DE112018003702T5 - Halbleiterepitaxialwafer und verfahren zum produzieren eines halbleiterepitaxialwafers und verfahren zum produzieren einer festkörperbildgebungsvorrichtung - Google Patents

Halbleiterepitaxialwafer und verfahren zum produzieren eines halbleiterepitaxialwafers und verfahren zum produzieren einer festkörperbildgebungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Halbleiterepitaxialwafer, in dem die Konzentration an Wasserstoff in einer Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität einer epitaktischen Schicht ausgezeichnet ist. Ein Halbleiterepitaxialwafer 100 weist einen Halbleiterwafer 10, eine Modifikationsschicht 14, die in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers 10 gebildet ist, wobei die Modifikationsschicht Wasserstoff aufweist, der als eine feste Lösung in dem Halbleiterwafer 10 enthalten ist, und eine epitaktische Schicht 18, die auf der Modifikationsschicht 14 gebildet ist, auf. Das Konzentrationsprofil von Wasserstoff in der Modifikationsschicht 14 in der Dickenrichtung von einer Oberfläche 100A der epitaktischen Schicht 18 ist ein Doppelspitzenkonzentrationsprofil, das eine erste Spitze, die in der Tiefenrichtung flacher ist, und eine zweite Spitze, die in der Tiefenrichtung tiefer ist, beinhaltet.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Offenbarung betrifft einen Halbleiterepitaxialwafer und ein Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers und ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung.
  • HINTERGRUND
  • Ein Halbleiterepitaxialwafer, der durch Bilden einer epitaktischen Schicht auf einem Halbleiterwafer, der durch einen Siliziumwafer verkörpert wird, erhalten wird, wird als ein Vorrichtungssubstrat zum Produzieren verschiedener Halbleitervorrichtungen, wie etwa eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM), eines Leistungstransistors und einer rückwärtig belichteten Festkörperbildgebungsvorrichtung, verwendet.
  • Zum Beispiel kann eine rückwärtig belichtete Festkörperbildgebungsvorrichtung Außenlicht direkt in einen Sensor aufnehmen, um ein schärferes Bild oder Video selbst an einem dunklen Ort und dergleichen zu erfassen, indem eine Verdrahtungsschicht und dergleichen unterhalb eines Sensorteils angeordnet wird. Entsprechend wurden rückwärtig belichtete Festkörperbildgebungsvorrichtungen in den letzten Jahren weithin in digitalen Videokameras und Mobiltelefonen, wie etwa Smartphones, verwendet.
  • Mit zunehmender Miniaturisierung und Leistungsfähigkeitsverbesserung von Halbleitervorrichtungen in den letzten Jahren ist es gewünscht, dass Halbleiterepitaxialwafer, die als Vorrichtungssubstrate verwendet werden, eine höhere Qualität aufweisen, um Vorrichtungscharakteristiken zu verbessern.
  • Um diese Nachfrage zu adressieren, haben wir in JP 2016-51729 A (PTL 1) einen Halbleiterepitaxialwafer mit einem Halbleiterwafer und einer epitaktischen Schicht, die auf einer Oberfläche des Halbleiterwafers gebildet ist, vorgeschlagen, in welchem eine hohe Wasserstoffkonzentrationsspitze in einer Modifikationsschicht in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers vorhanden ist. PTL 1 ermöglicht es, einen Halbleiterepitaxialwafer zu erhalten, in dem Wasserstoff mit einer hohen Konzentration in einer Modifikationsschicht vorhanden war, und der Effekt der Anwesenheit von Wasserstoff mit einer hohen Konzentration wurde wie folgt gefunden.
  • Insbesondere ist in einem Halbleiterepitaxialwafer, in dem eine epitaktische Schicht gebildet wurde, die Kristallinität der epitaktischen Schicht, wenn Wasserstoff in einer Modifikationsschicht in einem Oberflächenabschnitt eines Halbleiterwafers lokalisiert ist, der ein Basissubstrat sein soll, insgesamt höher als jene eines Halbleiterepitaxialwafers ohne lokalisierten Wasserstoff (bei dem wenigstens keine Wasserstoffkonzentrationsspitze detektiert wird). Ferner bewahrt Wasserstoff, der in dem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers lokalisiert ist, der als ein Basissubstrat des Halbleiterepitaxialwafers dient, eine hohe Kristallinität, selbst nachdem der Halbleiterepitaxialwafer einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, die einem Halbleitervorrichtungsproduktionsprozess entspricht. Dies liegt wahrscheinlich darin begründet, dass Wasserstoff Defekte in der epitaktischen Schicht passiviert. Daher können Verbesserungen der Vorrichtungscharakteristiken erwartet werden, wenn ein solcher Halbleiterepitaxialwafer, bei dem Wasserstoff in einer Modifikationsschicht in einem Oberflächenabschnitt eines Halbleiterwafers lokalisiert ist, der ein Basissubstrat sein soll, in einem Halbleitervorrichtungsproduktionsprozess verwendet wird.
  • ENTGEGENHALTUNGSLIS TE
  • Patentliteratur
  • PTL 1: JP 2016-051729 A
  • KURZDARSTELLUNG
  • (Technisches Problem)
  • In den letzten Jahren gab es eine zunehmende Nachfrage nach Halbleitervorrichtungen mit höherer Leistungsfähigkeit und, um dies zu adressieren, wird erwartet, dass Halbleiterepitaxialwafer eine noch höhere Qualität haben. Die in PTL 1 beschriebene Technik ermöglicht es, einen Halbleiterepitaxialwafer zu erhalten, in dem Wasserstoff mit hoher Konzentration in einer Modifikationsschicht vorhanden ist, und dieser Halbleiterepitaxialwafer ermöglicht eine gute Kristallinität der epitaktischen Schicht. Jedoch gibt es Verbesserungsraum für das Erzielen einer höheren Wasserstoffkonzentration.
  • In Anbetracht der obigen Herausforderungen kann es hilfreich sein, einen Halbleiterepitaxialwafer bereitzustellen, in dem die Konzentration von Wasserstoff in einer Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität einer epitaktischen Schicht ausgezeichnet ist. Es könnte auch hilfreich sein, ein Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers und ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung unter Verwendung des Halbleiterepitaxialwafers bereitzustellen.
  • (Lösung für das Problem)
  • Wir haben sorgfältig geforscht, um die obigen Herausforderungen zu überwinden. Infolgedessen haben wir es das erste Mal geschafft, einen Halbleiterepitaxialwafer zu erhalten, der eine Modifikationsschicht mit einem Doppelspitzenkonzentrationsprofil aufweist, das in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung von einer Epitaxieschichtoberfläche eine flachere erste Spitze und eine tiefere zweite Spitze aufweist. Für einen solchen Halbleiterepitaxialwafer haben wir herausgefunden, dass die Konzentration an Wasserstoff in der Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität der epitaktischen Schicht im Wesentlichen ausgezeichnet ist. Diese Entdeckung hat zu der Vervollständigung unseres Produkts und unserer Verfahren geführt. Insbesondere stellen wir die folgenden Merkmale bereit.
    1. (1) Ein Halbleiterepitaxialwafer, der Folgendes umfasst:
      • einen Halbleiterwafer;
      • eine Modifikationsschicht, die in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers gebildet ist, wobei die Modifikationsschicht Wasserstoff aufweist, der als eine feste Lösung in dem Halbleiterwafer enthalten ist,
      • eine epitaktische Schicht, die auf der Modifikationsschicht gebildet ist,
      • wobei ein Konzentrationsprofil des Wasserstoffs in der Modifikationsschicht in der Tiefenrichtung von einer Oberfläche der epitaktischen Schicht ein Doppelspitzenkonzentrationsprofil ist, das eine erste Spitze, die in der Tiefenrichtung flacher ist, und eine zweite Spitze, die in der Tiefenrichtung tiefer ist, beinhaltet,
      • Wasserstoffspitzenkonzentrationen der ersten Spitze und der zweiten Spitze jeweils 1,0 × 1017 Atome/cm3 oder mehr betragen, und
      • sowohl die erste Spitze als auch die zweite Spitze in der Tiefenrichtung in einem Bereich von 500 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer und der epitaktischen Schicht liegen.
