JP4943820B2 - Method of manufacturing a GOI (Geon Insulator) substrate - Google Patents
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Description
本発明は、ゲルマニウム(Ge)やSiGe混晶などのゲルマニウム系エピタキシャル膜の成長方法に関する。 The present invention relates to a method for growing a germanium-based epitaxial film such as germanium (Ge) or SiGe mixed crystal.
近年、有用な半導体材料としてゲルマニウム(Ge)が再び脚光を浴びている。その理由は、Ge結晶中のキャリア移動度はシリコン(Si)と比較して電子移動度で約2倍、ホール移動度で約4倍と速く、高速動作の半導体デバイス設計に有利であるためである。また、光デバイス用材料としてみた場合にも、Siと比較して、1.6μm以下の波長で高い吸収係数を有するため、太陽電池用材料や、1.55μm帯の光通信用受光素子の材料としても有望である。 In recent years, germanium (Ge) has attracted attention again as a useful semiconductor material. The reason is that the carrier mobility in the Ge crystal is about twice as fast as that of silicon (Si) in electron mobility and about four times in hole mobility, which is advantageous for designing a semiconductor device operating at high speed. is there. Also, when viewed as an optical device material, it has a high absorption coefficient at a wavelength of 1.6 μm or less compared to Si, so that it is a material for solar cells and a light receiving element for optical communication in the 1.55 μm band. As promising.
しかし、GeはSiと異なり、大口径の(単結晶)基板を得ることが極めて困難であること、Geが希少な元素であることなどの難点もある。このような背景の下に、Siウェーハ上にGe濃度を少しずつ変化させた(高めた)Si1-xGex層を何層にも堆積させ、最終的にGe層をエピ成長させる手法も提案されている(例えば、非特許文献1)。しかしながら、このような手法では、エピタキシャル成長を何度も繰り返す必要があり、得られるGe結晶は極めてコストの高いものとならざるを得ない。 However, Ge differs from Si in that it is extremely difficult to obtain a large-diameter (single crystal) substrate and that Ge is a rare element. Against this background, there is also a method of depositing a number of Si 1-x Ge x layers with a slightly changed (enhanced) Ge concentration on the Si wafer and finally epi-growing the Ge layer. It has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). However, in such a method, it is necessary to repeat the epitaxial growth many times, and the resulting Ge crystal has to be extremely expensive.
また、近年では、Siウェーハ上にGeを直接エピタキシャル成長を行って、そのGeエピタキシャル膜に熱処理を加えて転位欠陥を低減する方法も提案されている(非特許文献2)。しかし、この方法によって得られたGeエピタキシャル膜の欠陥密度は、依然として高いものであることが知られている。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、比較的簡便な手法により、高品質なGe系エピタキシャル膜を大面積で得る手法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a technique for obtaining a high-quality Ge-based epitaxial film in a large area by a relatively simple technique.
本発明は、このような課題を解決するために、本発明のゲルマニウム系エピタキシャル膜の成長方法は、シリコン(Si)基板上にゲルマニウム(Ge)系エピタキシャル膜を化学気相堆積法で成長させるステップAと、前記Ge系エピタキシャル膜に700乃至900℃の温度範囲で第1の熱処理を施すステップBと、前記Ge系エピタキシャル膜の表面側からGeをイオン注入するステップCと、前記イオン注入後のGe系エピタキシャル膜に700乃至900℃の温度範囲で第2の熱処理を施すステップDとを備えている。 In order to solve such problems, the present invention provides a method for growing a germanium-based epitaxial film according to the present invention, comprising a step of growing a germanium (Ge) -based epitaxial film on a silicon (Si) substrate by a chemical vapor deposition method. A, a step B of performing a first heat treatment on the Ge-based epitaxial film in a temperature range of 700 to 900 ° C., a step C of implanting Ge from the surface side of the Ge-based epitaxial film, and a step after the ion implantation And a step D of performing a second heat treatment on the Ge-based epitaxial film in a temperature range of 700 to 900 ° C.
好ましくは、前記ステップAは、膜厚50nm以下のSiGe混晶のバッファ層を予め成長させるサブステップを備えている。 Preferably, the step A includes a sub-step of previously growing a SiGe mixed crystal buffer layer having a thickness of 50 nm or less.
また、好ましくは、前記第1および第2の熱処理時の雰囲気ガスの少なくとも一方が、不活性ガスまたは酸素ガスの何れか若しくはこれらの混合ガスである。 Preferably, at least one of the atmospheric gases during the first and second heat treatments is either an inert gas or an oxygen gas, or a mixed gas thereof.
