JP2005072054A

JP2005072054A - METHOD FOR MANUFACTURING STRAIN RELAXING SiGe SUBSTRATE

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Publication number: JP2005072054A
Application number: JP2003209066A
Authority: JP
Inventors: Shu Nakabarai; 周中払; Tsutomu Tezuka; 勉手塚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP3967695B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high quality SiGe crystal by suppressing dislocation in the vicinity of the oxide film interface of an SiGe layer and to enable the sufficient lattice relaxation of the SiGe layer. <P>SOLUTION: In a method for manufacturing a strain relaxing SiGe substrate having a lattice relaxed signal crystal SiGe layer on an insulating film, a first SiGe layer 7 of a high Ge composition is formed on an insulating film 2, a second SiGe layer 8 of a low Ge composition is formed on the first SiGe layer 7, and then heat treatment is performed at such a temperature as the first SiGe layer 7 fuses but the second SiGe layer 8 does not fuse thus recrystallizing the first and second SiGe layers 7 and 8. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路素子の形成要素たる電界効果トランジスタを作製するための素子形成用基板の製造方法に係わり、特に歪みＳｉチャネルＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴに用いる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＭＯＳ回路素子の高性能化，高機能化のため、歪みＳｉなどの高移動度のチャネル材料を用いることが検討されている。歪みＳｉは、より格子定数の大きな格子緩和ＳｉＧｅ基板上に形成され、基板面内方向に引張り歪みを有している。この引張り歪みの影響でバンド構造が変化し、電子，正孔の移動度はいずれもＳｉに比べて増大する。下地のＳｉＧｅ層のＧｅ組成が大きくなるほど歪みＳｉの歪み量が大きくなり、移動度はより高くなる。
【０００３】
このような歪みＳｉチャネルを有するＭＯＳＦＥＴでＣＭＯＳを構成すれば、同じサイズのＳｉ−ＣＭＯＳよりも高速動作が期待できる。さらに、歪みＳｉチャネルＭＯＳＦＥＴに埋め込み酸化膜を有する構造を組み合わせた歪みＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴは更なる高性能化が期待できる。この歪みＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴにおいて移動度増大の利点を最大限に利用するためには完全空乏型であることが望ましいが、そのためには埋め込み酸化膜上の歪み緩和ＳｉＧｅ層及び歪みＳｉ層を数十ナノメートル程度という非常に薄い膜にしなくてはならず、従って極薄のＳｉＧｅ層を埋め込み酸化膜上に形成する必要がある。
【０００４】
本発明者らを含む研究グループは、このような極薄膜かつ高Ｇｅ組成のＳｉＧｅ基板を埋め込み酸化膜上に作製するために、酸化濃縮法という手法を提案し、開発してきた（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、図１（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１の上に埋め込み酸化膜２とＳｉ層（ＳＯＩ層）３が順次積層されているＳＯＩ基板上に、Ｓｉ層３と格子整合したＳｉＧｅをエピタキシャル成長させることにより歪みＳｉＧｅ層４を作製する。
【０００５】
次いで、１０００℃以上の高温で酸化を行うことにより、図１（ｂ）に示すように、ＳｉＧｅ層４の表面に酸化膜６が形成されるが、Ｇｅがこの酸化膜６からはじき出されることにより、ＳｉＧｅ層４のＧｅ濃度が増す。また、ＧｅがＳｉ層３に拡散するためＳｉ層３とＳｉＧｅ層４の界面は消滅し、十分にＧｅを拡散させると均一組成のＳｉＧｅ層となる。さらにこの過程において、Ｓｉ層３とＳｉＧｅ層４との界面に転位が入ることや埋め込み酸化膜２の塑性変形によって、格子歪みが緩和したＳｉＧｅ層５となる。
【０００６】
本手法では、薄膜で高Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層が高品質で得られるが、一方で、埋め込み酸化膜付近のＳｉＧｅ層に転位が残留すること、或いは特に高Ｇｅ組成の場合にＳｉＧｅ層の格子緩和が不完全であるという問題がある。
【０００７】
また、埋め込み酸化膜上に同様のＳｉＧｅ層を作製する類似の手法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法では、ＳＯＩ層上に高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層及びＳｉキャップ層をエピタキシャル成長させた基板に対して、加熱処理を行うことにより高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層を融解させる。同時に、熱の効果によりＳｉとＧｅの相互拡散を生じさせ、ＳｉＧｅ層のＧｅ組成を低下させて再結晶化させる。
【０００８】
しかしながら、この方法によってもＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜界面近傍は結晶のまま留まるため、埋め込み酸化膜との結合を切ることが不可能であり、従って埋め込み酸化膜近傍に転位が残留するという問題がある。なお、ＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜界面近傍も溶解させると、ＳｉＧｅ層の再結晶の際のシード部が無くなるため、成長結晶が多結晶となり良質の結晶が得られなくなる。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｔｅｚｕｋａ，Ｎ．Ｓｕｇｉｙａｍａ，Ｓ．Ｔａｋａｇｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７９，ｐ１７９８（２００１）
【００１０】
【非特許文献２】
Ｎ．Ｓｕｇｉｉ，Ｓ．Ｙｍａｇｕｃｈｉ，Ｋ．Ｗａｓｈｉｏ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｃｈｎｏｌ．Ｂ２０，ｐ１８９１（２００２）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、加熱処理の過程を通じてＳＯＩの埋め込み酸化膜界面近傍のＳｉＧｅ層が結晶のままである場合、ＳｉＧｅ層の酸化膜界面近傍に転位が残留するという問題があり、これはＳｉＧｅ層上に作製した歪みＳｉチャネルＭＯＳＦＥＴにおいて接合リーク等によるＯＦＦ電流の増大を招く。また、ＳｉＧｅ層と酸化膜の界面における結合が強固であるため、ＳｉＧｅ層の歪み緩和は不完全なものとなるという問題があり、これはチャネルに十分歪みが加えられず、移動度増大効果の減少につながることになる。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、ＳｉＧｅ層の下地絶縁膜界面近傍における転位の発生を抑制して高品質のＳｉＧｅ結晶を得ることができ、且つＳｉＧｅ層の十分な格子緩和をはかることができる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１４】
即ち本発明は、絶縁膜上に格子緩和した単結晶ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、絶縁膜上に第１のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層上に該ＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の低い第２のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層が融解し第２のＳｉＧｅ層が融解しない温度で加熱処理を施し、第１及び第２のＳｉＧｅ層を再結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、絶縁膜上に格子緩和した単結晶ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、絶縁膜上に第１のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層上に第１のＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の低い第２のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第２のＳｉＧｅ層上に第２のＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の高い第３のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１及び第３のＳｉＧｅ層が融解し第２のＳｉＧｅ層が融解しない温度で加熱処理を施し、第１乃至第３のＳｉＧｅ層を再結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００１７】
（１）第１のＳｉＧｅ層を形成する工程として、ＳＯＩ基板のＳｉ層上にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長した後、熱処理を施すことにより、ＳｉＧｅ層上にＳｉ酸化膜を形成すると共に、ＳＯＩ基板の絶縁膜との界面にＧｅ濃度が高くなったＳｉＧｅ層を形成し、しかるのちＳｉＧｅ層上に形成されたＳｉ酸化膜を除去する。
