特許 7222942 ＰＥＣＶＤ微結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-07

(45)【発行日】2023-02-15

(54)【発明の名称】ＰＥＣＶＤ微結晶シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20230208BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20230208BHJP

   C23C 16/50 20060101ALI20230208BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20230208BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C23C16/42

C23C16/50

B81C1/00

【請求項の数】 18

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2020029301

(22)【出願日】2020-02-25

(62)【分割の表示】P 2016540895の分割

【原出願日】2014-08-15

(65)【公開番号】P2020107894

(43)【公開日】2020-07-09

【審査請求日】2020-03-26

(31)【優先権主張番号】61/874,831

(32)【優先日】2013-09-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】14/459,357

(32)【優先日】2014-08-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(74)【代理人】

【識別番号】100141553

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 信彦

(72)【発明者】

【氏名】チ ヒョ－イン

(72)【発明者】

【氏名】タジク ファルザド ディーン

(72)【発明者】

【氏名】ローザ ミシェル アンソニー

【審査官】鈴木 智之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１１４４２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６９６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１６２１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ２３Ｃ １６／４２

Ｃ２３Ｃ １６／５０

Ｂ８１Ｃ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコンゲルマニウム層を形成する方法であって、
プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を使用して基板の上に０．１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルの間の厚さを有するシードシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップであって、前記シードシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、３００Ｗ～６００Ｗの間のＲＦ電力を有する、堆積させるステップと、
ＰＥＣＶＤを使用して前記シードシリコンゲルマニウム層上に直接バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップであって、前記バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、６００Ｗ～８００Ｗの間のＲＦ電力を有する、堆積させるステップとを含む方法。

【請求項2】

前記基板が、相補型金属－酸化物半導体（ＣＭＯＳ）構造を含み、前記シードシリコンゲルマニウム層が、前記ＣＭＯＳ構造の上に堆積される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記シードシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、３トル～４．２トルの間のプロセス圧力を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、３トル～４．２トルの間のプロセス圧力を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記シードシリコンゲルマニウム層の前記堆積中に混合ガスを流すステップをさらに含み、前記混合ガスが、シリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、ホウ素含有ガス、および水素ガスを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記シリコン含有ガスがシランである、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記ゲルマニウム含有ガスがゲルマンである、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

前記ホウ素含有ガスがジボランである、請求項５に記載の方法。

【請求項9】

前記シリコン含有ガスが、０．０６４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～０．０８５ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項５に記載の方法。

【請求項10】

前記ゲルマニウム含有ガスが、０．３５４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～０．４７６ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項５に記載の方法。

【請求項11】

前記ホウ素含有ガスが、０．０６４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～０．０８５ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項５に記載の方法。

【請求項12】

前記水素ガスが、５．９４１ｓｃｃｍ／ｃｍ²～７．７７９ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項５に記載の方法。

【請求項13】

シリコンゲルマニウム層を形成する方法であって、
プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を使用して基板の上に０．１マイクロメートルから０．２５マイクロメートルの間の厚さを有するシードシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップであって、前記シードシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、３００Ｗ～６００Ｗの間のＲＦ電力を有する、堆積させるステップと、
ＰＥＣＶＤを使用して前記シードシリコンゲルマニウム層上に直接バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップであって、前記バルクシリコンゲルマニウム層の堆積中に混合ガスが導入され、前記混合ガスがシリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、ホウ素含有ガス、および水素ガスを含み、前記バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させる前記ＰＥＣＶＤが、６００Ｗ～８００Ｗの間のＲＦ電力を有する、堆積させるステップとを含む方法。

【請求項14】

前記シリコン含有ガスが、０．１４１ｓｃｃｍ／ｃｍ²～０．２８２ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記ゲルマニウム含有ガスが、１．１６０ｓｃｃｍ／ｃｍ²～１．４１４ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

前記ホウ素含有ガスが、０．１１３ｓｃｃｍ／ｃｍ²～０．２１２ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

前記水素ガスが、６．３６５ｓｃｃｍ／ｃｍ²～７．７７９ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

前記シリコン含有ガスがシランである、請求項１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、一般に、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層を形成する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、加速度計、ジャイロスコープ、赤外検出器、マイクロタービン、シリコンクロックなどの多種多様なシステムで使用される。ＭＥＭＳおよび相補型金属－酸化物半導体（ＣＭＯＳ）処理のモノリシック集積は、集積により相互接続の問題が簡略化されるため、検出器およびディスプレイなどの特定の適用分野において望ましい解決策である。１つの容易なモノリシック集積手法は、駆動電子機器上でＭＥＭＳを後処理することである。なぜなら、駆動電子機器を準備するために使用される標準的な製造プロセスが変更されないためである。しかし、後処理では、駆動電子機器の性能におけるあらゆる損傷または劣化を回避するため、ＭＥＭＳの製造温度に上限が設けられる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

