DE19611043B4

DE19611043B4 - Verfahren zum Herstellen eines Siliciumwafers, Verfahren zum Bilden eines Siliciumwafers und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE19611043B4
Application number: DE19611043A
Authority: DE
Inventors: Lei Hadano Zhong; Norihiro Shimoi; Yoshio Hadano Kirino
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: KR970067547A; TW323382B; CA2172233C; DE19611043A1; US5966625A; CA2172233A1; KR100200973B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche mit folgenden Schritten:
Abschneiden eines Einkristall-Siliciumwafers mit einer schrägen Oberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, dass eine Normale der schrägen Oberfläche aus der Richtung [001] in die Richtung [110] um 0,01° bis 0,2° geneigt ist, Reinigen des Siliciumwafers und Durchführen einer Wärmebehandlung am Siliciumwafer bei 600 bis 1300 °C für nicht weniger als eine Minute in einer ultrareinen Argonatmosphäre, die Stickstoff in einem Anteil von nicht mehr als 0,1 ppm enthält, so dass die schräge Oberfläche eine gestufte Kristalloberflächenstruktur mit Stufenwänden (Sa,Sb) aufweist, die normal oder parallel zur Ausrichtung der Dimere der jeweiligen oberen Stufe der Si-Oberfläche sind und die Höhe einer Einzelatomschicht haben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Siliciumwafer mit schräger Oberfläche und ein Verfahren zur Herstellung dieser Oberfächenstruktur und insbesondere einen Siliciumwafer mit schräger Oberfläche für Halbleiterbauelemente, wobei die schräge Oberfläche eine besondere Struktur besitzt, die für einen darauf gebildeten Oxidfilm bessere Eigenschaften ergibt, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen schrägen Oberfläche, außerdem betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement und insbesondere ein Hochleistungs-Halbleiterbauelement, das so konstruiert ist, dass Elektronen in einer besonderen Richtung bewegt werden, welche entsprechend der Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche bestimmt wird.

Es ist im Stand der Technik wohlbekannt, dass der Oberflächenzustand eines Siliciumwafers Defekte und eine Durchbruchspannung eines darauf gebildeten Oxidfilms beeinflusst. Unter diesen Umständen sind verschiedene Techniken vorgeschlagen worden. Diese Techniken umfassen die größtmögliche Reinigung der Oberfläche sowie die Rekonstruktion einer Kristalloberflächenstruktur mit Versetzungen auf atomarer Ebene. Die zuletzt genannten Techniken enthaften eine wiederholte Entgasung eines ultrahohen Vakuums (siehe Journal of Vaccuum Science Technology, Bd. 7A, S. 2901, 1989) sowie eine Stromleitungsheizung in einer besonderen Richtung (siehe Journal of Applied Physics, Bd. 31, S. 1164, 1992).

Im Stand der Technik wird eine solche Kristalloberflächenstruktur unter Verwendung eines Abtasttunnelmikroskops (STM) oder einer Analysevorrichtung der Reflexion hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) beobachtet.

Um jedoch eine Kristalloberflächenstruktur mittels STM oder RHEED zu beobachten, ist es notwendig, einen auf einer Siliciumoberfläche gebildeten natürlichen Oxidfilm zu beseitigen: Die Beobachtung wird ausgeführt, nachdem ein natürlicher Oxidfilm beseitigt worden ist, indem der Wafer einer Hochtemperaturbehandlung in einem ultrahohen Vakuum mit einem Druck von weniger als 10^–8 Pa unterworfen wird. Falls während dieser Prozedur der Druck höher als 10^–6 Pa wird, wird die Oberfläche erneut oxidiert, so daß die Beobachtung der rekonstruierten Oberfläche erschwert wird.

Angesichts der obigen Probleme der herkömmlichen Techniken bei der Rekonstruktion einer Siliciumwafer-Kristalloberfläche und bei der Bestätigung ihrer Rekonstruktion haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gefunden, das einfach eine Kristalloberfläche rekonstruieren kann und den Zustand der rekonstruierten Kristalloberfläche einfach erkennen kann. Ferner haben die Erfinder intensiv geforscht, um ein Verfahren zu verwirklichen, mit dem im industriellen Maßstab Siliciumwafer gebildet werden, die eine Kristalloberfläche besitzen, die die Bildung eines qualitativ hochwertigen thermischen Oxidationsfilms ermöglicht, die nur eine geringe Anzahl von durch thermische Oxidation verursachten Stapelfehlern und eine hohe Durchbruchspannung besitzt, wobei der Zustand der Kristalloberfläche kontrolliert wird.

Im Ergebnis haben die Erfinder festgestellt, daß durch Ausführen einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einem ultrareinen Argon- oder Wasserstoffgas, das Stickstoff in einem Anteil von nicht mehr als 0,1 ppm enthält, ein auf einer Waferoberfläche gebildeter natürlicher Oxidfilm zerlegt werden kann, und daß der Wafer entgast werden kann, so daß eine Oberfläche rekonstruiert werden kann.

Da ferner in den herkömmlichen Verfahren ein Wafer ab dem Ende der Hochtemperatur-Wärmebehandlung der Luft ausgesetzt wird, um die Beobachtung und die Analyse zu beginnen, wird darauf erneut ein Oxidfilm gebildet. Da der natürliche Oxidfilm einen Isolator darstellt, kann in solchen Analyseverfahren wie etwa STM der natürliche Oxidfilm die Analyse verfälschen. Dagegen haben die Erfinder festgestellt, daß durch Ausbilden nicht nur einer schrägen Oberfläche, die in einer besonderen Richtung um einen sehr kleinen Winkel geneigt ist, sondern die außerdem auf atomarer Ebene eine gestufte Struktur besitzt, eine rekonstruierte Oberflächenstruktur einfach erkannt werden kann, d. h. mit einem Zwischenatomarkraft-Mikroskop (AFM) analysiert werden kann. Die Erfinder haben außerdem festgestellt, daß die obige Technik die Schätzung des Zustands einer rekonstruierten Kristalloberfläche eines Wafers selbst dann ermöglicht, wenn ein natürlicher Oxidfilm bis zu einer bestimmten Dicke gebildet wird.

Was den Bauelement-Aspekt betrifft, wird dann, wenn Siliciumwafer als Substrate für verschiedene Halbleiterbauelemente verwendet werden, darauf ein Oxidfilm als eine Art Schutzfilm gebildet, um das Auftreten von Versetzungen und Verwerfungen im Siliciumkristall zu verhindern. Ein Oxidfilm muß homogen sein und eine gleichmäßige flache Oberfläche besitzen. Die Eigenschaften eines Oxidfilms werden hauptsächlich durch die Oberflächenorientierung und den Oberflächenzustand eines Siliciumwafers beeinflußt, obwohl sie auch durch ein Oxidationsverfahren und eine Oxidationsvorrichtung beeinflußt werden. Daher wird ein Oxidfilm unter Verwendung einer gegebenen Oberflächenorientierung sowie durch Ausführen einer sorgfältigen Reinigung, einer Wärmebehandlung und anderer Behandlungen gebildet.

