JP2007288165A - Method for producing strain relaxation buffer layer and laminate having strain relaxation buffer layer - Google Patents
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Abstract
【課題】表面ラフネスを低く抑えることが可能な歪み緩和バッファー層の製造方法、及び、そのような歪み緩和バッファー層を備えた積層体を提供する。
【解決手段】結晶構造を有するSi基板1の表面11に、Geイオン又はSiイオンを注入する。これにより、Si基板1の内部であってかつ表面11の近傍に格子欠陥を形成する。ついで、Si基板1の表面11に、SiGe層2を成長させる。ついで、SiGe層2をアニールする。これにより、SiGe層2を、歪み緩和バッファー層3とする。これにより、歪み緩和バッファー層3の表面ラフネスを低く抑えることができる。また、Si基板1に注入されるGeイオン又はSiイオンの注入エネルギーやドーズ量を調整することにより、歪み緩和バッファー層3の緩和率を向上させることができる。
【選択図】図1Disclosed is a method for producing a strain relaxation buffer layer capable of suppressing the surface roughness, and a laminate including such a strain relaxation buffer layer.
Ge ions or Si ions are implanted into a surface 11 of a Si substrate 1 having a crystal structure. Thereby, lattice defects are formed in the Si substrate 1 and in the vicinity of the surface 11. Next, the SiGe layer 2 is grown on the surface 11 of the Si substrate 1. Next, the SiGe layer 2 is annealed. Thereby, the SiGe layer 2 is used as the strain relaxation buffer layer 3. Thereby, the surface roughness of the strain relaxation buffer layer 3 can be suppressed low. Further, the relaxation rate of the strain relaxation buffer layer 3 can be improved by adjusting the implantation energy and dose amount of Ge ions or Si ions implanted into the Si substrate 1.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、歪み緩和バッファー層の製造方法、及び、歪み緩和バッファー層を備えた積層体に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a strain relaxation buffer layer and a laminate including the strain relaxation buffer layer.
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)における電子(キャリア)の移動度を高めるために、歪み系Si/Geへテロ構造が提案されている。MOSFETにおける電子の移動度を高めることにより、MOSFETの動作を高速にすることができる。 In order to increase the mobility of electrons (carriers) in MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), strained Si / Ge heterostructures have been proposed. By increasing the mobility of electrons in the MOSFET, the operation of the MOSFET can be accelerated.
歪み系Si/Geへテロ構造には、例えば、歪みSi-MOSFET、歪みSiGe-MOSFET、歪みGe-MOSFETがある。これらの構造を実現するためには、いずれにおいても、Si基板上に、緩和SiGeバッファー層を作製する必要がある。高移動度の構造を実現するためには、このバッファー層は、歪み緩和率が高く、表面ラフネスが小さく、結晶性がよい必要がある。さらに高速デバイス化のためには、SiGeバッファー層の膜厚が薄いことが非常に重要である。 Examples of the strained Si / Ge heterostructure include strained Si-MOSFET, strained SiGe-MOSFET, and strained Ge-MOSFET. In order to realize these structures, it is necessary to produce a relaxed SiGe buffer layer on the Si substrate. In order to realize a high mobility structure, this buffer layer needs to have a high strain relaxation rate, a small surface roughness, and good crystallinity. In addition, it is very important for the SiGe buffer layer to be thin for high speed devices.
バッファー層の膜厚が厚い場合、この層の成長時間が長くなり、また成長材料の浪費も大きいので、製造に要するコストが高くなってしまう。さらに、MOSFETとして使用した場合、オフ時のリーク電流が増大することになる。 When the thickness of the buffer layer is large, the growth time of this layer becomes long, and the waste of the growth material is also large, so that the cost required for manufacturing becomes high. Further, when used as a MOSFET, the leakage current at the time of off increases.
また、バッファー層の表面ラフネスが大きい場合、バッファー層上部に形成されるチャネル層(FETにおけるキャリアの通路)においてラフネス散乱が生じてしまい、キャリアの移動度が低下してしまう。 In addition, when the surface roughness of the buffer layer is large, roughness scattering occurs in the channel layer (carrier passage in the FET) formed on the buffer layer, and the mobility of the carriers is reduced.
この問題に対応するために、バッファー層の組成を徐々に変化させるという傾斜組成バッファー法を用いることもできる。これによれば、貫通転位の制御ができ、ほぼ完全な緩和SiGeバッファー層を得ることができる。しかしながら、傾斜組成バッファー法を用いるためには、一般に、バッファー層の膜厚を数μm以上にしなければならない。さらに、この方法では、表面ラフネスが増加すること、及び、緩和に伴って生じるクロスハッチパターンにより歪みのゆらぎが大きくなること等、様々な問題が生じる。 In order to cope with this problem, a gradient composition buffer method in which the composition of the buffer layer is gradually changed can be used. According to this, threading dislocation can be controlled, and an almost complete relaxed SiGe buffer layer can be obtained. However, in order to use the gradient composition buffer method, generally, the thickness of the buffer layer must be several μm or more. Furthermore, this method has various problems such as an increase in surface roughness and a large fluctuation of distortion due to a cross-hatch pattern generated along with relaxation.
また、Si基板上に低温でSi層を成長させるという低温バッファー法も提案されている。これを用いると、格子欠陥のあるSi層を得ることができ、その上面にSiGe層を成長させることで、SiGe層の緩和を促進することができる。この方法は、傾斜組成バッファー法と比較して、膜厚、表面ラフネス、貫通転位の抑制が容易という利点がある。しかしながら、この方法では、格子欠陥のあるSi層を得るために、400℃以下でSi層を成長させなければならない。一方、Si薄膜を形成するために一般に工業上利用されている方法は、ガスを原料とするガスソースMBEやCVD法である。これらの方法では、成長温度が低いと成長速度が低下してしまう。このため、低温バッファー法には、産業界での実用化が難しいという問題がある。 A low-temperature buffer method has also been proposed in which a Si layer is grown on a Si substrate at a low temperature. When this is used, a Si layer having lattice defects can be obtained, and relaxation of the SiGe layer can be promoted by growing the SiGe layer on the upper surface thereof. This method has an advantage that film thickness, surface roughness, and threading dislocation can be easily suppressed as compared with the gradient composition buffer method. However, in this method, in order to obtain a Si layer having lattice defects, the Si layer must be grown at 400 ° C. or lower. On the other hand, generally used industrial methods for forming a Si thin film are gas source MBE using a gas as a raw material and a CVD method. In these methods, when the growth temperature is low, the growth rate is lowered. For this reason, the low-temperature buffer method has a problem that it is difficult to put it to practical use in industry.
そこで、本発明者らは、Si基板にAr+イオンを打ち込むことで、これに格子欠陥を形成した後、このSi基板上にSiGe緩和膜(バッファー層)を形成する方法を提案した(下記特許文献1参照)。これによれば、SiGeバッファー層とSi基板との界面近傍において、このSi基板内に、格子欠陥を有効に形成することができる。このため、この技術によれば、SiGeバッファー層の厚さを小さく抑えつつ、高い緩和率を得ることが可能になるという利点がある。 Therefore, the present inventors have proposed a method of forming a lattice defect on the Si substrate by implanting Ar + ions into the Si substrate and then forming a SiGe relaxation film (buffer layer) on the Si substrate (the following patent) Reference 1). According to this, lattice defects can be effectively formed in the Si substrate in the vicinity of the interface between the SiGe buffer layer and the Si substrate. For this reason, according to this technique, there is an advantage that a high relaxation rate can be obtained while the thickness of the SiGe buffer layer is kept small.
しかしながら、Arは不活性ガスであるために、イオン注入を施すSi基板との整合性が良いとは言えず、そのためSi基板の結晶性の悪化が危惧される。 However, since Ar is an inert gas, it cannot be said that the compatibility with the Si substrate subjected to ion implantation is good, and there is a concern that the crystallinity of the Si substrate may deteriorate.
