JP2010041000A - Method of manufacturing nitrogen doped silicon wafer and nitrogen doped silicon wafer obtained by the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコンウェーハの内部に高密度BMDを形成するために必要な濃度の窒素を導入させた窒素ドープシリコンウェーハを簡便に製造することが可能な、窒素ドープシリコンウェーハの製造方法及び該方法により得られる窒素ドープシリコンウェーハに関するものである。 The present invention provides a method for producing a nitrogen-doped silicon wafer capable of easily producing a nitrogen-doped silicon wafer into which nitrogen of a concentration necessary for forming a high-density BMD is introduced inside the silicon wafer, and the method This relates to a nitrogen-doped silicon wafer obtained by the following.
一般に、半導体デバイス素子の製造には、その基板としてチョクラルスキー法(以下、CZ法という。)によって育成されたシリコン単結晶インゴットから所定の板厚で切出されたシリコンウェーハが用いられている。近年の半導体デバイス素子においては、デバイスの集積度の増大が著しく、これに伴い、より一層の高品質なシリコンウェーハが要求されている。このためデバイス製造プロセスにおいて製造工程のクリーン化が進められたり、デバイスの電気的な活性領域であるシリコンウェーハの表面近傍の完全性を高める努力、即ちウェーハ表面近傍を無欠陥にする努力が図られている。このシリコンウェーハの表面近傍を無欠陥にするには、シリコンウェーハの表面近傍の酸素析出物(Bulk Micro Defect、以下、BMDという。)の密度を極力低減させることが重要となる。このBMDは熱処理によってシリコンウェーハ中に顕在化する。このBMDがウェーハ表面近傍に存在すると、デバイスの信頼性や歩留まりに悪影響を及ぼす。 In general, in the manufacture of a semiconductor device element, a silicon wafer cut out from a silicon single crystal ingot grown by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method) as a substrate is used. . In recent semiconductor device elements, the degree of integration of devices has increased remarkably, and accordingly, a higher quality silicon wafer has been required. For this reason, efforts are being made to clean the manufacturing process in the device manufacturing process, and efforts are made to improve the integrity of the surface of the silicon wafer, which is the electrically active region of the device, that is, to make the vicinity of the wafer surface defect-free. ing. In order to make the vicinity of the surface of the silicon wafer defect-free, it is important to reduce the density of oxygen precipitates (Bulk Micro Defect, hereinafter referred to as BMD) in the vicinity of the surface of the silicon wafer as much as possible. This BMD becomes apparent in the silicon wafer by the heat treatment. If this BMD exists in the vicinity of the wafer surface, it adversely affects the reliability and yield of the device.
また、デバイス製造工程には、FeやCu、Niなどの金属不純物が混入する工程が幾つかある。これらの金属不純物がウェーハ表面近傍に存在するとデバイス特性が劣化したり、製品の歩留まりを低下させたりする原因となるため、金属不純物が電気的な活性領域であるウェーハ表面に取り込まれないように防止する必要がある。 In the device manufacturing process, there are several processes in which metal impurities such as Fe, Cu, and Ni are mixed. If these metal impurities are present in the vicinity of the wafer surface, the device characteristics may be deteriorated and the product yield may be reduced. Therefore, metal impurities are prevented from being taken into the wafer surface, which is an electrically active region. There is a need to.
そのため、BMD密度を制御し、かつ、金属不純物汚染をデバイス形成領域から取除くための技術の一つとして、ゲッタリング技術が採用されている。ゲッタリング技術は、内部ゲッタリング(Intrinsic Gettering、以下、IGという。)法や、外部ゲッタリング(Extrinsic Gettering、以下、EGという。)法などに分類される。 Therefore, a gettering technique is employed as one technique for controlling the BMD density and removing metal impurity contamination from the device formation region. The gettering technique is classified into an internal gettering (Intrinsic Gettering, hereinafter referred to as IG) method, an external gettering (Extrinsic Gettering, hereinafter referred to as EG) method, and the like.
IG法は高温熱処理によりウェーハ表面近傍の酸素濃度を低下させてウェーハ表面近傍にBMDのない層(Denuded Zone、以下、DZ層という。)を作るとともに、このDZ層より深い位置に高密度のBMDを生成し、このBMD欠陥を金属不純物の捕獲源とする方法である。 In the IG method, the oxygen concentration in the vicinity of the wafer surface is reduced by high-temperature heat treatment to form a BMD-free layer (hereinafter referred to as a DZ layer) near the wafer surface, and a high-density BMD in a deeper position than the DZ layer. This BMD defect is used as a metal impurity capture source.
