7634848 ゲルマニウム半導体装置の製造方法及びゲルマニウム半導体装置

(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】2025-02-14

(45)【発行日】2025-02-25

(54)【発明の名称】ゲルマニウム半導体装置の製造方法及びゲルマニウム半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20250217BHJP

   C30B 29/08 20060101ALI20250217BHJP

   C30B 25/18 20060101ALI20250217BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

C30B29/08

C30B25/18

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022010845

(22)【出願日】2022-01-27

(65)【公開番号】P2022120811

(43)【公開日】2022-08-18

【審査請求日】2024-02-16

(31)【優先権主張番号】P 2021017055

(32)【優先日】2021-02-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(73)【特許権者】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】石川 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】中井 哲弥

【審査官】小▲高▼ 孔頌

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１７７１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１９６５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０１９６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２９００２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１８８７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０００６３９９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１５４４５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６０７５２５３（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６４６２２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｃ３０Ｂ ２９／０８

Ｃ３０Ｂ ２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

｛１００｝面方位を有するシリコン基板の主面に＜０１０＞方向と平行なトレンチを形成する工程と、
化学気相成長により前記トレンチ内にゲルマニウムを埋め込む工程とを備え、
前記トレンチの深さが２μｍ以上であり、
前記化学気相成長は、原料ガスが分子流として供給される圧力条件下で行うことを特徴とするゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記トレンチの幅が１μｍ以下である、請求項１に記載のゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項3】

前記トレンチの側壁面は、垂直面に対する傾斜角度が０．３度以上１０度以下の傾斜面である、請求項１又は２に記載のゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項4】

前記圧力条件が１００Ｐａ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項5】

前記トレンチを形成する工程は、前記シリコン基板の前記主面に複数の前記トレンチを等間隔に形成する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記トレンチ内に埋め込まれた前記ゲルマニウムの上面を覆うシリコン保護膜を形成する工程をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のゲルマニウム半導体装置の製造方法。

【請求項7】

｛１００｝面方位を有し、主面にトレンチが形成されたシリコン基板と、
前記トレンチ内に埋め込まれたゲルマニウム結晶層とを備え、
前記トレンチの深さが２μｍ以上であり、
前記トレンチは＜０１０＞方向と平行に形成されていることを特徴とするゲルマニウム半導体装置。

【請求項8】

前記トレンチの幅が１μｍ以下である、請求項７に記載のゲルマニウム半導体装置。

【請求項9】

前記トレンチの側壁面は、垂直面に対する傾斜角度が０．３度以上１０度以下の傾斜面である、請求項７又は８に記載のゲルマニウム半導体装置。

【請求項10】

複数の前記トレンチが等間隔に設けられている、請求項７乃至９のいずれか一項に記載のゲルマニウム半導体装置。

【請求項11】

前記ゲルマニウム結晶層の上面を覆うシリコン保護膜をさらに備える、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載のゲルマニウム半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ゲルマニウム半導体装置の製造方法及びゲルマニウム半導体装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、シリコンフォトニクスを用いた光電子集積技術の開発が進んでいる。シリコンフォトニクスの基本光部品は、シリコン（Ｓｉ）系光導波路とゲルマニウム（Ｇｅ）受光器であり、これらを同一基板上にモノリシック集積させた小型光モジュール（特許文献１参照）は、通信システムに応用されるものと期待されている。

【0003】

ゲルマニウム半導体技術に関し、特許文献２には、応力強化ＭＯＳトランジスタ及びその製造方法が記載されている。この製造方法は、チャネル領域近くのシリコン基板上にトレンチを形成するステップと、第１のＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させてトレンチの一部を埋めるステップと、第１のＳｉＧｅ層よりもゲルマニウム濃度が低い第２のＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させてトレンチを完全に埋めるステップとを有する。シリコン基板は（１００）結晶面方位を有し、チャネル領域は［１１０］方向に配向し、トレンチの側面は（０１１）結晶面方位を有する。第１のＳｉＧｅ層をエピタキシャル成長させるステップでは、（１００）結晶面よりも（０１１）結晶面での成長レートが高くなるように成長条件を調整する。このように、最初はＳｉＧｅ層のゲルマニウム含有量を増やし、途中から減らすことにより、トランジスタチャネルの長手方向の圧縮応力を確保しながらコンタクト抵抗の低下を抑制することができる。

【0004】

ゲルマニウム半導体技術に関するものではないが、特許文献３には、ｎ型シリコン基板の表面層に形成された複数の第１のトレンチ内にｐ型エピタキシャル層を形成することが記載されている。ｎ型シリコン基板は（１００）面又はこれと等価な面を表面とし、複数の第１のトレンチは、ｎ型シリコン基板の＜００１＞方向に伸びており、第１のトレンチの側面は（０１０）面及び（０－１０）面を構成している。そのため、トレンチ内へのエピタキシャル層の埋め込み成長によるｐｎ接合形成時にボイドが残りにくく、これにより界面準位密度の低い構造とすることが可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５７６１７５４号公報

