JP2007180285A - Ｓｇｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はＳＧＯＩ基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板上に歪み緩和ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法であって、（１）ＳＯＩ基板のＳｉ層上に、７６０トール未満の減圧ＣＶＤ装置を用いて、雰囲気ガスがＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４で、かつ成長温度が５５０〜９５０℃でＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、Ｇｅ濃度が１０〜３０％であり、表面平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍ、クロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設け、（２）前記歪みＳｉＧｅ層を有するＳＯＩ基板を９００〜１３５０℃、５０時間以内で熱処理して、Ｇｅ濃度を増大させ、ないしは増大させること無く、かつ歪みを緩和すること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＧＯＩ基板及びその製造方法に関する。

近年、ＣＭＯＳ回路の高性能化、高機能化を図るべく、歪みＳｉなどの高移動度のチャンネル材料が用いられてきた（特許文献１）。かかる歪みＳｉチャンネルを有するＭＯＳＦＥＴでＣＭＯＳを構成すれば、同じサイズのＳｉ−ＣＭＯＳよりも高速動作が期待できる。かかる歪みＳｉはより格子定数の大きな格子緩和ＳｉＧｅ基板上に形成され、基板面内方向に引っ張り歪みを有している。この歪みの影響でバンド構造が変化し、電子、正孔の移動度はいずれもＳｉに比べて大きくなる。

またシリコン基板の表面付近に埋め込み酸化層を配し、その上に単結晶シリコン層を形成させたＳＯＩ基板が知られている（特許文献２）。かかるＳＯＩ基板上に作製したＭＯＳ−ＬＳＩは、そのデバイス形成領域が、絶縁体である埋め込み酸下層を介することにより、基板本体と電気的に絶縁されることから放射線耐性やラッチアップ耐性の向上や、低消費電力動作、超高速動作などの優れた特性が実現できることが知られている。

そこで近年上のＳＯＩ基板のシリコン層にさらに歪みを持たせることでさらに高い性能を持たせる試みがなされている（特許文献３）。

ＳＯＩ基板のＳｉ層に歪みを持たせる方法としては、歪みＳｉ層と酸化層との間に良好な歪み緩和層を介在させるべく、一つの方法として、貫通転位密度が低く歪み緩和された、平滑な表面を有するＳｉＧｅ層を前記歪み緩和層としてエピタキシャル成長させることが必要である。しかしながらＳＯＩ基板上に従来方法によりＳｉＧｅ層をエピタキシャルすると、特にＧｅ濃度が１０％よりも高い場合エピタキシャル成長したＳｉＧｅ層の表面にいわゆるクロスハッチ状の凹凸模様の欠陥がしばしば発生することが知られている（特許文献４）。この欠陥は引き続くＧｅ濃縮工程や歪み緩和のための熱処理後にも残存し、ひいてはその上に好ましい歪みＳｉ層を形成することができないという問題があった。そのために従来はＧｅを１０％より低い濃度でエピタキシャル成長させる必要があり、その結果引き続くＧｅ濃縮工程や歪み緩和のための熱処理が長時間必要となるという問題があった。ここで本明細書においては絶縁膜上に歪み緩和されたＳｉＧｅ層が設けられた基板をＳＧＯＩ基板とする。
特開平９−８２９４４ 特開平１１−２２００１９ 特開２００２−２９９５９０ 特開２００３−１０９９０１

本発明は、表面平坦性の優れたＳＧＯＩ基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来のＳＧＯＩ基板製造方法に伴う問題を解決すべく鋭意研究した結果、ＳＯＩ基板にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させる条件を選択することにより、表面にクロスハッチ状模様の凹凸の欠陥がなく、しかも高い濃度のＧｅを含有し、かつ幅広い層厚を有するＳｉＧｅ層を得ることができること、さらに得られたＳｉＧｅ層を続く歪み緩和処理を行うことで、平坦性に優れた、高濃度のＧｅを有し、かつ広い層厚を有するＳＧＯＩ基板を製造することができることを見いだし本発明を完成した。

