DE102008062685A1 - Producing silicon-germanium layer, comprises depositing graded silicon-germanium buffer layer on substrate made of single-crystalline silicon with surface, and depositing the silicon-germanium layer on the silicon-germanium buffer layer - Google Patents

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Abstract

The method for producing a silicon-germanium layer, comprises depositing a graded silicon-germanium buffer layer on a substrate made of single-crystalline silicon with a surface, which has an orientation [110] and an orientation that deviates from the orientation [110] to less than 8[deg] , and depositing the silicon-germanium layer with a constant portion of germanium, which is more than 40%, on the graded silicon-germanium buffer layer. An independent claim is included for a semiconductor wafer.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer SiGe-Schicht mit einem hohen Anteil an Germanium. Solche Schichten werden als virtuelle Substrate bezeichnet und dienen unter anderem zur Herstellung von biaxial verspanntem Silizium. Die Verspannung des Siliziumgitters führt zu einer erhöhten Beweglichkeit von Ladungsträgern und wird insbesondere genutzt, um CMOS-Bauelemente zugänglich zu machen, die leistungsfähiger sind als solche mit einem Kanal aus unverspanntem Silizium.object The invention relates to a method for producing a SiGe layer with a high content of germanium. Such layers are called called virtual substrates and serve among other things for the production of biaxially strained silicon. The strain of the silicon lattice leads to increased mobility of charge carriers and is particularly used to access CMOS devices which are more powerful than those with one Channel made of unstrained silicon.

Virtuelle Substrate können grundsätzlich direkt auf einem Substrat aus einkristallinem Silizium, beispielsweise einer Halbleiterscheibe aus Silizium, abgeschieden werden. Bei dieser Vorgehensweise werden jedoch in großer Anzahl Defekte wie Fehlanpassungsversetzungen („misfit dislocations”) und Schraubenversetzungen („threading dislocations”) gebildet. Schraubenversetzungen und deren Ansammlungen („pile-ups”) dringen zur Oberfläche des virtuellen Substrats vor und auch zur Oberfläche einer auf dem virtuellen Substrat abgeschiedenen verspannten Schicht aus Silizium. Es wurde deshalb nach einer Möglichkeit gesucht, um die Dichte von Schraubenversetzungen und deren Ansammlungen zu begrenzen. Eine solche Begrenzung gelingt, wenn zunächst eine abgestufte SiGe-Pufferschicht („graded buffer layer”) abgeschieden wird, bei der der atomare Anteil an Germanium linear („linear grading”) oder in Stufen („terrace grading”) ansteigt. Auf die SiGe-Pufferschicht wird schließlich eine SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium abgeschieden, die in relaxiertem Zustand das virtuelle Substrat bildet.virtual Substrates can basically be directly on a Substrate of monocrystalline silicon, such as a semiconductor wafer made of silicon, are deposited. However, this approach will in large numbers defects such as misfit dislocations ("Misfit dislocations") and screw dislocations ("Threading dislocations") formed. screw dislocations and their accumulations ("pile-ups") are invading Surface of the virtual substrate before and also to the surface a strained layer deposited on the virtual substrate made of silicon. It was therefore looking for a way about the density of screw dislocations and their accumulations too limit. Such a limitation succeeds if initially a stepped SiGe buffer layer ("graded buffer layer") is deposited, in which the atomic proportion of germanium linear ("Linear grading") or in steps ("terrace grading ") increases. The SiGe buffer layer eventually becomes deposited a SiGe layer with a constant content of germanium, which forms the virtual substrate in a relaxed state.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Bereitstellung eines virtuellen Substrats, das jedoch nicht alleine durch eine abgestufte SiGe-Pufferschicht abgemildert werden kann, betrifft die Morphologie der Oberfläche des virtuellen Substrats. Eine entsprechende Untersuchung ( Hsu et al., Appl. Phys. Lett. 61 (11), 1992 ) zeigt, dass die Rauhigkeit virtueller Substrate wegen der Bildung sogenannter „cross-hatch pattern” umso größer ist, je höher der Anteil an Germanium ist und je höher die Steigerungsrate des Germanium-Anteils in der Einheit % Ge/μm beim Abscheiden der abgestuften SiGe-Pufferschicht ist.Another problem associated with providing a virtual substrate, but which can not be mitigated solely by a graded SiGe buffer layer, relates to the morphology of the surface of the virtual substrate. A corresponding investigation ( Hsu et al., Appl. Phys. Lett. 61 (11), 1992 ) shows that the roughness of virtual substrates is greater because of the formation of so-called "cross-hatch patterns", the higher the germanium content and the higher the rate of increase of the germanium content in the unit% Ge / μm in depositing the graded SiGe Buffer layer is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine deutliche Begrenzung der Rauhigkeit von virtuellen Substraten zu erreichen, die einen hohen Anteil an Germanium enthalten und deshalb zur Herstellung leistungsfähiger CMOS-Bauelemente besonders geeignet sind.task The present invention is a clear limitation of Roughness of virtual substrates to achieve a high Contain germanium content and therefore more efficient to produce CMOS devices are particularly suitable.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer SiGe-Schicht, umfassend die Schritte:
das Bereitstellen eines Substrats aus einkristallinem Silizium mit einer Oberfläche, die eine {110}-Orientierung oder eine Orientierung aufweist, die von der {110}-Orientierung um nicht mehr als 8° abweicht;
das Abscheiden einer abgestuften SiGe-Pufferschicht auf dem Substrat aus einkristallinem Silizium; und
das Abscheiden einer SiGe-Schicht mit einem konstanten Anteil an Germanium, der nicht weniger als 40% beträgt, auf der abgestuften SiGe-Pufferschicht.The object is achieved by a method for producing a SiGe layer, comprising the steps:
providing a substrate of monocrystalline silicon having a surface that has a {110} orientation or an orientation that deviates from the {110} orientation by not more than 8 °;
depositing a graded SiGe buffer layer on the monocrystalline silicon substrate; and
depositing a SiGe layer having a constant germanium content not less than 40% on the graded SiGe buffer layer.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Halbleiterscheibe, umfassend ein Substrat aus einkristallinem Silizium mit einer Oberfläche, die eine {110}-Orientierung oder eine Orientierung aufweist, die von der {110}-Orientierung um nicht mehr als 8° abweicht;
eine abgestufte SiGe-Pufferschicht auf dem Substrat aus einkristallinem Silizium; und
eine SiGe-Schicht auf der abgestuften SiGe-Pufferschicht, mit einem konstanten Anteil an Germanium, der nicht weniger als 40% beträgt.The invention also relates to a semiconductor wafer comprising a substrate of monocrystalline silicon having a surface which has a {110} orientation or an orientation which deviates from the {110} orientation by not more than 8 °;
a graded SiGe buffer layer on the monocrystalline silicon substrate; and
a SiGe layer on the graded SiGe buffer layer, with a constant germanium content not less than 40%.