    2. (2) Der Halbleiterepitaxialwafer nach (1) oben, wobei die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze höher als die Wasserstoffspitzenkonzentration der ersten Spitze ist.
    3. (3) Der Halbleiterepitaxialwafer nach (1) oder (2) oben, wobei ein Spitze-zu-Spitze-Abstand zwischen der ersten Spitze und der zweiten Spitze in der Tiefenrichtung 20 nm oder mehr und 60 nm oder weniger beträgt.
    4. (4) Der Epitaxiewafer nach einem von (1) bis (3) oben, wobei die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze 1,0 × 1018 Atome/cm3 oder mehr beträgt.
    5. (5) Der Halbleiterepitaxialwafer nach einem von (1) bis (4) oben, wobei der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer ist.
    6. (6) Ein Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach (1) oben, das Folgendes umfasst:
      • einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Clusterionen aus drei oder mehr Bestandsteilelementen einschließlich Wasserstoff, um eine modifizierte Schicht zu bilden, die die Bestandsteilelemente der Clusterionen als eine feste Lösung in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers enthält; und nach dem ersten Schritt, einen zweiten Schritt des Bildens einer epitaktischen Schicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers.
    7. (7) Das Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach (6) oben, wobei in dem ersten Schritt ein Strahlstromwert der Clusterionen 50 µA oder mehr und 5000 µA oder weniger beträgt.
    8. (8) Das Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach (6) oder (7) oben, wobei die Bestandsteilelemente der Clusterionen ferner Kohlenstoff und Sauerstoff beinhalten.
    9. (9) Das Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach einem von (6) bis (8) oben, wobei der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer ist.
    10. (10) Ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung, wobei das Verfahren Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf einer epitaktischen Schicht des Halbleiterepitaxialwafers nach einem von (1) bis (5) oben und einem Halbleiterepitaxialwafer, der durch das Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach einem von (6) bis (9) oben produziert wird, umfasst. (Vorteilhafter Effekt)
  • Wir können einen Halbleiterepitaxialwafer bereitstellen, in dem die Konzentration an Wasserstoff in einer Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität einer epitaktischen Schicht ausgezeichnet ist. Ferner können wir ein Verfahren zum produzieren des Halbleiterepitaxialwafers und ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung unter Verwendung des Halbleiterepitaxialwafers bereitstellen.
  • Figurenliste
  • In den begleitenden Zeichnungen gilt:
    • 1 stellt eine schematische Querschnittsansicht, die einen Halbleiterepitaxialwafer gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht, und einen schematischen Graphen des Wasserstoffkonzentrationsprofils in der Tiefenrichtung dar;
    • 2 präsentiert eine schematische Querschnittsansicht, die ein Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
    • 3 ist ein Graph, der die Wasserstoffkonzentrationsprofile von Epitaxialsiliziumwafern in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 veranschaulicht;
    • 4 ist ein Graph, der die TO-Intensitäten von Epitaxialsiliziumwafern in Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 veranschaulicht;
    • 5A ist eine TEM-Querschnittsansicht der Umgebung der Grenzfläche zwischen einem Siliziumwafer und einer epitaktischen Siliziumschicht in dem Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1;
    • 5B ist eine TEM-Querschnittsansicht der Umgebung der Grenzfläche zwischen einem Siliziumwafer und einer epitaktischen Siliziumschicht in dem Epitaxialsiliziumwafer aus Vergleichsbeispiel 1;
    • 6 ist ein Graph, der das Wasserstoffkonzentrationsprofil des Epitaxialsiliziumwafers in Beispiel 1 darstellt, das einer Spitzenseparation unterzogen wurde;
    • 7A ist ein Graph, der eine Reduzierung der Konzentration der ersten Spitze darstellt, wenn der Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 einer Wärmebehandlung unterzogen wurde;
    • 7B ist ein Graph, der eine Reduzierung der Konzentration der zweiten Spitze darstellt, wenn der Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 einer Wärmebehandlung unterzogen wurde;
    • 8A ist ein Graph, der einen Arrheniusplot der ersten Spitzenkomponente des Epitaxialsiliziumwafers aus Beispiel 1 repräsentiert; und
    • 8B ist ein Graph, der einen Arrheniusplot der zweiten Spitzenkomponente des Epitaxialsiliziumwafers aus Beispiel 1 repräsentiert.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen dieser Offenbarung werden nun ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Prinzipiell werden ähnliche Komponenten durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet und wird die Beschreibung nicht wiederholt. In 1 und 2 sind zur Vereinfachung der Zeichnungen ein Halbleiterwafer 10, eine Modifikationsschicht 14 und eine epitaktische Schicht 18 bezüglich der Dicke vergrößert, so dass das Dickenverhältnis nicht dem tatsächlichen Verhältnis entspricht.
  • (Halbleiterepitaxialwafer)
  • Der Halbleiterepitaxialwafer 100 einer Ausführungsform weist den Halbleiterwafer 10, die Modifikationsschicht 14, die in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers 10 gebildet ist, wobei die Modifikationsschicht Wasserstoff aufweist, der als eine feste Lösung in dem Halbleiterwafer 10 enthalten ist, und die epitaktische Schicht 18, die auf der Modifikationsschicht 14 gebildet ist, auf, wie in 1 veranschaulicht ist. Hier ist das Wasserstoffkonzentrationsprofil der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer 10 und der epitaktischen Schicht 18 (die einer Halbleiterwaferoberfläche 10A entspricht) in der Dickenrichtung von einer Oberfläche 100A der epitaktischen Schicht 18 auch mit dem schematischen Graphen aus 1 dargestellt. In dem Halbleiterepitaxialwafer 100 dieser Ausführungsform ist das Konzentrationsprofil von Wasserstoff in der Modifikationsschicht 14 in der Dickenrichtung von einer Oberfläche der epitaktischen Schicht 18 (die der Oberfläche 100A des Halbleiterepitaxialwafers 100 entspricht) ein Doppelspitzenkonzentrationsprofil, das eine erste Spitze P1, die in der Tiefenrichtung flacher ist, und eine zweite Spitze P2, die in der Tiefenrichtung tiefer ist, beinhaltet. Die Wasserstoffspitzenkonzentrationen von sowohl der ersten Spitze P1 als auch der zweiten Spitze P2 betragen 1,0 × 1017 Atome/cm3 oder mehr und sowohl die erste Spitze P1 als auch die zweite Spitze P2 liegen in einem Bereich von 500 nm in der Tiefenrichtung von der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer 10 und der epitaktischen Schicht 18. Das Konzentrationsprofil von Wasserstoff bei dieser Ausführungsform wird durch Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) erhalten. Die Merkmale werden nun ausführlich nacheinander beschrieben.
  • < Halbleiterwafer >
  • Der Halbleiterwafer 10 ist zum Beispiel ein Volumeneinkristallwafer, der aus Silizium oder einem Verbindungshalbleiter (GaAs, GaN, SiC usw.) gefertigt ist und keine epitaktische Schicht auf seiner Oberfläche aufweist. In dem Fall des Produzierens einer rückwärtig belichteten Festkörperbildgebungsvorrichtung wird typischerweise ein Volumeneinkristallsiliziumwafer verwendet. Zum Beispiel kann als der Halbleiterwafer 10 ein Wafer verwendet werden, der erhalten wird, indem ein Einkristallsiliziumingot, der durch den Czochralski-Prozess (CZ-Prozess) oder den Zonenschmelzprozess (FZ-Prozess) gewachsen wurde, mit einer Drahtsäge oder dergleichen in Scheiben geschnitten wird. Kohlenstoff und/oder Stickstoff können zu dem Halbleiterwafer 10 hinzugefügt werden, um eine höhere Getter-Fähigkeit zu erzielen. Zudem kann ein gegebener Dotierungsstoff zu dem Halbleiterwafer 10 mit einer vorbestimmten Konzentration hinzugefügt werden, um ein Substrat eines sogenannten n+-Typs oder p+ -Typs oder n--Typs oder p--Typs zu erhalten.
