JP7634848B2 - Method for manufacturing germanium semiconductor device and germanium semiconductor device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a method for manufacturing a germanium semiconductor device and a germanium semiconductor device.
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。 In recent years, the development of optoelectronic integration technology using silicon photonics has progressed. The basic optical components of silicon photonics are silicon (Si)-based optical waveguides and germanium (Ge) photodetectors, and compact optical modules that monolithically integrate these on the same substrate (see Patent Document 1) are expected to be applied to communication systems.
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。 Regarding germanium semiconductor technology, Patent Document 2 describes a stress-enhanced MOS transistor and its manufacturing method. This manufacturing method includes the steps of forming a trench on a silicon substrate near a channel region, epitaxially growing a first SiGe layer to fill a portion of the trench, and epitaxially growing a second SiGe layer having a lower germanium concentration than the first SiGe layer to completely fill the trench. The silicon substrate has a (100) crystal plane orientation, the channel region is oriented in the [110] direction, and the side of the trench has a (011) crystal plane orientation. In the step of epitaxially growing the first SiGe layer, the growth conditions are adjusted so that the growth rate on the (011) crystal plane is higher than that on the (100) crystal plane. In this way, by initially increasing the germanium content of the SiGe layer and then decreasing it, it is possible to suppress a decrease in contact resistance while ensuring compressive stress in the longitudinal direction of the transistor channel.
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。 Although not related to germanium semiconductor technology, Patent Document 3 describes the formation of a p-type epitaxial layer in a number of first trenches formed in the surface layer of an n-type silicon substrate. The n-type silicon substrate has a (100) plane or a plane equivalent thereto as its surface, the multiple first trenches extend in the <001> direction of the n-type silicon substrate, and the side surfaces of the first trenches form a (010) plane and a (0-10) plane. As a result, voids are unlikely to remain when a pn junction is formed by embedding and growing an epitaxial layer in the trench, making it possible to create a structure with a low interface state density.
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。 In order for a germanium receiver that receives near-infrared light to receive light that propagates through free space rather than light that propagates through an optical waveguide, high light-receiving sensitivity is required, which requires a germanium crystal layer that is sufficiently thick, on the order of several microns. However, when forming a germanium crystal layer of sufficient thickness on a silicon substrate, there is a problem in that it takes a long time for the crystal to grow, resulting in poor manufacturing efficiency.
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a germanium semiconductor device that can grow a germanium crystal layer of sufficient thickness in a short period of time. Another object of the present invention is to provide a germanium semiconductor device that has a germanium crystal layer of sufficient thickness, thereby enabling the light receiving sensitivity of the photoreceiver to be increased.
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。 In order to solve the above problems, the method for manufacturing a germanium semiconductor device according to the present invention comprises the steps of forming a trench parallel to the <010> direction in the main surface of a silicon substrate having a {100} surface orientation, and embedding germanium in the trench by chemical vapor deposition, the chemical vapor deposition being performed under pressure conditions in which a source gas is supplied as a molecular flow.
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。 According to the present invention, it is possible to promote the crystal growth of germanium not only from the bottom surface of the trench but also from the sidewall surface. Therefore, a germanium crystal layer with sufficient thickness can be formed in a short time.
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。 In the present invention, the pressure condition is preferably 100 Pa or less. This can promote germanium crystal growth not only from the bottom surface of the trench but also from the sidewall surface, shortening the time required to fill the trench with germanium.
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。 The method for manufacturing a germanium semiconductor device according to the present invention preferably further comprises a step of forming a silicon protective film that covers the upper surface of the germanium embedded in the trench. This increases the reliability of the germanium embedded in the trench, while increasing the lattice distortion of the germanium to lower the band gap energy and lengthen the light absorption wavelength.
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。 The germanium semiconductor device according to the present invention is characterized in that it comprises a silicon substrate having a {100} surface orientation and a trench formed in its main surface, and a germanium crystal layer embedded in the trench, the trench being formed parallel to the <010> direction.
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。 The present invention makes it possible to realize a germanium receiver with enhanced light receiving sensitivity by using a germanium crystal layer with sufficient thickness.
