(57)【要約】【課題】ＳＩＭＯＸおよびＧｅ相互拡散を用いて十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を形成する方法を提供する。【解決手段】Ｓｉ含有基板内に注入リッチ領域を形成するために、Ｓｉ含有基板にイオンを最初に注入する。注入リッチ領域は、高温でのアニールの間にＧｅ拡散を妨げるバリア層が形成されるように充分なイオン濃度を有する。次に、Ｇｅ含有層は、Ｓｉ含有基板の表面の上に形成され、その後、加熱工程が、バリア層の形成およびＧｅの相互拡散を可能にする温度で行われ、それによって、バリア層の上に十分に格子緩和された単結晶ＳｉＧｅ層を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法において、
Ｇｅの拡散バリアの働きをするのに充分なイオン濃度を有する注入リッチ領域を形成するためにＳｉ含有基板にイオンを注入する工程を含み、前記注入リッチ領域は、その上にＳｉ含有基板の表面層が配置され、
注入されたＳｉ含有基板の上にＧｅ含有層を形成する工程を含み、
（ｉ）拡散バリア層の形成と、（ｉｉ）前記Ｇｅ含有層、および注入リッチ領域の上に配置されるＳｉ含有基板の前記表面層に渡るＧｅの相互拡散とを可能にする温度で基板を加熱する工程を含み、これにより前記拡散バリア層の上に十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層を形成する、製造方法。
【請求項２】
前記注入イオンは、酸素イオン，窒素イオン，ＮＯイオン，不活性ガスまたはこれらの混合物を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記注入イオンは、酸素イオンを含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記注入する工程は、ブランケット注入処理またはマスクされた注入処理を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記注入する工程は、約４×１０17／ｃｍ2 以上のイオン・ドーズを用いて行われる高ドーズ・イオン注入処理を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記高ドーズ・イオン注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度および約１５０〜約１０００ｋｅＶのエネルギーで作動するイオン注入装置内で行われる請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記高ドーズ・イオン注入処理は、約２００℃〜約８００℃の温度で行われる請求項５に記載の製造方法。
【請求項８】
前記高ドーズ・イオン注入処理は、ベース・イオン注入工程の後に続いて約４Ｋ〜約２００℃の温度で行われる更なるイオン注入工程を含む請求項５に記載の製造方法。
【請求項９】
前記更なるイオン注入工程は、約０．０５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度で、約１×１０14〜約１×１０16／ｃｍ2 のイオン・ドーズ、約４０ｋｅＶ以上のエネルギーを用いて行われる請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記注入する工程は、約４×１０17／ｃｍ2 以下のイオン・ドーズを用いて行われる低ドーズ・イオン注入処理を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記低ドーズ・イオン注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度および約４０〜約１００００ｋｅＶのエネルギーで作動するイオン注入装置内で行われる請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記低ドーズ・イオン注入処理は、約１００℃〜約８００℃の温度で行われる請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記低ドーズ・イオン注入処理は、ベース・イオン注入工程の後に続いて約４Ｋ〜約２００℃の温度で行われる更なるイオン注入工程を含む請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記更なるイオン注入工程は、約０．０５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度で、約１×１０14〜約１×１０16／ｃｍ2 のイオン・ドーズ、約４０ｋｅＶ以上のエネルギーを用いて行われる請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記Ｇｅ含有層は、ＳｉＧｅ合金層または純Ｇｅである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記Ｇｅ含有層は、最大９９．９９原子パーセントのＧｅからなるＳｉＧｅ合金層である請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記Ｇｅ含有層は、減圧化学気相成長、常圧化学気相成長、超高真空化学気相成長、分子線エピタキシおよびプラズマ化学気相成長からなるグループから選択されるエピタキシャル成長処理によって形成される請求項１に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記加熱する工程の前に前記Ｇｅ含有層の上にＳｉキャップ層を形成する工程を更に含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉキャップ層は、エピＳｉ、エピＳｉＧｅ、ａ：Ｓｉ、ａ：ＳｉＧｅ、単結晶または多結晶Ｓｉ、またはこれらの多層の組み合わせを含む請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
表面酸化膜層は、前記加熱する工程の間に形成される請求項１に記載の製造方法。
