(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層を形成する分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、
シリコン基板上に単結晶シリコンバッファ層を設ける工程と、
該単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程と、
該単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程と、
少なくとも該単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層をアニーリングする工程と、
該アニーリングに反応して該単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に転化させる工程とを含む緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．２よりも大きい）を堆積する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項３】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．０３〜０．５０の範囲で変化する）を堆積する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項４】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは、該単結晶シリコンバッファ層界面では０．０３〜０．２の範囲で、該Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の上面では０．２〜０．５の範囲であり、層の厚さの増加とともに、線形または段階的に増加する）を堆積する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項５】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘの値は、層の厚さの増加とともに、線形または段階的に増加する）を堆積する工程を含む請求項３に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項７】
前記単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、４００℃〜６００℃の範囲の温度で、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をエピタキシャル成長させる工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項８】
前記単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程は、該単結晶シリコンバッファ層に１００Å〜３００Åの射影範囲で、イオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項９】
前記単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程は、２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１６／ｃｍ２の範囲のドーズ量および１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲のエネルギーでイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程を含む請求項８に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１０】
前記アニーリングする工程の前に、前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程をさらに含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１１】
前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、前記イオン化分子水素（Ｈ２＋）の注入の前に該種元素の注入を行う工程を含む請求項１０に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１２】
前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、前記イオン化分子水素（Ｈ２＋）の注入の後に該種元素の注入を行う工程を含む請求項１０に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１３】
前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、ＨｅおよびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、１×１０１２／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２の範囲のドーズ量で注入を行う工程を含む請求項１０に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１４】
前記注入の前に前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層上に犠牲酸化シリコン層を形成する工程と、
該注入の後に該犠牲酸化シリコン層を除去する工程とをさらに含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１５】
前記アニーリングする工程は、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、アニーリングする工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１６】
前記アニーリングする工程は、２５０℃の温度で、１０分間、低温アニーリングする工程と、
６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、高温アニーリングする工程とを含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１７】
