DE112016003412T5 - Siliziumepitaxialwafer - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Siliziumepitaxialwafer 10 mit einem bordotierten Siliziumsubstrat 11 und einer Epitaxieschicht 13, die auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 gebildet ist, bereitgestellt, wobei die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger beträgt und eine anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt. Wenn eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung, wie etwa eine Wärmebehandlung bei 700 °C für 3 Stunden und eine Wärmebehandlung bei 1000 °C für 16 Stunden, an dem Siliziumepitaxialwafer ausgeführt wird, beträgt die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 1·1010 /cm3 oder weniger.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Siliziumepitaxialwafer und insbesondere einen Siliziumepitaxialwafer mit einer Epitaxieschicht, die auf der Oberfläche eines bordotierten p-Typ-Siliziumsubstrats gebildet ist.
  • Hintergrund
  • Siliziumepitaxialwafer werden weithin als Substratmaterial für Halbeitervorrichtungen verwendet. Ein Siliziumepitaxialwafer weist eine Epitaxieschicht auf, die auf der Oberfläche eines Volumensiliziumsubstrats gebildet ist. Da Siliziumepitaxialwafer einen hohen Grad einer Kristallperfektion zeigen, können sie der Herstellung von sehr zuverlässigen Halbleitervorrichtungen mit hoher Qualität dienen.
  • Siliziumsubstrate, die eine p-Typ- oder n-Typ-Verunreinigung mit hoher Konzentration aufweisen, werden für Siliziumepitaxialwafer eingesetzt, deren Anwendungen Festkörperbildgebungselemente und Leistungshalbleitervorrichtungen beinhalten. Zum Beispiel beschreibt Patentliteratur 1 einen Siliziumepitaxialwafer, der einen Wafer, der eine Stickstoffkonzentration von 1·1012 Atome/cm3 oder mehr zeigt und dessen spezifischer elektrischer Widerstand mittels Bordotierung auf 20 mΩ·cm oder weniger festgelegt ist, und eine auf der Oberfläche des Wafers angeordnete Epitaxieschicht umfasst, wobei die anfängliche Sauerstoffkonzentration des Siliziumepitaxialwafers 14·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Wafern können Siliziumwafer, die stark mit Stickstoff oder Bor dotiert sind, in Vorrichtungsherstellungsprozessen leicht Sauerstoffpräzipitate produzieren, weil Stickstoff und Bor die Stabilität von Sauerstoffpräzipitationskernen anheben. Falls Laser-Spike-Annealing (LSA) in einem Zustand ausgeführt wird, in dem plattenförmige Sauerstoffpräzipitate so gewachsen sind, dass sie eine große Größe zeigen, können daher Versetzungen beginnend von einem Sauerstoffpräzipitationskern einfach auftreten. Jedoch kann ein oben beschriebener Siliziumepitaxialwafer verhindern, dass eine Versetzung, die von einem Sauerstoffpräzipitationskern beginnt, auftritt, selbst wenn LSA in dem Vorrichtungsfertigungsprozess ausgeführt wird.
  • Patentliteratur 2 beschreibt einen Epitaxialwafer, der für ein Festkörperbildgebungselement eines Typs mit rückwärtiger Belichtung zu verwenden ist, wobei der Siliziumepitaxialwafer ein p-Typ-Siliziumsubstrat, das zu diesem hinzugefügten Kohlenstoff und Stickstoff enthält und einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 100 mΩ·cm aufweist, eine erste p-Typ-Epitaxieschicht, die auf dem p-Typ-Siliziumsubstrat gebildet ist, und eine zweite p-Typ- oder n-Typ-Epitaxieschicht, die auf der ersten p-Typ-Epitaxieschicht gebildet ist, umfasst, wobei die Zwischengittersauerstoffkonzentration in dem p-Typ-Siliziumsubstrat zwischen 10·1017 Atome/cm3 und 20·1017 Atome/cm3 liegt, wobei die Präzipitatdichte in einem zentralen Teil des p-Typ-Siliziumsubstrats bei Betrachtung in der Tiefenrichtung von diesem 5·105 cm2 oder mehr und 5·107 cm2 oder weniger beträgt. Gemäß diesem Epitaxialwafer können Festkörperbildgebungselemente des Typs mit rückwärtiger Belichtung mit hoher Ausbeute hergestellt werden.
  • [ENTGEGENHALTUNGSLISTE]
  • [Patentliteratur]
    • [Patentliteratur 1] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2011-228459
    • [Patentliteratur 2] Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2012-138576
  • Kurzdarstellung der Erfindung
  • [Durch die Erfindung zu lösende Probleme]
  • Mit Bezug auf Epitaxialwafer, die für Festkörperbildgebungselemente und andere Anwendungen zu verwenden sind, ist das in dem Siliziumsubstrat enthaltene Bor unverzichtbar, um die Getter-Fähigkeit sicherzustellen und den elektrischen Widerstand des Siliziumsubstrats zu verringern. Wenn Bor in einem großen Ausmaß von dem Siliziumsubstrat zu der Epitaxieschichtseite diffundiert wird, entsteht jedoch andererseits ein Problem, dass das Verunreinigungsprofil der Epitaxieschicht so geändert wird, dass die Gleichmäßigkeit des ebeneninternen spezifischen elektrischen Widerstands des Wafers verschlechtert wird. Außerdem wird die Breite des Übergangsgebiets der Borkonzentration (widerstandsvariierende Schicht) in der Epitaxieschicht an und nahe der Grenze des Siliziumsubstrats und der Epitaxieschicht so erhöht, dass die effektive Dicke der Epitaxieschicht reduziert wird, so dass im Gegenzug die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung verschlechtert werden. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Bordiffusion in dem Siliziumsubstrat so weit wie möglich zu unterdrücken.