さらに、前記イオン注入時のドーズ量は、1×1015以上1×1017atoms/cm2以下とすることが好ましい。 Furthermore, the dose during the ion implantation is preferably 1 × 10 15 or more and 1 × 10 17 atoms / cm 2 or less.
本発明のGOI(Ge on Insulator)基板の製造方法は、上述の方法で得られたGe系エピタキシャル膜の表面側から水素イオンを注入する第1のステップと、前記Ge系エピタキシャル膜および絶縁性の支持基板の少なくとも一方の主面に表面活性化処理を施す第2のステップと、前記Ge系エピタキシャル膜と前記支持基板の主面同士を100℃以上400℃以下の温度で貼り合わせる第3のステップと、前記Ge系エピタキシャル膜と支持基板の貼り合わせ界面に外部衝撃を付与して前記Ge系エピタキシャル膜の水素イオン注入界面に沿ってGe系結晶を剥離して前記支持基板の主面上にGe系薄膜を形成する第4のステップとを備えている。 A method for manufacturing a GOI (Ge on Insulator) substrate according to the present invention includes a first step of implanting hydrogen ions from the surface side of a Ge-based epitaxial film obtained by the above-described method, the Ge-based epitaxial film, and an insulating material. A second step of subjecting at least one main surface of the support substrate to a surface activation process; and a third step of bonding the Ge-based epitaxial film and the main surfaces of the support substrate to each other at a temperature of 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. And applying an external impact to the bonding interface between the Ge-based epitaxial film and the support substrate to peel off the Ge-based crystal along the hydrogen ion implantation interface of the Ge-based epitaxial film to form Ge on the main surface of the support substrate. And a fourth step of forming a system thin film.
本発明によれば、基板として大口径なものが得られるシリコンを用い、この基板上にGe系結晶をエピタキシャル成長させ、イオン注入法を利用して表面領域の単結晶性を維持しつつ基板との界面近傍領域をアモルファス化させ、熱処理を施すことでGeエピタキシャル膜全体を再結晶化(単結晶化)することとしたので、比較的簡便な手法により、高品質なGe系エピタキシャル膜を大面積で得ることが可能となる。 According to the present invention, a silicon having a large diameter is used as a substrate, a Ge-based crystal is epitaxially grown on the substrate, and the single crystal property of the surface region is maintained using an ion implantation method. Since the entire region of the Ge epitaxial film is recrystallized (single crystallized) by amorphizing the region near the interface and applying heat treatment, a high-quality Ge-based epitaxial film can be formed in a large area using a relatively simple method. Can be obtained.
また、上述の方法で得られたGe系エピタキシャル膜を絶縁性の支持基板上に貼り合わせ法で転写することとしたので、低コストのGOI基板の提供が可能となる。 In addition, since the Ge-based epitaxial film obtained by the above method is transferred onto the insulating support substrate by the bonding method, a low-cost GOI substrate can be provided.
以下に、Ge系エピタキシャル膜をGe膜とする実施例により、本発明のプロセス例について説明するが、Ge膜に限らずSiGe混晶膜であっても同様のプロセスで実施可能である。 In the following, an example of the process of the present invention will be described with reference to an example in which a Ge-based epitaxial film is a Ge film. However, the present invention is not limited to a Ge film, and a SiGe mixed crystal film can be used in the same process.
