(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層を形成する工程を包含する半導体基板の製造方法であって、
上部表面を有するシリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、
該Ｓｉ基板の上部表面上の下部表面と、所定の厚さと、上部表面とを有する歪みのある単結晶のＳｉ１−ｘＧｅｘ層を、Ｇｅの含有率ｘが厚さとともに増加する傾斜組成となるように成長させて、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程と、
該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に水素イオンを、該シリコン基板の上部に高濃度水素イオンを含むシリコン層が形成されるよう注入する工程と、
該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へＳｉおよびＧｅからなる群から選択される重イオンを注入して、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部を除く第１の領域をアモルファス化する工程と、
アニーリングを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶により、欠陥のない緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域が形成されるよう行う工程と
を含み、
該アニーリングを行う工程では、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶が生じるとともに、該高濃度水素イオンを含むシリコン層の水素イオンが、転位を該シリコン基板中に固定し、かつ単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域の歪み緩和を行うプレート状水素ボイドを形成する、半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程において、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を２５００〜５０００Åの範囲の厚さとする、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが０．０３〜０．５の範囲となるようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させる、請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項４】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが前記下部表面で０．０３〜０．１の範囲、Ｇｅの含有量ｘが前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の上部表面で０．３〜０．５の範囲となるようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させる、請求項３に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが、成長される層の厚さとともに増加するようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させるとともに、その増加が、直線的増加または段階的増加である、請求項３に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記水素イオンを注入する工程は、水素イオンを１×１０１６／ｃｍ２〜４×１０１６／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で４０ｋｅＶ〜８０ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記水素イオンを注入する工程は、水素イオンを前記Ｓｉ基板上部表面から３００Å〜１０００Åの範囲の深さに注入する、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項８】
前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入する工程は、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入する工程は、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｓｉ基板の近傍の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の第１の領域をアモルファス化する工程は、１００Å〜５００Åの範囲の厚さを有する該第１の領域上の単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部である第２の領域を形成する工程を含む、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１１】
前記アニーリングによって緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域を形成する工程は、前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部である第２の領域を種結晶層として使用して、該単結晶状態の第２の領域を前記アモルファス状態の第１の領域へ成長させる工程を含む、請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
前記アニーリング工程は、前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を６００〜１１００℃の範囲の温度で１０分〜６０分の範囲にわたって加熱する工程を含む、請求項１０に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、４０００Å〜１０，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、
前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、
Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、
Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程とを含む、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、４０００Å〜１０，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、
前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、
Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、
Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程とを含む、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、８０００Å〜１５，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、
前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、
Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、
Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程と、
Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で４００ｋｅＶ〜８００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程とを含む、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、８０００Å〜１５，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、
前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、
Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、
Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程と、
Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１０００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程とを含む、請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜を形成する方法を含有する半導体基板の製造方法であって、
上部表面を有するシリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、
該Ｓｉ基板の上部表面上の下部表面と、２５００Å〜５０００Åの範囲の厚さと、上部表面とが設けられて、Ｇｅ含有量ｘが、厚さとともに０．０３〜０．５の範囲で増加する傾斜組成の歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程と、
該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に水素イオンを注入して、該Ｓｉ基板に水素イオンを、該シリコン基板の上部に高濃度水素イオンを含むシリコン層が形成されるよう３００Å〜１０００Åの範囲の深さに注入する工程と、
ＳｉおよびＧｅからなる群から選択される重イオンを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入して、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部を除く第１の領域をアモルファス化する工程と、
アニーリングを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶により、欠陥のない緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域が形成されるよう行う工程と
を含み、
該アニーリングを行う工程では、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶が生じるとともに、該高濃度水素イオンを含むシリコン層の水素イオンが、転位を該シリコン基板中に固定し、かつ単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域の歪み緩和を行うプレート状水素ボイドを形成する、半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の製造方法および半導体基板に関する。より詳細には、本発明は、歪み緩和された再結晶化シリコンゲルマニウム膜、およびアモルファス化および再結晶化によってシリコン基板上に低欠陥密度の緩和されたシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層を形成する工程を包含する半導体基板の製造方法および半導体基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層は電子および正孔移動度がシリコンよりも高いので、シリコンゲルマニウム層を有する半導体基板を使用してトランジスタおよび集積回路を製造することが望ましい。このように、トランジスタ能動領域をシリコンゲルマニウム層上に形成すれば、高ドレイン駆動電流ＭＯＳトランジスタを製造することができる。シリコンおよびシリコンゲルマニウムの格子構造は類似するが、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）がシリコン（Ｓｉ）上に形成された場合は、例えば、１１０方向における格子不整合が重大な問題となる。
【０００３】
ＳｉＧｅは、下地のＳｉ基板上に２つの材料の構造が整合するように成長させることができる。しかし、引っ張り歪みのあるＳｉＧｅ層は安定でない。ＳｉＧｅをシリコン基板上に成長させる場合（歪成長として公知）、ＳｉＧｅ層は格子サイズがＳｉ格子サイズよりも大きいことによって歪みが生じることは周知である。ＳｉとＳｉＧｅとの界面では、格子サイズが一致しないために欠陥が高密度で生じる。後段のアニーリングなどの製造工程において、より多くの欠陥がＳｉＧｅとＳｉとの境界で生じ、ＳｉＧｅ層の表面に向かって上方へ伝播する。これらの欠陥によって、製造される半導体デバイス中の電子および正孔移動度が劣化する。
【０００４】
本発明者らはこの問題を解決するために、Ｇｅの含有率を厚さ方向に変化させた傾斜組成ＳｉＧｅ層を下地Ｓｉ基板上に堆積した。この傾斜組成の混成膜であるＳｉＧｅ層を、本明細書中では傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層と称する。下地Ｓｉ基板の界面近傍のＳｉ１−ｘＧｅｘ層は、格子整合するように、Ｇｅ含有率を低くして製造される。より薄く、完全に歪んだＳｉ１−ｘＧｅｘ層（Ｇｅ含有率は低い）では、上部の薄い層部分では低い欠陥密度を有し、上部表面は非常に滑らかである。層厚（膜厚）の増加、または、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中のＧｅ密度の増加によってＧｅ含有率の増加によって、不整合転位が生じて、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中の歪みが緩和される。これらの不整合転位は、高密度の貫通転位を伴う。貫通転位の多くは、エピタキシャル成長されるＳｉ１−ｘＧｅｘ層の表面へ伸長する。
【０００５】
歪み緩和された厚い傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層と、その上に積層された別の厚い緩衝されたＳｉ１−ｘＧｅｘ層およびシリコンキャップ層の積層体を使用して、高ドレイン駆動電流ＭＯＳトランジスタを製造することは公知である。全体の厚さは数ミクロンのオーダーであり、欠陥密度は、１×１０５／ｃｍ２のオーダーである。この従来のＳｉ１−ｘＧｅｘ製造工程の厚いＳｉ１−ｘＧｅｘ層および高欠陥密度は、大規模集積回路の製造には使用できない。
【０００６】
Ｓｉ上の歪みの緩和された高品位Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層は、水素イオン注入およびアニーリングによって得ることができる。水素イオン注入は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ界面のわずか下側に狭い欠陥バンドを形成する。後段のアニーリングの間に、プレート状の水素ボイドが形成され、Ｓｉ１−ｘＧｅｘエピ層に強い歪み緩和が生じる。また、水素イオンは貫通転位を停止するので、貫通転位がＳｉ１−ｘＧｅｘ層の表面へ伝播することを防止する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水素イオン注入／アニーリング単独では、厚さが２５０〜４００ナノメートル（ｎｍ）のＳｉＧｅ層を超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）用途のために製造する場合に、欠陥を許容な密度にまで低減することはできない。
