JP2019153647A - Manufacturing method of semiconductor epitaxial wafer - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a semiconductor epitaxial wafer capable of having higher gettering ability even under the same cluster ion implantation condition.SOLUTION: A manufacturing method of a semiconductor epitaxial wafer according to the present invention includes a first step of implanting multi-element cluster ions including three elements of carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements on the surface of the semiconductor wafer and forming a modified layer in which the constituent elements of the multi-element cluster ions are dissolved in a surface layer portion of the semiconductor wafer, a second step of performing a defect formation heat treatment for increasing the defect density of black spot-like defects formed in the modified layer after the first step, and a third step of forming an epitaxial layer on the modified layer of the semiconductor wafer after the second step.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、半導体エピタキシャルウェーハの製造方法および半導体エピタキシャルウェーハに関する。本発明は、特に、より高いゲッタリング能力を発揮する半導体エピタキシャルウェーハの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor epitaxial wafer and a semiconductor epitaxial wafer. The present invention particularly relates to a method of manufacturing a semiconductor epitaxial wafer that exhibits higher gettering ability.

半導体デバイスの特性を劣化させる要因として、金属汚染が挙げられる。例えば、裏面照射型固体撮像素子では、この素子の基板となる半導体エピタキシャルウェーハに混入した金属は、固体撮像素子の暗電流を増加させる要因となり、白傷欠陥と呼ばれる欠陥を生じさせる。裏面照射型固体撮像素子は、配線層などをセンサー部よりも下層に配置することで、外からの光をセンサーに直接取り込み、暗所などでもより鮮明な画像や動画を撮影することができるため、近年、デジタルビデオカメラやスマートフォンなどの携帯電話に広く用いられている。そのため、白傷欠陥を極力減らすことが望まれている。   Metal contamination is a factor that degrades the characteristics of semiconductor devices. For example, in a back-illuminated solid-state imaging device, metal mixed in a semiconductor epitaxial wafer serving as the substrate of this device causes a dark current of the solid-state imaging device to increase and causes a defect called a white defect. The back-illuminated solid-state image sensor has a wiring layer, etc., placed below the sensor part, so that external light can be taken directly into the sensor and clearer images and videos can be taken even in dark places. In recent years, it has been widely used in mobile phones such as digital video cameras and smartphones. Therefore, it is desired to reduce white defect as much as possible.

半導体素子基板への金属の混入は、主に半導体エピタキシャルウェーハの製造工程および固体撮像素子の製造工程(デバイス製造工程)において生じる。前者の半導体エピタキシャルウェーハの製造工程における金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材からの重金属パーティクルによるもの、あるいは、エピタキシャル成長時の炉内ガスとして塩素系ガスを用いるために、その配管材料が金属腐食して発生する重金属パーティクルによるものなどが考えられる。近年、これら金属汚染は、エピタキシャル成長炉の構成材を耐腐食性に優れた材料に交換するなどにより、ある程度は改善されてきているが、十分ではない。一方、後者の固体撮像素子の製造工程においては、イオン注入、拡散および酸化熱処理などの各処理中で、半導体エピタキシャルウェーハの重金属汚染が懸念される。   Metal contamination in the semiconductor element substrate mainly occurs in the manufacturing process of the semiconductor epitaxial wafer and the manufacturing process (device manufacturing process) of the solid-state imaging device. Metal contamination in the former semiconductor epitaxial wafer manufacturing process is caused by heavy metal particles from the components of the epitaxial growth furnace, or because the chlorine gas is used as the furnace gas during epitaxial growth, the piping material is corroded by metal. The thing by the heavy metal particle to generate | occur | produce is considered. In recent years, these metal contaminations have been improved to some extent by replacing the constituent materials of the epitaxial growth furnace with materials having excellent corrosion resistance, but are not sufficient. On the other hand, in the latter manufacturing process of the solid-state imaging device, there is a concern about heavy metal contamination of the semiconductor epitaxial wafer during each process such as ion implantation, diffusion and oxidation heat treatment.

そのため、一般的には、半導体エピタキシャルウェーハに金属を捕獲するためのゲッタリング層を形成することにより、半導体エピタキシャルウェーハへの金属汚染を回避している。   For this reason, generally, metal contamination of the semiconductor epitaxial wafer is avoided by forming a gettering layer for capturing metal on the semiconductor epitaxial wafer.