  • < Epitaktische Schicht>
  • Eine epitaktische Siliziumschicht kann als ein Beispiel für die epitaktische Schicht 18 gegeben werden und die epitaktische Siliziumschicht kann unter typischen Bedingungen gebildet werden. Zum Beispiel kann ein Quellengas, wie etwa Dichlorsilan oder Trichlorsilan, unter Verwendung von Wasserstoff als ein Trägergas in eine Kammer eingeführt werden und das Quellenmaterial kann durch eine CVD bei einer Temperatur in dem Bereich von näherungsweise 1000 °C bis 1200 °C epitaktisch auf den Siliziumwafer 10 aufgewachsen werden, obwohl die Wachstumstemperatur auch von dem zu verwendenden Quellengas abhängt. Die epitaktische Schicht 18 weist bevorzugt eine Dicke in einem Bereich von 1 µm bis 15 µm auf. Wenn die Dicke weniger als 1 µm beträgt, würde sich der spezifische Widerstand der epitaktischen Schicht 18 aufgrund von Dotierungsstoffen ändern, die aus dem Halbleiterwafer 10 herausdiffundieren, wohingegen eine Dicke, die 15 µm überschreitet, die Spektralempfindlichkeitscharakteristiken der Festkörperbildgebungsvorrichtung beeinflussen würde.
  • < Modifikationsschicht >
  • Hier ist bei dem Halbleiterepitaxialwafer 100 bei dieser Ausführungsform die Modifikationsschicht 14, in der Wasserstoff als eine feste Lösung enthalten ist, in dem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers 10 bereitgestellt. Es wird angemerkt, dass in dieser Patentschrift die Modifikationsschicht als ein Bereich definiert ist, für den Wasserstoff mit einer höheren Konzentration als in dem Hintergrund in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil, das durch SIMS in der Tiefenrichtung gefunden wird, detektiert wird. Bei dem Halbleiterepitaxialwafer 100 bei dieser Ausführungsform ist das Wasserstoffkonzentrationsprofil der Modifikationsschicht 14 in der Tiefenrichtung von der Oberfläche der epitaktischen Schicht 18 (Halbleiterepitaxialwaferoberfläche 100A) ein Doppelspitzenprofil, das eine erste Spitze P1, die in der Dickenrichtung flacher ist, und eine zweite Spitze P2, die in der Dickenrichtung tiefer ist, beinhaltet. Die Wasserstoffspitzenkonzentrationen von sowohl der ersten Spitze P1 als auch der zweiten Spitze P2 betragen 1,0 × 1017 Atome/cm3 oder mehr und sowohl die erste Spitze P1 als auch die zweite Spitze P2 liegen in einem Bereich von 500 nm in der Tiefenrichtung von der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer 10 und der epitaktischen Schicht 18. Die technische Bedeutung des Einsetzens einer solchen Struktur wird mit dem Betrieb und Effekt beschrieben.
  • Zuerst gibt es für die Fälle, in denen Wasserstoffionen in einen Halbleiterwafer in der Form von Monomerionen (monoatomaren Ionen) eingeführt werden, derzeitig keinen bekannten Halbleiterepitaxialwafer, in dem irgendeine Konzentrationsspitze von Wasserstoff in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung beobachtet wird, wenn eine epitaktische Schicht nach der Einführung gebildet wird. Da Wasserstoff ein leichtgewichtiges Element ist, wird Wasserstoff aufgrund von Wärme, die bei der Bildung der epitaktischen Schicht verursacht wird, nach außen diffundiert und ist nach der Bildung der epitaktischen Schicht wenig Wasserstoff in dem Halbleiterwafer zurückgelassen. Andererseits wird, wenn Wasserstoffionen in der Form von Clusterionen (molekularen Ionen), die Wasserstoff als ein Bestandsteilelement enthalten, eingeführt werden, eine Wasserstoffkonzentrationsspitze selbst nach der Bildung einer epitaktischen Schicht beobachtet, falls gewisse Bedingungen erfüllt werden. PTL 1 offenbart, dass die Kristallinität der epitaktischen Schicht eines solchen Halbleiterepitaxialwafers vorteilhaft ist. Jedoch ist das Wasserstoffkonzentrationsprofil in herkömmlich bekannten Halbleiterepitaxialwafern ein Einzelspitzenprofil.
  • Wir haben das Bilden der Modifikationsschicht 14 durch Bestrahlen einer Oberfläche des Halbleiterwafers 10 mit Clusterionen konzipiert, die drei oder mehr Elemente einschließlich Wasserstoff als Bestandsteilelemente enthalten. Die experimentellen Tatsachen werden ausführlich in Beispielen beschrieben. Der Halbleiterepitaxialwafer 100, in dem die epitaktische Schicht 18 auf dieser Modifikationsschicht 14 gebildet wurde, wurde dann produziert. Wenn das Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung des Halbleiterepitaxialwafers 100 durch SIMS analysiert wurde, wurde herausgefunden, dass ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil in manchen Fällen beobachtet wurde.
  • Wir haben dementsprechend die Kristallinität der epitaktischen Schicht des Halbleiterepitaxialwafers 100, der ein solches einzigartiges Wasserstoffkonzentrationsprofil aufzeigt, unter Verwendung von Kathodenlumineszenz (CL)-Spektroskopie ausgewertet. Als Ergebnis wurde experimentell herausgefunden, dass die transversal-optische (TO) Intensität in dem Fall des Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofils signifikant höher als die transversal-optische (TO) Intensität in dem Fall des Einzelspitzenprofils war. Ferner wurde bei dem Halbleiterepitaxialwafer 100 gemäß dieser Ausführungsform bestätigt, dass Wasserstoff selbst nach einer Wärmebehandlung, die in dem Halbleitervorrichtungsproduktionsprozess enthalten ist, mit einer hohen Konzentration in der Modifikationsschicht 14 beibehalten wurde. Es wird angemerkt, dass die CL-Spektroskopie eine Technik zum Analysieren von Kristalldefekten ist, bei der eine Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, um Anregungslicht zu detektieren, das während des Übergangs von etwa der Basis des Leitungsbandes zu etwa der Oberseite des Valenzbandes produziert wird. Ferner verweist die TO-Intensität auf ein für ein Si-Element spezifisches Spektrum, das der Bandlücke von Si entspricht, die durch CL-Spektroskopie beobachtet wird. Eine stärkere TO-Intensität bedeutet eine höhere Kristallinität von Si.
  • Ferner wurden die folgenden Tatsachen in Beispielen enthüllt. In einem Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 in den Beispielen war die Aktivierungsenergie Ea1 einer Wasserstoffdesorption, die zu einer ersten Spitze P1 des Wasserstoffkonzentrationsprofils führt, verschieden von der Aktivierungsenergie Ea2 einer Wasserstoffdesorption, die zu einer zweiten Spitze P2 führt. Insbesondere war die Aktivierungsenergie Ea2 einer Wasserstoffdesorption, die zu der zweiten Spitze P2 führt, höher als die Aktivierungsenergie Ea1 einer Wasserstoffdesorption, die zu der ersten Spitze P1 führt. Dies gibt auch an, dass in dem Halbleiterepitaxialwafer 100, der ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil aufzeigt, während die Menge an Wasserstoff, durch den Defekte passiviert werden, wenn die epitaktische Schicht 18 gebildet wird, zunimmt, Wasserstoff kontinuierlich für eine lange Zeitperiode bereitgestellt werden kann, selbst während einer Wärmebehandlung, die durchgeführt wird, wenn der Wafer in einem Halbleitervorrichtungsproduktionsprozess verwendet wird. Dies führt zu einer besseren Kristallinität der epitaktischen Schicht 18.