【０００８】
欠陥なしに、より厚いＳｉＧｅ膜をシリコン基板上に製造できれば格別な効果が得られる。
【０００９】
Ｓｉ基板とそれの上のＳｉＧｅ膜との界面に沿う欠陥の数を低減するように水素イオン注入の概念を改善できれば格別な効果が得られる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アモルファス化工程、その後の水素イオン注入を伴ったＳｉ１−ｘＧｅｘの再結晶化工程によって、Ｓｉ１−ｘＧｅｘエピ層中の欠陥密度を最小化する方法を提供する。この方法は、２５０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さの緩和されたＳｉ１−ｘＧｅｘ膜を形成する際に欠陥密度を低くする。ここで、上部表面でのＧｅ含有率は３０％〜５０％にまでなる。低い欠陥密度、小さい膜厚、および高いＧｅ含有率は、大規模集積回路用途には好適である。
【００１１】
本発明の半導体基板の製造方法は、シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層を形成する工程を包含する半導体基板の製造方法であって、上部表面を有するシリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、該Ｓｉ基板の上部表面上の下部表面と、所定の厚さと、上部表面とを有する歪みのある単結晶のＳｉ１−ｘＧｅｘ層を、Ｇｅの含有率ｘが厚さとともに増加する傾斜組成となるように成長させて、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程と、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に水素イオンを、該シリコン基板の上部に高濃度水素イオンを含むシリコン層が形成されるよう注入する工程と、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へＳｉおよびＧｅからなる群から選択される重イオンを注入して、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部を除く第１の領域をアモルファス化する工程と、アニーリングを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶により、欠陥のない緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域が形成されるよう行う工程とを含み、該アニーリングを行う工程では、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶が生じるとともに、該高濃度水素イオンを含むシリコン層の水素イオンが、転位を該シリコン基板中に固定し、かつ単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域の歪み緩和を行うプレート状水素ボイドを形成する。
【００１４】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程において、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を２５００〜５０００Åの範囲の厚さとする。
【００１５】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが０．０３〜０．５の範囲となるようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させる。
【００１６】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが前記下部表面で０．０３〜０．１の範囲、Ｇｅの含有量ｘが前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の上部表面で０．３〜０．５の範囲となるようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させる。
【００１７】
前記歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、Ｇｅの含有量ｘが、成長される層の厚さとともに増加するようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させるとともに、その増加が、直線的増加または段階的増加である。
【００１８】
前記水素イオンを注入する工程は、水素イオンを１×１０１６／ｃｍ２〜４×１０１６／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で４０ｋｅＶ〜８０ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する。
【００１９】
前記水素イオンを注入する工程は、水素イオンを前記Ｓｉ基板上部表面から３００Å〜１０００Åの範囲の深さに注入する。
【００２０】
前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入する工程は、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する。
【００２１】
前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入する工程は、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する。
【００２２】
前記Ｓｉ基板の近傍の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の第１の領域をアモルファス化する工程は、１００Å〜５００Åの範囲の厚さを有する該第１の領域上の単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部である第２の領域を形成する工程を含む。
【００２３】
前記アニーリングによって緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域を形成する工程は、前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部である第２の領域を種結晶層として使用して、該単結晶状態の第２の領域を前記アモルファス状態の第１の領域へ成長させる工程を含む。
【００２４】
前記アニーリング工程は、前記傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を６００〜１１００℃の範囲の温度で１０分〜６０分の範囲にわたって加熱する工程を含む。
【００２５】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、４０００Å〜１０，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程とを含む。
【００２６】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、４０００Å〜１０，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程とを含む。
【００２７】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、８０００Å〜１５，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、前記重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程と、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で４００ｋｅＶ〜８００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程とを含む。