【文献】特開２０１０－５１０６８４号公報

【文献】特開２０１３－１０２２１３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近赤外光を受光するゲルマニウム受光器が、光導波路を伝搬する光ではなく自由空間を伝搬する光を受光するためには、高い受光感度が必要であり、そのためには数ミクロン程度の十分な厚さのゲルマニウム結晶層が必要である。しかし、シリコン基板上に十分な厚さのゲルマニウム結晶層を形成する場合、結晶成長に時間がかかり、製造効率が悪いという問題がある。

【0007】

したがって、本発明の目的は、十分な厚さのゲルマニウム結晶層を短時間で成長させることが可能なゲルマニウム半導体装置の製造方法を提供することにある。また本発明の目的は、十分な厚さのゲルマニウム結晶層を有し、これにより受光器の受光感度を高めることが可能なゲルマニウム半導体装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本発明によるゲルマニウム半導体装置の製造方法は、｛１００｝面方位を有するシリコン基板の主面に＜０１０＞方向と平行なトレンチを形成する工程と、化学気相成長により前記トレンチ内にゲルマニウムを埋め込む工程とを備え、前記化学気相成長は、原料ガスが分子流として供給される圧力条件下で行うことを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、トレンチの底面のみならず側壁面からもゲルマニウムの結晶成長を促進させることができる。したがって、十分な厚さを有するゲルマニウム結晶層を短時間で形成することができる。

【0010】

本発明において、前記圧力条件は１００Ｐａ以下であることが好ましい。これにより、トレンチの底面のみならず側壁面からもゲルマニウム結晶成長を促進させることができ、トレンチ内へのゲルマニウムの埋め込み時間を短くすることができる。

【0011】

本発明によるゲルマニウム半導体装置の製造方法は、前記トレンチ内に埋め込まれた前記ゲルマニウムの上面を覆うシリコン保護膜を形成する工程をさらに備えることが好ましい。これにより、トレンチ内に埋め込まれたゲルマニウムの信頼性を高めると共に、ゲルマニウムの格子歪みを大きくしてバンドギャップエネルギーを下げることができ、光吸収波長の長波長化を図ることができる。

【0012】

また、本発明によるゲルマニウム半導体装置は、｛１００｝面方位を有し、主面にトレンチが形成されたシリコン基板と、前記トレンチ内に埋め込まれたゲルマニウム結晶層とを備え、前記トレンチは＜０１０＞方向と平行に形成されていることを特徴とする。

【0013】

本発明によれば、十分な厚さを有するゲルマニウム結晶層により受光感度が高められたゲルマニウム受光器を実現することができる。

【0014】

本発明において、前記トレンチの幅は１μｍ以下であることが好ましい。トレンチの幅が１．０μｍ以下であればトレンチの側壁面からの結晶成長によってトレンチ内へのゲルマニウムの埋め込み時間を短くすることができる。

【0015】

本発明において、前記トレンチの深さは２μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以上であることがさらに好ましい。トレンチの深さが２μｍ以上であればゲルマニウム結晶層の厚さを２μｍ以上にすることができ、これによりゲルマニウム受光器における光吸収率を５０％以上にすることができる。さらに、トレンチの深さが３μｍ以上であればゲルマニウム結晶層の厚さを３μｍ以上にすることができ、これによりゲルマニウム受光器における光吸収率を７０％以上にすることができる。

【0016】

本発明において、前記トレンチの側壁面は、垂直面に対する傾斜角度が１度以上１０度以下の傾斜面であることが好ましい。側壁面１１ａの傾斜角度が０．３度以上１０度以下である場合には、ゲルマニウムの埋め込み時に空洞が発生しにくく、ゲルマニウム結晶層の品質を高めることができる。

【0017】

本発明において、前記シリコン基板の前記主面には複数の前記トレンチが等間隔に設けられていることが好ましい。また、前記トレンチを形成する工程は、前記シリコン基板の前記主面に複数の前記トレンチを等間隔に形成することが好ましい。これにより、単位面積当たりの受光感度が高いだけでなく受光面積が広いゲルマニウム受光器を実現することができる。

【0018】

本発明によるゲルマニウム半導体装置は、前記ゲルマニウム結晶層の上面を覆うシリコン保護膜をさらに備えることが好ましい。これにより、トレンチ内のゲルマニウム結晶層の信頼性を高めると共に、ゲルマニウムの格子歪みを大きくしてバンドギャップエネルギーを下げることができ、光吸収波長の長波長化を図ることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、十分な厚さを有するゲルマニウム結晶層により受光感度が高められたゲルマニウム半導体装置を提供することができる。また本発明によれば、十分な厚さのゲルマニウム結晶層を短時間で成長させることが可能なゲルマニウム半導体装置の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構造を示す図であって、図１（ａ）は略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ－Ｘ線に沿った略断面図である。

【図2】図２は、トレンチの構成を示す略斜視図である。

【図3】図３（ａ）～（ｃ）は、ゲルマニウム半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。

【図4】図４（ａ）及び（ｂ）は、トレンチ内でのゲルマニウムの結晶成長メカニズムを説明するための模式図である。

【図5】図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構成を示す図であって、図５（ａ）は略平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ－Ｘ線に沿った略断面図である。