【００１８】
（２）第２のＳｉＧｅ層は、第１のＳｉＧｅ層側から膜厚方向に対してＧｅ組成が階段状に低くなっている。
【００１９】
（３）第２のＳｉＧｅ層は、第１のＳｉＧｅ層側から膜厚方向に対してＧｅ組成が連続的に低くなっている。
【００２０】
（４）第２のＳｉＧｅ層は、Ｇｅ組成が膜厚方向に対して階段状に変化するものであり、中央部が最も低く、第１及び第３のＳｉＧｅ層側で高くなっている。
【００２１】
（５）第２のＳｉＧｅ層は、Ｇｅ組成が膜厚方向に対して連続的に変化するものであり、中央部が最も低く、第１及び第３のＳｉＧｅ層側で高くなっている。
【００２２】
また本発明は、絶縁膜上に格子緩和した単結晶ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、ＳＯＩ基板のＳｉ層上に第１のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層上に該ＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の低い第２のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層が融解し第２のＳｉＧｅ層が融解しない温度で加熱処理を施し、第２のＳｉＧｅ層上にＳｉ酸化膜を形成すると共に、前記ＳＯＩ基板の絶縁膜上に第１及び第２のＳｉＧｅ層を再結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、絶縁膜上に格子緩和した単結晶ＳｉＧｅ層を有する歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造方法であって、ＳＯＩ基板のＳｉ層上に第１のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１のＳｉＧｅ層上に第１のＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の低い第２のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第２のＳｉＧｅ層上に第２のＳｉＧｅ層よりもＧｅ組成の高い第３のＳｉＧｅ層を形成する工程と、第１及び第３のＳｉＧｅ層が融解し第２のＳｉＧｅ層が融解しない温度で加熱処理を施し、第３のＳｉＧｅ層上にＳｉ酸化膜を形成すると共に、前記ＳＯＩ基板の絶縁膜上に第１乃至第３のＳｉＧｅ層を再結晶化する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
（作用）
本発明によれば、酸化膜等の下地絶縁膜界面付近に高Ｇｅ組成の第１のＳｉＧｅ層を形成し、その上に低Ｇｅ組成の第２のＳｉＧｅ層を形成した状態で、加熱処理を施して第１のＳｉＧｅ層のみを融解させることにより、Ｇｅ組成が均一かつ低転位密度で格子歪みが緩和した単結晶ＳｉＧｅ層を形成することができる。従って、この歪み緩和ＳｉＧｅ基板を用いた歪みＳｉチャネルＭＯＳＦＥＴにおいては、接合リーク等によるＯＦＦ電流の低減と共に移動度増大効果が期待できる。
【００２５】
ここで、ＳｉＧｅの融解温度ＴはＧｅ組成に依存しており、図２に示すように、Ｇｅ組成が高くなるほど融解温度が低くなる。このため、Ｇｅ組成に応じて熱処理温度を選択することにより、第２のＳｉＧｅ層は融解させずに第１のＳｉＧｅ層のみを融解させることができる。これにより、固相状態にある第２のＳｉＧｅ層をシードとして第１のＳｉＧｅ層の再結晶化を進めることができ、良質の結晶を得ることができる。なお、第２のＳｉＧｅ層も融解させると、シードがないためにＳｉＧｅは多結晶となり、良質の結晶は得られなくなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す図である。この実施形態は、酸化濃縮法等の手法により前もって高Ｇｅ組成層を埋め込み酸化膜上に形成することを特徴とする。図の左側が試料の断面図、右側が各位置に対応するＧｅ組成を示す。
【００２８】
まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ酸化膜２上に形成された膜厚ｄ_ＳＯＩ＝３０ｎｍのＳｉ層（ＳＯＩ層）３上に、ＳｉＧｅ層４をＧｅ組成ｘ_０＝０．１，膜厚ｄ_０＝４０ｎｍでエピタキシャル成長させる。この時点でＳｉＧｅ層４に転位が発生しないためには、膜厚ｄ_０が転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。この臨界膜厚はＧｅ組成ｘ_０やエピタキシャル成長温度に依存する値であり（Ｄ．Ｃ．Ｈｏｕｇｈｔｏｎ，ＪＡＰ７０，２１３６（１９９１））、５５０℃で成長した場合においては２００ｎｍ程度の値である。
【００２９】
次いで、先に説明した酸化濃縮法を用い、１０００℃にて乾燥熱酸化を施した後に酸化膜を除去することにより、図３（ｂ）に示す膜厚ｄ_１＝１０ｎｍ、Ｇｅ組成ｘ_１＝０．４の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第１のＳｉＧｅ層）７が得られる。ここで、図３（ａ）の構成を作製するためには、張り合わせ法或いはＳＩＭＯＸ法を用いてもよい。また、図３（ｂ）の構成を張り合わせ法により直接作製することも可能である。
【００３０】
次いで、図３（ｃ）に示すように、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７上に低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第２のＳｉＧｅ層）８を、膜厚ｄ_２＝３０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_２＝０．３でエピタキシャル成長する。このエピタキシャル成長の際も臨界膜厚を超えないことが好ましく、５５０℃で成長した場合においては４０ｎｍ以下であるとよい。なお、ＳｉＧｅ層８の表面保護のために酸化膜を形成するのが望ましい。そのためには、ＳｉＯ_２等を堆積すればよいが、Ｓｉを堆積或いはエピタキシャル成長させた後に酸化してもよい。
【００３１】
次いで、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７が融解し、かつ低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８が融解しない温度で加熱処理を施す。本実施形態においては、１２００℃，窒素雰囲気中で加熱処理を行う。図３（ｄ）に加熱処理の途中経過を示す。該過程において、埋め込み酸化膜２上の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７が融解して融解ＳｉＧｅ層１０となることで埋め込み酸化膜２との結合が切れるため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の格子歪みが緩和する。同時に、熱の効果によりＧｅ拡散１２が生じＳｉＧｅ層全体のＧｅ組成は時間の経過に伴って均一化の方向に進む。
【００３２】
従って、Ｇｅ組成が融解Ｇｅ組成１１を上回る領域は時間の経過と共に減少し、再結晶化１３が生じる。この際、再結晶化は低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の結晶性を保ちつつ進行するため、結果として、図３（ｅ）に示すように、均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４が得られる。本実施形態の条件においては、最終膜厚ｄ_ｆ＝４０ｎｍ、最終Ｇｅ組成ｘ_ｆ＝０．３３である。
【００３３】
加熱処理前，加熱処理後におけるＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の値について、本発明の効果を得ることが可能であるためには、
ｘ_ｆ＝（ｄ_１ｘ_１＋ｄ_２ｘ_２）／ｄ_ｆ＜ｘ_ｍ（Ｔ）…（１）
ｘ_２＜ｘ_ｍ（Ｔ）＜ｘ_１ …（２）
を満たす必要がある。ここで、ｘ_ｍ（Ｔ）は前記図２に示したように、ＳｉＧｅが温度Ｔによって融解する組成である。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においてはｄ_ｆ＝ｄ_１＋ｄ_２である。最終的に必要とするＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成等に応じてこれらの条件式（１）（２）の範囲内でＳｉＧｅ層の膜厚，Ｇｅ組成等を選択することが可能である。
【００３４】
また、図３（ｄ）に示すような融解ＳｉＧｅ層１０が残留した状態において加熱処理を終了した場合においても、温度の低下に伴って融解Ｇｅ組成１１が上昇するため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の結晶性を保ちつつ再結晶化１３を生じせしめ、単結晶を得ることが可能である。さらに、本実施形態の手法を複数回繰り返すことにより、より高Ｇｅ組成，高緩和率のＳｉＧｅ基板を得ることも可能である。
【００３５】
次に、本実施形態の変形例を、図４（ａ）（ｂ）を参照して説明する。何れも図３（ｃ）の形状に対する変形例である。
【００３６】
図４（ａ）は変形例１を説明する図である。この変形例１は、図３（ｃ）に示す基板の替わりに、該基板に対してＳｉＧｅ層８を複数層、Ｇｅ組成を減少させつつ順次追加成膜したものである。これは、Ｇｅ組成の急激な変化による転位の発生を抑制する効果がある。
【００３７】
本変形例１においては、追加した各層の膜厚を基板側から順にｄ_２，ｄ_３，ｄ_４とし、該層のＧｅ組成を基板側から順にｘ_２，ｘ_３，ｘ_４とすると、ｄ_２＝ｄ_３＝ｄ_４＝２０ｎｍ、ｘ_２＝０．３５，ｘ_３＝０．３０，ｘ_４＝０．２５である。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。
【００３８】
該基板を用いて１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った場合に得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝７０ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３１である。ここで、ＳｉＧｅ層がｎ層積層されているとして加熱処理前及び加熱処理後における各ＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の値について、本発明の効果を得ることが可能となるためには、
【数１】

