(57)【要約】【課題】安定した原子レベルの平坦面（テラス）を有する半導体ウェーハおよびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体の表面に絶縁膜が形成された半導体ウェーハであって、半導体と絶縁膜の界面が、平坦面（テラス）が結晶面に平行な面で構成される段差（ステップ）構造を有し、界面の任意の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半導体ウェーハおよびその製造方法。【選択図】図１
2008109014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の表面に絶縁膜が形成された半導体ウェーハであって、
前記半導体と前記絶縁膜の界面が、平坦面（テラス）が前記半導体の結晶面に平行な面で構成される段差（ステップ）構造を有することを特徴とする半導体ウェーハ。
【請求項２】
前記界面の任意の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請求項１記載の半導体ウェーハ。
【請求項３】
前記半導体ウェーハがシリコンウェーハであって、
前記界面の、（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、
前記界面の、（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または請求項２記載の半導体ウェーハ。
【請求項４】
前記絶縁膜が、前記半導体の酸化膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の半導体ウェーハ。
【請求項５】
平坦面（テラス）が結晶面である段差（ステップ）構造を具備する半導体ウェーハを準備する工程と、
前記半導体ウェーハ表面がプラス側に帯電した状態で、前記半導体ウェーハに酸化性ガス雰囲気下で紫外線（ＵＶ光）を照射して、前記半導体ウェーハを酸化する工程を有することを特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記半導体ウェーハを準備する工程において、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０．３ｕｍ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半導体ウェーハを準備することを特徴とする請求項５記載の半導体ウェーハの製造方法。
【請求項７】
前記半導体ウェーハがシリコンウェーハであって、
前記半導体ウェーハを準備する工程は、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、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とを具備することを特徴とする請求項５記載の半導体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、半導体ウェーハおよびその製造方法に関し、特に半導体表面にステップ構造を有する半導体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。そこで、発明者等は鋭意検討を重ね、ＬＳＩの微細化に適した、原子レベルの平坦面を有する半導体ウェーハおよびその製造方法を明らかにした。
【０００５】
しかしながら、原子レベルの平坦面（テラス）を有する半導体ウェーハも、半導体ウェーハに成長する自然酸化膜によって、折角形成された良好な原子レベルの平坦面（テラス）が失われてしまうため、製造した半導体ウェーハをそのままの状態で保管、出荷することが困難であるという問題が明らかになった。
また、通常用いられる熱酸化法によって酸化膜を形成すると、やはり、良好な原子レベルの平坦面（テラス）が失われてしまい、ウェーハの有する原子レベルの平坦性という利点をウェーハに形成される半導体製品に活用できないという問題があった。
【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、安定した原子レベルの平坦面（テラス）を有する半導体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】
本発明の一態様の半導体ウェーハは、
半導体の表面に絶縁膜が形成された半導体ウェーハであって、
前記半導体と前記絶縁膜の界面が、平坦面（テラス）が前記半導体の結晶面に平行な面で構成される段差（ステップ）構造を有することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記界面の任意の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が望ましい。
【０００９】
また、前記半導体ウェーハがシリコンウェーハであって、
前記界面の、（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、
前記界面の、（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。
【００１０】
さらに、前記絶縁膜が、前記半導体の酸化膜であることが望ましい。
【００１１】
本発明の一態様の半導体ウェーハの製造方法は、平坦面（テラス）が結晶面である段差（ステップ）構造を具備する半導体ウェーハを準備する工程と、
前記半導体ウェーハ表面がプラス側に帯電した状態で、前記半導体ウェーハに酸化性ガス雰囲気下で紫外線（ＵＶ光）を照射して、前記半導体ウェーハを酸化する工程を有することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記半導体ウェーハを準備する工程において、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０．３ｕｍ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半導体ウェーハを準備することが望ましい。
【００１３】
また、前記半導体ウェーハがシリコンウェーハであって、