前記アニーリングする工程は、真空、窒素、アルゴンおよびこの他の不活性ガスを含む群から選択された雰囲気中でアニーリングする工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１８】
前記アニーリングする工程の後に、前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程をさらに含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項１９】
前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程は、１０００Åよりも厚いさらなる層を堆積する工程を含む請求項１８に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２０】
前記アニーリングする工程の後に、前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に引張り歪単結晶Ｓｉ層を設ける工程をさらに含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２１】
前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に引張り歪単結晶Ｓｉ層を設ける工程は、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する引張り歪単結晶Ｓｉ層を堆積する工程を含む請求項２０に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２２】
前記シリコン基板上に単結晶シリコンバッファ層を設ける工程は、５０Å〜１０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ層を堆積する工程を含む請求項１に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２３】
ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層を形成する緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、
シリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、
該シリコン基板上に、５０Å〜１０００Åの範囲の厚さを有する単結晶シリコンバッファ層を設ける工程と、
該単結晶シリコンバッファ層上に、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有する歪単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層（ここで、ｘは０．２よりも大きい）を設ける工程と、
該単結晶シリコンバッファ層に２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１６／ｃｍ２の範囲のドーズ量で、イオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程と、
６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、少なくとも歪単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層をアニーリングする工程と、
該アニーリングに反応して、該歪単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を緩和単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に転化させる工程とを含む緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２４】
前記アニーリングする工程の前に、前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を１×１０１２／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２の範囲のドーズ量で注入する工程をさらに含む請求項２３に記載の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法。
【請求項２５】
前記アニーリングする工程の後に、前記緩和単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する引張り歪Ｓｉ層をエピタキシャル成長させる工程をさらに含む請求項２３に記載の緩和ＳｉＧｅ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、半導体層の製造方法に関し、より詳細には、シリコン基板上にゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム膜を形成する分子水素注入法を用いた緩和シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高移動度ＭＯＳＦＥＴデバイスの用途では、厚い緩和シリコン（Ｓｉ）ゲルマニウム（Ｇｅ）層を薄い歪Ｓｉ層の基板として用いることにより、ＮＭＯＳデバイスおよびＰＭＯＳデバイスの両方のキャリア移動度を増加させてきた。バルクＳｉデバイスと比較して、７０ナノメートル（ｎｍ）よりも短いチャネル長を有するデバイスでは、電子移動度が最大で７０％増加したことが報告されている。長チャネルデバイスでも、高電界ホール移動度が最大で４０％増加したことが判っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、厚膜勾配ＳｉＧｅ法では、数ミクロンオーダーのＧｅ濃度勾配を持ったＳｉＧｅ膜を堆積することで引っ張り応力を膜自体に吸収させて緩和するものである。高質の緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘバッファ層（ここでは、Ｓｉ１−ｘＧｅｘはＧｅ含有量が変化するシリコンゲルマニウム膜を表わす）は、数ミクロン（μｍ）の厚さの組成勾配層（compositionally graded layer）を成長させることにより形成される。しかしながら、界面にミスフィット転位の発生しない条件ではＳｉＧｅ膜厚は数ミクロンオーダーの膜厚が必要でＳｉＧｅデポコストが大きく、形成された膜の貫通転位密度は依然として高い（通常、＞１０６／ｃｍ２）。さらに、数ミクロンの厚さのＳｉ１−ｘＧｅｘ膜をデバイスに組み込む製造法は、現実的ではなかった。