EG法には、人工的にSiO2の砥粒をジェットノズルから空気圧によりウェーハ裏面に噴射させ、ウェーハ裏面側に機械的損傷を付けてやり、この機械的損傷から発生した結晶欠陥を金属不純物の捕獲源とする方法(BSD法)や、シリコンウェーハの裏面側に0.5〜1.5μm程度のポリシリコン層を成長させ、このポリシリコン層を金属不純物の捕獲源とする方法(PBS法)などがある。 In the EG method, SiO 2 abrasive grains are artificially sprayed from the jet nozzle onto the back surface of the wafer by air pressure, and mechanical damage is applied to the back surface of the wafer. Crystal defects generated from the mechanical damage are caused by metal impurities. A method using a capture source (BSD method) or a method of growing a polysilicon layer of about 0.5 to 1.5 μm on the back side of a silicon wafer and using this polysilicon layer as a metal impurity capture source (PBS method) and so on.
一方、シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を堆積させたエピタキシャルシリコンウェーハは、その優れた特性から広く個別半導体やバイポーラIC等を製造するウェーハとして用いられ、その需要はますます拡大している。 On the other hand, an epitaxial silicon wafer in which an epitaxial layer is deposited on a silicon wafer is widely used as a wafer for manufacturing individual semiconductors, bipolar ICs and the like because of its excellent characteristics, and the demand for it is increasing.
しかし、一般にエピタキシャルシリコンウェーハでは、シリコンウェーハ上にエピタキシャル層を堆積させるために高温の熱処理を行うので、結晶育成時の熱環境においてある程度成長した酸素析出核は、このエピタキシャル成長工程における高温熱処理によって消滅してしまい、BMDが形成され難いという問題がある。 However, in general, an epitaxial silicon wafer is subjected to a high-temperature heat treatment to deposit an epitaxial layer on the silicon wafer. Therefore, oxygen precipitate nuclei that have grown to some extent in the thermal environment during crystal growth disappear due to the high-temperature heat treatment in this epitaxial growth process. Therefore, there is a problem that BMD is difficult to be formed.
そこで、このような問題を解決するために、エピタキシャル層を形成する基板として窒素をドープしたシリコンウェーハを用いることが提案されている。これは窒素をドープすることにより、エピタキシャル成長工程により消滅しない酸素析出核が形成されるため、高いゲッタリング能力を有したエピタキシャルシリコンウェーハを作製することができるものである。 In order to solve such problems, it has been proposed to use a silicon wafer doped with nitrogen as a substrate on which an epitaxial layer is formed. This is because, by doping nitrogen, oxygen precipitate nuclei that do not disappear in the epitaxial growth process are formed, and thus an epitaxial silicon wafer having high gettering ability can be produced.
また、エピタキシャルシリコンウェーハを作製する場合に限らず、シリコンウェーハ内部に高密度のBMDを形成するために、その内部に窒素を含有させることがある。このようなウェーハ内に窒素を含有させる方法としては、結晶成長の段階で窒素を原料として投入する等の手法が知られている。例えば、単結晶を引上げるためのシリコン原料に窒化膜付の原料を投入して窒素がドープされたシリコン融液とし、このシリコン融液からシリコン単結晶インゴットを引上げ、引上げたインゴットから切出すことで窒素ドープシリコンウェーハを得る方法が開示されている(例えば、特許文献1〜3参照。)。
しかしながら、窒素はその偏析係数が非常に小さく、引上げたシリコン単結晶インゴットのトップ部とボトム部ではドープした窒素の濃度が大きく異なるので、上記特許文献1〜3に示される方法で引上げたシリコン単結晶インゴットからは、上記高密度BMDを形成するために必要な濃度の窒素がドープされた窒素ドープシリコンウェーハを僅かしか得ることができないため、生産効率が劣るという課題があり、また、この方法では、窒素ドープシリコンウェーハ内部の径方向における窒素濃度分布を制御することができず、窒素濃度にばらつきを生じていた。 However, since the segregation coefficient of nitrogen is very small, and the concentration of doped nitrogen is greatly different between the top and bottom portions of the pulled silicon single crystal ingot, the silicon single crystal lifted by the method described in Patent Documents 1 to 3 above. From the crystal ingot, since only a small amount of nitrogen-doped silicon wafer doped with nitrogen of a concentration necessary for forming the high-density BMD can be obtained, there is a problem that the production efficiency is inferior. The nitrogen concentration distribution in the radial direction inside the nitrogen-doped silicon wafer could not be controlled, resulting in variations in the nitrogen concentration.