ここで、ゲッタリング層を形成する技術として、エピタキシャル層の形成に先立ち、クラスターイオンを照射する技術がある。特許文献1では、半導体エピタキシャルウェーハの製造方法において、構成元素として炭素、水素および酸素を含むクラスターイオン注入技術が開示されている。そして、特許文献1には、炭素、水素および酸素の3元素を含むクラスターイオン注入により、格子間シリコン起因と推定される比較的大きなサイズの黒点状欠陥(特許文献1における第2の黒点状欠陥)が形成されることも開示されている。この黒点状欠陥が強力なゲッタリングサイトとして機能することが特許文献1の実験結果より示唆される。   Here, as a technique for forming the gettering layer, there is a technique of irradiating cluster ions prior to the formation of the epitaxial layer. Patent Document 1 discloses a cluster ion implantation technique including carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements in a method for manufacturing a semiconductor epitaxial wafer. Patent Document 1 discloses a relatively large size black spot-like defect (second black spot-like defect in Patent Document 1) estimated to be caused by interstitial silicon by cluster ion implantation including three elements of carbon, hydrogen, and oxygen. ) Is also disclosed. It is suggested from the experimental results of Patent Document 1 that this black spot defect functions as a powerful gettering site.

特開2017−157613号公報JP 2017-157613 A

特許文献1に開示されたクラスターイオン注入技術を用いることで、極めて優れたゲッタリング能力を有する半導体エピタキシャルウェーハを得ることができる。しかしながら、クラスターイオン注入によるゲッタリングサイトの形成メカニズムおよびその特性はある程度明らかになりつつあるものの、未だ研究途上である。特に、クラスターイオンの構成元素として、炭素および水素に加えて、さらにもう1種類以上の元素が含まれる多元素クラスターイオンについては、未解明な点が多い。以下、本明細書においては、クラスターイオンの構成元素に3種類以上の元素が含まれる場合に「多元素クラスターイオン」と称する。   By using the cluster ion implantation technique disclosed in Patent Document 1, a semiconductor epitaxial wafer having an extremely excellent gettering capability can be obtained. However, the formation mechanism and characteristics of gettering sites by cluster ion implantation have been clarified to some extent, but are still under study. In particular, there are many unclear points regarding multi-element cluster ions that contain one or more other elements in addition to carbon and hydrogen as constituent elements of cluster ions. Hereinafter, in this specification, when three or more kinds of elements are included in the constituent elements of the cluster ions, they are referred to as “multi-element cluster ions”.

ここで、特許文献1における改質層によるゲッタリング能力をより高くするには、例えばクラスターイオンのドーズ量を多くすることが有効である。しかしながら、ドーズ量を多くしすぎると、改質層上に形成されるエピタキシャル層にエピタキシャル欠陥が多数発生してしまう場合がある。このように、ドーズ量増加によるゲッタリング能力の改善には限界がある。   Here, in order to further increase the gettering capability of the modified layer in Patent Document 1, it is effective to increase the dose of cluster ions, for example. However, if the dose amount is increased too much, many epitaxial defects may occur in the epitaxial layer formed on the modified layer. Thus, there is a limit to the improvement of the gettering ability by increasing the dose.

そのため、クラスターイオン注入条件以外の観点で、ゲッタリング能力をより高めるための新たな手法の確立が期待される。   Therefore, establishment of a new method for further enhancing the gettering ability is expected from a viewpoint other than the cluster ion implantation conditions.

そこで本発明は、クラスターイオン注入条件が同じであっても、より高いゲッタリング能力を有することのできる半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor epitaxial wafer that can have higher gettering ability even under the same cluster ion implantation conditions.

