(57)【要約】      （修正有）【課題】  貫通転位密度が低減され、かつ歪み緩和されたＳｉＧｅ層を有する歪みシリコン基板ウェーハを提供する。【解決手段】  本歪みシリコン基板ウェーハは、窒素濃度が１．５×１０14 atoms／cc以上の単結晶シリコン基板１と、格子不整合性の大きいエピタキシャル層とからなり、この格子不整合性の大きいエピタキシャル層が組成傾斜ＳｉＧｅ層２の上に歪み緩和ＳｉＧｅ層３と、さらにその上に歪みＳｉ層４とを備えたことを特徴としている。【選択図】  図１
2006013119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素ドープした単結晶シリコン基板と、
この単結晶シリコン基板上に格子不整合性のあるエピタキシャル層と、
このエピタキシャル層上に歪みＳｉ層とを備えることを特徴とする歪みシリコン基板ウェーハ。
【請求項２】
前記格子不整合性のあるエピタキシャル層は、前記単結晶シリコン基板上にＧｅ濃度を順次上げてエピタキシャル成長させた組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層と、残留歪みを緩和させるために前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上にエピタキシャル成長させた歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層と、この歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上にエピタキシャル成長させた歪みＳｉ層であることを特徴とする請求項１に記載された歪みシリコン基板ウェーハ。
【請求項３】
前記格子不整合性のあるエピタキシャル層は、Ｓｉ1-xＣx（x＞０．１）またはＳｉ1-xＮx（x≧０．１）であることを特徴とする請求項１に記載された歪みシリコン基板ウェーハ。
【請求項４】
前記単結晶シリコン基板は窒素濃度が１．５×１０14 atoms／cc以上であり、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層は０≦x≦０．５の範囲の組成であって厚さが０．１〜３μｍであり、前記歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層は０．１≦x≦０．５の範囲の組成であって厚さが０．１〜１μｍであり、前記歪みＳｉ層は厚さが５〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項２に記載された歪みシリコン基板ウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪みシリコン基板ウェーハに関し、より詳細には、従来よりも貫通転位密度が低減された歪みシリコン基板ウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速かつ低消費電力の半導体デバイスに対する要望が益々強くなってきているが、デバイスの大幅なスケールレダクション、即ち、素子寸法の大幅縮小化、微細化によるデバイス性能の更なる向上は、限界が見え始めてきている。
【０００３】
このため、高速かつ低消費電力の半導体デバイスを形成するための基板として、歪みシリコン層を有する半導体基板が注目されるようになっている。特に、単結晶シリコン基板上に、シリコン・ゲルマニウム層（以下、ＳｉＧｅ層という）を介して、シリコンをエピタキシャル成長させた歪みシリコン層（以下、歪みＳｉ層という）をチャンネル領域に用いた高速デバイスが注目されている。
【０００４】
この歪みＳｉ層は、シリコンに比べ格子定数が大きいＳｉＧｅ層により引っ張り歪みが生じている。この歪みによりＳｉのバンド構造が変化し、縮退が解けてキャリア移動度が高まる。
【０００５】
従って、この歪みＳｉ層をチャンネル領域に用いることにより、バルクシリコンを用いた際の１．５倍以上のキャリア高速化が可能となる。
【０００６】
良質な歪みＳｉ層を得るためにはシリコン基板上に良質なＳｉＧｅ層、即ち貫通転位や欠陥密度が低く歪み緩和され、平滑な表面を有するＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させることが必要である。
【０００７】
しかし、ＳｉとＧｅの間には格子定数に約４．２％の差異があるため、通常状態でそのままエピタキシャル成長させた場合は、勿論、例えエピタキシャル成長前にＳｉ表面を酸化させ、更に高温アニールしても、エピタキシャル成長中に貫通転位や積層欠陥が多発し、良好なエピタキシャル成長膜を得ることは困難である。
【０００８】
この問題を改善する試みも提案されており、例えば、ＳｉＧｅ層における厚さ方向にＧｅ濃度の勾配をつけてエピタキシャル成長させ、格子定数差異による歪みの大きさを転位発生の許容限度内に緩和させることが提案されている。
【０００９】
また、同様な発想からの提案として、ＳｉＧｅ層を多段層に形成し、各段層のＧｅ濃度を段階的に変化させ、格子不整合による転位の多発を抑制する発明が開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【００１０】
しかしながら、これら提案によっても貫通転位の発生を充分に満足する程度には抑制できていない。
【００１１】
貫通転位の発生を回避するために形成したＳｉＧｅ層の厚さ（臨界膜厚）は数μｍにも達し、生産効率が悪かった。
【特許文献１】特開２００３−７８１１６号公報（第５頁第７欄）
