JP2019040929A - 再結合ライフタイムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
キャリアの再結合ライフタイムを制御するパワーデバイスの製造工程において、再結合ライフタイムのばらつきを小さくでき、高精度で制御できる再結合ライフタイムの制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
キャリアの再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備する準備工程と、粒子線照射工程と、熱処理工程と、を行うことで前記シリコン基板のキャリアの再結合ライフタイムを制御する制御方法であって、前記準備工程を行う前に予め、測定した再結合ライフタイムと窒素濃度との相関関係を取得し、この相関関係に基づいて、前記シリコン基板の前記熱処理工程後の再結合ライフタイムが目標値になるように、前記準備工程で窒素濃度を調整することを特徴とする再結合ライフタイムの制御方法を提供する。
【選択図】 図1
Description
また、特許文献4では、熱処理温度が400℃ 以上であれば、プロトンを照射したウェーハのライフタイムは10μs前後であり、ダイオード順電圧、逆回復損失等の制御の点から望ましいことが記載されている。
再結合ライフタイムのばらつき要因として、シリコン基板自体に含まれる何らか物質が要因として疑われており、特に炭素や酸素の不純物の影響が懸念されている。
しかしながら、再結合ライフタイムのばらつきに対しては、これらの炭素や酸素の不純物が主要因であるか否か、実際には明らかになっていない。
キャリアの再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備する準備工程と、
前記準備したシリコン基板に粒子線を照射する粒子線照射工程と、
前記粒子線照射工程後の前記シリコン基板を熱処理する熱処理工程と
を行うことで前記シリコン基板のキャリアの再結合ライフタイムを制御する再結合ライフタイムの制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、窒素濃度が異なる複数の試験用シリコン基板に前記粒子線を照射した後、熱処理を行い、前記複数の試験用シリコン基板におけるキャリアの再結合ライフタイムを測定する測定工程A1と、
前記測定した再結合ライフタイムと前記窒素濃度との相関関係を取得する相関関係取得工程A2とを有し、
前記取得した相関関係に基づいて、前記シリコン基板の前記熱処理工程後の前記シリコン基板の再結合ライフタイムが目標値になるように、前記準備工程で準備する前記シリコン基板の窒素濃度を調整することを特徴とする再結合ライフタイムの制御方法を提供する。
キャリアの再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備する準備工程と、
前記準備したシリコン基板に粒子線を照射する粒子線照射工程と、
前記粒子線照射工程後の前記シリコン基板を熱処理する熱処理工程と
を行うことで前記シリコン基板のキャリアの再結合ライフタイムを制御する再結合ライフタイムの制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、窒素濃度が異なる複数の試験用シリコン基板に粒子線照射した後、それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に熱処理時間を変えて熱処理を行い、それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎の前記熱処理時間の変化に対する、前記複数の試験用シリコン基板におけるキャリアの再結合ライフタイムの変化を測定する測定工程B1と、
前記それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に前記測定した再結合ライフタイムの変化と前記熱処理時間の変化との相関関係を取得する相関関係取得工程B2とを有し、
前記取得した相関関係に基づいて、前記シリコン基板の前記熱処理工程後の前記シリコン基板の再結合ライフタイムが目標値になるように、前記準備工程で準備したシリコン基板の窒素濃度に応じて前記シリコン基板の前記熱処理工程の熱処理時間を調整することを特徴とする再結合ライフタイムの制御方法を提供する。
上記のように、従来技術では、粒子線照射の条件と粒子線照射後の熱処理の条件を調整することによってキャリアの再結合ライフタイムを制御しており、この場合、シリコン基板に起因する何らかの要因で、再結合ライフタイムのばらつきが生じるという問題があった。
まず、複数の試験用シリコン基板を用意する。ここで用意する複数の試験用シリコン基板は、それぞれ窒素濃度が異なるものとする。また、窒素濃度以外の条件は、実際に再結合ライフタイムを制御する対象となるシリコン基板と同じ条件にすることができる。
酸化膜は、酸化性雰囲気の熱処理により形成することができる。酸化膜形成熱処理の条件は、例えば、温度を900〜1100℃、時間を10〜60分とすることができる。この酸化膜は、測定工程A1において、再結合ライフタイムを測定する際の表面再結合を抑制する役割を有する。表面再結合が問題にならない場合には、この酸化膜の形成処理を省略することもできる。
相関関係取得工程A2では、測定工程A1(図1のS11)において測定した再結合ライフタイムと、複数の試験用シリコン基板の窒素濃度とを対応させることで、再結合ライフタイムと窒素濃度との相関関係を取得する。
ここで行う粒子線照射の条件は、測定工程A1(図1のS11)と同様の条件とすることが好ましい。例えば、電子線を、1×1013〜1×1015/cm2の線量で、0.5〜2MeVの加速電圧で照射することができる。