図1(A)乃至(E)は、本発明のゲルマニウム系エピタキシャル膜の成長方法を説明するための図である。これらの図中、符号10はゲルマニウム(Ge)を化学気相堆積法(CVD法)でエピタキシャル成長させるためのシリコン(Si)基板である。このSi基板10は、例えば、CZ法(チョクラルスキ法)により育成された一般に市販されているSi基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明の方法で製造されるGeエピタキシャル膜が供されるデバイスの設計値やプロセス等に依存して適宜選択される。
1A to 1E are views for explaining a method for growing a germanium-based epitaxial film according to the present invention. In these drawings,
このSi基板10の主面上に、水素ガスをキャリアガスとして、真空雰囲気中にゲルマン(GeH4)の高純度ガスを導入してGeの膜をCVD法でエピタキシャル成長させる。このGeエピタキシャル膜11中にはSi基板10との界面から高密度の欠陥(貫通転位)12が導入されるが(図1(A))、このような貫通転位を含むGeエピタキシャル膜11に適当な熱処理を施して貫通転位12が運動するためのエネルギを付与すると、貫通転位12はSi基板界面近傍のループ転位状欠陥に変化する現象が知られている(非特許文献3参照)。
A Ge film is epitaxially grown on the main surface of the
そこで、本発明では、Geエピタキシャル膜11に700乃至900℃の温度範囲で熱処理を施すこととしている(図1(B))。なお、この熱処理時の雰囲気ガスは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスまたは酸素ガスの何れか、若しくはこれらの混合ガスとする。
Therefore, in the present invention, the Ge
続いて、Geエピタキシャル膜11の表面側から、例えばドーズ量1×1015〜1×1017atoms/cm2で、Geをイオン注入をおこなう(図1(c))。このGeイオン注入により、Geエピタキシャル膜表面領域の単結晶性を維持しつつ、Si基板10との界面近傍のGeエピタキシャル膜11のGe結合状態が崩れてアモルファス領域13が形成されることとなる(図1(D))。
Subsequently, Ge is ion-implanted from the surface side of the Ge
これに続いて、700乃至900℃の温度範囲で第2の熱処理を施すと、Geエピタキシャル膜11の表面付近の単結晶部分が種となり、アモルファス領域13が単結晶化する(図1(E))。なお、この熱処理時の雰囲気ガスは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスまたは酸素ガスの何れか、若しくはこれらの混合ガスとする。このようにして得られたGeエピタキシャル膜11は、貫通転位、ループ転位ともにその密度が低く、高品質なGe膜である。
Subsequently, when a second heat treatment is performed in a temperature range of 700 to 900 ° C., the single crystal portion near the surface of the Ge
なお、Si基板上にGeをエピタキシャル成長するに先立ち、予め膜厚50nm以下のSiGe混晶のバッファ層を成長させておくこととすると、更に低欠陥レベルのGe膜を得ることが可能である。このようなバッファ層は、Geエピタキシャル膜がコヒーレント成長するように、例えばGe0.88Si0.12などの組成とする。 If a SiGe mixed crystal buffer layer having a film thickness of 50 nm or less is grown in advance prior to epitaxial growth of Ge on the Si substrate, a Ge film having a lower defect level can be obtained. Such a buffer layer has a composition such as Ge 0.88 Si 0.12 so that the Ge epitaxial film can be coherently grown.
本実施例は、本発明のゲルマニウムエピタキシャル膜の成長方法で得られたGeエピタキシャル膜を用いてGOI(Ge on Insulator)基板を製造する方法に関する。 The present embodiment relates to a method for manufacturing a GOI (Ge on Insulator) substrate using a Ge epitaxial film obtained by the method for growing a germanium epitaxial film of the present invention.
図2は、本発明のGOI基板の製造方法を説明するための図で、図2(A)に図示された基板は、実施例1で作製されたGeエピタキシャル膜11を主面に備えるSi基板10である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing a GOI substrate according to the present invention. The substrate shown in FIG. 2A is a Si substrate having the Ge
先ず、Geエピタキシャル膜11の表面側から水素イオンを注入し、Si基板10との界面近傍領域に水素イオン注入層を形成する(図2(A))。この水素イオン注入により、Geエピタキシャル膜11の表面から所定の深さ(平均イオン注入深さL)にイオン注入層(ダメージ層)14が形成され、イオン注入界面15が形成される。
First, hydrogen ions are implanted from the surface side of the Ge
この際のイオン注入条件は、どの程度の厚さのGe薄膜を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば、平均イオン注入深さLを0.5μm以下とし、イオン注入条件を、ドーズ量1×1016〜5×1017atoms/cm2、加速電圧50〜100keVなどとする。 The ion implantation conditions at this time are determined depending on the thickness of the Ge thin film to be peeled off. For example, the average ion implantation depth L is 0.5 μm or less, and the ion implantation conditions are the doses. The amount is 1 × 10 16 to 5 × 10 17 atoms / cm 2 , the acceleration voltage is 50 to 100 keV, and the like.
このようにしてイオン注入層14を形成したGeエピタキシャル膜11と、後にハンドルウエーハとなる絶縁性の支持基板20の少なくとも一方の主面(接合面)に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す(図2(B))。なお、このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のOH基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものであり、Geエピタキシャル膜11と支持基板20の双方の接合面に処理を施す必要は必ずしもなく、何れか一方の接合面にのみ施すこととしてもよい。
For the purpose of surface cleaning, surface activation, etc. on at least one main surface (bonding surface) of the Ge
このような表面処理が施されたGeエピタキシャル膜11と支持基板20の主面を接合面として密着させ、100℃以上400℃以下の温度で熱処理を施して貼り合わせる(図2(C))。上述したように、Geエピタキシャル膜11と支持基板20の少なくとも一方の主面(接合面)は、プラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、上述の比較的低温の熱処理でも、後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。なお、より高い貼り合せ強度をもたせたいような場合には、必要に応じて、貼り合わせ後に一旦100℃未満の温度とし、再度、Geエピタキシャル膜11と支持基板20を貼り合わせた状態で100℃以上400℃以下の温度の熱処理が繰り返される。
The
本発明で上記の熱処理温度が400℃以下と設定される理由は、400℃を超える温度で熱処理を施すと、水素イオン注入界面でマイクロキャビティと呼ばれる微小な空洞が発生し、これが熱的に剥離する現象が生じる結果、剥離後のGe薄膜の表面荒れや基板割れにつながるためである。 The reason why the above heat treatment temperature is set to 400 ° C. or lower in the present invention is that when heat treatment is performed at a temperature exceeding 400 ° C., a minute cavity called a microcavity is generated at the hydrogen ion implantation interface, and this is thermally separated. This is because, as a result of this phenomenon, surface roughness of the Ge thin film after peeling and substrate cracking are caused.
