JP6686419B2 - シリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法およびシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ - Google Patents

Description

本発明は、シリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法およびシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハに関する。

従来、半導体材料としてシリコン（Ｓｉ）が広く用いられている。また、Ｓｉと同じIV族元素のゲルマニウム（Ｇｅ）を固溶させてシリコンに歪みを導入することより、キャリアの移動度を高めることができることが知られている。

近年、シリコンにゲルマニウムを添加したシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）が半導体材料として注目されるようになってきた。例えば、高周波特性が必要な、移動体通信端末用の無線通信チップ等に利用されつつある。このようなＳｉＧｅを用いた半導体デバイスは、半導体デバイス製造時に、チャネル領域やソース、ドレイン領域に対して、選択的に歪導入領域を形成することが一般的である。なお、本明細書において、単に「ＳｉＧｅ」と表記する場合は、化学量論的組成の組成比の特定を意図するものではなく、所定比率でＧｅがＳｉに固溶した固溶体を意味する。

ここで、大面積のＳｉＧｅ層（膜）を半導体デバイス製造プロセスに適用するため、ベース基板となるシリコンウェーハ上にＳｉＧｅをヘテロエピタキシャル成長させたシリコンゲルマニウムエピタキシャル（以下、「ＳｉＧｅエピタキシャル」と表記する。）層を有するＳｉＧｅエピタキシャルウェーハの形態での利用が望まれている。

しかしながら、シリコンウェーハ上にＳｉＧｅをエピタキシャル成長させたＳｉＧｅ層と、ベース基板となるシリコンウェーハとでは格子定数が異なるため、この格子定数差に起因して、両者の界面から成長層上部に向けて伸展する転位（貫通転位）が高密度に発生してしまうことが知られている。高密度の貫通転位が発生したＳｉＧｅエピタキシャルウェーハを半導体デバイス製造プロセスに適用することはできないため、転位密度を低減することのできる技術が種々検討されている。

転位密度を低減することのできるＳｉＧｅエピタキシャルウェーハの製造方法に関する技術として、例えば特許文献１では、以下の技術が提案されている。すなわち、Ｓｉ基板上に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と、前記Ｇｅ系エピタキシャル膜に７００〜９００℃の温度範囲で第１の熱処理を施すステップと、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と、前記イオン注入後のＧｅ系エピタキシャル膜に７００〜９００℃の温度範囲で第２の熱処理を施すステップと、を含むＧｅ系エピタキシャル膜の成長方法である。また、特許文献１では、Ｓｉ基板とＧｅ系エピタキシャル膜との間に、ＳｉＧｅ混晶のバッファ層を成長させることが好ましいことも提案されている。

特許文献１に記載の技術によると、Ｇｅイオン注入によりＧｅ系エピタキシャル膜の、Ｓｉ基板との界面近傍にアモルファス領域が形成され、次いで第２の熱処理を行ってアモルファス領域を単結晶化することで、得られたＧｅ系エピタキシャル膜の貫通転位およびループ転位の密度が低減するとされる。

特開２００８−１２０６２７号公報

特許文献１に記載される技術は、結晶回復熱処理を複数回実施することで、Ｇｅ系エピタキシャル膜に形成された貫通転位を低減させる。そのため、熱処理によって結晶回復しきれなかった貫通転位は多数発生することが予想される。特許文献１の記載の技術では、Ｇｅ系エピタキシャル膜とＳｉ基板との界面近傍にアモルファス領域を形成するよう、エピタキシャル膜内にＧｅイオンを注入している。しかしながら、Ｇｅイオン注入による注入飛程には限界（深い位置まで注入することはできない）がある。そのため、特許文献１の記載の技術では、厚膜のＧｅ系エピタキシャル膜を製造することは困難である。

