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經濟部中央標準局員工消費合作社印策 A7 B7 五、發明説明（，） 發明之背景 1 .發明之領域 本發明係關於傾斜表面矽晶圓及其表面構造之製法。更特 定言之，本發明係關於半導體裝置用之傾斜表面矽晶圓，此 晶圓具有特別構造之傾斜表面，並且對於形成於其上之氧化 物膜提供優異之特徵，及此傾斜表面之製法。 本發明亦關於半導體裝置，而且更特定言之，亦關於高性 能半導體裝置，其建造爲電子以依照傾斜表面矽晶圓之表面 構造所決定之特定方向移動。 2 .先行技藝之説明 已知ί夕晶圓之表面狀態影響形成於其上之氧化物膜之缺陷 及破裂電壓。關於此點，已提議各種技術。這些技術爲使表 面儘可能清潔，及重建原子級轉位之結晶表面構造。後者技 術包括在超高眞空重複脱氣（參見眞空科學技術期刊，第7Α 卷，第2，0 9 1頁，1 9 8 9 )，及以特別之方向電流傳導加熱（參 見應用物理學期刊，第3 1卷，第1, 1 6 4頁，1 9 9 2 )。 習知上，此結晶表面構造藉由使用掃描通道顯微鏡（STM) 或反射高能量電子繞射（RHEED)之分析裝置而觀察。 然而，爲了藉STM或RHEED觀察結晶表面構造，需要去除 形成於矽表面上之原生氧化物膜：在使晶圓於低於1 0·8 Pa壓 力之超高眞空接受高溫處理而去除原生氧化物膜後，進行觀 察。在此步驟時，如果壓力變爲高於10·6 Pa，表面再氧化 以使其難以觀察重建表面。 關於在重建矽晶圓結晶表面與證實其重建之習知技術之以 -4- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） --------f .裝------訂-----< 線 (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印策 A7 B7 五、發明説明（2 ) 上問題，本發明人已發現可容易地重建結晶表面，及容易地 辨別重建結晶表面之狀態之方法。此外，本發明人已熱心地 研究，以實現以工業規模形成具有造成僅具有少量之熱氧化 引導堆疊錯誤，及具有高破裂電壓之高品質熱氧化膜之形成 的結晶表面，同時控制結晶表面之狀態之矽晶圓之方法。 結果，本發明人已發現，藉由在含不超過0.1 ppm之氮之 超純氬或氫氣實行高溫熱處理，可分解形成於晶圓表面上之 原生氧化物膜，而且晶圓脱氣，使得表面重建。 此外，在習知方法，由於晶圓在高溫熱處理結束時至觀察 與分析之開始時暴露於空氣，原生氧化物膜再度形成於其上 。由於原生氧化物膜爲絕緣體，在如S T Μ之分析方法，原生 氧化物膜可造成分析不正確。相對地，本發明人已發現，藉 由不僅形成非常小角度之特定方向之傾斜表面，亦形成原子 級階梯狀構造，可容易地辨別重建表面構造，即，其可使用 原子間力顯微鏡（AFM)分析。本發明人亦已發現，以上之技 術造成晶圓之重建結晶表面狀態之建立，即使原生氧化物膜 以特定厚度而形成。 現在轉向裝置狀態，當矽晶圓用作爲各種半導體裝置用之 基材時，氧化物膜如一種防止發生於矽結晶之轉位與滑動之 保護膜而形成於其上。氧化物膜必須爲均質並且具有均勻之 平坦表面_。氧化物膜之表面主要受碎晶圓之表面定向與表面 狀態影響，雖然其亦受氧化方法與裝置影響。因此，氧化物 膜藉由使用特定表面定向，及實行小心之清潔、熱處理、與 其他之處理而形成。 -5- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） {.裝------訂-----{線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 323382 五、發明説明（ A7 B7 3 :而例對於半導键裝置之製造’目前在以上之製程後並未 梯狀結晶表面構造上。成、所選錢切晶圓基材之階
發明之概I ::::基於上述之發現而完成，並且具有提供可工業地 =〈具有可觀察階梯狀表面構造切晶圓，及形成此表面 構造 < 万法之目的。 社之另—目的爲’藉由使用傾斜表切晶圓之階梯狀 改良在«電路等影#，例如，如则裝置之半 導組裝置之交換功能之電子運輸性能。切晶圓之結晶構造 習知上尚未用於以上之目的，但是首先爲本發明人所完成。 依照本發明之第-狀態，提供包含傾斜表面之傾斜表面石夕 晶圓，其自平面（001)傾斜，使得傾斜表面之正向自方向 [001]朝，方向[110]傾斜0·0Γ至0 2。，傾斜表面具有包括 規則性高之階梯壁“與51)之階梯狀結晶表面構造。較佳爲 1¾梯狀結0EJ構造之形成已藉使用原子間力顯微鏡之觀察而 證實。 ’、 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 依照本發明之第一狀態，亦提供形成傾斜表面矽晶圓之方 法，包含將包含自平面（001)傾斜，使得傾斜表面之法線自 方向[001]朝向方向[110]傾斜001。至〇 2。之傾斜表面之單 晶矽晶圓切片；清潔矽晶圓；及在含不超過〇1 ppm之氮之超 純氬或氫氣氛，於600-1，300。(：熱處理不少於1分鐘，而造成 傾斜表面具有包括階梯壁“與“之階梯狀結晶表面構造之 步骤。較佳爲，以上之方法進一步包含以使用原子間力顯微 -6- 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) AA現格（2丨〇'/2们公釐） 4 五、發明説明（ 鏡之觀察’證實階梯狀結晶構造之形成之步驟。 