【００２８】
前記歪みを有する単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程は、８０００Å〜１５，０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含み、前記重イオンを該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中へ注入する工程は、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程と、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程と、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１０００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程とを含む。
【００３６】
また、本発明の半導体基板の製造方法は、シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）膜を形成する方法を含有する半導体基板の製造方法であって、上部表面を有するシリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、該Ｓｉ基板の上部表面上の下部表面と、２５００Å〜５０００Åの範囲の厚さと、上部表面とが設けられて、Ｇｅ含有量ｘが、厚さとともに０．０３〜０．５の範囲で増加する傾斜組成の歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を形成する工程と、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に水素イオンを注入して、該Ｓｉ基板に水素イオンを、該シリコン基板の上部に高濃度水素イオンを含むシリコン層が形成されるよう３００Å〜１０００Åの範囲の深さに注入する工程と、ＳｉおよびＧｅからなる群から選択される重イオンを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層へ注入して、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面部を除く第１の領域をアモルファス化する工程と、アニーリングを、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶により、欠陥のない緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域が形成されるよう行う工程とを含み、該アニーリングを行う工程では、該傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のアモルファス化した該第１の領域の固相再結晶が生じるとともに、該高濃度水素イオンを含むシリコン層の水素イオンが、転位を該シリコン基板中に固定し、かつ単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域の歪み緩和を行うプレート状水素ボイドを形成する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の半導体基板の製造方法において、シリコン基板上に、傾斜組成（グレーデッド）シリコンゲルマニウムの歪み緩和された層を製造する方法の第１の工程を例示する図である。半導体積層構造体１００は、シリコン基板１０２と、単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘの組成が傾斜変化した組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４とを有する。Ｓｉ１−ｘＧｅｘ組成変化層１０４は、下部表面１０６、上部表面１０８、および厚さ１１０を有する。組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の厚さ１１０は、２５００〜５０００Åの範囲である。ＳｉＧｅ／Ｓｉ界面１１１は、Ｓｉ基板１０２と組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１４の下部表面１０６との間に形成される。組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４は単結晶であり、下地のＳｉ基板１０２の格子によって引っ張り歪みが生じている。
【００３８】
参照符号１１２によって示すように、組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層のＧｅ含有率を示す値ｘは、組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の厚さとともに増加する。すなわち、Ｇｅ含有率ｘは、下部表面１０６よりも上部表面１０８に近いほうがより大きくなっている。一般に、Ｇｅ含有率を示す値ｘは０．０３〜０．５の範囲で変化する。より詳細には、Ｇｅ含有率を示す値ｘは、下部表面１０６では、０．０３〜０．１の範囲となり、組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の上部表面１０８では、０．３〜０．５の範囲となる。組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４のＧｅ含有率は、直線的に増加するか、または段階的に増加する。
【００３９】
図２は、図１のＳｉ基板１０２上の組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４をアモルファス化する工程を例示する。組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４に対して水素イオンを注入した後に、ＳｉまたはＧｅイオン注入のいずれかを行って、組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の一部をアモルファス化する（図２参照）。このようにして、Ｓｉ基板１０２上に、第１のアモルファス化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００が形成されるとともに、第１のアモルファス化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００上に単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘの第２層２０２が残る。また、Ｓｉ基板１０２の上部には、水素イオンが注入されて高密度水素イオンを有するＳｉ層２０４が形成される。このことは、以下の工程の説明においてより詳細に説明する。
【００４０】
図３は、図２の第１のアモルファス化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００をアニーリングする工程を例示する。アニーリングの間において、Ｓｉ１−ｘＧｅｘの単結晶領域を種層として使用して、固相エピタキシャル成長が、アモルファス化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００に生じる。
【００４１】
図４は、図３のＳｉ基板１０２上のＳｉ１−ｘＧｅｘ層のアニーリングの結果を例示する。Ｓｉ基板１０２は、高密度の水素イオンを有するＳｉ層４００を含む。高密度の水素イオンを有するＳｉ層４００の厚さ４０２は、３００〜１０００Åの範囲にある。高密度水素イオンを有するＳｉ層４００が、シリコン基板１０２上に形成されるといってもよい。高密度の水素イオンを有するＳｉ層４００上には、プレート状水素ボイド４０４が形成される。Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２０２は、プレート状水素ボイド４０４によって歪み緩和された単結晶構造とされる。プレート状水素ボイド４０４は、３００〜１０００Åの範囲の厚さ４０６を有する。