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。 In the present invention, the width of the trench is preferably 1 μm or less. If the width of the trench is 1.0 μm or less, the time required to fill the trench with germanium can be shortened by crystal growth from the sidewall surface of the trench.
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。 In the present invention, the depth of the trench is preferably 2 μm or more, and more preferably 3 μm or more. If the depth of the trench is 2 μm or more, the thickness of the germanium crystal layer can be made 2 μm or more, thereby enabling the light absorption rate in the germanium receiver to be 50% or more. Furthermore, if the depth of the trench is 3 μm or more, the thickness of the germanium crystal layer can be made 3 μm or more, thereby enabling the light absorption rate in the germanium receiver to be 70% or more.
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。 In the present invention, it is preferable that the sidewall surface of the trench is an inclined surface with an inclination angle of 1 degree or more and 10 degrees or less with respect to the vertical surface. If the inclination angle of the sidewall surface 11a is 0.3 degrees or more and 10 degrees or less, cavities are less likely to occur when germanium is embedded, and the quality of the germanium crystal layer can be improved.
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。 In the present invention, it is preferable that a plurality of the trenches are provided at equal intervals on the main surface of the silicon substrate. Also, it is preferable that the step of forming the trenches includes forming a plurality of the trenches at equal intervals on the main surface of the silicon substrate. This makes it possible to realize a germanium photoreceiver that not only has high light receiving sensitivity per unit area but also has a large light receiving area.
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。 The germanium semiconductor device according to the present invention preferably further comprises a silicon protective film covering the upper surface of the germanium crystal layer. This increases the reliability of the germanium crystal layer in the trench, while increasing the lattice distortion of the germanium to lower the band gap energy and lengthen the light absorption wavelength.
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。 According to the present invention, it is possible to provide a germanium semiconductor device in which the light receiving sensitivity is enhanced by a germanium crystal layer having a sufficient thickness. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a manufacturing method for a germanium semiconductor device that is capable of growing a germanium crystal layer of sufficient thickness in a short period of time.
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。 The following describes in detail a preferred embodiment of the present invention with reference to the attached drawings.
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。 Figures 1(a) and (b) show the structure of a germanium semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, where Figure 1(a) is a schematic plan view and Figure 1(b) is a schematic cross-sectional view taken along line X-X in Figure 1(a).
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。 As shown in Figures 1(a) and (b), the germanium semiconductor device 1 includes a silicon substrate 10 having a main surface 10a that is a (001) plane or a crystal plane equivalent thereto, a trench 11 formed in the main surface 10a of the silicon substrate 10, and a germanium crystal layer 20 embedded in the trench 11. The crystal plane equivalent to the (001) plane of the silicon substrate 10 is generally referred to as a {100} plane.
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。 The silicon substrate 10 is, for example, an n-type silicon substrate, and the trench 11 is formed parallel to the [010] direction of the silicon substrate 10. Therefore, as shown in FIG. 2, the surface orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 is the (100) or (-100) surface, and has a crystallographically equivalent crystal surface to the main surface 10a. The surface orientation of the bottom surface 11b of the trench 11 is the (001) surface, similar to the main surface 10a of the silicon substrate 10. The trench 11 may be formed parallel to the [100] direction of the silicon substrate 10. In this case, the surface orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 is the (010) or (0-10) surface, which is a crystallographically equivalent crystal surface to the main surface 10a. In other words, the trench 11 parallel to the [100] direction is equivalent to the trench 11 parallel to the [010] direction.
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。 It is preferable that the length L of the trench 11 is as long as possible. This makes it possible to maximize the area of the germanium crystal layer 20 and increase the light receiving area of the germanium receiver.
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。 The depth D of the trench 11 is 2 μm or more. This allows a germanium crystal layer 20 of sufficient thickness to be formed in the trench 11, and a germanium receiver with high light receiving sensitivity capable of receiving light propagating through free space can be realized. It is more preferable that the depth D of the trench 11 is 3 μm or more. By making the depth D of the trench 11 2 μm or more, the optical absorptance of near-infrared light with a wavelength of approximately 1.55 μm can be increased to 50% or more. Furthermore, the thickness of the germanium crystal layer 20 can be made 3 μm or more, and the optical absorptance of near-infrared light with a wavelength of approximately 1.55 μm can be increased to 70% or more.