さらに、特許文献１では、シリコンウェーハをベース基板として用いるエピタキシャルウェーハを半導体デバイス製造プロセスに適用する場合に問題となり得る、金属不純物への対策についても考慮されていない。貫通転位の密度を低減させるための工程と、金属不純物をゲッタリングするためのゲッタリングサイトを形成する工程とが別々に行われると、製造工程数が増加して高コスト化の一因に繋がることを本発明者は新たに課題認識した。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、貫通転位密度を低減することができると共に、金属不純物をゲッタリングすることのできるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法およびその製造方法により得られるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討し、構成元素に炭素を含む分子イオンをバッファ層に注入し、該注入後にシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）エピタキシャル層を形成することを着想した。分子イオン注入により、炭素が局所的に固溶した固溶領域が形成され、当該固溶領域が、バッファ層の表層部においてＳｉＧｅエピタキシャル層への貫通転位の伸展を止めることのできる領域とすることができると共に、該領域をゲッタリングサイトとすることができることを本発明者は知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。

本発明のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法は、シリコンウェーハ表面にバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層に分子イオンを注入する工程と、前記分子イオンの注入を経た前記バッファ層上に、シリコンゲルマニウムエピタキシャル層を形成する工程と、を含み、
前記分子イオンは、炭素ならびに、水素、ヘリウム、シリコンおよびゲルマニウムからなる群より選択される１以上の元素から構成されることを特徴とする。

ここで、前記分子イオンを注入する工程において、前記バッファ層の表面から１００ｎｍ以下の範囲内に前記分子イオンを注入することが好ましい。

また、前記分子イオンを注入する工程において、前記分子イオンの注入ドーズ量を１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満とすることが好ましい。

さらに、前記分子イオンを注入する工程において、前記シリコンウェーハの温度を２５℃より低く保持した状態で行うことが好ましく、前記シリコンウェーハの温度を０℃以下に保持することがより好ましい。

また、本発明のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法は、前記分子イオンを注入する工程に先立ち、前記バッファ層表面に酸化膜を形成する工程をさらに含むことが好ましい。他にも、前記分子イオンを注入する工程の後、熱処理を行う工程をさらに含むことも好ましい。

ここで、前記バッファ層は、シリコンゲルマニウムからなるエピタキシャル層であることが好ましい。また、前記バッファ層は、厚み方向にＧｅ組成比ｘ（０＜ｘ≦０．５）を傾斜させたＳｉ_{（１−ｘ）}Ｇｅ_ｘ組成傾斜層であることが好ましい。

また、本発明のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハは、シリコンウェーハと、該シリコンウェーハ表面に設けられたバッファ層と、前記バッファ層上に設けられたシリコンゲルマニウムエピタキシャル層と、を有し、
前記バッファ層に炭素の固溶領域が存在することを特徴とする。

ここで、前記バッファ層の表面からの深さが１００ｎｍ以下の範囲内に、前記炭素の厚み方向の炭素濃度プロファイルのピークが位置することが好ましい。

本発明によれば、炭素を構成元素に含む分子イオンをバッファ層に注入したので、貫通転位密度を低減することができると共に、金属不純物をゲッタリングすることのできるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができる。また、この製造方法により製造されるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハを提供することができる。

本発明の一実施形態に従うシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法を説明するための摸式断面図である。 本発明の一実施形態に従うシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハによる貫通転位の低減作用を説明するための模式断面図である。 本発明の好適実施形態に従うシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法の工程の一部を説明するための摸式断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図１〜３では図面の簡略化および説明の便宜上、各構成の縦横比について、実際の割合と異なり誇張して示す。

（シリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法）
本発明の一実施形態に従うシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ１００（以下、「ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００」と略記する。）の製造方法は、図１に示すように、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａにバッファ層２０を形成する工程（図１（Ａ），（Ｂ））と、バッファ層２０に分子イオンＩを注入する工程（図１（Ｃ），（Ｄ））と、バッファ層２０上に、シリコンゲルマニウムエピタキシャル層３０（以下、「ＳｉＧｅエピタキシャル層３０」と略記する。）を形成する工程（図１（Ｅ））と、を含む。ここで、分子イオンＩは、炭素ならびに、水素、ヘリウム、シリコンおよびゲルマニウムからなる群より選択される１以上の元素から構成される。図１（Ｅ）は、この製造方法の結果得られたＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００の模式断面図である。

