JP2008501226A - ゲルマニウム堆積 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
本発明は一般的にゲルマニウム膜を堆積させる方法に関し、より詳細には、製造価値のある(production-worthy)化学蒸着装置を使用して形成可能な高品質のヘテロエピタキシャルゲルマニウム膜に関する。
ゲルマニウムは、光電子工学及び量子ビットコンピュータのような、広く様々な用途において使用されている。例えば、従来のシリコン光検出器は光通信に使用される近赤外光を検出できないため、ゲルマニウムは特に光検出器の製造に有用である。ゲルマニウム膜はまた、集積回路への応用、及び、現存するシリコンテクノロジーとの適合性に良好な電気キャリア運搬特性を有利に提供する。しかし、純粋なゲルマニウムウエハは比較的高価であり、また、多くの応用において使用される物理特性を有するゲルマニウム薄膜を形成するための製造価値のある技術は利用できない。このような物理特性の例はエッチピット密度及び表面粗さである。
前述に従うと、改良方法は、広く多様な応用に有利である物理特性を有する薄いゲルマニウム膜を製造するために開発された。例えば、方法は、転位を垂直に成長させる、または、「貫通(threading)」ような、転位の特定のタイプを最小にする様式で、ゲルマニウム含有膜、そして特に「純粋」なゲルマニウム含有膜を堆積するために開発された。ここで使用する場合、「純粋」なゲルマニウム含有膜は、ドープされた及びドープされていないゲルマニウム含有膜の両方を含む。ある応用において、貫通転位(threading dislocation)は、過度の表面粗さ、キャリア移動性の減少、電流の漏出、デバイスパフォーマンスの低下、及び、デバイスの欠陥を不利に導く。ゲルマニウム構造を製造する方法には、これまで、高価なゲルマニウムウエハまたは超高真空化学蒸着(「UHVCVD」)技術の使用が含まれてきたが、両者ともに幾つかの不利を被る。
ここで提供する開示は、表面粗さ及びエッチピット密度のような、改良された物理特性を有するゲルマニウ膜を含む、ゲルマニウム膜を堆積するためのいくつかの方法を記載する。ゲルマニウム膜は、ゲルマニウム基板に対する低コスト代替物を提供する。ここに記載する特定の方法を使用すると、ゲルマニウム膜は、従来のCVD加工装置を使用して堆積される。特に該堆積は十分な高圧範囲において生じるため、UHVCVDの使用は必要とされず、また、より良い品質の膜が得られる。特定の実施形態において、該ゲルマニウム膜は、シリコン基板のようなシリコン含有膜上に堆積される。ここで使用する用語「基板」は、覆われていないウエハ、または、その上に既に形成された層を備えたワークピースのようなものと同様に、その一般的な意味を指す。
ここに記載するブロセスは、好適なプロセスチャンバーにおいて実施される。好適なプロセスチャンバーの例は、バッチ式炉及びシングルウエハリアクターを含む。例示のチャンバーは、放射的に加熱されたシングルウエハ、水平ガスフローリアクターである。このタイプの好適なリアクターは市販されており、そして、エーエスエム アメリカ、インク.(ASM America,Inc.)(フェニックス(Phoenix)、AZ)から市販されているシングルウエハエビタキシャルリアクターのイプシロン(Epsilon)(登録商標)シリーズを含む。図2は、米国特許出願公開2002/0173130(2002年11月21日発行)により詳細に記載されている(この全開示はこれよりここで参考文献として取り入れる)このようなリアクターを説明する。
堆積エピタキシャル層の質は、一般的に、堆積される基板のクリーンさ及び結晶クオリティーに左右される。基板表面は堆積層のテンプレートとして作用するため、基板表面の汚染物質は堆積層の質を落とす結果となる。多数のエピタキシャル堆積プロセスは、エピタキシャル堆積前に、酸素や炭素のような表面の汚染物質を取り除くために基板を加熱する、いわゆる「ベーク」工程を行う。
水素ベーク工程110、冷却工程120及び続く堆積工程の間、パージガスは、必要に応じて、リアクター壁に沿って流される。このパージガスフローは、基板表面から離れた汚染物質を除去するために、そして、ゲルマニウム膜の形成前または形成中の基板表面上における酸化生成物の形成を減少させるために設定される。該パージガスフローは、ガスの「シールド」でリアクターを効果的に覆い、そして、基板表面に接触する酸素及び水蒸気の量を減少させる。一つの実施形態において、該パージガスフローは、リアクター壁に沿った、高フローレートの高純度水素ガスを含む。好ましくは、該パージガスフローは、約5slmと約200slmの間で、さらに好ましくは約10slmと約150slmの間で、最も好ましくは約50slmと約100slmの間で供給される水素ガスを含む。水素はまた、ベーク工程110において、及び、他の工程中に、還元剤として有利に作用する。水素以外のパージガスは、多結晶堆積システムのような他の堆積システムにおいて、必要に応じて使用される。