Bei der derzeitigen Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es jedoch nicht üblich, dass nach den obigen Prozessen beispielsweise ein Kanal und ein Gate auf einem ausgewählten Abschnitt einer gestuften Kristalloberflächenstruktur eines Siliciumwafer-Substrats gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage der obenerwähnten Beobachtungen gemacht worden.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe Siliciumwafer mit schräger Oberfläche hergestellt werden können, die eine gut beobachtbare gestufte Oberflächenstruktur haben, die sich mit einem Rasterkraftmikroskop beobachten lassen und sich in industriellem Maßstab herstellen lassen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung einer gestuften Kristallstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche die Elektronentansport-Eigenschaft eines Halbleiterbauelements zu verbessern, die beispielsweise eine Schaltfunktion des Halbleiterbauelements wie etwa eines MOS-Bauelements in einer integrierten Schaltung oder dergleichen beeinflusst.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen 1 bis 3 gelöst. Der abhängige Anspruch ist auf bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck Stufenwand Sa hat die Bedeutung einer atomaren Stufenwand von mehreren Typen von atomaren Stufenwänden, die in einer schrägen Oberfläche eines Siliciumwafers auftreten, welche von Chadi in der Weise definiert sind, dass ihre Höhe gleich einer Einzelatomschicht ist und dass sie sich normal zur Ausrichtung des Siliciumdimere in der entsprechenden oberen Stufenschicht erstreckt (siehe Physical Review Letters, Bd. 59, S. 1691, 1987 (im folgenden als Bericht (1) bezeichnet). Die Stufenwand Sb hat die Bedeutung einer atomaren Stufenwand, die in der Weise definiert ist, dass ihre Höhe gleich derjenigen einer Einzelatomschicht ist, die sich jedoch parallel zur Ausrichtung der Siliciumdimere in der entsprechenden oberen Stufenschicht erstreckt.

Die in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Ausdrücke "Stufe Sa" und "Stufe Sb" sind mit den Definitionen von Chadi in Übereinstimmung. 1 zeigt schematisch eine Oberflächenstruktur des Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen 1 bis 4 beansprucht ist. Wie in 1 gezeigt, wird in einem Siliciumwafer 1 eine gestufte Struktur, die Stufenwände Sa und Sb enthält, durch Neigen der Oberfläche aus der Ebene (001) gebildet, so dass ihre Normale in eine besondere Richtung, beispielsweise die Richtung [110] um einen Neigungswinkel θ von 0,01° bis 0,2° geneigt ist. Ebene Stufenwände Sa und die Stufenwände Sb sind im wesentlichen zueinander parallel (siehe 1). Der Abstand L zwischen zwei benachbarten Stufenwänden Sa ist durch den Neigungswinkel θ festgelegt und wird ausgedrückt durch L = 2 {(Gitterkonstante)/4}/tan θ.

Der Bericht (1) definiert auch atomare Stufenwände Da und Db in der gleichen Weise wie die Stufen Sa und Sb, mit dem Unterschied, daß die Stufenwände Da und Db eine Höhe besitzen, die gleich einer Doppelatomschicht ist. Die Ausdrücke "Stufe Da" und "Stufe Db", die in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, sind mit diesen Definitionen von Chadi in Übereinstimmung. 4 zeigt schematisch eine Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche, wie sie in den Ansprüchen 5 bis 8 definiert ist. Wie in 4 gezeigt ist, wird in einem Siliciumwafer 11 eine gestufte Struktur, die die Stufenwände Sa und Da enthält, durch Neigen der Waferoberfläche aus der Ebene (001) gebildet, so daß ihre Normale in eine besondere Richtung, z. B. die Richtung [110] um einen Neigungswinkel θ von 0,01° bis 0,2° geneigt ist. Auf Stufenschichten, die den Stufenwänden Sa und Da entsprechen, sind dreieckige Stufenschichten in bestimmten Intervallen angeordnet, so daß die geneigten Seiten jeder dreieckigen Stufenschicht Stufenwände Sa sind. Ebene Stufenwände, die jeweils aus Stufenwänden Sa und Da gebildet sind, sind zueinander parallel. Ein Intervall L zwischen zwei benachbarten ebenen Stufenwänden ist durch den Neigungswinkel θ bestimmt und wird ausgedrückt durch L = {(Gitterkonstante)/2}/tan θ.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

1 schematisch eine Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

2 eine AFM-Photographie, die eine Kristalloberflächenstruktur eines spiegelpolierten Sili ciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß einem Beispiel 1 zeigt;

3A, 3B AFM-Photographien, die eine Kristalloberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß Beispiel 1 zeigen, nachdem der Wafer einer Wärmebehandlung unterworfen worden ist;

4 schematisch eine Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

5 eine AFM-Photographie einer Kristalloberflächenstruktur eines spiegelpolierten Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß dem Beispiel 2;

6A, 6B AFM-Photographien einer Kristalloberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche gemäß Beispiel 2, nachdem der Wafer einer Wärmebehandlung unterworfen worden ist;

7 schematisch ein Beispiel einer gestuften Kristallstruktur, die auf einem durch schräges Schneiden erhaltenen Siliciumwafer mit schräger Oberfläche gebildet worden ist, sowie eines MOS-Bauelements, das auf der gestuften Kristallstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet worden ist;

8 schematisch ein weiteres Beispiel einer gestuften Kristallstruktur, die auf einem durch schräges Schneiden erhaltenen Siliciumwafer mit schräger Oberfläche gebildet worden ist, und eines MOS-Bauelements, das in der gestuften Kristallstruktur gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung gebildet worden ist; und

9 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Stärke eines an das Gate angelegten elektrischen Feldes und der Elektronenbeweglichkeit eines Kanals in einem Beispiel 5 der Erfindung und in einem Vergleichsbeispiel 3 zeigt.