  • Wie oben beschrieben, ist eine Modifikationsschicht bereitgestellt, die ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil dieser Ausführungsform aufzeigt, wodurch ein Halbleiterepitaxialwafer erhalten wird, in dem die Konzentration von Wasserstoff in einer Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität einer epitaktischen Schicht ausgezeichnet ist.
  • Ferner ist in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung des Halbleiterepitaxialwafers 100 dieser Ausführungsform hinsichtlich des Sicherstellens des oben beschriebenen Betriebs und Effektes die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze P2 bevorzugt höher als die Wasserstoffspitzenkonzentration der ersten Spitze P1. Insbesondere beträgt die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze P2 bevorzugt 1,2-mal oder mehr, bevorzugter 1,5-mal oder mehr als die Wasserstoffspitzenkonzentration der ersten Spitze P1.
  • Zudem beträgt in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung des Halbleiterepitaxialwafers 100 dieser Ausführungsform hinsichtlich des weiteren Sicherstellens des oben beschriebenen Betriebs und Effekts der Spitze-zu-Spitze-Abstand d zwischen der ersten Spitze P1 und der zweiten Spitze P2 bevorzugt 20 nm oder mehr oder 60 nm oder weniger, bevorzugter 30 nm oder mehr und 50 nm oder weniger.
  • Des Weiteren beträgt in dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung des Halbleiterepitaxialwafers 100 dieser Ausführungsform hinsichtlich des weiteren Sicherstellens des oben beschriebenen Betriebs und Effektes die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze P2 bevorzugt 1,0 × 1018 Atome/cm3 oder mehr und bevorzugter betragen sowohl die Wasserstoffspitzenkonzentration der ersten Spitze P1 und die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze P2 1,0 × 1018 Atome/cm3 oder mehr.
  • Wie zuvor erwähnt, können der oben erwähnte Betrieb und Effekt erzielt werden, wenn sowohl die erste Spitze P1 als auch die zweite Spitze P2 in dem Bereich von 500 nm in der Tiefenrichtung von der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer 10 und der epitaktischen Schicht 18 liegen. Um den oben beschriebenen Betrieb und Effekt weiter sicherzustellen, liegen die beiden Spitzen bevorzugt in einem Bereich von 300 nm, bevorzugter in einem Bereich von 150 nm. Da es physikalisch für jegliche Spitze des Wasserstoffkonzentrationsprofils unmöglich ist, sich bei der Position der Grenzfläche zu befinden, befindet sich die erste Spitze P1 bei einer Tiefenposition von wenigstens 5 nm oder mehr von der Grenzfläche.
  • Ferner kann die Modifikationsschicht 14 Elemente außer Wasserstoff als eine feste Lösung enthalten. Hinsichtlich des Vermittelns einer Getter-Fähigkeit für den Halbleiterepitaxialwafer 100 ist Kohlenstoff bevorzugt als eine feste Lösung in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers enthalten, ist bevorzugter auch Sauerstoff als eine feste Lösung enthalten. Wenn Kohlenstoff und Sauerstoff als eine feste Lösung enthalten sind, kann das obige Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil weiter sichergestellt werden.
  • Als der Halbleiterwafer 10 kann ein Epitaxiewafer verwendet werden, in dem die epitaktische Schicht auf der Oberfläche eines Volumenhalbleiterwafers gebildet ist. Ein Beispiel ist ein Epitaxialsiliziumwafer, der durch Bilden einer epitaktischen Siliziumschicht auf einer Oberfläche eines Volumensiliziumwafers erhalten wird. Diese epitaktische Siliziumschicht kann durch CVD unter typischen Bedingungen gebildet werden. Die Dicke der epitaktischen Schicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,1 µm bis 20 µm, bevorzugter in einem Bereich von 0,2 µm bis 10 µm. In diesem Fall weist der Halbleiterepitaxialwafer 100 mehrere epitaktische Schichten einschließlich der epitaktischen Schicht 18 und einer nicht gezeigten epitaktischen Schicht in dem Halbleiterwafer auf.
  • (Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers)
  • Als Nächstes wird eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers 100, der hier zuvor offenbart wurde, beschrieben. Ein Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers 100 gemäß einer der offenbarten Ausführungsformen beinhaltet Folgendes: wie in 2 veranschaulicht, einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 mit Clusterionen 12 aus drei oder mehr Bestandsteilelementen einschließlich Wasserstoff (Schritt A in 2), um eine modifizierte Schicht zu bilden, die die Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 als eine feste Lösung in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers 10 enthält (Schritt B in 2); und nach dem ersten Schritt, einen zweiten Schritt des Bildens einer epitaktischen Schicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers (Schritt C in 2). Die Schritte werden nun ausführlich der Reihe nach beschrieben.
  • Zuerst wird der Halbleiterwafer 10 vorbereitet. Als Nächstes wird die Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 mit den Clusterionen 12 bestrahlt, die drei oder mehr Elemente einschließlich Wasserstoff als Bestandsteilelemente enthalten. Wenn die Bestandsteilelemente der Clusterionen drei oder mehr Elemente sind, wird, weil Defekte unterschiedlicher Aktivierungsenergien einer Wasserstoffdesorption in Abhängigkeit von den einzuführenden Elementen gebildet werden, ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil nach der Bildung der epitaktischen Schicht 18 erhalten.
  • Solange das Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil gebildet werden kann, ist es hier nur notwendig, dass Wasserstoff als eines der Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 essenziell ist. Hinsichtlich des weiteren Sicherstellens eines Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofils sind jedoch bevorzugt Kohlenstoff und Sauerstoff zusätzlich zu Wasserstoff als Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 enthalten. Hinsichtlich des weiteren Sicherstellens eines Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofils bestehen die Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 bevorzugt nur aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. In der Form von Clusterionen eingeführter Kohlenstoff bildet eine Stelle, wo ein Kristallgitter komprimiert ist, was als eine Getter-Stelle dient, die interstitielle Fremdstoffe anzieht. Ferner erleichtert das Einführen von Sauerstoff mit einem Atomgewicht, das das Atomgewicht von Kohlenstoff approximiert und geringfügig höher als dieses ist, als eines der Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 möglicherweise die Bildung eines Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofils.
  • Eine zum Bilden der Clusterionen zu ionisierende Verbindung ist nicht beschränkt und Beispiele für verwendete Verbindungen, die zu der Ionisierung in der Lage sind, beinhalten zum Beispiel Diethylether (C4H10O), Ethanol (C2H6O) und Diethylketon (C5H10O). Von diesen Clustern wird bevorzugt CnHmO1 (1, m, n sind unabhängig voneinander und 1 ≤ n ≤16, 1 ≤ m ≤ 16 und 1 ≤ 1 ≤ 16 werden erfüllt) verwendet, das aus Diethylether, Ethanol usw. gebildet wird. Insbesondere wird bevorzugt, dass die Anzahl an Kohlenstoffatomen in den Clusterionen 16 oder weniger beträgt und die Anzahl an Sauerstoffatomen in den Clusterionen 16 oder weniger beträgt. Dies liegt darin begründet, dass Ionenstrahlen von Clustern mit kleinerer Größe einfacher zu steuern sind.
