JP2007073545A - Method for improving crystallinity of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる半導体デバイスの結晶質改善方法に関するものである。 The present invention relates to a method for improving crystallinity of a semiconductor device capable of recovering crystal disturbance such as silicon crystal defects generated in a junction region or a surface region at the time of manufacturing a semiconductor device or contamination due to heavy metal or the like.
半導体デバイスには主としてシリコン(ケイ素)結晶が用いられるが、半導体デバイスとして使用するには超高純度の単結晶構造である必要があり、結晶質の欠陥又は汚染を改善する方法が種々発案されている。 Although silicon (silicon) crystals are mainly used for semiconductor devices, they must have an ultra-pure single crystal structure for use as semiconductor devices, and various methods for improving crystalline defects or contamination have been devised. Yes.
特許文献1に記載されているように、熱処理により半導体ウエハの内部に酸素析出核を形成する工程と、半導体ウエハの表面層に水素イオンを注入する工程と、半導体ウエハに不活性ガス雰囲気中で熱処理を施すことにより半導体ウエハの内部に微小欠陥を成長させると共に注入された水素の還元作用を利用して半導体ウエハの表面を無欠陥層に変化させる工程とからなる半導体ウエハの欠陥低減法という発明も公開されている。
しかしながら、半導体デバイスのうち特に結晶質に鋭敏なCMOSイメージセンサー等の映像撮影電子デバイスやMIS型太陽電池等の太陽電池デバイスにおいては、熱や光エネルギーを付加するだけでは結晶質の欠陥又は汚染を改善するのに不十分である。 However, among semiconductor devices, in particular, image-taking electronic devices such as CMOS image sensors that are sensitive to crystallinity, and solar cell devices such as MIS type solar cells, crystalline defects or contamination can be obtained only by applying heat or light energy. Insufficient to improve.
そこで、本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる半導体デバイスの結晶質改善方法を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention provides a method for improving the crystallinity of a semiconductor device, which can recover crystal disturbance such as silicon crystal defects or contamination caused by heavy metals, etc. occurring in a junction region or a surface region during the manufacture of a semiconductor device. It is for the purpose.
本発明は、上記の課題を解決するために、半導体デバイス7の接合領域7d、若しくは半導体デバイス7の接合領域7d及び前記接合領域7dの近傍に対し、又は半導体デバイス7の表面領域7c、又は半導体デバイス7の表面領域7c及び前記表面領域7cの近傍に対し、真空減圧3下においてシアンイオン8cをイオン注入4する工程と、前記イオン注入4した半導体デバイス7を高温下で熱処理5する工程とからなり、結晶質9の欠陥9c又は汚染9dを回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法1の構成とした。
In order to solve the above-described problem, the present invention provides a
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。第1に、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる。 Since this invention is the above structure, the following effects are acquired. First, it is possible to recover crystal disturbance such as silicon crystalline defects or contamination caused by heavy metals or the like generated in a junction region or a surface region during the manufacture of a semiconductor device.
第2に、CMOSイメージセンサーの半導体デバイスに発生したシリコン結晶質の欠陥及び汚染などの結晶の乱れを回復させることにより、暗電流値及び暗電流電子数値を従来法に比べ大幅に削減することができる。 Secondly, the dark current value and the dark current electron value can be greatly reduced as compared with the conventional method by recovering the crystal disorder such as silicon crystal defects and contamination generated in the semiconductor device of the CMOS image sensor. it can.
第3に、MIS型太陽電池の半導体デバイスに発生したシリコン結晶質の欠陥及び汚染などの結晶の乱れを回復させることにより、太陽電池光起電力値及び光電流密度値を従来法に比べ大幅に向上させることができる。 Thirdly, by recovering the crystal disorder such as silicon crystal defects and contamination generated in the semiconductor device of MIS type solar cell, the photovoltaic power value and the photocurrent density value of the solar cell are greatly increased compared with the conventional method. Can be improved.