この他にも、Si基板に注入するイオン種としては、H+、He+等が考えられる。しかし、イオン注入欠陥はSiGe層とSi基板との界面付近に形成されなければ有効性が低いと考えられる。H+やHe+等の軽いイオンの場合、界面付近に欠陥を形成させるためには、バッファー層であるSiGe層成長後に、SiGe層の上面から、界面にイオンが到達するように打ち込まなければならず、それがSiGe層の品質低下となってしまう。また、SiGe層中に欠陥が残ってしまうことからその結晶性が悪化してしまうという欠点がある。 In addition, H + , He + and the like can be considered as ion species implanted into the Si substrate. However, if the ion implantation defects are not formed near the interface between the SiGe layer and the Si substrate, it is considered that the effectiveness is low. In the case of light ions such as H + and He + , in order to form defects near the interface, after growing the SiGe layer, which is a buffer layer, ions must be implanted so that the ions reach the interface from the top surface of the SiGe layer. However, this will cause the quality of the SiGe layer to deteriorate. In addition, since defects remain in the SiGe layer, the crystallinity is deteriorated.
そこで、本発明者らが、適切な注入イオン種についてさらに研究を進めたところ、Si基板に対してGeイオンを注入することにより、得られるバッファー層(SiGe層)の表面ラフネスを低く抑え得ることを見いだした。さらに、イオンの注入条件を適切に設定することで、バッファー層の緩和率を高くしうることをも見いだした。下記特許文献1には、基板に打ち込むイオン種の選択肢としてGeが記載されているが、Si基板に対してGeイオンを用いる特定の組み合わせを開示しているものではなく、また、それを実現するための条件も開示していない。したがって、下記特許文献1には、Si基板にGeイオンを打ち込んで格子欠陥を形成し、その後にSiGe歪み緩和バッファー層を得るという発明は記載されていない。さらに、下記特許文献1では、特定の基板と特定のイオン種の組み合わせによる表面ラフネスの抑制という効果も示されていない。 Therefore, the present inventors have further researched on appropriate implanted ion species, and by implanting Ge ions into the Si substrate, the surface roughness of the obtained buffer layer (SiGe layer) can be kept low. I found. It was also found that the buffer layer relaxation rate can be increased by appropriately setting the ion implantation conditions. In Patent Document 1 below, Ge is described as an option of ion species to be implanted into the substrate, but it does not disclose a specific combination using Ge ions with respect to the Si substrate, and it is realized. The conditions for this are not disclosed. Therefore, Patent Document 1 below does not describe an invention in which Ge ions are implanted into a Si substrate to form lattice defects and thereafter a SiGe strain relaxation buffer layer is obtained. Further, Patent Document 1 below does not show the effect of suppressing surface roughness by a combination of a specific substrate and a specific ion species.
さらに、本発明者らは、Si基板に対してSiイオンを注入することによっても、得られるバッファー層(SiGe層)の表面ラフネスを低く抑え得ることを見いだした。下記特許文献1には、基板に打ち込むイオン種の選択肢としてSiが記載されているが、Si基板に対してSiイオンを用いる特定の組み合わせを開示しているものではなく、また、それを実現するための条件も開示していない。したがって、下記特許文献1には、Si基板にSiイオンを打ち込んで格子欠陥を形成し、その後にSiGe歪み緩和バッファー層を得るという発明は記載されていない。さらに、下記特許文献1では、特定の基板と特定のイオン種の組み合わせによる表面ラフネスの抑制という効果も示されていない。
前記したとおり、本発明者らは、基板としてSi、注入イオン種としてGe又はSiを特に選択し、これによって、歪み緩和バッファー層における表面ラフネスの抑制を達成できるという知見を得た。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。本発明の目的は、表面ラフネスを低く抑えることが可能な歪み緩和バッファー層の製造方法、及び、そのような歪み緩和バッファー層を備えた積層体を提供することである。 As described above, the present inventors have particularly found that Si can be selected as the substrate and Ge or Si as the implanted ion species, thereby suppressing the surface roughness in the strain relaxation buffer layer. The present invention has been made based on these findings. An object of the present invention is to provide a method for producing a strain relaxation buffer layer capable of keeping the surface roughness low, and a laminate including such a strain relaxation buffer layer.
本発明に係る、歪み緩和バッファー層の製造方法は、下記のステップを備えている:
(a)結晶構造を有するSi基板に、Geイオンを注入することにより、前記Si基板に格子欠陥を形成するステップ;
(b)前記Si基板の表面に、SiGe層を成長させるステップ;
(c)前記SiGe層をアニールすることにより、前記SiGe層を、歪み緩和バッファー層とするステップ。
The manufacturing method of the strain relaxation buffer layer according to the present invention includes the following steps:
(A) forming a lattice defect in the Si substrate by implanting Ge ions into the Si substrate having a crystal structure;
(B) growing a SiGe layer on the surface of the Si substrate;
(C) annealing the SiGe layer to make the SiGe layer a strain relaxation buffer layer.
前記Si基板に注入される前記Geイオンの注入エネルギーは、10keV〜40keVの範囲であることが好ましい。 The implantation energy of the Ge ions implanted into the Si substrate is preferably in the range of 10 keV to 40 keV.
前記Si基板に注入される前記Geイオンのドーズ量は、5×1014cm−2以上であることが好ましい。 The dose amount of the Ge ions implanted into the Si substrate is preferably 5 × 10 14 cm −2 or more.
前記した製造方法は、下記ステップ(d)をさらに備えることができる:
(d)前記ステップ(a)の後でかつ前記ステップ(b)の前に、前記Si基板をアニールすることにより、前記Si基板の結晶性を回復させるステップ。
The manufacturing method described above may further include the following step (d):
(D) recovering the crystallinity of the Si substrate by annealing the Si substrate after the step (a) and before the step (b).
本発明に係る積層体は、Si基板と、このSi基板の表面に積層されたSiGe歪み緩和バッファー層とを有している。前記Si基板の表面には、Geイオンが注入されることで格子欠陥が形成されている。前記Si基板と前記SiGe歪み緩和バッファー層とは結晶構造が実質的に連続している。前記SiGe歪み緩和バッファー層の歪みは緩和されている。 The laminate according to the present invention has a Si substrate and a SiGe strain relaxation buffer layer laminated on the surface of the Si substrate. A lattice defect is formed on the surface of the Si substrate by implanting Ge ions. The Si substrate and the SiGe strain relaxation buffer layer have a substantially continuous crystal structure. The strain of the SiGe strain relaxation buffer layer is relaxed.
前記積層体におけるSiGe歪み緩和バッファー層の表面に歪み半導体層を積層することにより、本発明に係る半導体基板を得ることができる。 By laminating a strained semiconductor layer on the surface of the SiGe strain relaxation buffer layer in the laminate, the semiconductor substrate according to the present invention can be obtained.
また、歪み緩和バッファー層の製造方法は、下記のステップを備える構成であってもよい:
(a)結晶構造を有するSi基板に、Siイオンを注入することにより、前記Si基板に格子欠陥を形成するステップ;
(b)前記Si基板の表面に、SiGe層を成長させるステップ;
(c)前記SiGe層をアニールすることにより、前記SiGe層を、歪み緩和バッファー層とするステップ。
In addition, the strain relaxation buffer layer manufacturing method may include the following steps:
(A) forming a lattice defect in the Si substrate by implanting Si ions into the Si substrate having a crystal structure;
(B) growing a SiGe layer on the surface of the Si substrate;
(C) annealing the SiGe layer to make the SiGe layer a strain relaxation buffer layer.
