JP2011054937A - 基板上に単結晶層を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】基板上に単結晶材料の層を成長させる方法を提供する。
【解決手段】第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、拡散制限ガスの存在下で、基板に向かって、第２材料の中性種のビームを供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間にし、第２材料の中性種を露出領域上に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含み、拡散制限ガスは、非反応性ガスからなる。
【選択図】図１
【解決手段】第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、拡散制限ガスの存在下で、基板に向かって、第２材料の中性種のビームを供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間にし、第２材料の中性種を露出領域上に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含み、拡散制限ガスは、非反応性ガスからなる。
【選択図】図１
Description
本発明は、基板上に単結晶層を作製する方法に関する。特別な応用は、ＣＭＯＳデバイスの作製に使用するための、単結晶Ｓｉ上へのＧｅの堆積である。
シリコン上の成長したゲルマニウムは、従来のＳｉ相補型金属−酸化物−半導体（ＣＭＯＳ）回路を拡げるのに有用である。光相互接続のために、速いゲルマニウム光検出器と変調器とをＳｉＣＭＯＳ上に集積するために使用できる。更に、ゲルマニウムはＧａＡｓとの間でほんの小さな格子不整合を示し、それゆえにＩＩＩ−ＶデバイスをＳｉ上に集積するための仮想の基板として使用できる。
従来のＳｉエレクトロニクスに加えて、シリコン上に成長させたゲルマニウムは、高性能の応用のために、ＧｅエレクトロニクスによるＳｉＣＭＯＳの置き換えを可能にする。より高いキャリア移動度のために、ゲルマニウムトランジスタは速くなる。市場のニーズを満たすのに不十分な材料しか無いため、ＣＭＯＳのためにバルクゲルマニウム基板を使用することは可能ではない。しかしながら、適当な基板上に堆積させたゲルマニウムの薄層のみを用いることで、この問題が解決できる。Ｓｉ基板上のＧｅの結晶成長を用いる重要な利点は拡張性であり、即ち、より大きな直径のゲルマニウム層が、単により大きなＳｉ基板を用いるだけで得ることができる。
結晶成長は、他の結晶材料の上に、結晶層を形成するのに最も用いられる。しかしながら、シリコン上へのゲルマニウムのヘテロエピタキシャル成長は、２つの格子間に４％の大きな不整合があるため、むしろ困難である
この格子寸法の違いはアイランド成長となり、Ｇｅ層中で、高い表面粗さやの高密度の貫通転位（ＴＤ）を引き起こす。追加のアニール工程または化学機械研磨（ＣＭＰ）工程が、表面粗さを減らすためにしばしば必要となる。シリコン上に直接、高品質で平坦な結晶ゲルマニウムを得ることは、それ故に困難である。
特許出願ＪＰ７０４５５２０Ａは、ゲルマニウムの分子線と原子状態の水素を、真空中で個々にシリコン結晶基板に照射することにより、アイランド構造の形成無しにゲルマニウムエピタキシャル層を成長させる方法を開示する。成長条件は、界面活性剤として働き、基板およびエピタキシャル層のゲルマニウム原子とボンドを形成する原子状Ｈを供給することで変化する。しかしながら、Ｈ２プラズマを用いた場合、Ｈは堆積中に層に取り込まれる。更に、このアプローチの使用は、不純物（Ｎ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏ）が層の中に取り込まれるのを防止するために、不純物の量が非常に少ない、プラズマ源と純粋なＨ２供給を必要とする。
特許出願ＷＯ２００４０３１４５７Ａ１は、窒素または希ガスをキャリアガスとして用いた、化学気相堆積（ＣＶＤ）によりシリコン基板上にＩＶ族元素に基づくエピタキシャル層を堆積させる方法について述べる。ＣＶＤは、プロセスチャンバ中で、１０〜５０ｍｔｏｒｒの間の圧力で、異なる種に熱分解される気体分子（前駆体）を使用する。種の1つだけが、取り込まれることが望まれる（例えばＧｅ）。しかしながら、Ｈのような他の種も部分的に取り込まれる。更に、前駆体（例えばＧｅＨ４）はしばしば有毒ガスであり、安全措置を必要とする。