【０００４】
また、緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、Ｓｉ上の歪ＳｉＧｅ層を効率良く緩和させるために、代替的な方法が開発されてきた。歪ＳｉＧｅ層を形成後、歪ＳｉＧｅ層を緩和するために水素の注入を伴う水素注入法は全て、イオン化原子水素（Ｈ＋）を用いてきた。歪ＳｉＧｅ層への水素イオン注入後、それに続くアニールで歪を緩和する。
【０００５】
しかしながら、注入水素欠陥がミスフィット界面の転位を終端するように作用して、貫通転位を抑制できる（〜１０４／ｃｍ２）。この水素注入プロセスは、水素注入ドーズ量が１〜４×１０１６／ｃｍ２必要で、長時間を要するために高価である。その後にアニーリングを行うヘリウムの注入もまた、ＳｉＧｅ膜の歪緩和を促進するために研究されてきた。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、緩和ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉチャネル基板の製造方法において、水素イオン注入による歪ＳｉＧｅへの緩和の際のイオン注入処理時間を低減してコスト低減することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法は、ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層を形成する分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、シリコン基板上に単結晶シリコンバッファ層を設ける工程と、該単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程と、該単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程と、少なくとも該単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層をアニーリングする工程と、該アニーリングに反応して該単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に転化させる工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【０００８】
また、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．２よりも大きい）を堆積する工程を含む。
【０００９】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．０３〜０．５０の範囲で変化する）を堆積する工程を含む。
【００１０】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは、該単結晶シリコンバッファ層界面では０．０３〜０．２の範囲で、該Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の上面では０．２〜０．５の範囲であり、層の厚さの増加とともに、線形または段階的に増加する）を堆積する工程を含む。
【００１１】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、勾配Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘの値は、層の厚さの増加とともに、線形または段階的に増加する）を堆積する工程を含む。
【００１２】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含む。
【００１３】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層を設ける工程は、４００℃〜６００℃の範囲の温度で、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をエピタキシャル成長させる工程を含む。
【００１５】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程は、該単結晶シリコンバッファ層に１００Å〜３００Åの射影範囲で、イオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程を含む。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンバッファ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程は、２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１６／ｃｍ２の範囲のドーズ量および１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲のエネルギーでイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程を含む。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程の前に、前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程をさらに含む。
【００１８】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、前記イオン化分子水素（Ｈ２＋）の注入の前に該種元素の注入を行う工程を含む。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、前記イオン化分子水素（Ｈ２＋）の注入の後に該種元素の注入を行う工程を含む。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層にボロン、ＨｅおよびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、１×１０１２／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２の範囲のドーズ量で注入を行う工程を含む。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、注入の前に前記単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層上に犠牲酸化シリコン層を形成する工程と、該注入の後に該犠牲酸化シリコン層を除去する工程とをさらに含む。
