(57)【要約】【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ウェーハおよびその製造方法を得る。【解決手段】本歪みシリコンウェーハは、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ＳｉＧｅ層と、窒素濃度が１×１０１９atoms／cc以上の窒化膜層と、歪みＳｉ層とを備えたことを特徴としている。【選択図】  図１
2006086179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ＳｉＧｅ層と、
窒素濃度が１×１０１９atoms／cc以上の窒化膜層と、
歪みＳｉ層とを備えることを特徴とする歪みシリコンウェーハ。
【請求項２】
単結晶シリコン基板上に、Ｇｅ濃度を順次上げて組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層上に歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上に歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
単結晶シリコン基板上に、Ｇｅ濃度を順次上げて組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上に歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、この歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層の上に歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
単結晶シリコン基板上に、格子不整合性のあるＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させ、前記格子不整合性のあるＳｉＧｅ層の上に第１の歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させ、前記第１の歪みＳｉ層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層の上に第２の歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪みシリコンウェーハおよびその製造方法に関し、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ウェーハおよびその製造方法に関する。
【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。更に、貫通転位の発生を回避するために形成したＳｉＧｅ層の厚さは数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】
【００１１】
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ても、シリコン基板との界面からミスフィット転位が発生する。そして、上記ミスフィット転位に起因する貫通転位が高密度で歪みＳｉ層の表面にまで達し、存在することとなる。上記歪みＳｉ層の貫通転位の存在は、デバイス素子の成形時において、接合リーク電流の増加の大きな原因となる。
【００１２】
更に、貫通転位と残留歪みエネルギーにより、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が大きくなってしまうという問題が生じていた。
【００１３】
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。
【００１４】
そこで本発明者は、窒素の存在により貫通転位が捕獲され、移動が妨げられ、その結果歪みＳｉ層表面の転位密度が低下することを見出した。
【００１５】
すなわち、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ウェーハおよびその製造方法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ウェーハは、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ＳｉＧｅ層と、窒素濃度が１×１０１９atoms／cc以上の窒化膜層と、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ウェーハにおいて、格子不整合性のあるエピタキシャルＳｉＧｅ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】
さらに、本発明の一態様によれば、単結晶シリコン基板上に、Ｇｅ濃度を順次上げて組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層上に歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上に歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法が提供される。
【００１９】
また、本発明の別の一態様によれば、単結晶シリコン基板上に、Ｇｅ濃度を順次上げて組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、前記組成傾斜Ｓｉ1-xＧｅx層の上に歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層をエピタキシャル成長させ、この歪み緩和Ｓｉ1-xＧｅx層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層の上に歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法が提供される。
【００２０】
