(57)【要約】【課題】シリコン基板上のシリコンゲルマニウム膜における均一な歪み緩和をより確実に達成する。【解決手段】シリコン基板１と、このシリコン基板１上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜２とを備えたエピタキシャル成長用基板１０において、シリコン基板１とシリコンゲルマニウム膜２との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物３が設けられている。このネットワーク状構造物３を構成する９０°転位の転位線は短く途切れることなく長く連続的に伸びており、界面と平行な面内において９０°転位が周期的に配列している。このため、界面と平行な面内において９０°転位が均一に存在しており、シリコンゲルマニウム膜２の結晶格子の歪みがより確実に均一に緩和されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン含有基材と、該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材において、
前記シリコン含有基材と前記シリコンゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物が設けられていることを特徴とするエピタキシャル成長用基材。
【請求項２】
前記９０°転位の転位線の長さが０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成長用基材。
【請求項３】
前記シリコンゲルマニウム膜の膜厚が１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のエピタキシャル成長用基材。
【請求項４】
前記シリコンゲルマニウム膜の二乗平均表面粗さが１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載のエピタキシャル成長用基材。
【請求項５】
前記シリコンゲルマニウム膜は膜中にモザイク構造を含まないことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載のエピタキシャル成長用基材。
【請求項６】
シリコン含有基材と該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材の製造方法であって、
前記シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を層状に形成するＧｅ膜形成工程と、
前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を６００〜８００℃の低温域で熱処理する低温域熱処理工程と、
前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備え、
前記低温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成し、かつ、
前記高温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることにより両該原子同士を混合させて前記シリコンゲルマニウム膜を形成することを特徴とするエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項７】
前記シリコン含有基材上に形成された前記ゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成するＳｉ被膜形成工程をさらに備え、
前記高温域熱処理工程で、前記シリコン被膜と前記ゲルマニウム膜との間でもシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることを特徴とする請求項６記載のエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項８】
前記Ｇｅ膜形成工程で、前記ゲルマニウム膜の膜厚を１０〜５００ｎｍにすることを特徴とする請求項６又は７記載のエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項９】
シリコン含有基材と該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材の製造方法であって、
前記シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を層状に形成するＧｅ膜形成工程と、
前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備え、
前記高温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成するとともに、該シリコン含有基材と該ゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることにより両該原子同士を混合させて前記シリコンゲルマニウム膜を形成することを特徴とするエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項１０】
前記シリコン含有基材上に形成された前記ゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成するＳｉ被膜形成工程をさらに備え、
前記高温域熱処理工程で、前記シリコン被膜と前記ゲルマニウム膜との間でもシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることを特徴とする請求項９記載のエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項１１】
前記Ｇｅ膜形成工程で、前記ゲルマニウム膜の膜厚を１０〜５００ｎｍにすることを特徴とする請求項９又は１０記載のエピタキシャル成長用基材の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜５のいずれか一に記載されたエピタキシャル成長用基材と、
前記エピタキシャル成長用基材上に形成された、シリコン膜、ゲルマニウム膜及びシリコンゲルマニウム膜よりなる群から選ばれる一種とを備えていることを特徴とする多層膜構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエピタキシャル成長用基材及びその製造方法並びにこのエピタキシャル成長用基材を備えた多層膜構造体に関する。本発明に係るエピタキシャル成長用基材及び多層膜構造体は、例えば半導体素子、特にチャネル領域に歪みを導入した電界効果トランジスタ等の作製において好適に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体）型電界効果トランジスタ等の高速化を図るべく、チャネル領域を構成するシリコン膜の結晶格子に引っ張り歪みを導入することにより、チャネル領域でのキャリア移動度を向上させる研究が盛んに行われている。
【０００３】
シリコン膜に引っ張り歪みを与えて歪みシリコン膜とするには、シリコンよりも大きな格子定数をもつ下地層の上に化学的堆積又は物理的蒸着によってシリコン膜をエピタキシャル成長させる必要がある。この下地層としては、シリコン基板上に化学的堆積又は物理的蒸着によってエピタキシャル成長させて形成した、シリコンよりも大きな格子定数をもち、かつ、歪み緩和したシリコンゲルマニウム膜が通常用いられている。
