JP2007518264A - 高度な緩和及び低い積層欠陥密度を有する薄いＳｉＧｅオン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）ウェハを形成する方法。 - Google Patents

高度な緩和及び低い積層欠陥密度を有する薄いＳｉＧｅオン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）ウェハを形成する方法。 Download PDF

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Abstract

【課題】 高度な緩和及び低い積層欠陥密度を有する薄いシリコン・ゲルマニウム・オン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）構造体を形成する方法を提供する。
【解決手段】 ＳｉＧｅ層（１０４）をＳＯＩウェハ（１０２、１００）上に堆積する（３００）。ＳｉＧｅ及びＳｉ層の熱混合を遂行し（３０２）、高度な緩和及び低い積層欠陥密度を有する厚いＳＧＯＩ（１０６）を形成する。次に、ＳｉＧｅ層（１１０）が所望の最終の厚さにまで薄くする（３０６）。この薄層化処理によって、Ｇｅ濃度、緩和量、及び積層欠陥密度は不変に保持される。このようにして、高度な緩和及び低い積層欠陥密度を有するＳＧＯＩ薄膜が得られる。次に、Ｓｉ層（１１２）を薄いＳＧＯＩウェハ上に堆積する。薄層化方法には、低温（５５０℃−７００℃）ＨＩＰＯＸ又は蒸気酸化法、エピタキシ・チャンバ内でのその場の（ｉｎ−ｓｉｔｕ）ＨＣｌエッチング法、又はＣＭＰ法がある。ＨＩＰＯＸ又は蒸気酸化薄層化から得られる粗いＳｉＧｅ表面は、タッチ・アップＣＭＰ法、歪みＳｉ堆積中でのその場の水素ベーク及びＳｉＧｅバッファ層、又は、ＨＣｌ、ＤＣＳ及びＧｅＨ４の気体混合物を有する水素環境中でウェハを加熱する方法、を用いて平坦化される。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、一般にシリコン・ゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ、簡単のためＳｉＧｅと表す）オン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）構造体に関し、より詳細には、薄く高度に緩和したＳｉＧｅ層、及び、低い積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｄｅｆｅｃｔ）密度を有するＳＧＯＩ構造体を形成するための改善された方法に関する。
歪みＳｉの相補形金属−酸化膜−半導体（ＣＭＯＳ）への用途において、緩和ＳｉＧｅ上に堆積されたＳｉは、引張り歪みを含み、Ｎ型電界効果トランジスタ（ＮＦＥＴｓ）及びＰ型電界効果トランジスタ（ＰＦＥＴｓ）のチャネル材料として用いられる。ＮＦＥＴｓは、０．６％の歪みにおいて有意な移動度増加を示し、しかし、ＰＦＥＴｓの有意な移動度増加には１．２％より大きな歪みが必要となる。同時に、Ｓｉオン・インシュレータ（ＳＯＩ）の上でのＣＭＯＳの成長と同様に、埋込酸化物（ＢＯＸ）上の薄いＳｉ／ＳｉＧｅ膜は高性能デバイスのために非常に有用である。さらに、Ｓｉ及びＳｉＧｅ材料内の積層欠陥は、ソース・ドレイン間のショートを引き起こす可能性があるので最小にする必要がある。