上述するように、ゲルマニウム膜加工技術の一つの実施形態は、シード堆積130と共に始まる。図1に説明するように、該シード堆積130は、反応チャンバーが適切な温度に冷却されたとき、例えば冷却工程120の後に、開始される。例示の実施形態において、該シード堆積130は、堆積される物質のアイランド形成を減少または回避するために十分に低い温度で開始する。好ましくは、該シード堆積130は、約450℃より低くで開始する。他の実施形態において、該シード堆積工程130は、約350℃より低くで開始する。他の実施形態において、該シード堆積工程130は、約330℃で開始する。さらに好ましくは、該シード堆積工程130は、約330℃と約370℃の間で開始する。他の実施形態において、該シード堆積工程130は、約330℃と約450℃の間で開始する。一般的に、ゲルマニウム前駆体の熱的安定性が減少するにつれて、より低い堆積温度がさらにふさわしくなる傾向がある。該パージガスフローは、該シード堆積工程の間、必要に応じて続けられる。
図3に現在言及するように、ゲルマニウム膜の堆積は、温度ランプ140中において続く。例えば、一つの実施形態において、ゲルマニウム前駆体のフローレート及び堆積チャンバー内の圧力は、シード堆積130から続く。好ましくは、温度ランプ140中の堆積チャンバー内へのゲルマニウム前駆体のフローレートは、シード堆積130中のフローレートの約1%と約200%の間である。さらに好ましくは、温度ランプ140中の堆積チャンバー内へのゲルマニウム前駆体のフローレートは、シード堆積130中のフローレートの約10%と約100%の間である。最も好ましくは、温度ランプ140中の堆積チャンバー内へのゲルマニウム前駆体のフローレートは、シード堆積130中のフローレートの約50%と約100%の間である。例えば、ゲルマニウム膜の堆積は、ゲルマニウム前駆体のフローレートが実質的にシード堆積130と温度ランプ140の間で変化しない場合に実証された。
図1に説明するように、反応チャンバー中の温度が温度ランプ140中に増加した後、ゲルマニウム堆積は、バルク堆積150において続く。例示の実施形態において、ゲルマニウム堆積は、高温で及び実質的に一定の温度で続く。例示の実施形態において、バルク堆積150の間の堆積チャンバー中の圧力は、シード堆積130及び温度ランプ140の間の圧力と比較して実質的に変化しないままである。バルク堆積150の間の堆積されたゲルマニウム層は、あらかじめ堆積された厚みに応じて、通常緩和している。一つの実施形態において、ゲルマニウム層は、バルク堆積150の間、約500Å min−1と約900Å min−1の間の速度で成長する。他の実施形態において、ゲルマニウム層は、バルク堆積150の間、約500Å min−1と約700Å min−1の間の速度で成長する。バルク堆積150後、約50nmと約10μmの間の凝集体厚を有するゲルマニウム膜が生じる。他の実施形態において、約1μmと約2μmの間の凝集体厚を有するゲルマニウム膜が生じる。
必要に応じたポスト−アニール工程160は、バルク堆積150の後に行われる。アニーリングは、ゲルマニウム層の外側を滑らかにするよう転位することを有利に許容する。ポストアニール工程160の一つの実施形態において、該ゲルマニウム膜は、約930℃で、及び、約5分間大気圧に保たれる。ポストアニール工程160の他の実施形態において、熱サイクリングアニーリングプロセスが行われ、ここで、ゲルマニウム膜は、あらかじめ決定した時間、加熱と冷却が繰り返される。例示の実施形態において、ポストアニール工程160はスパイクアニールである。例えば、前述のイプシロン(Epsilon)(登録商標)リアクターにおいて、約950℃から約1150℃のピーク温度に到達するまで、200℃ sec−1と同じくらい早く温度を変化させることができる。たとえプラトーアニーリング(plateau annealing)を伴わなくとも、特定の実施形態において、このようなスパイクアニールは、特に高ゲルマニウム濃度を有する膜における欠陥を排除するのに十分である。例えば、これは、ここで開示した説明した「純粋な」ゲルマニウム膜のような、20%より高いゲルマニウム濃度を有する膜に特に適用でき、これはドープされたとドープされていないゲルマニウム膜の両方を含む。