本発明の目的は、高密度BMDを形成するために必要な高濃度の窒素を導入させた窒素ドープシリコンウェーハを簡便に製造することが可能な、窒素ドープシリコンウェーハの製造方法及び該方法により得られる窒素ドープシリコンウェーハを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a nitrogen-doped silicon wafer capable of easily producing a nitrogen-doped silicon wafer into which a high concentration of nitrogen necessary for forming a high-density BMD is introduced, and to obtain the method. It is an object of the present invention to provide a nitrogen-doped silicon wafer.
本発明の別の目的は、ウェーハ内部の径方向における窒素濃度を均一にすることができる、窒素ドープシリコンウェーハの製造方法及び該方法により得られる窒素ドープシリコンウェーハを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a nitrogen-doped silicon wafer which can make the nitrogen concentration in the radial direction inside the wafer uniform, and a nitrogen-doped silicon wafer obtained by the method.
本発明者らは、シリコン半導体基板で発生するBMD欠陥について、デバイス製造工程、更にはシリコンウェーハ製造工程にまで遡って、実験並びに理論考察を鋭意検討した結果、新たな知見を得、本発明を完成させたものである。 As a result of earnestly examining experiments and theoretical considerations back to the device manufacturing process, and further to the silicon wafer manufacturing process, the present inventors obtained new knowledge about the BMD defect generated in the silicon semiconductor substrate, and obtained the present invention. It has been completed.
即ち、請求項1に係る発明は、窒素をドープしていないシリコンウェーハの表面又は裏面のいずれか一方又はその双方をHF水溶液に接触させることにより接触面の表層部分のシリコンを水素で終端させる工程と、水素終端処理後のウェーハを窒素含有雰囲気中、1100〜1300℃の温度で1〜100秒間保持して水素終端処理面の表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素を導入する工程とを含むことを特徴とする窒素ドープシリコンウェーハの製造方法である。 That is, the invention according to claim 1 is a step of terminating the silicon in the surface layer portion of the contact surface with hydrogen by bringing either or both of the front surface and the back surface of the silicon wafer not doped with nitrogen into contact with the HF aqueous solution. Then, the wafer after the hydrogen termination treatment is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1100 to 1300 ° C. for 1 to 100 seconds to a depth of 5 × 10 14 to 1 × 10 16 from the surface layer of the hydrogen termination treatment surface to 20 μm. and a step of introducing nitrogen at a concentration of atoms / cm 3 .
請求項2に係る発明は、請求項1記載の方法により得られる窒素ドープシリコンウェーハであって、窒素をドープしていないシリコンウェーハの表面又は裏面のいずれか一方又はその双方をHF水溶液に接触させることにより接触面の表層部分のシリコンを水素で終端させ、水素終端処理後のウェーハを窒素含有雰囲気中、1100〜1300℃の温度で1〜100秒間保持して水素終端処理面の表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素を導入したことを特徴とする窒素ドープシリコンウェーハである。 The invention according to claim 2 is a nitrogen-doped silicon wafer obtained by the method according to claim 1, wherein either or both of the front surface and the back surface of the silicon wafer not doped with nitrogen are brought into contact with the HF aqueous solution. The silicon of the surface layer portion of the contact surface is terminated with hydrogen, and the wafer after the hydrogen termination treatment is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1100 to 1300 ° C. for 1 to 100 seconds to 20 μm from the surface layer of the hydrogen termination surface. This is a nitrogen-doped silicon wafer in which nitrogen is introduced at a depth of 5 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 .
本発明の窒素ドープシリコンウェーハの製造方法及び該方法により得られる窒素ドープシリコンウェーハでは、従来の窒素ドープシリコンウェーハのように、結晶成長の段階で窒素導入をする必要はなく、任意のウェーハに対して後から高密度BMDを形成するために必要な高濃度の窒素を簡便に導入することができるため、生産効率が向上する。また、窒素導入をウェーハに対して行うため、ウェーハ内部の径方向における窒素濃度分布を均一にすることができる。また、窒素をドープしていないシリコンウェーハの表面又は裏面のいずれか一方又はその双方の表層部分のシリコンを水素終端処理後に反応性の高いアンモニア含有雰囲気中で処理することにより、高濃度の窒素をウェーハ中に効率よく導入することができる。 In the method for producing a nitrogen-doped silicon wafer of the present invention and the nitrogen-doped silicon wafer obtained by the method, it is not necessary to introduce nitrogen at the stage of crystal growth as in the conventional nitrogen-doped silicon wafer. Since the high concentration of nitrogen necessary for forming the high-density BMD can be easily introduced later, the production efficiency is improved. Further, since nitrogen is introduced into the wafer, the nitrogen concentration distribution in the radial direction inside the wafer can be made uniform. In addition, high-concentration nitrogen can be obtained by treating silicon in the surface layer portion of either or both of the front and back surfaces of a silicon wafer not doped with nitrogen in a highly reactive ammonia-containing atmosphere after hydrogen termination. It can be efficiently introduced into the wafer.
