にもよるが、5〜30nmが好ましい。
なお、第1及び第2熱処理工程により第2Si層28から歪みSi層28aが形成されるように処理しているが、第2Si層28の表層を酸化するとともに、SiGe混晶層22中のGeを拡散させて、歪みSi層が形成されないように各工程を進めても良い。この場合には、熱処理工程後に酸化膜30を除去してから、露出したSiGe拡散層29上にエピタキシャル成長法によりSiを積層することで歪みSi層28aが形成された半導体ウェーハが得られる。このように、(A)工程〜(H)工程を経ることにより、比較的単純な積層構造にも関わらず、十分な引張り歪みを有し、かつ1×102〜1×103/cm2程度と結晶欠陥の少ない歪みSi層が形成された半導体ウェーハを製造することができる。
Moreover, you may perform the 3rd heat processing hold | maintained for 1 to 600 minutes at 1100-1300 degreeC in oxidizing atmosphere after 2nd heat processing ((I) process). The second Si layer 28 that has become the
In addition, although it processed so that the distortion |
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
<実施例1>
先ず、シリコンウェーハ及び支持ウェーハとして、直径が200mm、結晶方位が<100>、抵抗率が10Ωcmのp型シリコンウェーハをそれぞれ用意した。このシリコンウェーハ表面にSiGe混晶層及び第1Si層をこの順に形成した。SiGe混晶層及び第1Si層の形成にはRT−CVD装置を用い、原料ガスにはGeH4、SiH4を、成長温度は650℃、SiGe組成がSi0.8Ge0.2となるように原料ガス供給量を調整し、成長させたSiGe混晶層の膜厚を100nm、第1Si層の膜厚を20nmとした。支持ウェーハの表層にSiO2層を形成した。SiO2層の形成は熱酸化法により行い、酸化条件は950℃でパイロジェニック酸化(水素燃焼酸化)により行い、SiO2層の膜厚を100nmとした。次いで、シリコンウェーハと支持ウェーハをSiO2層を介して重ね合せることにより積層体を形成した。シリコンウェーハと支持ウェーハを室温で重ね合わせて密着させ、更に非酸化性雰囲気下、1000℃で30分間保持する貼合せ熱処理を施して貼り合わせ位置における接着強度を高めた。
次に、積層体のシリコンウェーハを薄膜化して第2Si層とした。この薄膜化では平面研削、エッチング、表面研磨及び気相エッチングをそれぞれ施した。平面研削では、シリコンウェーハが約15μmになるまで研削して第2Si層とした。またエッチングでは、平面研削後の第2Si層の表層を約1μmエッチングして第2Si層を約14μmとした。また、表面研磨では、エッチング後の第2Si層を研磨して第2Si層を3μmとした。更に気相エッチングでは表面研磨後の第2Si層をエッチングして第2Si層を100nmになるまで薄膜化した。次に、第1Si層とSiO2層の界面及び第1Si層側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオンを注入した。イオン注入量は10×1015atoms/cm2とした。イオン注入した積層体を窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気下、500℃で30分間保持する第1熱処理を施し、続いて850℃で120分間保持する第2熱処理を施してSiGe混晶層を緩和させるとともに第1Si層と第2Si層の一部にGeを拡散させてSiGe拡散層を形成した。更に、積層体に酸化性雰囲気下、1200℃で1時間保持する第3熱処理を施した。第1〜第3熱処理を施すことで、第2Si層は薄膜化し、SiGe拡散層の格子定数に倣うように引張られて歪みを生じ、歪みSi層となった。最後に、表面に形成した酸化膜を除去して最表層となる歪みSi層を露出させることで、歪みSi層を有する半導体ウェーハを得た。得られた半導体ウェーハの歪みSi層の厚さは10nm、SiGe拡散層の厚さは110nm、SiGe拡散層のGe濃度は18%であり、十分な歪みを生じかつ欠陥の少ないSi層並びにSiGe層が得られていた。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail.
<Example 1>
First, p-type silicon wafers having a diameter of 200 mm, a crystal orientation of <100>, and a resistivity of 10 Ωcm were prepared as a silicon wafer and a support wafer, respectively. A SiGe mixed crystal layer and a first Si layer were formed in this order on the surface of the silicon wafer. An RT-CVD apparatus is used to form the SiGe mixed crystal layer and the first Si layer, and source gases are supplied so that the source gases are GeH 4 and SiH 4 , the growth temperature is 650 ° C., and the SiGe composition is Si 0.8 Ge 0.2. The amount of the grown SiGe mixed crystal layer was adjusted to 100 nm, and the thickness of the first Si layer was set to 20 nm. A SiO 2 layer was formed on the surface layer of the support wafer. The formation of the SiO 2 layer was performed by a thermal oxidation method, the oxidation conditions were pyrogenic oxidation (hydrogen combustion oxidation) at 950 ° C., and the thickness of the SiO 2 layer was 100 nm. Next, a laminated body was formed by superposing the silicon wafer and the supporting wafer via the SiO 2 layer. The silicon wafer and the support wafer were superposed and adhered at room temperature, and further subjected to a bonding heat treatment for 30 minutes at 1000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere to increase the bonding strength at the bonding position.