上記課題を解決するため、本発明者は鋭意検討した。そして、本発明者は、クラスターイオン注入条件に替えて、エピタキシャル成長条件を調整することにより、ゲッタリング能力を高くすることができないかと検討した。ここで、エピタキシャル成長処理に伴う熱処理シーケンスの一般的な概念図を図1を用いて説明する。この熱処理シーケンスは、(i)半導体ウェーハをエピタキシャル成長炉内に投入してから、エピタキシャル成長温度に到達するまでの昇温過程、(ii)半導体ウェーハ表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長過程、(iii)エピタキシャル層形成後、得られた半導体エピタキシャルウェーハをエピタキシャル成長炉から取り出すまでの降温過程、の3つに大きく区分される。   In order to solve the above problems, the present inventor has intensively studied. Then, the present inventor examined whether the gettering ability can be increased by adjusting the epitaxial growth conditions instead of the cluster ion implantation conditions. Here, a general conceptual diagram of a heat treatment sequence accompanying the epitaxial growth process will be described with reference to FIG. This heat treatment sequence includes (i) a temperature rising process from when the semiconductor wafer is put into the epitaxial growth furnace until reaching the epitaxial growth temperature, (ii) an epitaxial growth process for growing an epitaxial layer on the surface of the semiconductor wafer, (iii) epitaxial After the layer formation, the resulting semiconductor epitaxial wafer can be broadly divided into three processes: a temperature lowering process until the semiconductor epitaxial wafer is taken out from the epitaxial growth furnace.

本発明者が鋭意検討したところ、ゲッタリングサイトとなる黒点状欠陥の生成数が上記(i)昇温過程に大きく依存することを知見した。そして、黒点状欠陥の欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を兼ねた昇温過程を行うことにより、クラスターイオン注入条件が同じであっても、ゲッタリング能力をより高くできることを本発明者は知見した。本発明は、上記知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。   As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that the number of black spot defects that become gettering sites greatly depends on the above (i) temperature rising process. And, the present inventor can obtain higher gettering ability even if the cluster ion implantation conditions are the same by performing a temperature raising process that also serves as a defect formation heat treatment for increasing the defect density of the black spot-like defects. I found out. The present invention has been completed based on the above findings, and the gist of the present invention is as follows.

(1)半導体ウェーハの表面に、構成元素として炭素、水素及び酸素の3元素を含む多元素クラスターイオンを注入して、該半導体ウェーハの表層部に、前記多元素クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第1工程と、
該第1工程の後、前記改質層内に形成される黒点状欠陥の欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行う第2工程と、
該第2工程に引き続き、前記半導体ウェーハの改質層上に、エピタキシャル層を形成する第3工程と、を有することを特徴とする半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
(1) A multi-element cluster ion containing three elements of carbon, hydrogen and oxygen as constituent elements is implanted on the surface of the semiconductor wafer, and the constituent elements of the multi-element cluster ion are dissolved in the surface layer of the semiconductor wafer. A first step of forming the modified layer,
After the first step, a second step of performing a defect formation heat treatment for increasing the defect density of black spot-like defects formed in the modified layer;
Subsequent to the second step, a third step of forming an epitaxial layer on the modified layer of the semiconductor wafer includes a method for producing a semiconductor epitaxial wafer.

(2)前記第2工程における前記欠陥形成熱処理の熱処理条件は、前記半導体ウェーハを800℃未満の第1温度領域に保持する第1保持時間が0秒以上45秒以下であり、かつ、第1温度領域から昇温後の、前記半導体ウェーハを800℃以上1000℃未満の第2温度領域に保持する第2保持時間が30秒以上である、上記(1)に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。 (2) The heat treatment condition of the defect forming heat treatment in the second step is that a first holding time for holding the semiconductor wafer in a first temperature region below 800 ° C. is 0 second or more and 45 seconds or less, and The method for producing a semiconductor epitaxial wafer according to (1), wherein the second holding time for holding the semiconductor wafer in the second temperature region of 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. after the temperature is raised from the temperature region is 30 seconds or longer. .

(3)前記多元素クラスターイオンの構成元素は、炭素、水素及び酸素の3元素からなる、上記(1)または(2)に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。 (3) The method for producing a semiconductor epitaxial wafer according to (1) or (2) above, wherein the constituent elements of the multi-element cluster ions are composed of three elements of carbon, hydrogen, and oxygen.

(4)前記半導体ウェーハがシリコンウェーハである、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。 (4) The method for producing a semiconductor epitaxial wafer according to any one of (1) to (3), wherein the semiconductor wafer is a silicon wafer.

本発明によれば、クラスターイオン注入条件が同じであっても、より高いゲッタリング能力を有することのできる半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if cluster ion implantation conditions are the same, the manufacturing method of the semiconductor epitaxial wafer which can have higher gettering capability can be provided.