ここで開示する技術の特定の実施形態は、エッチピット密度、表面粗さ、及び、膜厚を含む、有利な特性を有するゲルマニウム膜を生み出す。図面に含まれているものは、ここに開示の方法を使用して堆積させた例示のエッチピット装飾ゲルマニウム膜の表面スキャンである。この発明は理論に束縛されないが、ゲルマニウム膜、特に比較的薄い、及び/または、比較的高いゲルマニウム含量を有するゲルマニウム膜は、膜中の転位の滑面成長(gliding propagation)が急速に進められるメディウムを提供すると考えられる。例えば、Erich Kasper et al.に編集されたR. Hull, 「Metastable stained layer configuations in the SiGe/Si system」、 EMIS Datareviews, Series No. 24: Properties of SiGe and SiGe:C, INSPEC, 2000 (ロンドン UK)を参照する。この利点は、アニーリングが必要に応じて行われるにもかかわらず、ポスト−アニール工程を伴わなくとも得られ得る。
前述の詳細な記載は本発明の幾つかの実施形態を開示するが、この開示は単に説明的なものであり、また、本発明を限定していないと理解されるべきである。開示される特有の構成及び処理は上記記載のものと異なり、また、ここで記載した方法は、ゲルマニウム膜の堆積とは別の内容で使用され得ると認識すべきである。
Claims (67)
- 約3Å rms未満の表面粗さを有するゲルマニウム膜。
- 該膜に取り込まれたドーパントをさらに含む、請求項1のゲルマニウム膜。
- 該膜に取り込まれたドーパントをさらに含み、該ドーパントが、砒素、ホウ素、リン、ガリウム及びアンチモンからなる群から選択される、請求項1のゲルマニウム膜。
- 該膜が約1μmと約20μmの間の厚みを有する、請求項1のゲルマニウム膜。
- 該膜が約50nmと約10μmの間の厚みを有する、請求項1のゲルマニウム膜。
- 約3Å rms未満の該表面粗さが堆積されている、請求項1のゲルマニウム膜。
- 堆積された膜がひずみ緩和されている、請求項1のゲルマニウム膜。
- 約102cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項1のゲルマニウム膜。
- 約103cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項1のゲルマニウム膜。
- 約106cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項1のゲルマニウム膜。
- 第一圧力で保持されている反応チャンバーにおいて、第一温度でシリコン含有表面上にゲルマニウムのシード層を堆積すること;
該シード層堆積後、ゲルマニウムを堆積し続けながら該反応チャンバーの温度を上昇させること;及び
ゲルマニウムを堆積し続けながら第二温度範囲及び第二圧力で反応チャンバーを保持すること(ここで、該第二温度範囲は第一温度より高く、また、ここで、第二圧力は第一圧力より低い):
を含む方法。 - 該シリコン含有表面がミスカットを有する基板である、請求項11の方法。
- 該第二圧力が、第一圧力より約90torrと約50torrの間で低い、請求項11の方法。
- 該第二圧力が、第一圧力より約80torrと約60torrの間で低い、請求項11の方法。
- 該第二圧力が、約10torrと約40torrの間である、請求項11の方法。
- 該第一圧力が、約100torrと約10torrの間である、請求項11の方法。
- 反応チャンバーを通してパージガスフローを供給すること(ここで該パージガスはH2を含む);
該パージガスが第一フローレートで該反応チャンバーを通過して流れている間に、第一温度でシリコン含有表面上にゲルマニウムのシード層を堆積すること;
該シード層堆積後、ゲルマニウムを堆積し続けながら反応チャンバーの温度を上昇させること;及び
ゲルマニウムを堆積し続けながら、そしてパージガスを第二フローレートで該反応チャンバーを通過して流しながら、第二温度範囲に該反応チャンバーを保持すること(ここで、該第二温度範囲は第一温度より高く、また、ここで、第二フローレートは第一フローレートより大きい)