なお、支持基板20が石英基板である場合には、この熱処理温度の上限値を350℃とすることが好ましい。これは、Siと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量とSi基板10ならびに石英基板20の厚みを考慮したものである。Si基板10と石英基板20の厚みが概ね同程度である場合、Siの熱膨張係数(2.33×10-6)と石英の熱膨張係数(0.6×10-6)の間に大きな差異があるために、350℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合にはSi基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このため、熱処理温度の上限を350℃と選択し、より好ましくは100〜300℃の温度範囲で熱処理を施す。
When the
続いて、貼り合わせ界面に外部衝撃を加え、水素イオン注入界面15に沿ってGeエピタキシャル膜の剥離を行ってGe薄膜16を得(図2(D))、さらにこのGe薄膜16の表面に最終表面処理(CMP研磨等)を施して水素イオン注入起因のダメージを除去すれば、Ge薄膜16をその表面に有するGOI基板が得られる(図2(E))。
Subsequently, external impact is applied to the bonding interface, and the Ge epitaxial film is peeled along the hydrogen
本発明は、比較的簡便な手法により、高品質なGe系エピタキシャル膜を大面積で得ることを可能とする。 The present invention makes it possible to obtain a high-quality Ge-based epitaxial film with a large area by a relatively simple technique.
10 Si基板
11 Geエピタキシャル膜
12 欠陥
13 Geアモルファス領域
14 イオン注入層
15 イオン注入界面
16 Ge薄膜
20 支持基板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記Ge系エピタキシャル膜に700乃至900℃の温度範囲で第1の熱処理を施すステップBと、
前記Ge系エピタキシャル膜の表面側からGeをイオン注入するステップCと、
前記イオン注入後のGe系エピタキシャル膜に700乃至900℃の温度範囲で第2の熱処理を施すステップDと、
を備えているエピタキシャル膜の成長方法により得られたGe系エピタキシャル膜の表面側から水素イオンを注入する第1のステップと、
前記Ge系エピタキシャル膜および絶縁性の支持基板の少なくとも一方の主面に表面活性化処理を施す第2のステップと、
前記Ge系エピタキシャル膜と前記支持基板の主面同士を100℃以上400℃以下の温度で貼り合わせる第3のステップと、
前記Ge系エピタキシャル膜と支持基板の貼り合わせ界面に外部衝撃を付与して前記Ge系エピタキシャル膜の水素イオン注入界面に沿ってGe系結晶を剥離して前記支持基板の主面上にGe系薄膜を形成する第4のステップと、
を備えている、GOI(Ge on Insulator)基板の製造方法。 A step A of growing a germanium (Ge) -based epitaxial film on a silicon (Si) substrate by chemical vapor deposition;
Applying a first heat treatment to the Ge-based epitaxial film in a temperature range of 700 to 900 ° C .;
Step C of ion-implanting Ge from the surface side of the Ge-based epitaxial film;
Applying a second heat treatment to the Ge-based epitaxial film after the ion implantation in a temperature range of 700 to 900 ° C .;
A first step of implanting hydrogen ions from the surface side of the Ge-based epitaxial film obtained by the epitaxial film growth method comprising:
A second step of performing a surface activation process on at least one main surface of the Ge-based epitaxial film and the insulating support substrate;
A third step of bonding the Ge-based epitaxial film and the main surfaces of the support substrate to each other at a temperature of 100 ° C. or higher and 400 ° C. or lower;
An external impact is applied to the bonding interface between the Ge-based epitaxial film and the support substrate, the Ge-based crystal is peeled along the hydrogen ion implantation interface of the Ge-based epitaxial film, and a Ge-based thin film is formed on the main surface of the support substrate. A fourth step of forming
A method of manufacturing a GOI (Ge on Insulator) substrate.
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