単結晶ゲルマニウム層を単結晶シリコン上に形成するための固相成長法が、ＷＯ２００９０１３２４２に記載されている。この方法は、シリコン上にゲルマニウムの固相エピタキシについて開示し、これは、−１９６℃と５００℃の間の温度で、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマエンハンス化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、または分子線エピタキシ（ＭＢＥ）によりアモルファスゲルマニウムの堆積を行い、続いて約６００℃で熱アニールを行う方法であって、アモルファスゲルマニウム堆積は、水素源および／または非反応性ガス源の存在下で行われる。水素源はＨ２ガスまたは水素プラズマであり、非反応性ガスはＮ２または希ガスまたはそれらの混合物である。熱アニールは、アモルファスゲルマニウムを単結晶材料に変え、および／またはアモルファスゲルマニウム中に取り込まれた種（例えばＨ種）を除去する。この方法で得られた単結晶Ｇｅ層は、完全に欠陥が無いわけでは無い。ＷＯ２００９０１３２４２により準備したＧｅ層のＸＲＤ（Ｘ線回折）による構造調査は、ゲルマニウムツインが存在することを示す。更に、この方法は、アニール工程を必要とするために複雑である。
同じ問題が、"Epitaxial Growth of Nitrides on Germanium", ir. Ruben Lieten, PhD thesis (Chapter 6, pag 93-123), published in 2008 by VUBPRESS, ISBN 978 90 5487 485 0 で取り扱われている。この研究は、水素（Ｈ２）フラックスの存在下で、３００℃と５００℃の間の温度の熱蒸発によりシリコン基板上に堆積されたＧｅが、基板のアニール前に単結晶Ｇｅ層となることを示した。しかしながら、それらの状況下で、水素の重要なレベルは、結晶Ｇｅ層に取り込まれることが見出された。
本発明は、添付の請求項に記載された方法に関する。好適な具体例は、独立請求項と、１又はそれ以上の従属請求項との組み合わせにより記載される。
本発明はこのように、基板上に単結晶材料の層を成長させる方法に関し、この方法は、
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
第２材料の中性種のビームを、拡散制限ガスの存在下で、基板に向けて供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とし、第２材料の中性種が露出領域に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含み、
拡散制限ガスは非反応性ガスである。
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
第２材料の中性種のビームを、拡散制限ガスの存在下で、基板に向けて供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とし、第２材料の中性種が露出領域に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含み、
拡散制限ガスは非反応性ガスである。
ある具体例では、この方法は、
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
チャンバ中に、非反応性の拡散制限ガスを導入し、プロセスチャンバを１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種が露出領域に吸着される工程とを含む。
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
チャンバ中に、非反応性の拡散制限ガスを導入し、プロセスチャンバを１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種が露出領域に吸着される工程とを含む。
他の具体例では、この方法は、
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種が露出領域に吸着される工程と、
中性種のビームと同時に、非反応性の拡散制限ガスのフラックスをチャンバ中に供給し、プロセスチャンバ中の圧力を、１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程とを含む。
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種が露出領域に吸着される工程と、
中性種のビームと同時に、非反応性の拡散制限ガスのフラックスをチャンバ中に供給し、プロセスチャンバ中の圧力を、１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程とを含む。
基板をチャンバ中に配置する前に、および拡散制限ガスと中性種を導入する工程の前に、プロセスチャンバ中で、１０−９ｔｏｒｒより低いバックグラウンド圧力が形成されても良い。
拡散制限ガスのフラックスは、０．１ｓｃｃｍと２０ｓｃｃｍとの間でも良い。
拡散制限ガスは、希ガス、分子状のＮ２、又はそれらの混合物でも良い。
第２材料の中性種のビームは、プロセスチャンバ中のソースの蒸発により形成されても良い。
この方法は、第２単結晶材料層の成長に先立って、第１単結晶材料層の成長による基板の洗浄工程を含んでも良い。
ある具体例では、第１単結晶材料と第２単結晶材料とは同じ材料から形成される。
第１単結晶材料は、ＩＶ族の半導体材料でも良い。代わりに、第１単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でも良い。