現在の最新技術の例として、米国特許出願公報第２００２／０１８５６８６号は、ＳＯＩの上に疑似（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）エピタキシャルＳｉＧｅ層を成長させ、該層の下に軽元素のイオンを注入し、次いで緩和アニール処理を遂行することによって、ＳＧＯＩ層を作る方法を説明している。米国特許出願公報第２００２／０１６８８０２号は、ＳＯＩの最上層がＳｉＧｅに変換され、次いでアニールされた、複合のＳｉＧｅ／ＳＯＩ構造体を形成する方法を説明している。
ＳＧＯＩウェハを形成する最も有望な方法の一つに、熱混合法（ｔｈｅｒｍａｌ ｍｉｘｉｎｇ）がある。熱混合法においては、疑似ＳｉＧｅ膜をＳＯＩウェハ上に堆積して、高温酸化（１２００℃−１３００℃）によってＳｉＧｅを下方のＳｉと混合し、ＳｉＧｅを緩和し、同時にＳｉＧｅ膜をより薄くする。熱混合の間、Ｇｅは高温において酸化物から拒絶され、その結果、ＳｉＧｅ層中のＧｅの量は実質的に保存される。例えば、ＳＯＩの初期の厚さが４００Åより厚いことを条件として、ＳＯＩ上の６００Å、１７％のＳｉＧｅを混合して、４００Å、２５％のＳＧＯＩ、又は、１０００Å、１０％のＳＧＯＩとすることができる。
しかし、熱混合後のＳＧＯＩ膜は、普通、１００％は緩和していない。上記の例においては、４００Å、２５％のＳＧＯＩは６０％だけしか緩和しておらず、この基板上に堆積されたＳｉに約０．６％の歪みを与える。１．２％の歪みを得るためには、ＳＧＯＩに６０％だけの緩和が達成されるとした場合、５０％のＳｉＧｅ膜が必要となるであろう。この高濃度のＳｉＧｅ膜は、低濃度材料と比較して、多くの付加的な材料の問題、及びＣＭＯＳの集積化プロセスの問題を有しており、望ましいものではない。従って、比較的低濃度の、しかし、高度な緩和を有するＳｉＧｅが必要である。
本発明は、これらの問題を解決するために、薄く高度に緩和したＳｉＧｅ層、及び、低い積層欠陥密度を有するＳＧＯＩ構造体を形成するための改善された方法を提供する。本発明によれば、ＳＧＯＩ構造体を形成する方法は、ＳＯＩウェハ上にＳｉＧｅ層を堆積するステップで始まる。次に、本発明は、ＳｉＧｅ層を下方のＳｉ層と混合し
、かつ、ＳｉＧｅ層内の歪みを部分的に緩和する熱混合処理を遂行する。熱混合処理は、通常、酸化環境中で遂行され、酸化の量が、熱混合後のＳｉＧｅの厚さを制御するために利用できる。次に本発明はＳｉＧｅ層を所望の最終的な厚さにまで薄くする。この薄層化処理はＧｅ濃度、緩和量、及び積層欠陥密度を不変に保持する。このようにして、本発明により、高度な緩和、及び低い積層欠陥密度を有する薄いＳＧＯＩ膜を得ることができる。薄層化の後、表面平坦化処理が遂行される。最後に、本発明は薄いＳＧＯＩウェハ上にＳｉを堆積する。
ＳｉＧｅ層を熱的に混合する処理は、ＳｉＧｅ層を酸化環境中でおよそ１２００℃−１３００℃に加熱するステップを含む。そのような高温酸化処理の間、Ｇｅ原子は酸化物から拒絶されて、酸化物の下のＳｉＧｅ層中に蓄積する。薄層化処理は、ＳｉＧｅ層内のＳｉ及びＧｅがそれらの存在するモル濃度に従って除去されるように、ＳｉＧｅ層を非選択的に（ｎｏｎ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ）薄くする。より具体的には、薄層化処理は、７００℃より低い温度で実施される高圧酸化（ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ：ＨＩＰＯＸ）処理、７００℃より低い温度で実施される蒸気酸化（ｓｔｅａｍ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）処理、ＨＣｌエッチング処理、又は、化学機械的研磨（ＣＭＰ）処理とすることができる。酸化薄層化処理を用いる場合には、ＳｉＧｅ層は、薄層化の後に平坦化処理によって実質的に平坦化され、１５Åより小さな、好ましくは１０Åより小さな表面粗さをもつようにされる。