【請求項２１】
ウエット化学エッチング処理を利用して前記表面酸化膜層を除去する工程を更に含む請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２２】
前記加熱する工程は、少なくとも１つの酸素含有ガスを含む酸化雰囲気中で行われる請求項１に記載の製造方法。
【請求項２３】
不活性ガスを更に含み、前記不活性ガスが前記少なくとも１つの酸素含有ガスを希釈するために用いられる請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
前記加熱する工程は、約９００℃〜約１３５０℃の温度で行われる請求項１に記載の製造方法。
【請求項２５】
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に追加のＳｉＧｅ層を成長する工程を更に含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項２６】
前記追加のＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層を形成する工程を更に含む請求項２５に記載の製造方法。
【請求項２７】
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層を形成する工程を更に含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項２８】
Ｓｉ含有基板と、
前記Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、
前記絶縁領域の上に存在する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層とを備え、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約２０００ｎｍ以下の厚さおよび約５×１０7 原子／ｃｍ2 以下の欠陥密度を有する基板材料。
【請求項２９】
前記絶縁領域は、パターニングされ、またはパターニングされていない請求項２８に記載の基板材料。
【請求項３０】
前記絶縁領域は、埋め込み酸化膜領域である請求項２８に記載の基板材料。
【請求項３１】
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約１〜約１００％の測定格子緩和を有する請求項２８に記載の基板材料。
【請求項３２】
Ｓｉ含有基板と、
前記Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、
前記絶縁領域の上に存在する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層と、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に形成される歪みＳｉ層とを備え、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約２０００ｎｍ以下の厚さおよび約５×１０7 原子／ｃｍ2 以下の欠陥密度を有するヘテロ構造。
【請求項３３】
前記絶縁領域は、パターニングされ、またはパターニングされていない請求項３２に記載のヘテロ構造。
【請求項３４】
前記絶縁領域バリア層は、埋め込み酸化膜領域である請求項３２に記載のヘテロ構造。
【請求項３５】
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約１〜約１００％の測定格子緩和を有する請求項３２に記載の基板材料。
【請求項３６】
前記歪みＳｉ層は、エピＳｉ層を含む請求項３２に記載のヘテロ構造。
【請求項３７】
格子緩和されたＳｉＧｅと歪みＳｉの交互層は、前記歪みＳｉ層の上に形成される請求項３２に記載のヘテロ構造
【請求項３８】
前記歪みＳｉ層は、ＧａＡｓとＧａＰからなるグループから選択される格子間不整合化合物で置き換えられる請求項３２に記載のヘテロ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板材料を製造する方法に関し、特に、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）形成の態様とＧｅ含有層の相互拡散とを組み合わせることによって絶縁層の上に十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅ合金結晶層を製造する方法に関する。本発明の方法は、Ｓｉエピタキシャル過成長によって、歪みＳｉ層を作るための格子間不整合テンプレートとして使用できる十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を提供する。このような歪みＳｉ層は、高キャリア移動度を有し、高性能な相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）応用品に有用である。本発明は、また、ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料、およびＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を少なくとも含む構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造分野では、シリコン・オン・インシュレータ基板は、その技術分野において酸素イオン注入による分離（ＳＩＭＯＸ）と呼ばれる方法を用いて形成できる。従来のＳＩＭＯＸ方法では、Ｓｉウエハは、高ドーズ（５×１０16原子／ｃｍ2 以上のオーダー）で酸素を注入され、次に、極めて高い温度（約１３００℃以上のオーダー）でアニールおよび酸化され、Ｓｉウエハの表面の下に明瞭に画定され、かつ連続した埋め込み酸化膜層を形成する。高温アニールは、埋め込み酸化膜層を化学的に形成すること、およびシリコンの溶融点近くにアニールすることによって表面に近いシリコン層に残存する全ての欠陥を無くすことの両方に使える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