シリコンウェーハ１０としては、単結晶シリコンからなり、表面にエピタキシャル層を有しないバルクのシリコンウェーハを用いることができる。シリコンウェーハ１０は、チョクラルスキ法（ＣＺ法）や浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することが一般的である。所望の目的に応じてシリコンウェーハ１０に炭素または窒素を添加してもよく、任意のドーパントを所定濃度添加して、いわゆるｎ＋型もしくはｐ＋型、またはｎ−型もしくはｐ−型の基板としてもよい。

次に、シリコンウェーハ１０の表面１０Ａにバッファ層２０を形成する工程を行う（図１（Ａ），（Ｂ））。バッファ層２０は、シリコンウェーハ１０と、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０との格子定数差に起因する格子不整合を緩和するための層である。このようなバッファ層２０として、シリコンゲルマニウムからなるエピタキシャル層を用いることが好ましい。例えば、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０におけるＳｉＧｅのＧｅ組成比αを超えない、Ｇｅ組成比をβとするＳｉ_{（１−β）}Ｇｅ_βをエピタキシャル成長させたＳｉ_{（１−β）}Ｇｅ_β層を用いることができる（すなわち、β≦αである）。また、厚み方向にＧｅ組成比ｘ（０＜ｘ≦０．５）を傾斜させたＳｉ_{（１−ｘ）}Ｇｅ_ｘ組成傾斜層を用いることも好ましく、シリコンウェーハ１０からＳｉＧｅエピタキシャル層３０の方向へ厚み方向にＧｅ組成比ｘを漸増させることも好ましい。なお、Ｇｅ組成比ｘの上限を、上記Ｇｅ組成比以下とすることが好ましい。

このようなバッファ層２０は、ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法、ＧＳＭＢＥ(Gas Source MBE)法、ＵＨＶ−ＣＶＤ(Ultra High Vacuum Chemical Vapour Deposition)法や、減圧化学気相成長法（減圧ＣＶＤ法）等を用いて形成することができる。ソースガスとしては、Ｇｅ源としてＧｅＨ_４およびＧｅ_２Ｈ_６等を、Ｓｉ源としてＳｉＨ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２およびＳｉ_２Ｈ_６等を用いることができ、形成するバッファ層のＧｅ組成比に応じてＧｅ源およびＳｉ源のソースガスの混合比率を調整すればよい。バッファ層２０の厚みも、一般的な範囲とすることができ、例えば１０ｎｍ〜１μｍとすることができる。

次に、本実施形態において特に特徴的な工程となる、バッファ層２０に分子イオンＩを注入する工程を行う（図１（Ｃ））。分子イオンＩは、炭素ならびに、水素、ヘリウム、シリコンおよびゲルマニウムからなる群より選択される１以上の元素から構成されたものを用いることとする。すなわち、分子イオンＩの構成元素は、炭素を少なくとも含む。ここで、本明細書において「分子イオン」とは、分子がフラグメンテーションを起こすことなく、１個以上の電子を脱離（正イオン化）または付加（負イオン化）して生じたイオンを指すものとする。複数の分子イオンＩが塊状に集合してクラスターとなっていてもよい。分子イオンＩは、例えば日新イオン機器社より市販のＣＬＡＲＩＳ（登録商標）などを分子イオン発生装置として用いることができる。

イオン化させる分子は、構成元素が上記の元素からなる限りは特に限定されない。イオン化が可能な炭素源化合物としては、エタン、メタンなどを用いることができる。例えばシクロヘキサン（Ｃ_６Ｈ_１２）を材料ガスとすれば、炭素および水素からなる分子イオンを生成することができる。また、例えばメチルシラン（ＣＳｉＨ_６）を材料ガスとすれば、炭素、シリコンおよび水素からなる分子イオンを生成することができる。シリコンゲルマニウム水素化物を材料ガスとすれば、シリコン、ゲルマニウムおよび水素からなる分子イオンを生成することができる。なお、炭素源化合物としては特に、ピレン(Ｃ_１６Ｈ_１０)、ジベンジル（Ｃ_１４Ｈ_１４）などより生成したＣ_ｎＨ_ｍ（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を用いることが好ましい。小サイズの分子イオンビームを制御し易いためである。