【００４２】
欠陥を低減する本発明の方法は、エピタキシャル成長される組成変化Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を、その層中のＧｅ含有率が臨界値をより低く保持するような厚さに成長させるので、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中に緩和は生じない。Ｇｅ含有率を示す値ｘの範囲は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｓｉ界面でのＳｉ１−ｘＧｅｘ層の下部で０．０５より低く、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の表面上で０．３〜０．５である。Ｇｅ濃度は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の厚さが増加すると直線的または段階的に増加する。ＳｉＧｅ層は緩和がないので、その上部表面は欠陥がない。
【００４３】
水素イオンは、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４へ適切なイオンエネルギーで注入されるので、注入されたイオンは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｇｅ界面１１１から約３０ｎｍ〜１００ｎｍの深さに達する。さらに、高ドーズ量のシリコンまたはゲルマニウムの重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４に注入して、エピタキシャル成長された傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をアモルファス化する。理想的には、上部１０ｎｍ〜５０ｎｍを除くＳｉ１−ｘＧｅｘ層１０４全体をアモルファス構造に変換する。さらに、複数のエネルギーイオンを注入することは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４が厚い場合に好ましい。高温度アニーリングの間、固相再結晶は、上部の欠陥のない高品質のＳｉ１−ｘＧｅｘ層２０２から、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｓｉ界面１１１へ向かって生じる。Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｓｉ界面１１１下の水素イオンは、プレート状水素ボイドおよび空隙を形成し、転位をＳｉ基板中に固定化する。
【００４４】
図５は、本発明の方法におけるシリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム膜を形成するための工程を例示するフローチャートである。この方法は、説明を簡単にするために番号付けされた工程の列として例示されるが、明示しない限り、番号付けは工程の順番を意味しない。これらの工程のいくつかはなくてもよいし、並列的に行うか、または厳格に順番にしたがわずに行ってもよいことが理解されるべきである。
【００４５】
この方法は、まず、ステップ５００で開始される。ステップ５０２は、上部表面を有するシリコン（Ｓｉ）基板１０２（図２参照）を提供する。ステップ５０４は、歪みのある傾斜組成の（グレーデッド）単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４を成長させる。この傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４は、Ｓｉ基板１０２の上部表面上の下部表面１０６、および上部表面１０８を有する。ここで、Ｇｅの含有率（濃度）を示すｘは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の厚さとともに増加する。
【００４６】
ステップ５０６で、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４に水素イオンを注入する。ステップ５１０で、重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４へ注入する。ステップ５１２で、重イオン注入に応じて、Ｓｉ基板１０２近傍のＳｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の第１領域をアモルファス化する。ステップ５１４で、アニーリングを行う。ステップ５１６で、アニーリングに応じて、Ｓｉ基板１０４とＳｉ１−ｘＧｅｘ層１０４との間にプレート状水素ボイド４０４（図４参照）を形成する。ステップ５１８で、アニーリングに応じて、プレート状水素ボイド４０４の下に、高密度の水素を有するシリコン層４００を形成する。ステップ５２０で、アニーリングに応じて、欠陥のない、緩和された単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２０２を形成する。
つまり、図５における水素イオンの注入工程（ステップ５０６）では、水素イオンの注入により、高密度水素イオンを有するシリコン層２０４が形成され、さらに、その後のステップ５１８では、アニーリングにより、水素イオンの注入により形成された高密度水素イオンを有するシリコン層２０４が、高密度水素イオンを有するシリコン層４００に変化する。
【００４７】
本方法のいくつかの局面において、ステップ５０４で歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４を成長させる工程は、２５００〜５０００Åの範囲にある厚さを有する傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を成長させる工程を含む。他の局面において、歪みのある単結晶の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を成長させる工程は、Ｇｅの含有量ｘが０．０３〜０．５の範囲になるように、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘを成長させる工程を含む。より詳細には、傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４を成長させる工程は、Ｇｅの含有量ｘが下部表面１０６で０．０３〜０．１の範囲となり、Ｇｅの含有量ｘが傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４上部表面１０８で０．３〜０．５の範囲となるようにＳｉ１−ｘＧｅｘを成長させる工程を含む。いくつかの局面において、Ｇｅの含有量を示す値ｘは、層厚とともに直線的に、あるいは、段階的に増加する。
【００４８】
本方法のいくつかの局面において、ステップ５０６での水素イオン注入工程は、１×１０１６／ｃｍ２〜４×１０１６／ｃｍ２のオーダーのドーズ量の水素イオンを４０，０００電子ボルト（ｅＶ）〜８０ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する工程を含む。また、ステップ５０６で水素イオンを注入する工程は、水素イオンをＳｉ基板１０４の上部表面から３００Å〜１０００Åの範囲の深さに注入する工程を含む。
【００４９】
本方法の１つの局面において、ステップ５１０で重イオンを傾斜Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４へ注入する工程は、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する工程を含む。あるいは、Ｇｅイオンは、１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する。
