(57)【要約】  表面に原子一層のステップで段状とされた複数のテラスが形成されているシリコンウェーハにおいて、スリップラインが存在しない。
2013150636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理装置のシリコンウェーハの熱処理空間に熱処理雰囲気ガスを外部から導入するためのガス輸送路が前記熱処理装置との継部において分離された二重空間構造を有し、該二重空間構造は、内空間が前記熱処理空間に連通し、外空間は前記熱処理空間には連通しておらず輸送されるガスを外部に排気する構造であり、シリコンウェーハの熱処理過程において、前記内空間に前記熱処理雰囲気ガスを流し前記外空間に前記熱処理雰囲気ガス若しくは前記熱処理雰囲気ガス同等のガスを流すことを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法
【請求項２】
表面熱処理によるシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法において、熱処理装置内のシリコンウェーハが設置された熱処理空間に、水分含有量０．２vol.ppb以下、酸素含有量０．１vol.ppb以下の純度の熱処理雰囲気ガスを導入しつつ熱処理温度９００℃以下で熱処理することを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法。
【請求項３】
表面熱処理によるシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法において、熱処理装置内のシリコンウェーハが設置された熱処理空間に、水分含有量０．０２vol.ppb以下、酸素含有量０．０１vol.ppb以下の純度の熱処理雰囲気ガスを導入しつつ熱処理温度９００℃以下で熱処理することを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法。
【請求項４】
請求項１において、更に、シリコンウェーハが設置された前記熱処理空間に、水分含有量０．２vol.ppb以下、酸素含有量０．１vol.ppb以下の純度の熱処理雰囲気ガスを導入しつつ熱処理温度９００℃以下で熱処理することを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法。
【請求項５】
内側に熱処理空間を規定し、且つ、二重構造の外在チューブと、当該外在チューブの外側に設けられたヒータと、前記熱処理空間内に設けられ、不活性ガスを導入、排出する内在チューブと、前記内在チューブの内側に配置されたウェーハセッテング台とを有し、
前記外在チューブは、前記二重構造内部に規定されるガス流通路を備え、
前記内在チューブの前記不活性ガスを導入、排出する部分は、前記不活性ガスの導入、排出用フランジと、当該不活性ガス導入、排出用フランジの内側に、不活性ガスを導くパイプを備えていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項６】
請求項５において、前記外在チューブの前記ガス流通路には、不活性ガスが流されることを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、更に、前記内在チューブはＯリングを介して、取り付けられており、前記Ｏリングには、前記熱処理空間の外側から、不活性ガスが供給されていることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置を作成するためのシリコンウェーハ表面の平坦化処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置を作成するためのシリコンウェーハ表面の凹凸は、例えば、非特許文献１に示されているように、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の電流駆動能力の向上を妨げる要因であり、表面を極力、平坦にすることが求められる。【０００３】
一方、１２００℃のＡｒ雰囲気でシリコンウェーハを熱処理すると原子レベルのステップおよびテラス構造が現れる究極の平坦表面が形成できることが報告されている（非特許文献２）。【０００４】
しかし、１２００℃という高温処理では量産を考えた場合、現実的ではない。【０００５】
これに対して、特許文献１には、高純度Ａｒガスの雰囲気中で、８５０℃で熱処理することで２００ｍｍφのウェーハ表面をスリップラインレスの原子オーダー平坦化とすることができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２０１１／０９６４１７Ａ１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Ohmi, K. Kotani, A. Teramoto, and M. Miyashita, IEEE Elec. Dev. Lett., 12, 652 (1991).
【非特許文献２】L. Zhong, A. Hojo, Y. Matsushita, Y. Aiba, K. Hayashi, R. Takeda, H. Shirai, and H. Saito, Phy. Rev. B. 54, 2304 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法によれば確かに、高純度Ａｒガスの雰囲気中で８５０℃の低温で２００ｍｍφのような大口径シリコンウェーハを熱処理してもスリップラインと呼ばれる結晶欠陥が形成されないと記載されてあるが、量産に適しているのか、更に大口径のシリコンウェーハにまで適用できるか、仮に適用できるとしても歩留まりは大量生産に適する程に高歩留まりであるか、等々については特許文献１では未提案である。【０００９】