上述之階梯壁Sa表示原子陪挺辟 ^ . 上之n 發生抑晶81傾斜表透 原子層之j 壁，其由Chadi定義爲具有等於等 i在對應之階梯層平行梦原子列而延伸^ 參見物理回顧文件，第59卷，笸^ 邱止M、、. 弟1，691頁，1987(以下稱爲 祺口⑴）。阳梯壁㈣示定義爲高度等於單原子層，並且在 對應足階梯層垂直矽原子列而延伸原子階梯壁。 用於本説明書之名詞階梯壁SaWb爲依照^…之 。圖^略示地描述依照本發明第—狀態之傾斜表面珍晶圓之 表面構造。參考圖！ ’在碎晶圓i，包括階梯壁^與讣之階 梯狀構造藉由自平面（GG1)傾斜表面，使得其法線朝向特定 万向，例如，方向[110]，傾斜0.01。至〇2。之傾斜角Θ而形 成。平坦階梯壁Sa與彎曲階梯壁Sb通常彼此平行。二相鄭 階梯壁Sa間之間^由傾斜角θ決定，並且表示爲l = 2 晶格常數）/4丨/ tani9。 依照本發明之第二狀態，提供包含自平面（⑽1}傾斜之傾 斜表面之傾斜表面矽晶圓，使得傾 ，]朝向方向⑴。爾⑽。至0.2。，傾斜表面線具= 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 上死有<其階梯壁爲規則性高之階梯壁“之階梯狀結晶表面 構造。較佳爲，階梯狀結晶構造之形成已藉原子間力顯微鏡 之觀察而證實。 · 依知、本發明I第2具體實施你j ’亦提供形成傾斜表面矽晶 圓之方法，包含將包含自平面⑽1}傾斜，使得傾斜表面之 法線自方向[〇01]朝向方向[110]傾斜〇〇1。至〇2。，之傾斜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A*規格（21〇><297公釐） A7 B7 5 五、發明説明（ 表面二早时石夕印圓切片；清潔發晶圓·及在含 ppm之氮之超純氬或氫氣氛，於6隊丨，则於 分鐘，而造成傾斜表面具有實質上所有之其階梯壁爲二
SaL結晶表面構造之步驟。較佳爲，以上之方法進—
步包含以使用原子間力顯傲# + A 之形成之步驟。力顯微^觀察，證實階梯狀結晶構造 報告⑴亦以如階梯S_Sb之相同方法定義原子階梯壁W 與Db ’除了階梯壁Da_b具有等於雙原子層之高度。用於 本説明書之名詞階梯_&與的爲依照eg之定義。圖付 π地描述依照本發明第二狀態之倾斜表㈣晶圓之表面構造 。參考圖4，在砍晶圓U，包括階梯壁s_Da之階梯狀構 造藉由自平面（001)傾斜表面，使得其法線朝向特定方向， 例如，方向[H0]’傾斜〇.01。至之傾斜角Θ而形成。在 對應階梯壁Sa與Da之階梯層，以特定間隔配置三角形階梯 層，使得各二角％階梯層之傾斜侧爲階梯壁Sa。各由階梯壁 Sa與Da組成之平坦階梯壁彼此平行。二相鄰階梯壁。間之 間隔L由傾斜角Θ決^，並且表示爲L={(晶格常數）/2}/心 Θ 。 依照本發明之第三具體實施例，提供包含傾斜表面矽晶圓 作爲基材疋半導體裝置，其具有已藉由朝向特定結晶方向以 0.01至5.心傾斜角切片之矽晶圓清潔，及在預先決定之氣 氛熱處理，而重建之階梯狀結晶表面構造；及形成於階梯狀 結晶表面構造之單階段層之載體運輪區域。 在以上之半導體裝置，較佳爲傾斜表面矽晶圓之表面自平 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I -裝------訂-----線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消费合作社印製 A7 323382 B7 五、發明説明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 面（001)傾斜，使得表面之法線自方向.[001]朝向方向[110] 傾斜。亦較佳爲，半導體裝置爲具有配置於單階梯層之源極 、閘極、與汲極之Μ Ο S裝置。 圖式之簡要説明 圖1略示地描述依照本發明第一具體實施例之傾斜表面矽 晶圓之表面構造； 圖2爲顯示在實例1之鏡面抛光傾斜表面矽晶圓之結晶表面 構造之A F Μ之照片； 圖3 Α與3 Β爲顯示在實例1接受熱處理後之傾斜表面矽晶圓 之結晶表面構造之AFM照片； 圖4略示地描述依照本發明第二具體實施例之傾斜表面矽 晶圓之表面構造； 圖5爲顯示在實例2之鏡面抛光傾斜表面矽晶圓之結晶表面 構造之AFM照片； 圖6 A與6B爲顯示在實例2接受熱處理後之傾斜表面矽晶圓 之結晶表面構造之AFM照片； 圖7略示地描述形成於傾斜切片而得之傾斜表面矽晶圓上 之階梯狀結晶構造之實例，及依照本發明第三具體實施例之 階梯狀結晶構造所形成之Μ Ο S裝置； 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 圖8略示地描述形成於傾斜切片而得之傾斜表面矽晶圓上 之階梯狀結晶構造之另一實例，及依照本發明第三具體實施 例之階梯狀結晶構造所形成之MOS裝置； 圖9爲顯示在實例5與比較例3，應用於閘極之電場強度與 通道之電子移動性間之關係之圖表。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） 323382 A7 B7 經濟部中央樣準局員工消費合作社印装 五、發明説明（7 ) 較佳具體實施例之説明_ .