Ausführungsform 1
Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist es durch Einstellen des Neigungswinkels einer schrägen Oberfläche (die Ausbildung der schrägen Oberfäche auf einem Siliciumwafer ist im Stand der Technik bekannt) auf einen sehr kleinen Winkel von 0,01 ° bis 0,2° möglich, die gestufte Struktur einer Kristalloberfläche auf atomarer Ebene mit einem AFM zu erkennen. Dadurch kann beurteilt werden, ob eine erhaltene, auf atomarer Ebene gestufte Struktur die beiden Stufenwände Sa und Sb besitzt. Falls gewünscht, kann die Oberflächenstruktur kontrolliert und eingestellt werden.
Indem beispielsweise eine Kristalloberfläche gebildet und dabei beobachtet wird, kann die Bildung der Stufenwände Sb verhindert werden, die die Oberfläche mit großer Wahrscheinlichkeit instabil machen. Dadurch wird die Oberfläche stabilisiert, wodurch Verbesserungen der Eigenschaften eines darauf gebildeten Oxidfilms möglich sind.
Da gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche einer Wärmebehandlung unterworfen wird, indem ein ultrareines Argongas verwendet wird, ist die Konzentration von Verunreinigungen im Argongas sehr gering, ferner sind die Sauerstoff- und Wasserkonzentrationen äquivalent zu jenen eines herkömmlichen ultrahohen Vakuums, das zum Entgasen geeignet ist. Mit dem zusätzlichen Merkmal, dass der Stickstoffgehalt sehr gering ist, kann die äußerst inerte Natur des Argongases aufrechterhalten werden, so dass keinerlei Reaktion mit der Siliciumwafer-Oberfläche auftritt. Auf diese Weise wird auf dem Siliciumwafer eine Kristalloberfläche rekonstruiert, wobei eine AFM-Beobachtung bestätigen kann, dass die Oberfläche eine gestufte Struktur mit den Stufenwänden Sa und Sb besitzt.
Aus STM-Beobachtungen ist wohlbekannt, dass im allgemeinen eine Kristalloberfläche auf einem sauberen Siliciumwafer durch eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung rekonstruiert wird und dass die rekonstruierte Kristalloberfläche aus Dimern (Doppelatomen) gebildet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Waferkristalloberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, dass ihre Normale aus der Richtung [001] (Normale der Ebene (001)) zur Richtung [110] geneigt ist, mit einer auf atomarer Ebene in Neigungsrichtung periodisch gestuften Struktur versehen, die den Neigungswinkel definiert. Stufen auf atomarer Ebene werden hinsichtlich der Höhe in zwei Typen klassifiziert: eine Einzelatomschicht S (0,13 nm) und eine Doppelatomschicht D (0,27 nm). Die zwei Typen von Stufen können voneinander auf der Grundlage der Richtung der Reihen der Dimere in einer Atomstufenschicht unterschieden werden. Gemäß dem obenerwähnten Bericht (1) erstreckt sich eine Stufenwand Sa normal zur Ausrichtung der Dimere in der entsprechen oberen Atomstufenschicht während sich eine Stufenwand Sb parallel zur der Dimere in der entsprechenden oberen Atomstufenschicht erstreckt. Daher ist eine Kristalloberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, daß ihre Normale aus der Richtung [001] (Normale der Ebene (001)) in die Richtung [110] geneigt ist, auf atomarer Ebene aus vier Arten von Stufenwänden, nämlich Sa, Sb, Da und Db, gebildet.
In der Wood-Schreibweise, die als vereinfachtes Verfahren häufig verwendet wird, ist der atomare Rekonstruktionstyp einer Stufenschicht einer Stufenwand Sa gleich 1×2, während derjenige einer Stufenwand Sb gleich 2×1 ist. Mit anderen Worten, es gibt Beziehungen zwischen (Stufe Sa) = (1×2 → 2×1) und (Stufe Sb) = (2×1 → 1×2). Aufgrund vieler Beobachtungen, beispielsweise derjenigen, die in dem obenerwähnten Journal of Vaccuum Science Technology, Bd. 7A, S. 2901, 1989, sowie im Journal of Applied Physics, Bd. 31, S. 1164, 1992, beschrieben sind, ist eine Stufenwand Sa eben, während eine Stufenwand Sb gekrümmt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt es hinsichtlich des Typs eines Siliciumwafers keine besonderen Einschränkungen, vielmehr können viele verschiedene Typen von Siliciumwafern verwendet werden, beispielsweise ein Siliciumwafer mit der Ebene (001) (äquivalent mit (100), die üblicherweise im Stand der Technik verwendet wird, um diese Gruppe von äquivalenten Ebenen zu bezeichnen), die durch Schneiden eines Siliciumeinkristalls erhalten wird, der durch das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) hergestellt worden ist.
In dieser Ausführungsform sollte der Winkel aus der Normalen der Ebene (001) zur Richtung [110], in dem der Schnitt für den Siliciumwafer erfolgt, im Bereich von 0,01 ° bis 0,2° liegen. Falls der Neigungswinkel größer als 0,2° ist, kann eine Stufenform nicht erkannt und daher nicht gesteuert werden. Andererseits ist es derzeit schwierig, einen Neigungswinkel in einem Bereich unterhalb von 0,01 ° mechanisch zu steuern.
Falls die Neigungsrichtung aus der Richtung [001] nicht zur Richtung [110] erfolgt, werden keine regelmäßigen Stufen gebildet. Die Neigungsrichtung muss jedoch nicht genau in diese Richtung erfolgen, statt dessen ist es ausreichend, wenn die Neigungsrichtung im wesentlichen in die Richtung [110] erfolgt. Insbesondere kann die Neigungsrichtung zur Richtung [110] um ungefähr ±2° abweichen.
Um das Verständnis der vorliegenden Anmeldung zu erleichtern, stellt die Richtung [110] die Richtungen [110], [110], [110] und [110] dar, die zueinander äquivalent sind. Daher sind in der vorliegenden Erfindung Neigungen in irgendeine dieser Richtungen enthalten.
Ein Wafer, der mit einer Neigung abgeschnitten worden ist, wird durch ein Reinigungsverfahren eines bekannten Siliciumwafer-Herstellungsprozesses gereinigt, beispielsweise durch ein Verfahren, das ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure verwendet, anschließend wird er einer Wärmebehandlung in einer ultrareinen Argongasatmosphäre unterworfen. Wie oben beschrieben, enthält das ultrareine Argongas gemäß der vorliegenden Ausführungsform nur eine sehr geringe Menge von Verunreinigungen wie etwa Sauerstoff und Wasser. Insbesondere sollte der Stickstoffgehalt 0,1 ppm oder weniger betragen. Wenn er größer als 0,1 ppm ist, reagiert der Stickstoff mit Silicium bei hoher Temperatur, um einen Nitridfilm zu bilden, der die Rekonstruktion einer Oberflächenstruktur behindert.
Die Wärmebehandlungstemperatur wird auf 600 bis 1300 °C gesetzt. Eine Prozeßtemperatur, die höher als 1300 °C ist, ist nicht praktisch, weil dadurch die Lebensdauer einer Quarzkernröhre wahrscheinlich verkürzt wird. Falls die Prozeßtemperatur niedriger als 600 °C ist, erfolgt keine atomare Rekonstruktion einer Siliciumoberfläche durch ein Argongas. Die Zeitdauer der Wärmebehandlung in einer Argongasatmosphäre kann in Übereinstimmung mit der Oberflächenstruktur eines zu bearbeitenden Siliciumwafers, mit dem Neigungswinkel und mit der Struktur einer geschnittenen Oberfläche geeignet gesetzt werden. Die Wärmebehandlungs-Zeitdauer kann in Übereinstimmung mit einer beabsichtigten gestuften Struktur geeignet gesetzt und gesteuert werden. Üblicherweise wird sie auf 5 bis 240 Minuten gesetzt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine gestufte Struktur einer Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche mit einem AFM beobachtet. Um in diesem Fall eine klare, einfach zu erkennende AFM-Photographie herzustellen, sind bestimmte Maßnahmen wie etwa die Minimierung der Probenspeicherzeit und die Abführung von Luft unter Verwendung von Stickstoff erforderlich.