本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復するという目的を、半導体デバイス7の接合領域、若しくは半導体デバイスの接合領域及び前記接合領域の近傍に対し、又は半導体デバイスの表面領域、又は半導体デバイスの表面領域及び前記表面領域の近傍に対し、真空減圧下においてシアンイオンをイオン注入する工程と、前記イオン注入した半導体デバイスを高温下で熱処理する工程とからなり、結晶質の欠陥又は汚染を回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法の構成とすることで実現した。 An object of the present invention is to recover crystal disturbance such as silicon crystalline defects or contamination caused by heavy metals generated in a junction region or a surface region at the time of manufacturing a semiconductor device. A step of ion-implanting cyan ions under vacuum under reduced pressure with respect to a junction region and the vicinity of the junction region, or a surface region of a semiconductor device, or a surface region of a semiconductor device and the vicinity of the surface region; The semiconductor device has a step of heat-treating the semiconductor device at a high temperature, and is realized by adopting a structure of a method for improving the crystallinity of a semiconductor device characterized in that crystal defects or contamination can be recovered.
以下に、添付図面に基づいて、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法について詳細に説明する。 Below, based on an accompanying drawing, the crystal quality improvement method of the semiconductor device which is this invention is demonstrated in detail.
半導体デバイスの結晶質改善方法1は、半導体デバイス7の接合領域7d、若しくは半導体デバイス7の接合領域7d及び前記接合領域7dの近傍に対し、又は半導体デバイス7の表面領域7c、又は半導体デバイス7の表面領域7c及び前記表面領域7cの近傍に対し、真空減圧3下においてシアンイオン8cをイオン注入4する工程と、前記イオン注入4した半導体デバイス7を高温下で熱処理5する工程とからなり、結晶質9の欠陥9c又は汚染9dを回復することができることを特徴とする。
The crystal
図1は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法の流れを示すフローチャートである。半導体デバイスの結晶質改善方法1は、半導体デバイス製造2、真空減圧3、イオン注入4、熱処理5、及び結晶質改善6の工程からなる。
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of a semiconductor device crystal quality improving method according to the present invention. The semiconductor device
半導体デバイス製造2は、シリコン等の半導体を使用して半導体デバイス7を製造する工程である。半導体デバイス7にはトランジスタやダイオード等があり、P型半導体7aとN型半導体7bを接合(以下、P−N接合という。)する。
The
P型半導体7aは、シリコンにボロン(ホウ素)などの3族元素を微量添加して正孔というプラスの電荷を持たせたものであり、N型半導体7bは、シリコンにリンやヒ素などの5族元素を微量添加してシリコン内を自由に動き回れる自由電子を生じさせたものである。
The P-
P−N接合すると電流を一方向にしか流さない整流作用を持たせることができる。半導体デバイス7の精度を向上させるには、特にP型半導体7aとN型半導体7bの接合領域7dに欠陥がないことが要求される。
When the PN junction is used, it is possible to provide a rectifying action that allows current to flow only in one direction. In order to improve the accuracy of the
また、P型半導体7a及びN型半導体7bの電極を設ける表面領域7cや、異なる半導体を急峻な組成変化を示す界面により接合したヘテロ接合の場合の界面領域など、欠陥箇所が発生しやすい箇所、又は欠陥の発生に敏感な箇所が修復対象となる。
Also, a portion where defects are likely to occur, such as a
真空減圧3は、イオン注入4においてイオンや電子などの荷電粒子を加速するに際し、あらかじめ真空状態にしておく工程である。真空状態であると抵抗もないので、効率良く加速したり、任意方向に導くことができる。
The
イオン注入4は、イオン注入機8でシアンイオン8cを加速して、半導体デバイス7にシアンイオン8cをドーピング8a、8bする工程である。尚、イオン注入4については、図2及び図3で詳細に説明する。
The
熱処理5は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中で、熱アニーリングにより熱エネルギーを、又はレーザーアニーリングにより光エネルギーを、半導体デバイス7に付加する工程である。
The
熱アニーリングは、赤外線ランプを用いたRTA(急速熱アニール)装置により加熱する方法で、レーザーアニーリングは、レーザーを当てて加熱する方法であり、拡散炉を用いる場合に比べて、短時間で熱処理5を行うことができる。 Thermal annealing is a method of heating by an RTA (rapid thermal annealing) apparatus using an infrared lamp, and laser annealing is a method of heating by applying a laser, and heat treatment is performed in a shorter time than when a diffusion furnace is used. It can be performed.