更に、本発明の別の一態様によれば、単結晶シリコン基板上に、格子不整合性のあるＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させ、前記格子不整合性のあるＳｉＧｅ層の上に第１の歪みＳｉ層をエピタキシャル成長させ、前記第１の歪みＳｉ層の上に少なくとも窒素を含む約８００℃以上の高温ガス雰囲気下で窒化膜層を形成させ、この窒化膜層の上に第２の歪みＳｉ層を形成することを特徴とする歪みシリコンウェーハの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
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ウェーハおよびその製造方法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】
【００２２】
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ウェーハの概略断面図である。
【００２３】
本発明の実施の形態では、例えば表面が鏡面研磨された単結晶シリコン基板１上に、Ｇｅ濃度を次第に増やした組成傾斜ＳｉＧｅ層２を形成している。この組成傾斜ＳｉＧｅ層２は、例えばＧｅ濃度を０％から３０％まで増加させたものである。Ｇｅの濃度傾斜としては、例えば２０％/μｍ以下に設定すると好適である。組成傾斜ＳｉＧｅ層２の上に窒化膜層３を形成している。例えば、窒化膜層３の窒素濃度は１×１０１９atoms／cc以上あることが好適である。この窒化膜層３の上には、歪み緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層４をエピタキシャル成長させている。尚、ＳｉＧｅ層２,４は格子不整合性のあるものである。さらに、歪み緩和ＳｉＧｅ層４の上には、歪みＳｉ層５を形成している。
【００２４】
本実施の形態に係るシリコンウェーハによれば、Ｇｅ濃度を順次上げた組成傾斜ＳｉＧｅ層２とＧｅ濃度の最終組成の緩和ＳｉＧｅ層４との間に、窒化膜層３を介在させることによって、組成傾斜ＳｉＧｅ層２で生じた貫通転位がその直上の窒素により捕獲されるため、本来であれば更に上に伸びるべき貫通転位が緩和ＳｉＧｅ層４および歪みＳｉ層５に及ばなくなる。
【００２５】
次に、本発明の別の実施の形態について説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかる歪みシリコンウェーハの概略断面図である。図２に示すように、例えば表面が鏡面研磨された単結晶シリコン基板１１上に、Ｇｅ濃度を次第に増やした組成傾斜ＳｉＧｅ層１２を形成している。この組成傾斜ＳｉＧｅ層１２は、例えばＧｅ濃度を０％から３０％まで増加させたものである。Ｇｅの濃度傾斜としては、例えば２０％/μｍ以下に設定すると好適である。組成傾斜ＳｉＧｅ層１２の上に、歪み緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層１３をエピタキシャル成長させている。尚、ＳｉＧｅ層１２,１３は格子不整合性のあるものである。さらに、歪み緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層１３の上に窒化膜層１４を形成している。例えば、窒化膜層１４の窒素濃度は１×１０１９atoms／cc以上あることが好適である。窒化膜層１４の上には、歪みＳｉ層１５を形成している。本実施の形態に係るシリコンウェーハによれば、歪みＳｉ層１５と歪み緩和Ｓｉ70Ｇｅ30層１３との界面に窒化膜層１４が存在するので、単結晶シリコン基板１１と組成傾斜ＳｉＧｅ層１２の界面から発生・伸長するミスフット転位および貫通転位が抑制される。
【００２６】
次に、本発明の別の実施の形態について説明する。図３は、本発明の実施の形態にかかる歪みシリコンウェーハの概略断面図である。図３に示すように、例えば表面が鏡面研磨された単結晶シリコン基板２１上に、Ｇｅ濃度２０％のＳｉ８０Ｇｅ２０層２２を形成している。この格子不整合性のあるＳｉ８０Ｇｅ２０層２２の上に第１歪みＳｉ層２３をエピタキシャル成長させている。この第１歪みＳｉ層２３の上に窒化膜層２４を形成している。例えば、窒化膜層２４の窒素濃度は１×１０１９atoms／cc以上あることが好適である。更に、窒化膜層２４の上には第２歪みＳｉ層２５を形成している。本実施の形態に係るシリコンウェーハによれば、Ｓｉ８０Ｇｅ２０層２２と第１歪みＳｉ層２３の界面で生じた貫通転位がその直上の窒素により捕獲されるため、本来であれば更に上に伸びるべき貫通転位が第２歪みＳｉ層２５に及ばなくなる。
【００２７】
次に、上記した歪みシリコンウェーハの製法について概説する。
【００２８】
まず、表面が鏡面研磨されたシリコン基板１上に形成していくＳｉＧｅ層２，４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の表面部の上に窒素を含むガスで８００℃以上の高温熱処理し、窒化膜層３を形成させる。その上に緩和ＳｉＧｅ層４を形成する。
【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５を成長させる。形成された単結晶Ｓｉ層５は、その下層のＳｉＧｅ層と格子定数が異なるため歪みＳｉ層５となる。この歪みＳｉ層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℃。
【実施例】
【００３６】
「実施例１」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度を０％から２０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ５００ｎｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記組成傾斜Ｓｉ８0Ｇｅ２0層の上にシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）層をＣＶＤ法により生成温度１０００℃で厚さ２ｎｍに成長させた。さらに、前記シリコン窒化膜層の上に緩和Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ２００ｎｍにエピタキシャル成長させた。最後に、歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ１０ｎｍに成長させた。