第２単結晶材料は、ＩＶ族の半導体材料でも良い。特定の具体例では、第２単結晶材料はゲルマニウムであり、成長は３００℃と５５０℃の間の温度で行われる。代わりに、第２単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料でも良く、または第２単結晶材料は、金属でも良い。特に、アルミニウムでも良い。
本発明は、また、基板上に単結晶ゲルマニウム層を成長させる方法に関し、この方法は、
単結晶シリコンから形成された露出領域を上部に有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、その後に、
３００℃と５５０℃の間の温度で、単結晶シリコンの上に、これに接触するように単結晶ゲルマニウム層を成長させる工程であって、Ｇｅ原子のビームを基板に向かって供給し、Ｇｅ原子を露出領域の上に吸着させる工程を含む工定とを含み、
Ｇｅ原子のビームを供給する工程は、拡散制限ガスの存在下で行われ、プロセスチャンバ中の圧力は１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間である。
単結晶シリコンから形成された露出領域を上部に有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、その後に、
３００℃と５５０℃の間の温度で、単結晶シリコンの上に、これに接触するように単結晶ゲルマニウム層を成長させる工程であって、Ｇｅ原子のビームを基板に向かって供給し、Ｇｅ原子を露出領域の上に吸着させる工程を含む工定とを含み、
Ｇｅ原子のビームを供給する工程は、拡散制限ガスの存在下で行われ、プロセスチャンバ中の圧力は１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間である。
本発明は、また、ＣＭＯＳデバイスを製造するための、この発明の方法の使用に関する。
本発明は、基板上に単結晶材料層を成長させる方法を開示し、この方法は、
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、拡散制限ガスが存在するプロセスチャンバ中に配置し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向けて供給し、第２材料の中性種を露出領域上に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含む。
拡散制限ガスは、水素プラズマやＨ２フラックスのような水素源から形成される水素ではない。本発明では、拡散制限ガスは、非反応性ガスである。非反応性ガスは、露出した第１単結晶材料、および／または第２材料の吸着した中性種（原子／分子）とボンドを形成しない。好適には、非反応性ガスは分子状窒素（Ｎ２）または希ガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ）またはＮ２および希ガスの混合物である。
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、拡散制限ガスが存在するプロセスチャンバ中に配置し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間とする工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向けて供給し、第２材料の中性種を露出領域上に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含む。
拡散制限ガスは、水素プラズマやＨ２フラックスのような水素源から形成される水素ではない。本発明では、拡散制限ガスは、非反応性ガスである。非反応性ガスは、露出した第１単結晶材料、および／または第２材料の吸着した中性種（原子／分子）とボンドを形成しない。好適には、非反応性ガスは分子状窒素（Ｎ２）または希ガス（例えば、Ｈｅ、Ａｒ）またはＮ２および希ガスの混合物である。
本発明は、拡散制限ガスとして非反応性ガスを用いても、堆積した単結晶層の中への非反応性ガスの実質的な取り込みには結びつかないことを示す。特に、請求項１にかかる、Ｓｉ基板上へのＧｅ層の堆積中に、Ｎ２および／または希ガスを使用することは、堆積された単結晶Ｇｅ層中にＮ２または希ガスの成分を実質的に取り込むことにはならない。本発明では、このように、アニール工程無しに、単結晶基板上に、高品質な単結晶層を得ることができる。
アニールが無いことで、成長プロセスが単純化する。この方法は、非常に良好な結晶品質を有し、平坦な単結晶層の成長に適している。一般に、非反応性ガスを供給する手段を備えた、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）リアクタまたは類似の超高真空（ＵＨＶ）プロセスチャンバは、単結晶層の成長に適した装置である。非反応性ガスを供給する手段は、マスフローコントローラを備えたガス導入口でも良い。
この出願を通して、超高真空（ＵＨＶ）状態は、約１０−７Ｐａまたは１００ｎＰａ（１０−９ｍｂａｒ、〜１０−９ｔｏｒｒ）より低い圧力により特徴付けられる真空状態を言う。高真空状態は、１０−６ｔｏｒｒと１０−４ｔｏｒｒとの間の圧力により特徴付けられる真空状態を言う。