を含む方法。 - 該シリコン含有表面から酸化生成物を除去するためにベーキングプロセスを行うこと;及び
該ベーキングプロセス後、及び、該シード層堆積前に、該シリコン含有表面を第一温度に冷却すること;及び
該シリコン含有表面を冷却している間に第三フローレートで反応チャンバーを通して該パージガスを流すこと(ここで、該第三フローレートは第一フローレートより大きい)
をさらに含む、請求項17の方法。 - 該シード層が、約1モノレイヤーと約1000Åの間の厚みに堆積される、請求項17の方法。
- 該シード層が、約3分未満の期間堆積される、請求項17の方法。
- 該堆積されたゲルマニウムが、約3Å rms未満の表面粗さを有する、請求項17の方法。
- 該堆積されたゲルマニウムが、約103cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項17の方法。
- 反応チャンバーにおいて、第一温度でシリコン含有表面上にゲルマニウムのシード層を堆積すること;
該シード層堆積後、ゲルマニウムを堆積し続けながら該反応チャンバーの温度を上昇させること;
ゲルマニウムを堆積し続けながら第二温度範囲でチャンバーを保持すること(ここで、該第二温度範囲は第一温度より高い):及び
該反応チャンバーを第二温度範囲に保持させながら、塩素供給源を該反応チャンバーに供給すること
を含む方法。 - 該塩素供給源がHClである、請求項23の方法。
- 該塩素供給源がCl2である、請求項23の方法。
- 該塩素供給源がクロロゲルマンである、請求項23の方法。
- 該塩素供給源が、約25sccmと約200sccmの間のフローレートで該反応チャンバーに供給される、請求項23の方法。
- 反応チャンバーにおいて、第一温度でシリコン含有表面上にゲルマニウムのシード層を堆積すること(ここで、該シード層は約1モノレイヤーと約1000Åの間の厚みを有する);
該シード層堆積後、ゲルマニウムを堆積し続けながら該反応チャンバーの温度を上昇させること;及び
ゲルマニウムを堆積し続けながら第二温度範囲で反応チャンバーを保持すること(ここで、該第二温度範囲は第一温度より高い)
を含む方法。 - 該シード層は約3分未満の期間堆積される、請求項28の方法。
- 該シード層が約3分と約4分の間の期間堆積される、請求項28の方法。
- 該シリコン含有表面がパターン化されたウエハであり、及び、該ゲルマニウムが該パターン化されたウエハ上に選択的に堆積される、請求項28の方法。
- 該シリコン含有表面がパターン化されたウエハであり、及び、該ゲルマニウムが、該反応チャンバーにエッチャントを供給することなく該パターン化されたウエハ上に選択的に堆積される、請求項28の方法。
- 該シリコン含有表面がパターン化されたウエハであり;
該ゲルマニウムが該パターン化されたウエハ上に選択的に堆積され;及び、
塩酸が、該ゲルマニウム堆積の少なくとも一部の間、該反応チャンバーに供給される:
請求項28の方法。 - 該シリコン含有表面がパターン化されたウエハであり;
該ゲルマニウムが該パターン化されたウエハ上に選択的に堆積され;及び、
Cl2が、該ゲルマニウム堆積の少なくとも一部の間、該反応チャンバーに供給される:
請求項28の方法。 - 該第二温度範囲が約500℃と約938℃の間である、請求項28の方法。
- 該第二温度範囲が約700℃と約900℃の間である、請求項28の方法。
- 該温度が約100℃ min−1と約500℃ min−1の間で上昇される、請求項28の方法。
- 該温度が約200℃ min−1と約400℃ min−1の間で上昇される、請求項28の方法。
- 該第一温度が、約330℃と約450℃の間である、請求項28の方法。
- 該第一温度が、約350℃と約370℃の間である、請求項28の方法。
- 該第一温度が、約330℃と約370℃の間である、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約2Å rmsと約20Å rmsの間の表面粗さを有する、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約3Å rms未満の表面粗さを有する、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約106cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約103cm−2未満のエッチピット密度を有する、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約50nmと10μmの間の凝集体厚さ(aggregate thickness)を有する、請求項28の方法。