【０００４】
シリコン（００１）基板上にシリコンゲルマニウム膜をエピタキシャル成長させると、格子不整合のためシリコンゲルマニウム膜内に歪みを内包して成長する。シリコンゲルマニウム膜の膜厚が増加するに連れてその歪みは大きくなり、臨界膜厚を越えるとシリコン基板とシリコンゲルマニウム膜との界面に転位が導入される。そして、この転位の導入により、シリコンゲルマニウム膜内の歪み緩和が達成される。このときに導入される転位は、｛１１１｝面の滑りによるダイヤモンド構造固有の６０°転位（転位の変位ベクトル（バーガスベクトル）と転位線とが６０°の角度をなす転位）である。
【０００５】
この６０°転位のバーガースベクトルは、基板平面に対して垂直方向及び水平方向の刃状転位成分と、螺旋転位成分とを有する。このため、６０°転位によって歪み緩和されたシリコンゲルマニウム膜の結晶格子は、基板平面に対して微小傾斜するとともに、基板平面と平行な面内において微小回転して、基板平面方向に不均一なモザイク構造となる。
【０００６】
このようなモザイク構造のシリコンゲルマニウム膜は、内部歪みが等方的かつ均一に緩和されていない。このため、このシリコンゲルマニウム膜上にシリコンチャネル層を形成してヘテロ接合電界効果トランジスタ構造を作製しようとしても、シリコンチャネル層に等方的かつ均一に引張歪みを付与することができず、シリコンチャネル層におけるエネルギーバンド構造変調が局所的に変化して、目的とする高いキャリア移動度を実現することができない。
【０００７】
そこで、転位制御層として機能しうる界面層をシリコン基板とシリコンゲルマニウム膜との間に形成することにより、シリコンゲルマニウム膜のシリコン基板側に９０°転位を導入する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
この９０°転位を導入する技術は、シリコン基板上にゲルマニウム層（又はＧａＡｓ層）を形成すれば、その界面に６０°転位ではなくて９０°転位が優先的に導入されることを利用するものである。すなわち、この技術では、シリコン基板上に形成したゲルマニウム（又はＧａＡｓ）界面層を転位制御層として機能させることにより、このゲルマニウム（又はＧａＡｓ）界面層上に形成されるシリコンゲルマニウム層のシリコン基板側に９０°転位を形成する。
【０００９】
具体的には、シリコン基板を２００℃に設定し、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：分子線エピタキシー）法等の成膜手法を用いることにより、シリコン基板上にまず５ｎｍのゲルマニウム界面層を形成する。次いで、シリコン基板を同温度に保持した状態で、同じくＭＢＥ法などの成膜手法を用いて、ゲルマニウム界面層上に５ｎｍのシリコンゲルマニウム中間層を形成する。なお、このシリコンゲルマニウム中間層は、後の熱処理に伴う平坦性の低下を抑制するためのものである。次いで、シリコン基板を４００℃に設定し、同じくＭＢＥ法などの成膜手法を用いることにより、シリコンゲルマニウム中間層上にシリコンゲルマニウム膜を形成する。こうしてシリコン基板上にまずゲルマニウム界面層を形成し、この界面層を転位制御層として機能させることにより、この界面層上に形成されたシリコンゲルマニウム膜の、シリコン基板側に９０°転位を形成するようにしている。
【００１０】
このようにしてシリコンゲルマニウム中に導入された９０°転位は、基板平面に対して垂直方向の刃状転位成分のみを有している。また、９０°転位のバーガースベクトルは転位線に対して常に直交するので、基板平面と平行な面内の回転成分を有しない。このため、９０°転位が導入されたシリコンゲルマニウム膜の結晶格子はもモザイク構造を呈することなく、等方的となる。
【特許文献１】特開２００４−１７２２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の９０°転位が導入されたシリコンゲルマニウム膜では、基板平面と平行な面内において９０°転位が周期的に配列されておらず、シリコンゲルマニウム膜の内部歪みが確実には均一に緩和されていないという欠点があった。
【００１２】
すなわち、上記従来のシリコンゲルマニウム膜では、９０°転位の転位線が短く途切れて、基板平面と平行な面内において短い転位線の９０°転位が多数分散した構造を呈しており、９０°転位が周期的に配列した構造となっていない。このため、シリコンゲルマニウム膜内において、９０°転位が存在せずに結晶格子の歪みが緩和されていない部位と、９０°転位が存在してこの９０°転位により結晶格子の歪みが緩和された部位とが混在しており、結晶格子の歪みが確実には均一に緩和されていない。なお、上記従来のシリコンゲルマニウム膜で、転位線が短く途切れてしまい９０°転位が周期的に配列しないのは、シリコン基板とゲルマニウム界面層との界面に導入される転位線の伸びはゲルマニウム界面層の膜厚及び処理温度の影響を受けるところ、ゲルマニウム界面層の膜厚が５ｎｍと薄いこと及び処理温度が４００℃と低いことの影響に因るものと考えられる。
【００１３】
シリコンゲルマニウム膜における歪み緩和が均一になされていないと、これを下地層としてエピタキシャル成長させて形成されるシリコン膜においても、結晶格子に均一に引っ張り歪みを付与することが困難となる。したがって、このシリコン膜を歪みシリコンチャネル層として利用したときに高いキャリア移動度を実現することが困難となる。
【００１４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、例えばシリコン基板上のシリコンゲルマニウム膜における均一な歪み緩和をより確実に達成することを解決すべき技術課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載されたエピタキシャル成長用基材は、シリコン含有基材と、該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材において、前記シリコン含有基材と前記シリコンゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物が設けられていることを特徴とするものである。
【００１６】
ここに、シリコン含有基材とは、単一のシリコン基材（必要に応じて又は不可避的に不純物元素を含んでいてもよい）よりなる単層構造のものの他、このシリコン基材上にＳｉＯ2 等の熱酸化膜よりなる絶縁層を形成し、さらにこの絶縁層の上にシリコン層を形成してなる多層構造のものも含む意味である。具体的には、シリコン含有基材として、単層構造のシリコン基板や、シリコン層／シリコン酸化膜層／シリコン基板の多層構造となるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等を用いることができる。
【００１７】
また、９０°転位とは、転位の変位ベクトル（バーガースベクトル）と転位線とが９０°の角度をなす転位を意味する。
【００１８】
また、ネットワーク状構造物とは、０．３μｍ（３００ｎｍ）程度以上の長さでそれぞれ連続的に縦横に伸びる９０°転位の転位線が略９０°の角度で交差して網目状に配列してなるものである。このネットワーク状構造物における隣り合う転位線同士の間隔は等間隔であることを要しない。
【００１９】