高真空状態は、非反応性ガスが存在する動作（成長／堆積）圧力に対応する。超高真空状態は、非反応性ガスをチャンバ中に導入する前、および最初に基板をチャンバ中に導入する前の、最初の（不純物の）バックグラウンド圧力に対応する。本発明の方法は、プロセスチャンバに、チャンバ中の圧力を変えることなく基板を挿入できる装置中で行われる。これは、この技術分野で知られているように、基板に移動チャンバを提供することにより行える。最初の基板にこの方法を適用した後に、プロセスチャンバを超高真空に戻すことなく、チャンバを非反応性ガスが存在する高真空に保つことにより、この方法を続く基板に適用することができる。
この方法は、更に応用で述べるように、一般的な単結晶材料（例えば半導体、金属）を単結晶基板上に形成する場合にも拡張できる。
本発明の方法に従って、最初の３〜４モノレイヤの第２単結晶材料の成長中に、レイヤバイレイヤ（layer-by-layer）成長が、少なくとも成長プロセスの初期において達成される。
レイヤバイレイヤ成長は、基板上に到達する種（原子）が、局所的に核形成しアイランドを形成する代わりに、完全なモノレイヤを形成することで特徴付けられる。この成長モードは、高い結晶品質で、平坦な表面（低い粗さ）を有する層となる。
第２単結晶材料の層を成長する間に使用される拡散制限ガスは、中性種を機械的に妨害することにより露出領域上で中性種の移動度を低下させる（または拡散を制限してこれにより表面拡散長さを低減する）ガスである。エピタキシャル成長において、表面移動度の低減は、少なくとも最初の数モノレイヤの成長中に、動力学的に３Ｄアイランドの形成を抑制する。
非反応性ガスは、露出した第１単結晶材料、および／または第２材料の吸着した中性種（原子／分子）と、バンドを形成しない不活性種のように振る舞う。
本発明の具体例とともに使用できる非反応性ガスの例は、Ｎ２、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、およびＲｎのような希ガス、またはそれらの混合物である。
第２材料の中性種は、原子および／または分子であり、プロセスチャンバ中でソースから生成された第２材料の元素としても言及される。
第２単結晶材料層の成長中に供給される拡散制限ガスは、本質的に第２単結晶材料中には取り込まれず、それゆえに非常に高品質の単結晶材料となる。
様々な具体例では、第２材料の中性種（原子および／または分子）のビームが、プロセスチャンバ中でソースの蒸発により形成される。プロセスチャンバは、材料がそこから蒸発して分子線を形成するソースを備える。蒸発は、ソース材料の加熱（クヌーゼンセル）を通して、または高エネルギー電子の衝突（電子ビーム蒸発）を通して行われる。
本発明の具体例では、成長は、プロセスチャンバ中で、拡散制限ガスの存在下で、１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間の圧力で行われる。記載を通じて、プロセスチャンバ中の圧力は、プロセスチャンバ中の基板位置での圧力を意味する。基板を入れる前に、プロセスチャンバ中で超高真空（ＵＨＶ）が形成され、即ち、最初の（不純物の）バックグラウンド圧力は、１×１０−９ｔｏｒｒより低くなる。不純物のバックグラウンドは、層中に不純物が取り込まれるのを防止するように、低く保たれなければならない。しかしながら、連続する基板上の２つの堆積工程の間では、プロセスチャンバは、バックグラウンド圧力に戻るように吸引する必要はない。代わりに。非反応性ガス、例えばＮ２下にすることができる。
本発明の異なる具体例では、ガス導入口で測定された拡散制限ガスのフラックスは、０．１ｓｃｃｍと２０ｓｃｃｍとの間である。好適には、拡散制限ガスのフラックスは、０．３ｓｃｃｍと１５ｓｃｃｍとの間である。より好適には、拡散制限ガスのフラックスは、０．６ｓｃｃｍと１０ｓｃｃｍとの間である。一般的に、１ｓｃｃｍは、１．５×１０１７分子／秒に対応し、これは、更に、プロセスチャンバ中で約９．９×１０１５ａｔ／ｃｍ２ｓのフラックスを有する所定の実験形態に対応する。
Ｇｅ原子のＧｅソースからの蒸発速度は、１×１０１４ａｔ／ｃｍ２ｓ（１００ｎｍ／ｈ）と５×１０１５ａｔ／ｃｍ２ｓとの間である。この結果、吸着したＧｅ原子の移動度を効果的に低下させるためには、拡散制限ガスのフラックスは、少なくとも約１×１０１５ａｔ／ｃｍ２ｓまたはそれ以上でなければならない。
上述の拡散制限ガスのフラックスの範囲は、１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間の成長中のプロセスチャンバ中の圧力に対応する。
本発明の具体例では、第２材料の中性種のビームを供給する工程中に、拡散制限ガスが同時に供給され、プロセスチャンバ中の圧力は１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間になる。