【図6】図６は、本発明の第３の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構成を示す略断面図である。

【図7】図７（ａ）及び（ｂ）は、比較例及び実施例によるトレンチパターンの説明図であって、図７（ａ）はシリコンウェーハの平面図、図７（ｂ）は比較例によるトレンチパターンの平面図、図７（ｃ）は実施例によるトレンチパターンの平面図である。

【図8】図８（ａ）及び（ｂ）は、トレンチ内へのゲルマニウム結晶層の埋め込み状態を示すＴＥＭ画像であって、図８（ａ）は比較例によるトレンチ内へのゲルマニウム埋め込み状態、図８（ｂ）は実施例によるトレンチ内へのゲルマニウム埋め込み状態をそれぞれ示している。

【図9】図９は、ゲルマニウム半導体装置の評価モデルを示す略断面図であって、（ａ）は比較例、（ｂ）は実施例１、（ｃ）は実施例２をそれぞれ示している。

【図10】図１０は、ゲルマニウム半導体装置の比較例による評価モデルの格子歪み分布を示す図である。

【図11】図１１は、ゲルマニウム半導体装置の実施例１による評価モデルの格子歪み分布を示す図である。

【図12】図１２は、ゲルマニウム半導体装置の実施例２による評価モデルの格子歪み分布を示す図である。

【図13】図１３は、実施例１による評価モデルの格子歪み及び光吸収波長の変化を示すグラフであって、（ａ）はゲルマニウム結晶層の厚さと格子歪みの大きさとの関係、（ｂ）はゲルマニウム結晶層の厚さとバンドギャップエネルギー並びに光吸収波長との関係を示すグラフである。

【図14】図１４は、実施例２による評価モデルの格子歪み及び光吸収波長の変化を示すグラフであって、（ａ）はゲルマニウム結晶層の厚さと格子歪みの大きさとの関係、（ｂ）はゲルマニウム結晶層の厚さとバンドギャップエネルギー並びに光吸収波長との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

【0022】

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構造を示す図であって、図１（ａ）は略平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ－Ｘ線に沿った略断面図である。

【0023】

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ゲルマニウム半導体装置１は、（００１）面又はこれと等価な結晶面を主面１０ａとするシリコン基板１０と、シリコン基板１０の主面１０ａに形成されたトレンチ１１と、トレンチ１１内に埋め込まれたゲルマニウム結晶層２０とを備えている。シリコン基板１０の（００１）面と等価な結晶面は、一般的に｛１００｝面と表記される。

【0024】

シリコン基板１０は例えばｎ型シリコン基板であり、トレンチ１１はシリコン基板１０の［０１０］方向と平行に形成されている。そのため、図２に示すように、トレンチ１１の側壁面１１ａの面方位は（１００）面又は（－１００）面であり、主面１０ａと結晶学的に等価な結晶面を有している。トレンチ１１の底面１１ｂの面方位はシリコン基板１０の主面１０ａと同様に（００１）面である。トレンチ１１はシリコン基板１０の［１００］方向と平行に形成されてもよい。この場合、トレンチ１１の側壁面１１ａの面方位は（０１０）面又は（０－１０）面となり、主面１０ａと結晶学的に等価な結晶面となる。すなわち、［１００］方向と平行なトレンチ１１は、［０１０］方向と平行なトレンチ１１と等価である。

【0025】

トレンチ１１の長さＬはできるだけ長いことが好ましい。これによりゲルマニウム結晶層２０の面積をできるだけ広くしてゲルマニウム受光器の受光面積を稼ぐことができる。

【0026】

トレンチ１１の深さＤは２μｍ以上である。これにより、トレンチ１１内に十分な厚さのゲルマニウム結晶層２０を形成することができ、自由空間を伝搬する光を受光可能な受光感度が高いゲルマニウム受光器を実現することができる。トレンチ１１の深さＤは３μｍ以上であることがさらに好ましい。トレンチ１１の深さＤを２μｍ以上とすることにより波長約１．５５μｍの近赤外光の光吸収率を５０％以上にすることができる。さらに、ゲルマニウム結晶層２０の厚さを３μｍ以上とすることができ、波長約１．５５μｍの近赤外光の光吸収率を７０％以上にすることができる。

【0027】

トレンチ１１の幅Ｗｔは１．０μｍ以下であることが好ましい。トレンチ１１の幅Ｗｔが広すぎるとトレンチ１１内へのゲルマニウム結晶層２０の埋め込みに長時間を必要とするからである。一方、トレンチ１１の幅Ｗｔが狭すぎるとトレンチ１１の形成及びトレンチ１１内へのゲルマニウム結晶層２０の埋め込みが困難となる。そのため、トレンチ１１の幅Ｗｔは０．３μｍ以上であることが好ましい。このように、トレンチ１１の幅Ｗｔが０．３μｍ以上１．０μｍ以下であればトレンチ１１の側壁面１１ａからの結晶成長によってトレンチ１１内へのゲルマニウム結晶層２０の埋め込み時間を短くすることができる。