すなわち、本発明は、絶縁膜上に歪み緩和ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法であって、（１）ＳＯＩ基板のＳｉ層上に、７６０トール未満の減圧ＣＶＤ装置を用いて、雰囲気ガスがＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４で、かつ成長温度が５５０〜９５０℃でＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、Ｇｅ濃度が１０〜１５％であり、表面平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍ、クロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設け、（２）前記歪みＳｉＧｅ層を有するＳＯＩ基板を９００〜１３５０℃、５０時間以内で熱酸化処理して、Ｇｅ濃度を増大させ、かつ歪みを緩和すること、を特徴とする歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法に関する。

また本発明は、前記ＳｉＧｅ層の含有Ｇｅ組成比が１０〜１５％であり、かつ基板表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であることを特徴とするＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板に関する。

さらには、本発明は、絶縁膜上に歪みが緩和されたＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法であって、（１）ＳＯＩ基板のＳｉ層上に、７６０トール未満の減圧ＣＶＤ装置を用いて、雰囲気ガスがＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４で、かつ成長温度が５５０〜９５０℃でＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、Ｇｅ濃度が１５〜３０％であり、表面平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍ、クロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設け、（２）前記歪みＳｉＧｅ層を有するＳＯＩ基板を９００〜１３２５℃、５０時間以内で熱処理してＧｅ濃度を増大させることなく歪みを緩和するとともに、前記ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層をＳｉＧｅ層に置換することを特徴とする、歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法に関する。

また本発明は、前記ＳｉＧｅ層の含有Ｇｅ組成比が１５〜３０％であり、かつ基板表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であることを特徴とするＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板に関する。

また、本発明には、さらに得られたＳｉＧｅ層を続く歪み緩和処理を行うことで、平坦性に優れた、高濃度のＧｅを有し、かつ広い層厚を有するＳＧＯＩ基板が含まれる。

本発明の製造方法によれば、表面にクロスハッチ状模様の凹凸の欠陥がなく、しかも高い濃度のＧｅを含有し、かつ幅広い層厚を有するＳｉＧｅ層を有するＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板の製造が可能となる。また、本発明の製造方法によれば、さらに得られたＳｉＧｅ層を続く歪み緩和処理を行うことで、平坦性に優れた、高濃度のＧｅを有し、かつ広い層厚を有するＳＧＯＩ基板の製造が可能となる。

またかかるＳＧＯＩ基板の上にＳｉ層をエピタキシャル形成することで、歪みＳＯＩ基板の製造が可能となる。

以下、発明を実施するための実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明のＳＧＯＩ基板の製造方法の第１の実施の形態は図１に示されるように、基板Ｓｉ（２）、酸化層（３）、Ｓｉ層（４）からなるＳＯＩ基板（１）のシリコン層（４）の上にＳｉＧｅ層（５）をエピタキシャル成長させ、さらに成長した歪みＳｉＧｅ層を熱酸化処理してＳｉＧｅ層の歪みを緩和すると同時にＧｅ濃度を増加させ、緩和ＳｉＧｅ層（６）を酸化層（３）の上に形成させることを特徴とする。ここで得られたＳＧＯＩ基板はその最上部に酸化層（７）が形成されている。

かかる酸化層（７）は化学機械研磨方法等の通常公知の方法により除去することが可能であり、表面に望ましい厚みの緩和ＳｉＧｅ層を有するＳＧＯＩ基板とすることができ、かかる基板は本発明に含まれる。

本発明により得られたＳＧＯＩ基板は、さらに通常公知の方法でＳｉをエピタキシャル成長させることにより歪みＳＯＩ基板を得ることができ、かかる歪みＳＯＩ基板もまた本発明に含まれる。

ここで本発明において使用可能なＳＯＩ基板とは、典型的な例を図１（ａ）に示したが従来公知のいわゆるＳｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（シリコンオンインシュレータ）構造であってシリコン単結晶基板中に絶縁膜（シリコン酸化物）層が形成されている基板をすべて含む。特に本発明において使用可能なＳＯＩ基板においては、各層の厚さ、また酸化物層の構造の有無については何ら制限はない。具体的には基板Ｓｉ、酸化物層、表面Ｓｉ層の厚さはそれぞれ、７００μｍ程度、２０〜５００ｎｍ、５〜２００ｎｍの範囲が好ましい。