次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の窒素ドープシリコンウェーハの製造方法では、先ず、図1(a)や図2(a)に示すような、窒素をドープしていないシリコンウェーハ11を用意し、このシリコンウェーハの任意の面をHF水溶液に接触させることにより接触面の表層部分のシリコンを水素で終端させる。
In the method for producing a nitrogen-doped silicon wafer according to the present invention, first, a
用意した処理前のシリコンウェーハの表層に位置するシリコンは酸素が結合した状態、即ち、ウェーハ表層に自然酸化膜12が形成された状態であるが、HF水溶液を接触させることにより、接触面の表層部分のシリコンと結合していた酸素が水素に置換され、ウェーハ表層のシリコンが水素で終端される。この水素終端処理により、HF水溶液との接触面はその表面に自然酸化膜が形成され難い状態になる。なお、自然酸化膜が取除かれた状態のシリコンウェーハにHF水溶液を接触させることでも、その接触面は水素で終端される。
The silicon located on the surface layer of the prepared silicon wafer before processing is in a state where oxygen is bonded, that is, a state in which the
シリコンウェーハのHF水溶液との接触は、図1(b)に示すようなウェーハ11表面のみの接触や、ウェーハ裏面のみの接触でもよいし、図2(b)に示すような両面への接触でもよい。なお、図2(b)はシリコンウェーハ11の両面だけでなく、表面及び裏面に加えて端面にもHF水溶液を接触させた場合であり、シリコンウェーハ11を覆っていた自然酸化膜の全てが取り除かれた状態となっている。
The contact of the silicon wafer with the HF aqueous solution may be contact of only the front surface of the
この工程で使用するHF水溶液は、0.5〜5質量%濃度のものが次の理由から好適である。即ち、0.5質量%濃度未満のHF水溶液では自然酸化膜を除去するのに長時間を要して生産性が低下し、また5質量%濃度を越えるHF水溶液では処理槽に使用する部材との反応性が高くなるために処理槽の交換頻度が多くなる。 The HF aqueous solution used in this step is preferably 0.5 to 5% by mass in concentration for the following reason. That is, in an HF aqueous solution having a concentration of less than 0.5% by mass, it takes a long time to remove the natural oxide film, and the productivity is lowered. In an HF aqueous solution having a concentration of more than 5% by mass, the member used for the treatment tank is used. Therefore, the frequency of replacement of the treatment tank is increased.
なお、HF水溶液に代えて、ウェーハ洗浄に用いられるSC−1洗浄液(過酸化水素と水酸化アンモニウムとの混合液)をウェーハに接触させた場合では、接触後のウェーハ表面に自然酸化膜が形成されてしまう。すると、この自然酸化膜が存在しているウェーハに対して、後に続く工程のように、窒素含有雰囲気中で熱処理を施しても、この自然酸化膜がバリア膜となってしまい、ウェーハ内部には窒素が均一に導入されない。 In addition, when an SC-1 cleaning liquid (mixed liquid of hydrogen peroxide and ammonium hydroxide) used for wafer cleaning is brought into contact with the wafer instead of the HF aqueous solution, a natural oxide film is formed on the wafer surface after the contact. Will be. Then, even if the wafer in which this natural oxide film exists is subjected to a heat treatment in a nitrogen-containing atmosphere as in the subsequent process, this natural oxide film becomes a barrier film, Nitrogen is not introduced uniformly.
次に、水素終端処理後のウェーハを窒素含有雰囲気中、1100〜1300℃の温度で1〜100秒間保持する急速熱処理(Rapid Thermal Annealing;以下、RTA熱処理という。)を行う。窒素含有雰囲気中で上記特定条件でのRTA熱処理を施すことにより、図1(c)や図2(c)に示すように、水素終端処理面の表層から20μmまでの深さ13に、高密度BMDを形成するために必要な5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度の窒素を導入することができる。なお、ここでいう表層から20μmまでの深さに上記濃度範囲の窒素を導入するとは、20μmを越える深さに窒素が全く導入されないということを意味するものではない。ここでのRTA熱処理は、例えば図3に示すような熱処理装置21により行うことができる。この熱処理装置21は、石英チューブ22内に支持具等を用いてその内面から離間された状態にしてシリコンウェーハ11を設置するとともに石英チューブ22内に雰囲気ガスGを供給しながら外部から赤外線ランプ23等を用いたランプ加熱による赤外線照射を行って熱処理するものである。
Next, rapid thermal annealing (hereinafter referred to as RTA heat treatment) is performed in which the wafer after the hydrogen termination treatment is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1100 to 1300 ° C. for 1 to 100 seconds. By performing the RTA heat treatment under the above specific conditions in a nitrogen-containing atmosphere, as shown in FIG. 1 (c) and FIG. 2 (c), a high density is obtained at a
このRTA熱処理における窒素含有雰囲気は、窒素ガスや、アンモニアガス、ヒドラジンガスなど窒素よりも反応性の高いガス、又はこれらの窒素含有ガスと不活性ガスとの混合ガスを使用することができる。窒素含有雰囲気が混合ガスの場合、熱処理時にウェーハ全面にガスを供給する必要がある観点から、窒素含有ガスの分圧を5%以上とすることが好適である。 As the nitrogen-containing atmosphere in this RTA heat treatment, nitrogen gas, a gas having higher reactivity than nitrogen, such as ammonia gas or hydrazine gas, or a mixed gas of these nitrogen-containing gas and inert gas can be used. When the nitrogen-containing atmosphere is a mixed gas, it is preferable to set the partial pressure of the nitrogen-containing gas to 5% or more from the viewpoint that the gas needs to be supplied to the entire wafer surface during the heat treatment.