Next, the laminated silicon wafer was thinned to form a second Si layer. In this thinning, surface grinding, etching, surface polishing and gas phase etching were performed. In the surface grinding, the second Si layer was formed by grinding until the silicon wafer was about 15 μm. In the etching, the surface layer of the second Si layer after surface grinding was etched by about 1 μm to make the second Si layer about 14 μm. In the surface polishing, the etched second Si layer was polished to make the second Si layer 3 μm. Further, in the gas phase etching, the second Si layer after surface polishing was etched to reduce the thickness of the second Si layer to 100 nm. Next, hydrogen ions were implanted so that the peak of the ion concentration was located in a region including both the interface between the first Si layer and the SiO 2 layer and the vicinity of the interface on the first Si layer side. The ion implantation amount was 10 × 10 15 atoms / cm 2 . The SiGe mixed crystal layer is relaxed by applying a first heat treatment in which the ion-implanted laminate is held at 500 ° C. for 30 minutes in an inert gas atmosphere containing nitrogen gas, followed by a second heat treatment for 120 minutes at 850 ° C. At the same time, Ge was diffused in part of the first Si layer and the second Si layer to form a SiGe diffusion layer. Furthermore, the laminated body was subjected to a third heat treatment that was held at 1200 ° C. for 1 hour in an oxidizing atmosphere. By performing the first to third heat treatments, the second Si layer was thinned, and was strained to follow the lattice constant of the SiGe diffusion layer, resulting in a strained Si layer. Finally, the oxide film formed on the surface was removed to expose the strained Si layer as the outermost layer, thereby obtaining a semiconductor wafer having a strained Si layer. The thickness of the strained Si layer of the obtained semiconductor wafer is 10 nm, the thickness of the SiGe diffusion layer is 110 nm, and the Ge concentration of the SiGe diffusion layer is 18%. Was obtained.
<実施例2>
先ず、シリコンウェーハ及び支持ウェーハとして、直径が200mm、結晶方位が<100>、抵抗率が10Ωcmのp型シリコンウェーハをそれぞれ用意した。このシリコンウェーハ表面にSiGe混晶層及び第1Si層をこの順に形成した。SiGe混晶層及び第1Si層の形成にはRT−CVD装置を用い、原料ガスにはGeH4、SiH4を、成長温度は650℃、SiGe組成がSi0.9Ge0.1となるように原料ガス供給量を調整し、成長させたSiGe混晶層の膜厚を100nm、第1Si層の膜厚を15nmとした。支持ウェーハの表層にSiO2層を形成した。SiO2層の形成は熱酸化法により行い、酸化条件は950℃でパイロジェニック酸化(水素燃焼酸化)により行い、SiO2層の膜厚を100nmとした。次いで、シリコンウェーハ内部の第1Si層表面から1.0μm下方にイオン濃度のピークが位置するように水素イオンを注入してシリコンウェーハ内部のイオン注入位置にダメージ層を形成した。イオン注入量は1×1016atoms/cm2とした。次に、シリコンウェーハと支持ウェーハをSiO2層を介して重ね合せることにより積層体を形成した。シリコンウェーハと支持ウェーハを室温で重ね合わせて密着させ、500℃、30分間保持する熱処理を施してダメージ層位置でシリコンウェーハを剥離して第2Si層を形成した。第2Si層の厚さは約130nmであった。更に窒素雰囲気下、900℃で2時間保持する貼合せ熱処理を施して貼り合わせ位置における接着強度を高めた。
続いて研磨取り代約30nmのタッチポリッシュを施して第2Si層の表面を平坦化処理した。次に、第1Si層とSiO2層の界面及び第1Si層側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオンを注入した。イオン注入量は10×1015atoms/cm2とした。イオン注入した積層体を窒素ガスを含む不活性ガス雰囲気下、500℃で30分間保持する第1熱処理を施し、続いて850℃で120分間保持する第2熱処理を施してSiGe混晶層を緩和させるとともに第1Si層と第2Si層の一部にGeを拡散させてSiGe拡散層を形成した。更に、積層体に酸化性雰囲気下、1200℃で4時間保持する第3熱処理を施した。第1〜第3熱処理を施すことで、第2Si層は、SiGe拡散層と酸化膜となり消失した。表面に形成した酸化膜を除去して最表層となるSiGe拡散層を露出させた。最後に、露出させたSiGe拡散層上にエピタキシャル成長法により12nmの厚さで歪みSi層を形成し、歪みSi層を有する半導体ウェーハを得た。歪みSi層の形成にはRT−CVD装置を用い、原料ガスにはSiH4を、成長温度は650℃とした。得られた半導体ウェーハの歪みSi層の厚さは12nm、SiGe拡散層の厚さは55nm、SiGe拡散層のGe濃度は19%であり、十分な歪みを生じかつ欠陥の少ないSi層並びにSiGe層が得られていた。
<Example 2>