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。 The width Wt of the trench 11 is preferably 1.0 μm or less. If the width Wt of the trench 11 is too wide, it takes a long time to fill the trench 11 with the germanium crystal layer 20. On the other hand, if the width Wt of the trench 11 is too narrow, it becomes difficult to form the trench 11 and fill the trench 11 with the germanium crystal layer 20. Therefore, the width Wt of the trench 11 is preferably 0.3 μm or more. In this way, if the width Wt of the trench 11 is 0.3 μm or more and 1.0 μm or less, the time required to fill the trench 11 with the germanium crystal layer 20 can be shortened by crystal growth from the sidewall surface 11a of the trench 11.
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。 The sidewall surface 11a of the trench 11 is preferably slightly inclined, and the angle of the inclined surface with respect to the vertical surface is preferably 0.3 to 10 degrees. If the sidewall surface 11a is slightly inclined, cavities are less likely to occur when germanium is embedded, and the quality of the germanium crystal layer 20 can be improved. If the inclination angle of the sidewall surface 11a is greater than 10 degrees, the deviation of the plane orientation of the sidewall surface 11a with respect to the (100) plane or the (-100) plane becomes large, the effect of promoting the crystal growth of germanium from the sidewall surface 11a becomes small, and the amount of germanium embedded is insufficient, making it impossible to obtain a germanium crystal layer 20 of sufficient thickness. Also, if the inclination angle is less than 0.3 degrees, the effect of inclining the sidewall surface 11a cannot be obtained.
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。 The germanium crystal layer 20 has a conductivity type opposite to that of the silicon substrate 10, and forms a pn junction with the silicon substrate 10. For example, when the silicon substrate 10 is an n-type semiconductor, the germanium crystal layer 20 is a p-type semiconductor. In this case, the germanium crystal layer 20 is preferably formed by sequentially laminating a p - germanium layer and a p + germanium layer. It is also possible for the silicon substrate 10 to be a p-type semiconductor, and the germanium crystal layer 20 to be an n-type semiconductor.
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。 When the germanium crystal layer 20 is embedded in the trench 11, not only its bottom surface but also its side surfaces are bound by silicon, so tensile strain is generated in the germanium crystal layer 20 due to the difference in thermal expansion coefficient between germanium and silicon. When the lattice strain in the germanium crystal increases, the band gap energy of germanium decreases. As a result, the optical absorption wavelength of germanium can be lengthened, and a wideband photoreceiver that covers the L-band wavelengths can be realized.
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。 Figures 3(a) to (c) are process diagrams for explaining the manufacturing method of the germanium semiconductor device 1.
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。 As shown in FIG. 3(a), in the manufacture of the germanium semiconductor device 1, a silicon substrate 10 with a {100} plane orientation is prepared. The silicon substrate 10 may be a bulk silicon wafer, an epitaxial silicon wafer, or an SOI (Silicon On Insulator) wafer.
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SiO2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SiO2膜をパターニングしてSiO2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、SiO2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。 3B, a trench 11 having a depth of 2 μm or more is formed in the main surface 10a of the silicon substrate 10. In forming the trench 11, after forming a SiO 2 film on the main surface 10a of the silicon substrate 10, the SiO 2 film is patterned by photolithography and dry etching to form a SiO 2 mask 22. This exposes the trench formation region of the main surface 10a of the silicon substrate 10. Next, the trench 11 is formed in the main surface 10a of the silicon substrate 10 by dry etching using the SiO 2 mask 22.