また、本発明に係る積層体は、次のような構成であってもよい。すなわち、この積層体は、Si基板と、このSi基板の表面に積層されたSiGe歪み緩和バッファー層とを有している。前記Si基板の表面には、Siイオンが注入されることで格子欠陥が形成されている。前記Si基板と前記SiGe歪み緩和バッファー層とは結晶構造が実質的に連続している。前記SiGe歪み緩和バッファー層の歪みは緩和されている。 Moreover, the following structures may be sufficient as the laminated body which concerns on this invention. That is, this laminated body has a Si substrate and a SiGe strain relaxation buffer layer laminated on the surface of the Si substrate. On the surface of the Si substrate, lattice defects are formed by implanting Si ions. The Si substrate and the SiGe strain relaxation buffer layer have a substantially continuous crystal structure. The strain of the SiGe strain relaxation buffer layer is relaxed.
本発明によれば、表面ラフネスを低く抑えることが可能な歪み緩和バッファー層の製造方法、及び、そのような歪み緩和バッファー層を備えた積層体を提供することができる。また、Geイオン又はSiイオンの注入エネルギーやドーズ量を調整することにより、歪み緩和バッファー層の緩和率を向上させることも可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the strain relaxation buffer layer which can suppress surface roughness low, and the laminated body provided with such a strain relaxation buffer layer can be provided. In addition, the relaxation rate of the strain relaxation buffer layer can be improved by adjusting the implantation energy or dose of Ge ions or Si ions.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態に係る歪み緩和バッファー層の製造方法を、図1を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the manufacturing method of the strain relaxation buffer layer according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
まず、結晶構造を有するSi基板1を用意する。Si基板1は、通常はSiの単結晶基板である。ただし、Si基板1としては、少なくともその表面近傍が、後述するSiGe層の成長に必要な程度の結晶性を持っていればよい。また、Si基板1としては、Si基板の結晶性を損なわない程度の不純物が添加されていてもよい。 First, a Si substrate 1 having a crystal structure is prepared. The Si substrate 1 is usually a single crystal substrate of Si. However, as the Si substrate 1, it is sufficient that at least the vicinity of the surface thereof has a degree of crystallinity necessary for the growth of the SiGe layer described later. The Si substrate 1 may be doped with impurities that do not impair the crystallinity of the Si substrate.
ついで、Si基板1の表面11に、Geイオン(つまりGe+イオン)を注入する。これにより、Si基板1に格子欠陥12を形成することができる。なお、図1(a)では、理解を容易にするために格子欠陥を模式的に点で記載しているが、実際の格子欠陥は、きわめて微細かつ多数である。その後、本実施形態では、基板1に対してアニールを行い、その結晶性を回復させることができる(後述する実施例において詳しく説明する)。 Next, Ge ions (that is, Ge + ions) are implanted into the surface 11 of the Si substrate 1. Thereby, the lattice defect 12 can be formed in the Si substrate 1. In FIG. 1A, lattice defects are schematically illustrated with dots for easy understanding, but actual lattice defects are extremely fine and numerous. Thereafter, in the present embodiment, the substrate 1 can be annealed to recover its crystallinity (described in detail in Examples described later).
ついで、Si基板1の表面11に対して、従来と同様の方法により、洗浄を行う。洗浄の方法としては、例えば、ウエットクリーニングやサーマルクリーニングである。 Next, the surface 11 of the Si substrate 1 is cleaned by a method similar to the conventional method. Examples of the cleaning method include wet cleaning and thermal cleaning.
ついで、Si基板1の表面11に、SiGe層2を成長させる(図1(b)参照)。成長させる方法としては、例えば、固体ソースMBEやガスソースMBEが好適であるが、特に限定されない。SiGe層2は、Si基板1の表面と実質的に連続した結晶構造(エピタキシャル構造)を持ちつつ、成長していく。所定の厚さに達した後に、成長を中止する。 Next, the SiGe layer 2 is grown on the surface 11 of the Si substrate 1 (see FIG. 1B). As a growth method, for example, solid source MBE or gas source MBE is suitable, but is not particularly limited. The SiGe layer 2 grows while having a crystal structure (epitaxial structure) substantially continuous with the surface of the Si substrate 1. After reaching the predetermined thickness, the growth is stopped.
ついで、SiGe層2をアニールする。これにより、SiGe層2を、歪み緩和バッファー層3とすることができる(図1(c)参照)。また、これにより、Si基板1と、このSi基板1の表面に積層されたSiGe歪み緩和バッファー層3とを有する積層体を得ることができる。さらに、この積層体におけるSiGe歪み緩和バッファー層3の表面に歪み半導体層4(図1(c)参照)を積層することにより、半導体基板を構成することもできる。 Next, the SiGe layer 2 is annealed. Thereby, the SiGe layer 2 can be made into the strain relaxation buffer layer 3 (refer FIG.1 (c)). Thereby, a laminate having the Si substrate 1 and the SiGe strain relaxation buffer layer 3 laminated on the surface of the Si substrate 1 can be obtained. Furthermore, a semiconductor substrate can also be constituted by laminating a strained semiconductor layer 4 (see FIG. 1C) on the surface of the SiGe strain relaxation buffer layer 3 in this laminate.
(実施例1)
前記した第1実施形態における製造方法の実施例を以下に詳しく説明する。
(Example 1)
An example of the manufacturing method in the first embodiment will be described in detail below.
(Geイオンの注入)
SiGeバッファー層2の成長前における、Si基板1へのGeイオン注入の条件としては、ドーズ量が6×1014から1×1015cm-2で、注入エネルギーは25〜80keVとした。Si基板1の表面11は(001)面とした。前記した特許文献1に示すAr+イオン注入法においては、注入エネルギー25keV、ドーズ量1×10-15cm-2での注入条件がSiGeバッファー層の緩和にとって最適条件であった。そこで、SRIM(The Stopping and Range of Ions in Matter:http://www.srim.org/#SRIMから得られるシミュレーションソフトウエア)を用いて、Ar+イオンを注入したときと、Ge+イオンを注入したときとにおける欠陥分布が完全に等しくなる条件を見積もった。ここで、欠陥分布とは、変位を受けたSi原子の密度分布(Recoil Si density)のことを指す。そのシミュレーションの結果を図2に示す。図2(a)がGeイオン、同図(b)がArイオンの結果を示す。この結果から、Ar+イオンを注入エネルギー25 keV、ドーズ量1×1015cm-2として打ち込んだときと、Ge+イオンを注入エネルギー40 keV、ドーズ量6×1014cm-2として打ち込んだときの分布が完全に一致することがわかる。また、Recoil Si densityが、Siの原子密度である5×1022 cm-3と同程度かそれ以上の値の領域では、Siがアモルファス化しているということが言える。よって、図2より、このドーズ量では、Si基板表面においてアモルファス化が促進されていると分かる。Si基板表面がアモルファス化されていると、通常のSi基板洗浄方法による水素終端ができないので、良質なバッファー層の作製が困難となる可能性がある。そこで、Geイオン注入後に、結晶性の回復のために700℃で10分間、窒素雰囲気中で熱処理を行った。このように、Geイオン注入後、SiGe層成長前に、Si基板をアニールすることにより、Si基板の結晶性を回復することができ、良質なバッファー層の作製が容易となる。
(Ge ion implantation)
The conditions for Ge ion implantation into the Si substrate 1 before the growth of the SiGe buffer layer 2 were a dose of 6 × 10 14 to 1 × 10 15 cm −2 and an implantation energy of 25 to 80 keV. The surface 11 of the Si substrate 1 was a (001) plane. In the Ar + ion implantation method shown in Patent Document 1 described above, the implantation conditions with an implantation energy of 25 keV and a dose of 1 × 10 −15 cm −2 were the optimum conditions for the relaxation of the SiGe buffer layer. Therefore, using SRIM (simulation software obtained from The Stopping and Range of Ions in Matter: http://www.srim.org/#SRIM), Ar + ions are implanted, and Ge + ions are implanted. The conditions under which the defect distributions were completely equal were estimated. Here, the defect distribution refers to the density distribution of Si atoms subjected to displacement (Recoil Si density). The result of the simulation is shown in FIG. FIG. 2A shows the results for Ge ions, and FIG. 2B shows the results for Ar ions. From this result, when Ar + ions were implanted with an implantation energy of 25 keV and a dose of 1 × 10 15 cm -2 and Ge + ions were implanted with an implantation energy of 40 keV and a dose of 6 × 10 14 cm -2 It can be seen that the distributions of In addition, it can be said that Si is amorphized in a region where the Recoil Si density is equal to or higher than 5 × 10 22 cm −3 , which is the atomic density of Si. Therefore, it can be seen from FIG. 2 that this dose amount promotes amorphization on the surface of the Si substrate. If the surface of the Si substrate is amorphized, hydrogen termination cannot be performed by a normal Si substrate cleaning method, which may make it difficult to produce a high-quality buffer layer. Therefore, after Ge ion implantation, heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. for 10 minutes to restore crystallinity. As described above, by annealing the Si substrate after the Ge ion implantation and before the growth of the SiGe layer, the crystallinity of the Si substrate can be recovered, and a high-quality buffer layer can be easily manufactured.