【0028】

トレンチ１１の側壁面１１ａはわずかに傾斜していることが好ましく、垂直面に対する傾斜面の角度は０．３～１０度であることが好ましい。側壁面１１ａが少し傾斜している場合には、ゲルマニウムの埋め込み時に空洞が発生しにくく、ゲルマニウム結晶層２０の品質を高めることができる。側壁面１１ａの傾斜角度が１０度よりも大きい場合には、（１００）面又は（－１００）面に対する側壁面１１ａの面方位のずれが大きくなり、側壁面１１ａからのゲルマニウムの結晶成長促進効果が小さくなると共に、ゲルマニウムの埋め込み量が不足して十分な厚さのゲルマニウム結晶層２０が得られないからである。また、傾斜角度が０．３度よりも小さい場合には側壁面１１ａを傾斜させることによる効果が得られないからである。

【0029】

ゲルマニウム結晶層２０はシリコン基板１０と逆の導電型を有し、シリコン基板１０との間でｐｎ接合を構成している。例えば、シリコン基板１０がｎ型半導体である場合、ゲルマニウム結晶層２０はｐ型半導体である。この場合において、ゲルマニウム結晶層２０は、ｐ^－ゲルマニウム層及びｐ^＋ゲルマニウム層を順に積層していることが好ましい。シリコン基板１０をｐ型半導体とし、ゲルマニウム結晶層２０をｎ型半導体とすることも可能である。

【0030】

ゲルマニウム結晶層２０がトレンチ１１内に埋め込まれている場合、その底面のみならず側面もシリコンに束縛されるので、ゲルマニウムとシリコンとの熱膨張係数の違いからゲルマニウム結晶層２０には引張歪みが生じる。ゲルマニウム結晶中の格子歪みが大きくなると、ゲルマニウムのバンドギャップエネルギーが小さくなる。その結果、ゲルマニウムの光吸収波長の長波長化を図ることができ、Ｌバンドの波長もカバーする広帯域な受光器を実現できる。

【0031】

図３（ａ）～（ｃ）は、ゲルマニウム半導体装置１の製造方法を説明するための工程図である。

【0032】

図３（ａ）に示すように、ゲルマニウム半導体装置１の製造では、面方位が｛１００｝面であるシリコン基板１０を用意する。シリコン基板１０はバルクシリコンウェーハであってもよく、エピタキシャルシリコンウェーハやＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェーハであってもよい。

【0033】

次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１０の主面１０ａに２μｍ以上の深さを有するトレンチ１１を形成する。トレンチ１１の形成では、シリコン基板１０の主面１０ａにＳｉＯ_２膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりＳｉＯ_２膜をパターニングしてＳｉＯ_２マスク２２を形成する。これにより、シリコン基板１０の主面１０ａのトレンチ形成領域を露出させる。次に、ＳｉＯ_２マスク２２を用いたドライエッチングによりシリコン基板１０の主面１０ａにトレンチ１１を形成する。

【0034】

通常、シリコンウェーハからのシリコン基板（シリコンチップ）の切り出し方向やシリコン基板１０上の配線方向はシリコン基板１０の＜１１０＞方向に設定されることが多い。（００１）面からなるシリコン基板１０の主面１０ａに＜１１０＞方向と平行なトレンチ１１を形成した場合、トレンチ１１の側壁面１１ａの面方位は（１－１０）面又は（－１１０）面となり、主面１０ａと等価な結晶面とはならない。しかし、本実施形態においては＜１１０＞方向から４５度傾けた＜０１０＞方向と平行にトレンチ１１を形成するので、トレンチ１１の側壁面１１ａの面方位を（１００）面又は（－１００）面とすることができ、主面１０ａと等価な結晶面を形成することができる。

【0035】

次に、図３（ｃ）に示すように、ＳｉＯ_２マスク２２の開口から露出するトレンチ１１の内部にゲルマニウム結晶層２０を形成する。ゲルマニウム結晶層２０は結晶成長中の炉内圧を１００Ｐａ以下の低圧とするＵＨＶＣＶＤ法（Ultra-High Vacuum CVD）により形成することが好ましい。このとき、ゲルマニウム結晶層２０はトレンチ１１内にのみ堆積し、ＳｉＯ_２マスク２２の上面には堆積しないので、ゲルマニウム結晶層２０をトレンチ１１内で選択成長させることができる。

【0036】

その後、シリコン基板１０及びゲルマニウム結晶層２０にそれぞれ接続された一対の電極パターン（不図示）を形成することにより、トレンチ埋め込み型のゲルマニウム半導体装置１が完成する。