エピタキシャル成長に伴う一般的な熱処理シーケンスを示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the general heat processing sequence accompanying epitaxial growth. 参考実験例1におけるエピタキシャルシリコンウェーハの基板界面近傍のTEM断面図を示す図である。It is a figure which shows TEM sectional drawing of the board | substrate interface vicinity of the epitaxial silicon wafer in the reference experiment example 1. FIG. 参考実験例2におけるエピタキシャルシリコンウェーハの基板界面近傍のTEM断面図を示す図である。It is a figure which shows TEM sectional drawing of the board | substrate interface vicinity of the epitaxial silicon wafer in the reference experiment example 2. FIG. 本発明の一実施形態によるエピタキシャル成長に伴う熱処理シーケンスの一態様を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining one mode of a heat treatment sequence accompanying epitaxial growth according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による半導体エピタキシャルウェーハ100の製造方法を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the manufacturing method of semiconductor epitaxial wafer 100 by one embodiment of the present invention.

実施形態の詳細な説明に先立ち、まず、本発明を完成させるに至った実験(参考実験例1,2)を説明する。   Prior to the detailed description of the embodiments, first, experiments (reference experiment examples 1 and 2) that led to the completion of the present invention will be described.

[参考実験例1]
CZ単結晶シリコンインゴットから得たシリコンウェーハ(直径:300mm、厚さ:725μm、ドーパント種類:リン、抵抗率:10Ω・cm)を用意した。次いで、クラスターイオン発生装置(日新イオン機器社製、型番:CLARIS(登録商標))を用いて、ジエチルエーテル(C10O)をクラスターイオン化したCHOからなる多元素クラスターイオンを、加速電圧80keV/Clusterの注入条件でシリコンウェーハの表面に注入した。また、当該クラスターイオンのドーズ量を1.0×1015cluster/cmとした。
[Reference Experimental Example 1]
A silicon wafer (diameter: 300 mm, thickness: 725 μm, dopant type: phosphorus, resistivity: 10 Ω · cm) obtained from a CZ single crystal silicon ingot was prepared. Next, using a cluster ion generator (manufactured by Nissin Ion Instruments Co., Ltd., model number: CLARIS (registered trademark)), multi-element cluster ions composed of CH 3 O obtained by cluster ionizing diethyl ether (C 4 H 10 O), Implantation was performed on the surface of the silicon wafer under the condition of an acceleration voltage of 80 keV / Cluster. Moreover, the dose amount of the cluster ions was set to 1.0 × 10 15 cluster / cm 2 .

次に、上記シリコンウェーハを高速熱処理装置(ハイソル社製、型番AccuThermo Aw610)内に搬送した。そして、1100℃、300秒のエピタキシャル成長を模擬した熱処理(以下、模擬成長熱処理)を行うため、窒素ガス雰囲気下で、以下の条件で熱処理を行った。
炉内投入温度:500℃
模擬成長温度までの昇温レート:60℃/s
Next, the silicon wafer was transferred into a rapid heat treatment apparatus (manufactured by Hisol, model number AccuThermo Aw610). Then, in order to perform heat treatment simulating epitaxial growth at 1100 ° C. for 300 seconds (hereinafter, simulated growth heat treatment), the heat treatment was performed under the following conditions in a nitrogen gas atmosphere.
Furnace temperature: 500 ° C
Rate of temperature rise to simulated growth temperature: 60 ° C / s

(サンプル2〜4)
サンプル1における昇温レート60℃/sを、15℃/s、8℃/s、4℃/sに変えた以外は、サンプル1と同様にして、サンプル2〜4をそれぞれ作製した。
(Samples 2-4)
Samples 2 to 4 were prepared in the same manner as Sample 1 except that the temperature increase rate of Sample 1 was changed to 15 ° C / s, 8 ° C / s, and 4 ° C / s.

サンプル1〜4のそれぞれに対して、模擬成長熱処理を行った前後でのTEM断面を取得した。結果を図2に示す。   TEM cross sections before and after performing simulated growth heat treatment for each of samples 1 to 4 were obtained. The results are shown in FIG.