- 該堆積ゲルマニウムが、約1μmと2μmの間の凝集体厚さを有する、請求項28の方法。
- 該反応チャンバー内の圧力が、約0.200torrと約850torrの間である、請求項28の方法。
- シリコンまたはゲルマニウム前駆体が、シード層の堆積中に、約200sccmと約1slmの間の速度で該反応チャンバーに供給される、請求項28の方法。
- シリコンまたはゲルマニウム前駆体が、該温度を上昇させながら、約200sccmと約1slmの間の速度で該反応チャンバーに供給される、請求項28の方法。
- 該ゲルマニウム堆積がエピタキシャルである、請求項28の方法。
- ゲルマニウムが第二温度範囲で堆積された後、加工後処理をさらに行うことを含む(ここで、該加工後処理は高温アニールプロセスを含む)、請求項28の方法。
- ゲルマニウムが第二温度範囲で堆積された後、加工後処理を行うことをさらに含む(ここで、該加工後処理は温度サイクリングプロセスを含む)、請求項28の方法。
- 該シリコン含有表面から酸化生成物を除去するためにベーキングプロセスを行うこと;
該ベーキングプロセス後、該シリコン含有表面を第一温度に冷却すること;及び
シリコンまたはゲルマニウム前駆体を、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること:
をさらに含む、請求項28の方法。 - 該シリコン含有表面から酸化生成物を除去するためにベーキングプロセスを行うこと;
該ベーキングプロセス後、該シリコン含有表面を第一温度に冷却すること;
水素ガスを、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること;及び
シリコンまたはゲルマニウム前駆体を、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること:
をさらに含む、請求項28の方法。 - 該シリコン含有表面から酸化生成物を除去するためにベーキングプロセスを行うこと;
該ベーキングプロセス後、該シリコン含有表面を第一温度に冷却すること;
水素ガスフローを、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること;
シリコンまたはゲルマニウム前駆体を、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること;及び
該反応チャンバーへの該水素ガスフローを、該シード層の堆積中に減少すること:
をさらに含む、請求項28の方法。 - 該シリコン含有表面から酸化生成物を除去するためにベーキングプロセスを行うこと;
該ベーキングプロセス後、該シリコン含有表面を第一温度に冷却すること;及び
シリコン前駆体を、該シリコン含有表面を冷却している間に該反応チャンバーに供給すること(ここで、該シリコン前駆体はジクロロシランである):
をさらに含む、請求項28の方法。 - エッチャントを、ゲルマニウム含有物質が堆積されている間に該反応チャンバーに供給することをさらに含む、請求項28の方法。
- 約0.200torrと100torrの間の圧力で、反応チャンバーにおいて、ゲルマニウム膜を堆積することを含む方法。
- 該ゲルマニウム膜がパターン化されたウエハに選択的に堆積される、請求項59の方法。
- 該ゲルマニウム膜がミスカット基板上に堆積される、請求項59の方法。
- 該反応チャンバー内の圧力が、約1torrと約40torrの間である、請求項59の方法。
- 該反応チャンバー内の圧力が、約1torrと約20torrの間である、請求項59の方法。
- 該反応チャンバー内の圧力が、約1torrと約10torrの間である、請求項59の方法。
- ドーパント前駆体を、該ゲルマニウム膜の形成中に該反応チャンバーに供給することをさらに含む、請求項59の方法。
- ドーパント前駆体を、該ゲルマニウム膜の形成中に該反応チャンバーに供給することをさらに含む(ここで、該ドーパントが、砒素、ホウ素、リン(phosphorous)、ガリウム及びアンチモンからなる群から選択される)、請求項59の方法。
- 該ゲルマニウム膜が、約1μmと約20μmの間の厚みを有する、請求項59の方法。
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