具體實施例1 依照本發明之第一狀態（具體實施例），其已歸納於上，藉 由以0.01至0.2之非常小角度碉整傾斜表面之傾斜角（傾斜 表面本身在矽晶圓上之形成在此技藝爲平常的），使用afm 辨別結晶表面之原子級階梯構造變爲可能的。如此允許所得 原子級階梯構造具有階梯壁“與“之判斷。如果需要，可 控制及調整表面構造。 例如，藉由形成結晶表面同時觀察之，可防止階梯壁之 形成，而易使表面不安定。如此安定表面而允許形成於其上 之氧化物膜之特徵之改良。 /依知、本發明I第一狀態’由於表面藉由使用超純氬氣而接 丈熱處理，氬氣中之雜質濃度非常低，而且氧與水濃度等於 可脱氣之習知超高眞空。以氮含量非常小之額外優點，可有 效地維持氬氣之非常惰性本性，而且與矽晶圓表面完全不發 生反應。因此，結晶表面重建於矽晶圓上，而且AFM觀察可 备實表面具有包括階梯壁Sa與Sb之階梯構造。 例如，由STM觀察已知，⑧常結晶表面藉高溫熱處理而重 建於清潔矽晶圓上，及重建結晶表面由二聚體組成。 在此具體實施例，自平面（00 υ傾斜，使得其法線自方向 _](平面(〇〇〇之法線）朝向方向⑴0]傾斜之晶圓結晶表面 ，形成在傾斜方向週基地發生之原子級階梯構造，此構造定 義傾斜角。原子級階梯關於高度而分類成兩種型式·單原子 層S(0.13 nm)及雙原子層D(0 27 nm)。此二型式之階梯可基 -10- 本紙張尺度咖國家標率（CNS ) A4規格（；10>< 297公瘦 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· -39 银 A7 B7 五 麵濟部中央樣準局員工消費合作社印裝
、發明説明（ 於在階梯原子層之二聚體列方向而彼顧別。依照上述之報 。⑴，¾梯壁Sa在對應I階梯原子層平行二聚體列而延伸， 而且1¾梯壁Sb在對應之階梯原子層垂直二聚體列而延仲。因 自平面（0 0 1 )傾斜，使得其法線自方向[⑼丨](平面（〇 〇】） 之法線）朝向方向[110]傾斜之結晶表面，由四種原子級階梯 壁Sa、Sb、Da、與Db組成。 關於..工^用作爲簡單方法之伍德表示法，階梯壁$ &之階梯 層原子重建型式爲lx2而階梯壁“爲⑴。換言之，有（階梯 SaMlx2~>2xl)&(階梯 Sb) = (2xl4lx2)之關係。依照許多 硯祭，例如，敘述於上述之眞空科學技術期刊，第7A卷， 第2,9〇1頁，1989 ,及應用物理學期刊，第”卷，第丨，164頁， B92者，階梯壁“爲平坦的及階梯壁sb爲彎曲的。 在此具體實施例，對矽晶圓之型式並無特殊限制，但是可 ^各種型式之石夕晶圓，例如，藉由將Cz〇chralski法仰法） 製造（梦單晶切片而得之平面（GG1)妙晶圓（等於常用於此技 藝之（1 0 0 )，指此組同等平面）。 在此具體實施例，自平面（001)之法線朝向方向[110]之 石夕晶圓傾斜切片角應在0.01。至〇2。之範園。如果傾斜角大 於0.2。，無法辨別階梯形式，因此無法控制。另一方面， 目則難以機械地控制小於〇 〇】。範園之傾斜角。 如果自方向[001]之傾斜方向並非朝向方向[u〇]，無法形 成規則之階梯。然而，傾斜方向不須確實地朝向方向[11 :但是傾斜方向實質上朝向方向[110]已足夠。特別地，傾 斜方向可朝向方向[n〇]偏差約土 2。。 -11 - 本紙張尺度“中晒家標準「CNS ) 5規格（2ΐ()χ297公餐 ~一裝 訂 t線------ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本育) 323382 ^ A7 '~~~ --------- B7 五、發明説明（9 ) 在本説明書，爲了利於了解，方向[11〇]表示方向[11〇]、 [1 1 〇 ]、[ 1 1 0 ]、與[1 1 〇 ] ’其彼此相等。因此，朝向任何這 些方向之傾斜包括於本發明。 已傾斜切片之晶圓藉已知矽晶圓製法之清潔方法而清潔， 例如，使用氫氟酸與硝酸之混合物，然後在超純氬氣氣氛接 文熱處理之方法。如上所述，此具體實施例之超純氬氣僅含 非常少量如氧與水之雜質。特別地，氮含量應爲〇1卯拉或 更少。如果大於0_1 ppm，氮與矽在高溫反應，而形成氮化物 膜’其破壞表面構造之重建。 熱處理溫度設定於600-l，3〇(TC。高於υοοχ;之處理溫度並 不實際，因爲石英核心管之壽命易於縮短。如果處理溫度低 於6 0(TC，矽表面之原子重建不受氬氣影響。在氬氣氣氛熱 處理之時間可依照被處理矽晶圓之表面構造、傾斜角、及切 片表面I構造而適當地設定。熱處理時間可依照意圖之階梯 構造而適當地設定及控制。通常設定爲5_24〇分鐘。
在此具體實施例，使用AFM觀察傾斜表面矽晶圓表面構造 之階梯狀構造。在此情形，爲了製造清楚、易於辨別之AFM 片，需要如減少樣品儲存時間及藉氮之使用而沖洗空氣之 特殊測量。 經濟部中央標準局員工消费合作社印装 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} [實例1 ] 用於此實例之矽晶圓樣品爲藉由將6_英吋cz矽晶自平面 (00 1)之法線朝向方向[110]以0,05。之傾斜角切片而得者 。矽晶圓樣品藉由使用，例如，氫氟酸與硝酸之混合物之一 般清潔法而清潔，然後鏡面抛光後，使用AFM觀察之。圖2 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準 ( CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（10) 爲顯示鏡面拋光傾斜表面晶圓之結晶表面構造之AFM照片（ 觀察視界。 