結晶質改善6は、イオン注入4及び熱処理5を経ることで、シリコン結晶の欠陥又は重金属等による汚染などから回復し、機能の向上した半導体デバイス7を得ることができる工程である。
The crystal quality improvement 6 is a process in which a
図2は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入の状況を示す図である。イオン注入4は、イオン注入機8を用いて、半導体デバイス7にイオンをドーピング8a、8bする。
FIG. 2 is a diagram showing a state of ion implantation in the crystal quality improving method for a semiconductor device according to the present invention. In the
図2における半導体デバイス7は、P型半導体7aとN型半導体7bをP−N接合したものであり、半導体デバイス7の表面領域7cにドーピング8a、又は接合領域7dにドーピング8bする。尚、ヘテロ接合の場合についても同様である。
The
P型半導体7a及びN型半導体7bは、共にシリコンの結晶質9であるが、微量に添加された不純物の種類により異なる性質を有し、接合領域7d及び表面領域7cの電子状態が性能を維持するのに重要である。
The P-
ドーピング8a及びドーピング8bは、イオン注入機8によりイオンを加速して、半導体デバイス7に注入することであり、表面領域7c及び表面領域7cの近傍、又は接合領域7d及び接合領域7dの近傍にシアンイオン8cを注入する。
The
イオン注入機8は、イオン等の荷電粒子を加速し、イオンビームを照射する機器である。イオン注入4においては、電界で数十KeV(キロエレクトロンボルト)のエネルギーを与えることによりイオンを加速する。
The ion implanter 8 is a device that accelerates charged particles such as ions and irradiates an ion beam. In the
イオン注入4では、イオンに与えるエネルギーの大きさにより、イオンが半導体デバイス7の内部に到達する深さが決まる。尚、イオン注入4した際の不純物が到達する深さについては図4で詳細に示す。
In the
図3は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入時の結晶質の状態を示す拡大図である。イオン注入4により、P型半導体7a又はN型半導体7bの結晶質9を回復する。
FIG. 3 is an enlarged view showing a crystalline state at the time of ion implantation in the semiconductor device crystalline improvement method according to the present invention. The crystalline 9 of the P-
結晶質9は、各シリコン9b原子が4つの結合手により共有結合を作り、正四面体状の立体的な結晶格子を構成しているが、図3においては、シリコン9bの結晶格子を正方形状の平面的な表現で示す。
In the
シリコン(ケイ素)9bの結晶質9は、99.99%の超高純度が要求されるが、シリコン9b原子が欠けてしまう欠陥9cや、シリコン9b原子ではなく鉄などの重金属等に置き換わってしまう汚染9dなどが生じる場合がある。
The crystalline 9 of the silicon (silicon) 9b is required to have an ultra-high purity of 99.99%, but is replaced by a
イオン注入4では、結晶質9の欠陥9c又は汚染9dのある箇所に対してシアンイオン8cをドーピング8aするが、シアンイオン8cはシアン化水素(HCN)をイオン化することにより利用する。
In the
結晶質9aは、イオン注入4により回復された状態である。欠陥9cのある箇所には、シアンイオン8cが入り込むことにより電気的悪影響を軽減する。具体的には、欠陥9cに起因して発生する漏れ電流値を減少させることができる。
Crystalline 9a is in a state recovered by
また、汚染9dのある箇所については、シアンイオン8cと鉄などの重金属等が化学的に結合し、より安定した不活動体になる。シアンイオン8cと重金属等とは結合しやすいため、汚染9dによる電気的悪影響を軽減することができる。
Further, in a place where the
これを裏付ける例として、重金属等が半導体デバイス7の表面領域7cに存在している場合に、液体中のシアンイオン8cに触れると、シアンイオン8cと重金属等とが結合して液体中に放出される。
As an example to support this, when heavy metal or the like is present in the
図4は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をCMOSイメージセンサーに使用した場合におけるイオン注入後の不純物の深さを比較したグラフであり、図5は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をCMOSイメージセンサーに使用した場合における暗電流の値を比較した表である。 FIG. 4 is a graph comparing the depth of impurities after ion implantation when the crystal quality improving method for a semiconductor device according to the present invention is used in a CMOS image sensor, and FIG. 5 is a graph of the semiconductor device according to the present invention. It is the table | surface which compared the value of the dark current at the time of using a crystal quality improvement method for a CMOS image sensor.