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。 Usually, the cutting direction of a silicon substrate (silicon chip) from a silicon wafer and the wiring direction on the silicon substrate 10 are often set to the <110> direction of the silicon substrate 10. When a trench 11 parallel to the <110> direction is formed on the main surface 10a of the silicon substrate 10 consisting of a (001) plane, the plane orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 becomes a (1-10) plane or a (-110) plane, which is not a crystal plane equivalent to the main surface 10a. However, in this embodiment, the trench 11 is formed parallel to the <010> direction tilted 45 degrees from the <110> direction, so that the plane orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 can be a (100) plane or a (-100) plane, and a crystal plane equivalent to the main surface 10a can be formed.
次に、図3(c)に示すように、SiO2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、SiO2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。 3(c), a germanium crystal layer 20 is formed inside the trench 11 exposed from the opening of the SiO 2 mask 22. The germanium crystal layer 20 is preferably formed by UHVCVD (Ultra-High Vacuum CVD) in which the furnace pressure during crystal growth is set to a low pressure of 100 Pa or less. At this time, the germanium crystal layer 20 is deposited only in the trench 11 and not on the upper surface of the SiO 2 mask 22, so that the germanium crystal layer 20 can be selectively grown in the trench 11.
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。 Then, a pair of electrode patterns (not shown) are formed that are connected to the silicon substrate 10 and the germanium crystal layer 20, respectively, to complete the trench-filled germanium semiconductor device 1.
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。 Figures 4(a) and (b) are schematic diagrams for explaining the mechanism of germanium crystal growth in trench 11.
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。 When the trench 11 is formed along the [110] direction of the silicon substrate 10, for example, the surface orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 perpendicular to the (001) surface, which is the main surface 10a of the silicon substrate 10, is the (1-10) surface or the (-110) surface. In this case, as shown in FIG. 4(a), germanium crystal growth from the sidewall surface 11a is suppressed, and germanium crystal growth occurs mainly from the bottom surface 11b. Therefore, it takes a long time to fill the trench 11 with the germanium crystal layer 20. Typically, the typical rate of germanium crystal growth on the (001) surface of the silicon substrate is about 10 nm/min, and since a low-temperature buffer layer with a slow growth rate needs to be formed in the early stages of growth, a growth time of nearly 10 hours is required to form a germanium crystal layer of 3 μm or more.
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。 On the other hand, when the trench 11 is formed along the [010] direction tilted 45 degrees from the [110] direction of the silicon substrate 10, the surface orientation of the sidewall surface 11a of the trench 11 perpendicular to the (001) surface, which is the main surface 10a of the silicon substrate 10, becomes the (100) surface or the (-100) surface (see FIG. 2). Here, chemical vapor deposition is performed under pressure conditions in which the source gas is supplied as a molecular flow so that the source gas molecules reach the bottom of the trench 11. The mean free path of the source gas is larger than the depth D of the trench 11, and the source gas can be supplied to the bottom and sidewall surfaces inside the trench. As shown in FIG. 4(b), crystal growth occurs from the sidewall surface 11a of the trench 11 at the same growth rate as the bottom surface 11b. If the width W of the trench 11 is, for example, 1 μm, regardless of the depth D of the trench 11, the germanium crystal layer 20 will grow 0.5 μm from both sidewall surfaces 11a of the trench 11, completing the filling of the inside of the trench 11.
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。 As described above, the method for manufacturing the germanium semiconductor device 1 according to this embodiment forms trenches 11 parallel to the <010> direction in the main surface 10a of the silicon substrate 10 consisting of a {100} plane, and forms a germanium crystal layer 20 in the trench 11 by chemical vapor deposition. This promotes crystal growth of germanium not only from the bottom surface 11b of the trench 11 but also from the sidewall surface 11a, and allows a germanium crystal layer 20 with a thickness of 2 μm or more to be formed in a short period of time.
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。 Figures 5(a) and (b) show the configuration of a germanium semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, where Figure 5(a) is a schematic plan view and Figure 5(b) is a schematic cross-sectional view taken along line X-X in Figure 5(a).
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。 As shown in Figures 5(a) and (b), this germanium semiconductor device 1 has multiple trenches 11 arranged at equal intervals at a predetermined pitch on a silicon substrate 10, and a germanium crystal layer 20 embedded in each trench 11. The rest of the configuration is the same as in the first embodiment.