ここで本発明において使用可能なＳｉＧｅエピタキシャル成長方法とは、従来公知の方法によりシリコン上にＳｉＧｅエピタキシャル結晶を設ける方法であれば何ら制限はないし、該方法を実施するエピタキシャル装置についても何ら制限はない。本発明のエピタキシャル成長方法によれば、得られるＳｉＧｅエピタキシャル結晶は表面にいわゆるクロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層であることを特徴とする。

具体的に本発明において好ましく使用可能な雰囲気ガスはＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４混合ガスであり、望ましいＧｅ濃度、及びエピタキシャル層厚さを得るためにはこれら２種類のガスの比を他の条件とともに適宜変更することが可能である。

得られるＳｉＧｅエピタキシャル層のＳｉとＧｅとの比をＳｉ_{（１−ｘ）}Ｇｅ_ｘと表現すると、例えばｘ＝０．１とはＧｅが１０％存在することを意味する。ＳｉＧｅ中のＧｅ濃度（％）と、結晶格子定数（ｎｍ）との間には図３に示す関係があり、Ｇｅ濃度により結晶格子定数を大きく変えることができる。本発明により、エピタキシャル成長したＳｉＧｅ層表面にいわゆるクロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設けることができるＧｅ濃度は０〜３０％の範囲である。従って本発明により、図３からＧｅ濃度が０、２０％、３０％の場合、結晶格子はそれぞれ０．５４５、０．５４７、０．５４９ｎｍと大きく変化させることができることが分かる。

本発明の方法で得られるＳｉＧｅエピタキシャル層の厚さについては特に制限はない。具体的にはエピタキシャル成長条件を選択することにより０〜６００ｎｍの範囲の厚さを容易に得ることができる。

本発明において使用可能なエピタキシャル成長方法の使用圧力については特に制限はないが、好ましくはいわゆる減圧ＣＤＶ法として７６０トール以下の成長圧力で行うことが好ましい。特に３０〜１００トールの成長圧力が好ましい。圧力が７６０トールより高いとＳｉＧｅ層中に欠陥が多く発生し多結晶状となり好ましくなく、また３０トール以下であると成長速度が著しく低く好ましくない。

本発明において使用可能なエピタキシャル成長方法の成長温度についても特に制限はなく４５０〜１０００℃の通常の温度範囲で使用可能であるが、ＳｉＧｅ層の厚さ、ＳｉＧｅ中のＧｅ濃度の選択と関連して最適な成長温度を選択することが可能である。図４には、ＳｉＧｅエピタキシャル成長条件と、得られるＳｉＧｅ層表面のクロスハッチ状の周期的表面凹凸の発現の有無の関係を示した。図４に基づきクロスハッチ状の周期的表面凹凸がなく、かつ望ましいＳｉＧｅ層厚（０〜７００ｎｍ）、Ｇｅ濃度（０〜３０％）を有するＳｉＧｅ層を得る幅広いエピタキシャル条件を選択することが可能である。

ここでクロスハッチ状の周期的表面凹凸とは図５に示した通りの表面模様をいう。

本発明において使用可能なエピタキシャル成長方法の成長時間についても特に制限はなく、上で説明した条件を適用し、従来公知の測定方法によりその成長速度や、成長量をモニタすることで最適な時間を設定することができる。具体的には３０秒〜１０分間の範囲である。

ここで得られる歪みＳｉＧｅ層は、表面のクロスハッチ状の周期的表面凹凸の発現がなく、その表面の平坦性は例えばＲＭＳ値で評価すると１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍである。ＲＭＳ値については原子間力顕微鏡で測定評価することができる。