CMOSイメージセンサーは、デジタルカメラ等に使用される1/6インチVGA用3.75μm×3.75μmの画素を有する映像撮影用の半導体デバイス7の一つであり、1個のフォトダイオードによる受光部と、4個のトランジスタからなる信号増幅部とを1つの部品としたものである。
The CMOS image sensor is one of the
尚、VGAは、コンピュータのディスプレイ装置の解像度及び表示色数などに関する規格の一つであり、VGAの解像度は、横640×縦480ドットである。また、画素(ピクセル)は、画像を構成する最小の単位要素である。 Note that VGA is one of the standards relating to the resolution and the number of display colors of a display device of a computer, and the resolution of VGA is 640 (horizontal) × 480 (vertical) dots. A pixel is a minimum unit element that constitutes an image.
電源電圧は、受光部が2.5V(ボルト)、信号増幅部が1.5V(ボルト)であり、センサーとなる受光部は、基板であるシリコンウエハーの表層から0.2μm(マイクロメートル)下に形成される埋込型P−N接合フォトダイオードである。 The power supply voltage is 2.5 V (volt) for the light receiving portion and 1.5 V (volt) for the signal amplifying portion, and the light receiving portion serving as the sensor is 0.2 μm (micrometers) below the surface layer of the silicon wafer as the substrate. This is a buried PN junction photodiode.
イオン注入4は、受光部の結晶質9に欠陥9c又は汚染9dがあると予想される表面領域7c又は接合領域7dの位置に、不純物であるシアンイオン8cをドーピング8a、8bする。
In the
表面領域7c又は接合領域7dが半導体デバイス7内のどれくらいの深さに形成されているかにより、イオン注入機8でシアンイオン8cに与える加速電圧のエネルギーの大きさを調整する必要がある。
Depending on how deep the
図4のグラフ10に示すように、加速電圧を40KeV(キロエレクトロンボルト)とすると、深さが約200nm(ナノメートル)において、比較例11、比較例11a及び比較例11bともに不純物濃度がピーク値となる。
As shown in the
尚、比較例11、11a、11bは、ドーズ量(イオン注入量)を変位させて測定した結果であり、比較例11では、1.0×1011atoms/cm2 でイオン注入4し、比較例11aでは、1.0×1012atoms/cm2 でイオン注入4し、比較例11bは、1.0×1013atoms/cm2 でイオン注入4したものである。
In Comparative Examples 11, 11a, and 11b, the dose (ion implantation amount) was measured for displacement. In Comparative Example 11,
比較例11の場合の不純物濃度は、1cm3 あたり1.0×1015〜1.0×1016atomsであり、比較例11aの場合の不純物濃度は、1cm3 あたり1.0×1016〜1.0×1017atomsであり、比較例11bの場合の不純物濃度は、1cm3 あたり1.0×1017〜1.0×1018atomsである。 Impurity concentration in the case of Comparative Example 11 is 1.0 × 10 15 ~1.0 × 10 16 atoms per 1 cm 3, the impurity concentration in the case of Comparative Example 11a is 1 cm 3 per 1.0 × 10 16 ~ a 1.0 × 10 17 atoms, the impurity concentration in Comparative example 11b is 1.0 × 10 17 ~1.0 × 10 18 atoms per 1 cm 3.