  • Es ist bekannt, dass die Diffusion von Boratomen, die in einem Siliziumsubstrat enthalten sind, verstärkt wird, wenn das Siliziumsubstrat einer Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre unterzogen wird. Wenn der thermische Oxidfilm auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrats gebildet wird, werden manche der Si-Atome in dem Siliziumsubstrat von ihren Plätzen verdrängt, weil ihre ursprünglichen Plätze durch SiO2-Moleküle belegt werden, und werden dann aus dem Kristallgitter heraus geschoben. Dann wird die Anzahl an Zwischengittersiliziumatomen erhöht. Andererseits werden, wenn Boratome durch Zwischengittersiliziumatome ersetzt werden, sie durch Kick-Out-Diffusion diffundiert. Dementsprechend wird die Diffusion von Boratomen als Ergebnis der Zunahme der Anzahl an Zwischengittersiliziumatomen erhöht. Daher besteht eine Technik zum Unterdrücken einer verstärkten Diffusion von Boratomen darin, eine Durchführung jeglicher Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre so weit wie möglich zu vermeiden.
  • Jedoch gibt es Fälle, in denen Vorrichtungseigenschaften aufgrund von Bordiffusion verschlechtert werden, selbst, wenn der Vorrichtungsfertigungsprozess keinerlei Wärmebehandlung in einer oxidierenden Atmosphäre beinhaltet. Daher ist es sehr wünschenswert, die existierenden Techniken zum Unterdrücken einer verstärkten Diffusion von Boratomen zu verbessern.
  • [Mittel zur Lösung der Probleme]
  • In Anbetracht der oben identifizierten technischen Probleme ist es daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Siliziumepitaxialwafer bereitzustellen, in dem eine verstärkte Bordiffusion in dem Siliziumsubstrat unterdrückt ist.
  • Um die obigen Probleme zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung den Mechanismus der Bordiffusion in Siliziumwafern intensiv untersucht. Infolge des intensiven Forschungsaufwands haben die Erfinder herausgefunden, dass nicht nur bei Wärmebehandlungen in einer oxidierenden Atmosphäre, sondern auch bei beliebigen Wärmebehandlungen Zwischengittersiliziumatome freigesetzt werden, wenn Sauerstoffpräzipitate in dem Siliziumsubstrat wachsen, und eine Kick-Out-Diffusion der Boratome durch Zwischengittersiliziumatome gefördert wird. Insbesondere schreitet eine Bordiffusion, die Sauerstoffpräzipitaten zuschreibbar ist, rasch fort, wenn die Dichte von Sauerstoffpräzipitaten in dem Siliziumsubstrat ein Schwellenniveau überschreitet. Die vorliegende Erfindung wird durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung erreicht, da sie auf diese Tatsache achteten.
  • Dementsprechend basiert die vorliegende Erfindung auf den oben beschriebenen technischen Erkenntnissen. Ein Siliziumepitaxialwafer gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Epitaxieschicht auf einer Oberfläche eines bordotierten Siliziumsubstrats gebildet ist, wobei die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger beträgt, eine anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt und, wenn eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung an dem Siliziumepitaxialwafer durchgeführt wird, die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt.
  • Dementsprechend beträgt die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat gemäß der vorliegenden Erfindung 1·1010 /cm3 oder weniger und daher ist es, selbst wenn Sauerstoffpräzipitate in dem Siliziumsubstrat infolge irgendeiner Wärmebehandlung in dem Vorrichtungsfertigungsprozess wachsen, möglich, die Zunahme der Anzahl an Zwischengittersiliziumatomen zu unterdrücken, die sich als ein Ergebnis eines Anstiegs der Sauerstoffpräzipitatdichte ergibt. Dann ist es auch möglich, die Kick-Out-Diffusion von Boratomen in dem Siliziumsubstrat zu der Epitaxieschichtseite hin aufgrund der Zwischengittersiliziumatome zu unterdrücken, so dass folglich eine Diffusion von Boratomen auf ein Niveau unterdrückt werden kann, das praktisch gleich dem Niveau der Bordiffusion ist, das beobachtet wird, wenn die Sauerstoffpräzipitatdichte im Wesentlichen null ist.
  • Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat bevorzugt 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger und beträgt die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat bevorzugt 11·1017 Atome/cm3 oder weniger. Wenn die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt, kann die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat bei 1·1010 /cm3 oder weniger gehalten werden, selbst wenn Sauerstoffpräzipitate in dem Siliziumsubstrat aufgrund irgendeiner Wärmebehandlung in dem Vorrichtungsfertigungsprozess wachsen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung erfüllen die Borkonzentration Y (Atome/cm3) und die anfängliche Sauerstoffkonzentration X (·1017 Atome/cm3) bevorzugt einen Beziehungsausdruck von X ≤ -4,3·10-19Y+16,3. Solange, wie die Borkonzentration und die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat die oben definierte Anforderung erfüllen, kann die Sauerstoffpräzipitatdichte bei 1·1010 /cm3 oder weniger gehalten werden, unabhängig von der Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat. Dann ist es daher möglich, eine verstärkte Bordiffusion, die Sauerstoffpräzipitaten zuschreibbar ist, zu unterdrücken.
  • [Vorteile der Erfindung]
  • Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung dementsprechend einen Siliziumepitaxialwafer bereitstellen, der eine verstärkte Bordiffusion in dem Siliziumsubstrat unterdrücken kann, selbst wenn Sauerstoffpräzipitate aufgrund irgendeiner Wärmebehandlung in dem Vorrichtungsfertigungsprozess wachsen.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur eines Siliziumepitaxialwafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Herstellen des Siliziumepitaxialwafers veranschaulicht;
    • 3 ist ein Graph, der das Tiefenprofil der Borkonzentration von jeder der Siliziumepitaxialwaferproben #1 bis 4# vor und nach der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung veranschaulicht; und
    • 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Sauerstoffpräzipitatdichte, der anfänglichen Sauerstoffkonzentration und der Borkonzentration veranschaulicht.
  • Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur eines Siliziumepitaxialwafers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Wie in 1 gezeigt, umfasst ein Siliziumepitaxialwafer 10 dieser Ausführungsform ein Siliziumsubstrat 11 und eine Epitaxieschicht 12, die auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 gebildet ist. Das Siliziumsubstrat 11 ist ein polierter Wafer, der aus einem Siliziummonokristallingot herausgeschnitten ist, der mittels des Czochralski-Verfahrens (CZ-Verfahren) gewachsen ist und eine hochglanzpolierte Oberfläche aufweist. Das Siliziumsubstrat 11 übernimmt eine Rolle des Sicherns einer mechanischen Festigkeit des Siliziumepitaxialwafers 10 und zur gleichen Zeit des Wirkens als Getter-Senke zum Einfangen von Schwermetallen. Während die Dicke des Siliziumsubstrats 11 nicht speziell definiert ist, solange es eine mechanische Festigkeit des Siliziumepitaxialwafers 10 sicherstellen kann, kann sie typischerweise so gemacht sein, dass sie gleich 725 mm ist.
  • Das Siliziumsubstrat 11 ist ein bordotiertes p-Typ-Siliziumsubstrat. Die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 beträgt bevorzugt 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger, während der spezifische elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 11 bevorzugt 20 mΩ·cm oder weniger beträgt. Der spezifische elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 11 kann auf ein solch niedriges Niveau reduziert werden und das Siliziumsubstrat 11 kann mit einer ausreichend hohen Getter-Fähigkeit bereitgestellt werden, indem ein Siliziumsubstrat 11 verwendet wird, das mit Bor auf ein solch hohes Konzentrationsniveau dotiert ist.
  • Eine Epitaxieschicht 12 ist auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 gebildet. Eine Halbleitervorrichtung, wie etwa ein MOS-Transistor, kann typischerweise in der Epitaxieschicht 12 gebildet werden. Die Dicke der Epitaxieschicht 12 liegt bevorzugt zwischen 1 und 10 µm. Die Epitaxieschicht 12 kann eine mehrschichtige Struktur aufweisen, die gebildet wird, indem mehrere Epitaxieschichten mit unterschiedlichen Eigenschaften aufeinandergelegt werden. Normalerweise wird bewirkt, dass der spezifische elektrische Widerstand der Epitaxieschicht 12 höher als der spezifische elektrische Widerstand des Siliziumsubstrats 11 ist, und wird bewirkt, dass das Siliziumsubstrat einen p-Typ-Dotierungsstoff (Bor) oder einen n-Typ-Dotierungsstoff (Phosphor, Arsen oder Antimon) enthält, der zu diesem hinzugefügt ist.
  • Wenn eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung an dem Siliziumepitaxialwafer 10 ausgeführt wird, beträgt die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 1·1010 /cm3 oder weniger. Wie nachfolgend ausführlicher besprochen wird, werden die Sauerstoffpräzipitate in dem Siliziumsubstrat 11 die Bordiffusion nur minimal beeinflussen, wenn die Sauerstoffpräzipitatdichte 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt. Dann kann die Bordiffusion auf einem Niveau gehalten werden, das praktisch gleich dem Diffusionsniveau ist, das beobachtet wird, wenn die Sauerstoffpräzipitatdichte im Wesentlichen null ist.
  • Eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung ist eine zweistufige Wärmebehandlung, bei der typischerweise eine erste Wärmebehandlung (Kernbildungsschritt) und eine zweite Wärmebehandlung (Kernwachstumsschritt) sequenziell bei 700 °C für 3 Stunden bzw. bei 1000 °C für 16 Stunden durchgeführt werden. Sie sind Wärmebehandlungen, die jene eines Vorrichtungsfertigungsprozesses simulieren. Die Wärmebehandlungen werden nicht in einer oxidierenden Atmosphäre, sondern in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, so dass dort kein thermischer Oxidfilm gebildet wird und daher kein Problem einer verstärkten Diffusion von Boratomen, die einer Produktion eines thermischen Oxidfilms zuzuschreiben ist, entsteht. Wenn der Sauerstoffpräzipitationskern in dem Siliziumsubstrat 11 wächst, steigt jedoch die Sauerstoffpräzipitatdichte an, wodurch ein Anlass für eine zusätzliche Ursache einer Bordiffusion gegeben wird. Ferner ist es bekannt, dass Bor in dem Siliziumsubstrat 11 einen Effekt des Förderns einer Sauerstoffpräzipitation ausübt und daher, wenn die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 ansteigt, die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 ebenfalls ansteigt. Während die Existenz von Sauerstoffpräzipitaten zu einem gewissen Maß notwendig ist, um die Getter-Fähigkeit sicherzustellen, tritt eine verstärkte Bordiffusion auf, wenn das Volumen des Sauerstoffpräzipitats zunimmt.
  • Um zu bewirken, dass die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt, ist es notwendig, zu bewirken, dass die anfängliche Zwischengittersauerstoffkonzentration des Siliziumsubstrats 11 11·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt. Falls die anfängliche Sauerstoffkonzentration höher als 11·1017 Atome/cm3 ist, steigt die Anzahl an Zwischengittersiliziumatomen an, wenn die Sauerstoffpräzipitatdichte ansteigt, so dass folglich ermöglicht wird, dass eine verstärkte Bordiffusion aufgrund von Zwischengittersiliziumatomen auftritt. Je niedriger die anfängliche Sauerstoffdichte ist, desto besser ist dies, um die Sauerstoffpräzipitatdichte unterhalb des oben definierten Grenzniveaus zu halten. Während keine untere Grenze für die anfängliche Sauerstoffkonzentration definiert ist, ist es momentan aus der Sicht einer tatsächlichen Herstellung unmöglich, Siliziumeinkristalle mit einer anfänglichen Sauerstoffkonzentration niedriger als 11·1017 Atome/cm3 zu wachsen. Es wird angemerkt, dass sämtliche in dieser Patentbeschreibung genannten Sauerstoffkonzentrationen gemessene Werte sind, die mittels Fourier-Transformation-Infrarot-Spektrometrie (FT-IR), wie in ASTM F-121 (1979) definiert, erhalten wurden.
  • Der bevorzugte Bereich einer anfänglichen Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 ändert sich als eine Funktion der Borkonzentration in dem Substrat. Wenn die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 niedrig ist, entstehen keine Probleme, falls die anfängliche Sauerstoffkonzentration zu einem gewissen Ausmaß hoch ist. Wenn jedoch die Borkonzentration hoch ist, wird ein Sauerstoffpräzipitat übermäßig produziert, außer, die anfängliche Sauerstoffkonzentration wird niedrig gehalten, weil ein Sauerstoffpräzipitat in einer solchen Umgebung leicht wachsen kann, so dass es möglicherweise nicht möglich ist, zu bewirken, dass die Sauerstoffpräzipitatdichte 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt. Wenn die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 durch X (·1017 Atome/cm3) ausgedrückt wird und die Borkonzentration durch Y (Atome/cm3) ausgedrückt wird, erfüllen sie bevorzugt die Anforderung des Beziehungsausdrucks von X ≤ -4,3·10-19Y+16,3. So lange sie die Anforderung des oben definierten Beziehungsausdrucks erfüllen, kann die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 unabhängig von der Borkonzentration bei 1·1010 /cm3 oder weniger gehalten werden.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Herstellen des Siliziumepitaxialwafers 10 veranschaulicht.
  • Wie in 2 gezeigt, wird zur Herstellung des Siliziumepitaxialwafers 10 zuerst bewirkt, dass ein bordotierter Siliziumeinkristallingot mittels des Cz-Prozesses wächst (Schritt S1). Bei diesem Schritt wird der Siliziumeinkristall mit Bor zu einem Konzentrationsniveau zwischen 2,7·1017 Atome/cm3 und 1,3·1019 Atome/cm3 dotiert. Obwohl der Siliziumeinkristall Sauerstoff zu dem Niveau einer Übersättigung enthält, weil Sauerstoff aus dem Quarztiegel, der für den Herstellungsprozess eingesetzt wird, eluiert wird, kann die Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumeinkristall gesteuert werden, indem die Einkristallziehbedingungen gesteuert werden. Spezieller werden die Einkristallziehbedingungen so gesteuert, dass die anfängliche Sauerstoffkonzentration X (·1017 Atome/cm3) und die Borkonzentration Y (Atome/cm3) in dem Siliziumeinkristall die oben beschriebene Anforderung des Beziehungsausdrucks von X ≤ -4,3·10-19Y+16,3 erfüllen.