好適な態様において、前記９０°転位の転位線の長さが０．３μｍ以上である。
【００２０】
好適な態様において、前記シリコンゲルマニウム膜の膜厚が１０〜５００ｎｍである。
【００２１】
好適な態様において、前記シリコンゲルマニウム膜の二乗平均表面粗さが１ｎｍ以下である。
【００２２】
好適な態様において、前記シリコンゲルマニウム膜は膜中にモザイク構造を含まない。
【００２３】
ここに、モザイク構造とは、シリコン含有基材とシリコンゲルマニウム膜との界面に対して個々の微小結晶が別々の方向に傾斜しており、該界面と平行な面内において不均一な歪み緩和状態になっていることをいう。より具体的には、シリコンゲルマニウム膜が膜中にモザイク構造を含んでいると、後述する実施例で示すように、エックス線回折法による逆格子空間２次元マップにおいて、シリコンゲルマニウム膜のピーク形状が略水平方向に広がった楕円形状を呈する。これに対し、シリコンゲルマニウム膜が膜中にモザイク構造を含んでいないと、エックス線回折法による逆格子空間２次元マップにおいて、シリコンゲルマニウム膜のピーク形状が対称性の良い円形状（略真円形状）を呈する。
【００２４】
請求項６に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、シリコン含有基材と該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材の製造方法であって、前記シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を層状に形成するＧｅ膜形成工程と、前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を６００〜８００℃の低温域で熱処理する低温域熱処理工程と、前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備え、前記低温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成し、かつ、前記高温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることにより両該原子同士を混合させて前記シリコンゲルマニウム膜を形成することを特徴とするものである。
【００２５】
請求項９に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、シリコン含有基材と該シリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えたエピタキシャル成長用基材の製造方法であって、前記シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を層状に形成するＧｅ膜形成工程と、前記ゲルマニウム膜が形成された前記シリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備え、前記高温域熱処理工程で、前記シリコン含有基材と前記ゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成するとともに、該シリコン含有基材と該ゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることにより両該原子同士を混合させて前記シリコンゲルマニウム膜を形成することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項６又は９に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、好適な態様において、前記シリコン含有基材上に形成された前記ゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成するＳｉ被膜形成工程をさらに備え、前記高温域熱処理工程で、前記シリコン被膜と前記ゲルマニウム膜との間でもシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させる。
【００２７】
請求項６又は９に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、好適な態様において、前記Ｇｅ膜形成工程で、前記ゲルマニウム膜の膜厚を１０〜５００ｎｍにする。
【００２８】
請求項１２に記載された多層膜構造体は、請求項１〜５のいずれか一に記載されたエピタキシャル成長用基材と、前記エピタキシャル成長用基材上に形成された、シリコン膜、ゲルマニウム膜及びシリコンゲルマニウム膜よりなる群から選ばれる一種とを備えていることを特徴とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明に係るエピタキシャル成長用基材は、シリコン含有基材と、このシリコン含有基材上に層状に形成されたシリコンゲルマニウム膜とを備えている。そして、シリコン含有基材とシリコンゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物が設けられている。このネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線は短く途切れることなく長く連続的に伸びており、界面と平行な面内において９０°転位が周期的に配列している。このため、界面と平行な面内において９０°転位が均一に存在しており、シリコンゲルマニウム膜の結晶格子の歪みがより確実に均一に緩和されている。そして、このような９０°転位のネットワーク状構造物の形成により、シリコンゲルマニウム膜は膜中にモザイク構造を含まないものとなっている。
【００３０】
したがって、このシリコンゲルマニウム膜の上にエピタキシャル成長によりシリコン膜、ゲルマニウム膜又はシリコンゲルマニウム膜を形成して多層膜構造体とした場合、同シリコン膜、ゲルマニウム膜又はシリコンゲルマニウム膜の結晶格子に均一に引っ張り歪みを付与することができる。よって、この多層膜構造体を例えば電界効果トランジスタに適用して、前記シリコン膜、ゲルマニウム膜又はシリコンゲルマニウム膜を歪みシリコンチャネル層、歪みゲルマニウムチャネル層又は歪みシリコンゲルマニウムチャネル層として利用する場合には、この歪みチャネル層において高いキャリア移動度を実現することが可能となる。
【００３１】
すなわち、本発明に係るエピタキシャル成長用基材と、このエピタキシャル成長用基材上に形成されたシリコン膜、ゲルマニウム膜及びシリコンゲルマニウム膜からなる群より選ばれる一種とを備えた請求項１２に記載された多層膜構造体は、例えば電界効果トランジスタに適用して、前記シリコン膜、ゲルマニウム膜又はシリコンゲルマニウム膜を歪みシリコンチャネル層、歪みゲルマニウムチャネル層又は歪みシリコンゲルマニウムチャネル層として利用することにより、この歪みチャネル層において高いキャリア移動度を実現することが可能となる。
【００３２】