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。 In order to increase the light receiving efficiency of the germanium receiver, it is desirable to make the area of the germanium crystal layer 20 as large as possible. However, as described above, when attempting to form the germanium crystal layer 20 over the entire surface of the main surface 10a of the silicon substrate 10, the crystals only grow vertically, which creates the problem that it takes a long time to form a germanium crystal layer with a sufficient thickness of 2 μm or more.
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。 In contrast, in this embodiment, a germanium crystal layer 20 of sufficient thickness can be formed in a short time by crystal growth not only in the vertical direction from the bottom surface 11b of each trench 11 but also in the horizontal direction from the side wall surface 11a. The silicon region between two adjacent trenches 11, 11 becomes a dead space where the germanium crystal layer 20 cannot be provided, but since light that reaches the silicon region is attracted to the germanium crystal layer 20, which has a higher refractive index than silicon, the presence of some silicon region does not cause any particular problem. The light absorption rate of the germanium crystal layer 20 increases in proportion to its area, but increases exponentially with respect to its thickness. In other words, the light absorption efficiency increases dramatically when the thickness of the germanium crystal layer 20 is made thicker than the area of the germanium crystal layer 20, so increasing the thickness of the germanium crystal layer 20 is very effective in increasing the light receiving sensitivity of the germanium photodetector.
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。 As described above, according to this embodiment, it is possible to ensure both the thickness and area of the germanium crystal layer 20, and further increase the light receiving sensitivity of the germanium receiver.
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。 Figure 6 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a germanium semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
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。 As shown in FIG. 6, the germanium semiconductor device 1 is characterized in that the entire upper surface of the silicon substrate 10, including the upper surface of the germanium crystal layer 20 embedded in the trench 11, is covered with a silicon protective film 12 (Si cap). The other configurations are the same as those of the first embodiment. When the upper surface of the germanium crystal layer 20 is covered with the silicon protective film 12, not only the bottom and side surfaces of the germanium crystal layer 20 but also the upper surface are bound by silicon, so that the tensile strain generated in the germanium crystal layer 20 due to the difference in thermal expansion coefficient with silicon can be increased. When the tensile strain in the germanium crystal increases, the band gap energy of germanium decreases, so that the light absorption wavelength of germanium can be lengthened.
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。 In order to increase the light absorption wavelength, it is better to increase the lattice distortion of the germanium crystal layer 20 as much as possible, and to achieve this, it is desirable to bring the cross-sectional aspect ratio of the germanium crystal layer 20 as close to 1 as possible. However, bringing the cross-sectional aspect ratio closer to 1 reduces the thickness of the germanium crystal layer 20 (≒ trench depth D), and the light receiving sensitivity decreases. Therefore, in designing a Ge light receiver, it is necessary to prioritize light receiving sensitivity while striking a balance between the two.
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。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that these are also included within the scope of the present invention.
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。 For example, in the above embodiment, a germanium semiconductor device and a method for manufacturing the same are given as examples that are suitable for manufacturing germanium receivers with high light receiving sensitivity, but the present invention is not limited to such applications and can be applied to various germanium semiconductor devices and methods for manufacturing the same that require the formation of a thick germanium crystal layer.
<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。
<Evaluation of crystal growth of trench-filled Ge>
A 4-inch silicon wafer 10W (see FIG. 7(a)) with a {100} plane orientation and a <110> orientation flat was prepared, and 25 silicon chips 10C having the same pattern were formed on the main surface of the silicon wafer 10W. Each silicon chip 10C was provided with a formation region E1 of a trench pattern according to a comparative example (see FIG. 7(b)) extending in the <-110> direction, and a formation region E2 of a trench pattern according to an embodiment (see FIG. 7(c)) extending in the <010> direction inclined at 45 degrees from the <110> direction. That is, both the trench pattern according to the comparative example and the trench pattern according to the embodiment were simultaneously formed on the same silicon wafer 10W. These trench patterns were formed by photolithography and RIE (Reactive Ion Etching).