  • Wenn Silizium als Anfangsmaterial in einen Quarztiegel gelegt wird, wird eine vorbestimmte Menge an Bor zu dem Rohmaterial hinzugefügt, so dass bewirkt wird, dass der aus dem Quarztiegel gezogene Einkristall Bor enthält. Spezieller wird Bor in der Menge hinzugefügt, die bewirkt, dass der Einkristall den gewollten spezifischen elektrischen Widerstand an der oberen Position des Einkristalls zeigt. Wenn das hinzugefügte Bor mit dem Anfangsmaterial aus Silizium geschmolzen wird, wird dann eine borhaltige Siliziumschmelze produziert. Während der Einkristall, der aus der Siliziumschmelze gezogen wird, Bor in einem gegebenen Anteilsverhältnis enthält, steigt die Borkonzentration in der Ingotziehrichtung aufgrund von Segregation mit zunehmendem Kristallwachstumsprozess an. Daher muss die Sauerstoffkonzentration in der Ingotziehrichtung reduziert werden, um zu bewirken, dass der Ingot die Anforderung des oben definierten Beziehungsausdrucks erfüllt.
  • Die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall kann gesteuert werden, indem die Rotationsgeschwindigkeit des Quarztiegels und/oder die an das Heizelement gelieferte Leistung eingestellt wird. Um die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall zu reduzieren, reicht es aus, eine niedrige Rotationsgeschwindigkeit für den Quarztiegel und/oder eine niedrige Leistungsausgabe für das Heizelement auszuwählen. Dementsprechend kann die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall niedrig gehalten werden, indem die Bedingungen gesteuert werden, unter welchen der Einkristall auf die oben beschriebene Weise gezogen wird.
  • Das MCZ-Verfahren des Ziehens des Einkristalls, während ein Magnetfeld an die Siliziumschmelze angelegt wird, ist sehr effektiv, um die Sauerstoffkonzentration in dem gezogenen Einkristall zu reduzieren. Mit dem MCZ-Verfahren kann die Konvektion der Siliziumschmelze unter dem Einfluss des Magnetfelds unterdrückt werden, so dass folglich die Elution von Sauerstoff aus dem Quarztiegel in die Siliziumschmelze unterdrückt werden kann und dementsprechend die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall, der aus der Siliziumschmelze gezogen wird, auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann.
  • Dann wird der Siliziumeinkristallingot so verarbeitet, dass das Siliziumsubstrat 11 produziert wird (Schritt S2). Wie oben beschrieben, ist das Siliziumsubstrat 11 ein polierter Wafer, der aus dem Siliziumeinkristallingot herausgeschnitten ist und dessen Oberfläche hochglanzpoliert ist. Die Borkonzentration des Siliziumsubstrats 11 beträgt 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger und die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11 beträgt 11·1017 Atome/cm3 oder weniger.
  • Als Nächstes wird eine Epitaxieschicht 12 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 durch ein wohlbekanntes Verfahren gebildet (Schritt S3). Infolge des Ausführens der obigen Schritte wird ein fertiger Epitaxialwafer 10 produziert.
  • Ein Siliziumepitaxialwafer 10, der auf die oben beschriebene Art hergestellt ist, wird dann als Substratmaterial für Halbleitervorrichtungen eingesetzt. Dann können verschiedene Halbeleitervorrichtungen produziert werden, indem ein solcher Siliziumepitaxialwafer mittels verschiedener Verarbeitungsschritte verwendet wird. Solche Verarbeitungsschritte beinhalten verschiedene Wärmebehandlungsschritte und als ein Ergebnis wird ein Sauerstoffpräzipitationskern in dem Siliziumsubstrat 11 gebildet, wobei der Sauerstoffpräzipitationskern wächst, so dass die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat erhöht wird. Da jedoch die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat auf 1·1010 /cm3 oder weniger gehalten wird, kann verhindert werden, dass irgendeine verstärkte Bordiffusion, die dem Sauerstoffpräzipitat zuschreibbar ist, stattfindet.
  • Falls die Borkonzentration und die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat bekannt sind und die Wärmebehandlungsbedingungen (Wärmegeschichte) in dem Vorrichtungsfertigungsprozess auch bekannt sind, dann können die Sauerstoffpräzipitatdichte und das Ausmaß der verstärkten Bordiffusion in dem Siliziumsubstrat, die beobachtet werden wird, wenn ein solcher Siliziumepitaxialwafer während des Vorrichtungsfertigungsprozesses wärmebehandelt wird, mittels einer Simulation vorhergesagt werden. Falls als Ergebnis einer solchen Simulation die Breite des Übergangsgebiets, die durch eine verstärkte Bordiffusion verbreitert wird, nicht innerhalb des gegebenen zulässigen Bereichs begrenzt werden kann, ist es möglicherweise nur notwendig, die anfängliche Sauerstoffkonzentration anzupassen, so dass die Breite des Übergangsgebiets innerhalb des gegebenen zulässigen Bereichs eingegrenzt wird. Dementsprechend kann die anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat, die notwendig ist, um eine gegebene Dichte eines Sauerstoffpräzipitats zu produzieren, aus den Wärmebehandlungsbedingungen in dem Vorrichtungsfertigungsprozess vorhergesagt werden, so dass die verstärkte Bordiffusion innerhalb eines gegebenen zulässigen Bereichs eingegrenzt werden kann.