【００２３】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程は、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、アニーリングする工程を含む。
【００２４】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程は、２５０℃の温度で、１０分間、低温アニーリングする工程と、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、高温アニーリングする工程とを含む。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程は、真空、窒素、アルゴンおよびこの他の不活性ガスを含む群から選択された雰囲気中でアニーリングする工程を含む。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程の後に、前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程をさらに含む。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程は、１０００Åよりも厚いさらなる層を堆積する工程を含む。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程の後に、前記緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に引張り歪単結晶Ｓｉ層を設ける工程をさらに含む。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法における緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に引張り歪単結晶Ｓｉ層を設ける工程は、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する引張り歪単結晶Ｓｉ層を堆積する工程を含む。
【００３１】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、シリコン基板上に単結晶シリコンバッファ層を設ける工程は、５０Å〜１０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ層を堆積する工程を含む。
【００３２】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法は、ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層を形成する緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、シリコン（Ｓｉ）基板を提供する工程と、該シリコン基板上に、５０Å〜１０００Åの範囲の厚さを有する単結晶シリコンバッファ層を設ける工程と、該単結晶シリコンバッファ層上に、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有する歪単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層（ここで、ｘは０．２よりも大きい）を設ける工程と、該単結晶シリコンバッファ層に２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１６／ｃｍ２の範囲のドーズ量で、イオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程と、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、少なくとも歪単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層をアニーリングする工程と、該アニーリングに反応して、該歪単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を緩和単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層に転化させる工程とを含むものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００３３】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程の前に、前記Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を１×１０１２／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２の範囲のドーズ量で注入する工程をさらに含む。
【００３４】
さらに、好ましくは、本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法において、アニーリングする工程の後に、前記緩和単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する引張り歪Ｓｉ層をエピタキシャル成長させる工程をさらに含む。
【００３５】
上記構成により、以下、その作用を説明する。
【００３６】
高速ＭＯＳＦＥＴ用途に用いられる引張り歪Ｓｉ膜（tensile strained Sifilm）の基板層として、２０〜３０％よりも多い、高いＧｅ含有量を有する厚くて（１００〜５００ｎｍ）平滑な緩和ＳｉＧｅ膜が製造される。上述したように、原子水素（Ｈ＋）注入は、このような膜を製造するために有効であるが、この原子水素（Ｈ＋）注入プロセスは、必要な処理時間が長くなるため、非常に高価である。これに対して、本発明にあっては、注入イオンを水素原子イオン（Ｈ＋）から個別にイオン化された分子水素（Ｈ２＋）に代え、これをＳｉＧｅ膜の歪緩和に用いることにより、注入プロセスが２倍のエネルギー（注入機の設定エネルギーを２倍）および半分の電流（注入量を１／２）で行われ得るため、原子イオン注入法の半分の処理時間で原子イオン注入法と同様の効果を確保できて、コスト低減できれる。これによって、ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層をシリコン基板上に形成する本発明の緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法が得られる。