分子イオンＩの注入により、バッファ層２０の表層部の所定領域に、分子イオンＩの構成元素が局所的に固溶して存在する領域が形成される。詳細を後述するが、結晶欠陥の生じている炭素固溶領域２０ａによって、貫通転位の伸展が抑止される。さらに、炭素固溶領域２０ａには炭素が局所的に固溶しているため、ゲッタリングサイトとしても機能する。したがって、この分子イオンＩの注入により、貫通転位の伸展が抑止することのできる結晶欠陥領域を形成することができると同時に、ゲッタリングサイトを形成することができ、製造効率を高めることができる。

以下、バッファ層２０において、炭素固溶領域２０ａよりもシリコンウェーハ１０側の領域を領域２０ｂと区分し、炭素固溶領域２０ａよりもＳｉＧｅエピタキシャル層側の領域を領域２０ｃと区分して説明する。

分子イオンＩの注入工程に続いて、分子イオンＩの注入を経たバッファ層２０の上に、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０を形成する工程を行う。ＳｉＧｅエピタキシャル層３０も、バッファ層２０と同様に、ＭＢＥ法、ＧＳＭＢＥ法、ＵＨＶ−ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法等を用いて形成することができる。ＳｉＧｅエピタキシャル層３０におけるＳｉＧｅのＧｅ組成比αは、所望に応じて適宜選択されるが、例えば０．２≦α≦０．５の範囲で適宜選択することができる。ＳｉＧｅエピタキシャル層３０の厚さ等も、所望に応じて適宜設計することができ、例えば１０ｎｍ〜１０μｍとすることができる。

以上の工程を経ることで、ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００を製造することができる。本実施形態に従う製造方法により得られたＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００は、貫通転位の密度を従来のＳｉＧｅエピタキシャルウェーハよりも低減できると共に、金属不純物をゲッタリングすることのできるゲッタリングサイトを備える。以下、かかる効果が得られる作用について、図２を参照しつつ説明する。

ここで、バッファ層２０の表面から分子イオンＩを注入する場合、分子イオンＩの構成元素はバッファ層２０の表層部に固溶する。一方、バッファ層２０の表面からモノマーイオンを注入する場合、加速電圧を低くしたとしても、モノマーイオンの構成元素は、分子イオンＩを注入する場合に比べればバッファ層２０の奥深くに侵入する。すなわち、モノマーイオン注入に比べて、分子イオン注入ではバッファ層２０の表層部にイオン注入を行うことができる。その結果、注入後の分子イオンＩの構成元素をバッファ層２０の表層部に浅く、かつ、局所的に固溶させることができる。二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Iron Mass Spectrometry）により、バッファ層２０の厚み方向における濃度プロファイルを測定することができ、ＳＩＭＳにより得られるプロファイルでは、分子イオンＩの加速電圧およびイオン種にも依存するが、モノマーイオン注入の場合に比べて極めてシャープ（即ち、半値幅が１００ｎｍ以下程度に小さくなる）になり、照射された構成元素が局所的に存在する領域の厚みは、概ね５００ｎｍ以下（例えば５０〜４００ｎｍ程度）となる。この結果、分子イオン注入により、炭素固溶領域２０ａを、バッファ層２０の表面から１００ｎｍ以内に形成できる。なお、本明細書において、厚み方向における炭素の濃度プロファイルのピーク位置がバッファ層２０の表面から１００ｎｍ以内にあるとき、結晶欠陥領域２０ａがバッファ層２０の表面から１００ｎｍ以内に形成されているとものとする。