その後、分子線エピタキシー(MBE)装置のチャンバーに投入する前に、Si基板の洗浄を行った。洗浄方法としては、石坂−白木法、RCA洗浄法などが多く用いられているが、本実施例では、比較的に簡便で汚染が少ないと言われている水素終端法を用いた。そこで、硫酸―過酸化水素水(H2SO4:H2O2=2:1)混合液で5分間洗浄し、その後酸化膜除去のためにフッ酸によるエッチングを行うという洗浄工程を2回行った。洗浄後、Si基板の表面は疎水性となっており、これによって、水素終端されていることが確認できた。 Thereafter, the Si substrate was cleaned before being put into the chamber of the molecular beam epitaxy (MBE) apparatus. As a cleaning method, the Ishizaka-Shiraki method, the RCA cleaning method and the like are often used. In this example, the hydrogen termination method, which is said to be relatively simple and less contaminated, was used. Therefore, the cleaning process of cleaning with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 2: 1) for 5 minutes and then etching with hydrofluoric acid to remove the oxide film is performed twice. went. After cleaning, the surface of the Si substrate was hydrophobic, which confirmed that it was hydrogen terminated.
Si基板の洗浄後、MBEチャンバー内にSi基板を搬入し、クリーニングのために熱処理を行った。洗浄や熱処理においては、Si基板の表面が若干汚染され、その汚染が欠陥となる可能性がある。そこで、熱処理の後、Si基板上に、5 nmのSi層を成長させた。 After cleaning the Si substrate, the Si substrate was carried into the MBE chamber and heat treatment was performed for cleaning. In cleaning and heat treatment, the surface of the Si substrate is slightly contaminated, and the contamination may become a defect. Therefore, after heat treatment, a 5 nm Si layer was grown on the Si substrate.
その後、SiGe層を、成長温度500℃、Ge組成20〜30%、膜厚100nmとして固体ソースMBEを用いて成長させた。その後、SiGe層をアニールしてその歪みの緩和を促進し、歪み緩和バッファー層とした(詳しいアニール条件は後述する。)。このようにしてSiGe層から歪み緩和バッファー層を得た。さらに、比較を行うために、Ge+イオンに代えて、Ar+イオンを、注入エネルギー25keV、ドーズ量1×1015cm-2で打ち込んだ試料(比較例1)とイオン注入を行っていない試料(比較例2)も同時に作製した。 Thereafter, the SiGe layer was grown using a solid source MBE at a growth temperature of 500 ° C., a Ge composition of 20-30%, and a film thickness of 100 nm. Thereafter, the SiGe layer was annealed to promote relaxation of the strain, thereby forming a strain relaxation buffer layer (detailed annealing conditions will be described later). In this way, a strain relaxation buffer layer was obtained from the SiGe layer. Furthermore, for comparison, a sample in which Ar + ions are implanted with an implantation energy of 25 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 in place of Ge + ions (Comparative Example 1) and a sample in which no ion implantation is performed (Comparative Example 2) was also produced at the same time.
(実施例1の評価)
(ラマン分光及びX線回折)
得られたSiGe歪み緩和バッファー層(SiGeバッファー層)の緩和率を求めるために、ラマン分光装置とX線回折装置を用いて測定を行った。SiGeバッファー層は、次のように作製する。まず、SiGe層を、成長温度を500℃、バッファー層膜厚100nm、Ge組成20%を狙って作製する。その後、前記したように、緩和を促進するために、SiGe層に対して、900℃で1時間熱処理(アニール)を行った。熱処理は、Geの融点が950℃付近に存在することから、拡散を防ぐために900℃で行うことにした。これにより、SiGeバッファー層を得た。
(Evaluation of Example 1)
(Raman spectroscopy and X-ray diffraction)
In order to obtain the relaxation rate of the obtained SiGe strain relaxation buffer layer (SiGe buffer layer), measurement was performed using a Raman spectroscopic device and an X-ray diffraction device. The SiGe buffer layer is produced as follows. First, a SiGe layer is fabricated with a growth temperature of 500 ° C., a buffer layer thickness of 100 nm, and a Ge composition of 20%. Thereafter, as described above, in order to promote relaxation, the SiGe layer was heat-treated (annealed) at 900 ° C. for 1 hour. Since the melting point of Ge exists in the vicinity of 950 ° C., the heat treatment was performed at 900 ° C. to prevent diffusion. Thereby, a SiGe buffer layer was obtained.
図3に、注入エネルギー40keV、注入ドーズ量6×1014cm-2の条件でGeイオン注入を行ったSi基板の上と、注入エネルギー25keV、注入ドーズ量6×1014 cm-2の条件でGeイオン注入を行ったSi基板の上とに、それぞれ、Ge組成20%のSi0.8Ge0.2を100nm成長させた試料における、熱処理前後のラマンスペクトルを示す。また、図4には、同条件でイオン注入とSiGeバッファー層の成長を行った試料についての、X線回折スペクトルを示す。 Fig. 3 shows the top of a Si substrate implanted with Ge ion implantation at an implantation energy of 40 keV and an implantation dose of 6 × 10 14 cm -2 , and an implantation energy of 25 keV and an implantation dose of 6 × 10 14 cm -2 . The Raman spectra before and after the heat treatment are shown for samples obtained by growing 100 nm of Si 0.8 Ge 0.2 having a Ge composition of 20% on the Si substrate on which Ge ion implantation was performed. FIG. 4 shows an X-ray diffraction spectrum of a sample obtained by performing ion implantation and growing a SiGe buffer layer under the same conditions.
図3のラマンスペクトルを参照すると、まず521cm-1に存在するピークがSi基板のピークであり、それよりも値の低い位置にあるピークがSiGeバッファー層のピークである。このSiGeバッファー層が完全に緩和した時のピーク位置は、508.9cm-1に存在し、完全に歪んだ時のピーク位置は、515.5cm-1に存在する。アニール前のスペクトルを見ると、SiGeバッファー層のピークが515.5cm-1付近に存在することから、アニール前は歪んでいることがわかる。一方、アニール後のスペクトルを見ると、アニール前と比較して低波数側にピークがシフトしていることから、緩和を生じたことが分かる。 Referring to the Raman spectrum of FIG. 3, first, the peak present at 521 cm −1 is the peak of the Si substrate, and the peak at a lower value is the peak of the SiGe buffer layer. The peak position when the SiGe buffer layer is completely relaxed exists at 508.9 cm −1 , and the peak position when completely distorted exists at 515.5 cm −1 . Looking at the spectrum before annealing, the peak of the SiGe buffer layer is present in the vicinity of 515.5 cm −1 , indicating that the film is distorted before annealing. On the other hand, looking at the spectrum after annealing, it can be seen that relaxation occurred because the peak was shifted to the lower wavenumber side than before annealing.
