JP4617820B2 - 半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁体上にSiGe層が形成された半導体ウェーハの製造方法に関するものである。
近年、高速の半導体デバイスの需要に応えるため、Si(シリコン)基板上にSiGe(シリコンゲルマニウム)層を介してエピタキシャル成長させたSi層をチャネル領域に用いた高速のMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor:酸化物金属半導体電解効果トランジスター)などの半導体デバイスが提案されている。
この場合、SiGe結晶はSi結晶に比べて格子定数が大きいため、SiGe層上にエピタキシャル成長させたSi層には引っ張り歪みが生じている(以下、このように歪みが生じているSi層を歪みSi層と呼ぶ)。その歪み応力によりSi結晶のエネルギーバンド構造が変化し、その結果エネルギーバンドの縮退が解けキャリア移動度の高いエネルギーバンドが形成される。従って、この歪みSi層をチャネル領域として用いたMOSFETは通常の1.3〜8倍程度という高速の動作特性を示す。
このような歪みSi層を形成する方法として、シリコン支持層上にBOX(Buried OXide)層等の絶縁層を形成し、その上にシリコン活性層(SOI層)を形成したSOI(Silicon On Insulator)ウェーハを用いる方法がある。この方法では、SOIウェーハ上にSiGe層をエピタキシャル成長させ、その後酸化熱処理によりSiGe層の表面に酸化膜を形成することで所望のGe濃度に濃縮(酸化濃縮)し、その上にSi層をエピタキシャル成長させて歪みSi層とする(例えば非特許文献1,2参照)。また、SOIウェーハ上にSiGe結晶層を形成し、さらにSi結晶層を形成したウェーハに酸化濃縮を行なう方法も開示されている(特許文献1参照)。このように絶縁膜上にSiGe層が形成されたウェーハを、SGOI(SiGe On Insulator)ウェーハと記述する場合がある。
一方、上記のようなエピタキシャル法を主体とする方法のほか、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハ上にSiGe層を形成し、その後酸化熱処理によりSiGe層の表面に酸化膜を形成して酸化濃縮を行ない、これとシリコン単結晶からなるベースウェーハとを酸化膜を介して貼り合わせることによって、SOI構造を有する貼り合わせSOIウェーハを作製し、その後ボンドウェーハを薄膜化して歪みSi層とする方法が開示されている(特許文献2参照)。この場合、ボンドウェーハの薄膜化は、イオン注入剥離法(スマートカット(登録商標)法とも呼ばれる)などにより行われる。イオン注入剥離法とは、ウェーハの表面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入してイオン注入層を形成し、その後の熱処理によりイオン注入層を劈開面(剥離面)としてウェーハを薄膜状に剥離する方法である。
しかし、これらの従来の方法で作製されたSGOIウェーハのSiGe層は、酸化濃縮を行なった後の表面にクロスハッチと呼ばれる筋状の凹凸が多数発生して表面粗れが起こり、また貫通転位等が発生し結晶性が悪化することがあった。
N.Sugiyama et al.,Extended Abstracts of the 2002 International Conference on Solid State Devices and Materials,Nagoya,2002,pp.146−147 T.Tezuka et al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.79,No.12,pp.1798−1800,17 September 2001 特開2000−243946号公報 特開2002−164520号公報
本発明は、格子緩和が十分に行なわれ、表面の面粗れが抑制され、かつ結晶性のよいSiGe層を有する半導体ウェーハの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的達成のため、本発明は、半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にSiGe層をエピタキシャル成長させ、該SiGe層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することにより前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して密着させて貼り合わせ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層のSi層を除去することによりSiGe層を露出させ、その後、該露出したSiGe層に対して、酸化性雰囲気下でGeを濃縮する熱処理及び/又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる熱処理を行なうことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法を提供する(請求項1)。