Die rms-Rauheit (40 μm·40 μm) der Oberfläche der SiGe-Schicht mit konstantem Germanium-Anteil beträgt vorzugsweise nicht mehr als 30 nm.The rms roughness (40 μm x 40 μm) of the surface is the SiGe layer with a constant germanium content preferably not more than 30 nm.

Unerwartet hat sich herausgestellt, dass die Zunahme der Rauhigkeit der Oberfläche der SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium als Folge von höheren Germanium-Anteilen wesentlich geringer ist, wenn die Oberfläche des einkristallinen Substrats aus Silizium, auf der die abgestufte SiGe-Pufferschicht abgeschieden wird, eine {110}-Orientierung oder eine davon geringfügig abweichende Orientierung anstelle einer {100}-Orientierung aufweist. Darüber hinaus wird gefunden, dass die Rauhigkeit der Oberfläche der SiGe-Schicht einer erfindungsgemäßen Halbleiterscheibe sehr gleichmäßig ist, während die Rauhigkeit der Oberfläche einer entsprechenden SiGe-Schicht zum Rand der Halbleiterescheibe deutlich zunimmt, wenn die Halbleiterscheibe aus Silizium, auf der die abgestufte SiGe-Pufferschicht abgeschieden wird, eine {100}-Orientierung aufweist.Unexpectedly has been found to increase the roughness of the surface the SiGe layer with a constant germanium content as a consequence of higher germanium content is significantly lower, if the surface of the monocrystalline silicon substrate, on which the graded SiGe buffer layer is deposited, a {110} orientation or slightly different Orientation instead of a {100} orientation. About that In addition, it is found that the roughness of the surface the SiGe layer of a semiconductor wafer according to the invention is very even while the roughness the surface of a corresponding SiGe layer to the edge the semiconductor wafer increases significantly when the semiconductor wafer silicon, on which the graded SiGe buffer layer is deposited is having a {100} orientation.