前記半導体ウェーハを準備する工程は、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、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とを具備することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安定した原子レベルの平坦面（テラス）を有する半導体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】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体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、半導体ウェーハとして、（１００）面を有するシリコンウェーハを例に説明するが、本発明の半導体ウェーハは、シリコンウェーハあるいは（１００）面を有するシリコンウェーハに限られるものではない。また、半導体の表面に形成される絶縁膜としては、シリコン酸化膜を例として説明する。
【００１６】
（シリコンウェーハ）
まず、本実施の形態により、安定に保存しようとする原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハについて説明する。
図１は、本実施の形態により、安定に保存しようとする原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハのシリコン表面構造を模式的に示した説明図である。
こ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。以下、このような段差構造を有するウェーハをステップ構造ウェーハと称する。
なお、本実施の形態のシリコンウェーハは、このようなステップ構造ウェーハの表面に、ステップ構造を維持したままシリコン酸化膜が形成されていることを最大の特徴とする。
【００１７】
本実施の形態のステップ構造ウェーハの特徴は、次の評価の結果によって特徴付けられる。すなわち、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。
【００１８】
図２に、ステップ構造ウェーハの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。
【００１９】
図３に、本実施の形態のステップ構造ウェーハの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。
【００２０】
図４に従来技術と本実施の形態のステップ構造ウェーハの表面の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）がステップ構造ウェーハである。
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。
【００２１】
本実施の形態のステップ構造ウェーハのように、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。
【００２２】
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。
【００２３】
さらに、本実施の形態のステップ構造ウェーハは、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。
【００２４】
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。
【００２５】
そして、本実施の形態のステップ構造ウェーハにおいて、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度以下であり、かつ、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。
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。
【００２６】
以上、本実施の形態により、安定に保存しようとする原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハ（ステップ構造ウェーハ）について説明してきた。上記のように、このようなステップ構造ウェーハは、半導体製品を形成する基板として極めて優れている。
【００２７】
もっとも、このようなステップ構造ウェーハは、大気中など酸素の含まれる雰囲気に置かれていると自然酸化膜が成長し、折角形成された良好な原子レベルの平坦面（テラス）が失われてしまう。このため、製造した半導体ウェーハを、ステップ構造を維持したままの状態で保管、出荷することが困難であるという問題がある。
このような、自然酸化膜の形成を抑制するためには、例えば、窒素パージ等されたウェーハボックス等に保管し、そのまま出荷することも考えられるが、このような方法は極めてコストがかかる。また、窒素パージ等されたウェーハボックス等であっても、巻き込みによりある程度酸素が雰囲気中に残ることは避けられない。
【００２８】
本実施の形態のシリコンウェーハは、上述のように、ステップ構造ウェーハ表面に、ステップ構造を維持したまま、絶縁膜としてシリコン酸化膜が形成されていることを特徴とする。
このように、ステップ構造を保存したままシリコン酸化膜を表面に形成しておくことによって、大気中など酸素の含まれる雰囲気に置かれても、自然酸化膜の形成が抑制されるため形成された良好な原子レベルの平坦面（テラス）が失われないという作用・効果が得られる。
【００２９】
さらに、半導体の表面に形成されたシリコン酸化膜を、例えば、ＬＳＩを構成する電界効果トランジスタのゲート絶縁膜やキャパシタ絶縁膜として用いると、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、シリコンとシリコン酸化膜の界面の平坦性が高いため、界面の凹凸に起因するゲート絶縁膜の局部的薄膜化やゲート電界の局部的集中、あるいは局部的な膜質の劣化等が生じにくいからである。
【００３０】
ここで、半導体の表面に形成されている絶縁膜は、ステップ構造を保持してさえいれば、必ずしもその膜質が限定されるものではない。