  • Ferner wird nicht ausgeschlossen, dass andere Bestandsteilelemente in den Clusterionen 12 enthalten sind. Als Bestandsteilelemente der Clusterionen 12 außer jenen drei Elementen können Dotierungsstoffelemente, wie etwa Bor, Phosphor und Arsen, als Beispiel gegeben werden und die Elemente können in Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung gewählt werden. Insbesondere wird auch das Anwenden eines oder mehrerer Dotierungsstoffelemente, die aus der aus Bor, Phosphor, Arsen und Antimon bestehenden Gruppe ausgewählt werden, in der Form von Clusterionen als die Bestandsteilelemente bevorzugt. Da die Arten von Fremdstoffmetallen, die effizient zu gettern sind, von den Arten der Elemente einer festen Lösung abhängen, kann eine feste Lösung von mehreren Arten von Elementen eine breitere Vielfalt an Metallkontaminierungen abdecken. Zum Beispiel kann Kohlenstoff effizient Nickel (Ni) gettern, wohingegen Bor effizient Kupfer (Cu) und Eisen (Fe) gettern kann. Dotierungsstoffelemente verweisen hier auf elektrisch aktive Elemente, die die Siliziumkristallgitterstellen belegen, um die elektrische Leitfähigkeit des Siliziumkristalls zu ändern. Spezielle Beispiele beinhalten Bor als einen p-Typ-Dotierungsstoff und Phosphor, Arsen und Antimon als n-Typ-Dotierungsstoffe.
  • Die Clustergröße kann angemessen auf 2 bis 100 festgelegt werden und beträgt bevorzugt bis zu 60 oder weniger, bevorzugt bis zu 50 oder weniger. Die Clustergröße kann durch Steuern des Drucks eines Gases, das aus einer Düse ausgestoßen wird, des Drucks eines Vakuumbehälters, der Spannung, die an das bei der Ionisation verwendete Filament angelegt wird, und dergleichen angepasst werden. Die Clustergröße kann bestimmt werden, indem die Clusterzahlverteilung durch Massenspektrometrie unter Verwendung eines hochfrequenten Quadrupolfeldes oder durch Flugzeitmassenspektrometrie gefunden wird und der mittlere Wert der Anzahl an Clustern gefunden wird.
  • Die Beschleunigungsspannung der Clusterionen beeinflusst zusammen mit der Clustergröße die Spitzenposition des Konzentrationsprofils der Bestandsteilelemente der Clusterionen in der Tiefenrichtung. Bei dieser Ausführungsform kann die Beschleunigungsspannung der Clusterionen mehr als 0 keV/Cluster und weniger als 200 keV/Cluster, bevorzugt 100 keV/Cluster oder weniger, noch bevorzugter 80 keV/Cluster oder weniger betragen. Zum Anpassen der Beschleunigungsspannung werden typischerweise zwei Verfahren verwendet: (1) elektrostatische Beschleunigung und (2) Hochfrequenzbeschleunigung. Beispiele für das erste Verfahren beinhalten ein Verfahren, bei dem mehrere Elektroden in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind und die gleiche Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, wodurch ein konstantes Beschleunigungsfeld in der axialen Richtung gebildet wird. Beispiele für das letztere Verfahren beinhalten ein Linearbeschleunigung(Linac)-Verfahren, bei dem Ionen in einer geraden Linie transferiert und durch Hochfrequenzwellen beschleunigt werden.
  • Die Dosis der Clusterionen kann durch Steuern der Ionenbestrahlungszeit angepasst werden. Die Dosis jedes Elements, das in den Clusterionen enthalten ist, hängt von der Clusterionenspezies und der Dosis der Clusterionen (Cluster/cm2) ab. Bei dieser Ausführungsform wird die Dosis von Wasserstoff bevorzugt auf 1 × 1013 Atome/cm2 bis 1 × 1016 Atome/cm2, bevorzugter 5 × 1013 Atome/cm2 oder mehr, festgelegt, sodass Wasserstoff selbst nach dem zweiten Schritt mit einer hohen Konzentration übrig gelassen wird. Wenn die Wasserstoffdosis weniger als 1 × 1013 Atome/cm2 beträgt, würde Wasserstoff während der Bildung der epitaktischen Schicht diffundieren, wohingegen eine Dosis, die 1 × 1016 Atome/cm2 überschreitet, einen großen Schaden an der Oberfläche der epitaktischen Schicht 18 verursachen würde.
  • Wenn die Bestandsteilelemente der Clusterionen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, hängen die Dosen von Wasserstoff und Sauerstoff von der Dosis von Kohlenstoff ab. Falls solche Clusterionen angewandt werden, beträgt die Dosis von Kohlenstoff bevorzugt 1 × 1013 Atome/cm2 bis 1 × 1017Atome/cm2, bevorzugter 5 × 1013 Atome/cm2 oder mehr und 5 × 1016 Atome/cm2 oder weniger. Wenn die Kohlenstoffdosis weniger als 1 × 1013 Atome/cm2 beträgt, würde eine ausreichende Getter-Fähigkeit nicht erhalten werden, wohingegen die Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10, wenn die Kohlenstoffdosis 1 × 1016 Atome/cm2 überschreitet, stark beschädigt werden würde und viele Defekte in der Oberfläche der epitaktischen Schicht 18 nach dem zweiten Schritt gebildet werden würden.
  • Da Wasserstoff ein leichtgewichtiges Element ist, diffundieren hier, wie oben beschrieben, Wasserstoffionen zum Beispiel aufgrund einer Wärmebehandlung zum Bilden der epitaktischen Schicht 18 leicht und neigen dazu, nach der Bildung der epitaktischen Schicht kaum in dem Halbleiterwafer zu verbleiben. Entsprechend wird zusätzlich zu dem Erhalten eines Gebiets, wo Wasserstoff mit einer hohen Konzentration durch eine Clusterionenbestrahlung gebildet wird, bevorzugt, die Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 mit Wasserstoffionen für eine relativ kurze Zeit zu bestrahlen, um einen Schaden an Oberflächenabschnitt zu erhöhen, wobei der Strahlstromwert der Clusterionen 12 auf 50 µA oder mehr eingestellt wird. Ein Strahlstromwert von 50 µA oder mehr kann einen Schaden erhöhen, was ermöglicht, dass Wasserstoff mit einer hohen Konzentration in dem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers 10 auf der Seite der epitaktischen Schicht 18 selbst nach der anschließenden Bildung der epitaktischen Schicht 18 zurückgelassen wird. Zu diesem Zweck beträgt der Strahlstromwert der Clusterionen 12 bevorzugt 100 µA oder mehr, bevorzugter 300 µA oder mehr. Falls der Strahlstromwert übermäßig hoch ist, würden epitaktische Defekte übermäßig in der epitaktischen Schicht 18 gebildet werden. Daher beträgt der Strahlstromwert bevorzugt 5000 µA oder weniger. Der Strahlstromwert der Clusterionen 12 kann zum Beispiel durch Ändern der Bedingungen für die Zersetzung des Quellengases in der Ionenquelle angepasst werden.
  • Nach dem obigen ersten Schritt wird der zweite Schritt des Bildens der epitaktischen Schicht 18 auf der Oberfläche 10A das Halbleiterwafers 10 durchgeführt. Die epitaktische Schicht 18 in dem zweiten Schritt ist wie oben beschrieben.
  • Dementsprechend kann der Halbleiterepitaxialwafer 100 produziert werden.
  • Selbst wenn der oben beschriebene erste Schritt durchgeführt wird, wird ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil in Abhängigkeit von den epitaktischen Wachstumsbedingungen in dem zweiten Schritt in manchen Fällen möglicherweise nicht gebildet. Ohne Absicht, die Erfindung zu beschränken, gibt es in Fällen einer langen Aussetzung gegenüber einer Wasserstoffatmosphäre in einem Epitaxiewachstumsreaktor, zum Beispiel wenn die epitaktische Schicht 18 mit einer Dicke von 7 µm oder mehr gebildet wird, eine Tendenz, dass ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil nicht gebildet wird.
  • In einem solchen Fall kann, wenn ein Nachtemperschritt ferner nach dem zweiten Schritt durchgeführt wird, ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil zuverlässiger gebildet werden. Wenn ein Nachtemperschritt durchgeführt wird, erscheint ein Unterschied des Wasserstoffdesorptionsverhaltens signifikant. In dem Nachtemperschritt wird eine Wärmebehandlung bevorzugt bei 650 °C bis 800 °C für 5 Minuten oder mehr und 30 Minuten oder weniger in einer Inertgasatmosphäre, wie etwa einer Stickstoffatmosphäre, durchgeführt.