ここに、上記９０°転位の転位線の長さは０．３μｍ（３００ｎｍ）以上であることが好ましい。９０°転位の転位線が０．３μｍよりも短いと、ネットワーク状構造物を形成することが困難になる。そして、この９０°転位の転位線は長ければ長いほど好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、１００μｍ以上であることが特に好ましい。本発明に係るエピタキシャル成長用基材や本発明に係る多層膜構造体を利用して集積回路を構成する場合は、その集積回路の略全体（より好ましくは端から端まで）に及んで９０°転位の転位線が連続的に伸びていることが好ましい。なお、通常の集積回路のチップサイズが１０〜３０ｍｍ程度であることに鑑みれば、９０°転位の転位線の長さの上限は５０ｍｍ程度とすることができる。また、この９０°転位の転位線はシリコン含有基材の略全体（より好ましくは端から端まで）に及んで連続的に伸びており、ネットワーク状構造物はシリコン含有基材の略全体に及んで形成されていることが好ましい。ネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線がシリコン含有基材の略全体に及んで連続的に伸びて、同ネットワーク状構造物がシリコン含有基材の略全体に及んで形成されていれば、シリコンゲルマニウム膜の歪み緩和をより確実に膜全体で等方的かつ均一なものとすることができる。
【００３３】
さらに、前記ネットワーク状構造物は、０．３μｍ以上（より好ましくは１０μｍ以上、特に好ましくは１００μｍ以上）の長さで連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されて、０．３μｍ以上（より好ましくは１０μｍ以上、特に好ましくは１００μｍ以上）の長さ範囲に渡って９０°転位が周期的に配列した構造となっていることが好ましい。
【００３４】
また、上記シリコンゲルマニウム膜の膜厚は１０〜５００ｎｍであることが好ましく、２０〜１００ｎｍであることが特に好ましい。シリコンゲルマニウム膜の膜厚が厚すぎると、成膜に多くのエネルギや時間を要し、コスト面でも不利となる。一方、シリコンゲルマニウム膜の膜厚が薄すぎると、上記９０°転位の転位線が短く途切れるようになり、９０°転位のネットワーク状構造物を形成することが困難となる。また、シリコンゲルマニウム膜をナノオーダーに薄膜化すれば、このエピタキシャル成長用基材を例えば電界効果トランジスタに利用する場合に、同電界効果トランジスタの薄膜化に貢献しうる。
【００３５】
さらに、上記シリコンゲルマニウム膜の二乗平均表面粗さが５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以下であることが特に好ましい。シリコンゲルマニウム膜の表面粗さは、例えばこのシリコンゲルマニウム膜上にシリコン膜等をエピタキシャル成長させる場合に該シリコン膜等の結晶性に影響を与えるところ、シリコンゲルマニウム膜の二乗平均表面粗さを小さくすれば、該シリコン膜等中のキャリア移動度がラフネスによって低下するのを抑制することができる。なお、このシリコンゲルマニウム膜の表面粗さは、後述するように、８００〜１３００℃の高温域で熱処理する前におけるゲルマニウム膜及びシリコン被膜の形成方法を変えることにより、調整することができる。
【００３６】
加えて、上記シリコンゲルマニウム膜においては、シリコンとゲルマニウムとの組成比がＳｉ：Ｇｅ＝８：２〜２：８であることが好ましく、７：３〜６：４であることが特に好ましい。シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、シリコンゲルマニウム膜の歪み緩和に必要な転位線の数や転位線の間隔と関係があり、ゲルマニウム組成比が低下すれば、それに伴い歪み緩和に必要な転位線の数が減少して、転位線の間隔が広くなる。
【００３７】
なお、シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、後述するように、ゲルマニウム膜上に形成するシリコン被膜の有無やその膜厚を変えたり、８００〜１３００℃の高温域で熱処理する際の加熱温度や加熱時間を変えたりすることにより、適宜設定することができる。
【００３８】
また、ネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線の平均間隔としては、１０〜４５ｎｍとすることが好ましく、２５〜３５ｎｍとすることが特に好ましい。ネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線の間隔が狭すぎると、シリコン含有基材との結晶定数差が大きくなりすぎ、その結果期待しない貫通転位が増加してしまう。一方、転位線の間隔が広すぎる状態は、シリコンゲルマニウム膜の歪みが十分に緩和されていない状態、あるいはシリコンゲルマニウム膜のゲルマニウム組成が低い状態に対応しており、本発明の目的上好ましくない。
【００３９】
本発明に係るエピタキシャル成長用基材は、請求項６乃至８に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法又は請求項９乃至１１に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法により製造することができる。
【００４０】
請求項６記載のエピタキシャル成長用基材の製造方法は、Ｇｅ膜形成工程と、ゲルマニウム膜が形成されたシリコン含有基材を６００〜８００℃の低温域で熱処理する低温域熱処理工程と、ゲルマニウム膜が形成されたシリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備えている。
【００４１】
上記Ｇｅ膜形成工程では、シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を層状に形成する。このとき、前述のとおりゲルマニウム膜の膜厚を１０〜５００ｎｍにすることが好ましい。ゲルマニウム膜の形成方法としては特に限定されず、シリコン含有基材を２００〜４００℃の所定温度に設定し、ＭＢＥ法などの公知の成膜手法を用いることにより、シリコン含有基材上にゲルマニウム膜を形成することができる。
【００４２】
上記低温域熱処理工程では、ゲルマニウム膜が形成されたシリコン含有基材を６００〜８００℃の低温域で熱処理することにより、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成する。
【００４３】
上記低温域熱処理工程における加熱温度が６００℃未満になると、９０°転位の転位線が短く途切れ易くなり、連続的に伸びた９０°転位の転位線によるネットワーク状構造物を形成することが困難又は不可能となる。このため、低温域熱処理工程における加熱温度は７００℃以上とすることが好ましい。なお、この低温域熱処理工程における加熱温度が８００℃を越えると、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子の相互拡散が起こり、請求項８に記載の製造方法との差別化を図れなくなる。また、この低温域熱処理工程における加熱時間は１〜１０分程度とすることができる。
【００４４】
上記高温域熱処理工程では、ゲルマニウム膜が形成されたシリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理することにより、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互に固相拡散させることにより両原子同士を混合させて、歪み緩和したシリコンゲルマニウム膜を形成する。
【００４５】