またRTA熱処理における熱処理温度を1100〜1300℃に規定したのは、熱処理温度が1100℃未満ではウェーハの表層から所定の深さに高密度BMDの形成が促進されるのに必要とされる濃度の窒素が径方向に均一に導入されず、熱処理温度が1300℃を越えると熱処理炉内でウェーハを支持する支持具とウェーハとの間で熱膨張係数の違いに起因してウェーハにスリップが発生してしまい、後工程におけるデバイス作製工程での歩留まり低下を招くためである。好ましい熱処理温度は1150〜1200℃である。 In addition, the heat treatment temperature in the RTA heat treatment is defined as 1100 to 1300 ° C. The reason is that when the heat treatment temperature is less than 1100 ° C., the concentration required to promote the formation of high density BMD from the surface layer of the wafer to a predetermined depth. If nitrogen is not uniformly introduced in the radial direction and the heat treatment temperature exceeds 1300 ° C., the wafer slips due to the difference in thermal expansion coefficient between the support and the wafer supporting the wafer in the heat treatment furnace. This is because the yield in the device manufacturing process in the subsequent process is reduced. A preferable heat treatment temperature is 1150 to 1200 ° C.
また、RTA熱処理における保持時間を1〜100秒間に規定したのは、保持時間が1秒間未満では所望の深さにまで高密度BMDの形成が促進されるのに必要とされる濃度の窒素を導入することができず、保持時間が100秒間を越えてもウェーハ内部に導入される窒素量は変わらず、時間を長くすると生産性が低下するという問題があるためである。好ましい保持時間は1〜10秒間である。 In addition, the retention time in the RTA heat treatment is defined to be 1 to 100 seconds because the concentration of nitrogen required to promote the formation of high density BMD to a desired depth when the retention time is less than 1 second. This is because the amount of nitrogen introduced into the wafer does not change even when the holding time exceeds 100 seconds, and there is a problem that productivity is lowered when the time is increased. A preferable holding time is 1 to 10 seconds.
このように本発明の製造方法では、従来の窒素ドープシリコンウェーハのように、結晶成長の段階で窒素導入をする必要はなく、任意のウェーハに対して後から高密度BMDを形成するために必要な濃度の窒素を簡便に導入することができるため、生産効率が向上する。また、窒素導入をウェーハ水素終端処理面に対して行うため、ウェーハ内部の径方向における窒素濃度分布を均一にすることができる。 Thus, in the manufacturing method of the present invention, unlike the conventional nitrogen-doped silicon wafer, it is not necessary to introduce nitrogen at the stage of crystal growth, and it is necessary to form a high-density BMD later on an arbitrary wafer. Since it is possible to simply introduce nitrogen at a simple concentration, production efficiency is improved. Further, since nitrogen is introduced into the wafer hydrogen termination surface, the nitrogen concentration distribution in the radial direction inside the wafer can be made uniform.
上記方法により得られた本発明の窒素ドープシリコンウェーハは、水素終端処理面の表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素が導入されたことを特徴とする。 In the nitrogen-doped silicon wafer of the present invention obtained by the above method, nitrogen was introduced at a concentration of 5 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 from the surface layer of the hydrogen-terminated surface to 20 μm. It is characterized by.
表面近傍に上記濃度で窒素が導入されたシリコンウェーハに対し、BMD顕在化熱処理を施すと、ウェーハ表面近傍にDZ層を形成し、このDZ層より深い位置に高密度BMDを形成することができる。 When a BMD revealing heat treatment is applied to a silicon wafer having nitrogen introduced at the above concentration in the vicinity of the surface, a DZ layer can be formed in the vicinity of the wafer surface, and a high-density BMD can be formed at a position deeper than the DZ layer. .