また、図5の表10aに示すように、加速電圧を40KeV(キロエレクトロンボルト)でイオン注入4した比較例11、比較例11a及び比較例11bは、従来法11cよりも暗電流値及び暗電流電子数値が減少する。 Further, as shown in Table 10a of FIG. 5, Comparative Example 11, Comparative Example 11a, and Comparative Example 11b, which are ion-implanted 4 at an acceleration voltage of 40 KeV (kiloelectron volts), have dark current values and dark currents higher than those of the conventional method 11c. The electronic value decreases.
尚、CMOSイメージセンサーは、イオン注入4後に、RTA(急速熱アニール)装置を使用して、約875℃の温度で約40秒間の熱アニールによる熱処理5を施したものである。
The CMOS image sensor is obtained by performing
CMOSイメージセンサーのノイズの元となる暗電流は、受光部であるフォトダイオード本体及び周辺部のP−N接合形成時に発生したシリコン結晶の欠陥9c又は汚染9d等の結晶質9の乱れに起因して発生する。
The dark current that is the source of noise in the CMOS image sensor is caused by the disturbance of the
イオン注入4を行わない従来法11cは、25℃において暗電流が1cm2 あたり0.45nA(ナノアンペア)、暗電流電子数が1秒間あたり304個であるのに対し、比較例11は、暗電流が1cm2 あたり0.20nA(ナノアンペア)、暗電流電子数が1秒間あたり133個と、約56%削減することができる。
The conventional method 11c that does not perform the
また、比較例11aは、暗電流が1cm2 あたり0.12nA(ナノアンペア)、暗電流電子数が1秒間あたり80個と、約73%削減することができ、比較例11bは、暗電流が1cm2 あたり0.18nA(ナノアンペア)、暗電流電子数が1秒間あたり120個と、約60%削減することができる。
なお、CMOSイメージセンサーを例にあげて、実施例を説明したが、CCDイメージセンサーにも容易に適用できる。
In addition, the comparative example 11a can reduce the dark current by 0.12 nA (nanoampere) per 1 cm 2 and the number of dark current electrons by 80 per second, about 73%, and the comparative example 11b can reduce the dark current by about 73%. It is possible to reduce about 60% by 0.18 nA (nanoampere) per cm 2 and 120 dark current electrons per second.
Although the embodiment has been described by taking a CMOS image sensor as an example, it can be easily applied to a CCD image sensor.