上記高温域熱処理工程における加熱温度が８００℃未満になると、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を十分に相互拡散させることが困難となり、両原子同士が十分に混合しなくなる。このため、シリコンゲルマニウム層を形成することが困難又は不可能となる。一方、高温域熱処理工程における加熱温度が１３００℃を越えると、シリコンゲルマニウム膜の融点に近くなるため、前記ネットワーク状構造物が崩壊してしまう。したがって、この高温域熱処理工程における加熱温度は１０００〜１２００℃とすることが好ましく、１１００〜１２００℃とすることが特に好ましい。なお、この高温熱処理工程における加熱時間は１〜３００分程度とすることができる。
【００４６】
また、上記高温域熱処理工程における熱処理条件の制御によって、シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比、及びネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線の周期間隔を任意に制御することができる。例えば、熱処理温度を上昇させれば、シリコン含有基材からゲルマニウム膜へのシリコンの固相拡散を促進させて、シリコンゲルマニウム膜におけるゲルマニウム組成を低下させることができ、またこのゲルマニウム組成の低下に応じて、歪み緩和に必要な転位線の数を減少させて転位線のネットワーク状構造物を構成する転位線の周期間隔を広げることができる。
【００４７】
なお、上記高温域熱処理工程で高温域の熱処理をしても、上記低温域熱処理工程で形成された上記９０°転位のネットワーク状構造物はそのまま維持される。
【００４８】
一方、請求項９に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、請求項６記載の製造方法と同様のＧｅ膜形成工程と、ゲルマニウム膜が形成されたシリコン含有基材を８００〜１３００℃の高温域で熱処理する高温域熱処理工程とを備えている。
【００４９】
すなわち、このエピタキシャル成長用基材の製造方法は、請求項６に記載された製造方法における上記低温域熱処理工程を省き、上記高温域熱処理工程のみで熱処理することにより、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との界面近傍に、連続的に伸びる９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物を形成するとともに、該シリコン含有基材と該ゲルマニウム膜との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互に固相拡散させることにより両該原子同士を混合させて、歪み緩和したシリコンゲルマニウム膜を形成する。
【００５０】
したがって、請求項９に記載の製造方法によれば、請求項６に記載の製造方法と比べて、加熱工程を一つ省くことにより、製造時間の短縮化及び低コスト化を図ることができる。
【００５１】
請求項９に記載の製造方法における上記高温域熱処理工程の加熱温度は、請求項６に記載の製造方法における上記高温域熱処理工程と同様、１０００〜１２００℃とすることが好ましく、１１００〜１２００℃とすることが特に好ましい。また、加熱時間も、請求項６に記載の製造方法における上記高温域熱処理工程と同様、１〜３００分程度とすることができる。
【００５２】
さらに、請求項６に記載の製造方法における上記高温域熱処理工程と同様、請求項９に記載の製造方法における上記高温域熱処理工程の熱処理条件を制御することによって、シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比、及びネットワーク状構造物を構成する９０°転位の転位線の周期間隔を任意に制御することができる。
【００５３】
ここに、請求項６又は９に記載されたエピタキシャル成長用基材の製造方法は、シリコン含有基材上に形成されたゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成するＳｉ被膜形成工程をさらに備え、かつ、前記高温域熱処理工程で、シリコン被膜とゲルマニウム膜との間でもシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることが好ましい。シリコン含有基材上に形成されたゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成し、高温域熱処理工程で、シリコン被膜とゲルマニウム膜との間でもシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互拡散させることにより、ゲルマニウム膜へのシリコン原子の固相拡散が促進され、シリコンゲルマニウム膜におけるゲルマニウム組成比を大きく、かつ、速やかに低下させることができる。また、シリコンゲルマニウム膜の表面平坦性を向上させる上でも有利となる。
【００５４】
上記Ｓｉ被膜形成工程では、シリコン含有基材上に形成されたゲルマニウム膜上にさらにシリコン被膜を層状に形成する。このとき、シリコン被膜の膜厚を１〜５０ｎｍとすることが好ましく、５〜２０ｎｍとすることが特に好ましい。シリコン被膜の膜厚が厚すぎると、成膜に多くのエネルギや時間を要し、コスト面でも不利となる。一方、シリコン被膜の膜厚が薄すぎると、平坦性改善の効果が小さくなってしまう。
【００５５】
また、このシリコン被膜の形成方法としては特に限定されず、シリコン含有基材を６００℃以下の所定温度に設定し、ＭＢＥ法などの公知の成膜手法を用いることにより、シリコン含有基材上に形成されたゲルマニウム膜上にシリコン被膜を形成することができる。なお、室温でアモルファス状のシリコン層を成長させてシリコン被膜とすることもできる。
【００５６】
そして、このＳｉ被膜形成工程は、請求項６記載の製造方法においては、上記低温域加熱工程を実施して、シリコン含有基材とゲルマニウム膜との界面近傍に９０°転位のネットワーク構造物を形成した後に、実施することが好ましい。こうすることで、膜構造の均質性を向上させることができる。
【実施例】
【００５７】
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５８】
［第１実施例］
（実施例１−１）
図１の模式構成図に示される本実施例の多層膜構造体は、エピタキシャル成長用基材１０と、このエピタキシャル成長用基材１０上に形成されたシリコン膜２０とから構成されている。また、このエピタキシャル成長用基材１０は、シリコン含有基材としてのシリコン基板１と、このシリコン基板１上に形成された膜厚７０ｎｍのシリコンゲルマニウム膜２とから構成されている。そして、シリコン基板１とシリコンゲルマニウム膜２との界面には、９０°転位の転位線により構成されたネットワーク状構造物３が設けられている。なお、このシリコンゲルマニウム膜２におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、Ｓｉ：Ｇｅ＝７：３である。
【００５９】
この多層膜構造体は、図２に模式的に示される製造方法により、以下のようにして製造した。
【００６０】
＜Ｇｅ膜形成工程＞
シリコン（００１）基板１を準備し、このシリコン基板１の温度を２００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、シリコン基板１上に膜厚３５ｎｍのゲルマニウム膜４を形成した（図２（ａ）参照）。
【００６１】
＜低温域熱処理工程＞