【００３７】
また、ボロン（Ｂ）、ヘリウム（Ｈｅ）、シリコン（Ｓｉ）、または他の種を個別にイオン化された分子水素（Ｈ２＋）とともに注入することができれば、それらが絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）の製造に効果的である。
【００３８】
さらに、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長により堆積された歪ＳｉＧｅ膜を歪緩和するために、Ｈ２＋を単独か、またはボロン等の種元素と一緒に注入に用いることができれば有利である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図１は、本発明の分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。この製造方法は、明瞭さのために、番号が付与された一連の工程として示されているが、明示している場合を除いて、その番号が順序を表わすものではない。これらの工程のいくつかは、省略されるか、並行して実施されるか、または厳密に順序を保つ必要はなく実施され得る。本製造方法は、工程１００で開始される。
【００４１】
図１に示すように、工程１０２ではシリコン基板を提供する。
【００４２】
工程１０４ではそのシリコン基板上に単結晶シリコン（Ｓｉ）バッファ層（以下、単にＳｉバッファ層という）を堆積する。本発明のいくつかの局面では、工程１０４は、５０Å〜１０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ層を堆積する工程を含む。
【００４３】
工程１０６では、Ｓｉバッファ層上に単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層（以下、単にＳｉ１−ｘＧｅｘ層という）を堆積する。
【００４４】
工程１０７では、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に犠牲酸化シリコン層を形成する。この工程１０７は特になくてもよい。
【００４５】
工程１０８では、犠牲酸化シリコン層の上からまたは直にＳｉ１−ｘＧｅｘ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する。
【００４６】
工程１０９ａでは、ボロン、ＨｅまたはＳｉの何れかの種元素を注入する。この工程１０９ａも特になくてもよい。
【００４７】
工程１０９ｂでは、犠牲酸化シリコン層を除去する。この工程１０９ｂは犠牲酸化シリコン層を設けない場合には必要ない。
【００４８】
工程１１０ではアニーリングを行う。工程１１０の代わりに、工程１１０ａおよび工程１１０ｂを行ってもよい。工程１１０ａでは低温アニーリングを行う。工程１１０ｂでは高温アニーリングを行う。
【００４９】
工程１１２は、アニーリングに反応して、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を緩和（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層に転化させる。
【００５０】
工程１１４では、その上に更なるＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積させる。この工程１１４はなくてもよい。
【００５１】
工程１１６では、その上にシリコン（Ｓｉ）層を堆積させる。この工程１１６もなくてもよい。
【００５２】
ここで、更に詳細に説明する。本発明のいくつかの局面では、工程１０６のＳｉバッファ層上にＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程が、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．２よりも大きい）を堆積する工程を含む。他の局面では、Ｓｉバッファ層上にＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程が、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層（ここで、ｘは０．０３〜０．５の範囲で変化する）を堆積する工程を含む。より詳細には、ｘは、Ｓｉ層界面では０．０３〜０．２の範囲で変化し、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層の上面では０．２〜０．５の範囲で変化する。ｘの値は、線形または段階的に増加し得る層の厚さの増加とともに増加する。
【００５３】
また、本発明のいくつかの局面では、工程１０６のＳｉバッファ層上にＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程が、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有するＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程を含む。他の局面では、Ｓｉバッファ層上にＳｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程が、４００℃〜６００℃の範囲の温度で、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層をエピタキシャル成長させる工程を含む。工程１０６のいくつかの局面では、下側の単結晶Ｓｉバッファ層格子構造と整合する格子構造を有するＳｉ１−ｘＧｅｘ膜の歪層が形成される。
【００５４】
また、本発明のいくつかの局面では、工程１０８のＳｉ１−ｘＧｅｘ層にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程は、約１００Å〜３００Åの射影範囲で、下側にあるＳｉバッファ層にＨ２＋を注入する工程を包む。より詳細には、工程１０８は、２×１０１４／ｃｍ２〜２×１０１６／ｃｍ２の範囲のドーズ量および１０キロ電子ボルト（ｋｅＶ）〜１００ｋｅＶの範囲のエネルギーでＨ２＋を注入する工程を含む。
【００５５】
また、本発明のいくつかの実施形態では、任意の工程が実施される。工程１０９ａではアニーリング工程１１０の前に、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する。工程１０９ａは、イオン化分子水素の注入工程１０８の前、または工程１０８の後のいずれかに実施され得る。