此外，晶圓在含0.01 ppm之氮之氬氣氣氛，於12〇代接 受熱處理1小時。 圖3 A爲顯示已接受以上熱處理之傾斜表面晶圓之結晶表 面構造之AFM照片（觀察視界：2"mx2"m)。圖36 明之方便，藉由部份切割圖3AiAFM照片而得之照片。圖 3A與3B顯示自平面（〇〇1)傾斜，使得其法線朝向方向[ιι〇] 傾斜之結晶表面，包括平坦階梯壁Sa與彎曲階梯壁sb。 由於相鄰階梯壁間之領域長度[表示爲L =(原子層之高度 )/tan α，其中π爲傾斜角。在此方程式取代“ =〇 5。及 L=0.2 ym，階梯壁咼度計算爲〇13 nm，其等於單原子層之 高度（a/4=0.13 nm，其中a爲結晶晶格常數）。 在依照本具體實施例之傾斜表面矽晶圓，藉傾斜切片角爲 非常小之角度之事實，藉由在超純氬氣氛之熱處理而重建而 變成階梯構造之表面構造，可使用AFM觀察。所需之階梯表 面構造可工業地製造，同時觀察及控制。因此，高品質熱氧 化膜可藉由，例如，抑制階梯壁Sb之形成，同時易使表面不 .安定，而形成於此階梯表面構造上。 具體實施例2 依照本發明之第二狀態（具體實施例），其已歸納於上，傾 斜表面之原子級階梯構造（傾斜表面本身在矽晶圓上之形成 在此技藝爲平常的）主要由階梯壁S &組成。由於抑制階梯壁 Sb之形成，表面可安定化，並且改良形成於此表面上之氧化 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公；H ) --------1 ·裝------II-----f 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 323382 五、發明説明（n) 物膜之特徵。 藉由以0.01。至0.2。之非常小角度調整傾斜表面之傾斜角 ，使用AFM辨別結晶表面之原子級階梯構造變爲可能的。如 此允許所得原子級階梯構造主要由階梯壁以組成。如果需要 ’可控制及調整表面構造。 依照本發明之第二狀態，由於表面藉由使用超純氯氣而接 受熱處理’氬氣中之«濃度非常低，而且氧與水濃度等於 可脱氣之習知超高眞空。以氮含量非常小之額外優點，可有 效地維持易於允許重建之氬氣特點。因此，AFM觀察可證實 重建之階梯表面構造主要由階梯壁5&組成。 、 本發明人首先發現，藉由以0.01。至〇2。之非常小角度調 整傾斜表面構造之傾斜角，清潔表面，然後使表面在超純氯 氣氣氛接受熱處理，可使傾斜表面構造安定及抑制階梯壁Μ 之形成，其易於造成氧化物膜之缺陷等。 例如，由STM觀察已知，通常結晶表面藉高溫熱處理而重 建於清潔矽晶圓上，及重建結晶表面由二聚體組成。 進行本發明人如何達成本發明之此具體實施例之説明。 使用AFM，本發明人觀察藉習知處理而得之矽晶圓之傾斜 表面構造，並且發現自平面（GG1)傾斜，使得其法線自方向 [001](平面（001)之法線）朝向方向[110]傾斜1(!至5。之習知矽 晶圓傾斜表面，具有随機地混合階梯壁s_sb之隨機階梯 構造。 另一方面，上述之報告（1)敘述，形成階梯壁“用之能量 ，ASa = 0_15±0.01 eV/a &爲結晶晶格常數）超過大於1〇 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐）
—_I y 二衣------11------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 12 五、發明説明（ 倍之形成階梯壁sb用之能量，；ey/a。基 於此敘述’本發明人已證實在階梯壁s b之化學活性高，因此 石夕晶圓表面不安定，而且亦已研究尋求有效抑制此階梯壁s ^ 之形成，及規則地形成階梯sSa之方法β 已知藉由使矽晶圓在氫氣氛接受高溫熱處理，晶圓表面修 改：去除晶圓表面上之矽原子。例如，應用物理文件，第65 卷，第1，924頁，1994(以下稱爲報告（2))敘述，表面矽原子 在1，150 C於氫氣氛以〇 〇8 nm/分鐘之速率（蝕刻速率）去除 〇 然而，在矽晶圓之傾斜表面上重建梯構造之方法，存在於 階梯壁之原子及存在於領域（即，階梯壁以外之區域）表面上 之原子之去除速率，應彼此不同。此外，存在於階梯壁之原 子之去除速率應視階梯壁之構造與性質而定。基於此了解， 本發明人已研究階梯壁之性質與去除時矽原子如何行爲，及 其他之項目。 特別地，階梯壁“與“以混合狀態而存在之表面在超純 氫氣氛接受高溫熱處理時，首先檢查矽原子在去除時如何行 爲。本發明人預期存在於階梯壁“之矽原子之去除速率高於 存在於階梯壁Sa之參原子。 ' 已知通常矽晶圓上之矽原子組成二聚物 永物表面二聚物藉以 下I兩種万法去除。在第一種方法，二聚物 永物l兩個原子一起 去除，因此不需二聚物分解。在第二種方 々成’二聚物首先分 解，然後分別去除先前組成二聚物之兩個原子。 依照上述Chadi之定義，在對應階梯壁^之階梯層之二聚 15- 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） T 妓------1T-----一 線 f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印褽 13 323382 五、發明説明（ 物列平行階梯壁Sa而延伸，而且二聚物本身平行階梯〜 因此，存在於階梯壁以上之二聚物的兩個矽原子之一暴露 ’而另-個矽原子存在於領域内部。