それらの具体例では、高真空（１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間の圧力）で成長が行われるために、第２材料の中性種と拡散制限ガスの流れが、双方との「ビーム」特性を有する。第２材料の中性種のビームは、ソース材料の蒸発により得ることができる。分子／原子のビームは、ガス導入口の制御により得ることができる。
図１は、ソース材料を蒸発させて中性種のビームを形成するとともに、拡散制限ガスのフラックスを供給することにより、真空中で単結晶材料のエピタキシャル成長を行うための実験的なセットアップを模式的に示す。
本発明の代わりの具体例では、基板表面上で原子の移動度を低くするのに十分に高い圧力（少なくとも１０−６ｔｏｒｒ）で成長プロセスが始まる場合に、拡散制限ガスがプロセスチャンバ中に既に存在する。拡散制限ガスは、成長プロセスが始まる前に、例えばソース材料の蒸発を始める前に、ガス導入口から導入しても良い。
本発明の具体例では、この方法は更に、第２単結晶材料層の成長に先立って、基板を洗浄して、基板の表面上に存在する自然酸化物、汚染物質、および／または粒子を除去する工程を含む。
基板の洗浄工程は、ウエットまたはドライの化学洗浄工程を用いて行っても良い。
本発明の具体例では、自然酸化物を除去するために基板を洗浄する工程は、プロセスチャンバ中で熱処理によりその場（in-situ）で行われても良い。単結晶Ｓｉ基板については、熱処理は、９００℃と１１００℃との間の温度で行われ、一方、Ｇｅ基板については、温度は４００℃と９００℃の間とすべきである。熱処理は、真空中またはＨ２の存在下、または水素プラズマの存在下で行うことができる。
本発明の具体例では、基板の洗浄工程は、第２単結晶材料の成長に先立って、プロセスチャンバ中で第１単結晶材料層を成長させる工程を含む。
本発明の特別な具体例では、第１単結晶材料と第２単結晶材料は、同じ材料からなる。
本発明の具体例では、第１単結晶材料はＩＶ族の半導体材料である。特に、第１単結晶材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎおよびこれらの混合物からなるグループから選択される。
代わりに、第１単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体材料、または例えばＧａＮのようなＩＩＩ−窒化物族の材料からなる。幾つかの具体例では、第１単結晶材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。
本発明の具体例では、第２単結晶材料は、ＩＶ族の半導体材料である。特に、第２単結晶材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、およびこれらの混合物からなるグループから選択される。
異なる具体例では、第２単結晶材料はゲルマニウムである。単結晶Ｇｅ層の成長工程は、３００℃と５５０℃の間の温度で、１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間の圧力で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）により行われる。
代わりに、第２単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料でも良い。特に、第２単結晶材料は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂおよびそれらの混合物からなるグループから選択される。
他の代わりの具体例では、第２単結晶材料は金属である。好適には、金属は、Ａｌ、Ｙｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ａｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｗ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔ、およびそれらの混合物からなるグループから選択される。特には、金属はＡｌである。
この方法は、更に、ドーパント元素を用いて第２単結晶材料を注入する工程を含む。本発明の具体例では、ドーパント元素の供給は第２単結晶材料の成長中に行われても良い。本発明の代わりに具体例では、ドーパント元素の提供は、第２単結晶材料の成長後に行われても良い。
本発明の一の具体例では、基板上に単結晶ゲルマニウムの層を成長するための方法が提供され、この方法は、
単結晶シリコンからなる露出領域を上部に有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
３００℃と５５０℃との間の温度で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）により、単結晶シリコンの上にこれと接触する単結晶ゲルマニウム層を成長させる工程であって、プロセスチャンバ中でＧｅソースの蒸発により基板に向かってＧｅ原子のビームを供給してＧｅ原子を露出領域上に吸着させ、これにより単結晶Ｓｉの上にこれと接触する単結晶Ｇｅ層を成長させる工程を含む工程とを含み、