これら及び他の、本発明の態様と目的は、以下の説明及び添付の図面と関連して熟考することによって、よりよく評価され理解されるであろう。しかし、以下の説明は、本発明の好ましい実施形態及びそれらの多くの細部を示しているが、説明のために与えられたものであり、限定のためではないことが理解されるべきである。多くの改変と変更が、本発明の範囲内で本発明の精神から離れることなしに可能であり、本発明はそれら全ての変更を含む。
本発明は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。
本発明、及び、その種々の特徴と利点の詳細が、添付の図面に示され以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照しながら、より十分に説明される。図面に示される特徴は、必ずしも一定の尺度で描かれてはいないことに注意されたい。周知の構成要素及びプロセス方法の説明は、本発明を不必要に不明瞭にしないために省略されている。ここで用いられる実施例は、単に、本発明を実施することのできる方法の理解を容易にするため、及び、さらに当業者が本発明を実施することを可能にするために意図したものである。従って、これらの実施例は、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。
図１は、熱混合の後にＳＧＯＩ内に残留する歪みとＳｉＧｅ膜厚との関係を示す。破線の曲線は、実験データを示し、実線の曲線は理論データを示す。図１は、転位（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）の形成がＳｉＧｅ膜内の歪みを減じること、及び、歪みエネルギーが新しい転位を形成するのに必要な水準より低くなるまで、膜が緩和することを示す。理論及び実験データは、ＳｉＧｅ膜厚が５００Åに減少するまではよく一致する。５００Åより小さくなると、実験データはより大きな残留歪みを示し、従って、理論で予測されるより小さく緩和する。図２は、ＳＧＯＩの緩和率の、Ｇｅ濃度及びＳｉＧｅ膜厚に対する、理論で予測される依存性を示す。前述の通り、ＳｉＧｅ膜厚が５００Åより小さい場合、実験データは理論で予測されるよりも小さな緩和を示す。これらのデータは、与えられたＧｅ濃度に対して、緩和率はＳｉＧｅ膜厚が増加するに連れて増加することを示す。例えば、２０％（原子パーセント）ＳｉＧｅに対して、理論は２００ÅのＳｉＧｅ膜に関して３０％の緩和を予測し、１０００ÅのＳｉＧｅ膜に関しては８０％の緩和を予測している。
図３は、本発明者によって見出された、ＳＧＯＩ内の積層欠陥密度（結晶構造の原子のオーダーにおける欠陥を伴うプレーナー型欠陥）とＳｉＧｅ膜厚との関係を示す。ＳｉＧｅ膜厚が１５０Å増加すると、積層欠陥密度は一桁小さくなる。例えば、本発明によるＳＧＯＩは１×１０４／ｃｍ２より小さな（好ましくは１×１０２／ｃｍ２より小さな）積層欠陥を有する。
従って、高度な緩和と低い積層欠陥密度を有するＳＧＯＩ材料を得るためには、熱混合の後で厚いＳＧＯＩを保持していることが望ましい。しかし、前述のように、高性能デバイスは、高度に緩和したＳｉＧｅを有する薄い最終的なＳｉ／ＳｉＧｅ膜を必要とするが、これを通常の熱混合で得ることは困難である。本発明は、ＳＧＯＩ構造体に関る熱混合処理のこの制約を、厚い熱的に混合されたＳｉＧｅ層を薄層化することによって克服する。
より具体的には、図４に示されるように、本発明は、初めにＳＯＩ１０２及び１００の上にＳｉＧｅ層１０４を堆積するが、ここで、１０２はＳｉ層であり、１００は埋込酸化物（ＢＯＸ）である。ＳｉＧｅ層１０４は、均一なＧｅ濃度を有するものでもよく、又は、Ｓｉバッファ（緩衝）層又はキャップ層を含むように膜厚に沿って変化するＧｅ濃度を有するものでもよい。