在結晶構造不同環： 學活性完全不同。因此’爲了去除存在於階梯 《夕原子，二聚物需要在二聚物之去除前立即分解。因 此，存在於階梯壁s a之矽原子難以去除。 另—方面，在對應階梯㈣之階梯層之二聚物列垂直階梯 而延伸，而且二聚物本身平行階梯㈣。由於存在於 壁Sb上（二聚物之兩個矽原子在相同之結晶環境，並可 同時去除而不分解二聚物。 " 由/上可了解’兩個矽原子，即’階梯壁Sb上之二聚物， 可猎由切割暴露之四個同等之si_s·而去除。在梦原子存 2階梯壁Sa之情形，爲了去除—個#原子，需要㈣四個 :kS卜Sl鍵:一個暴露、一個存在於整體' 及兩個與其他 ^—聚物偶合。 、' 可了解如果矽晶圓之傾斜表面階梯構造僅具有階 線 ，生、，夕w圓具有安定之表面構造。此外，階梯狀表面構 梯壁Sb可藉氫處理而比階梯壁以而更容易地去除。 ，此’具有安定表面之矽晶圓可藉由形成傾斜表面構造，、由 於重建主要由階梯壁以組成之階梯狀構造，然後使傾 斜表面接堂氫處理而得。 用階梯Ma|%Sb間化學性質之差異，本發明人在 具有特定傾斜角之㈣表面，然後使其在超純氫氣 乱接一熱處理’以降低氧化物膜之缺陷及增加破裂電壓 本紙張尺度適用中國拓準(CNS ) -16-
經济部中央樣準局員工消費合作.杜印装 而形成播階梯壁之安定矽晶圓表面已成功。 在此具體實施例，對碎晶圓之型式並森 使用各種型式之碎晶圓 制’但疋可 製芒3於、 ® J精由將Cz〇chrahki法（CZ法） 蔹之ΠοοΓ'切片而得之平面（〇〇1)石夕晶圓（等於常用於此技 =疋（1 ο 〇)，指此组同等平面）。 ^匕具體實施例，自平面（謝）之法線朝向方向[ιι〇]之 梦叩圓傾斜切片角應在〇〇1。至〇2。之範圍。如果傾斜角大 於，無法辨別階梯形式，因此無法控制。另一方面， 目則難以機械地控制小於0.0 1。範圍之傾斜角。 如果自方向[00丨]之傾斜方向並非朝向方向[1 1〇]，無法 形成規則 < 階梯。然而，傾斜方向不須確實地朝向方向 [1 1 0 ]，但疋傾斜方向實質上朝向方向[1 1 0 ]已足夠。特別 地’傾斜方向可朝向方向[i i 0 ]偏差約土 2。。 在_本説明t」爲了利於7解，方向[η 〇]表示方向[11 〇] 、[110 ] ' [ 1 1 〇 ]、與[1 i 〇 ]，其彼此相等。因此，朝向任 何這些方向之傾斜包括於本發明。 已傾斜切片之晶圓藉已知矽晶圓製法之清潔方法而清潔， 例如’使用氫氟酸與硝酸之混合物，然後在超純氫氣氣氛接 受熱處理之方法。如上所述，此具體實施例之超純氫氣僅含 非常少量如氧與水之雜質。特別地，氮含量應爲01 ppm或更 乂。如果大於0.1 ppm，氣與夕在高溫反應，而形成氮化物 膜’其破壞表面構造之重建。 熱處理溫度設定於6 0 0 - 1，3 0 0 °C。高於I，3 0 〇 °C之處理溫 度並不實際’因爲石英核心管之壽命易於縮短。如果處理溫 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2I0X2?7公釐） --------^ '裝------訂-----猓 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 323382 ----—-- 五、發明説明（15) :低於60。C 表面與氫之間之反爲速率低，因此表面構 ϋ重建之效率低。在氫氣氣氛熱處理之時間可依照被處理矽 晶圓之表面構造、傾斜角、及切片表面之構造而適當地設定 :熱處理時間可依照階梯壁以之去除動力學與外觀而適當地 設定及控制。通常設定爲5-24 0分鐘。 在此具體實施例’使用AFM觀察傾斜表㈣晶圓表面構造 之階梯狀構1^在此情形，Λ 了製造清楚、易於辨別之顧 照片’需要如減少樣品儲存時間及藉氣之使用而沖洗空氣之 特殊測量。 [實例2] 用於此實例之矽晶圓樣品爲藉由將6_英忖cz矽晶自平面 (001)之法線朝向方向[110]以0 05。之傾斜角切片而得者 “夕晶圓樣品藉由使用’例如，氫氟酸與硝酸之混合物之一 般清潔法而清潔，然後鏡面拋光後，使用AFM觀察之。圖5 爲顯示鏡面抛光傾斜表面晶圓之結晶表面構造之AFM照片（ 觀察視界：2 ra X 2 // m)。 此外，晶圓在含0.01胸之氮之氫氣氣氛，接受i2〇(rc 之氫熱處理1小時。
圖6 A爲顯#已接受以上氫熱處理之傾斜表自晶圓之結晶 表面構造之AFM照片（觀察視界：2"mχ2/im)。圖6B爲爲了 説明之方—便，藉由放大一部份圖6A<AFM照片而得之照片 。參考圓6B，觀察之階梯狀表面構造特徵爲^與折線B 之组合。兩個相鄰直線A之間之間隔L大约爲固定的，並且 與切片傾斜角α具有以下之關係· -18- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x^7^7 -d------ir-----涨 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（ 16 A7 B7 經濟部中央榡準局貝工消費合作社印製 L =(原子層之高度）/tan π 丄在〜之方私式取代L = 0.3l"m及tan(0.〇5。），原子層 :度f算爲G.27 nm ’其大約等於a/2，其中3爲梦結晶晶格 系數0.52 nm。