First, p-type silicon wafers having a diameter of 200 mm, a crystal orientation of <100>, and a resistivity of 10 Ωcm were prepared as a silicon wafer and a support wafer, respectively. A SiGe mixed crystal layer and a first Si layer were formed in this order on the surface of the silicon wafer. An RT-CVD apparatus is used to form the SiGe mixed crystal layer and the first Si layer, and the raw material gas is supplied with GeH 4 and SiH 4 , the growth temperature is 650 ° C., and the SiGe composition is Si 0.9 Ge 0.1. The thickness of the grown SiGe mixed crystal layer was adjusted to 100 nm, and the thickness of the first Si layer was adjusted to 15 nm. A SiO 2 layer was formed on the surface layer of the support wafer. The formation of the SiO 2 layer was performed by a thermal oxidation method, the oxidation conditions were pyrogenic oxidation (hydrogen combustion oxidation) at 950 ° C., and the thickness of the SiO 2 layer was 100 nm. Next, hydrogen ions were implanted so that an ion concentration peak was located 1.0 μm below the surface of the first Si layer inside the silicon wafer, thereby forming a damage layer at the ion implantation position inside the silicon wafer. The ion implantation amount was 1 × 10 16 atoms / cm 2 . Next, a laminated body was formed by superimposing the silicon wafer and the support wafer via the SiO 2 layer. The silicon wafer and the support wafer were superposed and adhered at room temperature, heat treatment was performed at 500 ° C. for 30 minutes, and the silicon wafer was peeled off at the damaged layer position to form a second Si layer. The thickness of the second Si layer was about 130 nm. Further, a bonding heat treatment was performed for 2 hours at 900 ° C. in a nitrogen atmosphere to increase the bonding strength at the bonding position.
Subsequently, the surface of the second Si layer was planarized by performing a touch polishing with a polishing allowance of about 30 nm. Next, hydrogen ions were implanted so that the peak of the ion concentration was located in a region including both the interface between the first Si layer and the SiO 2 layer and the vicinity of the interface on the first Si layer side. The ion implantation amount was 10 × 10 15 atoms / cm 2 . The SiGe mixed crystal layer is relaxed by applying a first heat treatment in which the ion-implanted laminate is held at 500 ° C. for 30 minutes in an inert gas atmosphere containing nitrogen gas, followed by a second heat treatment for 120 minutes at 850 ° C. At the same time, Ge was diffused in part of the first Si layer and the second Si layer to form a SiGe diffusion layer. Further, the laminate was subjected to a third heat treatment that was held at 1200 ° C. for 4 hours in an oxidizing atmosphere. By performing the first to third heat treatments, the second Si layer disappeared as an SiGe diffusion layer and an oxide film. The oxide film formed on the surface was removed to expose the outermost SiGe diffusion layer. Finally, a strained Si layer having a thickness of 12 nm was formed on the exposed SiGe diffusion layer by epitaxial growth to obtain a semiconductor wafer having a strained Si layer. An RT-CVD apparatus was used to form the strained Si layer, the source gas was SiH 4 , and the growth temperature was 650 ° C. The thickness of the strained Si layer of the obtained semiconductor wafer is 12 nm, the thickness of the SiGe diffusion layer is 55 nm, and the Ge concentration of the SiGe diffusion layer is 19%. Was obtained.