次に、図５に示されるように、本発明は、酸化環境中で１２００℃−１３００℃の温度範囲において、ＳｉＧｅ及びＳｉ層の熱混合を遂行するが、それによってＳｉＧｅとＳｉが混合し、同時に、混合されたＳｉＧｅ層を酸化し、かつ、薄層化し、また同時にＳｉＧｅ層内の歪みを部分的に緩和する。熱混合の結果として、部分的に緩和したＳｉＧｅ層１０６が直接ＢＯＸ１００の上に形成され、酸化物層１０８がＳｉＧｅ層の上に形成される。ある種の内部酸化が熱混合の間に起こり、その結果、ＢＯＸ１００の厚さが熱混合の後で増加することがある。この高温酸化工程の間、Ｇｅは酸化物から拒絶され、そのためＳｉＧｅ層１０６内のＧｅの量は実質的に図４中のＳｉＧｅ層１０４と同じになる。
図６に示されるように、本発明は次に、酸化物層１０８をフッ化水素酸エッチングによって除去する。このプロセスのためのエッチング液の一例は、１０：１ＨＦ：Ｈ２Ｏ溶液である。次に、図７に示されるように、本発明は、ＳｉＧｅ層１０６を所望の最終的な厚さまで非選択的に薄くする。薄くされたＳｉＧｅ層は、図７中に層１１０として示されている。この非選択的薄層化は、ゲルマニウム濃度、緩和量、及び積層欠陥密度を不変に保持する。換言すれば、この薄層化工程は、緩和ＳｉＧｅ層内のＳｉ及びＧｅが均等に除去されるようにＳｉＧｅ層を非選択的に薄くする。このようにして、本発明は、高度な緩和、及び低い積層欠陥密度を有するＳＧＯＩ薄膜を得ることを可能にする。本開示は、ＳｉＧｅ層を非選択的に薄くするための４つの異なる方法について論じるが、当業者は付加的な方法が使えることを理解するであろう。
第１の方法においては、非選択的にＳｉＧｅ層１０６を酸化するために、５５０℃−７００℃の温度範囲でのＨＩＰＯＸ処理が用いられる。処理圧力は、典型的には１−５０気圧（ＡＴＭ）であり、好ましくは５−２０気圧である。典型的には、蒸気（ｓｔｅａｍ）が酸化速度を増すために導入される。酸化ステップの後、酸化物はＨＦエッチングによって除去される。第２の方法においては、非選択的にＳｉＧｅ層１０６を酸化するために、５５０℃−７００℃の温度範囲における大気圧又は減圧蒸気酸化処理が用いられる。酸化ステップの後、酸化物はＨＦエッチングによって除去される。第３の方法においては、ＳｉＧｅ層１０６を薄層化するために、エピタキシ・チャンバ内でのその場の（ｉｎ−ｓｉｔｕ）ＨＣｌエッチングが用いられる。このエッチング・ステップは、典型的なエピタキシ前洗浄の後で、かつ、歪みＳｉの堆積の前に、遂行される。エッチング処理は、１−７６０Ｔｏｒｒの間の圧力、７００℃−９００℃の間の温度、及び５０ｓｃｃｍ−１０ｓｌｍの間のＨＣｌ流量において遂行される。第４の方法においては、ＳｉＧｅ層１０６を薄層化するために、化学機械的研磨（ＣＭＰ）処理が用いられる。
第１及び第２の方法によって説明されたように、酸化法によって薄層化されたＳｉＧｅ層１１０は、典型的には、非常に粗い。ＡＦＭを用いて測定されたＲＭＳは、典型的には、２０−５０Åの表面粗さを示す。図８に示されるように、ＳｉＧｅ層１１０の表面粗さを１５Åより小さく、好ましくは１０Åより小さくするために、平坦化処理が行われる。当業者が理解するであろうように、以下の３つの平坦化法が、他の方法に加えて用いることができる。
第１の方法においては、表面粗さを１０Å未満にまで減じるためにタッチ・アップ（ｔｏｕｃｈ−ｕｐ）ＣＭＰ法が用いられる。タッチ・アップＣＭＰの間に除去されるＳｉＧｅは、典型的には、２００Å未満であり、好ましくは１００Å未満である。