[参考実験例2]
(サンプル5)
サンプル1と同様の条件で、CHOからなる多元素クラスターイオンをシリコンウェーハの表面に注入した。次いで、800℃、300秒の模擬成長熱処理を行うため、参考実験例1と同様に、クラスターイオン注入後のシリコンウェーハを高速熱処理装置(ハイソル社製)内に搬送し、以下の条件で熱処理を行った。
炉内投入温度:500℃
模擬成長温度までの昇温レート:8℃/s
[Reference Experiment Example 2]
(Sample 5)
Under the same conditions as Sample 1, multi-element cluster ions made of CH 3 O were implanted into the surface of the silicon wafer. Next, in order to perform a simulated growth heat treatment at 800 ° C. for 300 seconds, as in Reference Experimental Example 1, the silicon wafer after the cluster ion implantation is transferred into a high-speed heat treatment apparatus (manufactured by Hisol Corporation), and the heat treatment is performed under the following conditions. went.
Furnace temperature: 500 ° C
Rate of temperature rise to simulated growth temperature: 8 ° C / s

(サンプル6〜8)
サンプル5における模擬成長熱処理の熱処理温度800℃を、900℃、1000℃、1100℃に変えた以外は、サンプル5と同様にして、サンプル6〜8をそれぞれ作製した。
(Samples 6-8)
Samples 6 to 8 were prepared in the same manner as Sample 5, except that the heat treatment temperature 800 ° C. of the simulated growth heat treatment in Sample 5 was changed to 900 ° C., 1000 ° C., and 1100 ° C.

サンプル5〜8のそれぞれに対して、エピタキシャル成長を模擬した熱処理を行った後後でのTEM断面を取得した。結果を図3に示す。   Each of Samples 5 to 8 was subjected to a heat treatment simulating epitaxial growth, and later obtained TEM cross sections. The results are shown in FIG.

<参考実験例1,2の考察>
まず、参考実験例1による図2に基づけば、1100℃、300秒の模擬成長熱処理前では、形成される黒点状欠陥の欠陥密度が昇温レートに大きく依存しないことが確認される。一方で、模擬成長熱処理後には、黒点状欠陥の欠陥密度はいずれも減少するものの、その減少量は昇温レートに大きく依存する。
<Consideration of Reference Experiment Examples 1 and 2>
First, based on FIG. 2 according to Reference Experimental Example 1, it is confirmed that the defect density of the black spot-like defects to be formed does not greatly depend on the temperature rising rate before the simulated growth heat treatment at 1100 ° C. for 300 seconds. On the other hand, after the simulated growth heat treatment, although the defect density of the black spot-like defects is reduced, the amount of reduction greatly depends on the temperature increase rate.

そして、参考実験例2による図3に基づけば、800℃、900℃および1000℃の模擬成長熱処理による黒点状欠陥の生成量が比較的大きいことが確認された。   Based on FIG. 3 according to Reference Experimental Example 2, it was confirmed that the amount of black spot defects generated by simulated growth heat treatment at 800 ° C., 900 ° C., and 1000 ° C. was relatively large.

以上の結果を総合考慮すると、クラスターイオン注入されたシリコンウェーハは、800℃以上1000℃未満の熱処理を受けると黒点状欠陥が成長する一方、800℃未満では黒点状欠陥の種そのものが消滅し、1000℃以上の熱処理を受けると黒点状欠陥が分解するとの仮説が考えられる。この仮説に基づく熱処理シーケンスを図4に示す。サンプル1〜3では800℃未満の黒点状欠陥の種が消滅する温度帯の通過時間が比較的短いものの、黒点状欠陥が成長する温度帯の通過時間も比較的短い。サンプル4では、800℃未満の黒点状欠陥の種が消滅する温度帯の通過時間が比較的長いものの、800℃以上1000℃未満の熱処理を受けると黒点状欠陥が成長する時間も長い。そのために、図2上段のTEM断面写真のように、模擬熱処理前の状態では、黒点状欠陥の欠陥密度は同程度に観察される。そして、図2下段のTEM断面写真のように、模擬熱処理後には、黒点状欠陥の欠陥密度に有意な差が生じているものと推察される。   Considering the above results comprehensively, when a silicon wafer implanted with cluster ions is subjected to a heat treatment of 800 ° C. or more and less than 1000 ° C., black spot defects grow, but at less than 800 ° C., the seeds of black spot defects disappear. It can be hypothesized that black spot defects decompose when subjected to heat treatment at 1000 ° C. or higher. A heat treatment sequence based on this hypothesis is shown in FIG. In Samples 1 to 3, although the transit time of the temperature zone where the seeds of black spot defects of less than 800 ° C. disappear is relatively short, the transit time of the temperature zone where the black spot defects grow is relatively short. In sample 4, although the passage time of the temperature zone in which the seeds of black spot defects below 800 ° C. disappear is relatively long, the time during which black spot defects grow when subjected to heat treatment at 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. is also long. Therefore, as in the TEM cross-sectional photograph in the upper part of FIG. 2, the defect density of the black spot-like defects is observed in the same level before the simulated heat treatment. Then, as shown in the TEM cross-sectional photograph in the lower part of FIG. 2, it is presumed that after the simulated heat treatment, there is a significant difference in the defect density of the black spot defects.