【特許文献２】特開２００３−７８１１８号公報（第４頁第５欄２０行〜第６欄第２８行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したとおり、従来の技術では、シリコン基板表面にＧｅ濃度を増加しながら傾斜させてＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させると、界面からミスフィット転移および貫通転位が発生する。このままではＳｉＧｅ層が完全に緩和しないので、歪みを緩和するために緩和ＳｉＧｅ層を設けるには、その厚さを１μｍ以上にする必要がある。
【００１３】
ところが、エピタキシャル成長させたＳｉＧｅ層表面に貫通転位が起因となったクロスハッチ模様の凹凸が形成されてしまい、その上に成長させる歪みＳｉ層の表面粗さＲmsが大きくなり、緩和ＳｉＧｅ層の厚さを超えてしまうという問題が生じていた。
【００１４】
そのため、組成傾斜ＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長する際の貫通転位密度の発生・伸長を極力防ぐ有効な手段の出現が強く求められている。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも貫通転位密度が低い歪みシリコン基板ウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明にかかる歪みシリコン基板ウェーハは、窒素ドープした単結晶シリコン基板と、この単結晶シリコン基板上に格子不整合性のあるエピタキシャル層と、このエピタキシャル層上に歪みＳｉ層とを備えることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明にかかる歪みシリコン基板ウェーハにおいて、格子不整合性のあるエピタキシャル層は、単結晶シリコン基板上にＧｅ濃度を順次上げてエピタキシャル成長させた組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層と、残留歪みを緩和させるために組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上にエピタキシャル成長させた歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層と、この歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上にエピタキシャル成長させた歪みＳｉ層であることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明にかかる歪みシリコン基板ウェーハにおいて、格子不整合性のあるエピタキシャル層は、Ｓｉ1-xＣx（x＞０．１）またはＳｉ1-xＮx（x≧０．１）であることを特徴としている。
【００１９】
さらに、本発明にかかる歪みシリコン基板ウェーハにおいて、単結晶シリコン基板は窒素濃度が１．５×１０14 atoms／cc以上であり、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層は０≦x≦０．５の範囲の組成であって厚さが０．１〜３μｍであり、前記歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層は０．１≦x≦０．５の範囲の組成であって厚さが０．１〜１μｍであり、前記歪みＳｉ層は厚さが５〜３０ｎｍであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、貫通転位密度が低減されたことによる、表面に凹凸の少ない歪みシリコン基板ウェーハを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる歪みシリコン基板ウェーハの概略断面図である。
【００２２】
なお、この実施形態にあっては歪み緩和層としてＳｉＧｅ層を形成する場合について説明する。
【００２３】
本発明の実施の形態では、単結晶シリコン基板としては、例えば窒素とボロンをドープし、チョクラルスキー（ＣＺ）法で引き上げられた単結晶インゴットから切り出されたＰ型シリコン基板１を用いる。このシリコン基板１上にＧｅ濃度を次第に増やした組成傾斜ＳｉＧｅ層２が形成されている。例えばＧｅ濃度を０％から３０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ70Ｇｅ30層２を厚さ２μｍ形成する。Ｇｅの濃度傾斜としては、例えば２５％/μｍ以下に設定すると好適である。ＳｉＧｅ層２の上に、さらに緩和ＳｉＧｅ層３が形成されている。この緩和ＳｉＧｅ層３は、例えば緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層で厚さ１μｍにエピタキシャル成長させる。緩和ＳｉＧｅ層３の上には、歪みＳｉ層４が形成されている。例えば歪みＳｉ層４は厚さ２０ｎｍとする。
【００２４】
組成傾斜ＳｉＧｅ層２が０．１μｍ未満の場合には、歪みＳｉ層４に与える歪みが不充分となる。また３μｍを超えても、望ましい歪み量はあまり変わらない。そこで、窒素をドープした単結晶シリコン基板１上に形成される組成傾斜ＳｉＧｅ層２の厚さは、０．１〜３μｍであることが望ましい。
【００２５】
また、形成される組成傾斜ＳｉＧｅ層２のＧｅ原子濃度比は、０．５以下であれば、成長させる歪みＳｉ層４の適度な歪み形成の観点から好ましい。歪みＳｉ層４の適度な歪みは、最終的にはそこに形成されるデバイスのキャリア移動度等の性能に関係するからである。