を満たすことが必要である。ここで、ｄ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）は、加熱処理前の第ｉ層の膜厚であり、ｘ_ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）は、加熱処理前の第ｉ層のＧｅ組成であり、ｘ_ｍｉｎは加熱処理前のＳｉＧｅ層のＧｅ組成の最小値であり、ｘ_ＢＯＸはＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜界面近傍部分のＧｅ組成である。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合は
【数２】

となる。
【００３９】
図４（ｂ）は変形例２を説明する図である。この変形例２は、図３（ｂ）に示す基板に対して、Ｇｅ組成を０．４から０．２５まで連続的に減少させた傾斜Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９を膜厚４０ｎｍで追加作製したものである。傾斜組成構造はＧｅ組成の不連続な変化による転位発生を抑制する効果がある。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。
【００４０】
該変形例２に示す構造を用いて１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った結果得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝５０ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３４である。ここで、加熱処理前のＧｅ組成が表面に垂直な方向の座標ｒに対してｘ（ｒ）で表されるとすると、本発明の効果を得ることが可能となるためには、
【数３】

及び（４）（５）式を満たしていなくてはならない。ここで、ｒ_１，ｒ_２はそれぞれ加熱処理前の全ＳｉＧｅ層の下端と上端の座標である。また特に、加熱処理が酸化を伴わない場合は、ｄ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１となる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜２上に高Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層７と低Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層８を積層した状態で、ＳｉＧｅ層７を融解しＳｉＧｅ層８を融解しない温度で加熱処理することにより、固相状態にあるＳｉＧｅ層８をシードとしてＳｉＧｅ層７の再結晶化を進めることができ、Ｇｅ組成が均一かつ低転位密度で格子歪みが緩和した単結晶ＳｉＧｅ層１４を形成することができる。
【００４２】
即ち、加熱処理の過程において高Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層７が融解することにより低Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層８が酸化膜２との結合から解放されるため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の格子歪み緩和が促進される。また、この過程でＳｉＧｅ層内でＧｅが拡散することにより、低Ｇｅ組成層の結晶性を保ちつつ再結晶化が進行するため、ＳｉＧｅ層全体にわたって高い結晶性が得られる。
【００４３】
従って、この歪み緩和ＳｉＧｅ基板を用いて歪みＳｉチャネルＭＯＳＦＥＴを作製した場合、接合リーク等によるＯＦＦ電流の低減と共に移動度増大効果が期待できる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す図であり、図の左側が試料の断面を示し、右側が各位置に対応するＧｅ組成を示している。
【００４５】
この実施形態が、先に説明した第１の実施形態と異なる点は、表面酸化膜界面付近に高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層を追加したことにある。この高Ｇｅ組成ＳｉＧｅの追加により本実施形態は、第１の実施形態と比較して、加熱処理におけるＳｉＧｅ層と表面酸化膜との結合をＳｉＧｅ層の融解によって切ることが可能であることから、歪みの緩和がより促進される効果が期待できる。
【００４６】
まず、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板のＳｉ酸化膜２上に、膜厚ｄ_１＝１０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_１＝０．４の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第１のＳｉＧｅ層）７と、膜厚ｄ_２＝３０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_２＝０．３の低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第２のＳｉＧｅ層）８を形成する。このようなＳｉＧｅ層７，８の積層構造の製法は、第１の実施形態で説明した前記図３（ａ）〜（ｃ）の工程と同様にすればよい。
【００４７】
次いで、図５（ｂ）に示すように、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８上に、膜厚ｄ_３＝１０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_３＝０．４の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第３のＳｉＧｅ層）７’を形成する。この層を形成する際も、臨界膜厚を超えないことが望ましい。また、表面保護のために酸化膜を形成するのが望ましい。そのためには、ＳｉＯ_２等を堆積すればよいが、Ｓｉを堆積或いはエピタキシャル成長させた後に酸化してもよい。
【００４８】
次いで、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７，７’が融解し、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８が融解しない温度で加熱処理を施す。本実施形態においては、１２００℃，窒素雰囲気中で加熱処理を行う。図５（ｃ）に加熱処理の途中経過を示す。該過程において、埋め込み酸化膜界面付近の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７が融解して融解ＳｉＧｅ層１０が生じると共に、表面酸化膜界面付近の高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７’が融解して融解ＳｉＧｅ層１０’が生じることで、ＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜２及び表面酸化膜６との結合が切れるため、低Ｇｅ組成層８の格子歪みの緩和が促進される。同時に、熱の効果によりＧｅ拡散１２が生じＳｉＧｅ層全体のＧｅ組成は時間の経過に伴って均一化の方向に進む。
【００４９】
従って、Ｇｅ組成が融解Ｇｅ組成１１を上回る領域は時間の経過と共に減少し、再結晶化１３が生じる。この際、再結晶化は低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の結晶性を保ちつつ進行するため、結果として図５（ｄ）に示す均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４が得られる。本実施形態の条件においては、最終膜厚ｄ_ｆ＝５０ｎｍ、最終Ｇｅ組成ｘ_ｆ＝０．３４である。
【００５０】
加熱処理前，加熱処理後におけるＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の値について、本発明の効果を得ることが可能であるためには、
ｘ_ｆ＝（ｄ_１ｘ_１＋ｄ_２ｘ_２＋ｄ_３ｘ_３）／ｄ_ｆ＜ｘ_ｍ（Ｔ）…（８）
ｘ_２＜ｘ_ｍ（Ｔ）＜ｘ_１，ｘ_３ …（９）
である必要がある。ここで、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においてはｄ_ｆ＝ｄ_１＋ｄ_２＋ｄ_３である。また、図５（ｃ）に示す融解ＳｉＧｅ層１０，１０’が残留した状態において加熱処理を終了した場合においても、温度の低下に伴って融解Ｇｅ組成１１が上昇するため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８の結晶性を保ちつつ再結晶化１３を生じせしめ単結晶を得ることが可能である。さらに、加熱処理にてＧｅ組成を均一化すれば、図５（ｄ）を得る。
【００５１】
次に、本実施形態の変形例を、図６（ａ）（ｂ）を参照して説明する。何れも図５（ｂ）の形状に対する変形例である。
【００５２】
図６（ａ）は変形例１を説明する図である。この変形例１は、図５（ｂ）における低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８として、Ｇｅ組成の異なる複数の層を用い、各々の層におけるＧｅ組成を、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７，７’側から段階的に低くしたものである。即ち、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８は中央部でＧｅ組成が最も低く、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７，７’側でＧｅ組成が階段状に高くなっている。このような構造は、Ｇｅ組成の急激な変化による転位の発生を抑制する効果がある。
【００５３】
本変形例１においては、前記図４（ａ）に示す構成に追加した各層の膜厚を基板側から順にｄ_５，ｄ_６，ｄ_７とし、各層のＧｅ組成を基板側から順にｘ_５，ｘ_６，ｘ_７とすると、ｄ_５＝ｄ_６＝２０ｎｍ，ｄ_７＝１０ｎｍ、ｘ_５＝０．３，ｘ_６＝０．３５，ｘ_７＝０．４である。これらの層を形成する際には、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。
【００５４】