ＳｉＧｅは、標準的なＣＭＯＳ駆動および制御電子機器上で後処理することができるＭＥＭＳに対する構築材料として提案されてきた。微細構造デバイスで使用するための機能的なＳｉＧｅ層は、厚さ２マイクロメートルを超えることがあり、摂氏４５０度で複数のＳｉＧｅ層を堆積させることによって形成することができる。したがって、ＳｉＧｅ層を形成するための改善された方法が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の実施形態は、一般に、ＳｉＧｅ層を形成する方法に関する。一実施形態では、まず、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を使用してシードＳｉＧｅ層が形成され、同じくＰＥＣＶＤを使用してＰＥＣＶＤシード層上に直接バルクＳｉＧｅ層が形成される。シードＳｉＧｅ層とバルクＳｉＧｅ層の両方に対する処理温度は、摂氏４５０度未満である。
一実施形態では、シリコンゲルマニウム層を形成する方法が開示される。この方法は、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を使用して基板の上にシードシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップを含み、基板は、処理中に摂氏４５０度未満の第１の温度を有する。この方法は、ＰＥＣＶＤを使用してシードシリコンゲルマニウム層上に直接バルクシリコンゲルマニウム層を堆積させるステップをさらに含み、基板は、処理中に摂氏４５０度未満の第２の温度を有する。
本発明の上記の特徴をより詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本発明のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって得ることができる。実施形態のいくつかを添付の図面に示す。しかし、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容しうるため、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】本発明の一実施形態によるシードＳｉＧｅ層およびバルクＳｉＧｅ層を有するＳｉＧｅ層を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態によるシードＳｉＧｅ層およびバルクＳｉＧｅ層を形成するプロセスステップを示す図である。

【図3】本発明の一実施形態による図２のプロセスステップを実行するために使用することができるＰＥＣＶＤチャンバを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

理解を容易にするために、可能な場合、図に共通の同一の要素を指すために、同一の参照番号を使用した。特別な記述がない限り、一実施形態に開示する要素は、他の実施形態でも有益に利用することができることが企図される。
本発明の実施形態は、一般に、ＳｉＧｅ層を形成する方法に関する。一実施形態では、まず、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）を使用して基板表面上にシードＳｉＧｅ層が形成され、同じくＰＥＣＶＤを使用してＰＥＣＶＤシード層上に直接バルクＳｉＧｅ層が形成される。シードＳｉＧｅ層とバルクＳｉＧｅ層の両方に対する処理温度は、摂氏４５０度未満である。
図１は、本発明の一実施形態によるシードＳｉＧｅ層１０２およびバルクＳｉＧｅ層１０４を有するＳｉＧｅ層１００を示す。ＳｉＧｅ層１００は、ＣＭＯＳ構造上に形成することができる。シードＳｉＧｅ層１０２およびバルクＳｉＧｅ層１０４を形成するプロセスステップを、図２に示す。
図２は、ＳｉＧｅ層１００を形成するプロセスステップ２００を示す。ブロック２０２で、シードＳｉＧｅ層１０２は、ＰＥＣＶＤを使用して堆積される。シードＳｉＧｅ層１０２は、ＣＭＯＳ構造上に堆積させることができる。ＣＭＯＳ構造は高温に耐えることができないため、シードＳｉＧｅ層１０２とバルクＳｉＧｅ層１０４の両方の堆積はどちらも、摂氏４２０度など、摂氏４５０度を下回る温度で実行される。

【0007】

一実施形態では、シードＳｉＧｅ層１０２は、図３に示すＰＥＣＶＤチャンバ３００などのＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積される。ブロック２０２で実行されるプロセスの一例では、１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数で約３００Ｗ～約６００Ｗの範囲のＲＦ電力を使用してプラズマが形成され、ＣＭＯＳ構造を有する基板は、摂氏４２０度など、摂氏４５０度を下回る温度で維持される。ＲＦ電力を調整して、膜応力を微調整することができる。処理領域内の処理圧力は、約３トル～約４．２トルの間で維持される。プラズマは、シリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、ホウ素含有ガス、および水素ガスを含む混合処理ガスを含有する。一実施形態では、ゲルマニウム含有ガスおよびホウ素含有ガスは、ガスシリンダ内で水素ガスと事前に混合される。一実施形態では、シリコン含有ガスはシラン（ＳｉＨ₄）であり、ゲルマニウム含有ガスはゲルマン（ＧｅＨ₄）であり、ホウ素含有ガスはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）である。一実施形態では、ＳｉＨ₄ガスは、約０．０６４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約０．０８５ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有し、ＧｅＨ₄ガスは、約０．３５４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約０．４７６ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有し、水素ガスは、約５．９４１ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約７．７７９ｓｃｃｍ／ｃｍ²の流量を有し、Ｂ₂Ｈ₆ガスは、約０．０６４ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約０．０８５ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する。これらの流量は、１つまたは複数の基板の表面積の１立法センチメートル当たりの値であり、したがって任意の寸法の基板に対する総流量が容易に判定される。堆積プロセスは、約５０秒～約１４０秒の間継続して、約０．１マイクロメートル～約０．２５マイクロメートルの間の厚さを有するシードＳｉＧｅ層１０２を形成することができる。