  • Nach dem ersten Schritt und vor dem zweiten Schritt wird es auch bevorzugt, eine Wiederherstellungswärmebehandlung zum Wiederherstellen der Kristallinität auf dem Halbleiterwafer 10 durchzuführen. Eine Wiederherstellungswärmebehandlung kann hier zum Bespiel durchgeführt werden, indem der Halbleiterwafer 10 in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas, Argongas oder dergleichen bei einer Temperatur von 900 °C oder mehr und 1100 °C oder weniger für 10 Minuten oder mehr und 60 Minuten oder weniger durchgeführt wird. Alternativ dazu kann die Wiederherstellungswärmebehandlung zum Beispiel unter Verwendung einer Schnelle-Erwärmung/Abkühlung-Einrichtung für Rapid Thermal Annealing (RTA - schnelles thermisches Tempern), Rapid Thermal Oxidation (RTO - schnelle thermische Oxidation) oder dergleichen getrennt von der Epitaxieeinrichtung durchgeführt werden.
  • Der Halbleiterwafer 10 kann ein wie oben beschriebener Siliziumwafer sein.
  • Zuvor wurde eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers 100, der ein Doppelwasserstoffspitzenprofil aufzeigt, durch Anwenden von Clusterionen, die drei oder mehr Bestandsteilelemente einschließlich Wasserstoff enthalten, beschrieben. Jedoch kann der offenbarte Halbleiterepitaxialwafer 100 natürlich durch andere Produktionsverfahren produziert werden.
  • (Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung)
  • Ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung gemäß einer der offenbarten Ausführungsformen beinhaltet Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf dem oben beschrieben Halbleiterepitaxialwafer oder dem Halbleiterepitaxialwafer durch das oben beschriebene Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers, d. h. auf der epitaktischen Schicht 18, die sich auf einer Oberfläche des Halbleiterepitaxialwafers 100 befindet. Bei einer durch dieses Produktionsverfahren erhaltenen Festkörperbildgebungsvorrichtung kann die Bildung von White-Spot(weiße Flecken)-Defekten im Vergleich zu Festkörperbildgebungsvorrichtungen, die durch herkömmliche Verfahren erhalten werden, ausreichend unterdrückt werden.
  • BEISPIELE
  • Das offenbarte Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers wird unten ausführlicher unter Verwendung von Beispielen beschrieben. Jedoch ist diese Offenbarung in keiner Weise auf die folgenden Beispiele beschränkt.
  • (Experimentelles Beispiel 1)
  • < Beispiel 1 >
  • Ein n-Typ-Siliziumwafer (Durchmesser: 300 mm, Dicke: 775 µm, Dotierungsstoff: Phosphor, spezifischer Widerstand: 20 Ω·cm), der aus einem CZ-Einkristall erhalten wurde, wurde vorbereitet. Anschließend wurde eine Oberfläche des Siliziumwafers mit CH3O-Clusterionen bestrahlt, die erhalten wurden, indem Diethylether (C4H10O) unter Verwendung eines Clusterionengenerators (CLARIS, produziert von Nissin Ion Equipment Co., Ltd.) unter folgenden Bestrahlungsbedingungen einer Beschleunigungsspannung zu Clusterionen gemacht wurde: 80 keV/Cluster (Beschleunigungsspannung pro Wasserstoffatom: 2,58 keV/Atom, Beschleunigungsspannung pro Kohlenstoffatom: 30,1 keV/Atom, Beschleunigungsspannung pro Sauerstoffatom: 41,3 keV/Atom, Bewegungsentfernung von Wasserstoff: 60 nm, Bewegungsentfernung von Kohlenstoff: 120 nm, Bewegungsentfernung von Sauerstoff: 125 nm). Die Dosis für die Bestrahlung mit den Clusterionen wurde auf 1,0 × 1015 Cluster/cm2 festgelegt. Das ist 3,0 × 1015 Atome/cm2 hinsichtlich der Anzahl an Wasserstoffatomen, 1,0 × 1015 Atome/cm2 hinsichtlich der Anzahl an Kohlenstoffatomen und 1,0 × 1015 Atome/cm2 hinsichtlich der Anzahl an Sauerstoffatomen. Der Strahlstromwert der Clusterionen wurde auf 550 µA festgelegt.
  • Anschließend wurde der Siliziumwafer, der mit den Clusterionen bestrahlt wurde, in eine Einzelwaferverarbeitungsepitaxiewachstumseinrichtung (produziert von Applied Materials, Inc.) transferiert und wurde einer Wasserstofftemperung bei 1120 °C für 30 Sekunden in der Einrichtung ausgesetzt. Danach wurde eine epitaktische Siliziumschicht (Dicke: 5,0 µm, Dotierungsstoffart: Phosphor, spezifischer Widerstand: 10 Ω·cm) dann durch CVD bei 1120 °C unter Verwendung von Wasserstoff als ein Trägergas und Trichlorsilan als ein Quellengas epitaktisch auf eine Oberfläche des Siliziumwafers aufgewachsen, auf der eine Modifikationsschicht gebildet wurde, wodurch ein Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 hergestellt wurde.
  • < Vergleichsbeispiel 1 >
  • Eine Clusterionenbestrahlung wurde durchgeführt und eine epitaktische Siliziumschicht wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass eine Oberfläche eines Siliziumwafers mit C3H5-Clusterionen, die erhalten wurden, indem Cyclohexan (C6H12) zu Clusterionen gemacht wird, anstelle einer Bestrahlung mit CH3O, das zu Clusterionen gemacht wird, mit folgenden Bestrahlungsbedingungen einer Beschleunigungsspannung bestrahlt wurde: 80 keV/Cluster (Beschleunigungsspannung pro Wasserstoffatom: 1,95 keV/Atom, Beschleunigungsspannung pro Kohlenstoffatom: 23,4 keV/Atom, Bewegungsentfernung von Wasserstoff: 40 nm, Bewegungsentfernung von Kohlenstoff: 80 nm), wobei die Dosis von Wasserstoff auf den gleichen Wert wie in Beispiel 1 festgelegt wurde (d. h. Kohlenstoffdosis: 1,0 × 1015 Atome/cm2, dementsprechend Wasserstoffdosis: 1,7 × 1015 Atome/cm2), wodurch ein Epitaxialsiliziumwafer des Vergleichsbeispiels 1 gebildet wird. Die Beschleunigungsspannung pro Wasserstoffatom betrug 2,96 keV/Atom, die Beschleunigungsspannung pro Kohlenstoffatom betrug 35,6 keV/Atom, die Wasserstoffbewegungsentfernung betrug 60 nm, die Kohlenstoffbewegungsentfernung betrug 120 nm und der Strahlstromwert betrugt 550 µA, wie in Beispiel 1.
  • < Vergleichsbeispiel 2 >
  • Eine epitaktische Siliziumschicht wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 gebildet, mit der Ausnahme, dass eine Clusterionenbestrahlung nicht durchgeführt wurde, wodurch dementsprechend ein Epitaxialsiliziumwafer aus Vergleichsbeispiel 2 gebildet wurde.
  • < Auswertung 1: Wasserstoffkonzentrationsprofilauswertung durch Quadrupol-SIMS >
  • Die Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurden Messungen unter Verwendung magnetischer SIMS unterzogen, wodurch das Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung jeder Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht gefunden wurde. Die Ergebnisse sind in 3 veranschaulicht. Ferner ist das Wasserstoffkonzentrationsprofil in Vergleichsbeispiel 1 in 3 veranschaulicht. In 3 ist die Oberfläche der epitaktischen Siliziumschicht des Epitaxialsiliziumwafers als 0 in der Tiefe der horizontalen Achse definiert. Tiefen bis zu 5 µm entsprechen der epitaktischen Siliziumschicht (in dem Graphen als epitaktische Schicht abgekürzt) und Tiefen von 5 µm oder mehr entsprechen dem Siliziumwafer.