本発明の第１の実施形態においては、得られた歪みＳｉＧｅ層を有するＳＯＩ基板をさらに酸化的に熱処理してＳＧＯＩ基板とすることを特徴とする。

ここで本発明において使用可能な熱酸化処理条件については特に制限はなく、従来公知のいわゆるＧｅ濃縮条件であればよい。これは表面が酸化される反応に伴ってＳｉＧｅ層内のＧｅがその下にあるシリコン層内へ移動して濃縮されるというものである。本発明においては、酸素を含むアルゴン雰囲気下で９００〜１３５０℃で、５〜５０時間処理することで可能である。濃縮の程度がＳｉＧｅエピタキシャル層中のＧｅ濃度、ＳｉＧｅエピタキシャル層厚等により適宜選択することができる。かかる濃縮による場合Ｇｅ濃度ｘは１５〜３０％の範囲が好ましい。

本発明の場合Ｇｅ移動はＳｉＧｅ層の下の酸化物層で抑制され効率的にＳｉ層で濃縮されることとなる。

また本発明において当該酸化熱処理によりＳｉＧｅ層の歪みが緩和されることになるが、その処理後の表面の平坦性は維持されることが特徴である。これは酸化熱処理前の歪みＳｉＧｅ層の表面が平坦でありクロスハッチ状の周期的表面凹凸の発現がないことが原因である。

得られた歪み緩和ＳＧＯＩ基板は従来公知のＳｉエピタキシャル成長により歪みＳＯＩ基板を製造することができる。ここで得られる歪みＳＯＩ基板のＳｉの歪みは、上で説明した通りＳｉＧｅ層の格子定数を適宜選択することにより変化させることができる。

（第２の形態）
本発明のＳＧＯＩ基板の製造方法の第２の実施の形態は図２に示されるように、第１の実施の形態で説明したＳＯＩ基板（１）のシリコン層（４）の上にＳｉＧｅ層（５）をエピタキシャル成長させた歪みＳｉＧｅ層（５）を有するＳＯＩ基板を、熱処理してＳｉＧｅ層の歪みを緩和すると同時にＧｅを拡散させることで、緩和ＳｉＧｅ層（９）を酸化層（３）の上に形成させることを特徴とする。従って第２の実施の形態では、ＳＯＩ基板の上表面のＳｉ層がＳｉＧｅ層にと変化していることが特徴である。

ここで本発明において使用可能な熱処理とは、熱によりＳｉＧｅ層の歪みを緩和すると同時にＧｅを下のＳｉ層へと拡散させて緩和ＳｉＧｅ層とする方法であれば特に制限はない。この場合Ｇｅ拡散はＳｉＧｅ層の下の酸化物層で抑制され効率的にＳｉ層のみに拡散されることとなる。

本発明においては熱処理の温度は、９００〜１３２０℃、処理時間は１〜５０時間の範囲が好ましい。また、雰囲気としてはエピタキシャル成長後の初期のＧｅ濃度が該熱処理により増大しなければ特に制限はないが、具体的にはアルゴンや窒素またそれらと酸素の混合ガスが上げられる。

得られたＳＧＯＩ基板は、表面平坦性が優れており、かつ望ましいＧｅ濃度のＳｉＧｅ層でありかつ歪みが緩和されたＳＧＯＩ基板である。従ってかかるＳＧＯＩ基板は本発明に含まれる。またかかるＳＧＯＩ基板をそのまま、若しくは適当な研削方法により層厚を調整して使用することができる。具体的には得られた歪み緩和ＳＧＯＩ基板は従来公知のＳｉエピタキシャル成長により歪みＳＯＩ基板を製造することができる。ここで得られる歪みＳＯＩ基板のＳｉの歪みは、上で説明した通りＳｉＧｅ層の格子定数を適宜選択することにより変化させることができる。

以下本発明を実施例に基づいてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）態様１
★表面平坦性は原子間力顕微鏡で評価した。
★使用したＳＯＩ基板は酸素イオンをＳｉ基板へ注入して作製したＳＩＭＯＸ基板である。
★ＳｉＧｅエピタキシャル成長は次の種々の条件で行った。
装置：減圧ＣＶＤ炉
使用圧力：８０トール
雰囲気ガス：ＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４混合ガス
温度：７００℃
時間：５００秒
★熱酸化処理は次の種々の条件で行った。
装置：高温熱処理炉
使用圧力：７６０トール
雰囲気ガス：酸素／アルゴン混合ガス
温度：１３５０℃から９００℃まで、ＳｉＧｅ中のＧｅ濃度に依存して多段階の酸化処理
時間：３０時間
得られた基板の表面品質評価の結果を表１にまとめた。