該変形例に示す構造を用いて１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った場合に得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝１２０ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３３である。ここで、ＳｉＧｅ層がｎ層積層されているとして、加熱処理前及び加熱処理後における各ＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の値について、本発明の効果を得ることが可能となるためには、前記（３）（４）（５）式及び
ｘ_ｍ（Ｔ）＜ｘ_ｃａｐ …（１０）
を満たすことが必要である。ここで、ｘ_ｃａｐは表面酸化膜近傍のＳｉＧｅ層のＧｅ組成である。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合は、歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚は前記（６）式となる。
【００５５】
図６（ｂ）は変形例２を説明する図である。この変形例２は、図５（ｂ）の替わりに、前記図４（ｂ）上にＧｅ組成を０．２５から０．４まで連続的に増加させた傾斜Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９を膜厚４０ｎｍで追加作製した構造を用いる方法である。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。傾斜組成構造は不連続なＧｅ組成の変化による転位発生を抑制する効果がある。
【００５６】
該変形例に示す基板を１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った結果得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４は、最終膜厚がｄ_ｆ＝９０ｎｍ、最終Ｇｅ組成がｘ_ｆ＝０．３３である。ここで、本発明の効果を得ることが可能となるための条件は、（４）（５）（７）式及び（１０）式を満たすことである。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合、ｄ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１となる。
【００５７】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す図であり、図の左側が試料の断面を示し、右側が各位置に対応するＧｅ組成を示している。この実施形態は、ＳＯＩ層にＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させたものに対して加熱処理のみを行い、加熱処理後のＳｉＧｅ層上にＳｉＧｅ層を追加作製する手順を伴わないことを特徴とする。
【００５８】
まず、図７（ａ）に示すように、膜厚ｄ_ＳＯＩ＝５ｎｍのＳＯＩ層３上に、エピタキシャル成長によって高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７（膜厚ｄ_１＝４５ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_１＝０．４５）、及び低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８（膜厚ｄ_２＝５０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_２＝０．２５）を順次作製する。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。該基板に対して表面保護のために酸化膜を形成するのが望ましい。そのためには、ＳｉＯ_２等を堆積すればよいが、Ｓｉを堆積或いはエピタキシャル成長させた後に酸化してもよい。
【００５９】
次いで、加熱処理を施すことによってＳｉＧｅ層８の埋め込み酸化膜２側に高Ｇｅ組成領域、該層の上層部に低Ｇｅ組成領域が生じるようにＧｅを拡散させる。図７（ｂ）は（ａ）に対して１０５０℃における加熱処理を２時間行った結果を示す。傾斜Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層９が形成されると共に、該層９上にＳｉ酸化膜６が形成されている。
【００６０】
次いで、埋め込み酸化膜界面付近の高Ｇｅ組成領域のみが融解し、上層部の低Ｇｅ組成領域が融解しない温度で加熱処理を施す。本実施形態においては、１２００℃，窒素雰囲気中で加熱処理を行う。図７（ｃ）に加熱処理の途中経過を示す。傾斜Ｇｅ組成のＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜界面付近が融解して融解ＳｉＧｅ層１０となることで、ＳｉＧｅ層９と埋め込み酸化膜２との結合が切れるため、ＳｉＧｅ層９の格子歪みの緩和が促進される。同時に、熱の効果によりＧｅ拡散１２が生じＳｉＧｅ層全体のＧｅ組成は時間の経過に伴って均一化の方向に進む。
【００６１】
従って、Ｇｅ組成が融解Ｇｅ組成１１を上回る領域は時間の経過と共に減少し、再結晶化１３が生じる。この際、再結晶化は低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９の結晶性を保ちつつ進行するため、結果として図７（ｄ）に示す均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４が得られる。
【００６２】
本実施形態の条件においては、最終膜厚ｄ_ｆ＝１００ｎｍ、最終Ｇｅ組成ｘ_ｆ＝０．３３である。ここで、図７（ａ）に示す基板構造は、ＳＯＩ上に直接高いＧｅ組成のＳｉＧｅ層を作製することによる転位の発生を抑制するために、ＳＯＩと高Ｇｅ組成層の中間にＧｅ組成０．１程度のＳｉＧｅ薄膜、或いは徐々にＧｅ組成の上昇する傾斜組成層を作製してもよい。また、図７（ｃ）に示す融解ＳｉＧｅ層が残留した状態において加熱処理を終了した場合においても、温度の低下に伴って融解Ｇｅ組成１１が上昇するため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９の結晶性を保ちつつ再結晶化１３を生じせしめ単結晶を得ることが可能である。
【００６３】
また、本実施形態に示した手法により作製したＳｉＧｅ基板に対して更に第１の実施形態或いは第２の実施形態の手法を用いることにより、より高Ｇｅ組成，高緩和率のＳｉＧｅ基板を得ることも可能である。
【００６４】
本発明の効果を得ることが可能であるＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、次の通りである。まず、図７（ｂ）におけるＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜界面付近のＧｅ組成が、引き続き施される加熱処理の温度における融解Ｇｅ組成ｘ_ｍ（Ｔ）を上回ることが必要である。そのための目安として
ｄ_１ｘ_１／（ｄ_１＋ｄ_ＳＯＩ）＞ｘ_ｍ（Ｔ） …（１１）
を満たすことが必要である。次に、結果として得られる図７（ｄ）の基板のＳｉＧｅ層が単結晶であるためには、前記（１）式及び（５）式を満たすことが必要である。特に加熱処理が酸化を伴わない場合においては、ｄ_ｆ＝ｄ_１＋ｄ_２＋ｄ_ＳＯＩである。
【００６５】
次に、本実施形態の変形例を、図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。何れも図７（ａ）の形状に対する変形例である。
【００６６】
図８（ａ）は変形例１を説明する図である。この変形例１は、図７（ａ）の替わりに、膜厚ｄ_ＳＯＩ＝５ｎｍのＳＯＩ層３上にＳｉＧｅ層を複数層、Ｇｅ組成を減少させつつ順次積層したものを用いる。該構造はＧｅ組成の不連続な変化による転位の発生を抑制する効果がある。
【００６７】
本変形例１においては、各ＳｉＧｅ層の膜厚を基板側から順にｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４とし、各ＳｉＧｅ層のＧｅ組成を基板側から順にｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４とすると、ｄ_１＝４５ｎｍ，ｄ_２＝２０ｎｍ，ｄ_３＝２０ｎｍ，ｄ_４＝３５ｎｍ、ｘ_１＝０．４５，ｘ_２＝０．３５，ｘ_３＝０．３，ｘ_４＝０．２５である。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。
【００６８】
該基板を本実施形態の手順の通りに加熱処理を施すと、最終的に得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の膜厚はｄ_ｆ＝１２５ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３４である。本変形例において本発明の効果を得ることが可能であるためのＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、下記の通りである。まず、図７（ｃ）の過程において埋め込み酸化膜近傍のＳｉＧｅが融解するための目安として
ｄ_ｍｘ_１／（ｄ_ｍ＋ｄ_ＳＯＩ）＞ｘ_ｍ（Ｔ） …（１２）
を満たすことが必要である。ここで、ｄ_ｍは埋め込み酸化膜近傍のＳｉＧｅ層のうちで融解Ｇｅ組成１１を超えるＧｅ組成を有する部分の膜厚である。次に、最終的に得られるＳｉＧｅ層が単結晶であるための条件として、前記（３）式及び（５）式を満たす必要がある。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においては、
【数４】

である。
【００６９】
図８（ｂ）は変形例２を説明する図である。この変形例２は、図７（ａ）の替わりに、ＳＯＩ上にＧｅ組成を０．４５から０．２５まで連続的に減少させた傾斜Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９を膜厚１００ｎｍで追加作製したものを用いる。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。傾斜組成構造は不連続なＧｅ組成の変化による転位発生を抑制する効果がある。
【００７０】
該変形例に示す基板を１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った結果得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝１２５ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３４である。ここで、本変形例において本発明の効果を得ることが可能であるためのＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、下記の通りである。まず、図７（ｃ）の過程において埋め込み酸化膜近傍のＳｉＧｅが融解するための目安として
【数５】