シリコンウェーハ１０とバッファ層２０とでは格子定数が異なるなるため、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０を形成する前に、バッファ層２０を形成した段階で、バッファ層２０内には転位が多数発生する。発生した転位には、バッファ層２０の表面２０Ａまで到達する転位Ｄ_ＴＡと、バッファ層２０の表面２０Ａには到達しない転位Ｄ_ＴＢとがある。バッファ層２０の表面２０Ａまで到達していない転位Ｄ_ＴＢは、貫通転位の伸展を抑制する領域がなければ、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０形成時にバッファ層２０の表面２０Ａにまで伸展してしまい、この新たな伸展により表面２０Ａに発生した貫通転位を起点として、ＳｉＧｅエピタキシャル層３０内に貫通転位が発生するおそれがある。ここで、バッファ層２０を形成した時点で、既にバッファ層２０の表面２０Ａにまで到達した貫通転位Ｄ_ＴＡを消失させることはできないが、バッファ層２０の形成後（すなわち、転位発生後）であっても、炭素を構成元素に含む分子イオン注入により、バッファ層２０の表層部に微視的（ミクロ）には結晶格子が乱れた炭素固溶領域（結晶改質層でもあり結晶欠陥が形成された領域である）を形成することができる。この結晶改質層（結晶欠陥領域）は、バッファ層２０の表面２０Ａまで到達していない転位Ｄ_ＴＢがバッファ層２０の表面２０Ａに伸展することを防止するストップ層として機能し、転位Ｄ_ＴＢの伸展が結晶改質層で抑制されるため、本実施形態では貫通転位の発生を低減できるものと考えられる。さらに、炭素原子そのものも、転位の伸展を止める（押さえつける）ピニング作用を有するため、バッファ層２０の表層部に存在する炭素原子が、転位Ｄ_ＴＡに起因したＳｉＧｅエピタキシャル層３０への貫通転位の発生低減にも寄与するものと考えられる。

なお、モノマーイオン注入によっても、炭素が固溶した領域を形成することは可能であるが、その場合、分子イオン注入に比べて表面２０Ａから、より深い位置に炭素固溶領域が形成される。そのため、バッファ層２０におけるＳｉＧｅエピタキシャル層３０側の領域２０ｃの厚み幅が広く、領域２０ｃ内に発生する転位の数も増加する。このため領域２０ｃにて発生した転位による貫通転位の伸展を止めるには不十分である。このように、モノマーイオン注入の場合、貫通転位密度の低減効果は分子イオン注入の場合に比べて劣るものと考えられる。

本実施形態により形成される炭素固溶領域２０ａが貫通密度低減に極めて有効である理論的な背景は未だ明らかではなく、また、本発明は理論に縛られるものでもないが、本発明者はさらに以下のように考えている。すなわち、分子イオン注入の場合、構成元素を局所的に固溶させることができるため、モノマーイオン注入に比べて、極めて低ドーズの条件でも十分な貫通密度低減が得られる。この際、炭素固溶領域２０ａにおいて貫通転位の伸展が止まるのは、分子イオンＩの注入によって結晶格子が乱れた結晶改質層（結晶欠陥領域）が形成されるためだと考えられる。また、低ドーズで結晶欠陥領域２０ａを形成することができるため、バッファ層２０上に形成するＳｉＧｅエピタキシャル層３０の結晶性に与える影響を抑制することができる。なお、バッファ層２０に炭素をイオン注入すると、炭素起因の転位が発生することが想定されるため、一般的には炭素イオンの注入は避けられてきた。しかしながら、分子イオンの形態での注入であれば局所的な固溶となるため、炭素の影響は限定的と考えられるか、あるいは、炭素に起因する転位発生に比べて、貫通転位の伸展抑止効果が極めて優れているかのどちらかの理由により、貫通転位の密度を顕著に低減できたのではないかと考えられる。また、分子イオン注入の場合、モノマーイオン注入に比べて、炭素がより局所的に固溶しているため、低ドーズの注入条件であったとしても、ゲッタリングサイトとしても有効に機能することができる点でも極めて有利である。

以上の点から、炭素固溶領域２０ａを、バッファ層２０の表面２０Ａ近傍に形成するため、本実施形態においては、分子イオンＩを注入する工程において、バッファ層２０の表面２０Ａから１００ｎｍ以下の範囲内に分子イオンＩを注入することが好ましい。すなわち、分子イオンＩの注入飛程が１００ｎｍ以内となるように、分子イオンＩの注入条件を設定することが好ましい。この目的のため、例えば分子イオンＩとしてＣ_ｎＨ_ｍ（３≦ｎ≦１６，３≦ｍ≦１０）を用いる場合、炭素１原子あたりの加速電圧は、０ｋｅＶ／ａｔｏｍ超え５０ｋｅＶ／ａｔｏｍ以下とし、好ましくは、４０ｋｅＶ／ａｔｏｍ以下とする。