歪みＳｉをベースにしたヘテロ構造を用いた近年の高レベル機能のために、ＳｉＧｅ層が十分に格子緩和され、かつ高品質であるＳｉＧｅオン・インシュレータ（ＳＧＯＩ）基板を提供する必要がある。ＳＧＯＩ基板は、例えばＳＩＭＯＸ方法を含み、種々の方法を用いて形成できる。従来技術では、約１〜５μｍの厚さを有する厚いＳｉＧｅ層が、Ｓｉウエハの上に最初に付着され、次にＳＩＭＯＸ方法が実行される。このような従来の方法は、以下の２つの欠点を有する。１）連続した酸化膜層が形成される前に、Ｇｅがバルクに拡散しやすい。２）Ｇｅ濃度が極めて低くなければ、酸素（Ｏ）ピーク近くのＧｅの存在が、高品質埋め込み酸化膜層の形成を妨げる。
【０００４】
ＳＧＯＩ基板材料を形成する従来技術のＳＩＭＯＸ方法の欠点から見て、連続した埋め込み絶縁層が形成される前にバルクＳｉに拡散するＧｅの傾向を低減し、埋め込み絶縁層の上に、格子緩和されかつ高品質のＳｉＧｅ合金層を与える、新たな、かつ改良されたＳＩＭＯＸ方法を提供する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、不整合転位（ｍｉｓｆｉｔ）および貫通転位（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓ）のような更なる欠陥の生成に対して安定な、薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、ＣＭＯＳ処理工程に適用できる、薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、歪みＳｉ層を形成するための格子間不整合テンプレート、すなわち基板として更に使用できる、薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、高キャリア移動度を有し、高性能ＣＭＯＳ応用品に有用である歪みＳｉ／十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ構造を提供することにある。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）形成の態様とＧｅ含有層の相互拡散とを組み合わせることによって、絶縁層を覆って十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅ合金結晶層を製造する方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、ＳＩＭＯＸアニールの欠陥消滅特性を利用すると共に、Ｇｅ拡散を著しく妨げる埋め込み絶縁層を覆って、十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅ合金結晶層の形成を可能にする、十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
これらのおよび他の目的および利点は、本発明では、Ｓｉ含有基板内に注入リッチ領域を形成するためにＳｉ含有基板にイオン、例えば酸素イオンを最初に注入することを含む方法を利用することによって実現される。注入リッチ領域は、高温アニールの際に、Ｇｅ拡散を妨げるバリア層が形成されるように充分なイオン濃度を有する。次に、Ｇｅ含有層、例えばＳｉＧｅまたは純Ｇｅが、Ｓｉ含有基板の表面の上に形成され、その後、バリア層の形成と、バリア層の上に十分に格子緩和された単結晶ＳｉＧｅ層を形成するＧｅの相互拡散を可能にする加熱工程が高温で行われる。十分に格子緩和された単結晶層が、少なくともＳｉＧｅまたは純Ｇｅと、注入リッチ領域の上に配置されるＳｉ含有基板の一部との均一な混合物から成ることに注意すべきである。
【００１３】
本発明のこれらの工程に続いて、歪みＳｉ層は、種々の高性能ＣＭＯＳ応用品に使用できる歪みＳｉ／格子緩和されたＳｉＧｅ含有ヘテロ構造を形成するために、十分に格子緩和された単結晶ＳｉＧｅ層の上にエピタキシャル成長が可能である。
【００１４】
本発明方法は、また、パターニングされないバリア層（すなわち、連続するバリア層）、またはパターニングされたバリア層（すなわち、半導体材料によって囲まれた、別個でかつ分離されたバリア領域すなわちアイランド）を形成することを意図している。
【００１５】
本発明のさらに他の実施例では、Ｓｉキャップ層は、構造を加熱する前にＧｅ含有層の上に形成される。本発明のこの実施例は、（欠陥の生成を防ぐ点から）アニールの前にＳｉＧｅ層の熱力学的安定性を変える。ＳｉＧｅ層は、約２０００ｎｍ以下の厚さ（約１０〜約２００ｎｍの厚さが特に好ましい）を有する。
【００１６】
本発明の他の態様は、上述した処理工程を利用して形成されるＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料に関する。特に、本発明の基板材料は、Ｓｉ含有基板と、Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、絶縁領域の上に存在する約２０００ｎｍ以下の厚さを有する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層とを備える。本発明のＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料の特徴は、現在のＳＧＯＩ材料に特有な欠陥密度を有するということである。特に、本発明のＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料は、約５×１０7 ｃ／ｍ2 以下の測定欠陥密度を有する。
【００１７】
本発明の更に他の態様は、上述した基板材料を少なくとも含むヘテロ構造に関する。特に、本発明のヘテロ構造は、Ｓｉ含有基板と、Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、絶縁領域の上に存在する約２０００ｎｍ以下の厚さを有する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層と、十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に形成される歪みＳｉ層とを備える。