即，相鄰直線A所定義之兩個階梯層之上表 面具有兩個原子之高度差異。 折線B並非連續的，但爲窄長方形C之橢圓侧。 •I者兩二二角形^之基底D部份之直線A表示之階梯層測量爲 八 原子之高度，而長方形C之橢圓側E表示之階梯層 測量爲具有一徊届；4ώ ^ 丄.有個原子（南度。如果圖6Β整體觀之，可了解 大邵份之階梯層具有一個原子之高度。 ，因此’圖6Β表不’長方形c表示之—個原子高度階梯壁爲 女：心階梯壁Sa。依照Chadi之報告⑴’排除對應三角形c Si t之直線A表示之階梯層在對應之階梯層平行二 些階梯壁爲平坦的，並且給予符號…。長方形。 4基底D表示之階梯壁給予符號以。 梯層之二聚物列垂直直線A 万：，：長万形階 之階梯壁亦給予符號Sa。各長万形c疋兩個橢圓側表示 成因此’顯然實例2之傾斜表面構造實質上僅由階梯壁⑽ [實例3與比較例 、實例2所得切晶圓及藉習知方法而 … I爐接受1，ο ο 〇。<：之氧化處理丨6小時。社.π氧乳巩 得矽晶圓之氧化引導堆疊錯誤之濃度爲7公么，件實:】2所 法所得之矽晶圓爲丨〇公分-2。 〜A刀，而習知方 I ·裝------訂 (請先閲II»背面之注意事頃年真穹艮一^ ) • - - I HI . 'I I I ·
• 11 H I · -19- ^23382 B7 A7 五、發明説明（ 17 經濟部中央橾準局員工消費合作社印褽 [實例4與比較例2 ] 實例2所得之矽晶圓及藉習知方法而得者（即，以如實例3 了比較例1之相同方法而製備晶圓），在充滿含1 〇重量％ H C 1 軋體之典水氧氣氛之熱處理壚，於950。〇氧化30分鐘，使得 2〇^nm厚之氧化物膜形成於各晶圓上。各晶圓然後形成m〇s 電谷，並且測量各氧化物膜之破裂電壓特徵。結果爲使得實 例2所得矽晶圓之C_模式頻率不低於98%，而習知方法所得 晶圓爲9 2 %。 由=上之實例及比較例可了解，藉由以特定傾斜角傾斜切 片與氫熱處理而製造之傾斜表面之階梯狀構造，由階梯壁^ 成而且具有具有此階梯狀構造之晶圓允許無缺陷氧化物 膜之形成’並且呈現優異之特徵。 依照此具體實施例，矽晶圓可易於使用特定傾斜切片角而 製造。具有優異之表面特徵，此具體實施例之梦晶圓可適當 地用作爲半導體基材。 59 具體實施例3 此具體實施例之矽晶圓具有所需之階梯狀構造，使得傾斜 ，晶，，藉由以特定角度切片而形成，然後結晶表面藉由在 氬或氫氣氛之熱處理而重建。雖然階梯狀構造之各階梯壁不 同地延伸，即，平行或垂直在對應階梯層之矽原子二聚物列 丄視切片角與熱處理氣氛而定，各階梯層之上表面假定爲實 質上均勻、平滑之表面。由於電子運輸用之活性區域形成^ 此階梯層，可形成不受表面粗度影響之高性能半導體裝置。、 此具體實施例之階梯狀構造藉由矽晶圓表面之原子重建而 -20- 本紙張尺度適用中if國家標準（CNS ) Mg-(训心7公楚 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝. 、1Τ 银 18 加工 已知 面 五、發明説明（ 形成，而且異於藉由如镑并 不叫如％面抛光夂加工而製造 表面具有原子随機配置之转 衣面 符點，而且通常以粗度表二 表面粗度爲退化表面相關裝置特徵之因素之—。: 重建表面以新晶格(超晶格)建造。由於在超晶格形 ，即，切晶圓之表面定向、傾斜角、熱處理條件成 因素而疋，產生不同種類之領域，其具有不同之 曰 定向。超晶格領域具有原子級表面，而且階梯壁 ^ 之領域之間。如加工表面之矣而相洚，别. 乂、相鄰 衣曲心表面粗度，此型I階梯狀構造 影響表面相關裝置特徵。 在此具體實施例，階梯狀構造之階梯壁藉由實行適當之方 法，而以特定方向配置，而且裝置活性區域形成於單階梯層 ，即，領域，其爲原子級平滑表面。因此，可抑制對包括形 成於相鄰領域間之階梯壁之階梯狀構造的半導體裝置性能之 影響。 ^ 因此’此具體實施例之半導體裝置可改良受珍基材之表面 性質影響之所有種類之裝置性能；如載體在通道之移動性、 閘極絕緣膜之破裂電壓等。 在此具體實施例，對矽晶圓之型式並無特殊限制，但是可 使用各種型式之石夕晶圓，例如，藉由將Czochralski法（CZ法） 製造之碎單晶切片而得之平面（〇〇1)石夕晶圓（等於常用於此技 藝之（1 0 0 )，指此組同等平面）。 在此具體實施例，藉由將傾斜之矽晶圓切片，使得其法線 以0.01°至5°之角範圍朝向方向[110]傾斜，而形成傾斜 結晶表面。如果傾斜角不大於5 ° ，可適當地控制此具體實 21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（2Ι0Χ297公釐） I-衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -β 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 19 五、發明説明（ 梯狀構造。另-方面’目前難以機械地控制小於 範圍之傾斜角。如果自方向[⑽u之傾斜方向並非朝 二向π 10]，無法形成規則之階梯。然而，傾斜方向不須 罐實地朝向方向[1 1 〇]，但是傾钭古 疋傾斜万向實質上朝向方向 [叫已足夠。特別地，倾斜方向可朝向方向[il0]偏差約 i 2 〇 已傾斜切片之晶圓藉藉已知石夕晶圓製法之清潔方法而清潔 =如’使用氫氟酸與硝酸之混合物，然後在超純氫氣氣氛 又熱處理<方法。較佳爲，熱處理氣氛爲氬或氫氣氛。