具体的には、窒素80%及び酸素20%の雰囲気中、800℃の温度で4時間保持した後、続いて1000℃の温度で16時間保持する2段熱処理を施すことで、ウェーハ表面近傍の酸素濃度を低下させてウェーハ表面近傍にDZ層が形成され、このDZ層より深い位置にBMDが形成される。この2段熱処理は、上記RTA熱処理よりも低い温度で行う酸素析出のための熱処理であって、酸素析出核の安定化を図り、析出物の成長を行うものである。 Specifically, after holding for 4 hours at a temperature of 800 ° C. in an atmosphere of 80% nitrogen and 20% oxygen, a two-step heat treatment is performed for 16 hours at a temperature of 1000 ° C. By reducing the oxygen concentration, a DZ layer is formed in the vicinity of the wafer surface, and a BMD is formed at a position deeper than the DZ layer. This two-stage heat treatment is a heat treatment for oxygen precipitation performed at a temperature lower than that of the RTA heat treatment, and stabilizes oxygen precipitation nuclei and grows precipitates.
通常この2段熱処理の際、表裏面から酸素及び窒素の外方拡散、表層の酸化により注入された格子間のシリコンと空孔との対消滅によりDZ層が形成され、またこれらのDZ層よりも深い位置に高い密度を有するBMDが形成される。 Usually, during this two-step heat treatment, a DZ layer is formed by the out-diffusion of oxygen and nitrogen from the front and back surfaces, and the annihilation of silicon and vacancies between lattices injected by oxidation of the surface layer. BMD having a high density is formed at a deep position.
ここで、本発明の窒素ドープシリコンウェーハには、表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素が導入されているので、2段熱処理中は、上記濃度範囲の窒素の存在によって空孔の移動度が下がり、空孔の外方拡散を妨げる役割を果たすため、結果として、BMD形成を促進し、より高い密度のBMDを形成することができる。 Here, since nitrogen is introduced into the nitrogen-doped silicon wafer of the present invention at a concentration of 5 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 3 at a depth from the surface layer to 20 μm, during the two-stage heat treatment, The presence of nitrogen in the above concentration range lowers the mobility of vacancies and prevents vacancies from diffusing outward. As a result, BMD formation can be promoted and higher density BMD can be formed. .
なお、この2段熱処理を終えたウェーハ表面近傍の窒素は表層から外方拡散してしまうが、空孔の外方拡散を妨げる役割はこの窒素が外方拡散する前の熱処理中に行われるものであるため、結果として、高密度BMDの形成が促進される。 Note that the nitrogen near the wafer surface after the two-step heat treatment diffuses outward from the surface layer, but the role of preventing the outward diffusion of vacancies is performed during the heat treatment before the nitrogen is diffused outward. As a result, formation of high-density BMD is promoted.
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施の形態では、シリコンウェーハ11にRTA熱処理を施す際に、赤外線ランプ23を使ってシリコンウェーハ11に赤外線を照射して加熱したが、他の手段(ヒーター加熱)により加熱しても構わない。また、上記BMD顕在化熱処理をデバイス作製工程前に特に行わず、その後のデバイス作製工程に伴って行われる熱処理で行っても構わない。
The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, when the RTA heat treatment is performed on the
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
<実施例1>
先ず、窒素がドープされていない直径300mmのシリコンウェーハを用意した。このウェーハは、CZ法により育成されたシリコン単結晶インゴットから切出され、ラッピングや面取り加工、化学エッチング処理等によって表面のダメージが除去されたものであり、その表面には自然酸化膜が形成されていた。
Next, examples of the present invention will be described in detail together with comparative examples.
<Example 1>
First, a silicon wafer having a diameter of 300 mm that was not doped with nitrogen was prepared. This wafer is cut from a silicon single crystal ingot grown by the CZ method and the surface damage is removed by lapping, chamfering, chemical etching, etc., and a natural oxide film is formed on the surface. It was.
次いで、このシリコンウェーハを0.5質量%HF水溶液が貯留する液槽に5分間浸漬してシリコンウェーハ全面に水素終端処理を施した。水素終端処理後のウェーハは、その全面に形成されていた自然酸化膜が取り除かれた状態となった。 Next, this silicon wafer was immersed in a liquid tank in which a 0.5 mass% HF aqueous solution was stored for 5 minutes to perform hydrogen termination on the entire surface of the silicon wafer. The wafer after the hydrogen termination treatment was in a state where the natural oxide film formed on the entire surface was removed.