図6は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をMIS型太陽電池に使用した場合における性能改善効果を比較したグラフである。太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、半導体デバイス7のP−N接合領域に光を当てると起電力が生じることを利用する。
FIG. 6 is a graph comparing the performance improvement effect when the crystal quality improvement method for a semiconductor device according to the present invention is used for a MIS type solar cell. The solar cell is a device that converts light energy into electrical energy, and utilizes the fact that an electromotive force is generated when light is applied to the PN junction region of the
MIS型とは、金属、絶縁体及び半導体を接合した半導体デバイス7であり、使用するMIS型太陽電池は、ITO(インジウムとスズの酸化物)、SiO2 (二酸化ケイ素)、及び多結晶Poly−Si(ポリシリコン)を接合したものである。
The MIS type is a
MIS型太陽電池の光電流密度値及び太陽電池光起電力値は、多結晶ポリシリコンの多結晶に起因する欠陥9c又は汚染9d等の結晶質9の乱れにより、不十分なものとなることがある。
The photocurrent density value and the photovoltaic power value of the MIS solar cell may become insufficient due to the disorder of the
MIS型太陽電池に対するイオン注入4は、MIS型太陽電池を製造後、保護膜や集光機能を付加する以前の状態で行う。グラフ10bは、加速電圧を30KeV(キロエレクトロンボルト)として、ドーズ量(イオン注入量)を変位させて測定したものである。
The
比較例12は、2.0×1011atoms/cm2 でイオン注入4した場合、比較例12aは、2.0×1012atoms/cm2 でイオン注入4した場合、比較例12bは、2.0×1013atoms/cm2 でイオン注入4した場合であり、従来法12cは、イオン注入4しない場合である。
In Comparative Example 12, when
尚、比較例12、12a、12bについては、イオン注入4後に、RTA(急速熱アニール)装置を使用して、約700℃の温度で約40秒間の熱アニールによる熱処理5を施す。
In Comparative Examples 12, 12a, and 12b, after
太陽電池光起電力を300mV(ミリボルト)に固定して光電流密度を比較すると、従来法12cでは、1cm2 あたり約23mA(ミリアンペア)、比較例12では、1cm2 あたり約30mA(ミリアンペア)、比較例12aでは、1cm2 あたり約36mA(ミリアンペア)、比較例12bでは、1cm2 あたり約34mA(ミリアンペア)である。
Comparing the photocurrent density with the photovoltaic cell photovoltaic power fixed at 300 mV (millivolt), the
また、光電流密度を1cm2 あたり20mA(ミリアンペア)に固定して太陽電池光起電力を比較すると、従来法12cでは、約350mV(ミリボルト)、比較例12では、約440mV(ミリボルト)、比較例12aでは、約530mV(ミリボルト)、比較例12bでは、約500mV(ミリボルト)である。
Moreover, when the photoelectric current density is fixed at 20 mA (milliampere) per cm 2 and the photovoltaic cell photovoltaic power is compared, the
グラフ10bに示すように、MIS型太陽電池に対してイオン注入4して結晶質9を回復させることにより、MIS型太陽電池の太陽電池光起電力値及び光電流密度値を大幅に増加させることができる。
As shown in the
以上のように、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法1は、半導体デバイス製造2時において接合領域7d又は表面領域7cに発生するシリコン結晶質9の欠陥9c又は重金属等による汚染9dなどの結晶の乱れを回復することができる。
As described above, the crystal
例えば、CMOSイメージセンサーの半導体デバイス7に発生したシリコン結晶質9の欠陥9c及び汚染9dなどの結晶の乱れを回復させることにより、暗電流値及び暗電流電子数値を従来法に比べ大幅に削減することができる。
For example, by recovering crystal disturbances such as
また、MIS型太陽電池の半導体デバイス7に発生したシリコン結晶質9の欠陥9c及び汚染9dなどの結晶の乱れを回復させることにより、太陽電池光起電力値及び光電流密度値を従来法に比べ大幅に向上させることができる。
Further, by recovering the crystal disorder such as
1 半導体デバイスの結晶質改善方法
2 半導体デバイス製造
3 真空減圧
4 イオン注入
5 熱処理
6 結晶質改善
7 半導体デバイス
7a P型半導体
7b N型半導体
7c 表面領域
7d 接合領域
8 イオン注入機
8a ドーピング
8b ドーピング
8c シアンイオン
9 結晶質
9a 結晶質
9b シリコン
9c 欠陥
9d 汚染
10 グラフ
10a 表
10b グラフ
11 比較例
11a 比較例
11b 比較例
11c 従来法
12 比較例
12a 比較例
12b 比較例
12c 従来法
DESCRIPTION OF
Claims (5)
4. The crystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a MIS type solar cell, and the photovoltaic power value and the photocurrent density value of the solar cell can be increased. How to improve.
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