このように、ボンドウェーハの表面にSiGe層をエピタキシャル成長させた後イオン注入層をボンドウェーハ内部に形成し、ベースウェーハと貼り合わせ後に剥離すれば、これによりベースウェーハ側に移設する剥離層はSi層とSiGe層からなるものとなる。従って、SiGe層だけを移設する場合より剥離層の厚さを厚くできるので、剥離時の不良が発生しにくくなり、その後高温で熱処理してもボイドやブリスターの発生が抑制される。そして、剥離層のSi層を除去してからSiGe層のGeを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なえば、該熱処理時にはSi層とSiGe層との格子定数の異なる結晶の界面が存在しないこととなる。これにより、熱処理時に格子緩和が起こってもSiGe層にミスフィット転位が導入されないので、貫通転位の発生を抑制でき、またクロスハッチの発生による表面粗れを抑制できる。そして、SiGe層の表面とベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜などの絶縁膜を介して密着させて貼り合わせているので、SiGe層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、しかもこの界面は結晶の界面ではないので、SiGe層はミスフィット転位等の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
なお、以下では、このように酸化性雰囲気下でSiGe層のGeを濃縮する熱処理を酸化濃縮熱処理、また非酸化性雰囲気下でSiGe層を格子緩和させる熱処理を格子緩和熱処理と言う場合がある。なお、非酸化性ガスとしてはアルゴン、窒素、水素、あるいはこれらの混合ガス等を用いることができる。
また、本発明は、半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面に、Si層を介する複数のSiGe層をエピタキシャル成長させ、該複数のSiGe層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することにより前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記複数のSiGe層のうち最上層のSiGe層の表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して密着させて貼り合わせ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層のSi層及びSiGe層を除去することにより前記最上層のSiGe層を露出させ、その後、該露出したSiGe層に対して、酸化性雰囲気下で熱酸化してGeを濃縮する熱処理及び/又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる熱処理を行なうことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法を提供する(請求項2)。
このように、ボンドウェーハの表面にエピタキシャル成長させる層を、Si層を介する複数のSiGe層とすれば、移設する剥離層は複数のSi層とSiGe層からなるものとなり、剥離層の厚さをより厚くできるので、その後高温で熱処理してもボイドやブリスターの発生が抑制される。そして、剥離層のSi層及びSiGe層を除去して露出する最上層のSiGe層のGeを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なえば、該熱処理時にはSi層とSiGe層との格子定数の異なる結晶の界面が存在せず、格子緩和が起こってもSiGe層にミスフィット転位が導入されないので、貫通転位の発生を抑制でき、またクロスハッチの発生により表面粗れを抑制できる。また剥離層が複数のSi層及びSiGe層からなるので、これを除去する際には複数の除去工程を組み合わせて行うことで、露出させるSiGe層の表面をより滑らかにできる。そして、最上層のSiGe層の表面とベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜などの絶縁膜を介して密着させて貼り合わせているので、SiGe層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、しかもこの界面は結晶の界面ではないので、SiGe層はミスフィット転位等の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
この場合、前記Geを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なった後、前記露出したSiGe層の表面にSi単結晶層をエピタキシャル成長させることが好ましい(請求項3)。
上述のように、本発明によれば酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理を行なった後であっても、露出したSiGe層は貫通転位の発生が抑制され、また表面粗れも抑制されたものなので、この露出したSiGe層の表面にSi単結晶層をエピタキシャル成長させれば、良質で十分な歪みを有する歪みSi層を得ることができる。
また、前記イオン注入層での剥離の後、非酸化性雰囲気下800℃以下の温度で前記貼り合わせの強度を高める熱処理を行なうことが好ましい(請求項4)。
このように、非酸化性雰囲気下800℃以下の温度で貼り合わせの強度を高める熱処理を行なえば、ミスフィット転位が発生せずに貼り合わせ強度を高めることができるので、貼り合わせ不良によるボイドやブリスターの発生を防止できる。
また、前記Si層及び/又はSiGe層の除去を、研磨、エッチング、酸化性雰囲気下800℃以下の温度での熱酸化後の酸化膜除去のうち少なくとも一つにより行なうことができる(請求項5)。
このように、剥離層のSi層及び/又はSiGe層の除去を、研磨、エッチング、酸化性雰囲気下800℃以下の温度での熱酸化後の酸化膜除去で行なえば、露出させるSiGe層の表面を、良質な歪みSi層をエピタキシャル成長できるような滑らかなものとできる。そして、これらの異なる方法での除去工程を適宜組み合わせれば、露出させるSiGe層の表面をより滑らかなものとできる。
