對(duì)鍺層進(jìn)行熱處理的半導(dǎo)體基板的制造方法及半導(dǎo)體裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體基板的制造方法及半導(dǎo)體裝置的制造方法，涉及對(duì)鍺層進(jìn)行熱處理的半導(dǎo)體基板的制造方法及半導(dǎo)體裝置的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍺(Ge)是與硅(Si)相比具有優(yōu)異的電子物性的半導(dǎo)體。例如，正在開發(fā)使用鍺的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。例如，在MOSFET中，重要的是提高鍺層中的載流子的迀移率。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0004]非專利文獻(xiàn)
[0005]非專利文獻(xiàn)1:Extended Abstract of the 2011 Internat1nal Conference onSolid State Devices and Materials，Nagoya，2011，pp925_926

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明要解決的問題
[0007]在單晶鍺基板中，根據(jù)基板的種類而迀移率大不相同。若鍺基板的迀移率低，則在MOSFET等半導(dǎo)體裝置中不能得到高的性能。需要使鍺層的迀移率提高，而提高半導(dǎo)體裝置的性能。
[0008]本發(fā)明鑒于上述課題而完成，目的在于提供高性能的半導(dǎo)體裝置。
[0009]用于解決問題的手段
[0010]本發(fā)明為一種半導(dǎo)體基板的制造方法，其特征在于，包括在還原性氣體氣氛中，在700°C以上對(duì)具有I X 116Cnf3以上的氧濃度的鍺層進(jìn)行熱處理的工序。
[0011 ]本發(fā)明為一種半導(dǎo)體基板的制造方法，其特征在于，包括在還原性氣體氣氛中，對(duì)具有I X 116Cnf3以上的氧濃度的鍺層進(jìn)行熱處理以使所述氧濃度減小的工序。
[0012]上述構(gòu)成中，可以設(shè)為如下構(gòu)成:進(jìn)行上述熱處理的工序是在800°C以上進(jìn)行熱處理的工序。
[0013]上述構(gòu)成中，可以設(shè)為如下構(gòu)成:通過上述熱處理，上述鍺層所具有的氧濃度變得低于 lX1016cm—3。
[0014]上述構(gòu)成中，可以設(shè)為如下構(gòu)成:上述鍺層的(111)面為主面。
[0015]上述構(gòu)成中，可以設(shè)為如下構(gòu)成:上述還原性氣體氣氛為氫氣氣氛。
[0016]上述構(gòu)成中，可以設(shè)為如下構(gòu)成:上述鍺層為單晶鍺基板。
[0017]本發(fā)明為一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在通過上述半導(dǎo)體基板的制造方法制造的半導(dǎo)體基板上形成半導(dǎo)體裝置的工序。
[0018]上述構(gòu)成中，形成上述半導(dǎo)體裝置的工序包括在經(jīng)上述熱處理的上述鍺層的表面形成柵極絕緣膜的工序;和在上述柵極絕緣膜上形成柵極電極的工序。
[0019]發(fā)明效果
[0020]根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種高性能的半導(dǎo)體裝置。
【附圖說明】
[0021]圖1(a)至圖1(d)是表示實(shí)驗(yàn)中使用的MOS結(jié)構(gòu)的制作方法的截面圖。
[0022 ]圖2是表示(111)基板A的迀移率yef f相對(duì)于面電子密度Ns的的圖。
[0023]圖3(a)至圖3(c)是(111)基板A的氫熱處理后的基板表面的AFM圖像。
[0024]圖4(a)至圖4(f)是表示(111)基板A的氫熱處理后的AFM觀察結(jié)果的圖。