次に、図4のX線回折スペクトルを参照すると、熱処理前の試料におけるSiGeバッファー層のピークは、低角度側に位置し、さらに膜厚に起因したフリンジが見られる。これは、Si基板とSiGeバッファー層が格子整合しており、界面が急峻であることを示す。このSiGeバッファー層が完全に緩和した時のピーク位置は34.26°であり、完全に歪んだときのピーク位置は34.05°に存在する。アニール前のスペクトルを見ると、34.05°付近にピークがあることからSiGeバッファー層は、ほぼ完全に歪んでいることがわかる。一方、アニール後においてSiGeバッファー層のピークは、高角度側にシフトし、さらにフリンジが消えていることを確認できる。これは、SiGe層の緩和が促進されたことを意味する。以上のことから、SiGe層の熱処理によって大きく緩和が進行することが分かる。以降では、熱処理を施した後の試料についてさらに評価を行う。 Next, referring to the X-ray diffraction spectrum of FIG. 4, the peak of the SiGe buffer layer in the sample before the heat treatment is located on the low angle side, and fringes due to the film thickness are observed. This indicates that the Si substrate and the SiGe buffer layer are lattice-matched and the interface is steep. The peak position when this SiGe buffer layer is completely relaxed is 34.26 °, and the peak position when completely strained is at 34.05 °. Looking at the spectrum before annealing, it can be seen that the SiGe buffer layer is almost completely distorted because there is a peak near 34.05 °. On the other hand, after annealing, the peak of the SiGe buffer layer shifts to the high angle side, and it can be confirmed that the fringes disappear. This means that relaxation of the SiGe layer was promoted. From the above, it can be seen that the relaxation proceeds greatly by the heat treatment of the SiGe layer. Hereinafter, the sample after the heat treatment is further evaluated.
(原子間力顕微鏡による表面モフォロジーの評価)
まず、Ar+イオンもしくはGe+イオンをイオン注入した基板上に、Ge組成が薄い条件(Ge組成20%)でSi0.8Ge0.2を成長させた時の表面モフォロジーを図5A〜Cに示す。なお、各試料における表面モフォロジーの計測は、原子間力顕微鏡(AFM)により行った。Ar+イオンを、注入エネルギー25 keV、注入ドーズ量1×1015cm-2でイオン注入した場合(比較例1)の、歪み緩和バッファー層の表面ラフネスがRMS 0.50nm、緩和率が75%であった(図5A)。一方、Ge+イオン注入において、これと同じ欠陥密度分布である注入条件(注入エネルギー40 keV、注入ドーズ量6×1014 cm-2)で得られた試料の歪み緩和バッファー層の表面モフォロジーは、表面ラフネスRMS 0.41nm、緩和率26%であった(図5B)。
(Evaluation of surface morphology by atomic force microscope)
First, surface morphologies when Si 0.8 Ge 0.2 is grown on a substrate into which Ar + ions or Ge + ions are ion-implanted under the condition that the Ge composition is thin (Ge composition 20%) are shown in FIGS. The surface morphology of each sample was measured with an atomic force microscope (AFM). When Ar + ions are implanted at an implantation energy of 25 keV and an implantation dose of 1 × 10 15 cm -2 (Comparative Example 1), the surface roughness of the strain relaxation buffer layer is RMS 0.50 nm and the relaxation rate is 75%. (FIG. 5A). On the other hand, in Ge + ion implantation, the surface morphology of the strain relaxation buffer layer of the sample obtained under the same implantation conditions (implantation energy 40 keV, implantation dose 6 × 10 14 cm -2 ) with the same defect density distribution is The surface roughness RMS was 0.41 nm, and the relaxation rate was 26% (FIG. 5B).
このように、欠陥密度分布が完全に同じであるにもかかわらず、比較例1と実施例との間では、表面ラフネス及び緩和率が大きく異なる結果となった。これは、欠陥の構造や緩和のメカニズムがAr+イオンの場合とGe+イオンの場合とでは異なっていることを意味している。また、本実施例において、Ge+イオン注入を施した時の緩和率は26%であったが、これは、Si基板とGe+イオンの整合性が良いことから、欠陥量が減少し、このために緩和が起こりにくくなっていると考えられる。そこで、Ge+イオンの注入ドーズ量を1×1015cm-2に増やし、注入エネルギーを25keVに減少させることで、欠陥をSiGe/Si界面付近に分布させ、緩和を起こしやすくした。その結果、表面ラフネスRMS 0.34nm、緩和率71%を得ることができた(図5C)。したがって、本実施例において注入ドーズ量を増やして注入エネルギーを減少させることにより、Ar+イオン注入試料(比較例1)と比較して、表面ラフネスが小さく、しかも緩和率が同程度であるSiGe緩和バッファー基板を作製することができる。また、Ge+イオン注入における試料(実施例)の表面モフォロジーには、クロスハッチパターンが見られる(図5B及び図5C参照)が、そのラフネス高さは1〜2 nm程度であり、通常の(すなわち傾斜組成バッファー法による)SiGe緩和層のクロスハッチパターンに見られる数十nmのラフネスに比べて大幅に小さく、非常に平坦な表面が実現されていると言える。 Thus, although the defect density distribution was completely the same, the surface roughness and the relaxation rate differed greatly between Comparative Example 1 and the Example. This means that the defect structure and relaxation mechanism differ between Ar + ions and Ge + ions. Further, in this example, the relaxation rate when Ge + ion implantation was performed was 26%. This is because the alignment between the Si substrate and Ge + ions is good, and the amount of defects is reduced. Therefore, it is considered that relaxation is less likely to occur. Therefore, by increasing the Ge + ion implantation dose to 1 × 10 15 cm -2 and reducing the implantation energy to 25 keV, defects were distributed near the SiGe / Si interface, making it easier to cause relaxation. As a result, a surface roughness RMS of 0.34 nm and a relaxation rate of 71% were obtained (FIG. 5C). Therefore, by increasing the implantation dose and reducing the implantation energy in this embodiment, the SiGe relaxation has a smaller surface roughness and the same relaxation rate as compared with the Ar + ion implantation sample (Comparative Example 1). A buffer substrate can be produced. In addition, a cross-hatch pattern is seen in the surface morphology of the sample (example) in Ge + ion implantation (see FIGS. 5B and 5C), but the roughness height is about 1 to 2 nm. It can be said that a very flat surface is realized which is significantly smaller than the roughness of several tens of nm seen in the cross-hatch pattern of the SiGe relaxation layer (by the gradient composition buffer method).