即ち、特許文献１は、多数の大口径シリコンウェーハを連続的、継続的に処理し、量産した場合にも、結晶欠陥の形成を防止できるかどうかについては開示されていない。【００１０】
本発明は、スリップラインレスの原子オーダー平坦化された大口径シリコンウェーハを量産する際における課題を追求して、量産化を実現しようとするものである。【００１１】
具体的には、本発明の目的の一つは、２００ｍｍφ以上の大口径とした場合でもスリップラインレスの原子オーダー平坦化処理が歩留まり良くなされ且つ熱処理装置を繰り返し使用しても初期のウェーハと同等の原子オーダー表面平坦性を有するシリコンウェーハが高歩留りで得られるシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法を提供することにある。【００１２】
本発明のもう一つの目的は、より純度の高い熱処理雰囲気ガスを使用することでより大口径のウェーハに対してより低温でより少ないガス使用量でよりスピーディに原子オーダー平坦化表面処理が高歩留りで行えるシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、熱処理装置のシリコンウェーハの熱処理空間に熱処理雰囲気ガスを外部から導入するためのガス輸送路が前記熱処理装置との継部において分離された二重空間構造を有し、該二重空間構造は、内空間が前記熱処理空間に連通し、外空間は前記熱処理空間には連通しておらず輸送されるガスを外部に排気する構造であり、シリコンウェーハの熱処理過程において、前記内空間に前記熱処理雰囲気ガスを流し前記外空間に前記熱処理雰囲気ガス若しくは前記熱処理雰囲気ガス同等のガスを流すことを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法が提供される。【００１４】
本発明の第２の態様によれば、表面熱処理によるシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法において、熱処理装置内のシリコンウェーハが設置された熱処理空間に、水分含有量０．２vol.ppb以下、酸素含有量０．１vol.ppb以下の純度の熱処理雰囲気ガスを導入しつつ熱処理温度９００℃以下で熱処理することを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法が提供される。【００１５】
本発明の第３の態様によれば、前記第２の態様において、水分含有量０．０１vol.ppb以下、酸素含有量０．０２vol.ppb以下の純度の熱処理雰囲気ガスを導入しつつ熱処理温度９００℃以下で熱処理することを特徴とするシリコンウェーハの原子オーダー平坦化表面処理方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、２００mmφ以上の大面積のウェーハであっても原子オーダーの表面平坦性を有し且つスリップラインが存在しないシリコンウェーハを提供することができる。【００１７】
又、別には、本発明によれば、より純度の高い熱処理雰囲気ガスを継続的に使用することで、より大口径のウェーハに対してより低温でより少ないガス使用量でよりスピーディに原子オーダー平坦化表面処理が高歩留りで行える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】シリコンウェハーを種々の条件で熱処理した際にＸ線トポグラフィーの結果（試料数４）を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るシリコンウェーハのオフ角とテラス幅の関係を説明するための模式的説明図である。
【図３】本発明の実施例で使用される好適な熱処理装置の一つである典型的具体例を説明するための模式的説明図である。
【図４】図３に示された部分Ａを拡大して説明するための模式的説明図である。
【図５】図３に示された部分Ｂを拡大して説明するための模式的説明図である。
【図６】（ａ）は、図３に示された部分Ｃを拡大して説明するための模式的説明図であり、ここでは、関連技術で使用している構造を示している。（ｂ）は、図３に示された部分Ｃを拡大して説明する模式的説明図であり、ここでは、本発明において使用される構造を示している。
【図７】実施例１、４−１および比較例１、２の試料表面のＡＦＭ像を示す写真図である。
【図８】本実施形態に係るシリコンウェーハ上にＭＯＳＦＥＴを形成した場合の一例を示す模式的平面図である。
【図９】図８のソース−ドレイン方向の模式的断面図である。
【図１０】実施例１の熱処理時の温度プロファイルを示すグラフである。
【図１１】実施例５および比較例３〜５の酸化前と酸化後（処理前と処理後）の試料表面のＡＦＭ像を示す写真図である。
【図１２】実施例６および比較例６のドレイン電圧−ドレイン電流特性を示す図である。
【図１３】実施例４−１の試料表面のＡＦＭ像を示す写真図である。
【図１４】累積故障率（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ  Ｆａｉｌｕｒｅ「％」）の評価結果（評価面積 ：１ｍｍ× １ｍｍ）を示す図である。