を満たすことが必要である。次に、最終的に得られるＳｉＧｅ層が単結晶であるための条件として、（５）式及び（７）式を満たす必要がある。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合、ｄ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１＋ｄ_ＳＯＩである。
【００７１】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す図である。本実施形態は、第３の実施形態に対して表面酸化膜界面付近に高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層を追加したものを用いることを特徴とする。本実施形態は第３の実施形態と比較して、加熱処理におけるＳｉＧｅ層と表面酸化膜との結合をＳｉＧｅ層の融解によって切ることが可能であることから、より緩和が促進される効果がある。
【００７２】
まず、図９（ａ）に示すように、膜厚ｄ_ＳＯＩ＝５ｎｍのＳＯＩ層３上に、エピタキシャル成長によって高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７（膜厚ｄ_１＝４５ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_１＝０．４５）、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層８（膜厚ｄ_２＝５０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_２＝０．２５）、高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層７’（膜厚ｄ_１＝１０ｎｍ，Ｇｅ組成ｘ_１＝０．４５）を順次作製する。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。該基板に対して表面保護のために酸化膜を形成するのが望ましい。そのためには、ＳｉＯ_２等を堆積すればよいが、Ｓｉを堆積或いはエピタキシャル成長させた後に酸化してもよい。
【００７３】
次いで、加熱処理を施すことによってＳｉＧｅ層の埋め込み酸化膜界面近傍及び表面酸化膜界面近傍に高Ｇｅ組成領域、中間層に低Ｇｅ組成領域が生じるようにＧｅを拡散させる。図９（ｂ）は（ａ）に対して１０５０℃における加熱処理を２時間行った結果を示している。この状態では、ＳｉＧｅ層８よりもＧｅ組成の高いＳｉＧｅ層９が形成され、ＳｉＧｅ層９上にＳｉ酸化膜６が形成されている。また、ＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜界面近傍及び表面酸化膜界面近傍は高Ｇｅ組成領域となっている。
【００７４】
次いで、ＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜界面近傍及び表面酸化膜界面近傍の高Ｇｅ組成領域のみが融解し、中間層の低Ｇｅ組成領域が融解しない温度で加熱処理を施す。本実施形態においては、１２００℃，窒素雰囲気中で加熱処理を行う。図９（ｃ）に加熱処理の途中経過を示す。ＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜界面近傍及び表面酸化膜界面近傍が融解して融解ＳｉＧｅ層１０，１０’となることでＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜２及び表面酸化膜６との結合が切れるため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９の格子歪みの緩和が促進される。同時に、熱の効果によりＧｅ拡散１２が生じＳｉＧｅ層全体のＧｅ組成は時間の経過に伴って均一化の方向に進む。
【００７５】
従って、Ｇｅ組成が融解Ｇｅ組成１１を上回る領域は時間の経過と共に減少し、再結晶化１３が生じる。この際、再結晶化は低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９の結晶性を保ちつつ進行するため、結果として図９（ｄ）に示す均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４が得られる。
【００７６】
本実施形態の条件においては、最終膜厚ｄ_ｆ＝１１０ｎｍ、最終Ｇｅ組成ｘ_ｆ＝０．３４である。ここで、図９（ａ）の基板構造について、ＳＯＩ上に直接高いＧｅ組成のＳｉＧｅ層を作製することによる転位の発生を抑制するために、ＳＯＩと高Ｇｅ組成層の中間にＧｅ組成０．１程度のＳｉＧｅ薄膜、或いは徐々にＧｅ組成の上昇する傾斜組成層を作製してもよい。また、図９（ｃ）に示す融解ＳｉＧｅ層が残留した状態において加熱処理を終了した場合においても、温度の低下に伴って融解Ｇｅ組成１１が上昇するため、低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９の結晶性を保ちつつ再結晶化１３を生じせしめ単結晶を得ることが可能である。
【００７７】
また、本実施形態に示した手法により作製したＳｉＧｅ基板に対して更に第１の実施形態或いは第２の実施形態の手法を用いることにより、より高Ｇｅ組成，高緩和率のＳｉＧｅ基板を得ることも可能である。
【００７８】
本発明の効果を得ることが可能であるＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、次の通りである。まず、図９（ｂ）におけるＳｉＧｅ層９の埋め込み酸化膜界面近傍のＧｅ組成が、引き続き施される加熱処理の温度における融解Ｇｅ組成ｘ_ｍ（Ｔ）を上回ることが必要である。そのための目安として前記（１１）式を満たすことが必要である。また、ＳｉＧｅ層９の表面酸化膜界面近傍が引き続き施される加熱処理の温度において融解するために、前記（１０）式を満たすことが必要である。次に、結果として得られる図９（ｄ）の基板のＳｉＧｅ層１４が単結晶であるためには、前記（５）式及び（８）式を満たすことが必要である。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においては、歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚は前記（１３）式となる。
【００７９】
次に、本実施形態の変形例を、図１０（ａ）（ｂ）を参照して説明する。何れも図９（ａ）の形状に対する変形例である。
【００８０】
図１０（ａ）は変形例１を説明する図である。この変形例１は、図９（ａ）の替わりに、膜厚ｄ_ＳＯＩ＝５ｎｍのＳＯＩ層３上にＳｉＧｅ層を複数層、Ｇｅ組成を減少させながら順次積層した上に、Ｇｅ組成を増加させながら順次積層したものを用いることを特徴とする。該構造はＧｅ組成の不連続な変化による転位の発生を抑制する効果がある。
【００８１】
本変形例１においては、各ＳｉＧｅ層の膜厚を基板側から順にｄ_１，ｄ_２，ｄ_３，ｄ_４，ｄ_５，ｄ_６，ｄ_７とし、各ＳｉＧｅ層のＧｅ組成を基板側から順にｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，ｘ_４，ｘ_５，ｘ_６，ｘ_７とすると、ｄ_１＝４５ｎｍ，ｄ_２＝２０ｎｍ，ｄ_３＝２０ｎｍ，ｄ_４＝３５ｎｍ，ｄ_５＝２０ｎｍ，ｄ_６＝２０ｎｍ，ｄ_７＝１０ｎｍ、ｘ_１＝０．４５，ｘ_２＝０．３５，ｘ_３＝０．３，ｘ_４＝０．２５，ｘ_５＝０．３，ｘ_６＝０．３５，ｘ_７＝０．４５である。これらの層を形成する際には、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。
【００８２】
該基板を本実施形態の手順の通りに加熱処理を施すと、最終的に得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝１７５ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３４である。本変形例１において本発明の効果を得ることが可能であるためのＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、下記の通りである。
【００８３】
まず、図９（ｃ）の過程において埋め込み酸化膜近傍のＳｉＧｅが融解するための目安として前記（１２）式を満たすことが必要である。また、ＳｉＧｅ層の表面酸化膜界面近傍が、引き続き施される加熱処理の温度において融解するために、前記（１０）式を満たすことが必要である。次に、最終的に得られるＳｉＧｅ層が単結晶であるための条件として、前記（３）式及び（５）式を満たす必要がある。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においては、歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚は前記（１３）式となる。
【００８４】
図１０（ｂ）は変形例２を説明する図である。この変形例２は、図９（ａ）の替わりに、ＳＯＩ上にＧｅ組成を０．４５から０．２５まで連続的に減少させた上にＧｅを０．２５からまで連続的に増加させた傾斜Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層９を用いることを特徴とする。このような傾斜組成構造は、不連続なＧｅ組成の変化による転位発生を抑制する効果がある。
【００８５】
該変形例に示す基板を１２００℃，窒素雰囲気中にて加熱処理を行った結果得られる均一Ｇｅ組成・単結晶・歪み緩和ＳｉＧｅ層１４の最終膜厚はｄ_ｆ＝２０５ｎｍ、最終Ｇｅ組成はｘ_ｆ＝０．３４である。これらの層を形成する際に、転位発生の臨界膜厚を超えないことが望ましい。ここで、本変形例２において本発明の効果を得ることが可能であるＳｉＧｅ層の膜厚及びＧｅ組成の範囲は、下記の通りである。
【００８６】
まず、図９（ｃ）の過程において埋め込み酸化膜近傍のＳｉＧｅが融解するための目安として前記（１４）式を満たすことが必要である。また、ＳｉＧｅ層の表面酸化膜界面近傍が、引き続き施される加熱処理の温度において融解するために、前記（１０）式を満たすことが必要である。また、最終的に得られるＳｉＧｅ層が単結晶であるための条件として、前記（５）式及び（７）式を満たす必要がある。また、特に加熱処理が酸化を伴わない場合においては、ｄ_ｆ＝ｒ_２−ｒ_１＋ｄ_ＳＯＩである。
【００８７】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。例えば、第１〜第３のＳｉＧｅ層における膜厚やＧｅ組成等の条件は仕様に応じて適宜変更可能である。具体的には、第１，第３のＳｉＧｅ層のＧｅ組成が高く、第２のＳｉＧｅ層のＧｅ組成が低いものであれば、各層のＧｅ組成は適宜変更可能である。また、再結晶化のための熱処理温度は、第１〜第３のＳｉＧｅ層におけるＧｅ組成との関係を考慮し、第１，第３のＳｉＧｅ層が融解し、第２のＳｉＧｅ層が融解しない範囲で適宜定めればよい。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、絶縁膜上にＧｅ組成の高い第１のＳｉＧｅ層とＧｅ組成の低い第２のＳｉＧｅ層を積層した状態で、第１のＳｉＧｅ層が融解し第２のＳｉＧｅ層が融解しない温度で加熱処理を施してＳｉＧｅを再結晶化することにより、ＳｉＧｅ層の下地絶縁膜界面近傍における転位の発生を抑制して高品質のＳｉＧｅ結晶を得ることができ、且つＳｉＧｅ層の十分な格子緩和をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化濃縮法を説明するための工程断面図。
【図２】融解Ｇｅ組成の温度依存性を説明するための特性図。
【図３】第１の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す断面図とＧｅ組成図。
【図４】第１の実施形態の変形例を示す断面図とＧｅ組成図。
【図５】第２の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す断面図とＧｅ組成図。
【図６】第２の実施形態の変形例を示す断面図とＧｅ組成図。
【図７】第３の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す断面図とＧｅ組成図。
【図８】第３の実施形態の変形例を示す断面図とＧｅ組成図。
【図９】第４の実施形態に係わる歪み緩和ＳｉＧｅ基板の製造工程を示す断面図とＧｅ組成図。
【図１０】第４の実施形態の変形例を示す断面図とＧｅ組成図。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板
２…埋め込み酸化膜
３…Ｓｉ層（ＳＯＩ層）
４…歪みＳｉＧｅ層
５…緩和ＳｉＧｅ層
６…酸化膜
７…高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第１のＳｉＧｅ層）
７’…高Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第３のＳｉＧｅ層）
８…低Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層（第２のＳｉＧｅ層）
９…傾斜Ｇｅ組成ＳｉＧｅ層
１０，１０’…融解ＳｉＧｅ層
１１…融解Ｇｅ組成
１２…Ｇｅ拡散
１３…再結晶化
１４…歪み緩和ＳｉＧｅ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a substrate for forming an element for producing a field effect transistor as an element for forming an integrated circuit device, and more particularly to a method for manufacturing a strain relaxation SiGe substrate used for a strained Si channel SOI-MOSFET.
[0002]
[Prior art]
In recent years, use of a channel material with high mobility such as strained Si has been studied in order to improve the performance and functionality of CMOS circuit elements. Strained Si is formed on a lattice-relaxed SiGe substrate having a larger lattice constant and has tensile strain in the in-plane direction of the substrate. The band structure changes under the influence of this tensile strain, and the mobility of both electrons and holes increases compared to Si. As the Ge composition of the underlying SiGe layer increases, the strain amount of strained Si increases and the mobility becomes higher.
[0003]
If a CMOS is configured with MOSFETs having such strained Si channels, higher speed operation can be expected than Si-CMOS of the same size. Further, a strained SOI-MOSFET in which a structure having a buried oxide film is combined with a strained Si channel MOSFET can be expected to have higher performance. In order to take full advantage of the mobility enhancement in this strained SOI-MOSFET, it is desirable that the strained SOI-MOSFET be fully depleted. For this purpose, a strain relaxation SiGe layer and a strained Si layer on the buried oxide film are formed by several tens of nanometers. Therefore, it is necessary to form a very thin film on the order of meters. Therefore, it is necessary to form a very thin SiGe layer on the buried oxide film.
[0004]
The research group including the present inventors has proposed and developed a technique called an oxidation concentration method in order to produce such an ultra-thin SiGe substrate having a high Ge composition on a buried oxide film (for example, non-patented). Reference 1). In this method, as shown in FIG. 1A, lattice matching with the Si layer 3 is performed on the SOI substrate in which the buried oxide film 2 and the Si layer (SOI layer) 3 are sequentially stacked on the Si substrate 1. The strained SiGe layer 4 is produced by epitaxially growing SiGe.
[0005]
Next, by oxidizing at a high temperature of 1000 ° C. or higher, an oxide film 6 is formed on the surface of the SiGe layer 4 as shown in FIG. 1B, but Ge is ejected from the oxide film 6. The Ge concentration of the SiGe layer 4 increases. Further, since Ge diffuses into the Si layer 3, the interface between the Si layer 3 and the SiGe layer 4 disappears, and when the Ge is sufficiently diffused, a uniform composition SiGe layer is obtained. Further, in this process, the dislocation enters the interface between the Si layer 3 and the SiGe layer 4 and plastic deformation of the buried oxide film 2 results in the SiGe layer 5 in which the lattice distortion is relaxed.
[0006]
In this method, a thin GeGe layer with a high Ge composition can be obtained with high quality. On the other hand, dislocations remain in the SiGe layer near the buried oxide film, or the lattice relaxation of the SiGe layer particularly in the case of a high Ge composition. Is incomplete.
[0007]
Further, a similar method for producing a similar SiGe layer on the buried oxide film has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2). In this method, a high Ge composition SiGe layer is melted by performing a heat treatment on a substrate obtained by epitaxially growing a high Ge composition SiGe layer and a Si cap layer on an SOI layer. At the same time, mutual diffusion of Si and Ge is caused by the effect of heat, and the Ge composition of the SiGe layer is lowered and recrystallized.
[0008]
However, even in this method, since the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer remains in a crystal state, it is impossible to break the bond with the buried oxide film, and thus there is a problem that dislocations remain in the vicinity of the buried oxide film. . If the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer is also dissolved, the seed portion at the time of recrystallization of the SiGe layer is eliminated, so that the grown crystal becomes polycrystalline and a high-quality crystal cannot be obtained.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
T. T. et al. Tezuka, N.A. Sugiyama, S .; Takagi, Appl. Phys. Lett. 79, p1798 (2001)
[0010]
[Non-Patent Document 2]
N. Sugii, S .; Ymaguchi, K. et al. Washio, J.H. Vac. Sci. Tchnol. B20, p1891 (2002)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when the SiGe layer in the vicinity of the SOI buried oxide film interface remains crystalline throughout the heat treatment process, there is a problem that dislocations remain in the vicinity of the oxide film interface of the SiGe layer. In the strained Si channel MOSFET fabricated in this manner, an increase in OFF current due to junction leakage or the like is caused. In addition, since the bond at the interface between the SiGe layer and the oxide film is strong, there is a problem in that the strain relaxation of the SiGe layer is incomplete, and this does not cause sufficient strain in the channel, which increases the mobility. Will lead to a decrease.