また、前記Geを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なう前に、前記露出したSiGe層の表面に酸化膜を形成することが好ましい(請求項6)。
このように、酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理を行なう前に、露出したSiGe層の表面に酸化膜を形成すれば、熱処理の際にSiGe層のGeが外方拡散するのを防止できる。
また、前記SiGe層のGe組成を20%以下とすることが好ましい(請求項7)。
このように、SiGe層のGe組成を20%以下とすれば、転位が十分に少ないSiGe層とすることができる。
また、前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面との密着に介する絶縁膜を前記ベースウェーハの表面に形成させることが好ましい(請求項8)。
このように、ベースウェーハの表面に形成された絶縁膜を介してベースウェーハとSiGe層の表面とを密着させて貼り合わせれば、SiGe層とベースウェーハとの貼り合わせ面にすべりが十分に発生しやすくなり、しかもこの界面は結晶界面ではないので、その後酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理がされたSiGe層は、ミスフィット転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
また、前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面との密着に介する絶縁膜を少なくとも前記SiGe層の表面に50nm以下の厚さで形成させることが好ましい(請求項9)。
このように、SiGe層の表面とベースウェーハの表面との密着に介する絶縁膜を少なくともSiGe層の表面に50nm以下の厚さで形成させれば、貼り合わせ面に発生するすべりは十分なものとなり、その後酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理がされたSiGe層は、ミスフィット転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
また、前記ベースウェーハとしてシリコン単結晶ウェーハまたは絶縁性ウェーハを用いることができる(請求項10)。
このようにベースウェーハがシリコン単結晶ウェーハであれば、熱酸化や気相成長法等により容易に絶縁膜を形成でき、その絶縁膜を介してSiGe層の表面と密着することができる。また、用途に応じて、石英、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の絶縁性のベースウェーハを用いてもよい。
また、前記Geを濃縮する熱処理の温度を900℃以上とすることが好ましい(請求項11)。
このように、SiGe層に行なう酸化濃縮熱処理の温度を900℃以上とすれば、Geの拡散速度が十分に速くなり、酸化膜とSiGe層との界面にGeが蓄積、析出するのを防止することができる。
本発明に従い、ボンドウェーハの表面にSiGe層をエピタキシャル成長させた後イオン注入層をボンドウェーハ内部に形成し、ベースウェーハと貼り合わせ後に剥離すれば、移設する剥離層の厚さを厚くできるので、剥離時の不良が発生しにくくなり、その後高温で熱処理してもボイドやブリスターの発生が抑制される。そして、剥離層のSi層を除去してからSiGe層のGeを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なえば、熱処理時に格子緩和が起こってもSiGe層にミスフィット転位が導入されないので、貫通転位の発生を抑制でき、またクロスハッチの発生による表面粗れを抑制できる。そして、SiGe層の表面とベースウェーハの表面とをシリコン酸化膜などの絶縁膜を介して密着させて貼り合わせているので、SiGe層とベースウェーハとの界面にすべりが発生しやすくなり、しかもこの界面は結晶の界面ではないので、SiGe層はミスフィット転位等の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
従って、その表面に良質で十分な歪みを有する歪みSi層をエピタキシャル成長させることができる。
以下、本発明について詳述する。前述のように、従来の方法で作製されたSGOIウェーハのSiGe層は、酸化濃縮を行なった後の表面にクロスハッチが多数発生して表面粗れが起こり、また貫通転位等が発生し結晶性が悪化することがあった。このようなSiGe層の上にSi層をエピタキシャル成長させても、結晶性の低い歪みSi層となっていた。
本発明者らは、このようにクロスハッチや貫通転位が発生するのは、従来のSGOIウェーハでは格子定数の異なるSiGe層とSi層との結晶性界面が存在することにより、酸化濃縮熱処理や格子緩和熱処理時にこの結晶性界面において格子緩和に伴うミスフィット転位が生じ、SiGe層に導入されることが原因であると考えた。このようにSiGe層にミスフィット転位が導入されて形成される貫通転位は、SiGe層上に形成した歪みSi層にデバイスを作製した際に電流のリークパスとなり、デバイスの動作の阻害要因となる。またミスフィット転位の導入によりSiGe層の表面にクロスハッチが発生して表面粗れが起こり、その上に形成する歪みSi層の結晶性は低いものとなる。