所 得之階梯狀構造視傾斜切片角及氣氛氣體之種類而定。 所得階梯狀構造視傾斜切片角及氣氛氣體之種類而定之事 實由本發明人首先發現。例如’如第一與第二具體實施例所 述，階梯Sa與Sb藉由切片非常小之角度，及在氬氣氛之熱 處理而形成，而且僅階梯壁Sa藉由切片非常小之角度，及在 氫氣氛之熱處理而形成。在此具體實施例，階梯狀=造可由 階梯Sa或Sb任一或階梯Sa與Sb兩者組成，而且電子運輸用 之活性區域可形成於具有原子級平滑表面之相同階梯層。用 於此具體實施例之名詞階梯s a與s b依照Chadi2報告之 定義。 ^ 熱處理溫度設定於όΟΟ-υοΟί,高於13〇〇χ：之處理溫度並 不實際，因爲石英核心管之壽命易於縮短。如果處理溫^低 於6 0 0 °C，矽表面之重建速率低。熱處理時間可依照被處理 矽晶圓之表面構造、傾斜角、及切片表面之構造而適當地設 定。通常設定爲5-240分鐘。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)八4規格（210x297公疫） I .辦衣------1T-----—I線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 20 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ 丁地描述形成於傾斜切片而得之傾斜表面矽晶圓上 ^階梯狀結晶構造之實例，及形成於階梯狀結晶構造之聰 裝置。 在圖7，形成階梯狀構造，其中階梯表面3卜”及階梯壁 sa 31 Sb-32與Sa-33，藉由在具有自平面（〇()1)傾斜，其 法線以O.O「至5。之傾斜角β朝向特定方向，例如，方向 [1 1 0]⑥傾斜之傾斜^面之梦晶圓上，在於氨氣氛 實行熱處理而在方向^00]延伸。此階梯狀構造特徵爲通常 彼此平行之平坦階梯壁8&與彎曲階梯壁Sb。相鄰階梯壁之 間之間隔L由傾斜角卜决定，並且表示爲 常數 )/ 4 } / tan /9 ο 通ί使具有圖7之階梯狀構造之石夕晶圓接受指定之清潔 步驟及氧化步驟而得之階梯表面，視矽晶圓與氧化物膜間邊 界表面t粗度而爲粗或平滑的。由於階梯表面3卜3 3彼此平 行，如果邊界表面爲粗的，粗部份亦在各階梯表面彼此平行 而延伸，因此對於粗部份之邊^界散射中央沿方向[γι〇]而分 布、因此如果思圖在方向[iio]移動載體，氧化物膜與各 階梯表面間I邊界粗部份對載體施加強烈之散射，成爲週期 能量圏。 相對地，在此具體實施例，載體在階梯表面並未受邊界散 射影響，.因爲Μ 0 S裝置之源極s與汲極D配置爲藉由使用重 建於傾斜表面矽晶圓上之階梯狀構造，而在方向[^1〇]移動 載體。即，即使發生邊界散射，對於在相同表面内移動之載 體比對於在其他方向移動較微弱，因爲在相同表面場彼此抵 -23- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨〇><297公楚
經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（21) 消。換f之，藉由造成載體以不交叉任何階梯壁之方向移動 。載體與強^烈散射中央碰撞之可能性降低。因此，藉由形成 平行方向[1 1 〇]之MOS裝置之通道c，其中可得載體之高漂 移移動性，而增加MOS裝置之操作速度。 圖8略示地描述形成於傾斜切片而得之傾斜表面矽晶圓上 t階梯狀結晶構造之另一實例，及形成於階梯狀結晶構造之 MOS裝置。 在圖8 ’形成階梯狀構造，其中階梯表面51_53及階梯壁 Sa-51、Sb-52與Sa-53，藉由在具有自平面（〇()1)傾斜，其 法線以0.01。至0.2°之傾斜角θ朝向特定方向，例如，方向 [1 ίο]，而傾斜之傾斜表_面之矽晶圓上，在12〇〇,c於氬氣 氛實行熱處理而在方向[1〇〇]延伸。此階梯狀構造特徵爲幾 乎僅由彼此平行之平坦階梯壁以與彎曲階梯壁Sb組成。階 梯壁Sa-5 1、Sb-52與Sa-53之相鄰者之間之間隔[由傾斜角 <9決定，並且表示爲L={(晶格常數）/2}tan0。 在圖8之階梯狀構造，如在圖7之情形，藉由將河〇5裝置 之源極S與汲極D配置爲造成載體在方向[11〇]移動，而完全 防止載體在階梯表面受邊界散射影響。結果，在通道〇可得 載體之高漂移移動性，使得Μ 〇 s裝置之操作速度增加。 [實例5與比較例3 ] 用於此實例之矽晶圓樣品爲藉由將6_英吋cz矽晶自平面 (〇 〇 1 )之法線朝向方向[1 1 〇 ]以〇 〇 5。之傾斜角切片而得者 。矽晶圓樣品藉由使用，例如，氫氟酸與硝酸之混合物之— 般清潔法而清潔後，然後在氬氣氛於UOOl熱處理i小時 ~ 24 - 本紙張尺度適用中國國家標準（（:1^)/114規格（210x297公釐） I I n ^ n I n n I ^ I I I--*& (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} A7 B7 經濟部中夬榡準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（22) 如此處理之矽晶圓表面之AFM觀察顯示，其具有約 之間隔L之階梯狀構造。 使用如此處理之珍晶圓作爲基材，形成N_通道裝置 ，以藉已知方法在兩個不同之方向延伸。更特別地，參考圖 7，通迢C在兩個MOS裝置S-C-D與S，-C-D，之間共用，其 各延伸於方向。 