Nachfolgend werden die (110)-Orientierung und die (100)-Orientierung als Stellvertreter für alle entsprechenden äquivalenten Orientierungen verwendet. Dementsprechend weist das Substrat aus einkristallinem Silizium eine (110)-Orientierung auf oder eine Orientierung, die von der (110)-Orientierung um nicht mehr als 8° und vorzugsweise um nicht mehr als 3° abweicht. Das Substrat ist vorzugsweise eine Halbleiterscheibe aus Silizium, die von einem Einkristall mit <110>-orientierter oder geringfügig „off”-orientierter Kristallachse abgetrennt, mechanisch bearbeitet und poliert wurde.Subsequently, the (110) -orientation and the (100) -orientation are deputized for all ent using equivalent equivalent orientations. Accordingly, the substrate of monocrystalline silicon has a (110) orientation or an orientation that deviates from the (110) orientation by not more than 8 ° and preferably not more than 3 °. The substrate is preferably a silicon wafer which has been separated, mechanically processed and polished by a <110> oriented or slightly "off" oriented crystal axis single crystal.

Der Germanium-Anteil in der SiGe-Schicht mit einem konstanten Anteil an Germanium wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als hoch betrachtet, wenn die SiGe-Schicht nicht we niger als 40%, vorzugsweise nicht weniger als 60% und besonders bevorzugt nicht weniger als 70% Germanium enthält. Die SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium hat also die chemische Zusammensetzung Si1-xGex, wobei der Wert von x nicht weniger als 0,4, vorzugsweise nicht weniger als 0,6 und besonders bevorzugt nicht weniger als 0,7 beträgt.The germanium content in the SiGe layer having a constant germanium content is considered to be high in the context of the present invention if the SiGe layer is not less than 40%, preferably not less than 60%, and more preferably not less than Contains 70% germanium. The SiGe layer with a constant content of germanium thus has the chemical composition Si 1-x Ge x , the value of x being not less than 0.4, preferably not less than 0.6 and particularly preferably not less than 0.7 ,

Die abgestufte SiGe-Pufferschicht wird auf dem Substrat aus Silizium mit (110)-Orientierung oder einer davon geringfügig abweichenden Orientierung abgeschieden. Der atomare Anteil an Germanium steigt mit zunehmender Dicke der SiGe-Pufferschicht an und beträgt zuletzt vorzugsweise nicht weniger als 40% und entspricht besonders bevorzugt dem Anteil an Germanium der SiGe-Schicht mit konstantem Germanium-Anteil, die später auf der SiGe-Pufferschicht abgeschieden wird. Die Steigerung des Germanium-Anteils in der SiGe-Pufferschicht erfolgt linear oder in Stufen, wobei eine Steigerungsrate von 10 bis 25% Ge/μm bevorzugt sind.The graded SiGe buffer layer is made on the substrate of silicon with (110) orientation or one of them slightly different Orientation deposited. The atomic proportion of germanium increases with increasing thickness of the SiGe buffer layer and is last preferably not less than 40% and corresponds particularly preferably the proportion of germanium of the SiGe layer with constant Germanium content, which later on the SiGe buffer layer is deposited. The increase of germanium content in the SiGe buffer layer is linear or in steps, with an increase of 10 to 25% Ge / μm are preferred.

Die Dicke der SiGe-Pufferschicht beträgt vorzugsweise 2 bis 10 µm, besonders bevorzugt sind 2 bis 6 µm. Die Dicke der SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 µm, besonders bevorzugt sind 0,8 bis 1,2 µm.The Thickness of the SiGe buffer layer is preferably 2 to 10 microns, more preferably 2 to 6 microns. The Thickness of the SiGe layer with a constant content of germanium preferably 0.5 to 2 microns, more preferably 0.8 up to 1.2 μm.

Die Abscheidetemperatur zum Abscheiden der SiGe-Pufferschicht und der SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium hängt von den im Abscheidegas enthaltenen Silizium- und Germaniumverbindungen („precursor”) ab und beträgt vorzugsweise mindestens 600°C. Geeignete Verbindungen sind insbesondere die entsprechenden Wasserstoffverbindungen und Chlorverbindungen und die sich davon ableitenden Chlorwasserstoffverbindungen. Besonders bevorzugt sind Dichlorsilan als Silizium-Quelle und Tetrachlorgerman als Germaniumquelle.The Deposition temperature for depositing the SiGe buffer layer and the SiGe layer with constant germanium content depends on the silicon and germanium compounds contained in the deposition gas ("precursor") and is preferably at least 600 ° C. Suitable compounds are in particular the corresponding hydrogen compounds and chlorine compounds and the hydrochloric acid compounds derived therefrom. Particularly preferred are dichlorosilane as a silicon source and tetrachlorogerman as germanium source.

Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend an Beispielen und Vergleichsbeispielen dargestellt.The Effect of the invention will be described below by way of examples and comparative examples shown.

Von einem aus einem Tiegel gezogenem Einkristall aus Silizium wurden Halbleiterscheiben abgetrennt, mechanisch bearbeitet und poliert. Die Oberflächen der Halbleiterscheiben gemäß Beispiel waren (110)-orientiert (Beispiel 1) mit einer „off”-Orientierung mit dem Neigungswinkel θ von 1,2°. Der Neigungswinkel θ bezeichnet den Winkel zwischen der Normalen der Oberfläche der Halbleiterscheibe und der Normalen der (110)-Ebene, wobei die Letztere zur (111)-Ebene hin geneigt ist. Die Halbeiterscheibe gemäß Vergleichsbeispiel war (100)-orientiert. Zunächst wurde auf diese Substrate eine abgestufte SiGe-Pufferschicht und anschließend auf die abgestufte SiGe-Pufferschicht eine SiGe-Schicht mit konstantem Anteil an Germanium bei Normaldruck und Temperaturen von 800 bis 900°C und mit SiCl2H2 und GeCl4 als „precursor”-Verbindungen abgeschieden.From a pulled from a crucible single crystal of silicon semiconductor wafers were separated, mechanically processed and polished. The surfaces of the semiconductor wafers according to the example were (110) -oriented (Example 1) with an "off" orientation with the inclination angle θ of 1.2 °. The inclination angle θ denotes the angle between the normal of the surface of the wafer and the normal of the (110) plane, the latter being inclined to the (111) plane. The holder disk according to the comparative example was (100) -oriented. First, a graded SiGe buffer layer was applied to these substrates followed by a graded SiGe layer with a constant content of germanium at normal pressure and temperatures of 800 ° to 900 ° C. and with SiCl 2 H 2 and GeCl 4 as "precursor" on the graded SiGe buffer layer. Connections deposited.

Der Germanium-Anteil in der abgestuften SiGe-Pufferschicht wurde von 0% Germanium auf 85% Germanium mit einer Steigerungsrate von 20% Ge/µm linear gesteigert. In der SiGe-Schicht mit konstantem Germanium-Anteil betrug dieser Anteil 85% Germanium.Of the Germanium content in the graded SiGe buffer layer was from 0% germanium on 85% germanium with a rate of increase of 20% Ge / μm increased linearly. In the SiGe layer with constant Germanium share, this proportion was 85% germanium.

Anschließend wurde jeweils die rms-Rauheit der Oberfläche der SiGe-Schicht bestimmt und die Oberfläche mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) untersucht.Subsequently in each case the rms roughness of the surface of the SiGe layer was determined determined and the surface with an atomic force microscope (AFM) examined.

Beim Vergleichsbeispiel mit (100)-orientiertem Substrat bildet sich durch den Relaxationsvorgang in der SiGe-Schicht eine sogenannte Crosshatch-Struktur aus. Diese entsteht dadurch, dass sich Fehlanpassungsversetzungen (misfit dislocations) ausbilden, deren Spannungsfeld zu einer Änderung der Aufwachsrate der wachsenden SiGe-Schicht führt. Diese Fehlanpassungsversetzungen orientieren sich an der Lage der (111)-Gleitfächen im Kristallgitter und bilden daher eine rechteckige Gitterstruktur an der Oberfläche ab (2).In the comparative example with (100) -oriented substrate, a so-called cross-hatch structure is formed by the relaxation process in the SiGe layer. This is due to the fact that misfit dislocations develop whose stress field leads to a change in the growth rate of the growing SiGe layer. These misfit dislocations are based on the position of the (111) sliding surfaces in the crystal lattice and therefore form a rectangular lattice structure on the surface ( 2 ).