次に、Ar+イオン注入(比較例1)もしくはGe+イオン注入(実施例)を施したSi基板上に、Ge組成が濃い条件(Ge組成27%)でSi0.73Ge0.27層を成長させた時の表面モフォロジーを図6A〜Cに示す。まず、Ar+イオン注入(比較例1)の場合においては、表面ラフネスがRMS 0.72nm、緩和率が83%であり、SiGe層のGe組成を上昇させたことによって表面ラフネスが大きくなっている(図6A)。一方、欠陥密度分布がAr+イオン注入の時と等しい注入条件(注入エネルギー40keV、注入ドーズ量6×1014cm-2)にてGe+イオン注入を行った試料(実施例)においては、表面ラフネスがRMS 0.36nm、緩和率55%であった(図6B)。実施例の場合には、Ge組成が薄い場合に見られたように、ラフネスは小さいが緩和率が低くなっている。このことも、実施例と比較例との間での、欠陥構造、緩和メカニズムの相違を示していると考えられる。そこで、実施例における注入ドーズ量を増やし、注入エネルギーを低くした場合、表面ラフネスはRMS 0.48nm、緩和率は64%となった(図6C)。これらの結果より、Ge+イオン注入法(実施例)によって、Ar+イオン注入の場合(比較例1)と比較して、表面ラフネスの増大を抑制し、かつ、同程度の緩和率を得られることが分かった。 Next, a Si 0.73 Ge 0.27 layer was grown on a Si substrate subjected to Ar + ion implantation (Comparative Example 1) or Ge + ion implantation (Example) under a condition where the Ge composition was high (Ge composition 27%). The surface morphology at the time is shown in FIGS. First, in the case of Ar + ion implantation (Comparative Example 1), the surface roughness is RMS 0.72 nm, the relaxation rate is 83%, and the surface roughness is increased by increasing the Ge composition of the SiGe layer ( FIG. 6A). On the other hand, in the sample (Example) in which Ge + ion implantation was performed under the same implantation conditions (implantation energy 40 keV, implantation dose 6 × 10 14 cm -2 ) as in the case of Ar + ion implantation, the defect density distribution The roughness was RMS 0.36 nm and the relaxation rate was 55% (FIG. 6B). In the case of the example, as seen when the Ge composition is thin, the roughness is small but the relaxation rate is low. This is also considered to indicate a difference in defect structure and relaxation mechanism between the example and the comparative example. Therefore, when the implantation dose in the example was increased and the implantation energy was lowered, the surface roughness was RMS 0.48 nm and the relaxation rate was 64% (FIG. 6C). From these results, it is possible to suppress the increase in surface roughness and obtain the same relaxation rate by the Ge + ion implantation method (Example) as compared with the case of Ar + ion implantation (Comparative Example 1). I understood that.
(緩和のメカニズム)
前記においては、Ar+イオン注入の場合(比較例1)とGe+イオン注入の場合(実施例)とでは、欠陥の構造や緩和のメカニズムが異なると考えられる旨述べた。そこで、それぞれの緩和のメカニズムについての、考え得る概念図を図7に示す。
(Relief mechanism)
In the above description, it has been stated that the structure of defects and the mechanism of relaxation are considered to be different between Ar + ion implantation (Comparative Example 1) and Ge + ion implantation (Example). A possible conceptual diagram of each relaxation mechanism is shown in FIG.
まず、Ar+イオン注入(比較例1)については、Si基板とAr+イオンとの不整合性に起因して、SiGe/Si界面近傍で、点欠陥が集まってボイド5を形成する(図7(a)参照)。これにより転位を発生させ、緩和を促進させる。しかし、このボイド5の形成によってミスフィット転位の伝播が妨げられることから、クロスハッチパターンが見られず、表面が荒れてしまい結果的に表面ラフネスが大きくなってしまう。一方、Ge+イオン注入(実施例)の場合においては、Si基板とGe+イオンの整合性が良いことから、ボイドを形成することなく良好な点欠陥のみがSiGe/Si界面近傍に形成される。このため、ミスフィット転位の発生が促進されるとともに、発生した転位がヘテロ界面を伝播することにより、歪みの緩和率を増大させるとともに、表面に大きな荒れを生じさせず、周期的に配列したクロスハッチパターンを生じさせる(図7(b))。その結果、表面ラフネスが大幅に抑制されると考えられる。 First, in Ar + ion implantation (Comparative Example 1), due to the mismatch between the Si substrate and Ar + ions, point defects gather near the SiGe / Si interface to form voids 5 (FIG. 7). (See (a)). This generates dislocations and promotes relaxation. However, since the formation of the void 5 prevents the propagation of misfit dislocations, the cross hatch pattern is not seen and the surface becomes rough, resulting in an increase in surface roughness. On the other hand, in the case of Ge + ion implantation (Example), since the alignment between the Si substrate and Ge + ions is good, only good point defects are formed near the SiGe / Si interface without forming voids. . For this reason, the occurrence of misfit dislocations is promoted, and the generated dislocations propagate through the heterointerface, thereby increasing the strain relaxation rate and causing large roughness on the surface, and periodically arranged crosses. A hatch pattern is generated (FIG. 7B). As a result, it is considered that the surface roughness is greatly suppressed.
(緩和率の注入エネルギー依存性)
前記した実施例で得られる歪み緩和バッファー層における、緩和率と注入エネルギーとの関係を図8に示す。ここでは、注入されるGeイオンのドーズ量を6×1014cm-2とし、注入エネルギーを0〜50keVの間で変化させた。アニール前のSiGe層の緩和率を黒四角で、アニール後に得られた歪み緩和バッファー層の緩和率を黒丸で示す。図8における0keVのときのデータが、比較例1におけるデータである。
(Dependence of relaxation rate on injection energy)
FIG. 8 shows the relationship between the relaxation rate and the implantation energy in the strain relaxation buffer layer obtained in the above-described embodiment. Here, the dose amount of implanted Ge ions was set to 6 × 10 14 cm −2 , and the implantation energy was changed between 0 to 50 keV. The relaxation rate of the SiGe layer before annealing is indicated by a black square, and the relaxation rate of the strain relaxation buffer layer obtained after annealing is indicated by a black circle. The data at 0 keV in FIG. 8 is the data in Comparative Example 1.
図8の結果においては、注入エネルギーが25keV程度のときに最も緩和率が高く、それ以上になると却って緩和率が減少している。これは、高エネルギーで注入すると、イオン注入によって生じる欠陥が、表面より深い位置に分布してしまい、転位源となりにくいことに起因すると考えられる。また、図8の結果から、Si基板1に注入されるGeイオンの注入エネルギーを10keV〜40keVの範囲とすることにより、緩和率を向上させうることが判る。また、注入エネルギーが10keVを下回ると、次のような不都合もある。すなわち、打ち込み後の基板洗浄中には、洗浄用薬品により、Si基板表面がエッチングされ、表面部分が数nm程度なくなる。このため、あまりに注入エネルギーが低くて欠陥深さが浅くなると、洗浄によって、イオン注入で導入した欠陥が消滅するおそれがある。これに対して、GeイオンをSi基板に打ち込む場合、注入エネルギーを10keVとすることにより、通常の洗浄では消滅しない深さ(例えば5nm以上の深さ)に欠陥を形成することができる。 In the result of FIG. 8, the relaxation rate is the highest when the implantation energy is about 25 keV, and the relaxation rate is decreased when the implantation energy is higher than that. This is considered to be caused by the fact that when high energy implantation is performed, defects caused by ion implantation are distributed at positions deeper than the surface and are not likely to be dislocation sources. Further, it can be seen from the results of FIG. 8 that the relaxation rate can be improved by setting the implantation energy of Ge ions implanted into the Si substrate 1 in the range of 10 keV to 40 keV. Further, when the implantation energy is less than 10 keV, there are the following disadvantages. In other words, during cleaning of the substrate after implantation, the surface of the Si substrate is etched by cleaning chemicals, and the surface portion disappears by about several nm. For this reason, if the implantation energy is too low and the defect depth becomes shallow, defects introduced by ion implantation may be lost by cleaning. On the other hand, when Ge ions are implanted into the Si substrate, by setting the implantation energy to 10 keV, defects can be formed at a depth that does not disappear by normal cleaning (for example, a depth of 5 nm or more).