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。 The trench pattern in the comparative example had five trenches 11 extending in the <-110> direction arranged at intervals of 20 μm, with the length L of the trench 11 being 10 mm, the width Wt of the trench 11 being 0.6 μm, the depth D of the trench 11 being 1 to 2 μm, and the space width Ws between adjacent trenches 11, 11 being 20 μm.
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。 The trench pattern in the embodiment was the same as that in the comparative example, except that five trenches 11 extending in the <010> direction were arranged at intervals of 20 μm.
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GeH4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。 Next, germanium was embedded in the trench 11. The germanium was formed by ultra-high vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD) using GeH4 as a source gas, and a molecular flow region with a pressure of 10 Pa or less in the growth furnace was used. Specifically, the growth conditions were set so that a germanium crystal layer with a thickness of 0.5 μm was obtained on the {100} plane.
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。 After the germanium crystal layer was embedded in the trenches 11, the silicon wafer 10W was subjected to FIB (Focused Ion Beam) processing. In the FIB processing, a Pt protective film was formed in advance by sputtering on the main surface of the silicon wafer 10W on which the germanium embedded layer was formed, and then the silicon wafer 10W was cut in a direction perpendicular to the extension direction of the trenches 11 (the direction of the dashed line C in Figures 6(b) and (c)). The cross section of the germanium crystal layer was then observed with a TEM (Transmission Electron Microscope).
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。 Figures 8(a) and (b) are TEM images showing the state of germanium crystal layers embedded in trenches, with Figure 8(a) showing the state of germanium embedded in a trench in a comparative example, and Figure 8(b) showing the state of germanium embedded in a trench in an embodiment.
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。 As shown in FIG. 8(a), in the trench pattern according to the comparative example formed in the <-110> direction, germanium could be embedded in a depth region up to a height T of about 0.5 μm from the bottom surface, but the inside of the trench could not be filled sufficiently with germanium. As a result, a cavity surrounded by a Pt protective film was generated above the germanium. This incomplete embedding state of germanium was the same for all the trenches of the 25 silicon chips. This is thought to be because the crystal growth of germanium from the sidewall surface of the trench was suppressed. When the sidewall surface of the trench is not vertical, crystal growth occurs not only from the bottom surface but also from the sidewall surface in the early stage of growth, but when the sidewall surface becomes almost vertical and the {110} surface with a slow growth rate appears, the crystal growth stops, so it was not possible to embed a sufficient amount of germanium inside the trench.
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。 On the other hand, as shown in FIG. 8(b), in the trench pattern according to the embodiment formed in the <010> direction, germanium could be embedded in a depth region up to a height T of about 0.9 μm from the bottom surface. This sufficient embedding state of germanium was the same for all trenches of the 25 silicon chips. This is thought to be because the crystal growth of germanium occurred from the sidewall surface in the same way as it did on the bottom surface.
<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。
<Consideration of the effect of strain in Ge crystal on optical absorption wavelength>
The effect of strain in a Ge crystal on the optical absorption wavelength of Ge was evaluated by simulation.
<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。
<Comparative example: Ge film structure>
The lattice distortion and band gap energy of a 1 μm thick Ge film (conventional structure) formed on the entire top surface of a Si substrate were evaluated by simulation. As shown in Fig. 9(a), the thickness of the Si substrate was set to 0.625 mm, and the area was assumed to be 1 mm wide and 1 mm deep. The thermal expansion coefficient of Ge was set to 5.9 x 10 -6 [1/K], and the thermal expansion coefficient of Si was set to 2.6 x 10 -6 [1/K].
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εxx、εyy、εzz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、εtotalは3方向の歪みの大きさεxx、εyy、εzzを合算した値であって、Geの体積変化率と等価である。 Next, the magnitudes of strain ε xx , ε yy , and ε zz in the X, Y, and Z directions of strain generated in Ge when the temperature of the evaluation model of this comparative example was lowered from 600° C. to 25° C. were calculated. The results are shown in FIG. 10. The calculation results are summarized in Table 1. In Table 1, ε total is the sum of the magnitudes of strain ε xx , ε yy , and ε zz in the three directions, and is equivalent to the volume change rate of Ge.