ここで行う熱処理の条件は、測定工程A1(図1のS11)と同様の条件とすることが好ましい。例えば、温度を300〜400℃、時間を10〜60分、雰囲気を窒素、酸素、あるいは水素などとすることができる。
本発明では、FZシリコン基板において、熱処理工程後の再結合ライフタイムと窒素濃度の相関関係に基づいて、再結合ライフタイムを制御するシリコン基板(制御対象シリコン基板)の窒素濃度を調整することにより再結合ライフタイムを制御でき、シリコン基板自体に起因する再結合ライフタイムのばらつきを小さくすることができる。
酸化膜は、酸化性雰囲気の熱処理により形成することができる。酸化膜形成熱処理の条件は、例えば、温度を900〜1100℃、時間を10〜60分とすることができる。この酸化膜は、測定工程において、再結合ライフタイムを測定する際の表面再結合を抑制する役割を有する。表面再結合が問題にならない場合には、この酸化膜の形成処理を省略することもできる。
そして、ここでは、それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に熱処理時間の変化に対する再結合ライフタイムの変化を測定するため、熱処理時間tを、例えば、0<t≦180分の範囲で変化させて複数の試験用シリコン基板を熱処理する。
相関関係取得工程B2では、測定工程B1(図2のS21)においてそれぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に測定した再結合ライフタイムの変化と、熱処理時間の変化との相関関係を取得する。
ここで行う粒子線照射の条件は、測定工程B1(図2のS21)と同様の条件とすることが好ましい。例えば、電子線を、1×1013〜1×1015/cm2の線量で、0.5〜2MeVの加速電圧で照射することができる。
ここで行う熱処理の温度と雰囲気は、測定工程B1(図2のS21)と同様の条件とすることが好ましい。例えば、温度を300〜400℃、雰囲気を窒素、酸素、あるいは水素などとすることができる。熱処理の時間は、熱処理時間決定工程(図2のS24)で決定した時間とする。
本発明では、FZシリコン基板において、熱処理時間に対する再結合ライフタイムの変化と窒素濃度の相関関係に基づいて、シリコン基板の窒素濃度に応じて熱処理工程の熱処理時間を調整することにより再結合ライフタイムを精緻に制御でき、シリコン基板自体に起因する再結合ライフタイムのばらつきを小さくすることができる。
異なる窒素濃度を有する複数のシリコン基板を用意した。複数のシリコン基板のドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、窒素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りである。
ドーパント種/濃度:リン/6.2×1013〜6.9×1013atoms/cm3、
酸素濃度:<0.1ppma(シリコン原料が多結晶シリコン)、0.2〜0.3ppma(シリコン原料がCZ法で育成した単結晶シリコン)(JEIDA)、
炭素濃度:<0.01ppma(JEIDA)、
窒素濃度:3.6×1014〜3.1×1015atoms/cm3、
直径:200mm、
結晶面方位:(100)。
図1に示すような、本発明の再結合ライフタイムの制御方法でシリコン基板の再結合ライフタイムの制御を行った。このとき、再結合ライフタイムを3μsec程度に制御することを目標とした。
このときの電子線の照射線量は1×1015/cm2とし、電子線の加速電圧は750kVとした。またこのとき、熱処理の温度は360℃、時間は30分、雰囲気は窒素とした。
次に、上記相関関係に基づいて、熱処理工程後のシリコン基板の再結合ライフタイムが目標値(3μsec程度)になるように、準備工程Aで準備するシリコン基板の窒素濃度を調整した。このとき、準備したシリコン基板は、多結晶シリコンをシリコン原料としたFZ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は0.1ppma以下で、窒素濃度を8.0×1014atoms/cm3に調整したものであった。
その後、粒子線照射工程において、シリコン基板に電子線を照射した。電子線の照射線量は1×1015/cm2とし、電子線の加速電圧は750kVとした。
次に、熱処理工程において、電子線照射したシリコン基板に回復熱処理を施した。回復熱処理の温度は360℃とし、雰囲気は窒素、時間は30分とした。
このように、実施例1では、シリコン基板の窒素濃度を調整することにより、再結合ライフタイムの目標値を得ることができることが確認できた。
試験用シリコン基板を使用して、再結合ライフタイムと窒素濃度との相関関係を取得せず、準備するシリコン基板の窒素濃度を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例1と同様の条件でシリコン基板の再結合ライフタイムを制御した。
このとき、窒素濃度が1.5×1015atoms/cm3、多結晶シリコンをシリコン原料とした酸素濃度が0.1ppma未満のFZシリコン基板を、実施例1と同様の条件で酸化膜を形成し、電子線照射後に回復熱処理を施した。
このように、比較例1では、酸化膜形成熱処理条件、電子線照射条件、回復熱処理条件を実施例1と同様の条件にしたにも関わらず、シリコン基板の再結合ライフタイムは目標値の3μsecから大きく離れた値になってしまうことが確認された。
図2に示すような、本発明の再結合ライフタイムの制御方法でシリコン基板の再結合ライフタイムの制御を行った。このとき、再結合ライフタイムを7μsec程度に制御することを目標とした。