【００２６】
Ｇｅ濃度を順次上げた組成傾斜ＳｉＧｅ層２と歪みＳｉ層４との間に、Ｇｅ濃度の最終組成の緩和ＳｉＧｅ層３を０．１〜１μｍの厚さで介在させることによって、組成傾斜ＳｉＧｅ層２上部の低レベルの残留歪みをさらに緩和させている。
【００２７】
次に、上記した歪みシリコン基板ウェーハの製法について概説する。
【００２８】
まず、シリコン基板１上に形成していくＳｉＧｅ層２，３のエピタキシャル成長は、例えば、ランプ加熱によるＣＶＤ法、超高真空中でのＣＶＤ法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）等の気相エピタキシャル成長法や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等で行うことができる。
【００２９】
成長条件は、成長させるべきＳｉＧｅ層のＳｉ：Ｇｅ組成比や膜厚を、用いる成長方法、装置等により夫々異なり適宜設定される。
【００３０】
例えば、ランプ加熱によるＣＶＤ法の場合の一例を示すと、組成がＧｅ＝０．３の場合、次のようになる。
【００３１】
キャリアガス：Ｈ2、原料ガス：ＳｉＨ4、ＧｅＨ4、チャンバ圧：１０〜１００Ｔｏｒｒ、温度：６５０〜６８０℃、成長速度１０〜５０ｎｍ／分。
【００３２】
なお、組成傾斜ＳｉＧｅ層２の表面部を高温水素熱処理（Ｈ2気流中８５０〜１２００℃、圧力１０〜７６０Ｔｏｒｒ程度）して平滑化することが好ましい。
【００３３】
このようにして得られたＳｉＧｅ層の表面上に、例えば、ＣＶＤ法等により単結晶Ｓｉ層４を成長させる。形成された単結晶Ｓｉ層４は、その下層のＳｉＧｅ層と格子定数が異なるため歪みＳｉ層４となる。この歪みＳｉ層４はデバイス活性領域となるので、例えば５〜３０ｎｍの厚さに形成するのが好ましい。
【００３４】
さらに、ＣＶＤ法による単結晶Ｓｉの成長条件の一例を示すと次のようになる。
【００３５】
キャリアガス：Ｈ2、原料ガス：ＳｉＨ2Ｃｌ2又はＳｉＨ4、チャンバ圧：１０〜７６０Ｔｏｒｒ、温度：６５０〜１０００℃。
【００３６】
上記実施形態にあっては、歪み緩和層として、ＳｉＧｅ層を形成した場合について説明したが、本発明では、特にこれに限定されるものではなく、炭化珪素、窒化珪素のいずれかをエピタキシャル成長させた層であっても良い。
【００３７】
形成される炭化珪素層のＣ（炭素）原子濃度比は、０．０２以下、特に０．０１〜０．０２であることがその層上に成長させるＳｉ層の適度な歪み形成（最終的にはそこに形成されるデバイスのキャリア移動度等の性能に関係する）の観点から好ましい。
【００３８】
また同様に、窒化珪素層のＮ（窒素）原子濃度比は、０．１またはそれ以上、特に０．３〜０．５であることが好ましい。
【００３９】
炭化珪素層あるいは窒化珪素層のエピタキシャル成長は、例えば、ランプ加熱によるＣＶＤ法、超高真空中でのＣＶＤ法（ＵＨＶ−ＣＶＤ）等の気相エピタキシャル成長法や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等で行うことができる。
【００４０】
成長条件は、成長させるべき炭化珪素層のＳｉ：Ｃの組成比、窒化珪素層のＳｉ：Ｎの組成比や、膜厚、用いる成長方法、装置等により夫々異なり適宜設定される。
【実施例】
【００４１】
「実施例、比較例」
窒素とボロンをドープし、チョクラルスキー（ＣＺ）法で引き上げられた単結晶インゴットから切り出されたＰ型シリコン基板で、方位（１００）、抵抗率０．１〜１．０Ωｃｍ、初期酸素濃度１５×１０17atoms/cm3のものを用いた。
【００４２】
なお、ドープする窒素量は窒素濃度が１．０×１０14〜４．０×１０14 atoms／ccとなるように調整した。この基板にＧｅ濃度が０％から３０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ70Ｇｅ30層を厚さ２μｍにエピタキシャル成長させ、さらに緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層を厚さ１μｍにエピタキシャル成長させ、最後に、歪みＳｉ層を厚さ２０ｎｍに成長させた。
【００４３】
図２に単結晶シリコン基板の窒素濃度を種々変化させた場合の各々の貫通転位密度を示す。横軸は窒素濃度（×１０14 atoms／cc）、縦軸は貫通転位密度（／cｍ２）で、試料基板数は１０枚である。図２から明らかなように、窒素濃度が１．５×１０14 atoms／cc未満では、貫通転位密度が１０4／cm2以上と高い値となるが、窒素濃度が増すにしたがい貫通転位密度は急激に低下することがわかる。
【００４４】
そして、組成傾斜ＳｉＧｅ層厚さを１００ｎｍ以上とすることで充分低い転位密度が得られる。
【００４５】
以上詳述した通り、本発明にかかる歪みシリコン基板ウェーハは、歪み緩和層中に貫通転位等の転位密度が極めて低く、充分に歪み緩和されているためその上に形成された歪みシリコン層も良質である。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態に係る歪みシリコン基板ウェーハの概略断面図である。
【図２】窒素濃度と歪みＳｉ層の貫通転位密度の関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００４８】
１：単結晶シリコン基板、２：組成傾斜ＳｉＧｅ層、３：緩和ＳｉＧｅ層、
４：歪みＳｉ層。
【図１】
2006013119.tif 000003
【図２】
2006013119.tif 000004