【0037】

図４（ａ）及び（ｂ）は、トレンチ１１内でのゲルマニウムの結晶成長メカニズムを説明するための模式図である。

【0038】

トレンチ１１を例えばシリコン基板１０の［１１０］方向に沿って形成する場合、シリコン基板１０の主面１０ａである（００１）面に垂直なトレンチ１１の側壁面１１ａの面方位は（１－１０）面又は（－１１０）面となる。この場合、図４（ａ）に示すように、側壁面１１ａからのゲルマニウム結晶成長が抑制され、主に底面１１ｂからのゲルマニウム結晶成長となる。そのため、トレンチ１１内をゲルマニウム結晶層２０で埋めるためには長時間を要する。通常、シリコン基板の（００１）面上へのゲルマニウム結晶成長速度の典型値は１０ｎｍ／ｍｉｎ程度であり、また成長初期には成長速度が遅い低温バッファ層を形成する必要があるため、３μｍ以上のゲルマニウム結晶層を形成するには１０時間近い成長時間が必要である。

【0039】

一方、トレンチ１１をシリコン基板１０の［１１０］方向から４５度傾けた［０１０］方向に沿って形成する場合、シリコン基板１０の主面１０ａである（００１）面に垂直なトレンチ１１の側壁面１１ａの面方位は（１００）面又は（－１００）面となる（図２参照）。ここで、原料ガス分子がトレンチ１１の底部まで行き渡るように、原料ガスが分子流として供給される圧力条件下で化学気相成長を行う。トレンチ１１の深さＤよりも原料ガスの平均自由工程が大きく、トレンチ内部の底面や側壁面に原料ガスを供給できる。図４（ｂ）に示すように、トレンチ１１の側壁面１１ａからも底面１１ｂと同様の成長速度で結晶成長が起こる。トレンチ１１の幅Ｗを例えば１μｍとすると、トレンチ１１の深さＤに関係なく、ゲルマニウム結晶層２０がトレンチ１１の両方の側壁面１１ａから０．５μｍ成長することでトレンチ１１の内部の埋め込みが完了する。

【0040】

以上説明したように、本実施形態によるゲルマニウム半導体装置１の製造方法は、｛１００｝面からなるシリコン基板１０の主面１０ａに＜０１０＞方向と平行なトレンチ１１を形成し、トレンチ１１内にゲルマニウム結晶層２０を化学気相成長法により形成するので、トレンチ１１の底面１１ｂのみならず側壁面１１ａからもゲルマニウムの結晶成長を促進させることができ、２μｍ以上の厚いゲルマニウム結晶層２０を短時間で形成することができる。

【0041】

図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構成を示す図であって、図５（ａ）は略平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ－Ｘ線に沿った略断面図である。

【0042】

図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、このゲルマニウム半導体装置１は、シリコン基板１０上に複数のトレンチ１１を所定のピッチで等間隔に配列し、各トレンチ１１内にゲルマニウム結晶層２０を埋め込んだものである。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

【0043】

ゲルマニウム受光器の受光効率を高めるためにはゲルマニウム結晶層２０の面積をできるだけ大きくすることが望ましい。しかし上記のように、シリコン基板１０の主面１０ａの全面にゲルマニウム結晶層２０を形成しようとすると、縦方向の結晶成長のみとなるため、２μｍ以上の十分な厚さのゲルマニウム結晶層の形成に時間がかかるという問題がある。

【0044】

これに対し、本実施形態においては、各トレンチ１１の底面１１ｂからの縦方向の結晶成長のみならず側壁面１１ａからの横方向の結晶成長により、十分な厚さのゲルマニウム結晶層２０を短時間で形成することができる。隣接する２本のトレンチ１１、１１間のシリコン領域はゲルマニウム結晶層２０を設けることができないデッドスペースとなるが、シリコン領域に到達した光はシリコンよりも屈折率が高いゲルマニウム結晶層２０に吸い寄せられるので、シリコン領域が多少存在しても特に問題はない。ゲルマニウム結晶層２０の光吸収率はその面積に比例して増加するが、その厚さに対しては指数関数的に増加する。すなわち、ゲルマニウム結晶層２０の面積よりも厚さを厚くした方が光の吸収効率は劇的に大きくなるため、ゲルマニウム結晶層２０の厚さの増加はゲルマニウム受光器の受光感度を高める上で非常に有効である。

【0045】

以上説明したように、本実施形態によれば、ゲルマニウム結晶層２０の厚さと面積の両方を確保することができ、ゲルマニウム受光器の受光感度をさらに高めることができる。

【0046】

図６は、本発明の第３の実施の形態によるゲルマニウム半導体装置の構成を示す略断面図である。

【0047】

図６に示すように、このゲルマニウム半導体装置１の特徴は、トレンチ１１内に埋め込まれたゲルマニウム結晶層２０の上面を含むシリコン基板１０の上面全体がシリコン保護膜１２（Ｓｉキャップ）に覆われている点にある。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。ゲルマニウム結晶層２０の上面がシリコン保護膜１２に覆われている場合、ゲルマニウム結晶層２０の底面及び側面のみならず上面もシリコンに束縛されるので、ゲルマニウム結晶層２０中にシリコンとの熱膨張係数差によって生じる引張歪みを大きくすることができる。ゲルマニウム結晶中の引張歪みが大きくなるとゲルマニウムのバンドギャップエネルギーが下がるので、ゲルマニウムの光吸収波長の長波長化を図ることができる。

