JP3827166B2 - 傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法に関し、詳しくは特定構造の傾斜表面を有し、その上部に形成された酸化膜に優れた特性を付与する半導体用傾斜表面シリコンウエハの特定構造の傾斜表面を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
半導体シリコンウエハの表面状態が、酸化膜の欠陥や耐圧特性に影響を与えることはよく知られている。そのため、表面をできるだけ清浄とすることや、原子レベルの変位による結晶表面構造を再構成する方法、例えば、超高真空で繰り返して脱ガスを行う方法（ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第７Ａ巻、第２９０１頁（１９８９年）参照）、特定方向に電流加熱する方法（ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）第３１巻、第１１６４頁（１９９２年）参照）が提案されている。
従来、これらの結晶表面構造の観察は、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）の分析機器を用いて観察されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＳＴＭやＲＨＥＥＤによる表面結晶構造の観察は、シリコン表面の自然酸化膜を除去する必要があり、１０^-8Ｐａ以下の超高真空中で高温処理することにより自然酸化膜を除去した後観察を行う。この際、真空度が１０^-6Ｐａ以下となると表面は再び酸化され再構成表面の観察が困難になる。
発明者らは、上記従来法によるシリコンウエハ結晶表面の再構成及び確認における不都合に鑑み、再構成が容易に行われ、且つ、その再構成された結晶表面状態も簡便に確認できる方法を見出し、熱酸化誘起積層欠陥が少なく耐圧特性の優れた高性能な熱酸化膜の形成可能な表面結晶状態を有するシリコンウエハを、表面制御しながら工業的に形成実施可能とすることを目的に鋭意検討した。
【０００４】
その結果、発明者らは、窒素含有量０．１ｐｐｍ以下の超純度Ａｒガス中において高温熱処理することにより、ウエハ表面の自然酸化膜を分解できると共に脱ガスもでき表面の再構成を行うことができることを知見した。
また、従来法においては高温処理後の分析観察までの間に、ウエハは空気中に露出されるため自然酸化膜が再形成されており、その酸化膜は絶縁体であるため、ＳＴＭ等の分析方法では分析が不正確となるおそれがあった。一方、発明者らは、再構成された表面構造の確認を容易にするため、特定方向に微小角度の傾斜表面となすと同時に所定の原子レベルステップ構造を形成することにより、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により分析可能となり、多少の自然酸化膜の形成によってもウエハ表面結晶の再構成状態を推測できることを知見した。
本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、確認可能な工業化できる表面ステップ構造を有するシリコンウエハ及びその表面構造の形成方法の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、面方位（１００）の単結晶シリコンウエハを、（００１）面の垂線を［１１０］方向に０．０１°〜０．２°の角度に傾斜してスライスし洗浄処理した後、窒素ガス含有量０．１ｐｐｍ以下の超純度アルゴン雰囲気中、６００〜１３００℃で１分間以上熱処理（アニール）処理して、傾斜構造のシリコンウエハ表面において、傾斜表面に生じる原子的段差のうち、単原子層の高さに相当すると共に、段上のシリコン原子列に平行な方向に延びている段として定義された原子的傾斜段差、及び、段差が単原子層の高さに相当し、且つ段上のシリコン原子列に対して垂直方向に延びた原子的傾斜段差のステップ段を含むステップ構造の結晶面とすることを特徴とする傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法を提供する。
上記本発明の傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法において、ステップ構造が原子間力顕微鏡により確認されてなることが好ましい。
【０００７】
なお、ステップＳａは、フィジカル・レビュー・レターズ（ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１６９１頁、第５９巻（１９８７年）（以下レポート１とする）において、著者チャディ（Ｃｈａｄｉ）により、傾斜構造のシリコンウエハ表面において、傾斜表面に生じる原子的段差のうち、単原子層に高さに相当すると共に、段上のシリコン原子列に平行な方向に延びている段として定義された原子的傾斜段差をいう。また、同時に、ステップＳｂとしては、段差が単原子層の高さに相当し且つ段上のシリコン原子列に対して垂直方向に延びた原子的傾斜段差が定義されている。