そして、このような問題を解決するためには、格子緩和が起こる酸化濃縮等の800℃より高い熱処理の際には結晶性界面が存在しないようにすればよいことを見出した。そして、SGOIウェーハを製造する際に、シリコン単結晶のボンドウェーハの表面にSiGe層をエピタキシャル成長させ、ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、SiGe層の表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して密着させて貼り合わせ、その後イオン注入層で剥離を行い、そして酸化濃縮熱処理又は格子緩和熱処理の前に剥離したSi層を除去すれば、該熱処理の際にはSiGe層とSi層との結晶性界面が存在しないこととなる。従って、この状態で酸化濃縮熱処理等の高温の熱処理を行なっても、結晶界面に起因するミスフィット転位が発生しなくなる。よって、表面粗さが抑制され、貫通転位密度が低減し、理想的なSiGe結晶が形成できる。
本発明者らは、上記のことに想到し、本発明を完成させた。
以下では、本発明の実施の形態について図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1(a)〜(i)は、本発明の第一の実施形態に従った半導体ウェーハの製造工程の一例を示す図である。
まず、図1(a)のように、気相成長法により、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハ1の表面にSiGe層2を10〜500nm程度の厚さでエピタキシャル成長させる。この時、Si単結晶との格子定数の差によりSiGe層2には格子歪み(圧縮歪み)が発生する。この場合、SiGe層2のGe組成を一定とすることもできるが、Ge組成が一定でない層、例えば、成長初期にGe組成を0%とし、表面に向けて漸次増加させた傾斜組成層として形成することもできる。なお、Ge組成を20%以下、好ましくは15%以下とすれば転位を十分に抑制できる。
気相成長は、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学蒸着)法やMBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシー)法などにより行うことができる。CVD法の場合は、例えば、原料ガスとしてSiH又はSiHClとGeHとの混合ガスを用いることができる。キャリアガスとしてはHが用いられる。成長条件としては、例えば温度400〜1,000℃、圧力100Torr(1.33×10Pa)以下とすればよい。
次に、図1(b)に示すように、前記SiGe層2を通して、水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を所定のドーズ量で注入してシリコン単結晶ウェーハ1の内部にイオン注入層3を形成する。この場合、イオン注入深さは注入エネルギーの大きさに依存するので、所望の注入深さになるように注入エネルギーを設定すればよい。
次に、図1(c)に示すように、SiGe層2の表面とベースウェーハ4の表面とを絶縁膜であるシリコン酸化膜5を介して室温にて密着させて貼り合わせる。ベースウェーハ4として、シリコン単結晶ウェーハや、石英、炭化珪素、アルミナ、ダイヤモンド等の絶縁性ウェーハを用いることができる。この際、室温での貼り合わせを行う前には、通常、貼り合わせ面を十分に清浄化する必要がある。例えば、NHOHとHの混合水溶液(SC−1:Standard Cleaning1)による洗浄を行なう場合は、Siに比べて洗浄時のエッチング作用により面荒れを起こしやすいSiGe層表面の面荒れを最小限に抑えるように洗浄条件を選ぶことが好ましい。この場合、シリコン酸化膜5はSiGe層2の表面とベースウェーハ4の表面のいずれか一方、あるいは両方に形成することができるが、ベースウェーハ4の表面のみに形成した場合、SiGe層2とシリコン酸化膜5との界面が貼り合わせ面となるため、その貼り合わせ面においてすべりが発生しやすく、後工程でSiGe層2を濃縮酸化熱処理及び/又は格子緩和熱処理する際に格子緩和が行なわれやすく、SiGe層2中のミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができる。また、シリコン酸化膜5をSiGe層2の表面に形成する場合は、その厚さが50nm以下であれば、貼り合わせ面に発生するすべりは十分なものとなり、その後熱処理されたSiGe層2は、ミスフィット転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
次に、図1(d)に示すように、例えば500℃程度の熱処理(剥離熱処理)を加えることによりイオン注入層3を劈開面として剥離する。これにより、SiGe層2とシリコン単結晶ウェーハ1の一部6が剥離層としてベースウェーハ側に移設される。本発明ではシリコン単結晶ウェーハ1の内部にイオン注入層3を形成するので、エピタキシャル成長させたSiGe層2は全部ベースウェーハ側に移設して利用することができる。また、SiGe層2と共にSi層6も移設するので、SiGe層2だけを移設する場合より剥離層の厚さを厚くできる。これにより剥離時の不良が発生しにくくなり、その後高温で熱処理してもボイドやブリスターの発生が抑制される。
なお、図1(c)に示すSiGe層2の表面とベースウェーハ4の表面とを密着させる工程の前処理として、両ウェーハの密着に供される面をプラズマ処理することにより密着強度を高めれば、密着後の剥離熱処理を行なうことなくイオン注入層3で機械的に剥離することも可能である。
また、図1(d)に示すイオン注入層3での剥離工程の後、非酸化性雰囲気下800℃以下の温度で貼り合わせの強度を高める熱処理を行なえば、ミスフィット転位が発生せずに貼り合わせ強度を高めることができるので、SiGe層に貫通転位や表面粗れが発生するのを抑制でき、また貼り合わせ不良によるボイドやブリスターの発生を防止できる。
次に、図1(e)に示すように、ベースウェーハ側に移設されたSi層6を除去する。