[0025]圖5是表示晶體取向不同的基板A的Ιμπι□的RMS相對(duì)于氫熱處理中的熱處理溫度的圖。
[0026]圖6(a)至圖6(e)是表示(111)基板A的熱處理后的基板A表面的AFM觀察結(jié)果的圖。
[0027]圖7是表示(111)基板B的氧濃度相對(duì)于深度的圖。
[0028]圖8是表示(111)基板B的迀移率f相對(duì)于面電子密度Ns的的圖。
[0029]圖9是表示向(111)基板A離子注入氧離子的樣品的迀移率Kff相對(duì)于面電子密度
Ns的圖。
[0030]圖10是表示向(111)基板A離子注入氧離子的樣品的氧濃度相對(duì)于距離表面的深度的圖。
[0031]圖11是表示基板B的迀移率相對(duì)于面電子密度Ns的示意圖。
[0032]圖12(a)至圖12(e)是表示實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體裝置的制造方法的截面圖。
[0033]圖13是表示(111)基板B的氧濃度相對(duì)于深度的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]若使用單晶鍺基板制作MOS結(jié)構(gòu)，測(cè)定迀移率，則根據(jù)基板的種類而迀移率不同。作為一例，根據(jù)使基板成長的成長裝置、成長條件和材料等而迀移率不同。然而，是成長方法自身的問題、還是其它問題是不明確的。另外，在基板上形成的鍺層中迀移率也不同。像這樣根據(jù)基板或?qū)拥姆N類而迀移率不同的原因是不明確的。因此，難以使迀移率提高。
[0035]為了調(diào)查根據(jù)基板或?qū)拥姆N類而迀移率不同的理由，作為迀移率不同的單晶鍺基板，準(zhǔn)備成長方法不同的基板A和基板B?；錌比基板A的迀移率低。使用基板A和基板B制作MOS結(jié)構(gòu)，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。
[0036]圖1(a)至圖1 (d)是表示實(shí)驗(yàn)中使用的MOS結(jié)構(gòu)的制作方法的截面圖。如圖1 (a)所示，準(zhǔn)備P型單晶鍺基板10。使用基板A或基板B作為單晶鍺基板。以下，將以(111)面為主面的基板A稱為(111)基板A，將以(111)面為主面的基板B稱為(111)基板B。鍺基板10的受體濃度 Na為 2X 1015cm—3。
[0037]如圖1(b)所示，在氫(H2)氣氣氛(100%氫氣氣氛)、1氣壓下，進(jìn)行熱處理。以下，也將氫氣氣氛中的熱處理稱為氫熱處理。如圖1(c)所示，在鍺基板10上形成氧化鍺膜12。氧化鍺膜12的形成通過在氧氣氣氛中對(duì)鍺基板10進(jìn)行熱處理來進(jìn)行。氧化鍺膜12的形成條件是:氧壓力為70氣壓、基板溫度為500°C。氧化鍺膜12的膜厚為5nm至6nm左右。如圖1(d)所示，在氧化鍺膜12的表面形成金(Au)膜作為金屬膜14。金屬膜14被用作柵極電極。
[0038]使用(111)基板A，制作柵極長為ΙΟΟμπι、柵極寬為25μπι的MOS結(jié)構(gòu)。利用分割CV法，求出室溫下的載流子數(shù)和迀移率μ#。分割CV法是由CV測(cè)定的積分導(dǎo)出載流子數(shù)，由載流子數(shù)和1-V測(cè)定求出迀移率的方法。由載流子數(shù)求出面電子密度Ns。
[0039]圖2是表示(111)基板A的迀移率yeff相對(duì)于面電子密度Ns的圖。通過對(duì)柵極電極施加?xùn)艠O電壓，使面電子密度Ns發(fā)生變化，測(cè)定迀移率Kff。將圖1(b)中的氫熱處理的溫度設(shè)為500°C，將時(shí)間設(shè)為I分鐘、5分鐘和15分鐘?；鶞?zhǔn)樣品是未進(jìn)行圖1(b)的氫熱處理的樣品，氧化鍺膜的膜厚為15nm，提高了氧化鍺膜的成膜溫度?；鶞?zhǔn)樣品中，面電子密度為4 X111Cnf2時(shí)，迀移率約為1200cm2/Vs而成為最大。面電子密度在迀移率小于峰值的區(qū)域時(shí)，迀移率相對(duì)于熱處理時(shí)間基本不變。面電子密度在迀移率大于峰值的區(qū)域時(shí)，熱處理時(shí)間越長則迀移率越高。面電子密度越高，基于熱處理時(shí)間的迀移率之差越大。