本発明において、ステップＳａ及びＳｂは、上記チャディの定義に従うものである。本発明の傾斜表面シリコンウエハの表面構造の模式的説明図を上記の説明に従い図１に示す。図１において、シリコンウエハ１は、ステップ構造を特定方位、例えば、［１１０］方向に傾斜角度（θ）０．０１゜〜０．２°の角度に傾斜されている（１００）シリコンウエハに対して、［１１０］方向に、ステップＳａ、ステップＳｂ、ステップＳａ・・・のステップ段からなるステップ構造が形成されている。このステップ構造は、ウエハ１面内で相互的に平行に配列している直線Ｓａ平面と曲線Ｓｂ平面からなることを特徴とする。隣接する二つのＳａステップ段の間隔Ｌは傾斜角度θで支配され、次式により表わすことができる。即ち、Ｌ＝２×（格子定数／４）／ｔａｎθである。
【０００８】
【作用】
本発明は上記のように構成され、従来のシリコンウエハにおいて一般的な傾斜表面形成を、傾斜角度を０．０１°〜０．２°と微小角度に調整することにより、表面結晶の原子レベルステップ構造をＡＦＭで確認することができ、それにより得られた原子ステップ構造が、ステップＳａ及びＳｂの双方を含んでなることが推測でき、所望により表面構造の制御調整が可能である。
例えば、結晶表面の安定性に欠けるステップＳｂの生成を抑制するように確認して形成し、表面を安定化して酸化膜特性を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明は上記のように構成され、超純度Ａｒガスを用いて表面熱処理するため、Ａｒガス中には不純物濃度が非常に低く、酸素や水の濃度が従来の脱ガス可能な超高真空と同等であり、且つ、窒素含有を著しく抑制しているため、Ａｒガスの極めて不活性である特性を有効に維持しでき、シリコンウエハ表面と全く反応することがなく、シリコンウエハの表面状態が再構成されて、ＡＦＭによりステップＳａ及びＳｂを含むステップ構造を有していることが確認される。
【００１０】
一般に、シリコンウエハ表面は、ＳＴＭの観察等により、清浄なシリコンウエハ表面は高温熱処理で再構成され、２原子（ｄｉｍｅｒ）化していることはよく知られている。
本発明の［１１０］方向に傾斜した面方位（１００）のウエハ結晶表面には、原子レベルステップ構造が傾斜方向に周期的に配列し、そのまま傾斜の角度を担っている。原子レベルステップの高さは、１個原子層Ｓ（０．１３ｎｍ）、または２個原子層Ｄ（０．２７ｎｍ）の２種がある。また、ステップ段の種類は、ステップ平面上の原子層中の２原子の列の配列方向により区別できる。前記のレポート１の記載によれば、ステップＳａは、ステップ平面上の原子層の２原子の列方向と平行する方向に延び、ステップＳｂは、２原子の列に垂直する方向に延びている。従って、［１１０］方向に傾斜した面方位（１００）の結晶表面は、４種類の原子レベルステップ、即ちＳａ、Ｓｂ、Ｄａ及びＤｂからなる。
簡便法としてよく利用されるウッドの記号では、ステップＳａ段上の原子再構成方式は１×２であり、ステップＳｂ段上の原子再構成方式は２×１である。言い換えれば、ステップＳａ＝（１×２→２×１）、ステップＳｂ＝（２×１→１×２）ような関係がある。また、多くのＳＴＭ観察、例えば、前記ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロジー第７Ａ巻、第２９０１頁（１９８９年）及びジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス第３１巻、第１１６４頁（１９９２年）によれば、ステップＳａは直線であり、ステップＳｂは曲線である。
【００１１】
本発明におけるシリコンウエハは、特に制限されるものでなく、従来から通常の半導体基板として製造される、例えばチョクラルスキー（ＣＺ）法等により製造されたシリコン単結晶を、面方位（１００）にスライスされた形成されたもの等を用いることができる。
本発明において、（１００）面のシリコンウエハの傾斜スライス角度は、（００１）面の垂線を［１１０］方向に０．０１°〜０．２°の範囲である。この範囲の傾斜角度は、ステップ形態を判別して制御するためであり、この範囲を外れた場合は、判別ができず制御することができないためである。また、０．０１°より小さな傾斜角度は、現時点で機械的に制御し難いためである。
傾斜方向が［１１０］方向以外では規則的なステップの形成ができないためである。また、傾斜方向は、厳密に［１１０］方向である必要はなく実質的に［１１０］方向であればよく、具体的には［１１０］方向に対して±２度程度のずれがあってもよい。
なお、本明細書では、理解を容易にするために［１１０］方向という表記をしているが、［１１０］、［１１０］、［１１０］方向は、いずれも［１１０］方向と等価（相対的なもの）であり、これらの方向に傾斜させたものも本発明の範囲に包含されるものである。なお、結晶の方向を表示する［ ］内及び結晶の面を表示する（ ）内の数字に、通常、オーバーラインを付して表示する方向及び面に関し、本明細書中では便宜上アンダーラインを付して表示する。