（実施例２）態様２
★表面平坦性は原子間力顕微鏡で評価した。
★使用したＳＯＩ基板は酸素イオンをＳｉ基板へ注入して作製したＳＩＭＯＸ基板である。
★ＳｉＧｅエピタキシャル成長は次の種々の条件で行った。
装置：減圧ＣＶＤ炉
使用圧力：８０トール
雰囲気ガス：ＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４混合ガス
温度：７００℃
時間：５００秒
★熱処理は次の種々の条件で行った。
装置：高温熱処理炉
使用圧力：７６０トール
雰囲気ガス：酸素／アルゴン混合ガス
温度：１１５０℃
時間：２０時間
得られた基板の表面品質評価の結果を表２にまとめた。

図１は本発明の実施態様１を示す図である。 図２は本発明の実施態様２を示す図である。 図３はＳｉＧｅ中のＧｅ濃度と、結晶格子定数との関係を示す図である。 図４はクロスハッチ発生とＳｉＧｅ層中のＧｅ濃度、層厚の関係を示す図である。 図５は、ＳｉＧｅ基板表面の原子間力顕微鏡写真を示す図である。ここで（ａ）はクロスハッチ欠陥なし、（ｂ）はクロスハッチ欠陥ありを示す。

符号の説明

１ ＳＯＩ基板
２ 基板Ｓｉ
３ 酸化層
４ Ｓｉ層
５ ＳｉＧｅ層
６ 緩和ＳｉＧｅ層
７ 酸化層
８ 歪Ｓｉ層
９ 緩和ＳｉＧｅ層

Claims (5)

1. 絶縁膜上に歪み緩和ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法であって、
   （１）ＳＯＩ基板のＳｉ層上に、７６０トール未満の減圧ＣＶＤ装置を用いて、雰囲気ガスがＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４で、かつ成長温度が５５０〜９５０℃でＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、
   Ｇｅ濃度が１０〜１５％であるとともに、基板表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であり、表面平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍ、クロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設け、
   （２）前記歪みＳｉＧｅ層を有するＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板を９００〜１３５０℃、５０時間以内で熱酸化処理して、Ｇｅ濃度を増大させ、かつ歪みを緩和すること、
   を特徴とする歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法。
2. 前記ＳｉＧｅ層の含有Ｇｅ組成比が熱酸化処理前に１０〜１５％であり、かつ前記酸化熱処理前のＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板の表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法で作製されたＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板。
3. 絶縁膜上に歪みが緩和されたＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法であって、
   （１）ＳＯＩ基板のＳｉ層上に、７６０トール未満の減圧ＣＶＤ装置を用いて、雰囲気ガスがＳｉＨ_４／ＧｅＨ_４で、かつ成長温度が５５０〜９５０℃でＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させて、
   Ｇｅ濃度が１５〜３０％であるとともに、基板表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であり、表面平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍ、クロスハッチ状の周期的表面凹凸を有しない歪みＳｉＧｅ層を設け、
   （２）前記歪みＳｉＧｅ層を有するＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板を９００〜１３２５℃、５０時間以内で熱処理して初期Ｇｅ濃度を増大させることなく歪みを緩和するとともに、前記ＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層をＳｉＧｅ層に置換することを特徴とする、歪み緩和ＳＧＯＩ基板の製造方法。
4. 前記ＳｉＧｅ層の含有Ｇｅ組成比が熱処理前に１５〜３０％であり、かつ基板表面側から見たＳｉＧｅ層内の単位面積あたりのＧｅ含有量が３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以内であることを特徴とする、請求項３に記載の製造方法により作製されたＳｉＧｅ ｏｎ ＳＯＩ基板。
5. 前記請求項１又は３に記載の製造方法により作製されたＳｉＧｅ層の表面の平坦性が１００μｍ^２の観察領域でＲＭＳ値＜０．５ｎｍであるＳＧＯＩ基板。