[0040]圖1(b)之后，利用AFM(Atomic Force Microcopy)法觀察基板A的鍺基板10表面。圖3(a)至圖3(c)是(111)基板A的氫熱處理后的基板表面的AFM圖像。圖3(a)至圖3(c)分別為圖1(b)中的氫熱處理的溫度為500°C、時(shí)間為I分鐘、5分鐘和15分鐘的鍺基板10的AFM圖像。AFM圖像相當(dāng)于Ιμπι X Ιμπι(ΙμηιΙΖΙ)的范圍。如圖3 (a)所示，熱處理時(shí)間為I分鐘時(shí)，在鍺基板10表面沒有觀察到臺(tái)階和平臺(tái)(step and terrace)結(jié)構(gòu)。如圖3(b)所示，熱處理時(shí)間為5分鐘時(shí)，在鍺基板10表面觀察到小的臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。如圖3(c)所示，熱處理時(shí)間為15分鐘時(shí)，在鍺基板10表面觀察到臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。像這樣，若熱處理時(shí)間變長，則觀察到臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。觀察到臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)的表面意味著平坦性高。
[0041 ] 對(duì)圖2與圖3(a)至圖3(c)進(jìn)行比較。熱處理時(shí)間為500 °C時(shí)，若熱處理時(shí)間變長，則在面電子密度高的區(qū)域迀移率變高。認(rèn)為這是因?yàn)槿魺崽幚頃r(shí)間變長，則鍺基板10與氧化鍺膜12的界面的平坦性變好。
[0042]因此，對(duì)于(111)基板A，對(duì)基于熱處理的鍺基板10表面的平坦化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0043]圖4(a)至圖4 (f)是表示(111)基板A的氫熱處理后的基板A表面的AFM觀察結(jié)果的圖。圖4(a)至圖4(c)分別是在500°C、650°C和850°C進(jìn)行氫熱處理后的(111)基板A的表面的AFM觀察圖像。熱處理時(shí)間為15分鐘。圖像的范圍為Ιμπι□。圖4(d)至圖4(f)分別是表示圖4(a)至圖4(c)的一部分區(qū)域的基板膜厚方向相對(duì)于基板的面方向的表面的圖，是相當(dāng)于截面的圖。
[0044]如圖4(a)至圖4(c)所示，在熱處理溫度為500°C至850°C的情況下，觀察到臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。如圖4(d)至圖4(f)所示，臺(tái)階的高度約為0.3nm或約0.3nm的2倍的臺(tái)階。鍺呈金剛石結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為0.567nm。在(111)面，以構(gòu)成金剛石結(jié)構(gòu)的正四面體鍵合結(jié)構(gòu)為單位的原子一層的厚度為0.567 X 3—V2nm，約為0.33nm。需要說明的是，該厚度在Ge原子彼此的鍵的意義上相當(dāng)于2個(gè)鍵。因此，如圖4(d)至圖4(f)，臺(tái)階的高度基本對(duì)應(yīng)于I原子層。像這樣，在(I 11)基板A，在氫熱處理的溫度為500 0C至850 V的情況下，在鍺基板10的表面形成有臺(tái)階和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。
[0045]圖5是表示晶體取向不同的基板A的Ιμπι□的RMS(Root Mean Square:均方根)相對(duì)于氫熱處理的溫度的圖。熱處理時(shí)間為15分鐘。點(diǎn)為測(cè)定點(diǎn)，線為近似線。需要說明的是，氫熱處理前的基板的RMS為0.3nm左右。(1