【００５０】
いくつかの局面において、ステップ５１２でＳｉ基板１０２の近傍の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の第１の領域２００をアモルファス化する工程は、１００Å〜５００Åの範囲の厚さを有する第１の領域上の単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘの第２の領域２０２を形成する工程を含む。アニーリングに応じて単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ領域２０２を形成する工程は、第２のＳｉ１−ｘＧｅｘ領域を種結晶層として使用して、単結晶第２領域２０２をアモルファス第１領域２００へ成長させる工程を含む。
【００５１】
本方法のいくつかの局面において、アニーリングは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を６００〜１１００℃の範囲の温度で１０分〜６０分の範囲の時間にわたって加熱する工程を含む。
【００５２】
上記のように、複数のエネルギーイオン注入は、ＳｉＧｅ膜が厚くなっているほうが好ましい。例えば、ステップ５０４は、４０００Å〜１０，０００Åの範囲の厚さを有する傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４を堆積する工程を含み、次いで、ステップ５１０で、重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４中へ注入する工程はサブステップを含む。ステップ５１０ａは、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程である。ステップ５１０ｂは、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程である。あるいは、ステップ５１０ａは、Ｇｅイオンを、１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程である。ステップ５１０ｂは、Ｇｅイオンを、１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程である。
【００５３】
さらに厚い膜を用いて、３段階注入工程が使用される。例えば、ステップ５０４が、８０００Å〜１５，０００Åの範囲の厚さを有する傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４を堆積する工程を含む。重イオンを傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４へ注入するステップ５１０は、他のサブステップを含む。ステップ５１０ｃは、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程である。ステップ５１０ｄは、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で２００ｋｅＶ〜４００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程である。ステップ５１０ｅは、Ｓｉイオンを２×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で４００ｋｅＶ〜８００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程である。
【００５４】
３段階注入工程の他の例として、ステップ５１０ｃは、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１００ｋｅＶ〜５００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第１の注入工程である。ステップ５１０ｄは、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で６００ｋｅＶ〜１０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第２の注入工程である。ステップ５１０ｅは、Ｇｅイオンを１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２のオーダーのドーズ量で１０００ｋｅＶ〜２０００ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入する第３の注入工程である。
【００５５】
シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム膜、およびシリコン基板上に傾斜組成シリコンゲルマニウムの緩和された層を有する膜構造体を形成するための方法が提供された。エネルギーレベル、ドーズ量などが特定された製造工程のいくつかの例を記載した。これらは単に例示のためのものであり、他の均等な製造工程を使用して同じ結果が得られることが理解されるべきである。本発明の他の変形例および実施形態が当業者によって想定される。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の半導体基板の製造方法は、このように、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層中の欠陥密度を最小化することができ、製造される半導体基板は、大規模集積回路に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、シリコン基板上に傾斜組成シリコンゲルマニウムからなる緩和された層を製造する方法の第１の工程を例示する図である。
【図２】図１のＳｉ基板上の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をアモルファス化する工程を例示する図である。
【図３】図２のアモルファス化された傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をアニーリングする工程を例示する図である。
【図４】図３のＳｉ基板上の傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をアニーリングした結果を例示する図である。
【図５】シリコン基板上に単結晶シリコンゲルマニウム膜を形成するための本発明の方法を例示するフローチャートである。
【符号の説明】
１００  半導体積層構造体
１０２  シリコン基板
１０４  傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層
１０６  傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の下部表面
１０８  傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の上部表面
１１０  傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層１０４の厚さ
１１１  ＳｉＧｅ／Ｇｅ界面
１１２  Ｇｅ含有率が増加する方向
２００  第１アモルファス化傾斜組成Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層
２０２  第２Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層
２０４、４００  高密度水素を有するシリコン層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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