[0012]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the purpose thereof is to suppress the generation of dislocations in the vicinity of the base insulating film interface of the SiGe layer and to obtain a high-quality SiGe crystal. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a strain-relaxed SiGe substrate capable of achieving sufficient lattice relaxation of the SiGe layer.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
[0014]
That is, the present invention is a method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer that is lattice-relaxed on an insulating film, the step of forming a first SiGe layer on the insulating film, Forming a second SiGe layer having a Ge composition lower than that of the SiGe layer, a heat treatment at a temperature at which the first SiGe layer is melted and the second SiGe layer is not melted, and the first and second And recrystallizing the SiGe layer.
[0015]
The present invention also relates to a method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer lattice-relaxed on an insulating film, the step of forming a first SiGe layer on the insulating film, and a step on the first SiGe layer. Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the first SiGe layer, and forming a third SiGe layer having a higher Ge composition than the second SiGe layer on the second SiGe layer. And heat-treating at a temperature at which the first and third SiGe layers are melted and the second SiGe layer is not melted, and the first to third SiGe layers are recrystallized. To do.
[0016]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
[0017]
(1) As a step of forming the first SiGe layer, after the SiGe layer is epitaxially grown on the Si layer of the SOI substrate, a heat treatment is performed to form a Si oxide film on the SiGe layer and to insulate the SOI substrate. A SiGe layer having a high Ge concentration is formed at the interface with the film, and then the Si oxide film formed on the SiGe layer is removed.
[0018]
(2) The Ge composition of the second SiGe layer is lowered stepwise in the film thickness direction from the first SiGe layer side.
[0019]
(3) The Ge composition of the second SiGe layer is continuously lower from the first SiGe layer side in the film thickness direction.
[0020]
(4) The second SiGe layer has a Ge composition that changes stepwise with respect to the film thickness direction, has a lowest central portion, and is higher on the first and third SiGe layer sides.
[0021]
(5) The second SiGe layer has a Ge composition that continuously changes in the film thickness direction, has the lowest central portion, and is higher on the first and third SiGe layer sides.
[0022]
The present invention also relates to a method for manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film, the step of forming a first SiGe layer on the Si layer of the SOI substrate, Forming a second SiGe layer having a Ge composition lower than that of the SiGe layer on the SiGe layer; performing a heat treatment at a temperature at which the first SiGe layer melts and the second SiGe layer does not melt; Forming a Si oxide film on the SiGe layer, and recrystallizing the first and second SiGe layers on the insulating film of the SOI substrate.
[0023]
The present invention also relates to a method for manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film, the step of forming a first SiGe layer on the Si layer of the SOI substrate, Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the first SiGe layer on the SiGe layer; and forming a third SiGe layer having a higher Ge composition than the second SiGe layer on the second SiGe layer. Forming a Si oxide film on the third SiGe layer, and performing a heat treatment at a temperature at which the first and third SiGe layers are melted and the second SiGe layer is not melted. And recrystallizing the first to third SiGe layers on the insulating film.
[0024]
(Function)
According to the present invention, a heat treatment is performed in a state where a first SiGe layer having a high Ge composition is formed in the vicinity of an interface of a base insulating film such as an oxide film, and a second SiGe layer having a low Ge composition is formed thereon. By applying only the first SiGe layer, a single-crystal SiGe layer having a uniform Ge composition, a low dislocation density, and a reduced lattice strain can be formed. Therefore, in the strained Si channel MOSFET using this strain-relaxed SiGe substrate, the effect of increasing the mobility can be expected as well as the OFF current is reduced due to junction leakage or the like.
[0025]
Here, the melting temperature T of SiGe depends on the Ge composition, and as shown in FIG. 2, the higher the Ge composition, the lower the melting temperature. For this reason, by selecting the heat treatment temperature according to the Ge composition, it is possible to melt only the first SiGe layer without melting the second SiGe layer. As a result, the first SiGe layer can be recrystallized using the second SiGe layer in the solid state as a seed, and a high-quality crystal can be obtained. When the second SiGe layer is also melted, since there is no seed, SiGe becomes polycrystalline, and high-quality crystals cannot be obtained.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
[0027]
(First embodiment)
FIG. 3 is a view showing a manufacturing process of the strain relaxation SiGe substrate according to the first embodiment of the present invention. This embodiment is characterized in that a high Ge composition layer is formed on the buried oxide film in advance by a technique such as an oxidation concentration method. The left side of the figure shows a cross-sectional view of the sample, and the right side shows the Ge composition corresponding to each position.
[0028]
First, as shown in FIG. 3A, the film thickness d formed on the Si oxide film 2_SOI= On the Si layer (SOI layer) 3 of 30 nm, the SiGe layer 4 is replaced with the Ge composition x₀= 0.1, film thickness d₀= Epitaxial growth at 40 nm. In order to prevent dislocations from occurring in the SiGe layer 4 at this time, the film thickness d₀It is desirable that does not exceed the critical film thickness for dislocation generation. This critical film thickness is the Ge composition x₀Or a value depending on the epitaxial growth temperature (DC Houghton, JAP70, 2136 (1991)), and a value of about 200 nm when grown at 550 ° C.
[0029]
Next, the film thickness d shown in FIG. 3B is obtained by removing the oxide film after performing dry thermal oxidation at 1000 ° C. using the oxidation concentration method described above.₁= 10 nm, Ge composition x₁= 0.4 High Ge composition SiGe layer (first SiGe layer) 7 is obtained. Here, in order to fabricate the configuration of FIG. 3A, a bonding method or a SIMOX method may be used. It is also possible to directly manufacture the configuration of FIG. 3B by a bonding method.
[0030]
Next, as shown in FIG. 3C, a low Ge composition SiGe layer (second SiGe layer) 8 is formed on the high Ge composition SiGe layer 7 with a film thickness d.₂= 30 nm, Ge composition x₂= Epitaxial growth at 0.3. In the case of this epitaxial growth, it is preferable that the critical film thickness is not exceeded, and when grown at 550 ° C., the thickness is preferably 40 nm or less. It is desirable to form an oxide film for protecting the surface of the SiGe layer 8. For that purpose, SiO₂Etc. may be deposited, but may be oxidized after Si is deposited or epitaxially grown.
[0031]
Next, heat treatment is performed at a temperature at which the high Ge composition SiGe layer 7 is melted and the low Ge composition SiGe layer 8 is not melted. In this embodiment, heat treatment is performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere. FIG. 3D shows the progress of the heat treatment. In this process, since the high Ge composition SiGe layer 7 on the buried oxide film 2 is melted to become the molten SiGe layer 10, the bond with the buried oxide film 2 is broken, so that the lattice distortion of the low Ge composition SiGe layer 8 is relaxed. To do. At the same time, Ge diffusion 12 occurs due to the effect of heat, and the Ge composition of the entire SiGe layer proceeds in the direction of homogenization as time passes.
[0032]
Therefore, the region where the Ge composition exceeds the melted Ge composition 11 decreases with time, and recrystallization 13 occurs. At this time, since recrystallization proceeds while maintaining the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 8, as shown in FIG. 3E, a uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 is obtained. It is done. Under the conditions of this embodiment, the final film thickness d_f= 40 nm, final Ge composition x_f= 0.33.
[0033]
In order to obtain the effect of the present invention for the film thickness and Ge composition value of the SiGe layer before the heat treatment and after the heat treatment,
x_f= (D₁x₁+ D₂x₂) / D_f<X_m(T) ... (1)
x₂<X_m(T) <x₁ ... (2)
It is necessary to satisfy. Where x_m(T) is a composition in which SiGe melts at a temperature T as shown in FIG. In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, d_f= D₁+ D₂It is. It is possible to select the film thickness, Ge composition, etc. of the SiGe layer within the range of these conditional expressions (1), (2) according to the finally required film thickness, Ge composition, etc. of the SiGe layer.
[0034]
In addition, even when the heat treatment is finished in a state where the molten SiGe layer 10 remains as shown in FIG. While maintaining the crystallinity, recrystallization 13 can be caused to obtain a single crystal. Furthermore, it is possible to obtain a SiGe substrate having a higher Ge composition and a higher relaxation rate by repeating the method of the present embodiment a plurality of times.
[0035]
Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. All are modifications to the shape of FIG.
[0036]
FIG. 4A is a diagram for explaining the first modification. In this modified example 1, instead of the substrate shown in FIG. 3C, a plurality of SiGe layers 8 are sequentially formed on the substrate while decreasing the Ge composition. This has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to a sudden change in the Ge composition.
[0037]
In the first modification, the thickness of each added layer is set to d in order from the substrate side.₂, D₃, D₄And the Ge composition of the layer is x in order from the substrate side.₂, X₃, X₄Then d₂= D₃= D₄= 20 nm, x₂= 0.35, x₃= 0.30, x₄= 0.25. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation.
[0038]
The final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained when heat treatment is performed in the nitrogen atmosphere at 1200 ° C. using the substrate is d_f= 70 nm, final Ge composition is x_f= 0.31. Here, it is possible to obtain the effects of the present invention with respect to the film thickness and Ge composition value of each SiGe layer before and after heat treatment, assuming that n layers of SiGe layers are stacked.
[Expression 1]