第２の方法においては、歪みＳｉ堆積の前に、その場の（ｉｎ−ｓｉｔｕ）水素ベーク及びＳｉＧｅバッファ層を用いて、ＳｉＧｅ表面粗さを１５Å未満、好ましくは１０Å未満にまで減じる。水素ベーク処理は、典型的には、７００℃−９００℃、好ましくは７５０℃−８５０℃の温度範囲で、１Ｔｏｒｒ−３００Ｔｏｒｒ、好ましくは５Ｔｏｒｒ−８０Ｔｏｒｒの圧力において、３０ｓｅｃ−３００ｓｅｃ、好ましくは６０ｓｅｃ−１２０ｓｅｃの時間、遂行される。ＳｉＧｅバッファ層は、５５０℃−７００℃の温度において原料気体としてＳｉＨ４及びＧｅＨ４を用いて、或いは、７００℃−８５０℃の温度において原料気体としてＤＣＳ（ジクロロシラン）及びＧｅＨ４を用いて、２０−５００Å、好ましくは５０−５００Åの厚さに成長させられる。
第３の方法においては、ＨＣｌ、ＤＣＳ及びＧｅＨ４の気体混合物を有する水素環境中で、７００℃−９００℃の温度において、ウェハを加熱することによって、その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）平坦化処理を用いる。この処理は、ＳｉＧｅのエッチング及び堆積の処理を遂行することによってＳｉＧｅ表面を平坦にする。
最後に、図９に示されるように、本発明は、薄くされたＳＧＯＩウェハの上に歪みＳｉ１１２を堆積する。該Ｓｉ層は典型的には５０−３００Åの厚さを有する。
図１０は、本発明をフローチャート形式で示す。より具体的には、本発明は初めに、ＳｉＧｅ層をＳＯＩウェハの上に堆積する（３００）。次に、本発明は、ＳｉＧｅ及びＳｉ層の熱混合ステップを遂行して部分的に緩和したＳｉＧｅを絶縁体上に形成する（３０２）。上述の通り、ＳｉＧｅ及びＳｉ層を熱混合する処理は、ＳｉＧｅ層を酸化環境中でおよそ１２００℃−１３００℃まで加熱するステップを含む。次いで、本発明は、ＨＦエッチングを用いて、ＳＧＯＩ上の酸化物を除去する（３０４）。次に、非選択的薄層化処理が遂行され、ＳｉＧｅの厚さを所望の厚さにまで減じる（３０６）。この工程は、ＳｉＧｅ層の厚さに関らずに、Ｇｅ濃度及び緩和量を不変に保持する。薄層化処理の後、ＳｉＧｅ表面が平坦化される（３０８）。このようにして、本発明は、高度な緩和、及び低い積層欠陥密度を有するＳＧＯＩ薄層を得ることを可能にする。最後に、本発明は薄いＳＧＯＩウェハ上にＳｉを堆積する（３１０）。
本発明は、ＳＧＯＩ膜を含む高性能半導体デバイスの製造に適用できる。本発明は、熱混合によって厚いＳＧＯＩを作り、この厚いＳＧＯＩを薄層化して、高度な緩和、及び低い積層欠陥密度を有する薄いＳＧＯＩを形成する全工程によって説明されている。しかし、当業者によって認識されるであろうように、本発明の中で説明されたＳｉＧｅの薄層化及び平坦化の方法は、膜転写技法によって形成されるＳＧＯＩウェハなど、前もって形成されたＳＧＯＩウェハに適用できる。そのような膜転写技法においては、部分的に又は完全に緩和されたＳｉＧｅ層が初めに第１のウェハ上に形成され、次に、ウェハ・ボンディングを用いてキャリア・ウェハに転写されて、ＳｉＧｅ層とキャリア・ウェハの間に絶縁体層が形成される。
本発明は、好ましい実施形態によって説明されているが、当業者は、本発明が添付の特許請求項の精神と範囲の中での改変を伴って実施できることを認識するであろう。
熱混合後のＳＧＯＩ中に残留する歪みとＳｉＧｅ膜厚との関係を示す。 ＳＧＯＩの緩和率の、Ｇｅ濃度及びＳｉＧｅ膜厚に対する依存性を示す。 ＳＧＯＩ中の積層欠陥密度とＳｉＧｅ膜厚との関係を示す。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明において用いられる基本的処理ステップを説明する略図（断面図による）である。 本発明の好ましい実施例を説明するフロー図である。

Claims (15)