【図１５】累積故障率（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ  Ｆａｉｌｕｒｅ「％」）の評価結果（評価面積 ：４ｍｍ× ４ｍｍ）を示す図である。
【図１６】熱処理温度とＡｒ流量の平坦化処理への影響度合いを評価した実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。最初に、本実施形態に係るシリコンウェーハについて簡単に説明する。
【００２０】
本発明の表面処理方法によって原子オーダー平坦化表面処理が施されたシリコンウェーハは、表面に原子一層のステップで段状とされた複数のテラスが形成されており、スリップラインが存在しないものである。
【００２１】
ここで、「スリップライン」とは、シリコンウェーハを熱処理した際に、規則正しく並んでいるシリコン原子が高温のためにずれることで起こる一種の「結晶欠陥」を意味するものである。  即ち、本発明の表面処理方法によって得られるシリコンウェーハは結晶欠陥フリーの構造を有している。
【００２２】
また、表面に原子オーダーのステップで段状とされた複数のテラスが形成されている状態とは、図２に示すような状態のことを意味する。
【００２３】
図２で模式的に示すように、本実施形態に係るシリコンウェーハの表面はオフ角（θ）だけＪｕｓｔ（１００）面から傾いている。
【００２４】
なお、図２は、基板表面の結晶が（１００）面であり、＜０１−１＞方向に対して、＜０１１＞方向に３６°傾けた方向の（１００）面に対して、オフ角として０．０６°だけ面方位を傾けた場合を示している。
【００２５】
図２に示すように、原子レベルにおいては、基板表面がオフ角（θ）だけ傾いている場合には、その表面の格子点が異なる。この表面の格子点が切り替わる位置がステップＳＡ、ＳＢとなる。このステップの高さは、シリコン（１００）表面の１原子ステップである０．１３ｎｍである。
【００２６】
このときのステップとテラスの数は、図２に示してある通り、（１）式で表される。 
Ｌ＝０．１３／ｔａｎθ （ｎｍ）      …（１）
Ｌ：テラス幅、θ：（１００）面からのオフ角
【００２７】
テラス幅は原子レベルでは数原子のばらつきがある。しかし、そのばらつきはｎｍオーダーで小さく、特性への影響が無視できるか、影響があるとしても極小さな範囲内である。そのためテラス幅は実質的に同じ幅であるといえる。またステップの方向も一直線ではなく、原子レベルでは数原子の凹凸があるが、その凹凸もｎｍオーダーで小さく、特性への影響が無視できるか、影響があるとしても極小さな範囲内である。従って実質的に直線的で一方向と見なせることから、ステップは実質的に同一方向に形成されているといえる。本発明者等は、ＡＦＭ像から得られたテラス幅LとX線回折測定で得られたオフ角の関係は（１）式の結果とよく一致していることを確認している。
【００２８】
つまり、シリコン表面に形成されるステップは原子一層であり、さらにオフ角も、同様に平均的な角度として、実質的に同じ角度であると見做せる。以下の記載においては、単にステップ方向は同一方向、テラス幅は同じ幅、またオフ角は同じ角度で形成されていると表記する。
【００２９】
このように、表面に原子一層のステップで段状とされた複数のテラスが形成されており、かつ、スリップラインが存在しないシリコンウェーハを得るためには、熱処理装置のシリコンウェーハの熱処理空間に熱処理雰囲気ガスを外部から導入するためのガス輸送路が前記熱処理装置との継部において分離された二重空間構造を有し、該二重空間構造は、内空間が前記熱処理空間に連通し、外空間は前記熱処理空間には連通しておらず輸送されるガスを外部に排気する構造であり、シリコンウェーハの熱処理過程において、前記内空間に前記熱処理雰囲気ガスを流し前記外空間に前記熱処理雰囲気ガス若しくは前記熱処理雰囲気ガス同等のガスを流すことで原子オーダー平坦化表面処理を行えばよい。
【００３０】
本発明を具現化するのに好適に使用される熱処理装置の一例の模式的説明図が図３に示される。図３に示される熱処理装置３００は、上部設置台３０１と下部設置台３０２とを有し、両者は二層構造となっている。
【００３１】
上部設置台３０１には、外在チューブ３０３が設置され、外在チューブ３０３内部には、図の外側から、ＳｉＣ（炭化ケイ素）チューブ３０４、内在チューブ３０５、ウェーハセッテング台３０６が配置されている。
【００３２】
外在チューブ３０３は、例えば石英などの高耐熱性のガラス質材料で構成され、中空が設けられた二重構造を有する円筒構造である。外在チューブ３０３には、図示されてあるようにガス流入口３０７、ガス排気口３０８を有し、ガス流入口３０７からガス排気口３０８に向かって二重構造の中空部３０９をガスが流されるようになっている。外在チューブ３０３の外側には、所望のピッチで設けたヒータ３１０が取り付けられてある。
【００３３】
熱処理を長時間又は繰り返し行う際、外在チューブ３０３を外から内部観察しやすいように石英で構成してあると、ヒータ３１０に原因する金属が外在チューブ３０３を通過して熱処理装置内に僅かではあるが侵入してくる。この点を防止する目的で、外在チューブ３０３の中空部３０９に不活性ガス、例えばＡｒガスを流して熱処理空間に金属が侵入して来ないようにする。
【００３４】
この点の詳細について図４を用いて説明する。外在チューブ３０３の外側にあるヒータワイヤー３１０aが熱処理装置内の熱処理温度を維持するために発熱を続けていると、ヒータワイヤー３１０aから金属が遊離し浮遊金属４０１となり、当該浮遊金属４０１が外在チューブ３０３の外壁３０３aを通過し装置内部に侵入してくる。
【００３５】