次いで、シリコン基板１を７００℃で１０分間保持して低温域で熱処理し、これによりシリコン基板１とゲルマニウム膜４との界面に９０°転位のネットワーク状構造物３を形成して、ゲルマニウム膜４を歪み緩和させた（図２（ｂ）参照）。
【００６２】
＜Ｓｉ被膜形成工程＞
さらに、シリコン基板１を３００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、ゲルマニウム膜４上に膜厚１７ｎｍのシリコン被膜５を形成して多層体とした（図２（ｃ）参照）。
【００６３】
＜高温域熱処理工程＞
最後に、上記多層体を９５０℃の高温域で２分間熱処理し、ゲルマニウム膜４とシリコン基板１及びシリコン被膜５との間で、シリコン原子及びゲルマニウム原子を相互に固相拡散させて、歪み緩和したシリコンゲルマニウム膜２を形成した（図２（ｄ）参照）。
【００６４】
なお、この高温域熱処理工程後においても、低温域熱処理工程で形成した９０°転位のネットワーク状構造物は前記界面に形成されたままであった。
【００６５】
こうしてエピタキシャル成長用基材１０を完成した。そして、このエピタキシャル成長用基材１０を６００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、エピタキシャル成長用基材１０上にシリコン膜２０を形成して、多層膜構造体を完成した。
【００６６】
（実施例１−２）
前記実施例１−１における高温域熱処理工程で、加熱温度を１０００℃に変更すること以外は、前記実施例１−１と同様である。
【００６７】
（実施例１−３）
前記実施例１−１における高温域熱処理工程で、加熱温度を１１００℃に変更すること以外は、前記実施例１−１と同様である。
【００６８】
［第２実施例］
（実施例２−１）
本実施例の多層膜構造体は、Ｓｉ被膜形成工程で、室温にて、ＭＢＥ法を用いてアモルファス状のシリコン層を成長させることにより、ゲルマニウム膜４上に膜厚１７ｎｍのアモルファス状のシリコン被膜５を形成すること以外は、前記実施例１−１と同様の方法により製造したもので、前記実施例１−１と同様の構成である。
【００６９】
（実施例２−２）
本実施例の多層膜構造体は、Ｓｉ被膜形成工程で、室温にて、ＭＢＥ法を用いてアモルファス状のシリコン層をゲルマニウム膜４上に成長させることにより、ゲルマニウム膜４上に膜厚１７ｎｍのアモルファス状のシリコン被膜５を形成すること以外は、前記実施例１−２と同様の方法により製造したもので、前記実施例１−２と同様の構成である。
【００７０】
（実施例２−３）
本実施例の多層膜構造体は、Ｓｉ被膜形成工程で、室温にて、ＭＢＥ法を用いてアモルファス状のシリコン層をゲルマニウム膜４上に成長させることにより、ゲルマニウム膜４上に膜厚１７ｎｍのアモルファス状のシリコン被膜５を形成すること以外は、前記実施例１−３と同様の方法により製造したもので、前記実施例１−３と同様の構成である。
【００７１】
［第３実施例］
（実施例３−１）
本実施例の多層膜構造体は、基本的には前記実施例１−１と同様の構成である。
【００７２】
この多層膜構造体は、図３に模式的に示される製造方法により、以下のようにして製造した。
【００７３】
＜Ｇｅ膜形成工程＞
前記実施例１−１と同様のシリコン（００１）基板１を準備し、このシリコン基板１の温度を２００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、シリコン基板１上に膜厚３５ｎｍのゲルマニウム膜４を形成した（図３（ａ）参照）。
【００７４】
＜Ｓｉ被膜形成工程＞
次いで、室温にて、ＭＢＥ法を用いてアモルファス状のシリコン層をゲルマニウム膜４上に成長させることにより、ゲルマニウム膜４上に膜厚１７ｎｍのアモルファス状のシリコン被膜５を形成して、多層体とした（図３（ｂ）参照）。
【００７５】
＜高温域熱処理工程＞
最後に、上記多層体を９５０℃の高温域で２分間熱処理し、これによりシリコン基板１とゲルマニウム膜４との界面に９０°転位のネットワーク状構造物３を形成すると同時に、シリコン基板１及びシリコン被膜５とゲルマニウム膜４との間でシリコン原子及びゲルマニウム原子を相互に固相拡散させて、歪み緩和したシリコンゲルマニウム膜（シリコンゲルマニウム混晶膜）２をシリコン基板１上に形成した（図３（ｃ）参照）。
【００７６】
こうしてエピタキシャル成長用基材１０を完成した。そして、前記実施例１−１と同様の方法により、エピタキシャル成長用基材１０上にシリコン膜２０を形成して、多層膜構造体を完成した。
【００７７】
（実施例３−２）
前記実施例３−１における高温域熱処理工程で、加熱温度を１０００℃に変更すること以外は、前記実施例３−１と同様である。
【００７８】
（実施例３−３）
前記実施例３−１における高温域熱処理工程で、加熱温度を１１００℃に変更すること以外は、前記実施例３−１と同様である。
【００７９】
（比較例１）
＜第１ＳｉＧｅ膜形成工程＞
前記実施例１−１と同様のシリコン（００１）基板を準備し、このシリコン基板の温度を４００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、シリコン基板上に膜厚２５ｎｍの第１シリコンゲルマニウム膜を形成した。なお、この第１シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、Ｓｉ：Ｇｅ＝７：３とした。
【００８０】
＜Ｓｉ被膜形成工程＞
次いで、シリコン基板の温度を４００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてシリコン層をエピタキシャル成長させることにより、第１シリコンゲルマニウム膜上に膜厚５ｎｍのシリコン被膜を形成した。
【００８１】
＜低温域熱処理工程＞
さらに、シリコン基板を６００℃で５分間保持して低温域で熱処理し、これによりシリコン基板と第１シリコンゲルマニウム膜との界面に６０°転位のネットワーク状構造物を形成して、第１シリコンゲルマニウム膜を歪み緩和させた。
【００８２】
＜第２ＳｉＧｅ膜形成工程＞
最後に、シリコン基板を６００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、シリコン被膜上に膜厚１００ｎｍの第２シリコンゲルマニウム膜を形成した。なお、この第２シリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、Ｓｉ：Ｇｅ＝７：３とした。
【００８３】
こうしてエピタキシャル成長用基材を完成した。
【００８４】
（評価）
＜平面透過電子顕微鏡像による評価＞
高温域熱処理工程の加熱温度を１０００℃とした前記第３実施例の実施例３−２において、得られたエピタキシャル成長用基材１０の平面透過電子顕微鏡像を図４（ａ）に示す。
【００８５】
同様に、高温域熱処理工程の加熱温度を１１００℃とした前記第３実施例の実施例３−３において、得られたエピタキシャル成長用基材１０の平面透過電子顕微鏡像を図４（ｂ）に示す。
【００８６】
なお、これらの図において、縦横に見える線が、シリコン基板１とシリコンゲルマニウム２との界面近傍に形成された９０°転位の転位線に対応している。
【００８７】
図４（ａ）及び（ｂ）より、９０°転位の転位線が短く途切れることなく、およそ５００ｎｍ以上に渡って連続して観察領域全体に伸び、かつこれらの転位線の集合で網目状の周期構造たるネットワーク状構造物３を形成していることがわかる。そして、このネットワーク状構造物３は、５００ｎｍ以上の長さ範囲に渡って９０°転位が周期的に配列した構造となっていることがわかる。