【0048】

光吸収波長の長波長化を図るためにはゲルマニウム結晶層２０の格子歪みをできるだけ大きくしたほうがよく、そのためにはゲルマニウム結晶層２０の断面アスペクト比をできるだけ１に近づけることが望ましい。しかし、断面アスペクト比を１に近づけるとゲルマニウム結晶層２０の厚さ（≒トレンチ深さＤ）が薄くなり、受光感度が低下する。そのため、Ｇｅ受光器の設計では受光感度を優先しながらも両者のバランスを取ることが必要とされる。

【0049】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

【0050】

例えば、上記実施形態においては、受光感度が高いゲルマニウム受光器の製造に好適なゲルマニウム半導体装置及びその製造方法を例に挙げたが、本発明はこのような用途に限定されるものではなく、ゲルマニウム結晶層を厚く形成する必要がある種々のゲルマニウム半導体装置及びその製造方法に適用することができる。

【実施例】

【0051】

＜トレンチ埋め込みＧｅの結晶成長の評価＞
面方位が｛１００｝面、オリエンテーションフラットが＜１１０＞方向である４インチのシリコンウェーハ１０Ｗ（図７（ａ）参照）を用意し、その主面に同一パターンを有する２５個のシリコンチップ１０Ｃを形成した。各シリコンチップ１０Ｃには、＜－１１０＞方向に伸びる比較例によるトレンチパターン（図７（ｂ）参照）の形成領域Ｅ１と、＜１１０＞方向から４５度傾いた＜０１０＞方向に伸びる実施例によるトレンチパターン（図７（ｃ）参照）の形成領域Ｅ２を設けた。すなわち、比較例によるトレンチパターンと実施例によるトレンチパターンの両方を同じシリコンウェーハ１０Ｗ上に同時に形成した。これらのトレンチパターンはフォトリソグラフィ及びＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により形成した。

【0052】

比較例によるトレンチパターンは、＜－１１０＞方向に伸びる５本のトレンチ１１を２０μｍ間隔で配置したものであり、トレンチ１１の長さＬは１０ｍｍ、トレンチ１１の幅Ｗｔは０．６μｍ、トレンチ１１の深さＤは１～２μｍ、隣接トレンチ１１，１１間のスペース幅Ｗｓは２０μｍとした。

【0053】

実施例によるトレンチパターンは、＜０１０＞方向に伸びる５本のトレンチ１１を２０μｍ間隔で配置した点以外は比較例と同様とした。

【0054】

次に、トレンチ１１内へのゲルマニウムの埋め込みを行った。ゲルマニウムはＧｅＨ_４を原料ガスとする超高真空化学気相成長法（ＵＨＶＣＶＤ法）により形成し、成長炉内の圧力は１０Ｐａ以下の分子流領域を用いた。具体的には、｛１００｝面に厚さが０．５μｍのゲルマニウム結晶層が得られる成長条件を設定した。

【0055】

トレンチ１１内へのゲルマニウム結晶層の埋め込みが完了した後、シリコンウェーハ１０ＷのＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工を行った。ＦＩＢ加工では、ゲルマニウムの埋め込み層が形成されたシリコンウェーハ１０Ｗの主面にＰｔ保護膜を予めスパッタリングにより形成した後、トレンチ１１の延在方向と直交する方向（図６（ｂ）及び（ｃ）における一点鎖線Ｃの方向）にシリコンウェーハ１０Ｗを切断した。その後、ゲルマニウム結晶層の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）により観察した。

【0056】

図８（ａ）及び（ｂ）は、トレンチ内へのゲルマニウム結晶層の埋め込み状態を示すＴＥＭ画像であって、図８（ａ）は比較例によるトレンチ内へのゲルマニウム埋め込み状態、図８（ｂ）は実施例によるトレンチ内へのゲルマニウム埋め込み状態をそれぞれ示している。

【0057】

図８（ａ）に示すように、＜－１１０＞方向に形成された比較例によるトレンチパターンでは、底面から高さＴが約０．５μｍまでの深さ領域にゲルマニウムを埋め込むことができたが、トレンチ内部をゲルマニウムで十分に満たすことはできなかった。そのため、ゲルマニウムの上方にはＰｔ保護膜に囲まれた空洞が発生した。このゲルマニウムの不完全な埋め込み状態は２５個のシリコンチップのすべてのトレンチで同様の結果となった。これは、トレンチの側壁面からのゲルマニウムの結晶成長が抑制されたためと考えられる。トレンチの側壁面が垂直でない場合、成長初期には底面のみならず側壁面からも結晶成長が起こるが、側壁面がほぼ垂直となり、成長速度の遅い｛１１０｝面が現れたところで結晶成長が止まるため、トレンチの内部に十分な量のゲルマニウムを埋め込むことはできなかった。