この除去を、研磨、エッチング、酸化性雰囲気下800℃以下の温度での熱酸化後の酸化膜除去のうち少なくとも一つにより行なえば、露出させるSiGe層の表面を、良質な歪みSi層をエピタキシャル成長できるような滑らかなものとできるので好ましい。特に研磨によれば、Si層6の表面に残留する剥離時に発生した面粗れを改善しながらSi層6を除去できるので好ましい。この研磨は、例えば従来のCMPを用いることができる。また、エッチングの場合は、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)をエッチング液として用いることができる。TMAH液によれば、Si層が除去されTMAH液がSiGe層に達したときにはTMAH液の選択性によりエッチングが停止する、すなわちエッチストップが起こる。このようなエッチストップ法により露出するSiGe層の表面は滑らかなものとなるので好ましい。また、800℃以下の熱酸化とその後の酸化膜除去によれば、低温の熱処理であるのでミスフィット転位が発生せず好ましい。熱酸化は酸化性雰囲気下、例えばウェット酸素100%の雰囲気下で行なうことができる。また酸化膜除去は例えば15%のHF水溶液にウェーハを浸漬することにより行なうことができる。そして、これらの異なる方法での除去工程を適宜組み合わせれば、露出するSiGe層の表面をより滑らかにできる。
次に、露出したSiGe層2に対して、酸化性雰囲気下でGeを濃縮する酸化濃縮熱処理又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる格子緩和熱処理を行なう。
酸化濃縮熱処理を行なう場合は、図1(f)に示すように、SiGe層2の表面を例えばドライ酸素雰囲気下で熱酸化し熱酸化膜7を形成する。SiGe層2の一部が熱酸化されると、Geは酸化膜中にはほとんど取り込まれないため、熱酸化された部分に存在したGeは熱酸化されていない部分に移動するので、Geが濃縮された濃縮SiGe層8が形成される。以上のようにSiGe層2を酸化することにより濃縮SiGe層8の中のGe組成が高められるので濃縮SiGe層8の中にはより強い格子歪み(圧縮歪み)が発生するが、本発明では酸化濃縮熱処理の際にはSi層6は除去されており、濃縮SiGe層8は酸化膜5、7に挟まれているので、その非結晶性の界面において濃縮SiGe層8の歪みを緩和させるようなすべりが発生し、濃縮SiGe層8の中のミスフィット転位の発生を抑制しつつ格子緩和が達成される。従って、面粗さが抑制され、貫通転位密度が低減し、理想的なSiGe層が形成できる。なお、このような貫通転位は、貼り合わせウェーハをセコ(Secco)エッチングすることによりセコ欠陥として確認できる。
なお、このときの熱酸化温度が900℃未満ではGeの拡散速度が遅いので、熱酸化膜7と濃縮SiGe層8の界面にGeが蓄積し、析出が発生しやすくなるため、熱酸化温度を900℃以上、好ましくは1000℃以上とすることが望ましい。また、酸化後に非酸化性雰囲気での熱処理を追加することによりGeを拡散させ、深さ方向でGe濃度が均一となる様にすることもできる。また、酸化濃縮熱処理は、SiGe層2の表面のダメージ層をわずかに研磨(タッチポリッシュ)した後に行なうことが好ましい。
一方、格子緩和熱処理を行なう場合は、図1(g)に示すように、まずSiGe層2の表面に酸化膜9を形成するのが好ましい。このようにすれば、格子緩和熱処理の際にSiGe層2のGeが表面から外方拡散するのを防止できる。酸化膜9は、CVD法で例えば400℃程度の温度で形成することができる。また、ウェット酸素100%雰囲気下で800℃程度の温度での熱酸化により形成してもよい。
次に、アルゴン等の非酸化性雰囲気下で例えば1200℃程度の温度で格子緩和熱処理を行なう。本発明では格子緩和熱処理の際にはSi層6は除去されており、SiGe層2は酸化膜5、9に挟まれているので、その非結晶性の界面においてSiGe層2の歪みを緩和するようなすべりが発生し、SiGe層2の中のミスフィット転位の発生を抑制しつつ格子緩和が達成される。従って、面粗さが抑制され、貫通転位密度が低減し、理想的なSiGe層が形成できる。
なお、酸化濃縮熱処理と格子緩和熱処理はいずれか一方を行なってもよいが、所望のGe組成と格子緩和を得るために両方行なってもよい。格子緩和の程度は、X線回折法を用いて格子緩和率を算出することにより評価できる。
次に、図1(h)に示すように、酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理を行なったSiGe層表面に形成された酸化膜7又は9を除去し、SiGe層2又は濃縮SiGe層8を露出させる。酸化膜の除去は、例えばウェーハを15%のHF水溶液に浸漬することで行なうことができる。
最後に、図1(i)に示すように、露出したSiGe層2又は濃縮SiGe層8の表面に気相成長法によりSi単結晶層10をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長はCVD法やMBE法などにより行うことができる。CVD法の場合は、例えば、原料ガスとしてSiH又はSiHClを用いることができる。成長条件としては、温度400〜1,000℃、圧力100Torr(1.33×10Pa)以下とすればよい。
このように形成されたSi単結晶層10は、その下層であるSiGe層2又は濃縮SiGe層8との格子定数の差異により、引っ張り歪みを内在する歪みSi層となる。貫通転位密度が低く表面粗れが抑制されるとともに十分に格子緩和された良質のSiGe層の上に形成されているので、十分に歪みを有する良質な歪みSi層となる。エピタキシャル成長するシリコン単結晶層10の厚さは、効果的な歪みとデバイス作製時の加工性及び品質とを確保するため、10〜50nm程度とするのが好ましい。
図2(a)〜(i)は、本発明の第二の実施形態に従った半導体ウェーハの製造工程の一例を示す図である。