その際、外在チューブ３０３の中空部３０９に予め不活性ガス、例えばＡｒガスの流れを形成しておくと、遊離した金属は、ガスの流れによってＡｒガスとともにガス排出口３０８から装置外部排出され、外在チューブ３０３の内壁３０３bを通過して装置の更に内部に侵入することはない。
【００３６】
外在チューブ３０３と内在チューブ３０５の間の空間は、熱処理中は、必要に応じて所望の真空度に保持されて内在チューブ３０５内の清浄維持が図れるようになっている。
【００３７】
内在チューブ３０５の外側には、外部から熱処理雰囲気ガスを内在チューブ３０５内に導入するためのガス流路３１１が設けられてある。該ガス流路３１１は内在チューブ３０５の上部に設けたガス導入口手段３１２に連通しているとともに上流側に、外部から熱処理雰囲気ガスを取り入れるためのガス導入路３１３を有する。
【００３８】
ガス導入口手段３１２は、内在チューブ３０５内に導入ガスを導入するための細孔が所望の仕様と設計に従って設けられている。内在チューブ３０５は、下部設置台３０２付近まで下方に延在し、上部設置台３０１と下部設置台３０２の中間位置で内在チューブ３０５内の熱処理雰囲気ガスを排気するためのガス排気路３１４と連通している。
【００３９】
ウェーハセッテング台３０６には、内側にウェーハをセットするための溝が所定数設けてあり、一枚から多数枚同時に熱処理できるような構造を有している。
【００４０】
ウェーハセッテング台３０６に、ウェーハをセッテングする場合、図３に示してあるように、熱処理を施すウェーハ（プロセスウェーハ３１８）の上下位置にダミーウェーハ３１９を所定枚数配して、プロセスウェーハ３１８の全面が均一一様に加熱・維持されるようにする。このことにより、プロセスウェーハ３１８の被熱処理面全面が均一一様温度に維持される。
【００４１】
ウェーハセッテング台３０６の下部には、ウェーハセッテング台３０６が置かれる空間における熱分布を均一一様にするために、ヒートインシュレーション構造体３１５が配されてある。ヒートインシュレーション構造体３１５は、例えば、石英等で出来たラダー構造体であるのが好ましい。特に、発泡石英でつくれば、形状も任意に出来、見かけの熱容量も大きくすることができるので望ましい。
【００４２】
ガス導入路３１３、ガス排気路３１４には、図示されるように外部配管３１６a、３１６bが夫々接続される。
【００４３】
本発明に於いては、この外部配管の接続位置（点線丸の矢印で示した部分Ｂ）やＯリング等でシーリングする箇所（点線丸の矢印で示した部分Ｃ）に以下に示す工夫を施す。
【００４４】
先ず、部分Ｂを拡大して示す図５に沿って説明する。図５の（a）は、関連技術による方法、（b）は本発明の方法を説明するものである。
【００４５】
配管に継部があると如何に厳重にシールしても長時間の使用、繰り返し数の増加に伴って僅かではあるが、継部５００から大気が侵入し熱処理雰囲気を変動させて仕舞うことが本発明者らによって明らかにされた。どんなに純化した熱処理雰囲気ガスを使用していても、時間の経過とともに継部から大気成分が徐々に侵入して熱処理空間に逆拡散し、熱処理雰囲気を汚染してしまう。汚染の原因の大気成分の量は極僅かではあるが、水成分や酸素成分であると、譬え極微量でも熱処理に大きく影響し、目的とする原子オーダーの平坦性を有し且つスリップラインレスの大面積シリコンウェーハを生産性良く生産することが出来なくなる。即ち、スリップラインレスの大面積シリコンウェーハを量産することができなくなってしまう。
【００４６】
ガス導入路３１３を構成する石英管５０１と外部配管３１６aは、接続されて外部より熱処理雰囲気ガスを熱処理装置の熱処理空間に導入できるようにする。
【００４７】
本発明者らの研究結果では、熱処理装置を長時間使用したり繰り返し使用したりすると接続位置（継部５００）での接続をより確実にして大気侵入遮断を試みても継時的変化が伴われ次第に継部５００から大気が侵入してくるようになる。
【００４８】
これを防止するために、本発明では、図５（ｂ）に示すように、継部５００の周囲を一対のパージ用フランジ５０２a、５０２bで囲い、継部５００とフランジ５０２の間の空間にパージ用のガスを所望の相対的正圧で流すことで継部５００からの大気の侵入を完全に阻止できるように構造的工夫を施してある。パージ用のガスは、パイプ５０３から導入される。
【００４９】
パージ用のガスとしては、熱処理雰囲気ガスと同一種のガスか同等のガスを用いる。特に、好ましくは、熱処理雰囲気ガスと同一種のガスを使用するのが望ましい。
【００５０】
図５（ｂ）では、熱処理雰囲気ガスのガス導入路３１３の部分を説明したが、ガス排気路３１４の部分も同様の構造とされる。
【００５１】
次に、図６に沿って、Ｏリング等でシーリングする箇所（点線丸の矢印で示した部分Ｃ）の本発明における構造的工夫を説明する。図６の（a）は、関連技術に係る構造、（b）は本発明に係る構造を示すものである。
【００５２】
図５でも説明したように、Ｏリング等で如何に精巧にシーリングして気密性を維持しようとしても長時間にわたる継時変化は、特に熱が加わる場合の継時変化は、その気密性を低下させ、装置とＯリングの僅かな隙間から次第に大気が侵入するようになる。これを防止する目的で、図６（b）に示す様に、取り付けフランジ６０２内部にパージ流路６０３を設けてパージガスを所望の相対的正圧で流すことで、大気の装置内部への侵入を完全に防止する。
【００５３】