次に、水素終端処理後のウェーハを図3に示す熱処理装置21の石英チューブ22内に支持具を用いて設置した後、石英チューブ22内にアンモニアガスを15%の濃度で供給しながら、赤外線ランプ23によって赤外線照射を行い、1100℃の温度で10秒間保持するRTA熱処理を行った。このRTA熱処理により、水素終端処理面の表層から所定の深さに窒素が導入された。上記工程を経たウェーハを窒素ドープシリコンウェーハサンプルとした。
<実施例2>
RTA熱処理の熱処理温度を1150℃に変更した以外は実施例1と同様にして窒素ドープシリコンウェーハサンプルを得た。
<比較例1>
シリコンウェーハとして、所定量の窒化珪素が添加されたシリコン融液から引上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスして得た、濃度が4×1014atoms/cm3程度に窒素ドープされたウェーハを用い、かつ水素終端処理及びRTA熱処理を施さず、そのままこのウェーハを窒素ドープシリコンウェーハサンプルとした。
<比較例2>
HF水溶液による水素終端処理の代わりにSC−1洗浄液が貯留する液槽にシリコンウェーハを5分間浸漬してシリコンウェーハ表裏面に洗浄を施し、RTA熱処理の熱処理温度を1150℃に変更した以外は実施例1と同様にして窒素ドープシリコンウェーハサンプルを得た。
<比較例3>
RTA熱処理の熱処理雰囲気をアンモニアガス雰囲気から窒素ガス雰囲気とし、熱処理温度を750℃に変更した以外は実施例1と同様にして窒素ドープシリコンウェーハサンプルを得た。
<比較試験1>
実施例1,2及び比較例1〜3の各サンプルについて、二次イオン質量分析(secondary ion mass spectroscopy;SIMS)により、表層から所定深さまでの窒素濃度を測定した。その結果を図4〜図8にそれぞれ示す。これらの図中、1E+14は1×1014を、1E+18は1×1018をそれぞれ意味する。
Next, the hydrogen-terminated wafer is placed in the
<Example 2>
A nitrogen-doped silicon wafer sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature of the RTA heat treatment was changed to 1150 ° C.
<Comparative Example 1>
As a silicon wafer, a wafer doped with nitrogen at a concentration of about 4 × 10 14 atoms / cm 3 obtained by slicing a silicon single crystal ingot pulled from a silicon melt to which a predetermined amount of silicon nitride is added is used. The wafer was used as a nitrogen-doped silicon wafer sample without being subjected to hydrogen termination treatment and RTA heat treatment.
<Comparative example 2>
Instead of hydrogen termination treatment with HF aqueous solution, the silicon wafer was immersed for 5 minutes in the liquid tank where the SC-1 cleaning solution was stored to clean the front and back surfaces of the silicon wafer, and the RTA heat treatment temperature was changed to 1150 ° C. A nitrogen-doped silicon wafer sample was obtained in the same manner as in Example 1.
<Comparative Example 3>
A nitrogen-doped silicon wafer sample was obtained in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment atmosphere of the RTA heat treatment was changed from an ammonia gas atmosphere to a nitrogen gas atmosphere and the heat treatment temperature was changed to 750 ° C.
<Comparison test 1>
For each sample of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, the nitrogen concentration from the surface layer to a predetermined depth was measured by secondary ion mass spectroscopy (SIMS). The results are shown in FIGS. In these drawings, 1E + 14 means 1 × 10 14 and 1E + 18 means 1 × 10 18 .
また、実施例1,2及び比較例1〜3の各サンプルにBMD顕在化熱処理を施した。このBMD顕在化熱処理は、窒素80%及び酸素20%の雰囲気中、800℃で4時間の第1段熱処理を施し、更に1000℃で16時間の第2段熱処理を施すものである。続いて、各サンプルについてBMD顕在化熱処理を施した後におけるウェーハ内部のBMD密度をSIMSにより測定した。その結果を次の表1に示す。なお、表1中の「N.D.」は検出限界(3×10-14atoms/cm3)以下を示す。 In addition, each sample of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 was subjected to BMD revealing heat treatment. This BMD revealing heat treatment is a first stage heat treatment at 800 ° C. for 4 hours in an atmosphere of 80% nitrogen and 20% oxygen, and further a second stage heat treatment at 1000 ° C. for 16 hours. Subsequently, the BMD density inside the wafer after the BMD revealing heat treatment was applied to each sample was measured by SIMS. The results are shown in Table 1 below. In Table 1, “ND” indicates the detection limit (3 × 10 −14 atoms / cm 3 ) or less.