【００５６】
工程１０９ａのＳｉ１−ｘＧｅｘ層にボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択された種元素を注入する工程は、１×１０１２／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２の範囲のドーズ量で注入する工程を含む。工程１０８および工程１０９には相関関係がある。工程１０８で注入されたＨ２＋のドーズ量は、ボロン、Ｈｅ、およびＳｉを含む群から選択され、注入された種元素（工程１０９ａ）のドーズ量の増加に応じて低減され得る。これと同様に、工程１０９ａの種元素のドーズ量は、工程１０８のＨ２＋のドーズ量を増加させることにより低減され得る。
【００５７】
また、本発明のいくつかの局面は、さらなる工程を含む。工程１０７は、注入工程（工程１０８または、工程１０８および工程１０９ａ）の前に、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上の犠牲酸化シリコン層を形成する。また、工程１１０のアニーリングの前に、工程１０９ｂとして工程１０８または、工程１０８および工程１０９ａの注入工程後に犠牲酸化シリコン層を除去する。
【００５８】
また、本発明のいくつかの局面では、工程１１０のアニーリング工程は、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、アニーリングする工程を含む。または、工程１１０のアニーリング工程は、次の工程１１０ａ，１１０ｂの各サブステップを含む。工程１１０ａは、約２５０℃の温度で、約１０分間、低温アニーリングする工程である。工程１１０ｂは、６５０℃〜１０００℃の範囲の温度で、０．１〜３０分間、高温アニーリングする工程である。通常、工程１１０は、真空、窒素、アルゴン、または他の不活性ガス等の雰囲気中で実施される。
【００５９】
また、本発明のいくつかの局面はさらなる工程を含む。工程１１４は、アニーリング（工程１１０）の後に、緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する。いくつかの局面では、工程１１６が、アニーリングの後に、緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上に引張り歪単結晶Ｓｉ層を堆積する。なお、工程１１４は工程１１６を行わない場合にも実施され得ることに留意されたい。同様に、工程１１６は、工程１１４を行わない場合にも実施され得る。あるいは、両方の工程が実施され得る。
【００６０】
また、本発明のいくつかの局面では、工程１１４の緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層を堆積する工程は、１０００Åよりも厚いさらなる層を堆積する工程を含む。また、本発明のいくつかの局面では、工程１１４は、下側のＳｉ１−ｘＧｅｘ層の格子構造と整合する格子構造を有する引張り歪Ｓｉ層をエピタキシャル成長させる工程を含む。工程１１６の緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層上にＳｉ層を堆積する工程は、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有するＳｉ層を堆積する工程を含む。
【００６１】
図２は、本発明の方法に従って製造される緩和ＳｉＧｅ膜を完成させる最初の工程を示す断面図であって、図１のＳｉ１−ｘＧｅｘ層形成工程までのデバイス構造の断面図である。
【００６２】
図２に示すように、シリコン基板２０２のＳｉ層上にＳｉバッファ層２０３を介して歪ＳｉＧｅ膜２００が設けられている。
【００６３】
本発明のいくつかの局面では、５０Å〜１０００Åのシリコンバッファ層２０３が、ＳｉＧｅ層２００下のシリコン基板２０２上に堆積される。ＳｉＧｅ層は、１０００Å〜５０００Åの厚さｔ１を有する。ＳｉＧｅ膜２００のＧｅ含有量は、最大３０％以上であり得る。または、勾配Ｇｅプロフィル（graded Ge profile）が用いられ得る。成長条件およびソースガスは、表面の粗さを最小化する一方で、良好な結晶性を確保するように選択される。低温成長（４００℃〜６００℃）が、準安定歪ＳｉＧｅ層２００（または準安定歪ＳｉＧｅ膜）を製造するために用いられ得る。
【００６４】
図３は、図１のＨ２＋注入工程時の状態を模式的に示すデバイス構造の断面図である。
【００６５】
図３に示すように、Ｓｉバッファ層２０３には、ボロン、Ｈｅ、またはＳｉ等の他の種元素とともに、または他の種元素を伴わずに、分子水素イオンＨ２＋が注入される。Ｈ２＋は、他の種元素の注入前後のいずれかに注入され得る。Ｈ２＋のドーズ量は、２ｅ１４／ｃｍ２（２×１０１４／ｃｍ２）〜２ｅ１６／ｃｍ２（２×１０１６／ｃｍ２）の範囲内であるが、ともに注入される種元素のドーズ量に依存する。他の種元素（例えば、ボロン、Ｈｅ、またはＳｉ）のドーズ量は、１ｅ１２／ｃｍ２〜１ｅ１５／ｃｍ２等の広範な範囲にわたって変化する。一般に、ともに注入される種元素のドーズ量が多いほど、Ｈ２＋のドーズ量は低減され得る。注入エネルギーは、ＳｉＧｅの厚さに依存し、同様の注入範囲となるように選択される。Ｈ２＋注入工程での汚染を避けるために、５０Å〜３００Åの範囲の厚さを有する薄い犠牲酸化シリコン（図示せず）が、ＳｉＧｅ層２００上に堆積され得る。
【００６６】
図４は、図１のアニーリング工程時の状態を示すデバイス構造の断面図である。
【００６７】
図４に示すように、図３の歪ＳｉＧｅ層２００に対する熱アニーリング工程により、歪ＳｉＧｅ層２００を緩和ＳｉＧｅ層２００Ａに転化させることができる。このアニーリングは６５０℃〜１０００℃の温度範囲で、アルゴン（Ａｒ）等の不活性環境中で実施される。または、低温プレアニーリングが、例えば２５０℃で１０分間用いられ、その後により高温のアニーリング処理が行われる。このアニーリング工程により、歪ＳｉＧｅ層２００を緩和ＳｉＧｅ層２００Ａとする一方で、平滑な表面を維持する。以上により緩和ＳｉＧｅ基板２０１が得られる。
【００６８】
図５は、図４の緩和ＳｉＧｅ層２００Ａ上に緩和ＳｉＧｅ層を任意に堆積した場合のデバイス構造の断面図である。
【００６９】
図５に示すように、図４の緩和ＳｉＧｅ層２００Ａ上に緩和ＳｉＧｅ層５００を更に設けている。この緩和ＳｉＧｅ層５００は１０００Åよりも厚い厚さｔ２を有している。これにより緩和ＳｉＧｅ基板５０１が得られる。
【００７０】
図６は、図４の緩和ＳｉＧｅ膜２００Ａ上に引張り歪Ｓｉ膜６００を任意に堆積した場合のデバイス構造の断面図である。