Beispiel 1
Die in diesem Beispiel verwendeten Siliciumwafer-Proben wurden erhalten durch Zerschneiden eines 6-Zoll-CZ-Siliciumkristalls mit einem Neigungswinkel von 0,05 ° aus der Normalen der Ebene (001) in Richtung [110]. Nach der Reinigung der Siliciumwafer-Proben durch ein gewöhnliches Reinigungsverfahren unter Verwendung beispielsweise eines Gemischs von Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure und nach einer Spiegelpolitur wurden die Wafer mit einem AFM beobachtet. 2 ist eine AFM-Photographie (Gesichtsfeld 2 μm · 2 μm), die eine Kristalloberflächenstruktur eines spiegelpolierten Wafers mit schräger Oberfläche zeigt.
Ferner wurden die Wafer bei einer Temperatur von 1200 °C für eine Stunde in einer Argongasatmosphäre, die Stickstoff in einem Anteil von 0,01 ppm enthält, wärmebehandelt.
3A ist eine AFM-Photographie (Gesichtsfeld: 2 μm · 2 μm), die eine Kristalloberflächenstruktur eines Wafers mit schräger Oberfläche zeigt, der der obigen Wärmebehandlung unterworfen worden ist. 3B ist eine Photographie, die durch teilweises Abschneiden der AFM-Photographie von 3A erhalten worden ist, um die Beschreibung zu erleichtern. Die 3A und 3B zeigen, daß eine Kristalloberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, daß ihre Normale zur Richtung [110] geneigt ist, ebene Stufenwände Sa und gekrümmte Stufenwände Sb enthält.
Da eine Bereichslänge L zwischen benachbarten Stufenwänden ausgedrückt wird durch L = (Höhe einer Atomschicht)/tan α, wobei α der Neigungswinkel ist, ergibt sich für α = 0,5 ° und L = 0,2 μm für die Höhe der Stufenwand ein Wert von 0,13 nm, die gleich der Höhe einer Einzelatomschicht ist (a/4 = 0,13 nm, wobei a eine Kristallgitterkonstante ist).
In dem Siliciumwafer mit schräger Oberfläche gemäß dieser Ausführungsform kann eine Oberflächenstruktur, die eine gestufte Struktur werden soll, indem sie durch die Wärmebehandlung in einer ultrareinen Argongasatmosphäre kraft der Tatsache rekonstruiert wird, daß der Anschnittwinkel ein sehr kleiner Winkel ist, mit einem AFM beobachtet werden. Eine gewünschte gestufte Oberflächenstruktur kann in industriellem Maßstab hergestellt werden, während sie beobachtet und gesteuert wird. Daher kann auf einer solchen gestuften Oberflächenstruktur beispielsweise durch Unterdrücken der Bildung der Stufenwände Sb, die die Oberfläche wahrscheinlich instabil machen, ein qualitativ hochwertiger thermischer Oxidationsfilm ausgebildet werden.
Ausführungsform 2
Gemäß der zweiten Ausführungsform, ist die auf atomarer Ebene gestufte Struktur einer schrägen Oberfläche (die Bildung der schrägen Oberfläche auf einem Siliciumwafer ist an sich im Stand der Technik bekannt) hauptsächlich aus Stufenwänden Sa gebildet. Da die Bildung der Stufenwände Sb unterdrückt wird, kann die Oberfläche stabilisiert werden, so dass die Eigenschaften eines auf einer solchen Oberfläche gebildeten Oxidfilms verbessert werden können.
Durch Einstellen des Neigungswinkels einer schrägen Oberfläche auf einen sehr kleinen Winkel von 0,01° bis 0,2° wird es möglich, eine auf atomarer Ebene gestufte Struktur einer Kristalloberfläche mit einem AFM zu erkennen. Dadurch ist eine Beurteilung möglich, dass eine erhaltene auf atomarer Ebene gestufte Struktur hauptsächlich aus Stufenwänden Sa gebildet ist. Falls gewünscht, kann die Oberflächenstruktur gesteuert und eingestellt werden.
Da gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche einer Wärmebehandlung unterworfen wird, indem sie einem ultrareinen Wasserstoffgas unterworfen wird, ist die Konzentration der Verunreini gungen im Argongas sehr niedrig, außerdem sind die Konzentrationen von Sauerstoff und Wasser äquivalent zu denen eines herkömmlichen ultrahohen Vakuums, mit dem eine Entgasung möglich ist. Mit dem zusätzlichen Merkmal, daß der Stickstoffgehalt sehr niedrig ist, kann die Eigenschaft des Argongases, nämlich daß es eine Rekonstruktion einer Kristalloberfläche eines Siliciumwafers einfach ermöglicht, wirksam beibehalten werden. Somit kann eine AFM-Beobachtung bestätigen, daß eine rekonstruierte gestufte Oberflächenstruktur hauptsächlich aus Stufenwänden Sa gebildet ist.
Es ist zuerst von den Erfindern festgestellt worden, daß durch Einstellen des Neigungswinkels einer schrägen Oberflächenstruktur auf einem sehr kleinen Winkel von 0,01° bis 0,02°, durch Reinigen der Oberfläche und durch anschließendes Ausführen einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer ultrareinen Wasserstoffatmosphäre an der Oberfläche die schräge Oberflächenstruktur stabilisiert wird, außerdem kann die Bildung von Stufenwänden Sb, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Defekte und dergleichen in einem Oxidfilm hervorrufen, unterdrückt werden.
Es ist z. B. aus STM-Beobachtungen wohlbekannt, daß im allgemeinen eine Kristalloberfläche auf einem sauberen Siliciumwafer bei einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung rekonstruiert werden kann und daß die rekonstruierte Kristalloberfläche aus Dimern gebildet ist.
Nun wird beschrieben, wie die Erfinder die vorliegende Ausführungsform der Erfindung geschaffen haben.
Die Erfinder haben mit einem AFM eine durch eine herkömmliche Behandlung erhaltene schräge Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers beobachtet und festgestellt, daß ein herkömmlicher Siliciumwafer mit schräger Oberfläche, welche aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, daß ihre Normale um 1° bis 5° aus der Richtung [001] (Normale der Ebene (001)) in die Richtung [110] geneigt ist, eine zufällige gestufte Struktur besitzt, in der die Stufenwände Sa und Sb zufällig gemischt sind. Andererseits stellt der obenerwähnte Bericht (1) fest, daß die Energie für die Bildung der Stufenwände Sa, λ_Sa = 0,15 ± 0,01 eV/a (a ist eine Kristallgitterkonstante), zehnmal höher als die Energie zum Bilden der Stufenwände Sb, λ_Sb = 0,01 ± 0,01 eV/a, ist. Auf der Grundlage dieser Feststellung haben die Erfinder bestätigt, daß die chemische Aktivität bei den Stufenwänden Sb hoch ist und daß die Siliciumwafer-Oberfläche daher an diesen Stellen instabil ist, außerdem haben die Erfinder ein Verfahren erforscht, um die Bildung derartiger Stufenwände Sb wirksam zu unterdrücken und um die Stufenwände Sa regelmäßig auszubilden.
Es ist wohlbekannt, daß durch Ausführen einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung eines Siliciumwafers in einer Wasserstoffatmosphäre die Waferoberfläche modifiziert wird: Siliciumatome an der Waferoberfläche werden entfernt. Beispielsweise stellt Applied Physics Letters, Bd. 65, S. 1924, 1994 (im folgenden als Bericht (2) bezeichnet), fest, daß die Oberflächen-Siliciumatome mit einer Rate (Ätzrate) von 0,08 nm/Minute in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1150 °C entfernt werden.
In einem Rekonstruktionsprozeß einer gestuften Struktur auf einer schrägen Oberfläche eines Siliciumwafers sollten sich die Entfernungsraten der auf den Stufenwänden vorhandenen Atome und der an den Oberflächen der Bereiche (d. h. der Bereiche, die von den Stufenwänden verschieden sind) vorhandenen Atome voneinander unterscheiden. Ferner sollte die Entfernungsrate der an den Stufenwänden vorhandenen Atome von der Struktur und von den Eigenschaften der Stufenwände abhängen. Auf der Grundlage dieser Annahmen haben die Erfinder Eigenschaften von Stufenwänden untersucht und erforscht, wie sich Siliciumatome verhalten, wenn sie entfernt werden, und dergleichen.