  • Wie oben ausführlich beschrieben wurde, umfasst der Siliziumepitaxialwafer 10 dieser Ausführungsform ein bordotiertes Siliziumsubstrat 11 und eine Epitaxieschicht 12, die auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 11 gebildet ist, und, wenn eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung ausgeführt wird, wurde herausgefunden, dass die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 11 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt. Dementsprechend kann diese Ausführungsform jegliche verstärkte Diffusion von Bor unterdrücken, die infolge eines Anstieges der Sauerstoffpräzipitatdichte von dem Siliziumsubstrat 11 zu der Epitaxieschicht 12 stattfinden kann.
  • Der Siliziumepitaxialwafer 10 dieser Ausführungsform kann vorteilhaft als Substratmaterial für ein Festkörperbildgebungselement eines Typs mit rückwärtiger Belichtung eingesetzt werden. In dem Prozess zur Herstellung eines Festkörperbildgebungselements eines Typs mit rückwärtiger Belichtung können Metallverunreinigungen, die in dem Siliziumsubstrat enthalten sind, den Dunkelstrom des Sensorabschnitts erhöhen, was seinerseits Defekte verursacht, die als „White Flaws“ (Weißfehler) bezeichnet werden. Jedoch kann die Verwendung eines p-Typ-Siliziumsubstrats, das mit Boratomen auf ein hohes Konzentrationsniveau dotiert ist, das Problem der Metallverunreinigungen lösen, weil das Siliziumsubstrat als Getter-Senke wirkt.
  • Außerdem sind bei einem Festkörperbildgebungselement eines Typs mit rückwärtiger Belichtung die Verdrahtungsschicht und verwandte Teile in Schichten angeordnet, die sich niedriger als der Sensorabschnitt befinden, so dass der Sensorabschnitt von außen kommendes Licht direkt aufnehmen kann. Dann kann das Bildgebungselement als ein Ergebnis ein klares Bild einschließlich bewegter Bilder produzieren. Es ist notwendig, einen Prozess des Entfernens des Siliziumsubstrats 11, typischerweise durch Polieren, auszuführen, um die Verdrahtungsschicht und verwandte Teile in Schichten anzuordnen, die sich niedriger als der Sensorabschnitt befinden, und zu bewirken, dass nur die Epitaxieschicht 12 unbeschädigt belassen wird. Falls das Übergangsgebiet in der Epitaxieschicht 12 durch verstärkte Bordiffusion verbreitert wird, so dass die Gleichmäßigkeit eines ebeneninternen spezifischen elektrischen Widerstands des Wafers verschlechtert wird, wird es schwierig, das angemessene Ausmaß zu bestimmen, zu dem das Siliziumsubstrat 11 poliert werden soll, und außerdem können die Eigenschaften des Festkörperbildgebungselements verschlechtert werden, weil die effektive Dicke der Epitaxieschicht 12 reduziert werden kann. Jedoch werden die oben identifizierten Probleme gelöst, so dass es möglich gemacht wird, ein Bildgebungselement eines Typs mit rückwärtiger Belichtung mit hoher Qualität herzustellen, wenn die Breite des Übergangsgebiets zufriedenstellen schmal ist und die effektive Dicke der Epitaxieschicht 12 ausreichend groß ist.
  • Während oben bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erklärt wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Verschiedene Modifikationen können an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und es ist unnötig zu erwähnen, dass solche Modifikationen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung erfasst sind.
  • [Beispiel]
  • Ein Siliziumsubstrat mit einer (100)-Kristallebenenorientierung wurde aus einem Siliziumeinkristallingot geschnitten, der mittels des CZ-Verfahrens gewachsen wurde, und die Oberfläche des Siliziumsubstrats wurde hochglanzpoliert. Das Siliziumsubstrat enthielt Bor, das zu einer Konzentration von 1,0·1019 Atome/cm3 hinzugefügt wurde. Die anfängliche Sauerstoffkonzentration des Siliziumsubstrats betrug 6·1017 Atome/cm3. Eine Epitaxieschicht mit einer Dicke von 5 µm wurde auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats durch Gasphasenabscheidung bei einer Temperatur von 1150 °C gebildet, um eine Probe eines Siliziumepitaxialwafers zu erhalten, der nachfolgend als Siliziumepitaxialwafer-Probe #1 bezeichnet wird. Außerdem wurden Siliziumepitaxialwaferproben von Proben #2 bis #4, die jeweilige anfängliche Sauerstoffkonzentrationen zeigten, die von der anfänglichen Sauerstoffkonzentration der Probe #1 abwichen, mittels jeweiliger Prozesse vorbereitet, die dem Prozess des Vorbereitens der Probe #1 ähnlich waren. Die anfängliche Sauerstoffkonzentration der Probe #2, die der Probe #3 und die der Probe #4 betrugen 10·1017 Atome/cm3, 11·1017 Atome/cm3 bzw. 13·1017 Atome/cm3
  • Dann wurde eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung an jeder der Siliziumepitaxialwafer-Proben #1 bis #4 durchgeführt. In jeder der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlungen wurde eine Wärmebehandlung bei 700 °C in einer Stickstoffatmosphäre für 3 Stunden durchgeführt und anschließend wurde eine weitere Wärmebehandlung bei 1000 °C ebenfalls in einer Stickstoffatmosphäre für 16 Stunden durchgeführt. Außerdem wurde ein Tiefenprofil der Borkonzentration von jeder der Proben #1 bis #4 durch SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy - Sekundärionenmassenspektroskopie) vor und nach der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung beobachtet.