【００８８】
また、高温域熱処理工程における熱処理温度の上昇とともに転位線の間隔が広くなっていることがわかる。具体的には、高温域熱処理工程における熱処理温度が１０００℃のときは、９０°転位の転位線の平均的な間隔が約１５ｎｍであったのに対し（図４（ａ）参照）、高温域熱処理工程における熱処理温度が１１００℃のときは、９０°転位の転位線の平均的な間隔が約３５ｎｍであった（図４（ｂ）参照）。これは熱処理温度の上昇に伴って、シリコンの固相拡散が促進された結果、よりゲルマニウム組成の低いシリコンゲルマニウム膜２が形成されていることに対応している。シリコンゲルマニウム膜２のゲルマニウム組成の低下に応じて、歪み緩和に必要な転位線の数は減少する。そして、高温の熱処理によって、個々の転位の垂直及び水平方向への移動が促進され、シリコンゲルマニウム膜２に生じる歪みを緩和するように、転位配置の再構成が行われる。その際には、シリコン基板１の垂直方向への転位の重複も生じる。図４（ｂ）に見られるコントラストの強い太い転位線は、その様な９０°転位が二重に重なった状態に対応している。
【００８９】
これらの作用の結果、ネットワーク状構造物３を構成する転位線の周期間隔は変化する。これは、高温域熱処理工程における熱処理条件の制御によって、任意の組成を有する歪み緩和シリコンゲルマニウム膜２を形成可能なことを示している。
【００９０】
なお、第１実施例及び第２実施例で得られたエピタキシャル成長用基材１０についても、同様の結果が得られた。
【００９１】
＜断面透過電子顕微鏡像による評価＞
高温域熱処理工程の加熱温度を１０００℃とした前記第３実施例の実施例３−２において、得られたエピタキシャル成長用基材１０の断面透過電子顕微鏡像を図５（ａ）に示す。
【００９２】
同様に、高温域熱処理工程の加熱温度を１１００℃とした前記第３実施例の実施例３−３において、得られたエピタキシャル成長用基材１０の断面透過電子顕微鏡像を図５（ｂ）に示す。
【００９３】
図５（ａ）及び（ｂ）より、シリコン基板１上に、ゲルマニウムとシリコンが完全に混合した一層のシリコンゲルマニウム膜２が形成されていることがわかる。また、シリコン基板１とシリコンゲルマニウム膜２との界面に周期的な黒点が見られるが、これは周期的に配列した９０°転位の転位線の断面に対応している。さらに、高温域熱処理工程における熱処理温度が１１００℃のときは、図５（ｂ）に楕円で囲んだように、９０°転位の転位線がシリコン基板１の垂直方向に並んでいる様子が見られる。この基板垂直方向に９０°転位の転位線が並んだ部位は、図４（ｂ）に見られたコントラストの強い太い転位線に対応している。
【００９４】
＜エックス線回折法による評価＞
高温域熱処理工程の加熱温度を１１００℃とした前記第３実施例の実施例３−３で得られたエピタキシャル成長用基材１０について、エックス線回折法を用いて、逆格子空間２次元マップを調べた結果を図６（ａ）に示す。
【００９５】
同様に、前記比較例１で得られたエピタキシャル成長用基材について、エックス線回折法を用いて、逆格子空間２次元マップを調べた結果を図６（ｂ）に示す。
【００９６】
なお、これらの図において、縦軸及び横軸は、それぞれシリコン基板表面に対して水平方向及び垂直方向の結晶格子の大きさの逆数に対応している。また、信号強度のピーク位置が、観察している結晶の有する結晶面の大きさを示している。そして、どちらの図にも基板のシリコン及び形成されたシリコンゲルマニウム膜の結晶格子の（１１５）面にあたるピークが観察される。
【００９７】
図６（ｂ）より、比較例１におけるシリコンゲルマニウム膜のピーク形状は水平方向に広がった楕円形状をしていることがわかる。これは、シリコンゲルマニウム膜内に、垂直方向の歪み緩和に比較して、水平方向の歪み緩和について不均一性があることを示している。すなわち、シリコンゲルマニウム膜が、水平方向に個々の微小な領域に制限された結晶から構成されるモザイク状の構造を有していること、および個々の微小結晶が基板水平面に対して別々の方向に僅かに傾斜しており、それぞれが異なる歪み緩和状態にあることを示唆している。
【００９８】
図６（ａ）より、実施例３−３で得られたエピタキシャル成長用基材におけるシリコンゲルマニウム膜２のピーク形状は対称性の良い円形（略真円形）をしている。このシリコンゲルマニウム膜２では、比較例１のシリコンゲルマニウム膜に見られる様なモザイク構造が生じておらず、基板全体に渡る広い範囲で、一様な歪み緩和が達成されていることがわかる。また、そのピーク位置からはこのシリコンゲルマニウム膜２が基板垂直方向および基板水平方向にほぼ等しい格子定数をもっていることが分かる。これは、このシリコンゲルマニウム膜２が完全に歪み緩和していることを示している。すなわち、９０°転位によるネットワーク状構造物を形成することによって、面内に均一な構造を有して、完全に歪み緩和されたシリコンゲルマニウム膜２を、数十ｎｍの極めて薄い膜厚で得ることができる。
【００９９】
＜原子間力顕微鏡による表面粗さ評価＞
前記第１実施例の実施例１−１〜１−３、前記第２実施例の実施例２−１〜２−３及び前記第３実施例の実施例３−１〜３−３でそれぞれ得られたエピタキシャル成長用基材について、原子間力顕微鏡を用いてシリコンゲルマニウム膜２の表面粗さを測定した。その結果として、表面粗さの熱処理温度依存性を図７に示す。
【０１００】
なお、図７において、横軸は高温域熱処理工程における加熱温度を示し、縦軸はシリコンゲルマニウム膜２の二乗平均表面粗さを示している。また、図７の黒丸が前記第１実施例の実施例１−１〜１−３に対応し、図７の四角（白抜き）が前記第２実施例の実施例２−１〜２−３に対応し、図７の白丸が前記第３実施例の実施例３−１〜３−３に対応している。また、図７のａｓ−ｇｒｏｗｎとは、高温熱処理を行う前の試料のことである。
【０１０１】
図７より、同様の９０°転位ネットワークによって歪み緩和させたシリコンゲルマニウム膜２であっても、最終熱処理工程たる高温域熱処理工程前の多層体の形成法の違いによって、得られるシリコンゲルマニウム膜２の表面平坦性が大きく変わることがわかる。
【０１０２】
また、前記第３実施例の実施例３−１〜３−３で得られたエピタキシャル成長用基材１０においては、二乗平均表面粗さが１ｎｍ以下の、表面粗さの小さいシリコンゲルマニウム膜２を形成できることがわかる。
【０１０３】
＜低温域熱処理工程後のＳｉ／Ｇｅ界面の評価＞
前記第１実施形態１の実施例１−１における低温域熱処理工程後に得られた試料について、平面透過電子顕微鏡像及び断面透過電子顕微鏡像を図８（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示す。
【０１０４】
図８（ａ）において、縦横に見える直線が、シリコン基板１とゲルマニウム膜４との界面近傍に形成された９０°転位の転位線に対応している。
【０１０５】
図８（ａ）より、９０°転位の転位線が短く途切れることなく、観察領域全体に渡って連続して伸び、かつこれらの転位線の集合で網目状の周期構造たるネットワーク状構造物３を形成していることがわかる。
【０１０６】
また、図８（ｂ）において、９０°転位の転位線の断面を黒点として観察でき、シリコン基板１とゲルマニウム膜４との界面に９０°転位の配列が周期的に形成されていることがわかる。
【０１０７】