膜質に関していえば、例えば、ウェーハのシリコンを酸化して形成されたシリコン酸化膜であっても構わない。また、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成された、例えば、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜、非晶質炭素膜であっても構わない。
また、膜厚に関していえば、ＣＶＤ法による場合には特に制約はないが、ウェーハのシリコンを酸化して形成する場合には、酸化膜厚の増大により、良好なステップ構造が失われる、すなわち、シリコンとシリコン酸化膜の界面のラフネスが増大することを避ける観点から、１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３１】
なお、本実施の形態のシリコンウェーハは、上記本実施の形態のステップ構造ウェーハのステップ構造を維持したまま、すなわち、シリコンとシリコン酸化膜の界面が、平坦面（テラス）がシリコンの結晶面に平行な面で構成される段差（ステップ）構造を有するよう、表面にシリコン酸化膜が形成されている。したがって、本実施の形態のシリコンウェーハは、表面のシリコン酸化膜を除去した後、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０．３ｕｍ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によって特徴づけられる。
また、ステップ構造ウェーハの記載で述べたと同じ理由により、シリコンとシリコン酸化膜の界面の、（１００）面に対する傾斜角（オフ角；図１のθに相当する角度）が、０度以上０．１度以下であり、前記界面の、（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。
【００３２】
（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。
まず、安定に保存しようとする原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハ（本実施の形態のステップ構造ウェーハ）の製造方法について説明する。
【００３３】
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により安定に保存しようとする原子レベルの平坦面（テラス）を有するシリコンウェーハ（本実施の形態のステップ構造ウェーハ）が製造される。
【００３４】
このシリコンウェーハは、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０．３ｕｍ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で特徴づけられる。  
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、本実施の形態の製造方法によれば、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。
【００４４】
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ステップ構造ウェーハの（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。
【００４５】
次に、このように製造された本実施の形態のステップ構造ウェーハの表面に酸化膜を形成する方法について説明する。
【００４６】
上記熱処理後、自然酸化膜の形成が進行する前に、処理液を純水として、バッチ式のウェット処理装置内で、例えばテフロン（登録商標）製のキャリアに保持された上記シリコンウェーハのリンス処理を行う。この時、ウェット処理中に、処理液である純水の給水(オーバーフロー)によって循環させることにより、処理液とシリコンウェーハを相対的に運動させる。このリンス処理により、シリコンウェーハの表面を静電気により、プラス側に帯電させる。
【００４７】
なお、上記ウェット処理は必ずしも、バッチ式の装置内で行なわれる必要はなく、処理液とシリコンウェーハが処理中に相対的に運動するのであれば、枚様式のウェット処理装置を使用することも可能である。
また、ウェット処理装置において、処理液とシリコンウェーハを相対的に運動させる方法は、処理液の循環に限らず、例えば、超音波により処理液を振動させても良いし、シリコンウェーハ自体を機械的に揺動、回転させることによっても構わない。あるいは、シリコンウェーハの保持されたキャリアを手動で上下動させる方法によることも可能である。また、それらを組み合わせることも可能である。
【００４８】
次に、スピン乾燥による乾燥を行ない、乾燥後、シリコンウェーハを酸化装置へ導入する。この時、乾燥および移送の際にシリコウェーハを保持する治具（キャリア、ケースなど）は、洗浄処理中に帯電したシリコンウェーハの静電気を除去しない非導電性材料、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、で形成されたものを用いる。また、この際、上記シリコンウェーハと同様の洗浄処理を行った、ダミーウェーハを、シリコンウェーハに隣接させるように非導電性キャリアに保持することによっても、静電気が除去されないようにする。
【００４９】
酸化装置内では、シリコンウェーハ表面がプラス側に帯電した状態で、酸化性ガス雰囲気中で紫外線を、例えば、キセノンランプにより照射して、例えば、０．５ｎｍ程度のシリコン酸化膜をウェーハ表面に形成する。
【００５０】
なお、０．５ｎｍ程度より、更に厚い酸化膜を形成するためには、上記酸化装置内での酸化工程を繰り返すことで可能となる。
【００５１】
以上の本実施の形態の製造方法により、シリコン−シリコン酸化膜の界面が、平坦面（テラス）がシリコンの結晶面に平行な面で構成される段差（ステップ）構造を有する本実施の形態のシリコンウェーハが形成される。
【００５２】
本実施の形態の製造方法において、自然酸化膜の形成、あるいは、通常の熱酸化による酸化膜の形成と異なり、ステップ構造を界面に維持するように酸化膜の形成が可能であるのは、以下の理由によると考えられる。