  • 3 ist ein Graph, der ein Tiefenprofil der Borkonzentration von jeder der Siliziumepitaxialwafer-Proben #1 bis 4# vor und nach der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung veranschaulicht. Die horizontale Achse des Graphen gibt die Tiefe (relativer Wert) von der obersten Oberfläche des Wafers an und die vertikale Achse des Graphen gibt die Borkonzentration (relativer Wert) an.
  • Wie in 3 gezeigt, zeigten alle der Siliziumepitaxialwafer-Proben #1 bis #4 vor der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung Borkonzentrationsprofile, die im Wesentlichen gleich sind. Jedes von ihnen zeigte eine abrupte Änderung bei und nahe der Grenze des Siliziumsubstrats und der Epitaxieschicht, so dass bewiesen wurde, dass die Menge von Bor, das in die Epitaxieschicht diffundierte, sehr klein war. Die gestrichelte Linie X mit langen Segmenten zeigt allgemein die Borkonzentrationsprofile der Proben #1 bis #4 vor den Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlungen.
  • Andererseits änderten sich alle der Borkonzentrationsprofile der Proben #1 bis #4 nach den jeweiligen Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlungen auffallend im Vergleich zu den Konzentrationsprofilen, die vor den Auswertungswärmebehandlungen beobachtet wurden. Spezieller nahm die Bordiffusion in die Epitaxieschicht nach der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung in jeder der Proben zu einem großen Ausmaß zu. Dementsprechend kann es sicher sein, anzunehmen, dass die thermische Diffusion aufgrund der Auswertungswärmebehandlung hauptsächlich für die auffällige Änderung des Borkonzentrationsprofils von jeder der Proben verantwortlich ist.
  • Von den Proben zeigten das Borkonzentrationsprofil (durchgezogene Linie) der „Probe #1“, dass bei oder nahe der Oberfläche der Epitaxieschicht praktisch keine Boratome existierten. Mit anderen Worten zeigte die Probe #1 ein exzellentes Ergebnis. Die Borkonzentration nahm bei einer Tiefe von etwa 0,7 abrupt zu. Die Borkonzentration betrug 0,015 bei einer Tiefe von 0,8, 0,2 bei einer Tiefe von 0,9 und 0,5 bei einer Tiefe von 1. Sowohl die „Probe #2“ (gestrichelte Linie mit kurzen Segmenten) als auch die „Probe #3“ (gepunktete Linie) zeigten jeweilige Borkonzentrationsprofile, die im Wesentlichen gleich jenem der Probe #1 waren.
  • Das Borkonzentrationsprofil (gestrichpunktete Linie) der „Probe #4“ wich stark von den Borkonzentrationsprofilen der Proben #1 bis #3 ab. Die Bordiffusion schritt bei der Probe #4 bis nahe der Oberfläche der Epitaxieschicht fort. Spezieller begann die Borkonzentration bei etwa einer Tiefe von 0,6, zuzunehmen, und die Borkonzentrationen bei einer Tiefe von 0,7, einer Tiefe von 0,8 und einer Tiefe von 0,9 betrugen 0,004, 0,07 bzw. 0,25. Die Borkonzentration bei einer Tiefe von 1 betrug 0,5 was gleich der Borkonzentration bei einer Tiefe von 1 für jede der Proben #1 bis #3 war.
  • Aus den erhalten Ergebnissen, wie oben beschrieben, wurde es klar, dass die Bordiffusion in den Proben #1 bis #3 kaum beobachtet wurde, aber Bor in der Probe #4 sehr beachtlich diffundierte. Es kann sicher sein, anzunehmen, dass die verstärkte Bordiffusion hauptsächlich für das Phänomen verantwortlich war, dass sich das Borkonzentrationsprofil der Probe #4 besonders auffallend verändert hat.
  • Dann wurde jede der Siliziumepitaxialwafer-Proben #1 bis #4 nach der Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung in der Dickenrichtung gespalten und wurden die gespaltenen Querschnitte von jeder von ihnen einem selektiven Ätzprozess des Ätzens auf eine Dicke von 2 µm mittels einer Wright-Ätzlösung unterzogen. Anschließend wurde der zentrale Teil des gespaltenen Querschnitts in der Dickenrichtung des Siliziumwafers durch ein optisches Mikroskop beobachtet und wurde die Anzahl an Ätzgruben innerhalb der Fläche eines Quadrats von 100 µm · 100 µm als die Sauerstoffpräzipitatdichte gemessen. Tabelle 1 unten zeigt die erhaltenen Ergebnisse.