Genauer wurde zuerst geprüft, wie sich Siliciumatome bei ihrer Entfernung verhalten, wenn eine Oberfläche, auf der Stufenwände Sa und Sb gemischt vorhanden sind, einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer ultrareinen Wasserstoffatmosphäre unterworfen wurde. Die Erfinder erwarteten, daß die Entfernungsrate der an den Stufenwänden Sb vorhandenen Atome höher als diejenige der auf den Stufenwänden Sa vorhandenen Siliciumatome ist.
Es ist bekannt, daß im allgemeinen Siliciumatome auf einer Siliciumwafer-Oberfläche Dimere bilden. Oberflächen-Dimere werden durch die zwei folgenden Verfahren entfernt. In einem ersten Verfahren werden zwei Atome eines Dimers zusammen entfernt, so daß die Dimer-Zerlegung nicht notwendig ist. In einem zweiten Verfahren wird ein Dimer zuerst zerlegt, anschließend werden die zwei vorher den Dimer bildenden Atome getrennt entfernt.
Gemäß der obenerwähnten Definition von Chadi erstrecken sich Dimer-Reihen in ein einer Stufenwand Sa entsprechenden oberen Stufenschicht normal zur Stufenwand Sa. Daher wird eines der beiden Siliciumatome eines auf einer Stufenwand Sa vorhandenen Dimers freigelegt, während das andere Siliciumatom im Bereich vorhanden ist. Die zwei Atome sind hinsichtlich ihrer chemischen Aktivität in unterschiedlichen Umgebungen in einer Kristallstruktur vollständig verschieden. Um daher die auf einer Stufenwand Sa vorhandenen Siliciumatome zu entfernen, müssen die Dimere unmittelbar vor ihrer Entfernung zerlegt wer den. Somit können die auf einer Stufenwand Sa vorhandenen Siliciumatome nur schwer entfernt werden.
Andererseits erstrecken sich Dimer-Reihen in einer einer Stufenwand Sb entsprechenden oberen Stufenschicht parallel zur Stufenwand Sb, wobei die Dimere selbst zur Stufenwand Sb parallel sind. Da die zwei Siliciumatome eines auf einer Stufe Sb vorhandenen Dimers sich in der gleichen Kristallumgebung befinden, können sie gleichzeitig entfernt werden, ohne daß das Dimer zerlegt werden muß.
Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß zwei Siliciumatome, d. h. ein Dimer auf einer Stufenwand Sb, durch Zerschneiden von vier äquivalenten Si-Si-Bindungen, die freiliegen, entfernt werden kann. Um im Fall von Siliciumatomen, die auf einer Stufenwand Sa vorhanden sind, ein Siliciumatom zu entfernen, ist es notwendig, vier nicht äquivalente Si-Si-Bindungen zu trennen: eine Bindung liegt frei, eine befindet sich in der Masse und zwei sind mit anderen Dimeren gekoppelt.
Aus der obigen Erläuterung wird verständlich, daß der Siliciumwafer eine stabile Oberflächenstruktur besitzen wird, falls eine gestufte Struktur einer schrägen Oberfläche eines Siliciumwafers nur Stufenwände Sa besitzt. Ferner können Stufenwände Sb mit einer gestuften Oberflächenstruktur durch eine Wasserstoffbehandlung leichter als Stufenwände Sa entfernt werden. Daher kann ein Siliciumwafer mit stabiler Oberfläche erhalten werden, indem eine schräge Oberflächenstruktur ausgebildet wird, ausgehend von der eine gestufte Struktur, die hauptsächlich aus Stufenwänden Sa gebildet ist, einfach rekonstruiert werden kann, und indem die schräge Oberfläche einer Wasserstoffbehandlung unterworfen wird.
Das bedeutet, daß die Erfinder unter Ausnutzung der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften zwischen den Stufenwänden Sa und Sb erfolgreich eine stabile Siliciumwafer-Oberfläche herstellen konnten, die keine Stufenwände Sb besitzt, indem sie eine schräge Oberfläche mit einem gegebenen Neigungswinkel gebildet haben und diese anschließend einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung in einer ultrareinen Wasserstoffatmosphäre unterworfen haben, wodurch Defekte in einem Oxidfilm reduziert und die Durchbruchspannung erhöht werden konnten.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt es keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Typs des Siliciumwafers, statt dessen können viele verschiedene Typen von Siliciumwafern verwendet werden, beispielsweise ein Siliciumwafer mit einer Ebene (001) (die mit (100) äquivalent ist, welche gewöhnlich im Stand der Technik verwendet wird, um diese Gruppe äquivalenter Ebenen zu bezeichnen), der durch Zerschneiden eines Siliciumeinkristalls erhalten wird, der mit dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) hergestellt worden ist.
In dieser Ausführungsform sollte der Anschnittwinkel eines Siliciumwafers aus der Normalen der Ebene (001) in Richtung [110] im Bereich von 0,01° bis 0,2° liegen. Falls der Neigungswinkel größer als 0,2° ist, kann eine Stufenform nicht erkannt und somit nicht gesteuert werden. Andererseits ist es derzeit schwierig, den Neigungswinkel in einem Bereich von weniger als 0,01° mechanisch zu steuern.
Falls der Neigungswinkel aus der Richtung [001] nicht in die Richtung [110] erfolgt, werden keine regelmäßigen Stufen gebildet. Die Neigungsrichtung muß jedoch nicht exakt in die Richtung [110] weisen, vielmehr reicht es aus, daß die Neigungsrichtung im wesentlichen in die Richtung [110] weist. Genauer kann die Neigungsrichtung um ungefähr ±2 ° in Richtung [110] abweichen.
In der vorliegenden Anmeldung repräsentiert zum leichteren Verständnis die Richtung [110] die Richtungen [110], [101], [110] und [110], die zueinander äquivalent sind. Daher sind die Neigungen in eine dieser Richtungen im Umfang der Erfindung enthalten.
Ein Wafer, der unter einem von Null verschiedenen Neigungswinkel abgeschnitten worden ist, wird durch ein Reinigungsverfahren eines bekannten Siliciumwafer-Herstellungsprozesses gereinigt, beispielsweise mit einem Verfahren, das ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Stickstoffsäure verwendet, und anschließend einer Wärmebehandlung in einer ultrareinen Wasserstoffgasatmosphäre unterworfen. Wie oben beschrieben, enthält das ultrareine Wasserstoffgas der vorliegenden Ausführungsform nur eine sehr geringe Menge von Verunreinigungen wie etwa Sauerstoff und Wasser. Insbesondere sollte der Stickstoffgehalt 0,1 ppm oder weniger betragen. Falls er größer als 0,1 ppm ist, reagiert der Stickstoff mit Silicium bei hoher Temperatur, um einen Nitridfilm zu bilden, der die Rekonstruktion einer Oberflächenstruktur behindert.
Die Wärmebehandlungstemperatur ist auf 600 bis 1300 °C gesetzt. Eine Prozeßtemperatur, die höher als 1300 °C ist, ist nicht praktisch, weil die Lebensdauer der Quarzkernröhre wahrscheinlich verkürzt wird. Falls die Prozeßtemperatur niedriger als 600 °C ist, ist die Reaktionsrate zwischen der Siliciumoberfläche und Wasserstoff gering, so daß der Wirkungsgrad der Oberflächenstruktur-Rekonstruktion gering ist. Die Zeitdauer der Wärmebehandlung in einer Wasserstoffgasatmosphäre kann in Übereinstimmung mit der Oberflächenstruktur eines zu bearbeitenden Siliciumwafers, mit dem Neigungswinkel und mit der Struktur einer geschnittenen Oberfläche geeignet gesetzt werden. Die Wärmebehandlungs-Zeitdauer kann in Übereinstimmung mit den Dynamiken der Entfernung und des Verschwindens der Stufenwände Sb geeignet gesetzt und gesteuert werden. Gewöhnlich wird sie auf 5 bis 240 Minuten gesetzt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine gestufte Struktur einer Oberflächenstruktur eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche mit einem AFM beobachtet. Um in diesem Fall eine klare, einfach zu erkennende AFM-Photographie herzustellen, sind bestimmte Maßnahmen wie etwa die Minimierung der Probenspeicherzeit und die Abführung von Luft unter Verwendung von Stickstoff erforderlich.