【００１８】
本発明の他の態様は、本発明のＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を少なくとも含む、超格子構造、および他の格子間不整合構造のためのテンプレートに関する
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、Ｓｉエピタキシャル過成長のための格子間不整合テンプレートとして更に使用できる、薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法を提供するものであり、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面において、同一の構成要素および／または対応する構成要素には、同一の参照番号を付して示す。
【００２０】
まず、本発明の基本処理工程を示す図１を参照する。特に、図１（ａ）は、Ｓｉ含有基板１０内に注入リッチ領域１４を形成するために、Ｓｉ含有基板１０にイオン１２が注入される本発明の最初の処理工程を示す。図に示されるように、注入リッチ領域１４は、Ｓｉ含有基板１０の表面層の下に配置される。ここで使用される語句“Ｓｉ含有”は、シリコンを少なくとも含む半導体基板を意味する。一例は、Ｓｉ，ＳｉＧｅ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅＣ，Ｓｉ／Ｓｉ，Ｓｉ／ＳｉＣ，Ｓｉ／ＳｉＧｅＣおよび予め形成されたシリコン・オン・インシュレータを含むが、これらに制限されない。予め形成されたシリコン・オン・インシュレータは、その中に存在する多数の埋め込み酸化膜（連続、非連続または連続と非連続の混合）領域を含む。
【００２１】
本発明のこの時点でＳｉ含有基板１０に注入されるイオン１２は、次の加熱工程が行われている間にＧｅ拡散を妨げるバリア層を形成できるイオンである。このようなイオンの一例は、酸素イオン，窒素イオン，ＮＯイオン，不活性ガスおよびこれらの混合物を含むが、これらに制限されない。本発明のこの時点でＳｉ含有基板１０に注入される好ましいイオン１２は、酸素イオンである。
【００２２】
イオン１２は、Ｓｉ含有基板に注入リッチ領域１４を形成する充分な濃度でＳｉ含有基板１０に注入される。本発明のこの時点で形成される注入リッチ領域１４は、次の加熱工程が行われている間にＳｉ含有基板内のＧｅ拡散を妨げるバリア層を形成するのに充分なイオン濃度を有する。一般に、本発明のこの工程で形成される注入リッチ領域１４は、約１×１０22原子／ｃｍ3 以上のイオン濃度を有する。
【００２３】
注入リッチ領域１４は、Ｓｉ含有材料の表面層が注入リッチ領域１４の上にあるように、Ｓｉ含有基板１０の上面の下に形成される。一般に、注入リッチ領域１４は、Ｓｉ含有基板１０の上面の下に約５ｎｍ以上形成される。
【００２４】
イオン１２は、当業者に周知である従来のＳＩＭＯＸ方法および条件、および２００１年５月２１日出願の米国特許出願第０９／８６１５９３号明細書、２００１年５月２１日出願の米国特許出願第０９／８６１５９４号明細書、２００１年５月２１日出願の米国特許出願第０９／８６１５９０号明細書、２００１年５月２１日出願の米国特許出願第０９／８６１５９６号明細書、２００１年６月１９日出願の米国特許出願第０９／８８４６７０号明細書および米国特許第９３０６３４号明細書に述べられた種々のＳＩＭＯＸ方法および条件を用いて注入される。注入は、図１（ａ）に示されるブランケット注入でもよく、または図２（ａ）に示されるパターニングされた注入を用いてもよい。パターニングされた注入は、Ｓｉ含有基板１０の上面に直接形成されたマスクを用いてもよく、またはＳｉ含有基板１０の上面からある距離に配置されるマスクを用いてもよい。
【００２５】
種々の注入条件が本発明で用いられるが、以下の説明は、Ｓｉ含有基板１０に注入リッチ領域１４を形成するための一般的な注入条件を与える。
【００２６】
１．高ドーズ・イオン注入
ここで使用される語句“高ドーズ”は、約４×１０17／ｃｍ2 以上のイオン・ドーズ（約４×１０17〜約２×１０18／ｃｍ2 のイオン・ドーズがより好ましい）を意味する。高イオン・ドーズを用いることに加えて、この注入は、一般に、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度および約１５０〜約１０００ｋｅＶのエネルギーで作動するイオン注入装置内で行われる。より好ましくは、この注入は、約１５０〜約２１０ｋｅＶのエネルギーを用いて行われる。
【００２７】
ベース・イオン注入と呼ばれるこの注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度、約２００℃〜約８００℃の温度で行われる。より好ましくは、ベース・イオン注入は、約５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度、約２００℃〜約６００℃の温度で行われる。
【００２８】
望むならば、ベース・イオン注入工程の後に、約１×１０14〜約１×１０16／ｃｍ2 のイオン・ドーズ（約１×１０15〜約４×１０15／ｃｍ2 のイオン・ドーズが特に好ましい）を用いて行われる更なる酸素注入を続けてもよい。更なるイオン注入は、約４０ｋｅＶ以上のエネルギー（約１２０〜約４５０ｋｅＶのエネルギーがより好ましい）で行われる。
【００２９】
この更なる注入は、約０．０５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度、約４Ｋ〜約２００℃の温度で行われる。より好ましくは、更なるイオン注入は、約０．５〜約５．０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度、約２５℃〜約１００℃の温度で行われる。
【００３０】
更なるイオン注入が、ベース・イオン注入工程によって生じる損傷領域の下に非晶質領域を形成することに注意すべきである。本発明の次の加熱工程の間に、非晶質領域および損傷領域は、Ｇｅ拡散を妨げるバリア層の一部となる。