【0058】

一方、図８（ｂ）に示すように、＜０１０＞方向に形成された実施例によるトレンチパターンでは、底面から高さＴが約０．９μｍまでの深さ領域にゲルマニウムを埋め込むことができた。このゲルマニウムの十分な埋め込み状態は２５個のシリコンチップのすべてのトレンチで同様の結果となった。これは、側壁面からのゲルマニウムの結晶成長が底面と同様に起こったためと考えられる。

【0059】

＜Ｇｅ結晶中の歪みが光吸収波長に与える影響の考察＞
Ｇｅ結晶中の歪みがＧｅの光吸収波長に与える影響をシミュレーションにより評価した。

【0060】

＜比較例：Ｇｅ膜構造＞
Ｓｉ基板の上面全体に形成された厚さ１μｍのＧｅ膜（従来構造）の格子歪み及びバンドギャップエネルギーをシミュレーションにより評価した。図９（ａ）に示すように、Ｓｉ基板の厚さは０．６２５ｍｍとし、幅１ｍｍ幅、奥行１ｍｍの領域を仮定した。また、Ｇｅの熱膨張係数は５．９×１０^－６［１／Ｋ］、Ｓｉの熱膨張係数は２．６×１０^－６［１／Ｋ］とした。

【0061】

次に、この比較例の評価モデルの温度を６００℃から２５℃まで下げたときのＧｅに生じる歪みのＸ、Ｙ、Ｚ方向の大きさε_ｘｘ、ε_ｙｙ、ε_ｚｚを計算により求めた。その結果を図１０に示す。また、計算結果をまとめたものを表１に示す。表１において、ε_{ｔｏｔａｌ}は３方向の歪みの大きさε_ｘｘ、ε_ｙｙ、ε_ｚｚを合算した値であって、Ｇｅの体積変化率と等価である。

【0062】

【表1】

【0063】

図１０及び表１に示すように、Ｇｅ膜の場合、Ｘ方向及びＹ方向の歪みの大きさは同じであり、０．１８８％の引張歪みが誘起された。一方、Ｚ方向の歪みの大きさは－０．１４１９％となった。これは、膜厚方向には力が働いていないが、格子自体が面内で横方向に引っ張られることにより、Ｇｅの膜厚方向には圧縮歪みが誘起される結果となった。３方向の歪みの総和ε_{ｔｏｔａｌ}＝ε_ｘｘ＋ε_ｙｙ＋ε_ｚｚは０．２３５７％となった。

【0064】

得られた格子歪みからＧｅのエネルギーバンド構造のガンマ点におけるバンドギャップエネルギーＥｇを以下の一次近似式より求めた。

【数1】

【0065】

その結果、ＧｅのバンドギャップエネルギーＥｇは０．７８０９ｅＶとなり、吸収端波長は１５８８ｎｍとなった。

【0066】

また表１において、Ｅｇ^C-HHはＧｅのガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギー、Ｅｇ^C-LHはＧｅのガンマ点における伝導帯?軽い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーの計算結果をそれぞれ示している。Ｅｇ^C-HH及びＥｇ^C-LHは、一次近似式で無視された重い正孔と軽い正孔による価電子帯上端の分離を考慮したバンドギャップエネルギーであり、近似精度が高い。以下の式より求めることができる。

【数2】

【0067】

上記計算の結果、Ｅｇ^C-HHは０．７８７１ｅＶとなり、吸収端波長は１５７５ｎｍとなった。Ｅｇ^C-LHは０．７７４６ｅＶとなり、吸収端波長は１６０１ｎｍとなった。

【0068】

＜実施例１：Ｇｅ埋め込み細線構造／Ｓｉキャップ無し＞
実施例１の評価モデルは、厚さ０．６２５ｍｍのＳｉ基板の上面にトレンチを形成し、トレンチ内にＧｅを埋め込む構造とした（図９（ｂ）参照）。また、幅１ｍｍ幅、奥行１ｍｍの領域を仮定した。トレンチの幅は１μｍ、長さ（奥行）は１ｍｍとし、トレンチの深さは１、２、３、４、５μｍの５通りとした。この評価モデルでは、Ｇｅの側面及び底面はＳｉに束縛されているが、Ｇｅの上面をＳｉキャップで覆わずに開放状態としている。

【0069】

次に、実施例１の評価モデルの温度を６００℃から２５℃まで下げたときのＧｅに生じる歪みのＸ、Ｙ、Ｚ方向の大きさε_ｘｘ、ε_ｙｙ、ε_ｚｚを計算により求めた。その結果を図１１及び図１３（ａ）及び（ｂ）に示す。また、計算結果をまとめたものを表２に示す。