【００７１】
図６に示すように、図４の緩和ＳｉＧｅ層２００Ａ上に引張り歪Ｓｉ層６００を更に設けている。この引張り歪Ｓｉ層６００は、通常、５０Å〜３００Åの厚さｔ３を有している。これにより緩和ＳｉＧｅ基板６０１が得られる。
【００７２】
次に、本発明の効果を実証する実験結果について説明する。歪ＳｉＧｅ層２００内の歪応力を緩和させるために個別にイオン化された分子水素（Ｈ２＋）を使用することが、一連の実験で示された。即ち、歪ＳｉＧｅ層２００として、約３００ｎｍの厚さのＳｉＧｅ膜が、６インチのＳｉ（００１）ウエハ上にエピタキシャル成長させられて得られた。このＳｉＧｅ膜は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ界面での約２０％からウエハ表面での約３０％へと線形に変化する勾配Ｇｅプロフィルを有する。このようにして堆積されたＳｉＧｅ膜は、Ｓｉ基板と格子整合するように歪まされた。次いで、これらのウエハは、５８ｋｅＶ〜６６ｋｅＶのエネルギーで、１ｅ１６／ｃｍ２の分子水素Ｈ２＋イオンを注入された。最後に、ウエハが、アルゴン環境下において、温度８００℃で、９分間、アニーリング処理された。
【００７３】
そのウエハ表面のノマルスキー顕微鏡イメージ、およびＳｉ（２２４）基板のピーク近辺のＸ線回折（ＸＲＤ）逆格子空間マップが観察された。分子水素Ｈ２＋イオン注入が浅過ぎる場合には、そのＳｉＧｅ膜は、高度の格子緩和（Ｒ）を有するが、格子面は、良好には配向されておらず（広いＸＲＤピークを生じる）、その表面は粗くなる。より大きな注入エネルギーを用いると、そのＳｉＧｅ膜はなおもＲ＞８０％を有するが、表面の粗さは大きく減少する。さらに高い分子水素Ｈ２＋イオン注入エネルギーでは、そのＳｉＧｅ膜の緩和は幾分減少するが、表面は非常に平滑である。注入エネルギーおよびドーズ量を調整することにより、十分な格子緩和をもたらす一方で、良好な結晶性および平滑な表面を維持するという効果が得られた。
【００７４】
更なる種元素と共に、または更なる種元素を伴わずに、イオン化分子水素（Ｈ２＋）を用いて、Ｓｉ基板２０２上に緩和ＳｉＧｅ層２００Ａを形成する有用な緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法が提供された。本発明のいくつかのプロセスの詳細は、その一例として提供されている。しかしながら、本発明は、単に、これらの各例に限定されない。当業者は他の変形例および実施形態を想到することができる。
【００７５】
以上により、本実施形態によれば、ゲルマニウム含有量が高い緩和シリコンゲルマニウム層２００Ａをシリコン基板２０２上に形成する分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法が提供される。この緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法では、シリコン基板２０３上に単結晶シリコン（Ｓｉ）バッファ層２０３を堆積する工程、このＳｉバッファ層２０３上に、１０００Å〜５０００Åの範囲の厚さを有する単結晶シリコンゲルマニウム（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ）層２００を堆積する工程、下側にあるＳｉバッファ層２０３への射影範囲が約１００Å〜３００Åとなるように、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００にイオン化分子水素（Ｈ２＋）を注入する工程、任意で、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００にボロン、Ｈｅ、またはＳｉ等の選択された種元素を注入する工程、これをアニーリングする工程、ならびにアニーリングに反応して、Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００を緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００Ａに転化させる工程を含む。任意で、アニーリング後に、１０００Åよりも厚いさらなる単結晶Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層５００が緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層２００Ａ上に堆積されてもよい。これによって、水素イオン注入による歪ＳｉＧｅ層２００への緩和の際のイオン注入処理時間を大幅に低減してコストの低減を図ることができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、緩和ＳｉＧｅを用いた歪Ｓｉチャネル基板の製造方法において、水素イオン注入による歪ＳｉＧｅへの緩和の際のイオン注入処理時間を低減してコスト低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分子水素注入法を用いた緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図２】図１のＳｉ１−ｘＧｅｘ層形成工程までのデバイス構造の断面図である。
【図３】図１のＨ２＋注入工程時の状態を模式的に示すデバイス構造の断面図である。
【図４】図１のアニーリング工程時の状態を示すデバイス構造の断面図である。
【図５】図４の緩和ＳｉＧｅ層上に緩和ＳｉＧｅ層を任意に堆積した場合のデバイス構造の断面図である。
【図６】図４の緩和ＳｉＧｅ層上に引張り歪Ｓｉ層を任意に堆積した場合のデバイス構造の断面図である。
【符号の説明】
２０１，５０１，６０１    緩和ＳｉＧｅ基板
２０２    シリコン（Ｓｉ）基板
２０３    単結晶シリコン（Ｓｉ）バッファ層
２００    歪ＳｉＧｅ膜（歪Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層）
２００Ａ    緩和ＳｉＧｅ膜（緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層）
５００    緩和ＳｉＧｅ層（緩和Ｓｉ１−ｘＧｅｘ層）
６００    引張り歪Ｓｉ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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【図６】
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