【００３１】
２．低ドーズ・イオン注入
本発明のこの実施例についてここで使用される語句“低ドーズ”は、約４×１０17／ｃｍ2 以下のイオン・ドーズ（約１×１０16〜約３．９×１０17／ｃｍ2 のイオン・ドーズがより好ましい）を意味する。この低ドーズ注入は、約４０〜約１００００ｋｅＶのエネルギー（約４０〜約２１０ｋｅＶの注入エネルギーが特に好ましい）で行われる。
【００３２】
ベース・イオン注入と呼ばれるこの注入は、約１００℃〜約８００℃の温度で行われる。より好ましくは、ベース・イオン注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度、約２００℃〜約６５０℃の温度で行われる。
【００３３】
望むならば、ベース・イオン注入工程の後に、上述した条件を用いて行われる更なる酸素注入を続けてもよい。
【００３４】
上述した種類の注入条件は、例示であり、本発明の範囲を制限しないことを再度強調する。代わりに、本発明は、従来のＳＩＭＯＸ方法で一般に用いられる全ての従来のイオン注入を意図している。
【００３５】
図１（ｂ）は、Ｇｅ含有層１６がＳｉ含有基板１０の上面の上に形成された後に形成される構造を示す。本発明のこの時点で形成されるＧｅ含有層１６は、ＳｉＧｅ合金層または純Ｇｅ層である。語句“ＳｉＧｅ合金層”は、最大９９．９９原子パーセントのＧｅからなるＳｉＧｅ合金を含むのに対し、純Ｇｅは、１００原子パーセントのＧｅからなる層を含む。ＳｉＧｅ合金層を用いる場合は、ＳｉＧｅ合金層内のＧｅ含有量が約０．１〜約９９．９原子パーセント（約１０〜約３５原子パーセントが特に好ましい）であることが好ましい。
【００３６】
本発明によれば、Ｇｅ含有層１６は、当業者に周知である従来のエピタキシャル成長方法を用いてＳｉ含有基板１０の上面の上に形成される。従来のエピタキシャル成長方法は、（ｉ）熱力学的に安定な（臨界膜厚未満の）ＳｉＧｅ合金層または純Ｇｅ層を成長し、（ｉｉ）準安定で格子欠陥、すなわち不整合転位およびＴＤ転位の無いＳｅＧｅ合金層または純Ｇｅ層を成長し、または（ｉｉｉ）部分的まはた全体的に格子緩和されたＳｉＧｅ層を成長することを可能にする。格子緩和の程度は、成長温度、Ｇｅ濃度、厚さまたはＳｉキャッピング層の存在によって制御される。条件（ｉ），（ｉｉ）または（ｉｉｉ）を満たすことのできる、このようなエピタキシャル成長方法の一例は、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）、超高真空化学気相成長（ＵＨＶＣＶＤ）、常圧化学気相成長（ＡＰＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）およびプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）含むが、これらに制限されない。
【００３７】
本発明のこの時点で形成されるＧｅ含有層１６の厚さは、さまざまであるが、一般にはＧｅ含有層１６は、約１０〜約５００ｎｍの厚さ（約２０〜約２００ｎｍの厚さが最も好ましい）を有する。
【００３８】
図３に示す本発明の他の実施例では、任意キャップ層１８は、本発明の加熱工程を行う前にＧｅ含有層１６の上に形成される。本発明で用いられる任意キャプ層は、エピタキシャル・シリコン（エピＳｉ）、エピタキシャル・シリコン・ゲルマニウム（エピＳｉＧｅ）、アモルファス・シリコン（ａ：Ｓｉ）、アモルファス・シリコン・ゲルマニウム（ａ：ＳｉＧｅ）、単結晶または多結晶のＳｉ、またはこれらの多層の組み合わせを含む、ＳｉまたはＳｉ含有材料からなるが、これらに制限されない。好ましい実施例では、キャップ層１８は、エピＳｉで構成される。層１６および層１８が同じ反応室内で形成されてもよいし、または形成されなくてもよいことに注意すべきである。
【００３９】
存在するならば任意キャップ層１８は、約１〜約１００ｎｍの厚さ（約１〜約３０ｎｍの厚さが最も好ましい）を有する。任意キャップ層１８は、上述したエピタキシャル成長方法を含み、周知の付着方法を利用して形成される。
【００４０】
本発明の一実施では、Ｓｉ含有基板１０の表面の上に約１〜約２０００ｎｍの厚さを有する純ＧｅまたはＳｉＧｅ合金（１５〜２０原子パーセントのＧｅ）層１６を形成し、その後、ＧｅまたはＳｉＧｅ層の上に約１〜約１００ｎｍの厚さを有するＳｉキャップ層１８を形成することが好ましい。
【００４１】
注入されたＳｉ含有基板の上にＧｅ含有層１６（および任意キャップ層１８）を形成した後、基板は、次に、表面Ｓｉ含有層、Ｇｅ含有層および存在するならば任意Ｓｉキャップ層１８に渡ってＧｅの相互拡散を可能にする温度で加熱、すなわちアニールされ、それによって、加熱工程の間に同様に形成されるバリア層２２の上に、十分に格子緩和された単結晶ＳｉＧｅ層２０を形成する。図１（ｃ）は、本発明の加熱工程が行われた後に形成される構造を示す。酸化膜層２４が、加熱工程の間に層２０の上に形成されることに注意すべきである。この酸化膜層は、一般に（常にというわけではないが）、ＳｉＧｅと比較して、酸化膜を除去することに対して高選択性を有するＨＦのような化学エッチング液が用いられる従来のウェット・エッチング方法を用いて、加熱工程後に構造から除去される。
【００４２】
酸化膜層が除去されると、単結晶Ｓｉ層が層２０の上に形成され、本発明の上述した処理工程が多数回繰り返されて、多層の格子緩和されたＳｉＧｅ基板材料を製造することに注意すべきである。
【００４３】
本発明の加熱工程の後に形成される酸化膜層２４は、約１０〜約１０００ｎｍの範囲にわたる種々の厚さ（約２０〜約５００ｎｍの厚さが最も好ましい）を有する。
【００４４】
特に、本発明の加熱工程は、約９００℃〜約１３５０℃の高温（約１２００℃〜約１３３５℃の温度が最も好ましい）で行われるアニール工程である。さらに、本発明の加熱工程は、少なくとも１つの酸素含有ガス、例えばＯ2 ，ＮＯ，Ｎ2 Ｏ，オゾン，空気および他の同様の酸素含有ガスを含む酸化雰囲気中で行われる。酸素含有ガスは、互いに混合されても良いし（例えばＯ2 とＮＯの混合物）、またはガスは、Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ2 ，Ｘｅ，ＫｒまたはＮｅのような不活性ガスで希釈されても良い。