(緩和率の注入ドーズ量依存性)
次に、前記した実施例と比較例1とで得られるそれぞれの歪み緩和バッファー層における、緩和率と注入ドーズ量との関係を、図9に示す。ここでは、注入されるイオン種(ArまたはGe)の注入エネルギーを25keVとし、ドーズ量を0〜1×1015cm-2の間で変化させた。前記の通り、実施例でのイオン種はGe+、比較例1でのイオン種はAr+である。アニール前のSiGe層(比較例1)の緩和率を白丸、アニール後の歪み緩和バッファー層の緩和率を黒丸、アニール前のSiGe層(実施例)の緩和率を白三角、アニール後の歪み緩和バッファー層の緩和率を黒三角で示す。図9におけるドーズ量0のときのデータが、比較例1におけるデータである。
(Dependence of relaxation rate on implantation dose)
Next, FIG. 9 shows the relationship between the relaxation rate and the implantation dose in the respective strain relaxation buffer layers obtained in the above-described Example and Comparative Example 1. Here, the implantation energy of the implanted ion species (Ar or Ge) was 25 keV, and the dose was varied between 0 and 1 × 10 15 cm −2 . As described above, the ion species in the examples is Ge + , and the ion species in Comparative Example 1 is Ar + . The relaxation rate of the SiGe layer before annealing (Comparative Example 1) is a white circle, the relaxation rate of the strain relaxation buffer layer after annealing is a black circle, the relaxation rate of the SiGe layer (Example) before annealing is a white triangle, and the strain relaxation after annealing The relaxation rate of the buffer layer is indicated by a black triangle. The data at the dose amount 0 in FIG. 9 is the data in Comparative Example 1.
図9の結果によれば、実施例において、注入ドーズ量の増加に伴い、緩和率が上昇している。ここでは、1×1015cm-2のドーズ量で、70%を超える緩和率が得られた。この緩和率は、比較例であるArイオン注入の試料と等しい。このことから、実施例の方法によれば、表面ラフネスの増大を抑制しながら、高い緩和率を達成できることが判る。さらに、この結果によれば、実施例において、ドーズ量を増やすことによって緩和率を増大できると考えられる。すなわち、Si基板1に注入されるGeイオンのドーズ量を、5×1014cm−2以上とすることにより、高い緩和率を得られることが判る。さらに、図8の結果を組み合わせて考察すると、高い緩和率を得るためには、Geイオンのドーズ量を前記の範囲に設定しつつ、さらに、その注入エネルギーを15keV〜40keVの範囲とすることが好ましい。 According to the result of FIG. 9, in the example, the relaxation rate increases with an increase in the implantation dose. Here, a relaxation rate exceeding 70% was obtained at a dose of 1 × 10 15 cm −2 . This relaxation rate is equal to the sample of Ar ion implantation which is a comparative example. From this, it can be seen that according to the method of the embodiment, a high relaxation rate can be achieved while suppressing an increase in surface roughness. Furthermore, according to this result, it is considered that the relaxation rate can be increased by increasing the dose amount in the example. That is, it can be seen that a high relaxation rate can be obtained by setting the dose amount of Ge ions implanted into the Si substrate 1 to 5 × 10 14 cm −2 or more. Further, considering the results of FIG. 8 in combination, in order to obtain a high relaxation rate, the dose of Ge ions is set in the above range, and the implantation energy is set in the range of 15 keV to 40 keV. preferable.
(第2実施形態)
つぎに、本発明の第2実施形態に係る歪み緩和バッファー層の製造方法を、図10〜図16に基づいて説明する。なお、この実施形態の説明においては、第1実施形態と共通する要素については、同一符号を用いることにより、説明を簡略化する。
(Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing a strain relaxation buffer layer according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the description of this embodiment, the same reference numerals are used for the elements common to the first embodiment, thereby simplifying the description.
この実施形態では、図10に示されるように、Geイオンに代えて、Siイオンが用いられている。製造方法の概要は、第1実施形態と同様である。ただし、下記の実施例のデータにもあるように、得られた最適の条件は、第1実施形態の場合とは若干異なる。 In this embodiment, as shown in FIG. 10, Si ions are used instead of Ge ions. The outline of the manufacturing method is the same as that of the first embodiment. However, the optimum conditions obtained are slightly different from those in the first embodiment, as shown in the data of the following examples.
(実施例2)
第2実施形態における製造方法の実施例を以下に詳しく説明する。
(Example 2)
An example of the manufacturing method in the second embodiment will be described in detail below.
まず、SiイオンをSi基板1に注入して格子欠陥を生成した。その後、SiGeバッファー層2を成長温度500oC、Ge組成20%、膜厚100nmで、Si基板1の上に成長させた。図11に、注入エネルギー25 keV、ドーズ量5×1014cm-2でSiイオン注入を行った試料と、イオン注入を行っていない試料についての、熱処理前後のX線回折スペクトルを示す。前記以外の試料作成条件は、以下において特に述べない限り、実施例1の場合と基本的に同様でよい。このグラフにおいては、上から順に、(1)イオン注入なしでかつアニール前、(2)イオン注入なしでかつアニール後、(3)イオン注入ありでかつアニール前、(4)イオン注入ありでかつアニール後を示している。 First, Si ions were implanted into the Si substrate 1 to generate lattice defects. Thereafter, the SiGe buffer layer 2 was grown on the Si substrate 1 at a growth temperature of 500 ° C., a Ge composition of 20%, and a film thickness of 100 nm. FIG. 11 shows X-ray diffraction spectra before and after heat treatment for a sample subjected to Si ion implantation at an implantation energy of 25 keV and a dose amount of 5 × 10 14 cm −2 and a sample not subjected to ion implantation. Sample preparation conditions other than those described above may be basically the same as those in Example 1 unless otherwise specified. In this graph, in order from the top, (1) without ion implantation and before annealing, (2) without ion implantation and after annealing, (3) with ion implantation and before annealing, (4) with ion implantation and It shows after annealing.
アニール前の試料においては、イオン注入の有無によらず、Si/SiGe界面の急峻性を示す、SiGe層の膜厚に対応したフリンジが見られる。SiGeバッファー層2とSi基板1とは格子整合しており、成長中に緩和が生じていないことが分かる。その後の熱処理により、どちらもSiGeのピークが高角側にシフトし、ミスフィット転位によりフリンジも消え、緩和が促進されていることが分かる。このアニールにより、イオン注入を行っていない試料の緩和率が20%であるのに比べ、Siイオン注入を行った試料のピークが、より高角側にシフトしており、緩和率も75%と増大していた。その理由は、イオン注入による欠陥が、アニールにより、転位源として機能し、その結果、SiGe層の緩和率増大に寄与したと考えられる。 In the sample before annealing, a fringe corresponding to the film thickness of the SiGe layer, showing the steepness of the Si / SiGe interface, is seen regardless of whether or not ion implantation is performed. It can be seen that the SiGe buffer layer 2 and the Si substrate 1 are lattice-matched, and no relaxation occurs during growth. It can be seen that the subsequent heat treatment shifts the SiGe peak to the high angle side, and the fringe disappears due to misfit dislocations, which promotes relaxation. By this annealing, the peak of the sample with Si ion implantation is shifted to a higher angle side and the relaxation rate increases to 75% compared to the relaxation rate of the sample without ion implantation being 20%. Was. The reason is that defects due to ion implantation functioned as a dislocation source by annealing, and as a result, contributed to an increase in the relaxation rate of the SiGe layer.
(Siイオン注入条件の最適化)
次に、Siイオン注入条件の最適化を検討する。図12(a)に、熱処理後における緩和率の注入ドーズ量依存性を示す。なお、ここでは注入エネルギーを20keVとしている。Arイオンの最適な注入条件と同じ欠陥分布になる条件である1.3×1015cm-2においては、緩和がほとんど促進されていないものの、ドーズ量を3×1015cm-2に増加させると、60%以上の緩和率が得られている。注入ドーズ量増加によって、転位源となる欠陥量が多くなり、緩和率が向上していると考えられる。
(Optimization of Si ion implantation conditions)
Next, the optimization of Si ion implantation conditions is studied. FIG. 12A shows the dependence of the relaxation rate on the implantation dose after the heat treatment. Here, the implantation energy is 20 keV. In 1.3 × 10 15 cm -2 , which is the condition with the same defect distribution as the optimum Ar ion implantation condition, relaxation is hardly promoted, but when the dose is increased to 3 × 10 15 cm -2 , A relaxation rate of 60% or more is obtained. It is considered that the increase in implantation dose increases the amount of defects serving as a dislocation source and improves the relaxation rate.