  1. 低い積層欠陥密度を有するＳｉＧｅオン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）構造体の上に歪みＳｉ層を形成する方法であって、
    絶縁体（１００）上の無歪みＳｉ層（１０２）を有するＳｉオン・インシュレータ（ＳＯＩ）構造体を準備するステップと、
    前記Ｓｉ層の上に第１のＳｉＧｅ層（１０４）を堆積するステップ（３００）と、
    前記第１のＳｉＧｅ層を前記Ｓｉ層と熱混合して、前記第１のＳｉＧｅ層及び前記Ｓｉ層を緩和ＳｉＧｅ層（１０６）に変換するステップ（３０２）と、
    前記緩和ＳｉＧｅ層を薄層化するステップ（３０４，３０６）と、
    前記緩和ＳｉＧｅ層上に歪みＳｉ層（１１２）を堆積するステップ（３１０）と、
    を含む方法。
  2. 前記第１のＳｉＧｅ層を前記Ｓｉ層と熱混合する前記ステップが、前記第１のＳｉＧｅ層及び前記Ｓｉ層を酸化環境中でおよそ１２００℃−１３００℃まで加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記薄層化ステップが、前記緩和ＳｉＧｅ層内のＳｉ及びＧｅが均等に除去されるように、前記緩和ＳｉＧｅ層（１０６）を非選択的に薄くする、請求項１に記載の方法。
  4. 前記薄層化ステップが、５５０℃−７００℃の温度範囲で、１気圧−５０気圧、好ましくは５気圧−２０気圧の圧力範囲におけるＨＩＰＯＸ酸化を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記薄層化ステップが、５５０℃−７００℃の温度範囲における蒸気酸化を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記薄層化ステップが、エピタキシ・チャンバ内で遂行されるその場の（ｉｎ−ｓｉｔｕ）ＨＣｌエッチング処理を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記薄層化ステップが、ＣＭＰ処理を含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第２の厚さが、１０００Å未満である、請求項１に記載の方法。
  9. 前記ＳｉＧｅオン・インシュレータが６０％より大きく緩和している、請求項１に記載の方法。
  10. 前記ＳｉＧｅオン・インシュレータが、１×１０４／ｃｍ２未満の積層欠陥をもつ、請求項１に記載の方法。
  11. 前記第２の厚さが、５００Å未満である、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ＳｉＧｅオン・インシュレータが８０％より大きく緩和している、請求項１に記載の方法。
  13. 前記ＳｉＧｅオン・インシュレータが、１×１０２／ｃｍ２未満の積層欠陥をもつ、請求項１に記載の方法。
  14. 前記薄層化ステップが酸化処理を含み、前記方法が、前記緩和ＳｉＧｅ層を平坦化して前記ＳｉＧｅ層（１１０）の表面粗さを減じるステップ（３０８）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記平坦化ステップが、
    タッチ・アップＣＭＰと、
    前記歪みＳｉ層堆積の前のその場の水素ベーク及びＳｉＧｅバッファ層成長と、
    前記緩和ＳｉＧｅ層を、７００℃−９００℃の温度において、ＨＣｌ、ＤＣＳ及びＧｅＨ４の気体混合物を有する水素環境中での加熱と、
    のいずれか一つの方法を含む、請求項１４に記載の方法。
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