Beispiel 2
Siliciumwafer-Proben, die in diesem Beispiel verwendet werden, wurden dadurch erhalten, daß ein 6-Zoll-CZ-Siliciumkristall unter einem Neigungswinkel von 0,05° aus der Normalen der Ebene (001) in Richtung [110] abgeschnitten wurde. Nachdem die Siliciumwafer-Proben mit einem gewöhnlichen Reinigungsverfahren, das beispielsweise ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Stickstoffsäure verwendet, gereinigt worden waren und anschließend spiegelpoliert wurden, wurden sie mit einem AFM beobachtet. 5 ist eine AFM-Photographie (Gesichtsfeld: 2 μm · 2 μm), die eine Kristalloberflächenstruktur eine spiegelpolierten Wafers mit schräger Oberfläche zeigt.
Ferner wurden die Wafer einer Wasserstoff-Wärmebehandlung bei 1200 °C während einer Stunde in einer Wasserstoffgasatmosphäre, die Stickstoff in einem Anteil von 0,01 ppm enthielt, unterworfen.
6A ist eine AFM-Photographie (Gesichtsfeld: 2 μm · 2 μm), die eine Kristalloberflächenstruktur eines Wafers mit schräger Oberfläche zeigt, der der obigen Wasserstoff-Wärmebehandlung unterworfen worden ist. 6B ist eine Photographie, die durch Vergrößern eines Teils der AFM-Photographie von 6A um der bequemen Beschreibung willen erhalten wurde. Wie in 6B gezeigt, ist die beobachtete gestufte Oberflächenstruktur durch eine Kombination aus geraden Linien A und gekrümmten Linien B gekennzeichnet. Ein Intervall L zwischen zwei benachbarten geraden Linien A ist annähernd konstant und steht mit dem Anschnittwinkel α in der folgenden Beziehung: L = (Höhe der Atomschicht)/tan α.
Wenn für L der Wert 0,31 μm und für α der Wert 0,05° eingesetzt wird, ergibt sich aus der obigen Gleichung für die Atomschichthöhe ein Wert von 0,27 nm, der angenähert gleich a/2 ist, wobei a die Siliciumkristall-Gitterkonstante von 0,52 nm ist. Das heißt, daß die oberen Oberflächen der zwei Stufenschichten, die durch benachbarte gerade Linien A definiert sind, eine Höhendifferenz von zwei Atomen aufweisen.
Tatsächlich sind die gekrümmten Linien B nicht kontinuierlich, sondern sind schräge Seiten schmaler Dreiecke C. Für eine Stufenschicht, die mit Ausnahme der den Grundlinien D der Dreiecke C entsprechenden Abschnitte durch eine gerade Linie A dargestellt wird, wird ein Höhe von zwei Atomen gemessen, während für eine Stufenschicht, die durch schräge Seiten E der Dreiecke C dargestellt wird, eine Höhe von einem Atom gemessen wird. Wenn 6B insgesamt betrachtet wird, wird deutlich, daß die meisten Stufenschichten eine Höhe von einem Atom besitzen.
So zeigt 6B, daß die Stufenwände mit der Höhe eines Atoms, die durch die Dreiecke C repräsentiert werden, stabile Stufenwände Sa sind. Entsprechend dem Bericht (1) von Chadi sind Stufenwände, die mit Ausnahme der den Grundseiten D der Dreiecke C entsprechenden Abschnitte durch eine gerade Linie A gegeben sind, zu Dimer-Reihen in der entsprechenden Stufenschicht parallel. Diese Stufenwände sind eben und durch ein Symbol Da bezeichnet. Die Stufenwände, die durch die Grundseiten D der Dreiecke C repräsentiert sind, sind durch das Symbol Sa bezeichnet. Andererseits sind Dimer-Reihen in jeder rechtwinkligen Stufenschicht zur geraden Linie A senkrecht. Die Stufenwände, die durch die zwei schrägen Seiten jedes Dreiecks C repräsentiert sind, sind ebenfalls durch das Symbol Sa bezeichnet.
Daraus geht hervor, daß die schräge Oberflächenstruktur des Beispiels 2 im wesentlichen nur aus Stufenwänden Sa gebildet ist.
Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 1
Die im Beispiel 2 erhaltenen Siliciumwafer und die mit einem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Siliciumwafer wurden bei 1000 °C für 16 Stunden einer Oxidationsbehandlung in einem mit einer Sauerstoffatmosphäre gefüllten Ofen unterworfen. Die Ergebnisse waren von der Art, daß die Konzentration der oxidationsinduzierten Stapelfehler der Siliciumwafer, die im Beispiel 2 erhalten wurden, 1 cm^–2 betrug, während diejenige der Siliciumwafer, die mit dem herkömmlichen Verfahren erhalten wurden, 10 cm^–2 betrug.
Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2
Die Siliciumwafer, die im Beispiel 2 erhalten wurden, und diejenigen, die mit dem herkömmlichen Verfahren erhalten wurden (d. h. Siliciumwafer, die in der gleichen Weise wie im Beispiel 3 und im Vergleichsbeispiel 1 vorbereitet wurden) wurden bei 950 °C für 30 Minuten in einem Wärmebehandlungsofen oxidiert, der mit einer trockenen Sauerstoffatmosphäre gefüllt war, die ein HCl-Gas in einem Anteil von 10 Gew-% enthielt, so daß auf jedem Wafer ein Oxidfilm mit einer Dicke von 20 nm gebildet wurde. Jeder Wafer wurde dann mit einem MOS-Kondensator versehen, wobei die Durchbruchspannungs-Kennlinie jedes Oxidfilms gemessen wurde. Die Ergebnisse waren von der Art, daß die C-Modus-Häufigkeit der Wafer, die im Beispiel 2 erhalten wurden, nicht niedriger als 98 % war, während diejenige der mit dem herkömmlichen Verfahren erhaltenen Wafer 92 % betrug.
Aus den obigen Beispielen und den Vergleichsbeispielen geht hervor, daß eine gestufte Struktur einer schrägen Oberfläche, die durch schräges Abschneiden mit einem gegebenen Neigungswinkel und durch eine Sauerstoff-Wärmebehandlung hergestellt wurde, aus Stufenwänden Sa gebildet ist, und daß ein Wafer mit einer solchen gestuften Struktur die Bildung eines Oxidfilms erlaubt, der frei von Defekten ist und bessere Eigenschaften besitzt.
Ein Siliciumwafer gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann einfach bei gegebenem Anschnittwinkel erzeugt werden. Ein Siliciumwafer gemäß dieser Ausführungsform, der bessere Oberflächeneigenschaften besitzt, kann geeignet als Halbleitersubstrat verwendet werden.
Ausführungsform 3
Ein Siliciumwafer gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird mit einer gewünschten Stufenstruktur versehen, derart, daß eine schräge Kristalloberfläche durch Abschneiden unter einem gegebenen Winkel gebildet wird und daß die Kristalloberfläche dann durch eine Wärmebehandlung in einer Argon- oder einer Wasserstoffatmosphäre rekonstruiert wird. Obwohl sich jede Stufenwand der gestuften Struktur unterschiedlich erstreckt, d. h. parallel oder senkrecht zu den Reihen der Siliciumatom-Dimere in der entsprechenden Stufenschicht je nach Anschnittwinkel und Wärmebehandlungsatmosphäre, nimmt die obere Oberfläche jeder Stufenschicht eine im wesentlichen gleichmäßige, glatte Form an. Da in einer solchen Stufenschicht ein aktiver Bereich für den Elektronentransport gebildet wird, kann ein hochleistungsfähiges Halbleiterbauelement gebildet werden, das nicht durch eine Oberflächenrauhheit störend beeinflußt wird.