図12(b)に、注入エネルギー25keVの場合の結果を示す。20keVの場合と同様に、ドーズ量を増化させることで、緩和率が増大する一方、ドーズ量の少ない5×1014cm-2において、最も緩和率が大きい結果となった。 FIG. 12B shows the result when the implantation energy is 25 keV. As in the case of 20 keV, increasing the dose amount increases the relaxation rate, while 5 × 10 14 cm -2 where the dose amount is small has the largest relaxation rate.
Siイオンの場合、他のイオン種に比べて結晶の回復性が強く、ドーズ量が多い場合、逆に欠陥が消滅してしまい、緩和率向上効果が減少してしまうと考えられる。実際に、Siイオン注入によりアモルファス化した領域は結晶回復しやすく、その外側の領域(注入密度の低い領域)に主に欠陥が残留することが知られている。Siイオンの場合、最適イオンドーズ量は1〜10×1014cm-2であると考えられる。 In the case of Si ions, it is considered that the crystal recoverability is stronger than other ion species, and if the dose is large, the defects disappear, and the effect of improving the relaxation rate is reduced. Actually, it is known that a region made amorphous by Si ion implantation is easy to recover from crystals, and defects mainly remain in the outer region (region having a low implantation density). In the case of Si ions, the optimum ion dose is considered to be 1 to 10 × 10 14 cm −2 .
(表面モフォロジーの評価)
ついで、Siイオン注入法により作製したSiGeバッファー層2の表面モフォロジーの評価を行った。図13に、熱処理前におけるSiGeバッファー層2のAFM像を示す。このバッファー層2では、ミスフィット転位に由来するクロスハッチなどのステップも見られず、A(オングストローム)オーダーの平坦性を維持している。また、この実施例では、SiGeバッファー層2の成長温度を、500℃と比較的低く設定しているため、弾性的緩和や転位の発生による表面ラフネスの増大が抑制されている。
(Evaluation of surface morphology)
Subsequently, the surface morphology of the SiGe buffer layer 2 produced by the Si ion implantation method was evaluated. FIG. 13 shows an AFM image of the SiGe buffer layer 2 before the heat treatment. In this buffer layer 2, steps such as cross hatching due to misfit dislocation are not observed, and flatness of A (Angstrom) order is maintained. In this embodiment, since the growth temperature of the SiGe buffer layer 2 is set to a relatively low value of 500 ° C., increase in surface roughness due to elastic relaxation and occurrence of dislocations is suppressed.
SiGeバッファー層2の熱処理後においては(図14)、70%以上の緩和率を有しつつも、表面ラフネスが0.18nmと、Si基板1に匹敵する表面平坦性を維持している。これは、Si基板1に対して一層整合性の良いSiイオンを注入したことによる効果であると考えられる。図14においては、表面モフォロジーとして、試料表面に均一なクロスハッチパターンが見られるが、これは、イオン注入欠陥の効果により、界面に非常に均一にミスフィット転位が生じていることを示唆している。 After the heat treatment of the SiGe buffer layer 2 (FIG. 14), the surface roughness is 0.18 nm and the surface flatness comparable to the Si substrate 1 is maintained while having a relaxation rate of 70% or more. This is considered to be due to the effect of implanting Si ions with better matching to the Si substrate 1. In FIG. 14, as the surface morphology, a uniform cross-hatch pattern is seen on the sample surface. This suggests that misfit dislocations are generated very uniformly at the interface due to the effect of ion implantation defects. Yes.
SiGe バッファー層2の歪み場を測定するために、空間分解ラマンマッピングを行った。Siイオン注入法を用いて作製した、本実施例の試料における、熱処理後のラマンマッピング像を、図15に示す。同様に、イオン注入を行わないで作製した試料についての、熱処理後のラマンマッピング像を、図16に示す。いずれにおいても、測定範囲は20×20μm2であり、かつ、ラマンシフトのスケールは1.0cm-1である。SiGeバッファー層2におけるピークのラマンシフトは、緩和率が高いほど低波数側にシフトするので、コントラストが濃い領域ほど緩和率が高くなっていることを示している。イオン注入を行った試料は、イオン注入を行わないで作製した試料に見られるクロスハッチパターン状の歪みゆらぎが見られず、歪み緩和が面内に均一に分布していることが分かる。これは、Siイオン注入による格子欠陥に由来して、面内に均一に転位が発生し歪み緩和を生じさせていることを示している。 In order to measure the strain field of the SiGe buffer layer 2, spatially resolved Raman mapping was performed. FIG. 15 shows a Raman mapping image after the heat treatment in the sample of this example manufactured by using the Si ion implantation method. Similarly, FIG. 16 shows a Raman mapping image after heat treatment for a sample manufactured without performing ion implantation. In any case, the measurement range is 20 × 20 μm 2 , and the scale of Raman shift is 1.0 cm −1 . The Raman shift of the peak in the SiGe buffer layer 2 shifts to the lower wavenumber side as the relaxation rate is higher, indicating that the relaxation rate is higher as the contrast is higher. It can be seen that the sample subjected to ion implantation does not show the cross-hatch pattern-like strain fluctuations seen in the sample prepared without ion implantation, and the strain relaxation is uniformly distributed in the plane. This indicates that due to lattice defects caused by Si ion implantation, dislocations are uniformly generated in the plane to cause strain relaxation.
なお、本発明に係る歪み緩和バッファー層の製造方法、及び、歪み緩和バッファー層を備えた積層体は、前記した実施形態に限定されるものではない。本実施形態の構成は、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更を加えうるものである。 In addition, the manufacturing method of the strain relaxation buffer layer which concerns on this invention, and the laminated body provided with the strain relaxation buffer layer are not limited to above-described embodiment. The configuration of the present embodiment can be variously modified within the scope of the invention described in the claims.
1 Si基板
11 Si基板の表面
12 格子欠陥
2 SiGe層
3 歪み緩和バッファー層
4 歪み半導体層
5 ボイド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Si substrate 11 Si substrate surface 12 Lattice defect 2 SiGe layer 3 Strain relaxation buffer layer 4 Strain semiconductor layer 5 Void
Claims (8)
(a)結晶構造を有するSi基板に、Geイオンを注入することにより、前記Si基板に格子欠陥を形成するステップ;
(b)前記Si基板の表面に、SiGe層を成長させるステップ;
(c)前記SiGe層をアニールすることにより、前記SiGe層を、歪み緩和バッファー層とするステップ。 A method for producing a strain relaxation buffer layer comprising the following steps:
(A) forming a lattice defect in the Si substrate by implanting Ge ions into the Si substrate having a crystal structure;
(B) growing a SiGe layer on the surface of the Si substrate;
(C) annealing the SiGe layer to make the SiGe layer a strain relaxation buffer layer.
(d)前記ステップ(a)の後でかつ前記ステップ(b)の前に、前記Si基板をアニールすることにより、前記Si基板の結晶性を回復させるステップ。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, further comprising the following step (d):
(D) recovering the crystallinity of the Si substrate by annealing the Si substrate after the step (a) and before the step (b).
(a)結晶構造を有するSi基板に、Siイオンを注入することにより、前記Si基板に格子欠陥を形成するステップ;
(b)前記Si基板の表面に、SiGe層を成長させるステップ;
(c)前記SiGe層をアニールすることにより、前記SiGe層を、歪み緩和バッファー層とするステップ。 A method for producing a strain relaxation buffer layer comprising the following steps:
(A) forming a lattice defect in the Si substrate by implanting Si ions into the Si substrate having a crystal structure;
(B) growing a SiGe layer on the surface of the Si substrate;
(C) annealing the SiGe layer to make the SiGe layer a strain relaxation buffer layer.
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-
2007
- 2007-03-14 JP JP2007065506A patent/JP2007288165A/en not_active Withdrawn
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