【0008】

次に、ブロック２０４で、バルクＳｉＧｅ層１０４は、ＰＥＣＶＤを使用してシードＳｉＧｅ層１０２上に直接堆積される。バルクＳｉＧｅ層１０４は、シードＳｉＧｅ層１０２の洗浄もしくはエッチングが必要とされないとき、またはシードＳｉＧｅ層１０２の洗浄もしくはエッチングを同じＰＥＣＶＤチャンバ内で実行することができるとき、シードＳｉＧｅ層１０２を堆積させるのと同じＰＥＣＶＤチャンバ内で堆積させることができる。ブロック２０４で実行されるプロセスの一例では、１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数で約６００Ｗ～約８００Ｗの間のＲＦ電力を使用してプラズマが形成され、ＣＭＯＳ構造およびシードＳｉＧｅ層を有する基板は、摂氏４２０度など、摂氏４５０度を下回る温度で維持される。処理領域内の処理圧力は、約３トル～約４．２トルの間で維持される。プラズマは、シリコン含有ガス、ゲルマニウム含有ガス、ホウ素含有ガス、および水素ガスを含む混合処理ガスを含有する。一実施形態では、ゲルマニウム含有ガスおよびホウ素含有ガスは、ガスシリンダ内で水素ガスと事前に混合される。一実施形態では、シリコン含有ガスはシラン（ＳｉＨ₄）であり、ゲルマニウム含有ガスはゲルマン（ＧｅＨ₄）であり、ホウ素含有ガスはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）である。一実施形態では、ＳｉＨ₄ガスは、約０．１４１ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約０．２８２ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有し、ＧｅＨ₄ガスは、約１．１６０ｓｃｃｍ／ｃｍ²～１．４１４ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有し、水素ガスは、約６．３６５ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約７．７７９ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有し、Ｂ₂Ｈ₆ガスは、約０．１１３ｓｃｃｍ／ｃｍ²～約０．２１２ｓｃｃｍ／ｃｍ²の間の流量を有する。堆積プロセスは、約４００秒～約１０００秒の間継続して、約２．５マイクロメートル～１０マイクロメートルを超える範囲の厚さを有するバルクＳｉＧｅ層１０４を形成することができる。一実施形態では、バルクＳｉＧｅ層１０４は、約１０マイクロメートル以上の厚さを有する。そのような厚いバルクＳｉＧｅ層１０４は、ＰＥＣＶＤを使用して単一の堆積プロセスで堆積される。

【0009】

図３は、本発明の一実施形態による図２のプロセスステップを実行するために使用することができるＰＥＣＶＤプロセスチャンバ３００である。プロセスチャンバ３００は、プロセス量３１２を画定する壁３０６、底部３０８、および蓋３１０を含む。壁３０６および底部３０８は、典型的には、単体のアルミニウムブロックから製造される。壁３０６は、導管（図示せず）を有することができ、それらの導管に流体を通して、壁３０６の温度を制御することができる。プロセスチャンバ３００はまた、プロセス量３１２を排気口３１６に結合するポンピングリング３１４ならびに他のポンピング構成要素（図示せず）を含むことができる。

【0010】

基板支持アセンブリ３３８は、加熱することができ、プロセスチャンバ３００内に中心に配置することができる。基板支持アセンブリ３３８は、堆積プロセス中に基板３０３を支持する。基板支持アセンブリ３３８は、概して、アルミニウム、セラミック、またはアルミニウムとセラミックの組合せから製造され、典型的には、真空ポート（図示せず）と、少なくとも１つまたは複数の加熱要素３３２とを含む。
真空ポートは、堆積プロセス中に基板３０３と基板支持アセンブリ３３８との間に真空を印加して基板３０３を基板支持アセンブリ３３８に固定するために使用することができる。１つまたは複数の加熱要素３３２は、たとえば、基板支持アセンブリ３３８内に配置された電極とすることができ、電源３３０に結合されて、基板支持アセンブリ３３８およびその上に位置決めされた基板３０３を所定の温度まで加熱することができる。