シリコンウェーハ表面がプラス側に帯電していると、酸化装置内で酸化種が存在しても、シリコン原子との酸化反応が進まない、または、抑制される。この時、酸化種であるＯＨ基等は、シリコンウェーハ表面の電荷により電気的にシリコンウェーハに吸着している。この状態で、紫外線を照射して、酸化種にエネルギーを与えると、シリコン原子の表面側のボンドと酸素との結合が進行し、ウェーハ最表面からのいわゆるレイヤーバイレイヤー酸化が実現される。したがって、酸化前のシリコンウェーハ表面形状が、酸化後の界面としてそのまま維持されることになる。
これに対して、自然酸化膜の形成、あるいは、通常の熱酸化による酸化膜の形成の場合、静電気による酸化反応の抑制がないため、シリコン原子のウェーハ内面側のボンドと酸素との結合が先に進行し、いわゆるバックボンド酸化が行われる。このため、酸化前のシリコンウェーハ表面形状が、酸化後の界面として維持されなくなる。
【００５３】
なお、本実施の形態の製造方法においては、シリコン表面を酸化することにより絶縁膜を形成する方法について記載した。しかしながら、本発明においては、ステップ構造を界面に維持したまま絶縁膜が形成される方法であれば、例えば、ＣＶＤ法による絶縁膜の堆積による形成であっても構わない。
【００５４】
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、半導体ウェーハ、半導体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、必要とされる半導体ウェーハ、半導体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半導体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】
【００５５】
以下、本発明の実施例について説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。
【００５６】
（実施例）
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、１２００℃、１時間行った。このウェーハの、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。その結果、ステップ構造が確認され、ステップに概ね垂直方向で、概ね０．３ｕｍ間隔の１０本の測線に沿って測定されたテラス幅の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、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った。
【００５７】
熱処理後のウェーハについて、熱処理後３０分以内に、このウェーハを５％濃度のフッ化水素酸水溶液に１０分間浸漬した。浸漬の間、フッ化水素酸水溶液はウェット処理装置槽内で循環し、シリコンウェーハは材質テフロン（登録商標）のキャリアに積載し手動により上下動を行うことによりで揺動を行なった。続いて、シリコンウェーハを純水に１０分間浸漬し、リンス処理を行った。この間、純水の槽内での循環、オーバーフロー、揺動を行なった。揺動は、フッ化水素酸処理、リンス処理ともに、上下動５０ｍｍ幅を１往復２ｓｅｃ程度、すなわち約５０ｍｍ／ｓｅｃの相対速度で手動にて１ｍｉｎ行なった。リンス後は、特段の乾燥処理は行わなかった。
このシリコンウェーハの表面静電気による電位を、静電電位計キーエンス製ＳＫ−０３０／２００で測定したところ、＋１ＫＶ〜＋１０ＫＶであった。
その後、シリコンウェーハは、非導電性のポリプロピレン（ＰＰ）製のキャリアおよびケースに、大気雰囲気中で保管し、周囲の環境電位がシリコンウェーハと同電位のダミーウェーハでキャリアの上下溝を埋めた。なお、ダミーウェーハは材質シリコンであり、シリコンウェーハと同様の処理を行って同電位とした。
次に、このシリコンウェーハをシリコンウェーハの表面静電気を維持したまま、酸化装置に装填し、酸素ガスを、温度２５℃、圧力１０１３２５Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ）、酸素ガス流量１０ｓｃｃｍで１０秒間導入した。その後、キセノンランプにより、１００ｍＷｃｍ２で３０秒間紫外線を照射して、シリコンウェーハ表面を０．５ｎｍ酸化した。
【００５８】
その後、フッ化水素酸水溶液で表面のシリコン酸化膜を除去した後、ウェーハの任意の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、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。
【００５９】
（比較例）
熱処理後、大気中に１２時間放置して約０．５ｎｍの自然酸化膜を形成する以外は、実施例と同様の処理および評価を行った。
【００６０】
ＡＦＭによる評価の結果、実施例の場合は、ステップ構造が確認され、ステップに概ね垂直方向で、概ね０．３μｍ間隔の１０本の測線に沿って測定されたテラス幅の測定値の９０％以上が５０ｎｍ以上であり、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った。したがって、シリコン−シリコン酸化膜界面が、酸化前のシリコン表面のステップ構造を維持していることが確認された。
一方、比較例の場合は、明瞭なステップ構造を確認することが出来なかった。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施の形態のステップ構造ウェーハの表面構造を模式的に示した説明図。
【図２】実施の形態のステップ構造ウェーハのＡＦＭ像を示す図。
【図３】実施の形態のステップ構造ウェーハのＡＦＭ像の測定結果から導出したステップ構造ウェーハの断面プロファイルを示す図。
【図４】従来技術のシリコンウェーハと本実施の形態のステップ構造ウェーハ表面の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を示す図。
【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２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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