測量通道C在方向[1 ! 〇 ](實例5 )與[丨丨〇 ](比較例3 )之電子 移動性，同時改變施加於閘極（未示）之電場強度。圖9顯示 測量結果，由其可見到，通道C用於方向[j1〇]時，即，當 MOS裝置形成於相同之階梯表面内時，所得之電子移動性 大於通道C用於方向[1 1 〇 ]時所得者。在實例5與比較例3， N -通道]VfOS裝置具有以下之參數： 通道尺寸：寬度與長度均1 Am 晶圓捧染物/劑量：棚/ 1 X 1 0 1 3公分-2 氧化物膜在晶圓上之厚度：3,〇〇〇4 通道摻染物/劑量:硼/2xlOu公分-2 閘極氧化物膜之厚度：2 〇 〇 4 依照此具體實施例，半導體裝置藉由使用所得之傾斜表面 石夕晶圓作爲基材’使得將所需之階梯狀結晶構造傾斜切片後 ，藉指定之熱處理而重建，及藉由在階梯狀結晶構造之相同 階梯表面内形成電子運輸用之活性區域而形成。結果，電子 移動性増加’而且如交換速度之操作速度因而増加，有助於 高性能積體電路之提供。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ί 裝------訂-----4球 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)
Claims (1)
- ο圍 4範 8 J 4 Μ ο專 1請 5申 8文 第中 專 案月 請11 申年 6 利-(8 ABCD 86.年 11 經濟部令央標準局男工消费合作社印製 六、申請專利範圍 1. —種形成傾斜表面矽晶圓之方法，包含以下步驟 將包含自平面（GG1)傾斜’使得傾斜表面之法線自方向 [〇(π]朝向方向[uo]傾斜「至〇 2。之傾斜表面之 單晶石夕晶圓切片； 清潔矽晶圓；及 在含不超過0.1 ppm之氮之超純氬氣氛，於6〇〇13〇〇1 熱處理不少於1分鐘，而造成倾斜表面具有包括階梯壁Sa 與S b之階梯狀結晶表面構造。 2. 根據申請專利範.圍第!項之方法，進一步包含以使用原子 間力顯微鏡之觀察’證實階梯狀結晶構造之形成之步驟 〇 3·—種包含傾斜表面之傾斜表面矽晶圓，係由根據申請專 利範圍第1項之方法所製成，其自平面（〇〇1)傾斜，使得 倾斜表面之法線自方向[〇〇1]朝向方向[11〇]傾斜 至0.2 ，傾斜表面具有包括規則性高之階梯壁Sa與Sb 之階梯狀結晶表面構造。 ' 4. 根據申請專利範園第3項之傾斜表面矽晶圓，其中階梯狀 結晶構造之形成藉由使用原子間力顯微鏡之觀察而證實 〇 5. —種形成傾斜表面矽晶圓之方法，包含以下步躁： 將包含自平面（001)傾斜，健得傾斜表面之法線自方向 [〇〇1]朝向方向[110]傾斜0.01。至02。之傾斜表面之 單晶带晶圓切片； 清潔珍晶圓；及 本紙張尺度it用悄國家揉準（CNS ) Α4^_ (.2敝297公羞） 一—裝------訂-----叫線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 。在含不超過01 PPm之氮之超純氫氣氛，於6〇〇-1，300 C熱處理不少於丨分鐘，而造成傾斜表面具有實質上所有 疋階梯壁爲階梯壁Sa之階梯狀結晶表面構造。 6.根據申請專利範圍第5項之方法，進—步包含以使用原子 間力顯微鏡之觀察，證實階梯狀結晶構造之形成之步驟 〇 7_ 包含傾斜表面之傾斜表面矽晶圓，根據申請專利範 園第5項之方法所製成，其自平面（〇〇1)傾斜，使得傾斜 表面之法線自方向[001]朝向方向[11〇]傾斜〇 〇ιβ至 0.2。’料表面具有實質上所有之階梯壁爲規則性高之 階梯壁S a之階梯狀結晶表面構造。 8.根據申請專利範圍第7項之傾斜表面矽晶圓，其中階梯狀 結晶構造之形成藉由使用原子間力顯微鏡之觀察而證實 〇 9·—種半導體裝置，包含： 作爲基材之傾斜表面硬晶圓，具有已藉由清潔，及在 預先決定之氣氛熱處理已朝向特定結晶方向以〇〇厂至5 。之傾斜角切片之石夕晶圓，而重建之階梯狀結晶表面構 造；及 形成於梯狀結晶表面構造之單階梯層之載體運輸層。 10.根據申請專利範圍第9項之半4^體裝置，其斜1 晶圓之表面自方向（0(H)傾斜，使得表面之法線自方向 [〇〇1]朝向方向[11〇]傾斜。 II根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中半導體裝置 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（210 X 297公釐） 歲—裝 訂 叫線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ABCD 六、申請專利範圍 爲具有配置於單階梯層之源極、閘極、與汲極之MOS裝 置。 12. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中預先決定之 氣氛爲氬氣氛。 13. 根據申請專利範圍第9項之半導體裝置，其中預先決定之 氣氛爲氫氣氛。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消费合作社印装 -3- 本纸張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）
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