上記のように傾斜スライスしたシリコンウエハは、公知のシリコンウエハ製造工程での洗浄方法、例えば、フッ化水素−硝酸等を用いて洗浄後、超純度Ａｒガス雰囲気下で熱処理する。本発明の超純度Ａｒガスとしては、上記のように酸素、水分等の不純物を含むことなく、特に窒素を０．１ｐｐｍ以下とする。０．１ｐｐｍより多く含有すると、高温においてシリコンと反応して窒化膜を形成するため表面構造の再構成を抑制するためである。
本発明の熱処理温度は、６００℃〜１３００℃であり、処理温度が１３００℃より高いと石英炉芯管の寿命は短くなり易く実用的でない。一方、処理温度が６００℃未満になるとアルゴンガスによるシリコン表面の原子の再構成がなされなくなってしまうためである。また、Ａｒガス雰囲気下の熱処理時間は、処理すべきシリコンウエハ表面構造や傾斜角度及びスライス表面構造に応じて適宜選択することができ、所望のステップ構造に応じて適宜選択して制御することができる。通常、５〜２４０分である。
なお、本発明においては、傾斜表面シリコンウエハの表面構造のステップ構造をＡＦＭで確認するが、この場合、確認し易い鮮明なＡＦＭ写真が撮れるために、試料保存時間はできるだけ短くし、空気を窒素パージする等の対策が必要となる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。但し、本発明は下記実施例により制限されるものでない。
本実施例において、シリコンウエハ試料は、面方位（１００）の６インチのＣＺシリコン結晶の（００１）面の垂線を［１１０］方向に０．０５°傾斜してスライスされたシリコンウエハを用いた。シリコンウエハ試料を、例えば、フッ化水素−硝酸等の通常の洗浄を行った後、ミラー研磨されたウエハ表面をＡＦＭで観察し、そのミラー研磨した傾斜表面ウエハの表面結晶構造を示すＡＦＭ写真を図２に示した。
このウエハを、更に窒素含有量０．０１ｐｐｍのＡｒガス雰囲気中で１２００℃で１時間熱処理を行った。
上記の熱処理した傾斜表面ウエハの表面をＡＦＭで観察し、その熱処理した傾斜表面ウエハの表面結晶構造を示すＡＦＭ写真（Ａ）及び説明の便宜のためにそのＡＦＭ写真を部分的にカットした写真（Ｂ）を図３に示した。図３において、［１１０］方向に傾斜した面方位（１００）の結晶表面には、直線的なステップＳａと曲線的なステップＳｂが配置されていることが観察された。
また、相隣接する２つのステップ平面（ドメイン：ｄｏｍａｉｎ）間に、Ｌ＝原子層の高さ／ｔａｎα（αは傾斜角度＝０．０５、Ｌ＝０．２μｍ）から、原子層の高さが０．１３ｎｍで、１個原子層（ａ／４＝０．１３ｎｍ、但し、ａは結晶格子定数）の高さが認められた。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の傾斜表面シリコンウエハは、傾斜スライス角度を所定の微小角とすることにより、超高純度のアルゴン雰囲気下で熱処理され再構成されステップ構造となる表面構造を、原子間力顕微鏡で確認可能であり、工業的に所望の表面ステップ構造となるように確認制御して形成し得る。そのため、例えば、表面が不安定となり易いステップＳｂの形成を抑制等して、その表面上に高性能な熱酸化膜を形成するように調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の傾斜表面シリコンウエハの表面構造を模式的に示した説明図である。
【図２】本発明の実施例で得られたミラー研磨後の傾斜表面シリコンウエハの表面結晶構造のＡＦＭ写真である（視野広さ２μｍ×２μｍ）。
【図３】本発明の実施例で得られた熱処理後の傾斜表面シリコンウエハの表面結晶構造のＡＦＭ写真（視野広さ２μｍ×２μｍ）（Ａ）及び説明の便宜のためそのＡＦＭ写真を部分的にカットした写真（Ｂ）である。

Claims (2)

1. 面方位（１００）の単結晶シリコンウエハを、（００１）面の垂線を［１１０］方向に０．０１°〜０．２°の角度に傾斜してスライスし洗浄処理した後、窒素ガス含有量０．１ｐｐｍ以下の超純度アルゴン雰囲気中、６００〜１３００℃で１分間以上熱処理（アニール）処理して、傾斜構造のシリコンウエハ表面において、傾斜表面に生じる原子的段差のうち、単原子層の高さに相当すると共に、段上のシリコン原子列に平行な方向に延びている段として定義された原子的傾斜段差、及び、段差が単原子層の高さに相当し、且つ段上のシリコン原子列に対して垂直方向に延びた原子的傾斜段差のステップ段を含むステップ構造の結晶面とすることを特徴とする傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法。
2. 前記ステップ構造が、原子間力顕微鏡により確認されてなる請求項１記載の傾斜表面シリコンウエハの表面構造の形成方法。

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