Beim (110) Substrat findet ebenfalls eine Relaxation durch Ausbildung von Fehlanpassungsversetzungen statt. Durch die geänderte Orientierung der (111)-Gleitflächen des Kristallgitters ist die Ausbildung der Crosshatch-Struktur an der Oberfläche deutlich unterdrückt. Damit gelingt es den Germaniumgehalt auf Werte über 40% Germanium zu steigern, ohne dass die Oberflächenrauhigkeit wie im Vergleichsbeispiel ansteigt.The (110) substrate also undergoes relaxation by the formation of misfit dislocations. Due to the changed orientation of the (111) sliding surfaces of the crystal lattice, the formation of the Crosshatch structure on the surface significantly suppressed. This makes it possible to increase the germanium content to values above 40% germanium, without the surface roughness increases as in the comparative example.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse der rms-Rauheit-Bestimmung zusammengefasst.In The following table shows the results of the rms roughness determination summarized.

Tabelle: Beispiel 1 Vergleichsbeispiel rms-Rauheit (40 µm·40 µm) 14,4 nm 111,9 nm Table: example 1 Comparative example rms roughness (40 μm x 40 μm) 14.4 nm 111.9 nm

Demnach betrug bei den Beispielen 1 die rms-Rauheit (40 µm·40 µm) der Oberfläche der SiGe-Schicht nicht mehr als 20 nm.Therefore was in Examples 1, the rms roughness (40 microns x 40 microns) the surface of the SiGe layer not more than 20 nm.

Die 1 und 2 zeigen AFM-Aufnahmen (40 µm·40 µm) der Oberflächen der virtuellen Substrate gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel. Die Oberfläche gemäß Vergleichsbeispiel weist ein ausgeprägtes „cross-hatch”-Muster auf, das für die hohe rms-Rauheit verantwortlich ist. Auf der Oberfläche gemäß Beispiel 1 dominieren Facetten über rudimentäre „cross-hatch”-Strukturen.The 1 and 2 show AFM images (40 microns x 40 microns) of the surfaces of the virtual substrates according to Example 1 and Comparative Example. The surface according to the comparative example has a pronounced "cross-hatch" pattern, which is responsible for the high rms roughness. On the surface according to Example 1, facets dominate over rudimentary cross-hatch structures.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Hsu et al., Appl. Phys. Lett. 61 (11), 1992 [0003] Hsu et al., Appl. Phys. Lett. 61 (11), 1992 [0003]

Claims (3)

Verfahren zur Herstellung einer SiGe-Schicht, umfassend die Schritte: das Bereitstellen eines Substrats aus einkristallinem Silizium mit einer Oberfläche, die eine {110}-Orientierung oder eine Orientierung aufweist, die von der {110}-Orientierung um nicht mehr als 8° abweicht; das Abscheiden einer abgestuften SiGe-Pufferschicht auf dem Substrat aus einkristallinem Silizium; und das Abscheiden einer SiGe-Schicht mit einem konstanten Anteil an Germanium, der nicht weniger als 40% beträgt, auf der abgestuften SiGe-Pufferschicht.Method for producing a SiGe layer, comprising the steps: providing a substrate single crystal silicon having a surface containing a {110} orientation or an orientation that is determined by the {110} orientation does not deviate more than 8 °; the Depositing a graded SiGe buffer layer on the substrate of monocrystalline silicon; and the deposition of a SiGe layer with a constant content of germanium that is not less than 40%, on the graded SiGe buffer layer. Halbleiterscheibe, umfassend ein Substrat aus einkristallinem Silizium mit einer Oberfläche, die eine {110}-Orientierung oder eine Orientierung aufweist, die von der {110}-Orientierung um nicht mehr als 8° abweicht; eine abgestufte SiGe-Pufferschicht auf dem Substrat aus einkristallinem Silizium; und eine SiGe-Schicht auf der abgestuften SiGe-Pufferschicht, mit einem konstanten Anteil an Germanium, der nicht weniger als 40% beträgt.Semiconductor wafer, comprising a substrate single crystal silicon having a surface containing a {110} orientation or an orientation that is determined by the {110} orientation does not deviate more than 8 °; a graded SiGe buffer layer on the substrate of monocrystalline Silicon; and a SiGe layer on the graded SiGe buffer layer, with a constant content of germanium that is not less than 40%. Halbleiterscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die rms-Rauheit (40 μm·40 μm) der Oberfläche der SiGe-Schicht mit konstantem Germanium-Anteil nicht mehr als 20 nm beträgt.Semiconductor wafer according to Claim 2, characterized that is the rms roughness (40 μm x 40 μm) of the surface the SiGe layer with constant germanium content not more than 20 nm.
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