さらに、図８（ａ）より、９０°転位の転位線の平均間隔は約１０ｎｍと見積もられる。そして、この転位線の平均間隔から９０°転位によるゲルマニウム膜４の歪み緩和割合を予測すると、ゲルマニウム膜２は完全に歪み緩和した状態であると考えられる。なお、エックス線回折法を用いて測定されたこのゲルマニウム膜４の格子定数は、完全に歪み緩和した場合のゲルマニウム膜４の格子定数に一致した。したがって、実施例１−１における低温域熱処理工程後のシリコン基板１とゲルマニウム膜２と界面に形成された９０°転位のネットワーク状構造物によって、このゲルマニウム膜２の完全な歪み緩和が達成されていることがわかる。
【０１０８】
また、ゲルマニウム膜４の膜厚を３５ｎｍではなく２０ｎｍとすること以外は、前記第１実施形態１の実施例１−１と同様にして低温域熱処理工程後に得られた試料について、平面透過電子顕微鏡像を図９に示す。
【０１０９】
図９より、ゲルマニウム膜４の膜厚を３５ｎｍとした場合と同様に、９０°転位のネットワーク状構造物が観察できる。９０°転位の転位線の平均間隔も、ゲルマニウム膜４の膜厚を３５ｎｍとした場合と同様であり、したがってこのゲルマニウム膜４においても完全に歪み緩和されていることがわかる。よって、ゲルマニウム膜４の膜厚を２０ｎｍとした場合も、３５ｎｍとした場合と全く同様に、９０°転位のネットワーク状構造物によって完全に歪み緩和したゲルマニウム膜２を形成できることが分かる。
【０１１０】
ただし、低温域熱処理工程のみでは、得られる歪み緩和層はあくまでもゲルマニウム膜２４であり、ゲルマニウム固有の格子定数をもつ膜しか実現できない。これは、７００℃、１０分間という低温短時間で行う低温域熱処理工程によっては、ゲルマニウム原子及びシリコン原子がほとんど拡散せず、原子同士の混合が生じないためである。任意の格子定数をもった歪み緩和層を実現するためには、高温域熱処理工程を経ることにより得られた、その混合組成比によって格子定数を変化させることのできるシリコンゲルマニウム膜２が必要であり、シリコンゲルマニウム膜２を９０°転位のネットワーク状構造物によって歪み緩和させることが必要となる。
【０１１１】
（比較例２）
＜Ｇｅ界面層形成工程＞
前記実施例１−１と同様のシリコン（００１）基板を準備し、このシリコン基板の温度を２００℃に保ち、ＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長させることにより、シリコン基板上に膜厚２．５ｎｍのゲルマニウム界面層を形成した。
【０１１２】
＜ＳｉＧｅ中間層形成工程＞
次いで、前記シリコン基板を同温度に保持した状態において、前記ゲルマニウム界面層上にＭＢＥ法によってシリコンゲルマニウム中間層を厚さ５ｎｍで形成した。なお、このシリコンゲルマニウム中間層におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、Ｓｉ：Ｇｅ＝７：３とした。
【０１１３】
＜ＳｉＧｅ膜形成工程＞
さらに、前記シリコン基板を４００℃にまで加熱し、ＭＢＥ法を用いることによって前記シリコンゲルマニウム中間層上にシリコンゲルマニウム膜を厚さ６５ｎｍで形成した。なお、このシリコンゲルマニウム膜におけるシリコンとゲルマニウムとの組成比は、Ｓｉ：Ｇｅ＝７：３とした。
【０１１４】
＜Ｓｉ被膜形成工程＞
さらに、前記シリコン基板を４００℃に維持したまま、ＭＢＥ法を用いることによって前記シリコンゲルマニウム膜上にシリコン被膜を厚さ５ｎｍで形成し、多層体とした。
【０１１５】
＜熱処理工程＞
最後に、上記多層体に対して７００℃、１０分間の熱処理を施して、エピタキシャル成長用基材を完成した。
【０１１６】
得られたエピタキシャル成長用基材の平面透過電子顕微鏡像を図１０に示す。図１０より、シリコン基板と平行な面内において、１００ｎｍ以下の非常に短い転位構造が不規則に分散している様子が分かる。断面電子顕微鏡像の観察から、これらの転位の多くが９０°転位であることが確認できた。これらの転位構造は、明らかに９０°転位が周期的に配列した構造とはなっていなかった。これは、ゲルマニウム界面層の膜厚が５ｎｍと薄く、膜全体における歪みが小さかったためと考えられる。すなわち、９０°転位が伸びていく為の駆動力となる大きな歪みが十分に与えられず、そのため、個々の９０°転位は発生するものの、転位線が極短く伸びた時点でその伸びが停まってしまったと考えられる。また、最大の熱処理温度が７００℃と低く、そのため転位の運動に必要な熱量が与えられなかったことも、転位が十分に伸びなかった原因と考えられる。
【０１１７】
したがって、９０°転位の周期的ネットワーク構造を形成するためには、ゲルマニウム界面層を十分に厚くして、ある程度大きな格子歪みを与えること、及びより高温の熱処理を施して、発生した９０°転位が伸びるのを促進させることが重要といえる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１実施例に係り、エピタキシャル成長用基材及び多層膜構造体を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施例に係り、エピタキシャル成長用基材の製造方法を模式的に示す構成図である。
【図３】本発明の第３実施例に係り、エピタキシャル成長用基材の製造方法を模式的に示す構成図である。
【図４】本発明の第３実施例に係り、（ａ）は実施例３−２で得られたエピタキシャル成長用基材の平面透過電子顕微鏡像であり、（ｂ）は実施例３−３で得られたエピタキシャル成長用基材の平面透過電子顕微鏡像である。
【図５】本発明の第３実施例に係り、（ａ）は実施例３−２で得られたエピタキシャル成長用基材の断面透過電子顕微鏡像であり、（ｂ）は実施例３−３で得られたエピタキシャル成長用基材の断面透過電子顕微鏡像である。
【図６】エックス線回折法を用いて測定した各試料の逆格子空間２次元マップを示し、（ａ）は本発明の第３実施例の実施例３−３で得られたエピタキシャル成長用基材についてのもの、（ｂ）は比較例１で得られたエピタキシャル成長用基材についてのものえある。
【図７】第１実施例、第２実施例及び前記第３実施例でそれぞれ得られたエピタキシャル成長用基材について、原子間力顕微鏡を用いてシリコンゲルマニウム膜の表面粗さを測定した結果として、表面粗さの熱処理温度依存性を示す図である。
【図８】第１実施形態１の実施例１−１における低温域熱処理工程後に得られた試料についての透過電子顕微鏡像であり、（ａ）が平面透過電子顕微鏡像、（ｂ）が断面透過電子顕微鏡像である。
【図９】ゲルマニウム膜の膜厚を２０ｎｍとすること以外は、第１実施形態１の実施例１−１と同様にして低温域熱処理工程後に得られた試料についての、平面透過電子顕微鏡像である。
【図１０】比較例２で得られたエピタキシャル成長用基材の平面透過電子顕微鏡像である。
【符号の説明】
【０１１９】
１…シリコン基板                  ２…シリコンゲルマニウム膜
３…９０°転位のネットワーク状構造物
４…ゲルマニウム膜                ５…シリコン被膜
１０…エピタキシャル成長用基材    ２０…シリコン膜
【図１】
2006032575.tif 000003
【図２】
2006032575.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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