【００４５】
加熱工程は、一般に約１０〜約１８００分の範囲にわたる種々の期間（約６０〜約６００分の期間が最も好ましい）行われても良い。加熱工程は、１つの目標温度で行われても良く、または種々のランプ（ｒａｍｐ）速度およびソーク（ｓｏａｋ）回数を用いる種々のランプおよびソーク（ｓｏａｋ）サイクルが使用できる。
【００４６】
加熱工程は、Ｇｅ原子に対して拡散バリアとして作用する表面酸化膜層、すなわち層２４の存在を実現するために、酸化雰囲気下で行われる。したがって、酸化膜層２４が、構造の表面に形成されると、Ｇｅはバリア層２２と酸化膜層２４の間にトラップされる。表面酸化膜は厚さが増加すると、Ｇｅは、層１４、層１６および任意の層１８に渡って更に均一に分布するが、連続的にかつ効率的に酸化膜層に侵入することを阻止される。そこで、この加熱工程の間に（現在均一化されている）層が薄くなるにつれて、相対的なＧｅ割合は増加する。加熱工程が、希釈された酸素含有ガス中で約１２００℃〜１３２０℃の温度で行われると、効率的な熱混合が、本発明で実現される。
【００４７】
ＳｉＧｅ層の溶融点に基づく、適合した熱サイクルを使用することがここでも意図されている。このような場合、温度は、ＳｉＧｅ層の溶融点より低い範囲に調整される。
【００４８】
酸化があまりにも急速に起こるならば、Ｇｅは、充分に早く表面酸化膜／ＳｉＧｅ界面から離れたところまで拡散できず、Ｇｅが酸化膜を通って運ばれ（Ｇｅは失われる）か、または、合金溶融温度に達するほどＧｅの界面濃度が極めて高くなることに注意すべきである。
【００４９】
本発明の高温加熱工程の役割は、（１）Ｓｉ含有基板内のＧｅ拡散を妨げるバリア層２２を形成すること、（２）アニールの間に均一な分布を維持しながらＧｅ原子が更に急速に拡散できるようにすること、（３）最初の層構造に、平衡構成になることを容易にする熱供給を行うことである。この加熱工程が行われた後、構造は、バリア層２２と表面酸化膜層２４との間に挟まれた、均一で十分に格子緩和されたＳｉＧｅ合金層、すなわち層２０を含む。
【００５０】
本発明によれば、十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層２０は、約２０００ｎｍ以下の厚さ（約１０〜約１００ｎｍの厚さが特に好ましい）を有する。本発明のアニール工程の間に形成されたバリア層２２は、約５００ｎｍ以下の厚さ（約５０〜約２００の厚さが特に好ましい）を有する。本発明において形成される、十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層２０が、従来のＳｉＧｅバッファ層よりも薄く、約５×１０7 欠陥／ｃｍ2 より小さい不整合およびＴＤを含む欠陥密度を有することに注意すべきである。この欠陥密度値は、現在のＳＧＯＩ材料の公表されている値に近い。
【００５１】
本発明において形成される、十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層２０は、約０．１〜約９９．９原子パーセントの最終Ｇｅ含有量（約１０〜約３５原子パーセントのＧｅが特に好ましい）を有する。十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層２０のもう一つの特徴は、約１〜約１００％の測定された格子緩和（約５０〜約８０％の測定された格子緩和が特に好ましい）を有することである。
【００５２】
上述したように、表面酸化膜層２４は、例えば図２（ｄ）に示すＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を与えるために本発明のこの時点で剥離される（キャップ層が格子緩和されたＳｉＧｅ層の形成に使用されたので、基板材料がキャップ層を含まないことに注意すべきである）。
【００５３】
図２は、パターニングされたバリア層が形成される本発明の実施例を示す。本発明のこの実施例では、図２（ａ）に示されるような、マスクされたイオン注入工程が行われる。図２（ａ）では、参照番号１５は、本発明のこの実施例で使用される注入マスクを示す。図２（ａ）に示される注入マスクは、当業者に周知の従来技術を用いて形成される。注入マスク１５は、図２（ａ）に示される注入工程後に除去されてもよいが、Ｇｅ含有層１６を形成している間、構造に残っていてもよい（図２（ｂ）参照）。Ｇｅ含有層１６の形成後、マスク１５は、本発明のこの時点で除去されてもよい。注入マスクの除去は、当業者に周知の従来の剥離方法を用いて行われる。図２（ｃ）は、加熱工程後の構造を示し、図２（ｄ）は、酸化膜層２４の除去後の構造を示す。注入マスクが全処理の間中、構造に残っていてもよいことに注意すべきである。
【００５４】
図４は、図１（ｄ）および図２（ｄ）のＳｉＧｅ層２０の上にそれぞれＳｉ層２６を形成した後に得られる構造を示す。Ｓｉ層２６は、周知の従来のエピタキシャル付着方法を用いて形成される。エピＳｉ層２６の厚さは、さまざまであっても良いが、一般にエピＳｉ層２６は、約１〜約１００ｎｍの厚さ（約１〜約３０ｎｍの厚さが特に好ましい）を有する。
【００５５】
幾つかの例では、追加のＳｉＧｅが、上述した処理工程を利用して、十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層２０の上に形成でき、その後にエピＳｉ層２６が形成できる。層２０が、エピ層２６と比較して大きな面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）格子パラメータを有するので、エピ層２６は、引っ張り歪みを生じるであろう。
【００５６】
上述したように、本発明は、また、本発明のＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を少なくとも含む超格子構造および格子間不整合構造を意図している。超格子構造の場合には、このような構造は、本発明の十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料と、基板材料の十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に形成されるＳｉとＳｉＧｅの交互層とをを少なくとも含む。