  • 3 zeigt, dass ein Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil in Beispiel 1 gebildet wurde, in dem eine Bestrahlung mit Clusterionen, die die drei Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff als Bestandsteilelemente enthalten, durchgeführt wurde. Andererseits wurde bestätigt, dass ein Einzelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil in Vergleichsbeispiel 1 gebildet wurde, in dem eine Bestrahlung mit Clusterionen, die die zwei Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff als Bestandsteilelemente enthalten, durchgeführt wurde. In dem Wasserstoffkonzentrationsprofil in 3 betrug die Tiefenposition einer ersten Spitze, die in der Tiefenrichtung flacher war, 5,03 µm (30 nm von der Grenzfläche entfernt) und betrug die Tiefenposition einer zweiten Spitze, die tiefer war, 5,07 µm (70 nm von der Grenzfläche entfernt). Entsprechend betrug der Spitze-zu-Spitze-Abstand d 40 nm. Ferner betrugen die Wasserstoffkonzentration der ersten Spitze und die Wasserstoffkonzentration der zweiten Spitze beide 1,0 × 1018 Atome/cm3.
  • (Auswertung 2: TO-Intensität-Auswertung durch CL-Spektroskopie)
  • Die Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1100 °C für 30 Minuten unterzogen, wobei ein Halbleitervorrichtungsproduktionsprozess simuliert wurde. Anschließend wurden Proben, die durch Abschrägen jedes Epitaxialsiliziumwafers durch Polieren erhalten wurden, einer CL-Spektroskopie aus der Querschnittsrichtung unterzogen, wodurch das CL-Spektrum der epitaktischen Siliziumschicht in der Tiefenrichtung erhalten wurde. Für Messbedingungen wurde eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl bei 20 keV bei 33 K durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 4 veranschaulicht.
  • In 4 wird eine TO-Intensität-Spitze in der Nähe der Wasserstoffkonzentrationsspitzenposition in sowohl Beispiel 1 als auch Vergleichsbeispiel 1 beobachtet. Dies ist wahrscheinlich in der ausgezeichneten Kristallinität in der Nähe der Wasserstoffkonzentrationsspitze aufgrund der Passivierungseffekte von Wasserstoff begründet. Ein Vergleich von Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 gibt an, dass die TO-Intensität in Beispiel 1 am höchsten war. Entsprechend war die Kristallinität des Epitaxialsiliziumwafers gemäß Beispiel 1 am höchsten. In Anbetracht des Wasserstoffkonzentrationsprofils durch SIMS in 3 schlägt die Beibehaltung von Wasserstoff mit einer hohen Konzentration in einer Modifikationsschicht des Epitaxialsiliziumwafers gemäß Beispiel 1 vor, dass Wasserstoff Passivierungseffekte aufzeigte.
  • (Experimentelles Beispiel 2)
  • Um die Beziehung zwischen dem Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil, das in Beispiel 1 beobachtet wurde, und dem Grund, aus dem in diesem Fall eine epitaktische Siliziumschicht mit ausgezeichneter Kristallinität erhalten wird, ausführlicher zu untersuchen, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
  • < Auswertung 3: Beobachtung unter Verwendung einer TEM-Querschnittsmikrofotografie >
  • Zuerst wurde für jeden der Epitaxialsiliziumwafer gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 ein Querschnitt um die Modifikationsschicht herum unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) beobachtet. 5A präsentiert eine TEM-Querschnittsansicht von Beispiel 1 und 5B präsentiert eine TEM-Querschnittsansicht von Vergleichsbeispiel 1.
  • Ein Vergleich von 5A und 5B zeigt, dass zwei Arten von schwarzen Punktdefekten unterschiedlicher Größe und Tiefenposition in der Modifikationsschicht in Beispiel 1 gebildet wurden, in dem die Bestandteilelemente der Clusterionen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff waren. Von diesen zwei Arten von Defekten waren elliptische Defekte mit einer Hauptachse von etwa 20 nm bis 70 nm, die auf der tieferen Seite beobachtet wurden, offensichtlich verschieden von den Defekten, die in 5B beobachtet wurden.
  • Die Bestandsteilelemente der Clusterionen (C3H5) in Vergleichsbeispiel 1 waren Kohlenstoff und Wasserstoff, wohingegen die Bestandsteilelemente der Clusterionen (CH3O) in Beispiel 1 ferner Sauerstoff enthielten. Unter Berücksichtigung der Größe und Tiefenposition der in 5A und 5B beobachteten Defekte wurden nichtherkömmliche Defekte eines neuen Typs aufgrund des Unterschieds der Bestandsteilelemente der Clusterionen in Beispiel 1 gebildet und eine solche Defektbildung hat wahrscheinlich zu der Bildung des Doppelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofils beigetragen.
  • < Auswertung 4: Auswertung der Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption >
  • Um den Unterschied des Wasserstoffdiffusionsverhaltens zwischen Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 zu untersuchen, wurden die folgenden Experimente durchgeführt.
  • < Auswertung 4-1: Beispiel 1 >
  • Zuerst wurde, wie 6 dargestellt, angenommen, dass das Wasserstoffkonzentrationsprofil aus Beispiel 1, das in Auswertung 1 oben analysiert wurde, die Gesamtheit der Spitzenkomponenten von zwei Gauß-Verteilungen war. Dieses Wasserstoffkonzentrationsprofil wurde einer Spitzenseparation in eine erste Spitzenkomponente (gepunktete Linie) in einer Gauß-Verteilung, die um einen Tiefenteil von 5,03 µm zentriert ist, und eine zweite Spitzenkomponente (gestrichelte Linie) in einer Gauß-Verteilung, die bei 5,07 µm zentriert ist, durch Daten-Fitting unterzogen.
  • Die Probe aus Beispiel 1 wurde einer Wärmebehandlung bei 700 °C in einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und die Wasserstoffkonzentrationsprofile nach Wärmebehandlungen für eine Zeitperiode von 30 Minuten, 120 Minuten und 240 Minuten wurden durch SIMS erhalten. Ferner wurde eine Spitzenseparation in die erste Spitzenkomponente und die zweite Spitzenkomponente, die oben beschrieben ist, durchgeführt und wurde eine Reduktionsrate der Spitzenkonzentration jeder Komponente nach einer Wärmebehandlung bestimmt. Die Ergebnisse für die erste Spitzenkomponente sind in 7A dargestellt und die Ergebnisse für die zweite Spitzenkomponente sind in 7B dargestellt. Als die Reduktionsrate der Spitzenkonzentration jeder Spitzenkomponente wurde ein Verhältnis (CH/C0) der Wasserstoffkonzentration vor der Wärmebehandlung (C0) mit Bezug auf die Wasserstoffkonzentration nach der Wärmebehandlung (CH) verwendet. Dies gilt auch für 8A und 8B.
  • Für die Probe aus Beispiel 1 wurden die Reduktionsraten der Spitzenkonzentration jeder Komponente in den Fällen bestimmt, in denen die Wärmebehandlungstemperatur auf 900 °C und 1100 °C geändert wurde. Die Ergebnisse für die erste Spitzenkomponente sind in 7A dargestellt und Ergebnisse für die zweite Spitzenkomponente sind in 7B dargestellt. Diese Ergebnisse geben an, dass die Reaktionsrate einer Wasserstoffdesorption in der zweiten Spitzenkomponente niedriger als in der ersten Spitzenkomponente war.
  • Um die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption zu bestimmen, wurde das folgende Reaktionsmodell entwickelt. Zuerst wurde eine Reaktionsratengleichung (1) für die erste Spitzenkomponente abgeleitet, in der nur eine Wasserstoffdesorption auftreten würde. d [ H D ] d t = − k 0 [ H D ]
    Figure DE112018003702T5_0001
    In der Gleichung (1) oben repräsentiert [HD] die Wasserstoffkonzentration von Wasserstoff, der aus der Modifikationsschicht desorbiert und diffundiert wird, und repräsentiert k0 die Ratenkonstante einer Wasserstoffdesorption in der ersten Spitzenkomponente. Hier bedeutet t die Zeitperiode.