本発明者らの研究によると、市販されている比較的入手しやすい高純度アルゴン（Ａｒ）ガスを熱処理雰囲気ガスとして使用し従来構造の熱処理装置で、可也の高温、例えば１２００℃前後で熱処理を行えば、スリップラインレスのシリコンウェーハを形成することが出来るが、それでも、２００ｍｍφ程度の大面積ウェーハとなるとウェーハ表面全域に亘ってスリップラインレスの原子オーダー平坦性を得るのは生産性を考慮すると実質上難しいという結論が得られている。
【００５４】
市販されている比較的入手しやすい高純度アルゴン（Ａｒ）ガスの純度は、ガスの品質規格表示では、Grade1（Ｇ１）クラスのもので、９９．９９９９vol%超であり、酸素（Ｏ２）含有量は、０．１vol.ppm未満、水分（Ｈ２Ｏ）の含有量は、露点表示で、-８０℃未満である。
【００５５】
本発明者らの先の出願（特許文献１）では、アルゴン（Ａｒ）ガスの純度を更に高め、水分含有量０．２vol.ppb以下、酸素含有量０．１vol.ppb以下としたアルゴン（Ａｒ）ガスを使用することで、２００ｍｍφ程度の大面積ウェーハ表面全域に亘ってスリップラインレスの原子オーダー平坦性を有するシリコンウェーハが、しかも８００〜９００℃という従来に比べ遥かに低温の領域で熱処理を行うことで得られることが示されている。
【００５６】
前述した本発明の第１および第３の態様は、この技術を更に発展させたものであり、２００ｍｍφ以上の大口径シリコンウェーハに対してもスリップラインレスの原子オーダー平坦化処理が高歩留りで生産性良く実施でき、大量生産に最適な原子オーダー表面平坦化処理法である。
【００５７】
更に、前述した本発明の第３の態様では、より純度の高い熱処理雰囲気ガスを使用することでより大口径のウェーハに対してより低温でより少ないガス使用量でよりスピーディに原子オーダー平坦化表面処理が高歩留りで行える。
【００５８】
この際に使用する内在チューブ３０５は、好ましくはできる限り純度化を図ったものを使用するのが望ましい。
【００５９】
本発明に於いては、熱処理雰囲気ガスとしては、シリコンウェーハ表面に対して不活性（非反応性）なガス種が使用される。そのようなガスとして、好ましくはＡｒ（アルゴン）やＨｅ（ヘリウム）などの希ガス、Ｎ２（窒素）、などの不活性ガス若しくはこれらのガスを２種以上混合した混合ガスを使用するのが望ましい。特に、本発明に於いては、Ａｒ（アルゴン）の使用が望ましい。
【００６０】
熱処理の際の温度を９００度以下とするのが望ましい。熱処理温度を９００℃以下とすることにより、シリコンウェーハを３００ｍｍφ以上の大口径にした場合においても、スリップラインのないウェーハが得られる。
【００６１】
ただし、あまり低温での熱処理では原子オーダーで平坦な表面が得られないため、熱処理の際の温度は、好ましくは、７００℃以上、より好ましくは、７５０℃以上、更に好ましくは、８００℃以上とするのが望ましい。即ち、熱処理の際の温度は７００℃〜９００℃の範囲が好ましい。
【００６２】
このように、表面に原子一層のステップで段状とされた複数のテラスが形成されており、かつスリップラインが存在しないシリコンウェーハは、ＭＯＳＦＥＴを形成する場合に、ＭＯＳＦＥＴの電流駆動能力を劣化させることなく、かつ歩留まりよくＭＯＳＦＥＴを形成できる。
【００６３】
ここで、本実施形態に係るシリコンウェーハを使用したＭＯＳＦＥＴの形成方法について、図８および図９を参照して説明する。
【００６４】
まず、上記処理（９００℃以下での熱処理）が行われた半導体基板９０１（シリコンウェーハ、シリコン基板）の表面を、アルカリ溶液を用いない洗浄法によって洗浄する。
【００６５】
次に、図９に示すように、例えばプラズマによって発生させた酸素ラジカルによって基板表面を直接酸化するラジカル酸化法によりＳｉＯ２膜９０２を形成したのち、ＣＶＤ法等によってＳｉＯ２膜９０３を形成する。
【００６６】
次に、フォトリソグラフィー法等を用いて、ＭＯＳトランジスタが作成される活性化領域を開口する。このとき図８に示すように、ソース−ドレインの方向にステップが存在しないように、（キャリア走行方向にステップが交差しないように）、ステップと平行方向をキャリア走行方向とするのが望ましい。このような構成とすることで、キャリア走行方向にはラフネスが極めて小さく、キャリア移動度が大きいＭＯＳＦＥＴが実現できる。
【００６７】
なお、図８では、＜０１−１＞方向に対して、＜０１１＞方向に５４°傾いた方向にソース−ドレインを設定した場合を例示している。
【００６８】
次に、図９に示すように、フォトレジストをマスク材料として開口部分のＳｉＯ２膜９０２およびＳｉＯ２膜９０３を除去し、フォトレジストを除去する。なお、開口はトランジスタをそれぞれ設けるべき複数（多数）の部分に形成するが、図８および図９ではそのうち１個の開口部分、１個のトランジスタを示している。その後、アルカリ溶液を用いない洗浄法で露出半導体表面を洗浄したのち、ラジカル酸化によってゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜９０４を形成し、ゲート電極９０５として多結晶ポリシリコンを形成する。なお、ラジカル酸化法のような等方的酸化法であれば膜厚によらず界面平坦度は劣化しない。また、ゲート絶縁膜はラジカル窒化により形成してもよいし、ラジカル酸化とラジカル窒化を組み合わせて形成してもよい。
【００６９】
この後は、公知のＭＯＳＦＥＴ形成方法によって、ＭＯＳＦＥＴを形成する。
【００７０】
具体的には、ソース拡散層９０６およびドレイン拡散層９０７の形成、層間絶縁膜９０８の成膜、コンタクトホールの開口、ゲート取り出し電極９０９、ソース取り出し電極９１０およびドレイン取り出し電極９１１を形成することで、図９に示すようなＭＯＳＦＥＴを形成する。
