对锗层进行热处理的半导体基板的制造方法及半导体装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体基板的制造方法及半导体装置的制造方法，涉及对锗层进行热处理的半导体基板的制造方法及半导体装置的制造方法。
【背景技术】
[0002]锗(Ge)是与硅(Si)相比具有优异的电子物性的半导体。例如，正在开发使用锗的MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。例如，在MOSFET中，重要的是提高锗层中的载流子的迀移率。
[0003]现有技术文献
[0004]非专利文献
[0005]非专利文献1:Extended Abstract of the 2011 Internat1nal Conference onSolid State Devices and Materials，Nagoya，2011，pp925_926
【发明内容】
[0006]发明要解决的问题
[0007]在单晶锗基板中，根据基板的种类而迀移率大不相同。若锗基板的迀移率低，则在MOSFET等半导体装置中不能得到高的性能。需要使锗层的迀移率提高，而提高半导体装置的性能。
[0008]本发明鉴于上述课题而完成，目的在于提供高性能的半导体装置。
[0009]用于解决问题的手段
[0010]本发明为一种半导体基板的制造方法，其特征在于，包括在还原性气体气氛中，在700°C以上对具有I X 116Cnf3以上的氧浓度的锗层进行热处理的工序。
[0011 ]本发明为一种半导体基板的制造方法，其特征在于，包括在还原性气体气氛中，对具有I X 116Cnf3以上的氧浓度的锗层进行热处理以使所述氧浓度减小的工序。
[0012]上述构成中，可以设为如下构成:进行上述热处理的工序是在800°C以上进行热处理的工序。
[0013]上述构成中，可以设为如下构成:通过上述热处理，上述锗层所具有的氧浓度变得低于 lX1016cm—3。
[0014]上述构成中，可以设为如下构成:上述锗层的(111)面为主面。
[0015]上述构成中，可以设为如下构成:上述还原性气体气氛为氢气气氛。
[0016]上述构成中，可以设为如下构成:上述锗层为单晶锗基板。
[0017]本发明为一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括在通过上述半导体基板的制造方法制造的半导体基板上形成半导体装置的工序。
[0018]上述构成中，形成上述半导体装置的工序包括在经上述热处理的上述锗层的表面形成栅极绝缘膜的工序;和在上述栅极绝缘膜上形成栅极电极的工序。
[0019]发明效果
[0020]根据本发明，可以提供一种高性能的半导体装置。
【附图说明】
[0021]图1(a)至图1(d)是表示实验中使用的MOS结构的制作方法的截面图。
[0022 ]图2是表示(111)基板A的迀移率yef f相对于面电子密度Ns的的图。
[0023]图3(a)至图3(c)是(111)基板A的氢热处理后的基板表面的AFM图像。
[0024]图4(a)至图4(f)是表示(111)基板A的氢热处理后的AFM观察结果的图。
[0025]图5是表示晶体取向不同的基板A的Ιμπι□的RMS相对于氢热处理中的热处理温度的图。
[0026]图6(a)至图6(e)是表示(111)基板A的热处理后的基板A表面的AFM观察结果的图。
[0027]图7是表示(111)基板B的氧浓度相对于深度的图。
[0028]图8是表示(111)基板B的迀移率f相对于面电子密度Ns的的图。
[0029]图9是表示向(111)基板A离子注入氧离子的样品的迀移率Kff相对于面电子密度
Ns的图。
[0030]图10是表示向(111)基板A离子注入氧离子的样品的氧浓度相对于距离表面的深度的图。
[0031]图11是表示基板B的迀移率相对于面电子密度Ns的示意图。
[0032]图12(a)至图12(e)是表示实施例1涉及的半导体装置的制造方法的截面图。
[0033]图13是表示(111)基板B的氧浓度相对于深度的图。
【具体实施方式】
[0034]若使用单晶锗基板制作MOS结构，测定迀移率，则根据基板的种类而迀移率不同。作为一例，根据使基板成长的成长装置、成长条件和材料等而迀移率不同。然而，是成长方法自身的问题、还是其它问题是不明确的。另外，在基板上形成的锗层中迀移率也不同。像这样根据基板或层的种类而迀移率不同的原因是不明确的。因此，难以使迀移率提高。
[0035]为了调查根据基板或层的种类而迀移率不同的理由，作为迀移率不同的单晶锗基板，准备成长方法不同的基板A和基板B。基板B比基板A的迀移率低。使用基板A和基板B制作MOS结构，进行以下实验。