【００５７】
格子間不整合構造の場合には、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の化合物が、本発明のＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料の十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に形成される。
【００５８】
図５は、本発明の方法を用いて形成される十分に格子緩和された（表面酸化膜を剥離した）ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料の実際のＳＥＭ像である。特に、図５に示されるＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料は、上述した範囲内に入る注入条件を用いてＳｉ含有ウエハに酸素イオンを最初に注入することによって作製された。次に６０ｎｍ−１７％ＳｉＧｅ合金層を、注入されたＳｉ含有基板の上に成長させ、その後、１つのアニール／酸化が、Ａｒ−Ｏ2 雰囲気で、１３２０℃で行われた。この像では、最上部（黒）領域は、サンプルの上の領域（ＳＥＭ室）である。
【００５９】
最初の薄灰色層はＳＧＯＩ層であり、その下に、高温工程の間に形成された埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ）である濃い灰色帯がある。ＢＯＸの下の薄灰色層は、Ｓｉ基板である。Ｘ線回折は、ＳｉＧｅ層（９４．２ｎｍ）が４原子％のＧｅを含み、９２％格子緩和されたことを示した。埋め込み酸化膜は、約４７．１０ｎｍの厚さを有し、連続しており、かつ良好に形成された。
【００６０】
要するに、ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料は、高温ＳＩＭＯＸアニールの利点と、ＳｉＧｅオン・インシュレータを形成するＧｅ拡散および分離方法の簡便さとを併せ持つ統合方法としての本発明で形成される。
【００６１】
本発明を、好ましい実施例について特に示し、かつ説明したが、本発明の範囲と趣旨を逸脱することなく、形態および細部において上述の変更および他の変更を行うことが可能であることは、当業者には分かるであろう。したがって、説明され、かつ示された正確な形態および細部に本発明が制限されないことを意図している。
【００６２】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）十分に格子緩和された高品質ＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する方法において、
Ｇｅの拡散バリアの働きをするのに充分なイオン濃度を有する注入リッチ領域を形成するためにＳｉ含有基板にイオンを注入する工程を含み、前記注入リッチ領域は、その上にＳｉ含有基板の表面層が配置され、
注入されたＳｉ含有基板の上にＧｅ含有層を形成する工程を含み、
（ｉ）拡散バリア層の形成と、（ｉｉ）前記Ｇｅ含有層、および注入リッチ領域の上に配置されるＳｉ含有基板の前記表面層に渡るＧｅの相互拡散とを可能にする温度で基板を加熱する工程を含み、これにより前記拡散バリア層の上に十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層を形成する、製造方法。
（２）前記注入イオンは、酸素イオン，窒素イオン，ＮＯイオン，不活性ガスまたはこれらの混合物を含む上記（１）に記載の製造方法。
（３）前記注入イオンは、酸素イオンを含む上記（１）に記載の製造方法。
（４）前記注入する工程は、ブランケット注入処理またはマスクされた注入処理を含む上記（１）に記載の製造方法。
（５）前記注入する工程は、約４×１０17／ｃｍ2 以上のイオン・ドーズを用いて行われる高ドーズ・イオン注入処理を含む上記（１）に記載の製造方法。
（６）前記高ドーズ・イオン注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度および約１５０〜約１０００ｋｅＶのエネルギーで作動するイオン注入装置内で行われる上記（５）に記載の製造方法。
（７）前記高ドーズ・イオン注入処理は、約２００℃〜約８００℃の温度で行われる上記（５）に記載の製造方法。
（８）前記高ドーズ・イオン注入処理は、ベース・イオン注入工程の後に続いて約４Ｋ〜約２００℃の温度で行われる更なるイオン注入工程を含む上記（５）に記載の製造方法。
（９）前記更なるイオン注入工程は、約０．０５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度で、約１×１０14〜約１×１０16／ｃｍ2 のイオン・ドーズ、約４０ｋｅＶ以上のエネルギーを用いて行われる上記（８）に記載の製造方法。
（１０）前記注入する工程は、約４×１０17／ｃｍ2 以下のイオン・ドーズを用いて行われる低ドーズ・イオン注入処理を含む上記（１）に記載の製造方法。
（１１）前記低ドーズ・イオン注入は、約０．０５〜約５００ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度および約４０〜約１００００ｋｅＶのエネルギーで作動するイオン注入装置内で行われる上記（１０）に記載の製造方法。
（１２）前記低ドーズ・イオン注入処理は、約１００℃〜約８００℃の温度で行われる上記（１０）に記載の製造方法。
（１３）前記低ドーズ・イオン注入処理は、ベース・イオン注入工程の後に続いて約４Ｋ〜約２００℃の温度で行われる更なるイオン注入工程を含む上記（１０）に記載の製造方法。
（１４）前記更なるイオン注入工程は、約０．０５〜約１０ｍＡ／ｃｍ2 のビーム電流密度で、約１×１０14〜約１×１０16／ｃｍ2 のイオン・ドーズ、約４０ｋｅＶ以上のエネルギーを用いて行われる上記（１３）に記載の製造方法。
（１５）前記Ｇｅ含有層は、ＳｉＧｅ合金層または純Ｇｅである上記（１）に記載の製造方法。