まず、図2(a)のように、気相成長法により、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハ1’の表面にSiGe層2’a、Si層2’b、SiGe層2’cを10〜500nm程度の厚さで順次エピタキシャル成長させる。このようにエピタキシャル成長させるSiGe層のGe組成や厚さ、成長方法は、前述の図1(a)と同様なものとできる。またSi層2’bは、例えば厚さを50nmとできるが、厚さや成長方法等は特に限定されない。
次に、図2(b)に示すように、SiGe層2’a、Si層2’b、SiGe層2’cを通して、水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を所定のドーズ量で注入してシリコン単結晶ウェーハ1’の内部にイオン注入層3’を形成する。前述のように、イオン注入深さは注入エネルギーの大きさに依存するので、所望の注入深さになるように注入エネルギーを設定すればよい。
次に、図2(c)に示すように、最上層であるSiGe層2’cの表面とベースウェーハ4’の表面とを絶縁膜であるシリコン酸化膜5’を介して室温にて密着させて貼り合わせる。前述のように、SC−1による洗浄を行なう場合は、SiGe層表面の面荒れを最小限に抑えるように洗浄条件を選ぶことが好ましい。この場合も、シリコン酸化膜5’はSiGe層2’cの表面とベースウェーハ4’の表面のいずれか一方、あるいは両方に形成することができるが、ベースウェーハ4’の表面のみに形成した場合、後工程の熱処理において格子緩和が行なわれやすく、SiGe層2’a中のミスフィット転位の発生を効果的に抑制することができる。また、シリコン酸化膜5’をSiGe層2’cの表面に形成する場合は、その厚さが50nm以下であれば、その後熱処理されたSiGe層2’cはミスフィット転位の発生が抑制されつつ格子緩和が十分に行われたものとなる。
次に、図2(d)に示すように、例えば500℃程度の熱処理(剥離熱処理)を加えることによりイオン注入層3’を劈開面として剥離する。これにより、SiGe層2’a、Si層2’b、SiGe層2’cとシリコン単結晶ウェーハ1’の一部6’が剥離層としてベースウェーハ側に移設される。本発明ではSiGe層2’a、Si層2’b、SiGe層2’cと共にSi層6’も移設するので、前述の図1(d)の場合よりもさらに剥離層の厚さを厚くできる。これにより剥離時の不良がより発生しにくくなり、その後高温で熱処理してもボイドやブリスターの発生が抑制される。
なお、図2(c)に示すSiGe層2’cの表面とベースウェーハ4’の表面とを密着させる工程の前処理として、両ウェーハの密着に供される面をプラズマ処理することにより密着強度を高め、密着後の剥離熱処理を行なうことなくイオン注入層3’で機械的に剥離することも可能である。また、図2(d)に示すイオン注入層3’での剥離工程の後、非酸化性雰囲気下800℃以下の温度で貼り合わせの強度を高める熱処理を行なえば、ミスフィット転位が発生せずに貼り合わせ強度を高めることができるので、SiGe層に貫通転位や表面粗れが発生するのを抑制でき、また貼り合わせ不良によるボイドやブリスターの発生を防止できる。
次に、図2(e)に示すように、ベースウェーハ側に移設されたSiGe層2’a、Si層2’b、Si層6’を除去し、SiGe層2’cを露出させる。
この除去を、研磨、エッチング、酸化性雰囲気下800℃以下の温度での熱酸化後の酸化膜除去のうち少なくとも一つにより行なえば、露出させるSiGe層の表面を、良質な歪みSi層をエピタキシャル成長できるような滑らかなものとできるので好ましい。特に研磨によれば、Si層6’の表面に残留する剥離時に発生した面粗れを改善し、Si層6’を除去できるので好ましい。この研磨は、例えば従来のCMPを用いることができる。また、エッチングの場合は、Si層を除去する際にはTMAHをエッチング液として用いることができ、SiGe層を除去する際にはHF、HNO、CHCOOHの混酸水溶液を用いることができる。TMAH液によれば、Si層が除去されTMAH液がSiGe層に達したときにはTMAH液の選択性によりエッチストップが起こるし、上記混酸によれば、SiGe層が除去され混酸がSi層に達したときにエッチストップが起こる。このようにエッチストップを複数回繰り返すことにより露出するSiGe層の表面はより滑らかなものとなるので好ましい。また、800℃以下の熱酸化とその後の酸化膜除去によれば、低温の熱処理であるのでミスフィット転位が発生せず好ましい。熱酸化は酸化性雰囲気下、例えばウェット酸素100%の雰囲気下で行なうことができる。また酸化膜除去は例えば15%のHF水溶液にウェーハを浸漬することにより行なうことができる。そして、これらの異なる方法での除去工程を適宜組み合わせれば、露出するSiGe層の表面をより滑らかにできる。
次に、図2(f)又は(g)に示すように、露出したSiGe層2’cに対して、酸化性雰囲気下でGeを濃縮する酸化濃縮熱処理又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる格子緩和熱処理を行なう。これらの熱処理は、図1(f)又は(g)と同様に行なうことができる。
次に、図2(h)に示すように、酸化濃縮熱処理及び/又は格子緩和熱処理を行なったSiGe層表面に形成された酸化膜7’又は9’を除去し、SiGe層2’c又は濃縮SiGe層8’を露出させる。そして最後に、図2(i)に示すように、露出したSiGe層2’c又は濃縮SiGe層8’の表面に気相成長法によりSi単結晶層10’をエピタキシャル成長させる。これらの工程は図1(f)〜(i)と同様に行なうことができる。
このように形成されたSi単結晶層10’は、その下層であるSiGe層2’c又は濃縮SiGe層8’との格子定数の差異により、引っ張り歪みを内在する歪みSi層となる。貫通転位密度が低く表面粗れが抑制されるとともに十分に格子緩和された良質なSiGe層の上に形成されているので、十分に歪みを有する良質な歪みSi層となる。