11,21 シリコンウェーハ
12,22 SiGe混晶層
13,23 第1Si層
14,24 支持ウェーハ
16,26 SiO2層
17,27 積層体
18,28 第2Si層
18a,28a 歪みSi層
19,29 SiGe拡散層
20,30 酸化膜
21a ダメージ層
11, 21
Claims (4)
(b) 前記第1Si層(13)の表層又は前記シリコンウェーハ(11)とは別に用意した支持ウェーハ(14)の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層(16)を形成する工程と、
(c) 前記シリコンウェーハ(11)と前記支持ウェーハ(14)をSiO2層(16)を介して重ね合せることにより積層体(17)を形成する工程と、
(d) 前記積層体(17)のシリコンウェーハ(11)を所定の厚さに薄膜化することにより第2Si層(18)とする工程と、
(e) 第1Si層(13)とSiO2層(16)の界面及び前記第1Si層(13)側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する工程と、
(f) 前記積層体(17)を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する工程と、
(g) 前記第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することにより前記SiGe混晶層(12)を緩和させるとともに前記第1Si層(13)と前記第2Si層(18)の一部にGeを拡散する工程と
を含むことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 (a) forming a SiGe mixed crystal layer (12) and a first Si layer (13) in this order on the surface of the silicon wafer (11);
(b) forming a SiO 2 layer (16) on one or both of the surface layer of the first Si layer (13) and the surface layer of the support wafer (14) prepared separately from the silicon wafer (11); ,
(c) forming the laminate (17) by superimposing the silicon wafer (11) and the support wafer (14) through a SiO 2 layer (16);
(d) forming a second Si layer (18) by thinning the silicon wafer (11) of the laminate (17) to a predetermined thickness;
(e) Hydrogen ions or rare gases so that the ion concentration peak is located in a region including both the interface between the first Si layer (13) and the SiO 2 layer (16) and the vicinity of the interface on the first Si layer (13) side. Implanting at least one of ions;
(f) performing a first heat treatment by holding the laminate (17) in an inert gas atmosphere containing nitrogen or Ar gas at 450 to 600 ° C. for 15 to 600 minutes;
(g) The SiGe mixed crystal layer (12) is relaxed by holding the first heat treatment at 800 to 1000 ° C. for 15 to 300 minutes for a second heat treatment to relax the SiGe mixed crystal layer (12) and the first Si layer (13) and the first heat treatment. And a step of diffusing Ge into a part of the 2Si layer (18).
(B) 前記第1Si層(23)の表層又は前記シリコンウェーハ(21)とは別に用意した支持ウェーハ(24)の表層のいずれか一方又はその双方にSiO2層(26)を形成する工程と、
(C) 前記シリコンウェーハ(21)内部の、第1Si層(23)表面から0.3〜1.0μm下方にイオン濃度のピークが位置するように水素又は希ガスのイオンを注入して前記シリコンウェーハ(21)内部のイオン注入位置にダメージ層(21a)を形成する工程と、
(D) 前記シリコンウェーハ(21)と前記支持ウェーハ(24)をSiO2層(26)を介して重ね合せることにより積層体(27)を形成する工程と、
(E) 前記ダメージ層(21a)位置でシリコンウェーハ(21)を剥離することにより第2Si層(28)を形成する工程と、
(F) 第1Si層(23)とSiO2層(26)の界面及び前記第1Si層(23)側の界面近傍の双方を含む領域にイオン濃度のピークが位置するように水素イオン又は希ガスイオンの少なくとも1つを注入する工程と、
(G) 前記積層体(27)を窒素又はArガスを含む不活性ガス雰囲気下、450〜600℃で15〜600分間保持して第1熱処理する工程と、
(H) 前記第1熱処理に続いて800〜1000℃で15〜300分間保持して第2熱処理することにより前記SiGe混晶層(22)を緩和させるとともに前記第1Si層(23)と前記第2Si層(28)の一部にGeを拡散する工程と
を含むことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。 (A) forming a SiGe mixed crystal layer (22) and a first Si layer (23) in this order on the surface of the silicon wafer (21);
(B) forming a SiO 2 layer (26) on one or both of the surface layer of the first Si layer (23) and the surface layer of a support wafer (24) prepared separately from the silicon wafer (21); ,
(C) Hydrogen or rare gas ions are implanted in the silicon wafer (21) so that an ion concentration peak is located 0.3 to 1.0 μm below the surface of the first Si layer (23). Forming a damage layer (21a) at the ion implantation position inside the wafer (21);
(D) forming the laminate (27) by superimposing the silicon wafer (21) and the support wafer (24) through a SiO 2 layer (26);
(E) forming a second Si layer (28) by peeling the silicon wafer (21) at the position of the damaged layer (21a);
(F) Hydrogen ions or rare gases so that the ion concentration peak is located in a region including both the interface between the first Si layer (23) and the SiO 2 layer (26) and the vicinity of the interface on the first Si layer (23) side. Implanting at least one of ions;
(G) performing a first heat treatment by holding the laminate (27) in an inert gas atmosphere containing nitrogen or Ar gas at 450 to 600 ° C. for 15 to 600 minutes;
(H) The SiGe mixed crystal layer (22) is relaxed by holding the first heat treatment at 800 to 1000 ° C. for 15 to 300 minutes for a second heat treatment to relax the SiGe mixed crystal layer (22) and the first Si layer (23) and the first heat treatment. And a step of diffusing Ge into part of the 2Si layer (28).
(I) The manufacturing method according to claim 3, wherein after the second heat treatment, a third heat treatment is performed by holding at 1100 to 1300 ° C. for 1 to 600 minutes in an oxidizing atmosphere.
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