It is necessary to satisfy. Where d_i(I = 1, 2,..., N) is the film thickness of the i-th layer before the heat treatment, and x_i(I = 1, 2,..., N) is the Ge composition of the i-th layer before the heat treatment, and x_minIs the minimum value of the Ge composition of the SiGe layer before the heat treatment, and x_BOXIs the Ge composition in the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer. Also, especially when the heat treatment does not involve oxidation
[Expression 2]

It becomes.
[0039]
FIG. 4B is a diagram for explaining the second modification. In this modified example 2, an inclined Ge composition SiGe layer 9 with a Ge composition continuously reduced from 0.4 to 0.25 with a film thickness of 40 nm is additionally produced with respect to the substrate shown in FIG. It is. The gradient composition structure has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to discontinuous changes in the Ge composition. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation.
[0040]
The final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained as a result of heat treatment at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere using the structure shown in the modified example 2 is d_f= 50 nm, final Ge composition is x_f= 0.34. Here, if the Ge composition before the heat treatment is expressed by x (r) with respect to the coordinate r in the direction perpendicular to the surface, the effect of the present invention can be obtained.
[Equation 3]

And (4) (5) must be satisfied. Where r₁, R₂Are the coordinates of the lower and upper ends of all the SiGe layers before the heat treatment. In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, d_f= R₂-R₁It becomes.
[0041]
As described above, according to the present embodiment, in a state where the SiGe layer 7 having the high Ge composition and the SiGe layer 8 having the low Ge composition are stacked on the buried oxide film 2 of the SOI substrate, the SiGe layer 7 is melted to form the SiGe layer 8. By heat-treating at a temperature that does not melt, the SiGe layer 8 in the solid phase can be used as a seed to recrystallize the SiGe layer 7, and the single crystal having a uniform Ge composition, low dislocation density, and relaxed lattice distortion A SiGe layer 14 can be formed.
[0042]
That is, since the SiGe layer 8 having a low Ge composition is released from bonding with the oxide film 2 by melting the SiGe layer 7 having a high Ge composition in the course of the heat treatment, the lattice strain relaxation of the low Ge composition SiGe layer 8 is reduced. Promoted. In addition, since Ge diffuses in the SiGe layer in this process, recrystallization proceeds while maintaining the crystallinity of the low Ge composition layer, so that high crystallinity can be obtained over the entire SiGe layer.
[0043]
Therefore, when a strained Si channel MOSFET is fabricated using this strain-relaxed SiGe substrate, an effect of increasing mobility can be expected as well as reducing OFF current due to junction leakage or the like.
[0044]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to the second embodiment of the present invention, in which the left side of the figure shows a cross section of a sample and the right side shows a Ge composition corresponding to each position. .
[0045]
This embodiment is different from the first embodiment described above in that a high Ge composition SiGe layer is added in the vicinity of the surface oxide film interface. By adding this high Ge composition SiGe, this embodiment can break the bond between the SiGe layer and the surface oxide film in the heat treatment by melting the SiGe layer as compared with the first embodiment. An effect of further easing the strain relaxation can be expected.
[0046]
First, as shown in FIG. 5A, a film thickness d is formed on the Si oxide film 2 of the SOI substrate.₁= 10 nm, Ge composition x₁= 0.4 high Ge composition SiGe layer (first SiGe layer) 7 and film thickness d₂= 30 nm, Ge composition x₂A low Ge composition SiGe layer (second SiGe layer) 8 of = 0.3 is formed. The manufacturing method of such a laminated structure of the SiGe layers 7 and 8 may be the same as the steps of FIGS. 3A to 3C described in the first embodiment.
[0047]
Next, as shown in FIG. 5B, the film thickness d is formed on the low Ge composition SiGe layer 8.₃= 10 nm, Ge composition x₃= 0.4 High Ge composition SiGe layer (third SiGe layer) 7 'is formed. Also when forming this layer, it is desirable not to exceed the critical film thickness. Further, it is desirable to form an oxide film for surface protection. For that purpose, SiO₂Etc. may be deposited, but may be oxidized after Si is deposited or epitaxially grown.
[0048]
Next, heat treatment is performed at a temperature at which the high Ge composition SiGe layers 7 and 7 ′ are melted and the low Ge composition SiGe layer 8 is not melted. In this embodiment, heat treatment is performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere. FIG. 5C shows the progress of the heat treatment. In this process, the high Ge composition SiGe layer 7 near the buried oxide film interface is melted to form a molten SiGe layer 10, and the high Ge composition SiGe layer 7 ′ near the surface oxide film interface is melted to melt the molten SiGe layer 10 ′. As a result of this, the bond between the buried oxide film 2 and the surface oxide film 6 of the SiGe layer is broken, and the relaxation of lattice distortion of the low Ge composition layer 8 is promoted. At the same time, Ge diffusion 12 occurs due to the effect of heat, and the Ge composition of the entire SiGe layer proceeds in the direction of homogenization as time passes.
[0049]
Therefore, the region where the Ge composition exceeds the melted Ge composition 11 decreases with time, and recrystallization 13 occurs. At this time, since recrystallization proceeds while maintaining the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 8, a uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 shown in FIG. 5D is obtained as a result. Under the conditions of this embodiment, the final film thickness d_f= 50 nm, final Ge composition x_f= 0.34.
[0050]
In order to obtain the effect of the present invention for the film thickness and Ge composition value of the SiGe layer before the heat treatment and after the heat treatment,
x_f= (D₁x₁+ D₂x₂+ D₃x₃) / D_f<X_m(T) ... (8)
x₂<X_m(T) <x₁, X₃ ... (9)
Need to be. Here, d particularly when the heat treatment is not accompanied by oxidation._f= D₁+ D₂+ D₃It is. In addition, even when the heat treatment is finished in the state where the molten SiGe layers 10 and 10 ′ shown in FIG. 5C are left, the molten Ge composition 11 rises as the temperature decreases, so that the low Ge composition SiGe layer It is possible to obtain a single crystal by causing recrystallization 13 while maintaining the crystallinity of FIG. Furthermore, if the Ge composition is made uniform by heat treatment, FIG. 5D is obtained.
[0051]
Next, a modified example of the present embodiment will be described with reference to FIGS. All are modifications to the shape of FIG.
[0052]
FIG. 6A is a diagram for explaining the first modification. In the first modification, a plurality of layers having different Ge compositions are used as the low Ge composition SiGe layer 8 in FIG. 5B, and the Ge composition in each layer is changed from the high Ge composition SiGe layers 7 and 7 ′ side. Is low. That is, the low Ge composition SiGe layer 8 has the lowest Ge composition at the center, and the Ge composition is increased stepwise on the high Ge composition SiGe layers 7 and 7 'side. Such a structure has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to a sudden change in the Ge composition.
[0053]
In the first modification, the thickness of each layer added to the configuration shown in FIG.₅, D₆, D₇And the Ge composition of each layer is x in order from the substrate side.₅, X₆, X₇Then d₅= D₆= 20 nm, d₇= 10 nm, x₅= 0.3, x₆= 0.35, x₇= 0.4. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical film thickness at which dislocations are generated.
[0054]
The final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained when heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 1200 ° C. using the structure shown in the modification is d_f= 120 nm, final Ge composition is x_f= 0.33. Here, assuming that there are n layers of SiGe layers, in order to obtain the effects of the present invention with respect to the film thickness and Ge composition value of each SiGe layer before and after heat treatment, (3) (4) (5) and
x_m(T) <x_cap (10)
It is necessary to satisfy. Where x_capIs the Ge composition of the SiGe layer near the surface oxide film. In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, the final film thickness of the strain relaxation SiGe layer 14 is expressed by the above equation (6).
[0055]
FIG. 6B is a diagram for explaining the second modification. In this modified example 2, instead of FIG. 5B, a gradient Ge composition SiGe layer 9 in which the Ge composition is continuously increased from 0.25 to 0.4 on the FIG. This is a method of using a structure additionally manufactured in (1). When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation. The gradient composition structure has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to discontinuous changes in the Ge composition.
[0056]
The uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained as a result of heat treatment of the substrate shown in the modification in a nitrogen atmosphere at 1200 ° C. has a final film thickness of d._f= 90 nm, final Ge composition is x_f= 0.33. Here, the condition for obtaining the effect of the present invention is to satisfy the expressions (4), (5), (7), and (10). Also, particularly when the heat treatment is not accompanied by oxidation, d_f= R₂-R₁It becomes.
[0057]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to the third embodiment of the present invention, in which the left side of the figure shows a cross section of the sample and the right side shows the Ge composition corresponding to each position. . This embodiment is characterized in that only a heat treatment is performed on an SOI layer obtained by epitaxially growing a SiGe layer, and no additional SiGe layer is formed on the heat-treated SiGe layer.
[0058]
First, as shown in FIG._SOI= High Ge composition SiGe layer 7 (film thickness d) by epitaxial growth on SOI layer 3 of 5 nm₁= 45 nm, Ge composition x₁= 0.45), and a low Ge composition SiGe layer 8 (film thickness d)₂= 50 nm, Ge composition x₂= 0.25) are sequentially produced. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation. It is desirable to form an oxide film on the substrate for surface protection. For that purpose, SiO₂Etc. may be deposited, but may be oxidized after Si is deposited or epitaxially grown.
[0059]
Next, by performing heat treatment, Ge is diffused so that a high Ge composition region is formed on the buried oxide film 2 side of the SiGe layer 8 and a low Ge composition region is formed in an upper layer portion of the layer. FIG. 7B shows the result of heat treatment at 1050 ° C. for 2 hours with respect to (a). A SiGe layer 9 having a gradient Ge composition is formed, and a Si oxide film 6 is formed on the layer 9.
[0060]
Next, heat treatment is performed at a temperature at which only the high Ge composition region near the buried oxide film interface melts and the low Ge composition region in the upper layer does not melt. In this embodiment, heat treatment is performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere. FIG. 7C shows the progress of the heat treatment. Since the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer 9 having the gradient Ge composition is melted to form the molten SiGe layer 10, the bond between the SiGe layer 9 and the buried oxide film 2 is broken, so that the lattice distortion of the SiGe layer 9 is alleviated. Promoted. At the same time, Ge diffusion 12 occurs due to the effect of heat, and the Ge composition of the entire SiGe layer proceeds in the direction of homogenization as time passes.
[0061]
Therefore, the region where the Ge composition exceeds the melted Ge composition 11 decreases with time, and recrystallization 13 occurs. At this time, since recrystallization proceeds while maintaining the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 9, as a result, the uniform Ge composition / single crystal / strain relaxation SiGe layer 14 shown in FIG. 7D is obtained.
[0062]
Under the conditions of this embodiment, the final film thickness d_f= 100 nm, final Ge composition x_f= 0.33. Here, the substrate structure shown in FIG. 7A has a Ge composition of 0 between the SOI and the high Ge composition layer in order to suppress the occurrence of dislocation due to the production of a SiGe layer having a high Ge composition directly on the SOI. A SiGe thin film of about 1 or a graded composition layer with a gradually increasing Ge composition may be produced. In addition, even when the heat treatment is finished in a state where the molten SiGe layer shown in FIG. 7C remains, the molten Ge composition 11 increases as the temperature decreases, so that the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 9 is increased. It is possible to obtain a single crystal by causing recrystallization 13 while maintaining the above.
[0063]
Further, by using the method of the first embodiment or the second embodiment on the SiGe substrate manufactured by the method shown in the present embodiment, a SiGe substrate having a higher Ge composition and a higher relaxation rate can be obtained. Is also possible.
[0064]
The range of the film thickness and Ge composition of the SiGe layer that can obtain the effects of the present invention are as follows. First, the Ge composition in the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer in FIG._mIt is necessary to exceed (T). As a guide for that
d₁x₁/ (D₁+ D_SOI)> X_m(T) (11)
It is necessary to satisfy. Next, in order for the resulting SiGe layer of the substrate of FIG. 7D to be a single crystal, it is necessary to satisfy the above formulas (1) and (5). Especially when the heat treatment does not involve oxidation, d_f= D₁+ D₂+ D_SOIIt is.
[0065]
Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to FIGS. All are modifications to the shape of FIG.
[0066]
FIG. 8A is a diagram for explaining the first modification. In this modified example 1, the film thickness d is used instead of FIG._SOI= Used are a plurality of SiGe layers stacked on the SOI layer 3 of 5 nm sequentially while decreasing the Ge composition. This structure has the effect of suppressing the generation of dislocations due to discontinuous changes in the Ge composition.
[0067]
In the first modification, the thickness of each SiGe layer is set to d in order from the substrate side.₁, D₂, D₃, D₄X and the Ge composition of each SiGe layer in order from the substrate side₁, X₂, X₃, X₄Then d₁= 45 nm, d₂= 20 nm, d₃= 20 nm, d₄= 35 nm, x₁= 0.45, x₂= 0.35, x₃= 0.3, x₄= 0.25. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation.
[0068]
When the substrate is subjected to heat treatment according to the procedure of the present embodiment, the film thickness of the finally obtained uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 is d_f= 125 nm, final Ge composition is x_f= 0.34. The range of the film thickness and Ge composition of the SiGe layer for obtaining the effects of the present invention in this modification is as follows. First, as a guide for melting SiGe in the vicinity of the buried oxide film in the process of FIG.
d_mx₁/ (D_m+ D_SOI)> X_m(T) (12)
It is necessary to satisfy. Where d_mIs the thickness of the portion of the SiGe layer in the vicinity of the buried oxide film that has a Ge composition exceeding the molten Ge composition 11. Next, as a condition for the finally obtained SiGe layer to be a single crystal, it is necessary to satisfy the expressions (3) and (5). Also, especially when the heat treatment does not involve oxidation,
[Expression 4]

It is.
[0069]
FIG. 8B is a diagram for explaining the second modification. In this modified example 2, instead of FIG. 7A, an inclined Ge composition SiGe layer 9 in which the Ge composition is continuously reduced from 0.45 to 0.25 on the SOI is additionally produced with a film thickness of 100 nm. Is used. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation. The gradient composition structure has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to discontinuous changes in the Ge composition.
[0070]
The final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained as a result of heat treatment of the substrate shown in the modification in a nitrogen atmosphere at 1200 ° C. is d_f= 125 nm, final Ge composition is x_f= 0.34. Here, the film thickness of the SiGe layer and the range of the Ge composition for obtaining the effects of the present invention in this modification are as follows. First, as a guide for melting SiGe in the vicinity of the buried oxide film in the process of FIG.
[Equation 5]