このときの電子線の照射線量は1×1015/cm2とし、電子線の加速電圧は750kVとした。またこのとき、熱処理の温度は360℃、雰囲気は窒素とし、熱処理時間を0〜180分の範囲で変化させた。
次に、準備工程Bにおいて、再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備した。そのシリコン基板は、CZ法で育成した単結晶をシリコン材料としてFZ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は0.3ppmaで、窒素濃度は1.5×1015atoms/cm3であった。
その後、粒子照射工程において、シリコン基板に電子線を照射した。電子線の照射線量は1×1015/cm2とし、電子線の加速電圧は750kVとした。
次に、熱処理工程において、電子線照射したシリコン基板に回復熱処理を施した。回復熱処理の温度は360℃とし、雰囲気は窒素、時間は110分とした。
このように、実施例2では、熱処理工程における熱処理時間を調整することにより、再結合ライフタイムの目標値が得られることが確認できた。
試験用シリコン基板を使用して、回復熱処理時間に対する再結合ライフタイムの変化と窒素濃度との相関関係を取得せず、回復熱処理時間を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例2と同様の条件でシリコン基板の再結合ライフタイムを制御した。
このとき、窒素濃度が1.5×1015atoms/cm3、酸素濃度が0.3ppmaのFZシリコン基板を、実施例2と同様の条件で酸化膜を形成し、電子線照射後に回復熱処理を施した。回復熱処理時間は30分とした。
このように、比較例2では、シリコン基板の窒素濃度、酸化膜形成熱処理条件、電子線照射条件を実施例2と同様の条件にしたにも関わらず、シリコン基板の再結合ライフタイムは目標値の7μsecから大きく離れた値になってしまうことが確認された。
再結合ライフタイムのばらつき要因として、シリコン基板自体に含まれる何らかの物質が要因として疑われており、特に炭素や酸素の不純物の影響が懸念されている。
まず、複数の試験用シリコン基板を用意する。ここで用意する複数の試験用シリコン基板は、それぞれ窒素濃度が異なるものとする。また、窒素濃度以外の条件は、実際に再結合ライフタイムを制御する対象となるシリコン基板と同じ条件にすることができる。
Claims (4)
- キャリアの再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備する準備工程と、
前記準備したシリコン基板に粒子線を照射する粒子線照射工程と、
前記粒子線照射工程後の前記シリコン基板を熱処理する熱処理工程と
を行うことで前記シリコン基板のキャリアの再結合ライフタイムを制御する再結合ライフタイムの制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、窒素濃度が異なる複数の試験用シリコン基板に前記粒子線を照射した後、熱処理を行い、前記複数の試験用シリコン基板におけるキャリアの再結合ライフタイムを測定する測定工程A1と、
前記測定した再結合ライフタイムと前記窒素濃度との相関関係を取得する相関関係取得工程A2とを有し、
前記取得した相関関係に基づいて、前記シリコン基板の前記熱処理工程後の前記シリコン基板の再結合ライフタイムが目標値になるように、前記準備工程で準備する前記シリコン基板の窒素濃度を調整することを特徴とする再結合ライフタイムの制御方法。 - キャリアの再結合ライフタイムを制御するシリコン基板を準備する準備工程と、
前記準備したシリコン基板に粒子線を照射する粒子線照射工程と、
前記粒子線照射工程後の前記シリコン基板を熱処理する熱処理工程と
を行うことで前記シリコン基板のキャリアの再結合ライフタイムを制御する再結合ライフタイムの制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、窒素濃度が異なる複数の試験用シリコン基板に粒子線照射した後、それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に熱処理時間を変えて熱処理を行い、それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎の前記熱処理時間の変化に対する、前記複数の試験用シリコン基板におけるキャリアの再結合ライフタイムの変化を測定する測定工程B1と、
前記それぞれの窒素濃度の試験用シリコン基板毎に前記測定した再結合ライフタイムの変化と前記熱処理時間の変化との相関関係を取得する相関関係取得工程B2とを有し、
前記取得した相関関係に基づいて、前記シリコン基板の前記熱処理工程後の前記シリコン基板の再結合ライフタイムが目標値になるように、前記準備工程で準備したシリコン基板の窒素濃度に応じて前記シリコン基板の前記熱処理工程の熱処理時間を調整することを特徴とする再結合ライフタイムの制御方法。 - 前記シリコン基板を、フローティングゾーン法により育成された窒素添加のシリコン単結晶から製造されたものとすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の再結合ライフタイムの制御方法。
- 前記準備工程において、窒素濃度のばらつきが目標の窒素濃度値に対して10%以内に調整されたシリコン基板を用いることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の再結合ライフタイムの制御方法。
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