また、分子イオンを注入する工程において、バッファ層２０の表面２０Ａから１００ｎｍ以下の範囲内の少なくとも一部にアモルファス領域を形成してもよい。アモルファス領域による貫通転位の伸展抑止効果が考えられる。分子イオンＩの加速電圧および注入ドーズ量を適宜調整することで、アモルファス領域を形成することができる。ただし、ＳｉＧｅエピタキシャル層の結晶性を高めるために、分子イオンの注入ドーズ量を１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満とすることがより好ましい。この範囲内でアモルファス領域をより確実に形成するためには、以下の手法をとることができる。

すなわち、シリコンウェーハ１０の温度（基板温度）を２５℃より低く保持した状態で分子イオンＩを注入してもよい。さらに、基板温度を０℃以下に保持してもよい。下限は特段制限されないが、低温状態の維持効率の観点から、下限を−２００℃と設定することができる。こうすることで、アモルファス領域を形成することができる。この理由は、以下のとおりである。分子イオンIがバッファ層２０と衝突する際には熱が発生し、その熱でバッファ層２０の表層部が加熱される。この加熱により、分子イオン注入により導入されたダメージが回復する（自己アニール効果）が、基板温度が低い場合、この自己アニール効果が阻害され、導入されたダメージが十分に回復せず、アモルファス領域が形成されやすくなると考えられる。この作用のため、注入条件にも依存するが、ドーズ量が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２未満と比較的少ない条件であっても、アモルファス領域を形成しやすくなる。

なお、基板温度は、分子イオン注入装置内で、シリコンウェーハ１０を載置するステージを冷却することにより低くすることができる。具体的には、ステージ内部に満遍なく設けられた流路内に、チラーを用いて一定温度に保たれた、液体窒素、エチレングリコールなどの冷媒を流すことにより、ステージを冷却すればよい。冷媒の温度や流速を変更することによって、基板温度を調整することができる。

また、アモルファス領域については、ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００の製造過程または製造後に、その断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）により観察することで確認することができる。所望により行われるアニールによって、アモルファス領域が単結晶化されることもある。

ここで、分子イオンを構成する原子数は２〜５０個、好ましくは２０個以下、より好ましくは１０個以下で適宜設定することができ、後述する実施例においては、原子数７個のＣ_２Ｈ_５を用いた。原子数の調整は、ノズルから噴出されるガスのガス圧力および真空容器の圧力、イオン化する際のフィラメントへ印加する電圧などを調整することにより行うことができる。なお、分子イオンの原子数は、四重極高周波電界による質量分析またはタイムオブフライト質量分析により求めることができる。

なお、分子イオンのドーズ量は、イオン照射時間を制御することにより調整することができる。炭素のドーズ量は、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以上とすることができる。

ここで、本実施形態に従う製造方法において、以下の工程をさらに含むことができる。

図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、分子イオンＩを注入する工程に先立ち、バッファ層２０の表面２０Ａに酸化膜２１を形成する工程をさらに含んでもよい。酸化膜２１は、バッファ層２０の表面２０Ａを熱酸化することにより形成することができる。酸化膜２１により、バッファ層２０の表面２０Ａを保護することができると共に、分子イオンの注入深さを調整することができる。分子イオンＩの注入後には、所望に応じてエッチング等により酸化膜２１を除去してもよい。

また、図３（Ｅ）に示すように、分子イオンＩの注入する工程の後、熱処理を行う工程をさらに含んでもよい。分子イオン注入により生じた結晶へのダメージを回復することができる。なお、図３では上記酸化膜２１を形成する工程を含めて一連の工程として図示しているが、本実施形態においては、両工程のいずれか一方のみを行ってもよいし、両工程を行わなくてもよい。

（シリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ）
次に、上記製造方法により得られるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ１００について説明する。前述の製造方法の実施形態と重複する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００は、図１（Ｅ）に示すように、シリコンウェーハ１０と、該シリコンウェーハ１０表面に設けられたバッファ層２０と、バッファ層２０上に設けられたシリコンゲルマニウムエピタキシャル層３０と、を有する。ここで、ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００のバッファ層２０には、炭素の固溶領域２０ａが存在する。かかるバッファ層２０をＳｉＧｅエピタキシャルウェーハ１００は有するため、貫通転位の密度が従来よりも低減できると共に、金属不純物をゲッタリングすることができる高いゲッタリング能力を有する。

貫通転位の密度を低減するために、バッファ層２０の表面２０Ａからの深さが１００ｎｍ以下の範囲内に、炭素濃度プロファイルのピークが位置することがより好ましい。

（発明例１）
ＣＺ単結晶シリコンインゴットから得たシリコンウェーハ（直径：８インチ、厚さ：７２５μｍ、酸素濃度：１．１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を用意した。次に、厚み方向にＧｅ組成比ｘを傾斜させたＳｉ_{（１−ｘ）}Ｇｅ_ｘ組成傾斜バッファ層をＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長条件は以下のとおりである。キャリアガス：水素ガス、原料ガス：ＳｉＨ_４およびＧｅＨ_４、チャンバー圧力：１０〜１００Ｔｏｒｒ、温度：４００〜５５０℃、厚さ：１μｍ。なお、Ｇｅ組成比ｘについては、シリコンウェーハ側をｘ＝０．０２とし、ｘ＝０．３まで増加させた。

次に、日新イオン機器より市販のCLARIS（登録商標）を用いて、シクロヘキサンよりＣ_２Ｈ_５を生成して、Ｓｉ_{（１−ｘ）}Ｇｅ_ｘ組成傾斜バッファ層の表面に照射した。基板温度は室温（約２５℃）であり、炭素１原子当りの加速電圧を２０ｋｅＶ／ａｔｏｍ、ドーズ量５．０×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２とした。

最後に、ゲルマニウム組成比が０．３の、Ｓｉ_０．７Ｇｅ_０．３エピタキシャル層をＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させた。エピタキシャル成長条件は以下のとおりである。キャリアガス：水素ガス、原料ガス：ＳｉＨ_４およびＧｅＨ_４、チャンバー圧力：５０Ｔｏｒｒ、温度：６００℃、厚さ：３μｍ。こうして、発明例１にかかるＳｉＧｅエピタキシャルウェーハを作製した。

（発明例２，３）
発明例１と同一条件で、発明例２，３にかかるＳｉＧｅエピタキシャルウェーハを作製した。

（比較例１〜３）
発明例１において、Ｃ_２Ｈ_５の分子イオンを注入したことに代えて、水素イオンを２０ｋｅＶ、２×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の条件で注入した以外は、発明例１と同様にＳｉＧｅエピタキシャルウェーハを作製し、それぞれ比較例１〜３とした。

（貫通転位密度の評価）
発明例１〜３および比較例１〜３のそれぞれのＳｉＧｅエピタキシャルウェーハに対して、ライトエッチング後にＳｉＧｅエピタキシャル層表面を光学顕微鏡観察することにより、エピタキシャルウェーハ表面へ貫通した欠陥の密度を評価した。観察箇所は、ＳｉＧｅエピタキシャルウェーハの（１）ウェーハ中心部、（２）ウェーハ中心とウェーハ端との中心部、（３）ウェーハ端から５ｍｍ内側部の３箇所とした。この（１）〜（３）のそれぞれの位置で観察された密度の平均値を表１に示す。

（ゲッタリング能力の評価）
発明例１〜３および比較例１〜３のそれぞれのＳｉＧｅエピタキシャルウェーハに対して、ＳｉＧｅエピタキシャル層表面を、Ｎｉ汚染液（１．０×１０^１１／ｃｍ^２）でスピンコート汚染法を用いて故意に汚染し、引き続き９００℃、３０分の熱処理を施した。その後、ＳＩＭＳ測定を行い、改質層に捕獲されたＮｉ捕獲量（Ｎｉプルファイルの積分値）を測定した。その結果、発明例１〜３ではＮｉ汚染量のほぼ全量がバッファ層内の分子イオン注入領域に局在していたのに対し、比較例１〜３ではイオン注入領域に局在していなかった。すなわち、発明例１〜３では、分子イオン注入によりゲッタリング能力が付与されていることが確認された。