【００７１】
なお、ＭＯＳＦＥＴの形成方法は特に限定されない。ゲート絶縁膜を形成する方法は、例えば等方的に半導体基板を酸化する方法や、窒化する方法を用いれば良い。また多数形成したトランジスタ間の素子分離方法は、ＳＴＩ（Shallow trench Isolation）、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法等を用いてもよく、活性領域表面の洗浄方法、酸化膜、窒化膜形成方法も、膜厚が同程度であればよい。
【００７２】
このように、本実施形態によれば、シリコンウェーハは表面に原子一層のステップで段状とされた複数のテラスが形成されており、かつスリップラインが存在しないように構成されている。
【００７３】
そのため、当該シリコンウェーハを用いることにより、ウェーハが大口径（２００ｍｍφ以上）の場合でも歩留まりよくＭＯＳＦＥＴおよびそれで構成された回路を製造できる。
【実施例】
【００７４】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。【００７５】
＜スリップラインの評価＞
表面が（１００）配向のシリコンウェーハを種々の熱処理温度で加熱した試料を作成し、スリップラインの有無を評価した。具体的な手順は以下の通りである。【００７６】
（１）試料の作製
（実施例１）
まず、口径２００mmφ、表面が（１００）配向のシリコンウェーハを用意し、以下の手順でシリコンウェーハ表面の洗浄を行った。まず、Ｏ３水を用いてシリコンウェーハ表面を１０分間洗浄し、希ＨＦ（０．５wt%）を用いて１分間洗浄し、最後に、超純水リンスを３分行った。【００７７】
その後、シリコンウェーハを図３に示す熱処理装置内に載置し、水分が０．２ｐｐｂ以下、Ｏ２が０．１ｐｐｂ以下のＡｒを２０Ｌ／ｍｉｎ流しながら熱処理温度８５０℃、熱処理時間１８０分の条件下で熱処理を行った。【００７８】
但し、熱処理過程中、図４，５，６で説明した様には実施せず、前述の特許文献１の図９に記載されてある熱処理装置で行えるのと同等の熱処理装置条件にした。【００７９】
具体的には、まずシリコンウェーハが３０℃の状態から図１０に示す温度シーケンスでシリコンウェーハを８５０℃まで昇温し、８５０℃で１８０分保持した。その後、図１０に示す温度シーケンスでシリコンウェーハが３０℃になるまで降温した。以上の手順により、試料を作製した。【００８０】
（実施例２）
Ａｒ流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、熱処理時間（保持時間）を５４０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８１】
（実施例３）
Ａｒ流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、熱処理時間（保持時間）を２７０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８２】
（実施例４−１）
Ａｒ流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、熱処理温度を９００℃、熱処理時間を（保持時間）６０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８３】
（実施例４−２）
Ａｒ流量を１４Ｌ／ｍｉｎとし、熱処理温度を８００℃とし、熱処理時間を（保持時間）９０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８４】
（比較例１）
Ａｒ流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、熱処理温度（保持温度）を１１００℃、熱処理時間（保持時間）を６０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８５】
（比較例２）
Ａｒ流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、熱処理温度（保持温度）を１２００℃、熱処理時間（保持時間）を６０分としたこと以外は実施例１と同様の条件で試料を作製した。【００８６】
（２）試料の評価
Ｘ線トポグラフィー（X-ray diffraction topography）を用いて、作製した試料のスリップラインの有無を評価した。なお、評価には理学電機社製RU-300を用い、透過Ｘ線のトポグラフより、スリップラインの有無を評価した。【００８７】
また、試料の表面をＡＦＭ（セイコーインスツル社製SPI400）を用いて観察した。試料のオフ角及び方向はX線回折装置（PANalitycal社製X’pert Pro）を用いて計測した。【００８８】
評価結果を表１に、実施例１、２、４（４−１、４−２）および比較例１の透過Ｘ線トポグラフを図１に示す。 
また、実施例１、４−１、比較例１、２のＡＦＭ像を図７に示す。【００８９】
さらに、実施例４−２のＡＦＭ像を図１３に示す。上端、下端、左端、右端のＡＦＭ像は、それぞれウェーハのエッジから５ｍｍの場所でのものであり、中央のＡＦＭ像は中央部（ウエハーエッジから１００ｍｍ）でのものであり、中央部と上端、下端、左端、右端それぞれとの間のＡＦＭ像は、それぞれウェーハのエッジから５０ｍｍの場所でのものである。【００９０】
【表１】
2013150636.tif 000003
【００９１】
表１、および図１、図１３から明らかなように、９００℃以下で熱処理した試料（実施例１〜４（４−１、４−２））はいずれもスリップラインが現れず、熱処理による結晶欠陥が生じていないことが分かった。なお、その他の面欠陥や点欠陥も観察されなかった。【００９２】
一方、比較例１、２はスリップラインが観察され（図１（ａ）参照）、熱処理により結晶欠陥が生じていることが分かった。【００９３】
また、図７、図１３から明らかなように、いずれの試料も、表面に原子オーダーのステップで段状とされた複数のテラスが形成されているのが観察され、原子オーダーで平坦な表面が得られることが分かった。【００９４】
＜ラジカル酸化による表面凹凸の評価＞
得られた試料の表面に種々の処理を施し、平坦面の形状を評価した。具体的な手順は以下の通りである。【００９５】
（１）試料の作製
（実施例５）
実施例１の試料に対して東京エレクトロン社製マイクロ波励起プラズマ装置を用いて温度４００℃、１３３Pa、Kr/O2の流量比９８／２の条件にてラジカル酸化を行い、６ｎｍの酸化層を形成した。その後に３６wt％HCｌと５０wt％HFを19/1で混合した溶液を用いて酸化膜を除去した。なお、酸化膜が除去されたかどうかは疎水性になったことを確認することにより判断した。【００９６】
（比較例３）
実施例１の試料に対して東京エレクトロン社製α-8を用いてO2雰囲気下で、温度９００℃で１０分間、試料を加熱することにより表面を熱酸化し、６ｎｍの酸化層を形成した。その後に３６wt％HCｌと５０wt％HFを19/1で混合した溶液を用いて酸化膜を除去した。なお、酸化膜が除去されたかどうかは疎水性になったことを確認することにより判断した。【００９７】
（比較例４）
実施例１の試料に対して東京エレクトロン社製α-8を用いてO2雰囲気下で、１０００℃で１０分間、試料を加熱することにより表面を熱酸化し、１７ｎｍの酸化層を形成した。その後に３６wt％HCｌと５０wt％HFを19/1で混合した溶液を用いて酸化膜を除去した。なお、酸化膜が除去されたかどうかは疎水性になったことを確認することにより判断した。【００９８】
（比較例５）
実施例１の試料に対して３６wt％HCｌと５０wt％HFを19/1で混合した溶液で１分洗浄を行い、その後に超純水リンスを５分間行った（即ち、表面を酸化しなかった）。【００９９】
（２）試料の評価
次に、実施例５および比較例３〜５の酸化前後（比較例５は洗浄前後）の表面形状をＡＦＭで観察した。結果を図１１に示す。なお、図１１のＡＦＭ像は1μm角である。【０１００】
図１１に示すように、ラジカル酸化を行った試料（実施例５）は酸化後も表面のステップとテラスが明確に現れており、原子オーダーでの表面の平坦性が維持されていることが分かった。【０１０１】
一方、熱酸化を行った試料（比較例３、４）はステップとテラスが不明瞭になっており、原子オーダーでの表面の平坦性が悪化していることが分かった。【０１０２】
＜ＭＯＳＦＥＴの電流電圧特性の評価＞
以下に示す手順で図８および図９に示すようなＭＯＳＦＥＴを作製し、ドレイン電流−ドレイン電圧（ＩＤ−ＶＤ）特性を評価した。【０１０３】
（１）試料の作製
（実施例６）
まず、実施例１の試料の表面を、T. Ohmi, "Total room temperature wet cleaning Si substrate surface,” J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 9, pp.2957-2964, Sep. 1996.に記載されたアルカリ溶液を用いない洗浄法によって洗浄した。次に、プラズマによって発生させた酸素ラジカルによって基板表面を直接酸化するラジカル酸化法により、温度４００℃の条件にて７ｎｍのＳｉＯ２膜９０２を形成したのち、ＣＶＤ法によって３００ｎｍのＳｉＯ２膜３を形成した。【０１０４】
次に、フォトリソグラフィー法によって、ＭＯＳトランジスタが作成される活性化領域を開口した。【０１０５】
次に、フォトレジストをマスク材料としてＨＣｌ／ＨＦ＝１９／１の溶液で開口部分のＳｉＯ２膜９０２およびＳｉＯ２膜９０３を除去し、フォトレジストをＨ２ＳＯ４／Ｈ２Ｏ２＝４：１溶液で除去した。その後、上述したアルカリ溶液を用いない洗浄法で露出半導体表面を洗浄したのち、ラジカル酸化によってゲート絶縁膜としてＳｉＯ２膜９０４を５．６ｎｍ形成し、ゲート電極９０５として多結晶ポリシリコンを形成した。この後は、公知の手法によりソース拡散層９０６およびドレイン拡散層９０７の形成、層間絶縁膜９０８の成膜、コンタクトホールの開口、ゲート取り出し電極９０９、ソース取り出し電極９１０およびドレイン取り出し電極９１１の形成を行い、図９に示すようなＭＯＳＦＥＴが完成した。【０１０６】
（比較例６）
平坦化処理を行わず、Ｒａ＝０．０６ｎｍとしたほかは実施例５と同様の条件でＭＯＳＦＥＴを作製した。【０１０７】
（２）試料の評価
作製した試料に−３Ｖ〜３Ｖの範囲で０．５Ｖ単位でドレイン電圧を印加し、ドレイン電流を測定した。結果を図１２に示す。【０１０８】
図１２から明らかなように、平坦な界面を有する実施例６のＭＯＳＦＥＴの方が同じゲート電圧、ドレイン電圧の時に比較例６よりも大きいドレイン電流が流れており、良好なＭＯＳＦＥＴが形成されていることが分かった。【０１０９】
＜累積故障率（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ  Ｆａｉｌｕｒｅ「％」）の評価＞
図１４は、評価面積 を１ｍｍ× １ｍｍに設定して、累積故障率の評価を行った結果を示す図である。横軸は、破壊までに流れる電荷量(charges to breakdown)Ｑbdであり、縦軸は累積故障率である。グラフが右寄りにあるほど、性能が良いことになる。【０１１０】
図１４中、（ａ）は熱処理温度を１１００℃に設定して表面を原子レベルで平坦にした場合、（ｂ）は熱処理温度を８００℃に設定して表面を原子レベルで平坦にした場合、（ｃ）は原子レベルに平坦化する処理を行わない場合、（ｄ）は平坦化処理を行った後にAPMにより表面ラフネスを増大させた場合で、それぞれの試料にラジカル酸化法で５．８ｎｍの酸化膜を形成してMOSダイオードを作製して測定した結果をそれぞれ示す。【０１１１】
図１４に示す結果から、Qｂｄがラフネスが大きいもの、すなわち（ｃ）、（ｄ）、に比べて、平坦化したもの、すなわち（ａ）、（ｂ）の方が大きくなっていることが分かる。【０１１２】
図１５は、評価面積 を４ｍｍ× ４ｍｍに設定して、累積故障率の評価を行った結果を同様に示す図である。【０１１３】
図１５中、（ａ）は熱処理温度を１１００℃に設定して表面を原子レベルで平坦にした場合、（ｂ）は熱処理温度を８００℃に設定して表面を原子レベルで平坦にした場合、（ｃ）は原子レベルに平坦化する処理を行わない場合で、それぞれの試料にラジカル酸化法で５．８ｎｍの酸化膜を形成してMOSダイオードを作製して測定した結果をそれぞれ示す。【０１１４】
図１５に示す結果から、大きい面積の試料で評価を行うと、平坦化処理を行うことにより初期故障がなくなっていることが分かる。【０１１５】
（実施例７）
表面が（１００）配向のシリコンウェーハを熱処理温度及び熱処理雰囲気ガスであるＡｒの流量を種々に変えて各試料を作成し、熱処理温度とＡｒ流量の平坦化処理への影響度合いを調べた。スリップラインの有無の評価は、実施例１と同様にして行った。具体的な手順は以下の通りである。【０１１６】
（１）各試料の作製
まず、口径３００mmφ、表面が（１００）配向のシリコンウェーハを用意し、以下の手順でシリコンウェーハ表面の洗浄を行った。【０１１７】
まず、Ｏ３（オゾン）水を用いてシリコンウェーハ表面を１０分間洗浄し、希ＨＦ（０．５wt%）を用いて１分間洗浄し、最後に、超純水リンスを３分行った。【０１１８】
その後、シリコンウェーハを図３に示す熱処理装置内に載置し、水分が０．０２ｐｐｂ以下、Ｏ２が０．０１ｐｐｂ以下の純度のＡｒを流しながら所定の熱処理温度で１８０分間熱処理を行った。【０１１９】
熱処理過程中、図４，５，６で説明した様にして装置内への大気や遊離金属の侵入を完全に防止して実施した。大気侵入防止に使用したガスとしては、Ａｒを用い、内在チューブ３０５内の圧力よりやや高めの圧力で常時流し続けた。【０１２０】
具体的には、まずシリコンウェーハが３０℃の状態から図１０に示す温度シーケンスパターンと同等の温度シーケンスでシリコンウェーハを熱処理維持温度（図１０では８５０℃）まで昇温し、その温度を１８０分保持した。その後、図１０に示す温度シーケンスパターンと同等の温度シーケンスでシリコンウェーハが３０℃になるまで降温した。以上の手順により、試料を作製した。【０１２１】
結果を図１６に示す。どの試料にもスリップラインは観察されなかった。これにより極めて平坦性に優れた表面であることが確認された。【０１２２】
熱処理温度（℃）  Ａｒの流量（slm）
試料１（△）        ８５０            １４
試料２（○）        ８６０            １４
試料３（◇）        ８７５            １４
試料４（□）        ９００            １４
試料５（黒三角）    ８５０            ２８【０１２３】
図１６から明らかなように、同じＡｒの流量なら、熱処理温度が高い方が平坦化処理速度ははやい。同じ熱処理温度ならＡｒの流量の大きい方が平坦化処理速度ははやい。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
上に述べた実施形態では、本発明をＭＯＳＦＥＴに用いた場合についてのみ説明したが、本発明は何らこれに限定されることなく、平坦な表面を有するシリコンウェーハを用いた全ての構造に適用できる。
【図１】
2013150636.tif 000004
【図２】
2013150636.tif 000005
【図３】
2013150636.tif 000006
【図４】
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【図５】
2013150636.tif 000008
【図６】
2013150636.tif 000009
【図７】
2013150636.tif 000010
【図８】
2013150636.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2013150636.tif 000013
【図１１】
2013150636.tif 000014
【図１２】
2013150636.tif 000015
【図１３】
2013150636.tif 000016
【図１４】
2013150636.tif 000017
【図１５】
2013150636.tif 000018
【図１６】
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【国際調査報告】
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2013150636.tif 000022
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