以下、本発明の実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例1)
直径200mmのシリコン単結晶ウェーハの表面にCVD法によりSiGe層(Ge組成10%)を約120nmだけエピタキシャル成長させ、このSiGe層を通して水素イオン(H)を注入エネルギー20keV、ドーズ量5×1016atoms/cmの条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの内部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、SiGe層表面をSC−1洗浄液で洗浄し、この表面と、100nmの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハとを室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で500℃、30分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、SiGe層とシリコン単結晶ウェーハの一部(Si層)をベースウェーハ側に移設させた。次にウェット酸素雰囲気下800℃の温度でSi層を酸化し、ウェーハを15%のHF水溶液に浸漬して酸化膜を除去することにより、移設したSi層を除去した。こうして露出したSiGe層に対して、ドライ酸素100%雰囲気下1200℃の温度でSiGe層の一部を熱酸化することにより、Ge組成20%で厚さ約50nmの濃縮SiGe層を形成した。その後15%HF水溶液にウェーハを浸漬して熱酸化膜を除去し、濃縮SiGe層を露出させ、その表面にCVD法によりシリコン層を15nmの厚さだけエピタキシャル成長させた。
このようにして作製した半導体ウェーハを20枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約1個であった。また、表面をセコエッチングして結晶欠陥を観察したところ、セコ欠陥は少なく、ミスフィット転位の発生が抑制されており、クロスハッチもないことが確認された。尚、シリコン層をエピタキシャル成長させる前の濃縮SiGe層の格子緩和率はX線回折法により約70%であり、理論値に近い十分な値が得られていることがわかった。
(実施例2)
直径200mmのシリコン単結晶ウェーハの表面にCVD法によりSiGe層(Ge組成20%)約100nm、Si層約50nm、SiGe層(Ge組成20%)を約50nmを順次エピタキシャル成長させ、これらのエピタキシャル層を通して水素イオン(H)を注入エネルギー20keV、ドーズ量5×1016atoms/cmの条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの内部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、最上層のSiGe層表面をSC−1洗浄液で洗浄し、この表面と、100nmの熱酸化膜付きのシリコン単結晶ベースウェーハとを室温で密着させ、アルゴン雰囲気下で500℃、30分の剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、2つのSiGe層、その層間のSi層、そしてシリコン単結晶ウェーハの一部(Si層)をベースウェーハ側に移設させた。次にウェーハをTMAH液に浸漬してボンドウェーハの一部であったSi層を除去し、次にHF、HNO、CHCOOHの混酸に浸漬して100nmのSiGe層を除去した。次にウェット酸素雰囲気下800℃の温度で層間のSi層を酸化し、ウェーハを15%のHF水溶液に浸漬して酸化膜を除去することにより、層間のSi層を除去した。こうして露出した厚さ50nmのSiGe層の表面にCVD法により約20nmの酸化膜を形成した。その後、アルゴン雰囲気下1200℃の温度で露出したSiGe層の格子緩和熱処理を行なった。その後15%HF水溶液にウェーハを浸漬して酸化膜を除去し、SiGe層を露出させ、その表面にCVD法によりシリコン層を15nmの厚さだけエピタキシャル成長させた。
このようにして作製した半導体ウェーハを20枚用意し、表面を目視してボイド及びブリスターの発生数をカウントしたところ、一ウェーハあたりのボイド及びブリスターの発生数は約1個であった。また、表面をセコエッチングして結晶欠陥を観察したところ、セコ欠陥は少なく、ミスフィット転位の発生が抑制されており、クロスハッチもないことが確認された。尚、シリコン層をエピタキシャル成長させる前の濃縮SiGe層の格子緩和率はX線回折法により約65%であり、理論値に近い十分な値が得られていることがわかった。
(比較例)
実施例1と同様の方法で直径200mmのシリコン単結晶ウェーハの表面にSiGe層(Ge組成10%)を約120nmだけエピタキシャル成長させ、このSiGe層に対して、ドライ酸素100%雰囲気下1200℃の温度でSiGe層の一部を熱酸化することにより、Ge組成20%で厚さ約50nmの濃縮SiGe層を形成した。この段階で、濃縮SiGe層にはすでにクロスハッチが見られた。次に熱酸化膜及び濃縮SiGe層を通して水素イオン(H)を注入エネルギー20keV、ドーズ量5×1016atoms/cmの条件でイオン注入し、シリコン単結晶ウェーハの内部にイオン注入層を形成した。水素イオン注入後、熱酸化膜表面をSC−1洗浄液で洗浄し、この表面と、シリコン単結晶ベースウェーハとを室温で密着させ、剥離熱処理を行ってイオン注入層で剥離し、SiGe層とシリコン単結晶ウェーハの一部(Si層)をベースウェーハ側に移設させた。次に移設したSi層をTMAH液により除去し、濃縮SiGe層を露出させ、その表面にCVD法によりシリコン層を15nmの厚さだけエピタキシャル成長させた。