Ｇｅ原子のビームを供給する工程は、プロセスチャンバ中の圧力が１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間である、拡散制限ガスの存在下で行われる。
単結晶シリコンからなる露出領域を上部に有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
３００℃と５５０℃との間の温度で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）により、単結晶シリコンの上にこれと接触する単結晶ゲルマニウム層を成長させる工程であって、プロセスチャンバ中でＧｅソースの蒸発により基板に向かってＧｅ原子のビームを供給してＧｅ原子を露出領域上に吸着させ、これにより単結晶Ｓｉの上にこれと接触する単結晶Ｇｅ層を成長させる工程を含む工程とを含み、
Ｇｅ原子のビームを供給する工程は、プロセスチャンバ中の圧力が１×１０−６ｔｏｒｒと１×１０−４ｔｏｒｒとの間である、拡散制限ガスの存在下で行われる。
この具体例では、拡散制限ガスは希ガス、分子状Ｎ２、またはこれらの混合物である。拡散制限ガスは成長膜中に取り込まれないため、その構造的な秩序への影響は、吸着されたＧｅ原子の表面移動度を減らすという事実により説明できる。
本発明の方法は、単結晶Ｓｉのような基板上に、高品質の単結晶Ｇｅの薄膜を作製するために使用でき、この方法は更に、少なくとも１つの高移動度のＧｅトランジスタと、これにより改良された性能とを有するヘテロＣＭＯＳデバイスの形成に使用できる。
本発明の方法を用いて形成した第２単結晶材料層は、例えば本説明の他の部分で言及した固相成長（ＳＰＥ）により形成された同様の層より良好な品質を有する。より良い品質は、単結晶材料中のより少ない欠陥（ツイン）、および／または改良された粗さ（より平坦な層、またはより小さなＲＭＳ値）をいう。より良い品質は、本願のいずれかで定量化されたようなより良い結晶品質、および／または第１単結晶材料上の第２単結晶材料の臨界膜厚を増加させることによる緩和の抑制をいう。それらのパラメータは、第２単結晶材料層を活性層（例えばＭＯＳＦＥＴデバイスのチャネル層）として使用するように製造されたデバイスの特性にとって重要である。本発明の方法は、ＳＰＥの場合には絶対的に必須であった更なるアニールを含まない。
本発明の様々な具体例は、露出した第１単結晶材料を上部に有する基板上に第２単結晶材料層を成長させる工程を開示し、第１および第２の単結晶材料は、異なる材料からなり、または異なる化学組成を有する材料からなる。
本発明の異なる具体例では、基板は第１単結晶材料であり、または少なくとも第１単結晶材料からなる露出領域を含む。例えば、パターニングされた基板は、第１単結晶材料からなる露出領域、および最上表面がアモルファス／多結晶材料（例えば、分離領域）で覆われた領域を有する。
基板は、更に、バルクＳｉ、サファイア、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、ゲルマニウムオンインシュレータ（ＧＯＩ）、ガラス、石英、プラスチック、金属、または単結晶材料のサポートとして適当な他の材料を含んでも良い。更に、基板は、例えばそれぞれの層が異なる材料に対応する積層構造のような、材料の組み合わせを含む基板を含んでも良い。
基板は、この方法のプロセス工程に耐えるように選択しなければならない。例えば、第２単結晶材料層の形成または製造技術と影響しないように、または否定的な干渉が無いように選択されなければならない。プロセス温度に耐えるように選択されなければならない。
実施例
以下の実施例では、測定結果は、粗さ、結晶品質、および単結晶層中に存在する単結晶材料以外の種の濃度について述べられる。
以下の実施例では、測定結果は、粗さ、結晶品質、および単結晶層中に存在する単結晶材料以外の種の濃度について述べられる。
一般に、粗さは、物理的な表面の高さの小規模なばらつきの測定である。これは、表面の形状または望まない「波打ち」のいずれかの一部である大規模なばらつきとは対照的である。二乗平均平方根（ＲＭＳ）は、それらの小規模なばらつきの大きさの統計的測定である。二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）またはＸ線反射率（ＸＲＲ）により測定された。
結晶品質は、成長させた単結晶材料を表すＸ線回折（ＸＲＤ）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）の測定により仮定した。狭いピーク（より低いＦＷＨＭ）は結晶品質の増加に対応する。
単結晶層中に存在する単結晶材料以外の種の濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）で測定された。それらは、非反応性ガスが不存在で成長させた同じ単結晶材料に対して、本発明の方法を用いて得られた単結晶材料で行われた相対的測定である。
実施例１：Ｓｉ上へのＧｅのエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスビーム／フラックスの影響