  • [Tabelle 1]
    Wafer-Probe Anfängliche Sauerstoffkonzentration (Atome/cm3) Borkonzentration (Atome/cm3) Sauerstoffpräzipitatdichte (/cm3)
    #1 6·1017 1,0·1019 <1·107
    #2 10·1017 1,0·1019 1·109
    #3 11·1017 1,0·1019 1·1010
    #4 13·1017 1,0·1019 3·1010
  • Wie aus Tabelle 1 gesehen wird, lag die Sauerstoffpräzipitatdichte des Beispiels #1 unterhalb der Messschwelle (weniger als 1·107 /cm3). Die Sauerstoffpräzipitatdichte der Probe #2 und der Probe #3 betrugen 1·109 /cm2 bzw. 1·1010 /cm3, wohingegen jene der Probe #4 3·1010 /cm3 betrug. Aus den in Tabelle 1 und dem Graphen aus 3 gezeigten Ergebnissen wurde es klar, dass eine verstärkte Bordiffusion in jeder der Proben #1 bis #3 kaum beobachtet wurde, deren Sauerstoffpräzipitatdichte 1·1010 /cm3 oder weniger betrug.
  • Anschließend wurden insgesamt 28 Proben eines Siliziumepitaxialwafers, die durch die Verwendung der anfänglichen Sauerstoffkonzentration und der Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat als Parameter unterschieden wurden, vorbereitet, um die gemeinsame Beziehung zwischen der anfänglichen Sauerstoffkonzentration, der Borkonzentration und der Sauerstoffpräzipitatdichte zu untersuchen, und wurde jede der Proben einer Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung unterzogen und anschließend wurde die Sauerstoffpräzipitatdichte von diesen gemessen.
  • 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Sauerstoffpräzipitatdichte, der anfänglichen Sauerstoffkonzentration und der Borkonzentration veranschaulicht. Die horizontale Achse des Graphen gibt die Sauerstoffkonzentration (·1017 Atome/cm3) an und die vertikale Achse gibt die Borkonzentration (Atome/cm3) an. Eine „￮“-Markierung wurde für eine Probe gezeichnet, die eine Sauerstoffpräzipitatdichte zeigt, die 1·1010 /cm3 oder weniger betrugt, wohingegen eine „ד-Markierung für eine Probe gezeichnet wurde, die eine Sauerstoffpräzipitatdichte zeigt, die mehr als 1·1010 /cm3 betrug.
  • Wie klar aus 4 gesehen wird, wurde herausgefunden, dass die Anforderung einer Sauerstoffpräzipitatdichte von 1·1010 /cm3 oder weniger nicht erfüllt werden kann, außer, die anfängliche Sauerstoffkonzentration wird niedrig gemacht, wenn die Borkonzentration hoch ist. Wenn zum Beispiel die Borkonzentration so niedrig wie 4,8·1018 Atome/cm3 war, betrug der höchste Wert der anfänglichen Sauerstoffkonzentration, der die Anforderung einer Sauerstoffpräzipitatdichte von 1·1010 /cm3 oder weniger erfüllen könnte, etwa 14·1017 Atome/cm3. Wenn andererseits die Borkonzentration so hoch wie 1,6·1019 Atome/cm3 war, betrug der höchste Wert der anfänglichen Sauerstoffkonzentration, der die Anforderung einer Sauerstoffpräzipitatdichte von 1·1010 /cm3 oder weniger erfüllen könnte, etwa 9·1017 Atome/cm3.
  • Die Grenzlinie, die die gezeichneten „￮“-Markierungen und die gezeichneten „ד-Markierungen separiert, wurde mittels einer linearen Funktion ausgedrückt, um das Gebiet der gezeichneten „￮“-Markierungen zu definieren. Aus den erhaltenen Ergebnissen, wie oben beschrieben, wurde es klar, dass die Sauerstoffpräzipitatdichte gleich oder kleiner als 1·1010 /cm3 gemacht werden kann, wenn die Sauerstoffkonzentration X (·1017 Atome/cm3) und die Borkonzentration Y (Atome/cm3) die folgende Anforderung erfüllen: X ≤ − 4,3 ⋅ 10 − 19 Y + 16,3.
    Figure DE112016003412T5_0001
  • [Bezugszeichenliste]
    • 10
    Siliziumepitaxialwafer
    11
    Siliziumsubstrat
    12
    Epitaxieschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2011228459 [0005]
    • JP 2012138576 [0005]

Claims (2)

  1. Siliziumepitaxialwafer, bei dem eine Epitaxieschicht auf einer Oberfläche eines bordotierten Siliziumsubstrats gebildet ist, wobei die Borkonzentration in dem Siliziumsubstrat 2,7·1017 Atome/cm3 oder mehr und 1,3·1019 Atome/cm3 oder weniger beträgt, eine anfängliche Sauerstoffkonzentration in dem Siliziumsubstrat 11·1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt, und wenn eine Sauerstoffpräzipitatauswertungswärmebehandlung an dem Siliziumepitaxialwafer ausgeführt wird, die Sauerstoffpräzipitatdichte in dem Siliziumsubstrat 1·1010 /cm3 oder weniger beträgt.
  2. Siliziumepitaxialwafer nach Anspruch 1, wobei die Borkonzentration Y (Atome/cm3) und die anfängliche Sauerstoffkonzentration X (·1017 Atome/cm3) einen Beziehungsausdruck von X ≤ -4,3·10-19Y+16,3 erfüllen.
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