表１から明らかなように、発明例１〜３では、比較例１〜３に比べて最大で約１／４程度にまで貫通転位の密度を低減できたことが確認された。さらに、発明例１〜３では、比較例１〜３に比べて極めて優れた高いゲッタリング能力を得ることができたことも確認された。

本発明によれば、貫通転位を抑制することができると共に、金属不純物をゲッタリングすることのできるシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができる。

１０ シリコンウェーハ
１０Ａ シリコンウェーハの表面
２０ バッファ層
２０Ａ バッファ層の表面
２０ａ 炭素固溶領域
３０ シリコンゲルマニウムエピタキシャル層
１００ シリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ
Ｄ_ＴＡ 貫通転位
Ｄ_ＴＢ 貫通転位
Ｉ 分子イオン

Claims (9)

1. シリコンウェーハ表面の上にシリコンゲルマニウムエピタキシャル層を形成するシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法において、
   前記シリコンウェーハ表面に、前記シリコンウェーハと前記シリコンゲルマニウムエピタキシャル層との格子定数差に起因する格子不整合を緩和するためのバッファ層を形成する工程と、
   前記バッファ層に分子イオンを注入する工程と、
   前記分子イオンの注入を経た前記バッファ層上に、Ｇｅ組成比をαとする前記シリコンゲルマニウムエピタキシャル層を形成する工程と、を含み、
   前記バッファ層は、Ｇｅ組成比をβとして前記Ｇｅ組成比αを超えないＳｉ_(1-β₎Ｇｅβ層（β≦α）であり、
   前記分子イオンは、炭素ならびに、水素、ヘリウム、シリコンおよびゲルマニウムからなる群より選択される１以上の元素から構成され、
   前記分子イオンを注入する工程において、前記バッファ層の表面から１００ｎｍ以下の範囲内に前記分子イオンを注入し、かつ、前記分子イオンの注入ドーズ量を１×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ²未満とすることを特徴とするシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
2. 前記分子イオンを注入する工程において、前記シリコンウェーハの温度を２５℃より低く保持した状態で行う、請求項１に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
3. 前記シリコンウェーハの温度を０℃以下に保持する、請求項２に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
4. 前記分子イオンを注入する工程に先立ち、前記バッファ層表面に酸化膜を形成する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
5. 前記分子イオンを注入する工程の後、熱処理を行う工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
6. 前記バッファ層は、シリコンゲルマニウムからなるエピタキシャル層である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
7. 前記バッファ層は、前記Ｇｅ組成比βを厚み方向に傾斜させたＳｉ_(1-β₎Ｇｅβ組成傾斜層（０＜β≦０．５）である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハの製造方法。
8. シリコンウェーハと、
   該シリコンウェーハ表面に設けられたＧｅ組成比をβとして前記Ｇｅ組成比αを超えないＳｉ _(1- β ₎ Ｇｅβ層（β≦α）からなるバッファ層と、
   前記バッファ層上に設けられたＧｅ組成比をαとするシリコンゲルマニウムエピタキシャル層と、を有し、
   前記バッファ層は、前記シリコンウェーハと前記シリコンゲルマニウムエピタキシャル層との格子定数差に起因する格子不整合を緩和する層であり、
   前記バッファ層に炭素の固溶領域が存在し、
   前記バッファ層の表面からの深さが１００ｎｍ以下の範囲内に、前記炭素の厚み方向の炭素濃度プロファイルのピークが位置し、
   前記シリコンゲルマニウムエピタキシャル層の貫通転位密度が４．１×１０ ⁵ 個／ｃｍ ² 以下であることを特徴とするシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ。
9. 前記シリコンゲルマニウムエピタキシャル層の貫通転位密度が２．３×１０ ⁵ 個／ｃｍ ² 以上である、請求項８に記載のシリコンゲルマニウムエピタキシャルウェーハ。
   
   
   

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