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εtotal=εxx+εyy+εzzは0.2357%となった。 As shown in FIG. 10 and Table 1, in the case of the Ge film, the magnitude of strain in the X and Y directions was the same, and a tensile strain of 0.188% was induced. On the other hand, the magnitude of strain in the Z direction was -0.1419%. This is because no force was acting in the film thickness direction, but the lattice itself was pulled laterally in the plane, resulting in a compressive strain being induced in the Ge film thickness direction. The sum of the strains in the three directions ε total = ε xx + ε yy + ε zz was 0.2357%.
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。
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。 As a result, the band gap energy Eg of Ge was 0.7809 eV and the absorption edge wavelength was 1588 nm.
また表1において、EgC-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、EgC-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。EgC-HH及びEgC-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。
上記計算の結果、EgC-HHは0.7871eVとなり、吸収端波長は1575nmとなった。EgC-LHは0.7746eVとなり、吸収端波長は1601nmとなった。 As a result of the above calculation, Eg C-HH was 0.7871 eV, the absorption edge wavelength was 1575 nm, Eg C-LH was 0.7746 eV, and the absorption edge wavelength was 1601 nm.
<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。
Example 1: Ge-embedded wire structure/no Si cap
The evaluation model of Example 1 had a structure in which a trench was formed on the top surface of a 0.625 mm thick Si substrate, and Ge was embedded in the trench (see FIG. 9(b)). In addition, a region with a width of 1 mm and a depth of 1 mm was assumed. The trench width was 1 μm, the length (depth) was 1 mm, and the trench depth was set to five values of 1, 2, 3, 4, and 5 μm. In this evaluation model, the side and bottom surfaces of Ge were bound to Si, but the top surface of Ge was left open without being covered with a Si cap.
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εxx、εyy、εzz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。 Next, the magnitudes ε xx , ε yy , and ε zz of the strains in the X, Y, and Z directions of Ge generated when the temperature of the evaluation model of Example 1 was lowered from 600° C. to 25° C. were calculated. The results are shown in FIG. 11 and FIG. 13(a) and (b). Table 2 summarizes the calculation results.
Ge埋め込み細線構造の場合、Y方向の歪みεyyはGe膜と比較して変化しなかった。X方向の歪みεxx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εzz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εtotal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。 In the case of the Ge-embedded fine wire structure, the strain ε yy in the Y direction did not change compared to the Ge film. The strain ε xx in the X direction became smaller compared to the Ge film, and the compressive strain became stronger as the trench depth (Ge film thickness) became larger. On the other hand, the strain ε zz in the Z direction, which was compressive in the Ge film, increased, and became tensile strain at a trench depth (Ge film thickness) of 2 μm or more. It was found that the sum of the strains in the three directions ε total was minimum when the trench depth (Ge film thickness) was 1 μm (i.e., the cross-sectional aspect ratio was 1), and increased with the Ge film thickness to the same value as in the case of the Ge film.
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EgC-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EgC-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。 When the Ge film thickness is 1 μm (minimum value), the band gap energy Eg C-HH between the conduction band and the heavy hole valence band at the gamma point is 0.7903 eV, and the absorption edge wavelength is 1569 nm. Also, the band gap energy Eg C-LH between the conduction band and the light hole valence band at the gamma point of Ge is 0.7818 eV, and the absorption edge wavelength is 1586 nm. Compared to the Ge film, the band gap energy is larger and the absorption edge wavelength is smaller.
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EgC-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EgC-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。 On the other hand, when the Ge film thickness is 5 μm (maximum value), the band gap energy Eg C-HH between the conduction band and the heavy hole valence band at the gamma point is 0.7860 eV, and the absorption edge wavelength is 1578 nm. Also, the band gap energy Eg C-LH between the conduction band and the light hole valence band at the gamma point is 0.7762 eV, and the absorption edge wavelength is 1597 nm. These are the same band gap energy and absorption edge wavelength as those of the Ge film.