Die gestufte Struktur dieser Ausführungsform wird durch eine atomare Rekonstruktion einer Siliciumwafer- Oberfläche gebildet und unterscheidet sich von einer Oberfläche, die durch einen Bearbeitungsvorgang wie etwa eine Spiegelpolitur hergestellt wird. Eine bearbeitete Oberfläche besitzt das Merkmal, daß die Atome zufällig angeordnet sind, und weist gewöhnlich eine Rauheit auf. Es ist wohlbekannt, daß die Oberflächenrauhheit einer der Faktoren ist, die die oberflächenbezogenen Bauelementeigenschaften verschlechtern. Andererseits wird eine rekonstruierte Oberfläche durch ein neues Gitter Übergitter) konstruiert. Aufgrund der Beliebigkeit in einem Übergitter-Bildungsprozeß, d. h. aufgrund der Abhängigkeit von der Oberflächenorientierung eines Siliciumwafers, vom Anschnittwinkel, von den Wärmebehandlungsbedingungen und von anderen Faktoren werden verschiedene Arten von Berei chen erzeugt, die unterschiedliche Übergitter-Kristallorientierungen besitzen. Übergitter-Bereiche besitzen Oberflächen auf atomarer Ebene, wobei eine Stufenwand zwischen benachbarten Bereichen gebildet wird. Wie die Oberflächenrauhheit einer bearbeiteten Oberfläche beeinflußt dieser Typ einer gestuften Struktur die oberflächenbezogenen Bauelementeigenschaften in hohem Maß.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Stufenwände der gestuften Struktur in einer besonderen Richtung angeordnet, indem ein geeigneter Prozeß ausgeführt wird, ferner wird ein aktiver Bereich des Bauelements in einer einzigen Stufenschicht, d. h. einem einzigen Bereich, ausgebildet, der eine auf atomarer Ebene glatte Oberfläche besitzt. Daher können Einflüsse auf die Halbleiterbauelement-Leistungseigenschaften einer gestuften Struktur einschließlich der Stufenwände, die zwischen benachbarten Bereichen gebildet sind, unterdrückt werden.
Somit kann das Halbleiterbauelement gemäß dieser Ausführungsform sämtliche Arten von Bauelement-Leistungseigenschaften verbessern, die durch Oberflächeneigenschaften eines Siliciumsubstrats wie etwa die Trägerbeweglichkeit in einem Kanal, die Durchbruchspannung eines Gate-Isolierfilms und dergleichen beeinflußt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform gibt es keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Typs des Siliciumwafers, statt dessen können viele verschiedene Typen von Siliciumwafern verwendet werden, beispielsweise ein Siliciumwafer mit der Ebene (001) (die mit (100) äquivalent ist, die gewöhnlich im Stand der Technik verwendet wird, um diese Gruppe äquivalenter Ebenen zu bezeichnen), der durch Zerschneiden eines Siliciumeinkristalls erhalten wird, der mit dem Czochralski- Verfahren (CZ-Verfahren) hergestellt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird eine schräge Kristalloberfläche durch Abschneiden eines Siliciumwafers gebildet, wobei die Schnittebene in der Weise geneigt ist, daß ihre Normale zur Richtung [110] in einem Winkelbereich von 0,01° bis 5° geneigt ist. Falls der Neigungswinkel nicht größer als 5° ist, kann eine gestufte Struktur gemäß der vorliegenden Ausführungsform geeignet gesteuert werden. Andererseits ist es derzeit schwierig, den Neigungswinkel in einem Bereich kleiner als 0,01° mechanisch zu steuern. Falls die Neigungsrichtung aus der Richtung [001] nicht in die Richtung [110] weist, werden keine regelmäßigen Stufen ausgebildet. Die Neigungsrichtung muß jedoch nicht exakt in die Richtung [110] weisen, statt dessen ist es ausreichend, wenn die Neigungsrichtung im wesentlichen in die Richtung [110] weist. Genauer kann die Neigungsrichtung um ungefähr ±2° in Richtung [110] abweichen.
Ein Wafer, der in einem von Null verschiedenen Anschnittwinkel abgeschnitten worden ist, wird durch ein Reinigungsverfahren eines bekannten Siliciumwafer- Herstellungsprozesses, beispielsweise mit einem Verfahren, das ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Stickstoffsäure verwendet, gereinigt und anschließend einer geeigneten Wärmebehandlung unterworfen. Vorzugsweise ist die Wärmebehandlungsatmosphäre eine Argon- oder eine Wasserstoffatmosphäre. Die erhaltene gestufte Struktur hängt vom Anschnittwinkel und von der Art des Atmosphärengases ab.
Die Tatsache, daß die erhaltene gestufte Struktur vom Anschnittwinkel und von der Art der Wärmebehandlungsatmosphäre abhängt, ist erstmals von den Erfindern festgestellt worden. Wie in der ersten und in der zweiten Ausführungsform beschrieben, werden beispielsweise die Stufen Sa und Sb durch einen sehr kleinen Anschnittwinkel und durch eine Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre gebildet, während durch einen sehr kleinen Anschnittwinkel und eine Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre ausschließlich Stufenwände Sa gebildet werden. In der vorliegenden Ausführungsform kann eine gestufte Struktur entweder aus Stufen Sa oder Sb oder aber sowohl aus Stufen Sa und Sb gebildet sein, ferner kann ein aktiver Bereich für den Elektronentransport in der gleichen Stufenschicht mit einer auf atomarer Ebene glatten Oberfläche gebildet sein. Die Ausdrücke "Stufe Sa" und "Stufe Sb", die in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sind in Übereinstimmung mit den Definitionen im Bericht (1) von Chadi.
Die Wärmebehandlungstemperatur wird auf 600 bis 1300 °C gesetzt. Eine Prozeßtemperatur von mehr als 1300 °C ist nicht praktisch, weil die Lebensdauer der Quarzkernröhre wahrscheinlich verkürzt wird. Falls die Prozeßtemperatur niedriger als 600 °C ist, ist die Rekonstruktionsrate einer Siliciumoberfläche gering. Die Wärmebehandlungs-Zeitdauer kann in Übereinstimmung mit der Oberflächenstruktur des zu bearbeitenden Siliciumwafers, mit dem Neigungswinkel und mit der Struktur einer geschnittenen Oberfläche geeignet gesetzt werden. Gewöhnlich wird sie auf 5 bis 240 Minuten gesetzt.
7 zeigt schematisch ein Beispiel einer gestuften Kristallstruktur, die auf einem Siliciumwafer mit schräger Oberfläche gebildet ist, der durch schräges Anschneiden erhalten wird, sowie eines MOS-Bauelements, das in der gestuften Kristallstruktur gebildet ist.
In 7 ist eine gestufte Struktur gebildet, in der sich die Stufenoberflächen 31 bis 33 und die Stufenwände Sa-31, Sb-32 und Sa-33 in die Richtung [100] erstrecken, indem eine Wärmebehandlung von 1200 °C in einer Argonatmosphäre auf einem Siliciumwafer mit einer schrägen Oberfläche ausgeführt wird, welche in der Weise aus der Ebene (001) geneigt ist, daß ihre Normale um einen Neigungswinkel θ von 0,01° bis 5° in eine besondere Richtung, beispielsweise die Richtung [110] geneigt ist. Diese gestufte Struktur ist durch die ebenen Stufenwände Sa und durch die gekrümmten Stufenwände Sb gekennzeichnet, die im allgemeinen zueinander parallel sind. Ein Abstand L zwischen benachbarten Stufenwänden ist durch den Neigungswinkel θ festgelegt und wird ausgedrückt durch L = {(Gitterkonstante)/4}/tan θ.
Gewöhnlich sind Stufenoberflächen, die durch Ausführen eines vorgeschriebenen Reinigungsschrittes und eines Oxidationsschrittes an einem Siliciumwafer mit der gestuften Struktur von 7 erhalten werden, rauh oder glatt, je nach Rauheit der Grenzflächen zwischen dem Siliciumwafer und einem Oxidfilm. Da die Stufenoberflächen 31 bis 32 zueinander parallel sind, erstrecken sich rauhe Abschnitte dann, wenn die Grenzflächen rauh sind, auf jeder gestuften Oberfläche ebenfalls zueinander parallel, wobei in Richtung [110] Grenzflächenstreuzentren aufgrund der rauhen Abschnitte verteilt sind. Falls daher beabsichtigt ist, die Träger in Richtung [110] zu bewegen, üben die rauhen Grenzabschnitte zwischen dem Oxidfilm und den entsprechenden Stufenoberflächen auf die Träger eine starke Streuung aus, als ob sie ein periodisches Energieband wären.
Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Ausführungsform die Träger nicht durch Grenzflächenstreuungen in einer Stufenoberfläche beeinflußt, weil eine Source S und ein Drain D eines MOS- Halbleiterbauelements in der Weise angeordnet sind, daß sie Träger in Richtung [110] bewegen, indem eine gestufte Struktur verwendet wird, die auf einem Siliciumwafer mit schräger Oberfläche rekonstruiert worden ist. Das heißt, selbst wenn eine Grenzflächenstreuung auftritt, ist diese für Träger, die sich in derselben Oberfläche bewegen, schwächer als für jene, die sich in anderen Richtungen bewegen, weil die Felder sich in derselben Oberfläche gegenseitig aufheben. Mit anderen Worten, wenn die Träger dazu veranlaßt werden, sich in einer Richtung zu bewegen, die nicht irgendwelche Stufenwände schneidet, kann die Möglichkeit, daß diese Träger mit starken Streuzentren kollidieren, reduziert werden. Daher kann durch Ausbilden eines Kanals C im MOS-Bauelement parallel zur Richtung [110] eine hohe Driftbeweglichkeit der Träger erhalten werden, wodurch die Betriebsgeschwindigkeit des MOS-Bauelements erhöht wird.
8 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel einer gestuften Kristallstruktur, die auf einem Siliciumwafer mit schräger Oberfläche ausgebildet ist, der durch schräges Anschneiden erhalten wird, sowie eines MOS-Bauelements, das in der gestuften Kristallstruktur gebildet worden ist.
In 8 ist eine gestufte Struktur gebildet, in der sich Stufenoberflächen 51 bis 53 und Stufenwände Sa-51, Sb-52 und Sa-53 in der Richtung [110] erstrecken und in jeder Stufenoberfläche Teilstufenwände Sa vorhanden sind, indem eine Wärmebehandlung bei 1200 °C in einer Wasserstoffatmosphäre auf einem Siliciumwafer ausgeführt wird, der eine schräge Oberfläche besitzt, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, daß ihre Normale um einen Neigungswinkel θ von 0,01° bis 0,2° in eine besondere Richtung, beispielsweise die Richtung [110] geneigt ist. Diese gestufte Struktur ist dadurch gekennzeichnet, daß sie nahezu ausschließlich aus ebenen Stufenwänden Sa gebildet ist, die zueinander parallel sind. Ein Abstand L zwischen benachbarten Stufenwänden Sa-51, Sa-52 und Sa-53 ist durch den Neigungswinkel θ bestimmt und wird ausgedrückt durch L = {(Gitterkonstante)/2}/tan θ.
In der gestuften Struktur von 8 wird wie im Fall von 7 durch Anordnen einer Source S und eines Drains D in der Weise, daß sich die Träger in Richtung [110] bewegen, vollständig verhindert, daß die Träger durch eine Grenzflächenstreuung in der Stufenoberfläche beeinflußt werden. Im Ergebnis kann eine hohe Driftbeweglichkeit der Träger in einem Kanal C erhalten werden, so daß die Betriebsgeschwindigkeit des MOS-Bauelements erhöht werden kann.
Beispiel 5 und Vergleichsbeispiel 3
Die in diesem Beispiel verwendeten Siliciumwafer-Proben wurden durch Zerschneiden eines 6-Zoll-CZ-Siliciumkristalls unter einem Neigungswinkel von 0,05° aus der Normalen der Ebene (001) in Richtung [110] erhalten. Anschließend wurden die Siliciumwafer-Proben mit einem gewöhnlichen Reinigungsverfahren, das beispielsweise ein Gemisch aus Fluorwasserstoffsäure und Stickstoffsäure verwendet, gereinigt und daraufhin bei 1200 °C für eine Stunde einer Wärmebehandlung in einer Argonatmosphäre unterworfen.
Die AFM-Beobachtungen der Oberflächen der in dieser Weise bearbeiteten Siliciumwafer ergaben, daß sie eine gestufte Struktur mit einem Abstand L von ungefähr 0,2 μm besaßen.
Unter Verwendung der wie oben beschrieben verarbeiteten Siliciumwafer als Substrate wurden N-Kanal-MOS-Bauelemente durch ein bekanntes Verfahren in der Weise gebildet, daß sie sich in zwei verschiedenen Richtungen erstrecken. Genauer wird, wie in 7 gezeigt, der Kanal C zwischen zwei MOS-Bauelementen S-C-D und S'-C-D', die sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken, gemeinsam genutzt.
Die Elektronenbeweglichkeiten des Kanals C in den Richtungen [110] (Beispiel 5) und [110] (Vergleichsbeispiel 3) wurden gemessen, wobei die Stärke eines an das (nicht gezeigte) Gate angelegten elektrischen Feldes geändert wurde. 9 zeigt die Meßergebnisse, aus denen hervorgeht, daß die Elektronenbeweglichkeiten, die erhalten werden, wenn der verwendete Kanal in Richtung [110] verläuft, d. h., wenn das MOS-Bauelement in der gleichen Stufenoberfläche ausgebildet ist, größer sind als jene, die erhalten werden, wenn der Kanal C in Richtung [110] verläuft. Im Beispiel 5 und im Vergleichsbeispiel 3 besaß das N-Kanal-MOS-Bauelement die folgenden Parameter:
Kanalgröße: 1 μm sowohl in Breiten- als auch in Längsrichtung
Waferdotierung/Dosis: Bor/1 · 10¹³ cm^–2
Dicke des Oxidfilms auf dem Wafer: 3000 Å
Kanaldotierung/Dosis: Bor/2 · 10¹¹ cm^–2
Dicke des Gateoxidfilms: 200 Å
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Halbleiterbauelement unter Verwendung eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche als Substrat gebildet, welcher dadurch erhalten wird, daß nach dem schrägen Anschneiden eine gewünschte gestufte Kristallstruktur durch eine vorgeschriebene Wärmebehandlung rekonstruiert wird, wobei in derselben Stufenoberfläche der gestuften Kristallstruktur ein aktiver Bereich für den Elektronentransport ausgebildet wird. Im Ergebnis wird die Elektronenbeweglichkeit erhöht, außerdem wird die Betriebsgeschwindigkeit wie etwa die Schaltgeschwindigkeit erhöht, was zu einer hochleistungsfähigen Schaltung beiträgt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche mit folgenden Schritten: Abschneiden eines Einkristall-Siliciumwafers mit einer schrägen Oberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, dass eine Normale der schrägen Oberfläche aus der Richtung [001] in die Richtung [110] um 0,01° bis 0,2° geneigt ist, Reinigen des Siliciumwafers und Durchführen einer Wärmebehandlung am Siliciumwafer bei 600 bis 1300 °C für nicht weniger als eine Minute in einer ultrareinen Argonatmosphäre, die Stickstoff in einem Anteil von nicht mehr als 0,1 ppm enthält, so dass die schräge Oberfläche eine gestufte Kristalloberflächenstruktur mit Stufenwänden (Sa,Sb) aufweist, die normal oder parallel zur Ausrichtung der Dimere der jeweiligen oberen Stufe der Si-Oberfläche sind und die Höhe einer Einzelatomschicht haben.
Verfahren zum Bilden eines Siliciumwafers mit schräger Oberfläche mit den folgenden Schritten: Abschneiden eines Einkristall-Siliciumwafers mit einer schrägen Oberfläche, die aus der Ebene (001) in der Weise geneigt ist, dass eine Normale der schrägen Oberfläche aus der Richtung [001] in die Richtung [110] um 0,01° bis 0,2° geneigt ist, Reinigen des Siliciumwafers und Durchführen einer Wärmebehandlung am Siliciumwafer bei 600 bis 1300 °C für nicht weniger als eine Minute in einer ultrareinen Wasserstoffatmosphäre, die Stickstoff in einem Anteil von nicht mehr als 0,1 ppm enthält, so dass die schräge Oberfläche eine gestufte Kristalloberflächenstruktur aufweist, wobei Stufenwände (Sa) normal zur Ausrichtung der Dimere der jeweiligen oberen Stufe der Si-Oberfläche sind und die Höhe einer Einzelatomschicht haben.
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit den folgenden Schritten: – Bilden eines Si-Substrates mit schräger Oberfläche mit einem der Verfahren des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2, und – Bilden des Träger-Trasportbereiches zwischen zwei benachbarten Stufenwänden der Kristalloberflächenstruktur.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Stufenwänden eine Source, eine Drain und eine Gate gebildet werden, um ein MOS-Bauelement zu bilden.