【0011】

概して、基板支持アセンブリ３３８は、心棒３４２に結合される。心棒３４２は、基板支持アセンブリ３３８とプロセスチャンバ３００の他の構成要素との間に電気リード、真空、およびガス供給ラインのための導管を提供する。加えて、心棒３４２は、基板支持アセンブリ３３８をリフトシステム３４４に結合し、リフトシステム３４４は、基板支持アセンブリ３３８を上昇位置（図２に示す）と降下位置（図示せず）との間で動かす。ベローズ３４６が、基板支持アセンブリ３３８の動きを容易にしながら、プロセス量３１２とチャンバ３００の外側の雰囲気との間に真空シールを提供する。

【0012】

基板支持アセンブリ３３８は、加えて、外接するシャドウリング３４８を支持する。シャドウリング３４８は、環状の形状であり、典型的には、たとえば窒化アルミニウムなどのセラミック材料を含む。概して、シャドウリング３４８は、基板３０３および基板支持アセンブリ３３８のエッジにおける堆積を防止する。
蓋３１０は、壁３０６によって支持されており、プロセスチャンバ３００の保守を可能にするように取り外し可能とすることができる。蓋３１０は、概して、アルミニウムから構成することができ、加えて、蓋３１０内に熱伝達流体チャネル３２４を形成することができる。熱伝達流体チャネル３２４は、蓋３１０を通って熱伝達流体を流す流体源（図示せず）に結合される。熱伝達流体チャネル３２４を通って流れる流体は、蓋３１０の温度を調節する。

【0013】

概して、蓋３１０の内側３２０には、シャワーヘッド３１８を結合することができる。任意選択で、シャワーヘッド３１８と蓋３１０との間の空間３２２内には、穿孔された遮蔽板３３６を配置することができる。混合ブロックを通ってプロセスチャンバ３００に入るガス（すなわち、プロセスガスおよび他のガス）はまず、ガスがシャワーヘッド３１８の後ろの空間３２２を充填するとき、遮蔽板３３６によって拡散させられる。ガスは次いで、シャワーヘッド３１８を通ってプロセスチャンバ３００に入る。遮蔽板３３６およびシャワーヘッド３１８は、プロセスチャンバ３００へのガスの均一の流れを提供するように構成される。均一のガス流は、基板３０３上で均一の層形成を促進するために望ましい。シードＳｉＧｅ層１０２の堆積プロセス中、基板３０３とシャワーヘッド３１８との間の距離は、約３２０ｍｍ～約３７０ｍｍの間である。バルクＳｉＧｅ層１０４の堆積プロセス中、基板３０３とシャワーヘッド３１８との間の距離は、約５３０ｍｍ～約５８０ｍｍの間である。

【0014】

蓋３１０にガス源３６０が結合され、シャワーヘッド３１８内のガス通路を通ってシャワーヘッド３１８と基板３０３との間の処理面積へガスを提供する。プロセス量を所望の圧力で制御するために、プロセスチャンバ３００に真空ポンプ（図示せず）を結合することができる。整合ネットワーク３９０を通って蓋３１０および／またはシャワーヘッド３１８にＲＦ源３７０が結合され、シャワーヘッド３１８へＲＦ電流を提供する。ＲＦ電流は、シャワーヘッド３１８と基板支持アセンブリ３３８との間に電界を生じさせ、その結果、シャワーヘッド３１８と基板支持アセンブリ３３８との間のガスからプラズマを生成することができる。ＲＦ電力を調整して、ＳｉＧｅ層１００の応力を微調整することができる。

【0015】

要約すると、ＳｉＧｅ層を形成する方法が開示される。この方法は、シードＳｉＧｅ層を形成し、シードＳｉＧｅ層上に直接バルクＳｉＧｅ層を形成するステップを含み、どちらの層も、ＰＥＣＶＤを使用して形成される。シードＳｉＧｅ層は、ＣＭＯＳ構造の上に形成することができ、ＣＭＯＳ構造の損傷を防止するため、シード層およびバルク層が堆積される基板は、シード層とバルク層の両方の堆積中、摂氏４２０度など、摂氏４５０度を下回る温度を有する。バルクＳｉＧｅ層は、１０マイクロメートルを超えることができ、ＰＥＣＶＤを使用して単一の堆積で形成することができる。
上記は、本発明の実施形態を対象にするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他のさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2】

【図3】