It is necessary to satisfy. Next, as a condition for the finally obtained SiGe layer to be a single crystal, it is necessary to satisfy the expressions (5) and (7). Also, particularly when the heat treatment is not accompanied by oxidation, d_f= R₂-R₁+ D_SOIIt is.
[0071]
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to the fourth embodiment of the present invention. The present embodiment is characterized in that a high Ge composition SiGe layer is added in the vicinity of the surface oxide film interface in the third embodiment. Compared with the third embodiment, this embodiment has an effect of promoting relaxation because the bond between the SiGe layer and the surface oxide film in the heat treatment can be cut by melting the SiGe layer. .
[0072]
First, as shown in FIG._SOI= High Ge composition SiGe layer 7 (film thickness d) by epitaxial growth on SOI layer 3 of 5 nm₁= 45 nm, Ge composition x₁= 0.45), low Ge composition SiGe layer 8 (film thickness d)₂= 50 nm, Ge composition x₂= 0.25), high Ge composition SiGe layer 7 '(film thickness d)₁= 10 nm, Ge composition x₁= 0.45) are produced sequentially. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation. It is desirable to form an oxide film on the substrate for surface protection. For that purpose, SiO₂Etc. may be deposited, but may be oxidized after Si is deposited or epitaxially grown.
[0073]
Next, heat treatment is performed to diffuse Ge so that a high Ge composition region is generated in the vicinity of the buried oxide film interface and the surface oxide film interface of the SiGe layer, and a low Ge composition region is generated in the intermediate layer. FIG. 9B shows a result of performing heat treatment at 1050 ° C. for 2 hours with respect to FIG. In this state, the SiGe layer 9 having a higher Ge composition than the SiGe layer 8 is formed, and the Si oxide film 6 is formed on the SiGe layer 9. Further, the vicinity of the buried oxide film interface and the surface oxide film interface of the SiGe layer 9 are high Ge composition regions.
[0074]
Next, heat treatment is performed at a temperature at which only the high Ge composition region in the vicinity of the buried oxide film interface and near the surface oxide film interface of the SiGe layer 9 is melted and the low Ge composition region of the intermediate layer is not melted. In this embodiment, heat treatment is performed at 1200 ° C. in a nitrogen atmosphere. FIG. 9C shows the progress of the heat treatment. Since the vicinity of the buried oxide film interface and the vicinity of the surface oxide film interface of the SiGe layer 9 are melted to form the melted SiGe layers 10 and 10 ′, the bond between the buried oxide film 2 and the surface oxide film 6 of the SiGe layer 9 is broken. The relaxation of lattice strain of the low Ge composition SiGe layer 9 is promoted. At the same time, Ge diffusion 12 occurs due to the effect of heat, and the Ge composition of the entire SiGe layer proceeds in the direction of homogenization as time passes.
[0075]
Therefore, the region where the Ge composition exceeds the melted Ge composition 11 decreases with time, and recrystallization 13 occurs. At this time, since recrystallization proceeds while maintaining the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 9, the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 shown in FIG. 9D is obtained as a result.
[0076]
Under the conditions of this embodiment, the final film thickness d_f= 110 nm, final Ge composition x_f= 0.34. Here, in the substrate structure of FIG. 9A, in order to suppress the occurrence of dislocation due to the production of a SiGe layer having a high Ge composition directly on the SOI, a Ge composition of. A SiGe thin film of about 1 or a graded composition layer in which the Ge composition gradually increases may be produced. In addition, even when the heat treatment is finished in a state where the molten SiGe layer shown in FIG. 9C remains, the molten Ge composition 11 increases as the temperature decreases, so that the crystallinity of the low Ge composition SiGe layer 9 is increased. It is possible to obtain a single crystal by causing recrystallization 13 while maintaining the above.
[0077]
Further, by using the method of the first embodiment or the second embodiment on the SiGe substrate manufactured by the method shown in this embodiment, a SiGe substrate having a higher Ge composition and a higher relaxation rate can be obtained. Is also possible.
[0078]
The range of the film thickness and Ge composition of the SiGe layer that can obtain the effects of the present invention are as follows. First, the Ge composition in the vicinity of the buried oxide film interface of the SiGe layer 9 in FIG._mIt is necessary to exceed (T). For that purpose, it is necessary to satisfy the expression (11). In addition, in order for the vicinity of the surface oxide film interface of the SiGe layer 9 to melt at the temperature of the subsequent heat treatment, it is necessary to satisfy the equation (10). Next, in order for the resulting SiGe layer 14 of the substrate of FIG. 9D to be a single crystal, it is necessary to satisfy the above equations (5) and (8). In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, the final film thickness of the strain relaxation SiGe layer 14 is expressed by the above equation (13).
[0079]
Next, a modified example of the present embodiment will be described with reference to FIGS. All are modifications to the shape of FIG.
[0080]
FIG. 10A is a diagram for explaining the first modification. In this modified example 1, the film thickness d is used instead of FIG._SOIA feature is that a plurality of SiGe layers are stacked on the SOI layer 3 of 5 nm in succession while decreasing the Ge composition and then sequentially increasing while increasing the Ge composition. This structure has the effect of suppressing the generation of dislocations due to discontinuous changes in the Ge composition.
[0081]
In the first modification, the thickness of each SiGe layer is set to d in order from the substrate side.₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆, D₇X and the Ge composition of each SiGe layer in order from the substrate side₁, X₂, X₃, X₄, X₅, X₆, X₇Then d₁= 45 nm, d₂= 20 nm, d₃= 20 nm, d₄= 35 nm, d₅= 20 nm, d₆= 20 nm, d₇= 10 nm, x₁= 0.45, x₂= 0.35, x₃= 0.3, x₄= 0.25, x₅= 0.3, x₆= 0.35, x₇= 0.45. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical film thickness at which dislocations are generated.
[0082]
When the substrate is subjected to heat treatment according to the procedure of this embodiment, the final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 finally obtained is d._f= 175 nm, final Ge composition is x_f= 0.34. The range of the film thickness and Ge composition of the SiGe layer for obtaining the effects of the present invention in the first modification is as follows.
[0083]
First, it is necessary to satisfy the equation (12) as a guide for melting SiGe in the vicinity of the buried oxide film in the process of FIG. 9C. Further, in order for the vicinity of the surface oxide film interface of the SiGe layer to melt at the temperature of the subsequent heat treatment, it is necessary to satisfy the formula (10). Next, as a condition for the finally obtained SiGe layer to be a single crystal, it is necessary to satisfy the expressions (3) and (5). In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, the final film thickness of the strain relaxation SiGe layer 14 is expressed by the above equation (13).
[0084]
FIG. 10B is a diagram for explaining the second modification. In this modified example 2, instead of FIG. 9A, the Ge composition is continuously decreased from 0.45 to 0.25 on the SOI, and the Ge is continuously increased from 0.25 to 0.25. A gradient Ge composition SiGe layer 9 is used. Such a gradient composition structure has the effect of suppressing the occurrence of dislocations due to discontinuous Ge composition changes.
[0085]
The final film thickness of the uniform Ge composition / single crystal / strain-relaxed SiGe layer 14 obtained as a result of heat treatment of the substrate shown in the modification in a nitrogen atmosphere at 1200 ° C. is d_f= 205 nm, final Ge composition is x_f= 0.34. When forming these layers, it is desirable not to exceed the critical thickness of dislocation generation. Here, the range of the film thickness and Ge composition of the SiGe layer that can obtain the effects of the present invention in the second modification are as follows.
[0086]
First, it is necessary to satisfy the formula (14) as a guide for melting SiGe in the vicinity of the buried oxide film in the process of FIG. 9C. Moreover, in order for the surface oxide film interface vicinity of a SiGe layer to melt | dissolve in the temperature of the heat processing performed subsequently, it is necessary to satisfy | fill said (10) Formula. Moreover, as a condition for the finally obtained SiGe layer to be a single crystal, it is necessary to satisfy the expressions (5) and (7). In particular, when the heat treatment does not involve oxidation, d_f= R₂-R₁+ D_SOIIt is.
[0087]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, conditions such as a film thickness and a Ge composition in the first to third SiGe layers can be appropriately changed according to specifications. Specifically, if the Ge composition of the first and third SiGe layers is high and the Ge composition of the second SiGe layer is low, the Ge composition of each layer can be changed as appropriate. The heat treatment temperature for recrystallization takes into consideration the relationship with the Ge composition in the first to third SiGe layers, and the first and third SiGe layers melt and the second SiGe layer does not melt. What is necessary is just to set suitably in a range.
[0088]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the first SiGe layer is melted in a state where the first SiGe layer having a high Ge composition and the second SiGe layer having a low Ge composition are stacked on the insulating film. By performing heat treatment at a temperature at which the SiGe layer of 2 does not melt and recrystallizing SiGe, it is possible to suppress the generation of dislocations in the vicinity of the base insulating film interface of the SiGe layer and obtain a high-quality SiGe crystal, In addition, sufficient lattice relaxation of the SiGe layer can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process cross-sectional view for explaining an oxidation concentration method.
FIG. 2 is a characteristic diagram for explaining temperature dependence of a molten Ge composition.
FIGS. 3A and 3B are a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to the first embodiment. FIGS.
FIG. 4 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a modification of the first embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to a second embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a modification of the second embodiment.
7A and 7B are a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to a third embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a modification of the third embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a manufacturing process of a strain relaxation SiGe substrate according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a cross-sectional view and a Ge composition diagram showing a modification of the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... Si substrate
2 ... buried oxide film
3 ... Si layer (SOI layer)
4. Strained SiGe layer
5 ... Relaxed SiGe layer
6 ... Oxide film
7: High Ge composition SiGe layer (first SiGe layer)
7 '... high Ge composition SiGe layer (third SiGe layer)
8: Low Ge composition SiGe layer (second SiGe layer)
9: Graded Ge composition SiGe layer
10, 10 '... Molten SiGe layer
11 ... Molten Ge composition
12 ... Ge diffusion
13 ... Recrystallization
14 ... strain relaxation SiGe layer

Claims

A method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film,
Forming a first SiGe layer on the insulating film;
Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the SiGe layer on the first SiGe layer;
Performing a heat treatment at a temperature at which the first SiGe layer melts and the second SiGe layer does not melt, and recrystallizes the first and second SiGe layers;
A method of manufacturing a strain-relaxed SiGe substrate, comprising:

A method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film,
Forming a first SiGe layer on the insulating film;
Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the first SiGe layer on the first SiGe layer;
Forming a third SiGe layer having a higher Ge composition than the second SiGe layer on the second SiGe layer;
Applying heat treatment at a temperature at which the first and third SiGe layers melt and the second SiGe layer does not melt, and recrystallize the first to third SiGe layers;
A method of manufacturing a strain-relaxed SiGe substrate, comprising:

As a step of forming the first SiGe layer, the SiGe layer is epitaxially grown on the Si layer of the SOI substrate, and then heat treatment is performed to form a Si oxide film on the SiGe layer, and the insulating film of the SOI substrate. 3. The method of manufacturing a strain-relieving SiGe substrate according to claim 1, wherein a SiGe layer having a high Ge concentration is formed at the interface, and then the Si oxide film formed on the SiGe layer is removed.

2. The strain-relaxed SiGe substrate according to claim 1, wherein the second SiGe layer has a stepwise or continuously lower Ge composition in the film thickness direction from the first SiGe layer side. Method.

A method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film,
Forming a first SiGe layer on the Si layer of the SOI substrate;
Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the SiGe layer on the first SiGe layer;
Heat treatment is performed at a temperature at which the first SiGe layer is melted and the second SiGe layer is not melted to form a Si oxide film on the second SiGe layer, and the first and first films are formed on the insulating film of the SOI substrate. Recrystallizing the two SiGe layers;
A method of manufacturing a strain-relaxed SiGe substrate, comprising:

A method of manufacturing a strain relaxation SiGe substrate having a single crystal SiGe layer having a lattice relaxation on an insulating film,
Forming a first SiGe layer on the Si layer of the SOI substrate;
Forming a second SiGe layer having a lower Ge composition than the first SiGe layer on the first SiGe layer;
Forming a third SiGe layer having a higher Ge composition than the second SiGe layer on the second SiGe layer;
A heat treatment is performed at a temperature at which the first and third SiGe layers are melted and the second SiGe layer is not melted to form a Si oxide film on the third SiGe layer, and the first oxide film is formed on the insulating film of the SOI substrate. Recrystallizing the first to third SiGe layers;
A method of manufacturing a strain-relaxed SiGe substrate, comprising: