(57)【要約】【課題】ＬＳＩの微細化に適した、原子レベルの平坦面を有するシリコンウェーハおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  平坦面（テラス）が結晶面である段差（ステップ）構造を有するシリコンウェーハであって、シリコンウェーハ表面の任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定領域とした場合に、この測定領域において、段差に概ね垂直方向の、概ね０．３μｍ間隔の１０本の測線に沿って測定された平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、測定領域において、段差に概ね垂直方向の１０本の測線に沿って測定された前記段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分の高さであることを特徴とするシリコンウェーハ。【選択図】図１
2008109011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦面（テラス）が結晶面である段差（ステップ）構造を有するシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハ表面の任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定領域とした場合に、
前記測定領域において、前記段差に概ね垂直方向で、概ね０．３μｍ間隔の１０本の測線に沿って測定された前記平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、
前記１０本の測線に沿って測定された前記段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分の高さであることを特徴とするシリコンウェーハ。
【請求項２】
前記シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜角（オフ角）が、０度以上０．１度以下であり、
前記シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲にあることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ。
【請求項３】
シリコン単結晶インゴットを結晶面に対し０度以上０．１度以下の傾斜角（オフ角）でスライスする工程と、
前記スライスする工程によって得られたシリコンウェーハを、１０２５℃以上１２５０℃以下の温度、３０秒以上２時間以下の時間、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理する工程を有することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記結晶面が（１００）面であることを特徴とする請求項３記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項５】
前記スライスする工程において、前記シリコンウェーハ表面の、前記（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲となるようにスライスすることを特徴とする請求項４記載のシリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記熱処理する工程において、１１００℃以上１２００℃以下の温度、３０分以上２時間以下の時間、水素ガス雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項３ないし請求項５記載のシリコンウェーハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハおよびその製造方法に関し、特にウェーハ表面にステップ構造を有するシリコンウェーハおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去から現在に至るまで、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｕｉｔ）の微細化は、ムーアの法則にしたがって進展してきており、将来においてもこの微細化の流れは継続されていくことと考えられている。例えば、２００６年には、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）のトランジスタのゲート長は２８ｎｍとなることが記載されている（非特許文献１）。
トランジスタのチャネルを流れるキャリアの大部分は、チャネル最表面、すなわち、チャネル表面から深さ３ｎｍ程度の領域を流れていると考えられる。そして、従来、このキャリアの移動度を劣化させる要因として、チャネル不純物、フォノン、あるいはチャネル表面のラフネスによるキャリアの散乱が知られていた。
【０００３】
チャネル不純物による散乱を抑制する技術としては、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｏｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層にトランジスタを形成し、チャネルの完全空乏化を可能にすることで、不純物濃度を下げる技術が提案されている。
また、フォノン散乱を抑制するためには、半導体の格子振動を抑制するため、トランジスタを低温で動作させることが有効である。
そして、表面のラフネスを改善する手段のひとつとして、シリコンウェーハ表面を、アルゴンガス雰囲気中でアニールして、ウェーハ表面のシリコン原子を最構成し、平坦面を形成する技術が開示されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−２６４４０１号公報
【非特許文献１】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００５  ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ  Ｓｕｍｍａｒｙ，ｐ５９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
もっとも、上記のようにトランジスタのチャネル長が５０ｎｍをきるようになってくると、チャネル領域の面積が小さくなるため、チャネル中に存在する不純物は１個以下となってくる。したがって、もはや不純物によるキャリアの散乱は、キャリア移動度劣化の支配要因ではなくなってくる。また、フォノン散乱は、半導体材料とトランジスタの動作温度によって決定されてしまう。
そこで、さらに、キャリア移動度を改善し、微細トランジスタの特性を向上させるためには、特に、チャネル表面のラフネスを原子レベルで制御して平坦化することで、キャリアの散乱を抑制することが重要となってくる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１においては、微細トランジスタのキャリア移動度を低減する上で、最適な原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハおよびその製造方法は必ずしも明らかにされていなかった。
【０００６】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ＬＳＩの微細化に適した、原子レベルの平坦面を有するシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様のシリコンウェーハは、
平坦面（テラス）が結晶面である段差（ステップ）構造を有するシリコンウェーハであって、
前記シリコンウェーハ表面の任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定領域とした場合に、
前記測定領域において、前記段差に概ね垂直方向の、概ね０．３μｍ間隔の１０本の測線に沿って測定された前記平坦面（テラス）の幅（テラス幅）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、
前記１０本の測線に沿って測定された前記段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分の高さであることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜角（オフ角）が、０度以上０．１度以下であり、
前記シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲にあることが望ましい。
【０００９】
本発明の一態様のシリコンウェーハの製造方法は、
シリコン単結晶インゴットを結晶面に対し０度以上０．１度以下の傾斜角（オフ角）でスライスする工程と、
前記スライスする工程によって得られたシリコンウェーハを、１０２５度以上１２５０度以下の温度、３０秒以上２時間以下の時間、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中で熱処理する工程を有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記結晶面が（１００）面であることが望ましい。
【００１１】
ここで、前記スライスする工程において、前記シリコンウェーハ表面の、前記（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲となるようにスライスすることが望ましい。
【００１２】
そして、前記熱処理する工程において、１１００度以上１２００度以下の温度、３０分以上２時間以下の時間、水素ガス雰囲気中で熱処理することが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＬＳＩの微細化に適した、原子レベルの平坦面を有するシリコンウェーハおよびその製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るシリコンウェーハおよびその製造方法についての実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。なお、本実施の形態においては（１００）面を例に説明するが、本発明のシリコンウェーハは、（１００）面に限られるものではない。
【００１５】
（シリコンウェーハ）
図１は、本実施の形態のシリコンウェーハの表面構造を模式的に示した説明図である。
本実施の形態のシリコンウェーハは、平坦面（以下、テラスともいう）が（１００）の結晶面である段差（以下、ステップともいう）構造を有している。
このシリコンウェーハの特徴は、次の評価の結果によって特徴付けられる。すなわち、このシリコンウェーハの任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定する。測定は、ステップに概ね垂直な方向の、概ね０．３μｍ間隔の１０本の測線によって測定される。ここでステップに垂直な方向とは、３μｍ×３μｍの領域内に現れる、任意の３μｍ以上の長さを有するテラスの連続する端面（ステップの連続する端面）と、３μｍ×３μｍの領域の境界との２つの交点を結ぶ線分に対して垂直であることをいう。
この場合に、図１のＷで表示されるテラスの幅（以下、テラス幅ともいう）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上である。また、図１のＨで表されるステップの高さ（以下、ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分、すなわち、（１００）面の場合は０．１３６ｎｍである。
なお、ここで概ね垂直方向とは、段差に垂直な方向に対し、±２０度の範囲をいい、概ね０．３μｍ間隔とは、０．２５μｍ以上０．３５μｍ以下の範囲をいう。
【００１６】
図２に、本実施の形態のシリコンウェーハのＡＦＭ像を示す。ＡＦＭとして、ＮａｎｏＳｃｏｐｅ  ＩＩＩａを用い、測定は接触モードを用いている。図２のように、シリコン表面に、テラスとステップで形成されるステップ構造が鮮明にみてとれる。図１にも示したように、図２のＡＦＭ像に見られるテラスは（１００）面である。そして、ステップには、フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１６９１頁、第５９巻（１９８７年））におけるＣｈａｄｉの分類による２種類のステップ、すなわち、直線状のステップＳａと波状のステップＳｂがある。そして、ステップＳａ上のテラスは、図１に示すように２原子（ｄｉｍｅｒ）化した原子列の配列方向がステップに対して、垂直になっていることで特徴付けられる。また、ステップＳｂ上のテラスは、２原子（ｄｉｍｅｒ）化した原子列の配列方向がステップに対して、平行になっていることで特徴付けられる。
ここで、隣接する二つのステップＳａの間隔Ｗ’（図１）は、理想的には（１００）面に対する傾斜角（以下、オフ角ともいう）θ（図１）で支配されており、次の（式１）で表すことが出来る。
Ｗ’＝２×（格子定数／４）／ｔａｎθ  ・・・（式１）
例えば、（１００）面の場合は、格子定数／４＝０．１３６ｎｍとなる。
【００１７】
図３に、本実施の形態のシリコンウェーハのＡＦＭ像の測定結果から導出したシリコンウェーハの断面プロファイルを示す。断面プロファイルの導出にあたっては、シリコンウェーハの（１００）面に対するオフ角を用いて測定値を補正している。図３の断面プロファイルの縦軸は高さであり、横軸は３μｍ×３μｍの測定領域の１本の測線に沿った長さ、すなわち３μｍ（３０００ｎｍ）を示している。テラス幅を求める際には、ある測定点の測定値と、次の測定点の測定値との差が１原子層分未満である場合に、その２点は同一のテラス上にあると判断している。この時、１原子層分未満とは、（１００）面に対する理論値である０．１３６ｎｍに測定誤差を考慮して、０．１０ｎｍ未満の測定値の差と定義している。また、測定点と、次の測定点の測定値の差が０．１０ｎｍ以上０．１８ｎｍ未満の場合、１原子層分のステップがあると判断している。
図３に示すように、この測線に沿ったテラス幅は、すべて５０ｎｍ以上であり、ステップ高さは、すべて１原子層分となっている。
【００１８】
図４に従来技術と本実施の形態のシリコンウェーハ表面のＡＦＭ像および段差測定結果を示す。図４（ａ）が、従来技術のステップ構造のないシリコンウェーハ、図４（ｂ）が本発明に係る本実施の形態のステップ構造を有するシリコンウェーハである。
図４から明らかなように、従来技術のシリコンウェーハでは、まったく（１００）の結晶面からなるテラスは存在していない。そして、段差測定結果からも分かるように、本発明のシリコンウェーハのＲｍｓ（二乗平均粗さ）＝０．０４９ｎｍに比べ、従来技術のシリコンウェーハはＲｍｓ＝０．１６７ｎｍとなっており、表面のラフネスが極めて大きくなっている。
【００１９】
本実施の形態のように、大部分の（１００）面からなるテラス幅が５０ｎｍ以上で、かつ、段差が１原子層分以下であるシリコンウェーハをＬＳＩの製造に用いると、トランジスタ特性が向上し、ＬＳＩの高性能化を図ることが可能であるという作用・効果が生ずる。
すなわち、図４（ａ）に示すように、従来、用いられてきた表面ラフネスの大きなシリコンウェーハでは、トランジスタのチャネル領域に多数の大きなシリコン段差が存在することになる。したがって、キャリアはこの段差によって散乱され移動度が劣化する。これに対し、本実施の形態のシリコンウェーハは、表面の９０％以上の領域で、チャネル長よりも大きな幅の原子レベルのテラスを有している。また、テラスとテラスの間のステップの９０％以上が１原子層分のステップ高さである。このため、トランジスタのチャネル領域には、原子レベルのステップがまったく存在しないか、存在しても１原子層分のステップが１つあるのみである。よって、表面ラフネスによるキャリア散乱がないか、あったとしても微小にとどまる。
【００２０】
図５は、トランジスタのチャネル領域にある原子レベルのステップがトランジスタ特性に与える影響をシミュレーションした結果を示す図である。図５（ａ）がシミュレーションに用いたトランジスタ構造を示す図であり、図５（ｂ）が結果を示すＶｇ−Ｉｄ図である。
図５（ａ）に示すように、シミュレーションに用いたトランジスタ構造は（１００）面上に形成されるｎ型電界効果トランジスタであり、ゲート長（ｌｅｎｇｔｈ）が２０ｎｍ、ゲート酸化膜厚（ｔｏｘ）が３ｎｍ、エクステンション拡散層深さ（ｘｊ）が０．０５６μｍ、ソース・ドレイン拡散層深さ（Ｘｊ）が０．１１μｍ、チャネル不純物濃度（Ｎａ）を６Ｅ１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とした。そして、チャネル領域に原子レベルの段差がまったくない条件（図５（ｂ）中のＦ条件）、２原子層分に相当する０．３ｎｍ（図５（ｂ）中のＣ条件）、および、３原子層分に相当する０．５ｎｍ（図５（ｂ）中のＥ条件）のそれぞれ２段の段差を設けた３条件についてゲート電圧−ドレイン電流特性を計算した。
図５（ｂ）が計算結果を示す図である。横軸がゲート電圧（Ｖｇ）、縦軸がドレイン電流（Ｉｄ）である。段差のない条件に対し、２段の段差をつけた条件では、約１０％のドレイン電流の減少が見られる。この結果から、少なくとも２段の２原子層分以上の段差の存在により移動度が、ドレイン電流の減少として観測される程度に劣化することが分かる。したがって、チャネル領域に複数の、数原子層分以上の段差が存在する従来のシリコンウェーハでは、より大きな移動度およびドレイン電流の劣化が生じていることになる。
【００２１】
さらに、本実施の形態のシリコンウェーハは、上述したように平坦性の極めて高い表面を有している。したがって、この表面に絶縁膜、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜やキャパシタの絶縁膜を形成した場合の絶縁破壊耐圧や信頼性が向上するという作用・効果が生ずる。なぜなら、表面にラフネスがないか、あっても１原子層分のステップであるので、絶縁膜に電圧をかけた場合のラフネスに起因する電界集中が生じ難いし、絶縁膜形成時のラフネスに起因する薄膜化も生じないからである。
【００２２】
また、ここでは（１００）面を例に説明したが、本発明は、（１００）面に限らず、例えば図６のＡＦＭ像に示すような（１１０）面など、他の結晶面方位にステップ構造が形成されたシリコンウェーハであっても同様の作用・効果を得ることが可能である。
【００２３】
そして、本実施の形態のシリコンウェーハにおいて、シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜角（オフ角）が、０度以上０．１度以下であることが望ましい。この場合のオフ角は、図１におけるθを、ウェーハ表面全体で巨視的、平均的に見た場合の角度をいう。加えて、シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲にあること、いいかえれば、傾斜方向を（１００）面上へ投影した方向と、同一の（１００）面上にある〔１１０〕方向との間の角度が±２１度の範囲にあることが望ましい。
これは、オフ角が上記範囲にない場合は、テラス幅が狭くなる傾向にあり、本実施の形態のシリコンウェーハを安定して製造・供給することが困難となるからである。また、方位角が上記範囲を超えると、図１における波状のステップであるＳｂの波長が短く、振幅が大きくなり、Ｓｂステップ上の、Ｓａに平行な方向のテラス幅が５０ｎｍ未満になる領域が増加する。したがって、このシリコンウェーハのトランジスタを形成した場合、トランジスタのチャネル領域に２以上のステップが存在する確率が高まるからである。
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。また、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。
【００２４】
（シリコンウェーハの製造方法）
次に、本発明の実施の形態のシリコンウェーハの製造方法について説明する。
【００２５】
チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げた結晶方位（１００）のシリコン単結晶インゴットを、（１００）面に対し、０度以上０．１度以下の傾斜角（オフ角）でスライスする。
次に、この面方位を保ったまま、ミラーポリッシングを行う。
その後、１０２５℃以上１２５０℃以下の温度、３０秒以上２時間以下の時間、還元性ガス、不活性ガス、還元性ガスまたは不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、例えば、１００％水素（Ｈ２）雰囲気中で熱処理を行う。
このようにして、図１ないし図２に示す本実施の形態のシリコンウェーハが製造される。  
【００２６】
ここで、用いられるシリコン単結晶インゴットは、必ずしも、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により引上げた単結晶でなくとも、例えば、フローティングゾーン法（ＦＺ法）により引上げられたものであっても構わない。
また、本実施の形態の製造方法で使われる熱処理装置も特に限定されるものではなく、例えば、バッチ式の縦型熱処理炉を用いても、あるいは、枚葉式のＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置を用いても構わない。
【００２７】
また、スライスする場合の傾斜角（オフ角）を０度以上０．１度以下とするのは、この範囲を超えると、テラス幅が５０ｎｍより狭くなる領域が増大し、トランジスタ特性の劣化が顕著になりはじめるからである。
すなわち、上述のように、隣接する二つのステップＳａの間隔Ｗ’（図１）は、傾斜角（オフ角）θで支配されており、次の（式１）で表すことが出来る。
Ｗ’＝２×（格子定数／４）／ｔａｎθ  ・・・（式１）
これをθ＝０．１度のときについて見ると、Ｗ’＝１５６ｎｍとなる。Ｗ’は２テラス幅に相当するので、Ｓｂが、２つのＳａの中間に来るとすると、１テラス分のテラス幅は７８ｎｍである。もっとも、Ｓｂは図１に示すように、波状となるため、５０ｎｍ以上のテラス幅を、９０％以上の領域で確実に保つためには、マージンを見て傾斜角は０．１度以下とすることが必要となる。
【００２８】
また、スライスする工程においては、切り出されるシリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して±２１度の範囲となるようにスライスすることが望ましい。これは、上述のように、方位角が上記範囲を超えると、図１における波状のステップであるＳｂの波長が短く、振幅が大きくなり、Ｓｂステップ上の、Ｓａに平行な方向のテラス幅が５０ｎｍ未満になる領域が増加する。したがって、このシリコンウェーハのトランジスタを形成した場合、トランジスタのチャネル領域に２以上のステップがかかる確率が高まるからである。
【００２９】
また、熱処理を１０２５℃以上１２５０℃以下の温度、３０秒以上２時間以下の時間とするのは、これより低温または短時間の範囲では、熱処理によりステップ構造が形成されないからである。また、これより高温または長時間の範囲では、シリコンウェーハの金属汚染が増大するからである。さらに、高温または長時間の範囲では、シリコンウェーハへのスリップ発生の可能性が高くなり、かつ、熱処理装置の部材寿命が短くなり現実的でないからである。
【００３０】
そして、熱処理の雰囲気を、還元性ガス、不活性ガス、または、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中とするのは、これ以外の雰囲気では、シリコンウェーハ表面の原子の再構成が行われないため、シリコンウェーハ表面にステップ構造が形成されないためである。特に、酸化性ガスが混入すると、シリコンウェーハ表面が酸化されることにより、シリコン表面の原子の再構成が極めて困難になる。
熱処理雰囲気としては、特に還元性の水素ガス、さらに望ましくは１００％の水素ガス雰囲気中で行われることが好適である。これは、熱処理前にシリコンウェーハは通常自然酸化膜に覆われているが、水素ガス雰囲気による熱処理がこの自然酸化膜を除去する上で、特に有効となるからである。
【００３１】
以下、この点について、図７を用いて、不活性ガスであるアルゴンを用いる場合と比較して説明する。図７（ａ）は、Ｓｉ−Ｏのボンドについての障壁エネルギーを説明する図である。図７（ｂ）は、Ｓｉ−Ｓｉのボンドについての障壁エネルギーを説明する図である。図７（ａ）に示すように、熱分解の過程におけるＳｉ−Ｏボンドの障壁エネルギーは、１２８．９ｋｃａｌ／ｍｏｌである。これに対し、図７（ｂ）に示すように、Ｓｉ−Ｓｉボンドの障壁エネルギーは、７２．１ｋｃａｌ／ｍｏｌである。このため、不活性ガスであるアルゴン雰囲気で、熱処理を行うと、Ｓｉ−ＯのバックボンドのＳｉ−Ｓｉや、ウェーハ内部のＳｉ−ＳｉボンドがＳｉ−Ｏボンドよりも先に切断される。このため、表面のＳｉ−Ｏボンドの存在のために、円滑なシリコン原子の表面再構成が進行しにくい。
これに対し、水素が存在すると、Ｓｉ−Ｏボンドが水素の還元作用により容易に切断される。すなわち、Ｓｉ２Ｏ＋１／２Ｈ２→ＳｉＯ＋ＳｉＨの反応の障壁エネルギーは図７（ａ）に示すように５９．３ｋｃａｌ／ｍｏｌである。そして、ＳｉＯ＋３／２Ｈ２→ＳｉＨ＋Ｈ２Ｏの反応の障壁エネルギーは５７．６ｋｃａｌである。これらのエネルギーは、上述の熱分解の過程におけるＳｉ−Ｏボンドの障壁エネルギーに比べて極めて小さい。したがって、自然酸化膜のＳｉ−Ｏボンドが容易に切断され、酸化膜が分解するため、円滑なシリコン原子の表面再構成が進行しやすくなる。
【００３２】
図８に、従来の熱処理を行わないシリコンウェーハと、本実施の形態の、水素ガス雰囲気での熱処理、およびアルゴンガス雰囲気での熱処理後のシリコンウェーハの表面再構成について説明する模式断面図を示す。図８（ａ）が熱処理なし、図８（ｂ）が水素ガス雰囲気での熱処理、図８（ｃ）がアルゴンガス雰囲気での熱処理の場合を示す。シリコン断面中の斜線は、原子面（結晶格子面）を示している。
図８（ａ）の熱処理を行っていないシリコンウェーハは、凹凸が大きく、シリコン表面に原子面（結晶格子面）は現れていない。これに対し、水素ガス雰囲気での処理の場合には、表面のシリコン原子が一層一層再構成されることにより、表面にステップと原子面（結晶格子面）に沿ったテラスが現れる。そして、図８（ｃ）に示すアルゴンガス雰囲気での熱処理の場合には、最初に、Ｓｉ−ＯのバックボンドのＳｉ−Ｓｉボンドが切断され、その後、シリコン原子の再構成が進行するため、結果的に現出するテラス幅が水素熱処理の場合に狭くなり、ステップ高さも高くなる。
【００３３】
そして、水素ガス雰囲気中で熱処理する場合、１１００℃以上１２００℃以下の温度、３０分以上２時間以下の時間で処理することが望ましい。この範囲以外では、安定して原子レベルのステップ構造が形成されない恐れがあるからである。
【００３４】
また、本実施の形態による製造方法によれば、シリコン単結晶インゴットをスライスする場合のオフ角を制御することにより、シリコンウェーハ上の原子レベルのステップ構造を制御することが可能となる。
【００３５】
図９に、Ｘ線回折によって測定された、本実施の形態の製造方法によって製造されたシリコンウェーハの（１００）面からのオフ角と、ＡＦＭによって測定されたテラス幅およびステップ高さから計算によって求めたオフ角の相関関係を示す。図９（ａ）が、オフ角０〜２．５度のレンジ、図９（ｂ）が図９（ａ）中、オフ角０〜０．０４度のレンジを拡大したものである。図のように、Ｘ線回折の測定値と実際のステップ構造からの計算値は極めて良好な相関関係がある。したがって、上記のように、本実施の形態による製造方法によれば、シリコン単結晶インゴットをスライスする場合のオフ角を制御することにより、シリコンウェーハ上の原子レベルのステップ構造を制御することが可能になるという作用・効果が得られる。
【００３６】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、シリコンウェーハ、シリコンウェーハの製造方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるシリコンウェーハ、シリコンウェーハの製造方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのシリコンウェーハおよびその製造方法は、本発明の範囲に包含される。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
チョコラルスキー法（ＣＺ法）により、８インチの結晶面方位（１００）のシリコン単結晶インゴットを製造した。このインゴットは、ボロンを不純物とするｐタイプシリコン単結晶であり、抵抗率は９〜２２Ωｃｍとした。このシリコン単結晶インゴットを（１００）面に対し、０．０２５６度のオフ角、シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して２１度となるようにスライスした。次に、スライスによって得られたシリコンウェーハを、フッ化水素−硝酸での洗浄を行った後に、ミラー研磨した。その後に、熱処理を加えた。熱処理は、バッチ式縦型熱処理炉で水素ガス雰囲気、およびアルゴンガス雰囲気の２条件で、それぞれ１２００℃、１時間行った。比較のために、熱処理をしないシリコンウェーハ、および、シリコンをエピタキシャル成長させたシリコンウェーハも準備した。エピタキシャル成長は、枚葉式エピタキシャル装置（Ｅｐｌｉｓｏｎ−２０００）にて、１１５０℃での水素ガス雰囲気中で加熱処理を行った後、続けて、１１２５℃、ソースガスＳｉＨＣｌ３で、６μｍ厚のシリコン成長を行った。
以上の４条件のウェーハについて、任意の３μｍ×３μｍの領域についてＡＦＭ（Ｎａｎｏ  Ｓｃｏｐｅ  ＩＩＩａ）により表面構造を評価した。評価は、前記測定領域において、前記段差に概ね垂直方向の１０本の測線に沿って測定された測定結果に基づいて行われた。結果は、図１０、１１、１２に示す。
【００３９】
図１０は、ＡＦＭ像、および、ＡＦＭの段差測定結果である。図１０（ａ）が熱処理なし、図１０（ｂ）が水素ガス雰囲気、図１０（ｃ）がアルゴンガス雰囲気、図１０（ｄ）がエピタキシャル成長の条件である。
ＡＦＭ像についてみると、熱処理なしのウェーハには、原子レベルのテラスを有するステップ構造は見られなかった。これに対し、水素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、エピタキシャル成長には、明瞭な原子レベルのテラスを有するステップ構造が確認された。
もっとも、水素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、エピタキシャルウェーハでは、ステップ構造の様相はそれぞれ異なっていた。すなわち、水素ガス雰囲気では、ＳａとＳｂのステップが明瞭に観察された。アルゴンガス雰囲気では、Ｓａのステップは、明瞭であった。しかし、Ｓｂについては、不明瞭で、不規則なジグザグパターンが観察されるのみであった。また、エピタキシャル成長ウェーハの場合は、等価な〔１１０〕方向にのびる２種の交差するテラスによって形成されており、テラス自体の面積は小さくなっている。
また、表面粗さを示す指標であるＲｍｓは、水素ガス雰囲気がもっとも小さく、エピタキシャル成長、アルゴンガス雰囲気、熱処理なしの順で大きくなっていた。したがって、表面粗さの観点からは、この順で、粗くなっていることが確認された。
【００４０】
図１１は、各条件のステップ高さの分布を示す図、図１２はテラス幅の分布を示す図である。棒グラフで頻度、折れ線グラフで累積頻度を表している。
熱処理なしの条件のウェーハの場合には、ステップ高さの測定値は大部分２原子層分の厚さである０．３ｎｍを超えていた。そして、テラス幅の測定値はすべて５０ｎｍよりも小さかった。
そのほかの条件（水素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気、エピタキシャル成長）のウェーハでは、熱処理なしウェーハに比べて、ステップ高さは格段に低くなっていた。特に、水素ガス雰囲気とエピタキシャル成長のウェーハでは、９０％以上のステップ高さが１原子層分の高さ（０．１０ｎｍ以上０．１８ｎｍ未満）以下に相当する。アルゴンガス雰囲気の場合には、１原子層分と２原子層分（０．１８ｎｍ以上０．３０ｎｍ未満）のステップ高さの両方が混在していた。
もっとも、テラス幅についてみれば、水素ガス雰囲気の条件が最大のテラス幅を有しており、最小のテラスでも１５０ｎｍを超えていた。アルゴンガス雰囲気およびエピタキシャル成長のウェーハでは、５０ｎｍ以下のテラス幅が存在した。
【００４１】
（実施例２）
シリコン単結晶インゴットを（１００）面に対し、０．５４１７度のオフ角でスライスする以外は実施例１の条件で処理、および、評価を行いステップ構造のオフ角依存性を評価した。なお、熱処理は水素ガス雰囲気中で行った。
結果を図１３に示す、傾斜角が大きくなるにつれて、テラス幅が狭くなっていることが確認された。なお、ＡＦＭ像として明瞭にテラスおよびステップが確認されないのは、（式１）から、オフ角θ＝０．５４１７度の場合には、テラス幅が１４．４ｎｍ以下になるため、ＡＦＭの分解能をこえているためと考えられる。  
【００４２】
（実施例３）
ステップ構造の熱処理温度・時間依存性を確認するため、熱処理温度を１０００℃〜１２７５℃、熱処理時間を０．５分（３０秒）〜１８０分（３時間）と変化させる以外は、実施例１の条件と同じ条件で処理、および、評価を行い、ステップ構造の熱処理温度・時間依存性を評価した。なお、熱処理は水素ガス雰囲気中で行った。
結果を図１４、図１５および図１６に示す。
図１４は平均テラス幅の温度・時間依存性を示す図である。図１４（ａ）に、処理時間を１時間（６０分）とした場合の熱処理温度依存性、図１４（ｂ）に処理温度を１１５０℃とした場合の熱処理時間依存性を示す。図１４（ａ）から明らかなように、１０５０℃を超える温度から平均テラス幅が増加し、１２００℃を超えると飽和する。また、図１４（ｂ）から明らかように、熱処理時間については、時間の増加とともに平均テラス幅が増加し、１２０分を超える領域で平均テラス幅が飽和する。
図１５は、熱処理時間を１時間（６０分）で、１０００℃、１１００℃、１２００℃と変化させた場合の、ＡＦＭ像およびＡＦＭの段差測定の評価結果を示す。図１５（ａ）が１０００℃、図１５（ｂ）が１１００℃、図１５（ｃ）が１２００℃の結果である。図から明らかなように、１０００℃の条件では、ステップおよびテラスが確認されず、表面ラフネスも極めて大きかった。一方、１１００℃および１２００℃の条件では、良好なステップ構造が確認され、表面ラフネスも小さくなっていた。
図１６は、良好なステップ構造が得られた熱処理温度・時間範囲を示す図である。図中の◎印は、シリコンウェーハ表面の任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定領域とした場合に、この測定領域において、段差に概ね垂直方向で、概ね０．３ｕｍ間隔の１０本の測線に沿って測定された平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９５％以上が５０ｎｍ以上であり、かつ、この１０本の測線に沿って測定された段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９５％以上が１原子層分の高さである場合を示す。また、図中の○印は、同様の測定で、測定された平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、かつ、この１０本の測線に沿って測定された段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分の高さである場合を示す。そして、図中×印は、測定値が上記範囲に該当しないか、あるいは、熱処理したウェーハの金属汚染が管理値(１Ｅ１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）を超える場合を示す。この結果から、概ね、１０２５℃以上１２５０℃以下の温度、３０秒以上２時間以下の時間の範囲がステップ構造形成の上で望ましく、１１００℃以上１２００℃以下の温度、３０分以上２時間以下の時間の範囲がより望ましいということが判明した。
【００４３】
（実施例４）
ステップ構造の方位角依存性を確認するため、シリコンウェーハ表面の、（１００）面に対する傾斜方向の（１００）面上の方位角が、〔１１０〕方向に対して０度から５０度の範囲で変化させること、熱処理温度を１０２５度〜１２２５度の範囲で変化させること以外は、実施例１の条件と同じ条件で処理、および、評価を行い、ステップ構造の方位角・熱処理温度依存性を評価した。なお、熱処理は水素ガス雰囲気中で１時間行った。そして、シリコン単結晶の対称性に基づき、マイナス方向の方位角も同様の結果が得られることを確認するために、方位角＝−２０度の条件でも熱処理を行った。
結果を図１７、図１８に示す。
図１７は、方位角＝４５度、２０度、−２０度の条件でのＡＦＭ像を示す図である。図のように、方位角＝４５度の条件ではステップおよびテラスが確認されなかった。これに対し、方位角＝２０度、−２０度の条件は、同様に良好なステップ構造が確認された。
図１８は、良好なステップ構造が得られた方位角範囲を示す図である。図中の◎印は、シリコンウェーハ表面の任意の３μｍ×３μｍの領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の測定領域とした場合に、この測定領域において、段差に概ね垂直方向で、概ね０．３ｕｍ間隔の１０本の測線に沿って測定された前記平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９５％以上が５０ｎｍ以上であり、かつ、この１０本の測線に沿って測定された段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９５％以上が１原子層分の高さである場合を示す。また、図中の○印は、同様の測定で、測定された平坦面の幅（テラス幅）の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、かつ、この１０本の測線に沿って測定された段差の高さ（ステップ高さ）の測定値の９０％以上が１原子層分の高さである場合を示す。そして、図中×印は、測定値が上記範囲に該当しない場合を示す。この結果から、概ね方位角＝±２５度以下の範囲で、良好なステップ構造が形成されることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態のシリコンウェーハの表面構造を模式的に示した説明図。
【図２】実施の形態のシリコンウェーハのＡＦＭ像を示す図。
【図３】実施の形態のシリコンウェーハのＡＦＭ像の測定結果から導出したシリコンウェーハの断面プロファイルを示す図。
【図４】従来技術と本実施の形態のシリコンウェーハ表面のＡＦＭ像および段差測定結果を示す図。
【図５】トランジスタのチャネル領域にある原子レベルの段差がトランジスタ特性に与える影響をシミュレーションした結果を示す図。
【図６】（１１０）面のステップ構造のＡＦＭ像を示す図。
【図７】ステップ構造の雰囲気依存性の説明図。
【図８】従来の熱処理を行わないシリコンウェーハと、実施の形態の、水素熱処理、およびアルゴン熱処理後のシリコンウェーハの表面再構成について説明する模式断面図。
【図９】Ｘ線回折によって測定された、本実施の形態の製造方法によって製造されたシリコンウェーハの（１００）面からのオフ角と、ＡＦＭによって測定されたテラス幅およびステップ高さから計算によって求めたオフ角の相関関係を示す図。
【図１０】実施例１のＡＦＭ像、および、ＡＦＭの段差測定結果を示す図。
【図１１】実施例１のステップ高さの分布を示す図。
【図１２】実施例１のステップ幅の分布を示す図。
【図１３】実施例２のステップ構造のオフ角依存性を示す図。
【図１４】実施例３の平均テラス幅の温度・時間依存性を示す図。
【図１５】実施例３の熱処理時間を変化させた場合のＡＦＭ評価結果を示す図。
【図１６】実施例３の良好なステップ構造が得られた熱処理温度・時間範囲を示す図。
【図１７】実施例４の方位角＝４５度、２０度、−２０度の条件でのＡＦＭ像を示す図。
【図１８】実施例４の良好なステップ構造が得られた方位角範囲を示す図。
【図１】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１７】
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