【００３７】
「実施例２」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度を０％から２０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ５００ｎｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記組成傾斜Ｓｉ８0Ｇｅ２0層の上にアルゴンガス９５％および窒素ガス５％を含む気体で１２００℃の高温熱処理し窒素をＳｉＧｅ層表面に拡散させた。さらに、前記シリコン窒化膜層の上に緩和Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ２００ｎｍにエピタキシャル成長させた。最後に、歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ１０ｎｍに成長させた。
【００３８】
「実施例３」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度を０％から３０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ７0Ｇｅ３0層を成膜温度９００℃で厚さ２μｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記組成傾斜ＳｉＧｅ層の上に緩和Ｓｉ７0Ｇｅ３0層を成膜温度９００℃で厚さ１μｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記緩和ＳｉＧｅ層の上に窒素ガスを１０秒拡散させた。最後に、歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ２０ｎｍに成長させた。
【００３９】
「実施例４」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度２０％のＳｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ５００ｎｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記ＳｉＧｅ層の上に第１歪みＳｉ層を成膜温度７００℃で厚さ１０ｎｍにエピタキシャル成長させ、その上に、シリコン窒化膜をＣＶＤ法により成膜温度１０００℃で厚さ２ｎｍに成膜した。さらに、前記シリコン窒化膜の上に第２歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ１０ｎｍに成長させた。
【００４０】
「実施例５」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度２０％のＳｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ５００ｎｍにエピタキシャル成長させた。さらに、前記ＳｉＧｅ層の上に第１歪みＳｉ層を成膜温度７００℃で厚さ５ｎｍにエピタキシャル成長させ、その上に、アルゴンガス９５％および窒素ガス５％を含む気体で１２００℃の高温熱処理し窒素をＳｉＧｅ層表面に拡散させた。さらに、前記窒化膜の上に第２歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ１０ｎｍに成長させた。
【００４１】
「比較例１」
表面を鏡面研磨した単結晶シリコン基板の表面に、Ｇｅ濃度を０％から２０％まで増加させた組成傾斜Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ５００ｎｍにエピタキシャル成長させた。さらに、その上に緩和Ｓｉ８0Ｇｅ２0層を成膜温度９００℃で厚さ２００ｎｍにエピタキシャル成長させた。最後に、歪みＳｉ層を生成温度７００℃で厚さ１０ｎｍに成長させた。
【００４２】
表１に実施例１〜５と比較例１の各ウェーハをＳｅｃｃｏ液による各々の貫通転位密度を示す。
【表１】
2006086179.tif 000003
【００４３】
表１から明らかなように、窒化膜があると歪みシリコンウェーハ表面に存在する貫通転位濃度は１０３ ／cm2未満であり、窒化膜が存在しないと貫通転位濃度は１０５ ／cmと高い値となってしまう。
【００４４】
図４に窒素濃度と歪みＳｉ層の貫通転位密度の関係を示す。図４から明らかなように、窒素濃度が１×１０１９atoms／cc以上では、貫通転位密度が１０３ ／cm2未満と低くなる傾向があり、一方、窒素濃度が１×１０１８atoms／cc以下では、貫通転位密度が高くなる傾向であることがわかる。
【００４５】
以上詳述した通り、本発明にかかる歪みシリコンウェーハは、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】本発明の別な実施の形態に係る歪みシリコンウェーハの概略断面図である。
【図３】本発明の別な実施の形態に係る歪みシリコンウェーハの概略断面図である。
【図４】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】
１,１１，２１：単結晶シリコン基板、  ２，１２：組成傾斜ＳｉＧｅ層、
３，１４，２４：窒化膜層、  ４，１３：緩和ＳｉＧｅ層、
５，１５，２３，２５：歪みＳｉ層。
【図１】
2006086179.tif 000004
【図２】
2006086179.tif 000005
【図３】
2006086179.tif 000006
【図４】
2006086179.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月15日(2004.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2006086179.tif 000008