このように作製した貼り合わせウェーハの表面をセコエッチングして結晶欠陥を観察したところ、セコ欠陥は実施例1に比べてかなり多く、ミスフィット転位の発生が確認された。また、濃縮SiGe層の格子緩和率は約50%であり、実施例1に比べて格子緩和率が低いことがわかった。
すなわち、本発明に従って作製した半導体ウェーハは、ボイド及びブリスターの発生数が著しく少なく、またセコ欠陥も著しく少なく、本発明の効果が確認された。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
本発明の第一の実施形態に従った半導体ウェーハの製造工程の一例を示す図である。 本発明の第二の実施形態に従った半導体ウェーハの製造工程の一例を示す図である。
符号の説明
1、1’…シリコン単結晶ウェーハ、 2、2’a、2’c…SiGe層、
2’b…Si層、 3、3’…イオン注入層、
4、4’…ベースウェーハ、 5、5’…シリコン酸化膜、 6、6’…Si層、
7、7’…熱酸化膜、 8、8’…濃縮SiGe層、
9、9’…酸化膜、 10、10’…Si単結晶層。

Claims (11)

  1. 半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面にSiGe層をエピタキシャル成長させ、該SiGe層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することにより前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して密着させて貼り合わせ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層のSi層を除去することによりSiGe層を露出させ、その後、該露出したSiGe層に対して、酸化性雰囲気下でGeを濃縮する熱処理及び/又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる熱処理を行なうことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
  2. 半導体ウェーハの製造方法であって、少なくとも、ボンドウェーハとなるシリコン単結晶ウェーハの表面に、Si層を介する複数のSiGe層をエピタキシャル成長させ、該複数のSiGe層を通して水素イオンまたは希ガスイオンの少なくとも一種類を注入することにより前記ボンドウェーハ内部にイオン注入層を形成し、前記複数のSiGe層のうち最上層のSiGe層の表面とベースウェーハの表面とを絶縁膜を介して密着させて貼り合わせ、その後前記イオン注入層で剥離を行い、前記剥離によりベースウェーハ側に移設した剥離層のSi層及びSiGe層を除去することにより前記最上層のSiGe層を露出させ、その後、該露出したSiGe層に対して、酸化性雰囲気下で熱酸化してGeを濃縮する熱処理及び/又は非酸化性雰囲気下で格子歪みを緩和させる熱処理を行なうことを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
  3. 前記Geを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なった後、前記露出したSiGe層の表面にSi単結晶層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  4. 前記イオン注入層での剥離の後、非酸化性雰囲気下800℃以下の温度で前記貼り合わせの強度を高める熱処理を行なうことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  5. 前記Si層及び/又はSiGe層の除去を、研磨、エッチング、酸化性雰囲気下800℃以下の温度での熱酸化後の酸化膜除去のうち少なくとも一つにより行なうことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  6. 前記Geを濃縮する熱処理及び/又は格子歪みを緩和させる熱処理を行なう前に、前記露出したSiGe層の表面に酸化膜を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  7. 前記SiGe層のGe組成を20%以下とすることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  8. 前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面との密着に介する絶縁膜を前記ベースウェーハの表面に形成させることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  9. 前記SiGe層の表面とベースウェーハの表面との密着に介する絶縁膜を少なくとも前記SiGe層の表面に50nm以下の厚さで形成させることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  10. 前記ベースウェーハとしてシリコン単結晶ウェーハまたは絶縁性ウェーハを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  11. 前記Geを濃縮する熱処理の温度を900℃以上とすることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一項に記載の貼り合わせウェーハの製造方法。
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