【0070】

【表2】

【0071】

Ｇｅ埋め込み細線構造の場合、Ｙ方向の歪みε_ｙｙはＧｅ膜と比較して変化しなかった。Ｘ方向の歪みε_ｘｘはＧｅ膜と比較して小さくなり、トレンチの深さ（Ｇｅ膜厚）が大きくなるほど圧縮歪みが強くなった。一方、Ｇｅ膜では圧縮であったＺ方向の歪みε_ｚｚが増加し、２μｍ以上のトレンチの深さ（Ｇｅ膜厚）では引張歪みとなる。３方向の歪みの総和ε_{ｔｏｔａｌ}は、トレンチ深さ（Ｇｅ膜厚）が１μｍ（つまり断面アスペクト比が１）のときに最小となり、Ｇｅ膜厚と共に増加してＧｅ膜の場合と同様の値となることが分かった。

【0072】

Ｇｅ膜厚が１μｍ（最小値）のとき、ガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-HHは０．７９０３ｅＶとなり、吸収端波長は１５６９ｎｍとなった。また、Ｇｅのガンマ点における伝導帯?軽い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-LHは０．７８１８ｅＶとなり、吸収端波長は１５８６ｎｍとなった。Ｇｅ膜と比較してバンドギャップエネルギーは大きく、吸収端波長は小さくなる。

【0073】

一方、Ｇｅ膜厚が５μｍ（最大値）のとき、ガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-HHは０．７８６０ｅＶとなり、吸収端波長は１５７８ｎｍとなった。また、ガンマ点における伝導帯?軽い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-LHは０．７７６２ｅＶとなり、吸収端波長は１５９７ｎｍとなった。Ｇｅ膜と同様なバンドギャップエネルギー及び吸収端波長となる。

【0074】

＜実施例２：Ｇｅ埋め込み細線構造／Ｓｉキャップ有り＞
実施例２の評価モデルは、厚さ０．６２３ｍｍのＳｉ基板の上面にトレンチを形成し、トレンチ内にＧｅを埋め込み、さらにＳｉ基板の上面全体を厚さ２μｍのＳｉ膜で覆った構造とした（図９（ｃ）参照）。また、幅１ｍｍ幅、奥行１ｍｍの領域を仮定した。トレンチの幅は１μｍ、長さ（奥行）が１ｍｍとし、トレンチの深さは１、２、３、４、５μｍの５通りとした。この評価モデルでは、Ｇｅの側面及び底面のみならず上面のＳｉに束縛された状態となっている。

【0075】

次に、実施例２の評価モデルの温度を６００℃から２５℃まで下げたときのＧｅに生じる歪みのＸ、Ｙ、Ｚ方向の大きさε_ｘｘ、ε_ｙｙ、ε_ｚｚを計算により求めた。その結果を図１２及び図１４（ａ）及び（ｂ）に示す。また、計算結果をまとめたものを表３に示す。

【0076】

【表3】

【0077】

Ｇｅ埋め込み細線の全周がＳｉに覆われている場合、Ｚ方向の歪みε_ｘｘがさらに大きくなった。３方向の歪みの総和ε_{ｔｏｔａｌ}はトレンチ深さ（Ｇｅ膜厚）が１μｍ（つまり断面アスペクト比が１）のときに最大となる。Ｇｅ膜厚の増加により低下するものの、Ｇｅ膜の場合よりも大きな値となる。

【0078】

Ｇｅ膜厚が１μｍ（最小値）のとき、Ｇｅのガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-HHは０．７７８９ｅＶとなり、吸収端波長は１５９２ｎｍとなった。Ｇｅ膜の場合の吸収端波長１５７５ｎｍに比べて約２０ｎｍ大きくなっている。Ｇｅのガンマ点における伝導帯?軽い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-LHは０．７７３６ｅＶとなり、吸収端波長は１６０３ｎｍとなった。Ｅｇ^C-LHはＧｅ膜の場合と同様であり、吸収端波長もほとんど変わらないが、軽い正孔に比べて重い正孔は状態密度が大きく、光吸収係数に大きく寄与する。Ｅｇ^C-HHが減少したエネルギー（波長）域で光吸収係数が増大するため受光特性が向上する効果がある。

【0079】

一方、Ｇｅ膜厚が５μｍ（最大値）のとき、Ｇｅのガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-HHは０．７８４６ｅＶとなり、吸収端波長は１５８０ｎｍとなった。また、Ｇｅのガンマ点における伝導帯?重い正孔価電子帯間のバンドギャップエネルギーＥｇ^C-LHは０．７７４２ｅＶとなり、吸収端波長は１６０２ｎｍとなった。Ｇｅ膜の場合よりもＥｇ^C-HHが減少しており、光吸収係数が増大するため受光特性が向上する効果がある。

【符号の説明】

【0080】

１ ゲルマニウム半導体装置
１０ シリコン基板
１０Ｃ シリコンチップ
１０Ｗ シリコンウェーハ
１０ａ シリコン基板の主面
１１ トレンチ
１１ａ トレンチの側壁面
１１ｂ トレンチの底面
１２ シリコン保護膜
２０ ゲルマニウム結晶層
２２ ＳｉＯ_２マスク
Ｄ トレンチパターンの深さ
Ｅ１，Ｅ２ トレンチパターンの形成領域
Ｌ トレンチパターンの長さ
Ｗｓ トレンチパターンの間隔
Ｗｔ トレンチパターンの幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】