Ｓｉ（１１１）上へのＧｅエピタキシが、Ｎ２ビームの供給有りと無しにおいて、約４００℃の基板温度で行われた。Ｎ２ビームの供給無しのエピタキシャル成長が、７×１０−１０ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力で行われた。Ｎ２の供給の有る成長は、１．２ｓｃｃｍのＮ２流量を用いて、２．５×１０−５ｔｏｒｒの圧力で行われた。
Ｓｉ（１１１）上へのＧｅエピタキシが、Ｎ２ビームの供給有りと無しにおいて、約４００℃の基板温度で行われた。Ｎ２ビームの供給無しのエピタキシャル成長が、７×１０−１０ｔｏｒｒのバックグラウンド圧力で行われた。Ｎ２の供給の有る成長は、１．２ｓｃｃｍのＮ２流量を用いて、２．５×１０−５ｔｏｒｒの圧力で行われた。
二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、５．０μｍ×５．０μｍの面積に対する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定され、その結果を表１に表す。結果は、Ｓｉ上へのＧｅのエピタキシャル成長中にＮ２ビームを供給すると、表面の粗さを制限することを明確に示す。
更に、反射高エネルギー電子回折（ＲＨＥＥＤ）測定は、Ｇｅ層の緩和およびそれに続く粗れが抑制されることを示す。Ｎ２供給無しでは、緩和は約１．０ｎｍの後に始まるが、一方、Ｎ２供給有りでは、約１．２ｎｍであり、これは１モノレイヤ以上である。
ωＧｅ（１１１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）の測定により仮定した結晶品質は、薄層に匹敵する。これは、エピタキシャル成長中のＮ２ビームの供給は、結晶品質を低下させなかったことを示す。
表１：Ｎ２供給有りと無しで、Ｓｉ上にエピタキシャル成長させた６ｎｍＧｅの、ＲＭＳ粗さとωＧｅ（１１１）ＸＲＤピークのＦＷＨＭ
実施例２：Ｓｉ上への厚いＧｅ層のエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスビーム／フラックスの影響
Ｓｉ上へのＧｅのエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスビームの影響が、２００ｎｍのＧｅ層に対して調査された。
Ｓｉ上へのＧｅのエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスビームの影響が、２００ｎｍのＧｅ層に対して調査された。
二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、５．０μｍ×５．０μｍの面積に対する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定され、その結果を表２に表す。Ｓｉ上への〜２００ｎｍＧｅのエピタキシャル成長中の、不活性Ｎ２ビームの供給は、表面粗さには十分には影響しない。
ωＧｅ（１１１）の半値全幅（ＦＷＨＭ）と非対称なωＧｅ（２０２）のＸ線回折（ＸＲＤ）ピークの測定により仮定した結晶品質は、Ｎ２供給下で成長した層に対してより良好である。これは、エピタキシャル成長中のＮ２ビームの供給は、結晶品質を増加させることを示す。
二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）は、Ｎ２供給無しに成長した層に比較して、Ｎ２供給下で成長した層では、窒素の濃度が３倍高いことを示す。参照試料が無いために、絶対濃度は測定からは決定できない。しかしながら、Ｎ２供給無しに堆積させたＧｅ層中でのＮの存在は、低い（＜１×１０１８ｃｍ−３）と思われる。Ｎ２供給下で堆積させた試料中の窒素レベルは３倍高いため、これは有効濃度も非常に低いことを示す。それゆえに、堆積中のＮ２の供給によって、実質的に窒素は取り込まれなかった。
表２：Ｎ２供給有りと無しで、Ｓｉ上にエピタキシャル成長させた２００ｎｍＧｅ層の、ＲＭＳ粗さとＸＲＤ−ＦＷＨＭ
上記２つの実験から、拡散制限ガス（Ｎ２）は、薄いエピタキシャル層の平坦性を十分に改良することが結論づけられる。
同時に、拡散制限ガスビーム／フラックスは、エピタキシャル層の緩和を僅かに抑制し、Ｓｉ上にエピタキシャル成長したＧｅの場合、臨界膜厚が約２０％増加する。
Ｓｉ上の厚いＧｅ層では、拡散制限ガスビームは、結晶品質を僅かに改良した。更に、非常に少ない、殆ど無視できるような量の拡散制限ガスが取り込まれた。
実施例３：Ｓｉ上へＡｌ層のエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスビーム／フラックスの影響
Ｓｉ上へＡｌのエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスの影響が、６ｎｍの膜厚のＡｌ層に対して調査された。
Ｓｉ上へＡｌのエピタキシャル成長に対する、Ｎ２ガスの影響が、６ｎｍの膜厚のＡｌ層に対して調査された。
Ｓｉ（１１１）上のＡｌエピタキシは、Ｎ２ビーム／フラックスの供給有りと無しで、約４００℃の基板温度で行われた。