<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。
Example 2: Ge-embedded thin-wire structure/with Si cap
The evaluation model of Example 2 had a structure in which a trench was formed on the top surface of a 0.623 mm thick Si substrate, Ge was embedded in the trench, and the entire top surface of the Si substrate was covered with a 2 μm thick Si film (see FIG. 9(c)). In addition, a region with a width of 1 mm and a depth of 1 mm was assumed. The trench width was 1 μm, the length (depth) was 1 mm, and the trench depth was set to five values of 1, 2, 3, 4, and 5 μm. In this evaluation model, Ge was bound to Si not only on the side and bottom surfaces but also on the top surface.
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εxx、εyy、εzz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。 Next, the magnitudes ε xx , ε yy , and ε zz of the strains in the X, Y, and Z directions of Ge generated when the temperature of the evaluation model of Example 2 was lowered from 600° C. to 25° C. were calculated. The results are shown in FIG. 12 and FIG. 14(a) and (b). Table 3 summarizes the calculation results.
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εxxがさらに大きくなった。3方向の歪みの総和εtotal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。 When the entire circumference of the Ge-embedded thin wire is covered with Si, the Z-direction strain ε xx becomes even larger. The sum of the strains in the three directions ε total is maximum when the trench depth (Ge film thickness) is 1 μm (i.e., the cross-sectional aspect ratio is 1). Although it decreases with increasing Ge film thickness, it is still larger than the value in the case of the Ge film.
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EgC-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EgC-LHは0.7736eVとなり、吸収端波長は1603nmとなった。EgC-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。EgC-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。 When the Ge film thickness is 1 μm (minimum value), the band gap energy Eg C-HH between the conduction band and the heavy hole valence band at the Ge gamma point is 0.7789 eV, and the absorption edge wavelength is 1592 nm. This is about 20 nm larger than the absorption edge wavelength of 1575 nm for the Ge film. The band gap energy Eg C-LH between the conduction band and the light hole valence band at the Ge gamma point is 0.7736 eV, and the absorption edge wavelength is 1603 nm. Eg C-LH is the same as for the Ge film, and the absorption edge wavelength is almost the same, but the heavy holes have a larger density of states than the light holes, and contribute greatly to the optical absorption coefficient. The optical absorption coefficient increases in the energy (wavelength) region where Eg C-HH is reduced, which has the effect of improving the light receiving characteristics.
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EgC-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EgC-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EgC-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。 On the other hand, when the Ge film thickness is 5 μm (maximum value), the band gap energy Eg C-HH between the conduction band and heavy hole valence band at the Ge gamma point is 0.7846 eV, and the absorption edge wavelength is 1580 nm. Also, the band gap energy Eg C-LH between the conduction band and heavy hole valence band at the Ge gamma point is 0.7742 eV, and the absorption edge wavelength is 1602 nm. Eg C-HH is smaller than in the case of the Ge film, and the optical absorption coefficient increases, which has the effect of improving the light receiving characteristics.
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 SiO2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
REFERENCE SIGNS LIST 1 Germanium semiconductor device 10 Silicon substrate 10C Silicon chip 10W Silicon wafer 10a Main surface of silicon substrate 11 Trench 11a Trench sidewall surface 11b Trench bottom surface 12 Silicon protective film 20 Germanium crystal layer 22 SiO 2 mask D Trench pattern depth E1, E2 Trench pattern formation region L Trench pattern length Ws Trench pattern spacing Wt Trench pattern width
Claims (11)
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。 forming a trench parallel to a <010> direction in a main surface of a silicon substrate having a {100} surface orientation;
and filling the trench with germanium by chemical vapor deposition.
The depth of the trench is 2 μm or more,
4 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a germanium semiconductor device according to the present invention; FIG. 5 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a germanium semiconductor device according to the present invention;
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。 A silicon substrate having a {100} surface orientation and a trench formed in a main surface thereof;
a germanium crystalline layer embedded in the trench;
The depth of the trench is 2 μm or more,
4. A germanium semiconductor device, comprising: a first insulating layer formed on said first insulating film; a second insulating layer formed on said first insulating film;
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