（１６）前記Ｇｅ含有層は、最大９９．９９原子パーセントのＧｅからなるＳｉＧｅ合金層である上記（１）に記載の製造方法。
（１７）前記Ｇｅ含有層は、減圧化学気相成長、常圧化学気相成長、超高真空化学気相成長、分子線エピタキシおよびプラズマ化学気相成長からなるグループから選択されるエピタキシャル成長処理によって形成される上記（１）に記載の製造方法。
（１８）前記加熱する工程の前に前記Ｇｅ含有層の上にＳｉキャップ層を形成する工程を更に含む上記（１）に記載の製造方法。
（１９）前記Ｓｉキャップ層は、エピＳｉ、エピＳｉＧｅ、ａ：Ｓｉ、ａ：ＳｉＧｅ、単結晶または多結晶Ｓｉ、またはこれらの多層の組み合わせを含む上記（１８）に記載の製造方法。
（２０）表面酸化膜層は、前記加熱する工程の間に形成される上記（１）に記載の製造方法。
（２１）ウエット化学エッチング処理を利用して前記表面酸化膜層を除去する工程を更に含む上記（２０）に記載の製造方法。
（２２）前記加熱する工程は、少なくとも１つの酸素含有ガスを含む酸化雰囲気中で行われる上記（１）に記載の製造方法。
（２３）不活性ガスを更に含み、前記不活性ガスが前記少なくとも１つの酸素含有ガスを希釈するために用いられる上記（２２）に記載の製造方法。
（２４）前記加熱する工程は、約９００℃〜約１３５０℃の温度で行われる上記（１）に記載の製造方法。
（２５）前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に追加のＳｉＧｅ層を成長する工程を更に含む上記（１）に記載の製造方法。
（２６）前記追加のＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層を形成する工程を更に含む上記（２５）に記載の製造方法。
（２７）前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に歪みＳｉ層を形成する工程を更に含む上記（１）に記載の製造方法。
（２８）Ｓｉ含有基板と、
前記Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、
前記絶縁領域の上に存在する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層とを備え、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約２０００ｎｍ以下の厚さおよび約５×１０7 原子／ｃｍ2 以下の欠陥密度を有する基板材料。
（２９）前記絶縁領域は、パターニングされ、またはパターニングされていない上記（２８）に記載の基板材料。
（３０）前記絶縁領域は、埋め込み酸化膜領域である上記（２８）に記載の基板材料。
（３１）前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約１〜約１００％の測定格子緩和を有する上記（２８）に記載の基板材料。
（３２）Ｓｉ含有基板と、
前記Ｓｉ含有基板の上に存在してＧｅ拡散を妨げる絶縁領域と、
前記絶縁領域の上に存在する十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層と、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層の上に形成される歪みＳｉ層とを備え、
前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約２０００ｎｍ以下の厚さおよび約５×１０7 原子／ｃｍ2 以下の欠陥密度を有するヘテロ構造。
（３３）前記絶縁領域は、パターニングされ、またはパターニングされていない上記（３２）に記載のヘテロ構造。
（３４）前記絶縁領域バリア層は、埋め込み酸化膜領域である上記（３２）に記載のヘテロ構造。
（３５）前記十分に格子緩和されたＳｉＧｅ層は、約１〜約１００％の測定格子緩和を有する上記（３２）に記載の基板材料。
（３６）前記歪みＳｉ層は、エピＳｉ層を含む上記３２に記載のヘテロ構造。
（３７）格子緩和されたＳｉＧｅと歪みＳｉの交互層は、前記歪みＳｉ層の上に形成される上記（３２）に記載のヘテロ構造
（３８）前記歪みＳｉ層は、ＧａＡｓとＧａＰからなるグループから選択される格子間不整合化合物で置き換えられる上記（３２）に記載のヘテロ構造。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する本発明において用いられる基本処理工程を示す断面図である。これらの図には、Ｇｅ拡散を妨げる、連続した、すなわちパターニングされていないバリア層が形成されている。
【図２】薄くて高品質で十分に格子緩和されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料を製造する本発明の他の実施例において用いられる基本処理工程を示す断面図である。これらの図には、Ｇｅ拡散を妨げる、パターニングされたバリア層が形成されている。
【図３】図１（ｂ）に示される構造および図２（ｂ）に示される構造に形成されるＧｅ含有層の上にＳｉキャップ層が形成される本発明の他の実施例を示す断面図である。
【図４】図１（ｄ）および図２（ｄ）の薄くて高品質で十分に格子緩和されたそれぞれのＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料の上の歪みＳｉ層の形成を示す断面図である。
【図５】本発明の処理工程を用いて形成されたＳｉＧｅオン・インシュレータ基板材料のＳＥＭ像を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  Ｓｉ含有基板
１２  イオン
１４  注入リッチ領域
１５  注入マスク
１６  Ｇｅ含有層
１８  任意キャップ層
２０  ＳｉＧｅ層
２２  バリア層
２４  酸化膜層
２６  エピＳｉ層
【図１】
2004363592.tif 000003
【図２】
2004363592.tif 000004
【図３】
2004363592.tif 000005
【図４】
2004363592.tif 000006
【図５】
2004363592.tif 000007