[0036]图1(a)至图1 (d)是表示实验中使用的MOS结构的制作方法的截面图。如图1 (a)所示，准备P型单晶锗基板10。使用基板A或基板B作为单晶锗基板。以下，将以(111)面为主面的基板A称为(111)基板A，将以(111)面为主面的基板B称为(111)基板B。锗基板10的受体浓度 Na为 2X 1015cm—3。
[0037]如图1(b)所示，在氢(H2)气气氛(100%氢气气氛)、1气压下，进行热处理。以下，也将氢气气氛中的热处理称为氢热处理。如图1(c)所示，在锗基板10上形成氧化锗膜12。氧化锗膜12的形成通过在氧气气氛中对锗基板10进行热处理来进行。氧化锗膜12的形成条件是:氧压力为70气压、基板温度为500°C。氧化锗膜12的膜厚为5nm至6nm左右。如图1(d)所示，在氧化锗膜12的表面形成金(Au)膜作为金属膜14。金属膜14被用作栅极电极。
[0038]使用(111)基板A，制作栅极长为ΙΟΟμπι、栅极宽为25μπι的MOS结构。利用分割CV法，求出室温下的载流子数和迀移率μ#。分割CV法是由CV测定的积分导出载流子数，由载流子数和1-V测定求出迀移率的方法。由载流子数求出面电子密度Ns。
[0039]图2是表示(111)基板A的迀移率yeff相对于面电子密度Ns的图。通过对栅极电极施加栅极电压，使面电子密度Ns发生变化，测定迀移率Kff。将图1(b)中的氢热处理的温度设为500°C，将时间设为I分钟、5分钟和15分钟。基准样品是未进行图1(b)的氢热处理的样品，氧化锗膜的膜厚为15nm，提高了氧化锗膜的成膜温度。基准样品中，面电子密度为4 X111Cnf2时，迀移率约为1200cm2/Vs而成为最大。面电子密度在迀移率小于峰值的区域时，迀移率相对于热处理时间基本不变。面电子密度在迀移率大于峰值的区域时，热处理时间越长则迀移率越高。面电子密度越高，基于热处理时间的迀移率之差越大。
[0040]图1(b)之后，利用AFM(Atomic Force Microcopy)法观察基板A的锗基板10表面。图3(a)至图3(c)是(111)基板A的氢热处理后的基板表面的AFM图像。图3(a)至图3(c)分别为图1(b)中的氢热处理的温度为500°C、时间为I分钟、5分钟和15分钟的锗基板10的AFM图像。AFM图像相当于Ιμπι X Ιμπι(ΙμηιΙΖΙ)的范围。如图3 (a)所示，热处理时间为I分钟时，在锗基板10表面没有观察到台阶和平台(step and terrace)结构。如图3(b)所示，热处理时间为5分钟时，在锗基板10表面观察到小的台阶和平台结构。如图3(c)所示，热处理时间为15分钟时，在锗基板10表面观察到台阶和平台结构。像这样，若热处理时间变长，则观察到台阶和平台结构。观察到台阶和平台结构的表面意味着平坦性高。
[0041 ] 对图2与图3(a)至图3(c)进行比较。热处理时间为500 °C时，若热处理时间变长，则在面电子密度高的区域迀移率变高。认为这是因为若热处理时间变长，则锗基板10与氧化锗膜12的界面的平坦性变好。
[0042]因此，对于(111)基板A，对基于热处理的锗基板10表面的平坦化进行实验。
[0043]图4(a)至图4 (f)是表示(111)基板A的氢热处理后的基板A表面的AFM观察结果的图。图4(a)至图4(c)分别是在500°C、650°C和850°C进行氢热处理后的(111)基板A的表面的AFM观察图像。热处理时间为15分钟。图像的范围为Ιμπι□。图4(d)至图4(f)分别是表示图4(a)至图4(c)的一部分区域的基板膜厚方向相对于基板的面方向的表面的图，是相当于截面的图。
[0044]如图4(a)至图4(c)所示，在热处理温度为500°C至850°C的情况下，观察到台阶和平台结构。如图4(d)至图4(f)所示，台阶的高度约为0.3nm或约0.3nm的2倍的台阶。锗呈金刚石结构，其晶格常数为0.567nm。在(111)面，以构成金刚石结构的正四面体键合结构为单位的原子一层的厚度为0.567 X 3—V2nm，约为0.33nm。需要说明的是，该厚度在Ge原子彼此的键的意义上相当于2个键。因此，如图4(d)至图4(f)，台阶的高度基本对应于I原子层。像这样，在(I 11)基板A，在氢热处理的温度为500 0C至850 V的情况下，在锗基板10的表面形成有台阶和平台结构。
[0045]图5是表示晶体取向不同的基板A的Ιμπι□的RMS(Root Mean Square:均方根)相对于氢热处理的温度的图。热处理时间为15分钟。点为测定点，线为近似线。需要说明的是，氢热处理前的基板的RMS为0.3nm左右。(1