  • Ferner wurde eine Reaktionsratengleichung (2) für die zweite Spitzenkomponente abgeleitet, in der eine Wasserstoffdesorption und eine Wasserstoffabsorption (Einfangen), was die entgegengesetzte Reaktion zu einer Desorption ist, auftreten würden. d [ H A ] d t = − k 1 [ H A ] + k 2 [ H D ]
    Figure DE112018003702T5_0002
    In der Gleichung (2) oben repräsentiert [HA] die Wasserstoffkonzentration von Wasserstoff, der in der Modifikationsschicht absorbiert wird, repräsentiert [HD] die Wasserstoffkonzentration von Wasserstoff, der aus der Modifikationsschicht desorbiert und diffundiert wird, und repräsentiert k1 die Ratenkonstante einer Wasserstoffdesorption in der zweiten Spitzenkomponente und repräsentiert k2 die Ratenkonstante einer Wasserstoffabsorption in der zweiten Spitzenkomponente. Hier bedeutet t die Zeitperiode.
  • In der Gleichung (2) oben gilt [HD] = Co und [HA] = 0 unter einer anfänglichen Bedingung (t = 0) und unter der Annahme, dass nach der Wärmebehandlung [HD] = CH gilt, ist das Verhältnis von C0 mit Bezug auf CH als eine Gleichung (3) unten gegeben. C H C 0 = k 2 + k 1  exp [ − ( k 1 + k 2 ) t ] k 1 + k 2 .
    Figure DE112018003702T5_0003
  • Aus den in 7A und 7B gefundenen Ergebnissen wurden Arrheniusplots basierend auf der Arrheniusgleichung (k = exp(-Ea/kBT) konstruiert, wobei k die Reaktionsratenkonstante ist, Ea die Aktivierungsenergie ist, kB die Boltzmann-Konstante ist und T die Wärmebehandlungstemperatur ist). Die Ergebnisse sind in 8A und 8B dargestellt. Als Ergebnis des Daten-Fittings betrug die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption in der ersten Spitzenkomponente 0,758 eV. Ferner betrug die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption in der zweiten Spitzenkomponente 0,946 eV und betrug die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffabsorption in der zweiten Spitzenkomponente 0,093 eV.
  • < Auswertung 4-2: Vergleichsbeispiel 1 >
  • Für Vergleichsbeispiel 1 wurde eine Wärmebehandlung auf die gleiche Weise wie in der Auswertung 4-1 durchgeführt und wurde die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption aus einem Arrheniusplot bestimmt. Da ein Einzelspitzenwasserstoffkonzentrationsprofil in Vergleichsbeispiel 1 beobachtet wurde, wurde angenommen, dass nur eine Wasserstoffdesorption wie in der ersten Spitzenkomponente auftritt. Als Ergebnis des Daten-Fittings betrug die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption 0,76 eV.
  • Die Ergebnisse der Auswertung 4-1 und der Auswertung 4-2 kommen zu dem Schluss, dass die erste Spitzenkomponente, die in Beispiel 1 gebildet wurde, von dem gleichen Typ wie die Spitzenkomponente des Wasserstoffkonzentrationsprofils, das in dem Vergleichsbeispiel 1 gebildet wurde, war. Andererseits wurde ein anderes Verhalten beobachtet, da die Aktivierungsenergie einer Wasserstoffdesorption in der zweiten Spitzenkomponente, die in Beispiel 1 gebildet wurde, höher als jene der ersten Spitze war. Aufgrund eines solchen Unterschieds der Aktivierungsenergie ist es im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 wahrscheinlicher, dass der Epitaxialsiliziumwafer aus Beispiel 1 Wasserstoff hält, selbst nachdem er einer Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur ausgesetzt wurde, und Wasserstoff graduell freigibt. Entsprechend wird erwartet, dass die Passivierungseffekte von Wasserstoff in Beispiel 1 beibehalten werden. Ferner kann der signifikante Verbesserungseffekt der TO-Intensität, die in der oben beschriebenen 4 dargestellt ist, auch durch einen solchen Unterschied der Aktivierungsenergie verursacht werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wir stellen einen Halbleiterepitaxialwafer bereit, in dem die Konzentration an Wasserstoff in einer Modifikationsschicht auf einem hohen Niveau beibehalten werden kann und die Kristallinität einer epitaktischen Schicht ausgezeichnet ist. Ferner stellen wir ein Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers und ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung unter Verwendung des Halbleiterepitaxialwafers bereit.
  • Bezugszeichenliste
    • 10:
    Halbleiterwafer
    10A:
    Halbleiterwaferoberfläche
    12:
    Clusterion
    14:
    Modifikationsschicht
    18:
    Epitaktische Schicht
    100:
    Halbleiterepitaxialwafer
    100A:
    Halbleiterepitaxialwaferoberfläche
  • 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 2016051729 A [0005, 0007]

Claims (10)

  1. Halbleiterepitaxialwafer, der Folgendes umfasst: einen Halbleiterwafer; eine Modifikationsschicht, die in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers gebildet ist, wobei die Modifikationsschicht Wasserstoff aufweist, der als eine feste Lösung in dem Halbleiterwafer enthalten ist, eine epitaktische Schicht, die auf der Modifikationsschicht gebildet ist, wobei ein Konzentrationsprofil des Wasserstoffs in der Modifikationsschicht in der Tiefenrichtung von einer Oberfläche der epitaktischen Schicht ein Doppelspitzenkonzentrationsprofil ist, das eine erste Spitze, die in der Tiefenrichtung flacher ist, und eine zweite Spitze, die in der Tiefenrichtung tiefer ist, beinhaltet, Wasserstoffspitzenkonzentrationen der ersten Spitze und der zweiten Spitze jeweils 1,0 × 1017 Atome/cm3 oder mehr betragen, und sowohl die erste Spitze als auch die zweite Spitze in der Tiefenrichtung in einem Bereich von 500 nm von einer Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer und der epitaktischen Schicht liegen.
  2. Halbleiterepitaxialwafer nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze höher als die Wasserstoffspitzenkonzentration der ersten Spitze ist.
  3. Halbleiterepitaxialwafer nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Spitze-zu-Spitze-Abstand zwischen der ersten Spitze und der zweiten Spitze in der Tiefenrichtung 20 nm oder mehr und 60 nm oder weniger beträgt.
  4. Halbleiterepitaxialwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wasserstoffspitzenkonzentration der zweiten Spitze 1,0 × 1018 Atome/cm3 oder mehr beträgt.
  5. Halbleiterepitaxialwafer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer ist.
  6. Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach Anspruch 1, das Folgendes umfasst: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Clusterionen aus drei oder mehr Bestandsteilelementen einschließlich Wasserstoff, um eine modifizierte Schicht zu bilden, die die Bestandsteilelemente der Clusterionen als eine feste Lösung in einem Oberflächenabschnitt des Halbleiterwafers enthält; und nach dem ersten Schritt, einen zweiten Schritt des Bildens einer epitaktischen Schicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers.
  7. Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach Anspruch 6, wobei in dem ersten Schritt ein Strahlstromwert der Clusterionen 50 µA oder mehr und 5000 µA oder weniger beträgt.
  8. Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Bestandsteilelemente der Clusterionen ferner Kohlenstoff und Sauerstoff beinhalten.
  9. Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer ist.
  10. Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung, wobei das Verfahren ein Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf der epitaktischen Schicht des Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder auf der epitaktischen Schicht eines Halbleiterepitaxialwafers, der durch das Verfahren zum Produzieren des Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 6 bis 9 produziert wurde, umfasst.
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