熱処理前の前処理としてSC−1洗浄を行った比較例2のウェーハでは、RTA熱処理により窒素導入された濃度が低く、検出限界(3×1014atoms/cm3程度)以下となり、顕在化熱処理後のBMD密度も約1×105atoms/cm2程度と不十分な結果となった。これは、前処理後のウェーハに自然酸化膜が形成されたため、この自然酸化膜がバリア膜となって窒素導入が阻害されたものと考えられる。 In the wafer of Comparative Example 2 in which SC-1 cleaning was performed as a pre-treatment before the heat treatment, the concentration of nitrogen introduced by the RTA heat treatment was low and became below the detection limit (about 3 × 10 14 atoms / cm 3 ), and the apparent heat treatment The later BMD density was about 1 × 10 5 atoms / cm 2, which was insufficient. This is presumably because a natural oxide film was formed on the pre-processed wafer, and this natural oxide film became a barrier film and nitrogen introduction was inhibited.
熱処理の温度が、本発明のRTA熱処理温度よりも低い温度で熱処理した比較例3のウェーハでも、RTA熱処理により窒素導入された濃度が低く、検出限界(3×1014atoms/cm3程度)以下となり、析出熱処理後のBMD密度も約1×104atoms/cm2程度と不十分な結果となった。この結果からRTA熱処理の温度条件が窒素導入に影響していることが判る。 Even in the wafer of Comparative Example 3 where the heat treatment temperature is lower than the RTA heat treatment temperature of the present invention, the concentration of nitrogen introduced by the RTA heat treatment is low and below the detection limit (about 3 × 10 14 atoms / cm 3 ). Thus, the BMD density after the precipitation heat treatment was about 1 × 10 4 atoms / cm 2, which was insufficient. From this result, it can be seen that the temperature condition of the RTA heat treatment affects the introduction of nitrogen.
これに対し、上記RTA熱処理の温度が1100℃である実施例1のウェーハの場合には、そのBMD密度は約1×106atoms/cm2程度、また上記RTA熱処理の温度が1150℃である実施例2のウェーハの場合には、そのBMD密度は約2×106atoms/cm2程度と比較例1とは同程度、比較例2,3に比べると高いBMD密度を得ることができた。 On the other hand, in the case of the wafer of Example 1 where the temperature of the RTA heat treatment is 1100 ° C., the BMD density is about 1 × 10 6 atoms / cm 2 and the temperature of the RTA heat treatment is 1150 ° C. In the case of the wafer of Example 2, the BMD density is about 2 × 10 6 atoms / cm 2, which is about the same as that of Comparative Example 1, and higher BMD density than Comparative Examples 2 and 3 could be obtained. .
以上の結果から、本発明の製造方法により、高密度BMDの形成に必要とされる程度の高濃度の窒素を簡便に導入することができることが確認された。 From the above results, it was confirmed that the high concentration of nitrogen required for the formation of high density BMD can be easily introduced by the production method of the present invention.
11 シリコンウェーハ
12 自然酸化膜
13 窒素導入領域
21 熱処理装置
22 石英チューブ
23 赤外線ランプ
G 雰囲気ガス
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記水素終端処理後のウェーハを窒素含有雰囲気中、1100〜1300℃の温度で1〜100秒間保持して前記水素終端処理面の表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素を導入する工程と
を含むことを特徴とする窒素ドープシリコンウェーハの製造方法。 A step of terminating the silicon in the surface layer portion of the contact surface with hydrogen by bringing either or both of the front surface and the back surface of the silicon wafer not doped with nitrogen into contact with an HF aqueous solution;
The wafer after hydrogen termination is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1100 to 1300 ° C. for 1 to 100 seconds to a depth of 20 μm from the surface layer of the hydrogen termination surface to 5 × 10 14 to 1 × 10 16. and a step of introducing nitrogen at a concentration of atoms / cm 3 .
窒素をドープしていないシリコンウェーハの表面又は裏面のいずれか一方又はその双方をHF水溶液に接触させることにより前記接触面の表層部分のシリコンを水素で終端させ、
前記水素終端処理後のウェーハを窒素含有雰囲気中、1100〜1300℃の温度で1〜100秒間保持して前記水素終端処理面の表層から20μmまでの深さに5×1014〜1×1016atoms/cm3の濃度で窒素を導入したことを特徴とする窒素ドープシリコンウェーハ。 A nitrogen-doped silicon wafer obtained by the method according to claim 1,
The silicon of the surface layer portion of the contact surface is terminated with hydrogen by bringing either or both of the front surface and the back surface of the silicon wafer not doped with nitrogen into contact with an HF aqueous solution,
The wafer after hydrogen termination is held in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature of 1100 to 1300 ° C. for 1 to 100 seconds to a depth of 20 μm from the surface layer of the hydrogen termination surface to 5 × 10 14 to 1 × 10 16. A nitrogen-doped silicon wafer, wherein nitrogen is introduced at a concentration of atoms / cm 3 .
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