二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さは、５．０μｍ×５．０μｍの面積に対する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定された。図３の示すように、Ｎ２ビーム／フラックスの存在下で成長した試料は、Ｎ２の不存在で成長した試料（８．４ｎｍ）に比較して、より低いＲＭＳ値（６．７ｎｍ）を示す。
表３：Ｎ２供給有りと無しで、Ｓｉ上にエピタキシャル成長させた６ｎｍのＡｌ層の、ＲＭＳ粗さ
本発明は、半導体デバイスの製造の異なる領域で適用することができる。本発明は、単結晶Ｓｉ基板上への単結晶Ｇｅ層の形成に関連して述べられたが、この発明の利益が、このテキストの他で記載されたように、他の半導体材料および／または基板に対して適用できることは、当業者にとって明らかであろう。
本発明の方法は、好適には、比較的薄い（＜５０ｎｍ）単結晶半導体層（例えばＧｅ）が半導体基板上に形成される、ＣＭＯＳデバイスの製造に適用される。
Claims (15)
- 基板上に単結晶材料の層を成長させる方法であって、
第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
拡散制限ガスの存在下で、基板に向かって、第２材料の中性種のビームを供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間にし、第２材料の中性種を露出領域上に吸着され、これにより第１単結晶材料の上にこれと接触して第２材料の単結晶層を成長させる工程とを含み、
拡散制限ガスは、非反応性ガスである方法。 - 第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、その後に、
非反応性の拡散制限ガスをチャンバ中に導入し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間にする工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種を露出領域上に吸着される工程とを含む請求項１に記載の方法。 - 第１単結晶材料から形成された露出領域を有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
第２材料の中性種のビームを基板に向かって供給し、第２材料の中性種を露出領域上に吸着される工程と、
中性種のビームと共に、非反応性の拡散制限ガスのフラックスをチャンバ中に供給し、プロセスチャンバ中の圧力を１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間にする工程とを含む請求項１に記載の方法。 - 基板をチャンバ中に配置する前に、および拡散制限ガスと中性種を導入する工程の前に、プロセスチャンバ中を１０−９ｔｏｒｒより低いバックグラウンド圧力にする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
- 拡散制限ガスのフラックスは、０．１ｓｃｃｍと２０ｓｃｃｍとの間である請求項３に記載の方法。
- 拡散制限ガスは、希ガス、分子状Ｎ２、またはそれらの混合物である請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
- 第１単結晶材料は、ＩＶ族の半導体材料である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 第１単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
- 第２単結晶材料は、ＩＶ族の半導体材料である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
- 第２単結晶材料は、ゲルマニウムであり、成長工程は、３００℃と５５０℃との間の温度で行われる請求項９に記載の方法。
- 第２単結晶材料は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体材料である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
- 第２単結晶材料は、金属である請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
- 金属は、アルミニウムである請求項１２に記載の方法。
- 基板上に単結晶ゲルマニウム層を成長する方法であって、
単結晶シリコンから形成された露出領域を上部に有する基板を、プロセスチャンバ中に配置する工程と、
３００℃と５５０℃との間の温度で、単結晶シリコンの上にこれと接触した単結晶ゲルマニウム層を成長させる工程であって、Ｇｅ原子のビームを基板に向かって供給し、露出領域上にＧｅ原子を吸着させる工程を含む工程と、を含み、
Ｇｅ原子のビームを供給する工程は、拡散制限ガスの存在下で行われ、プロセスチャンバ中の圧力は、１×１０−６ｔｏｒｒから１×１０−４ｔｏｒｒの間となる方法。 - ＣＭＯＳデバイスの製造のための、請求項１〜１４に記載の方法の使用。
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