そこで本発明者は、エピタキシャル層が形成される前に、改質層内に形成される黒点状欠陥の欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行うことにより、ゲッタリング能力を高めることができることを知見した。   Therefore, the present inventor can improve the gettering ability by performing a defect formation heat treatment for increasing the defect density of the black spot defects formed in the modified layer before the epitaxial layer is formed. I found out.

以上の実験結果に基づき、前述の図4の熱処理シーケンスおよび図5の製造フローを示す模式断面図を参照しつつ、本発明の一実施形態によるエピタキシャルシリコンウェーハの不純物拡散挙動予測方法を説明する。なお、図5では説明の便宜上、実際の厚さの割合とは異なり、半導体ウェーハ10に対して改質層18およびエピタキシャル層20の厚さを誇張して示す。   Based on the above experimental results, an impurity diffusion behavior prediction method for an epitaxial silicon wafer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the above-described heat treatment sequence in FIG. 4 and the schematic cross-sectional view showing the manufacturing flow in FIG. In FIG. 5, for convenience of explanation, the thicknesses of the modified layer 18 and the epitaxial layer 20 are exaggerated with respect to the semiconductor wafer 10, unlike the actual thickness ratio.

(半導体エピタキシャルウェーハの製造方法)
本発明の一実施形態に従う半導体エピタキシャルウェーハ100の製造方法は、半導体ウェーハ10の表面10Aに、構成元素として3元素以上を含む多元素クラスターイオン16を注入して、該半導体ウェーハ10の表層部に、多元素クラスターイオン16の構成元素が固溶した改質層18を形成する第1工程(図5ステップA,B)と、該第1工程の後、改質層18内に形成される黒点状欠陥Dの欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行う第2工程と、該第2工程に引き続き、半導体ウェーハの改質層18上に、エピタキシャル層を形成する第3工程(図5ステップC)と、を有する。ここで、多元素クラスターイオン16の構成元素は炭素、水素及び酸素を含む。以下では、簡略化のため、構成元素として炭素、水素および酸素を含む多元素クラスターイオンを「CHOクラスター」と略記する場合がある。CHOクラスターは、構成元素として炭素、水素および酸素以外を含み得るが、炭素、水素および酸素の3元素のみとすることもできる。なお、図5のステップCは、この製造方法の結果得られた半導体エピタキシャルウェーハ100の模式断面図である。エピタキシャル層20は、裏面照射型固体撮像素子等の半導体素子を製造するためのデバイス層となる。半導体ウェーハ10がシリコンウェーハであり、エピタキシャル層20がシリコンエピタキシャル層であるエピタキシャルシリコンウェーハは、半導体エピタキシャルウェーハ100の好ましい態様の一つである。以下、各工程の詳細を順次説明する。
(Method of manufacturing semiconductor epitaxial wafer)
In the method of manufacturing a semiconductor epitaxial wafer 100 according to an embodiment of the present invention, a multi-element cluster ion 16 containing three or more elements as constituent elements is implanted into the surface 10A of the semiconductor wafer 10 and the surface layer portion of the semiconductor wafer 10 is injected. The first step (FIGS. 5A and 5B) for forming the modified layer 18 in which the constituent elements of the multi-element cluster ions 16 are dissolved, and the black spots formed in the modified layer 18 after the first step. A second step of performing a defect formation heat treatment for increasing the defect density of the shaped defects D, and a third step of forming an epitaxial layer on the modified layer 18 of the semiconductor wafer (step in FIG. 5) following the second step. C). Here, the constituent elements of the multi-element cluster ion 16 include carbon, hydrogen, and oxygen. Hereinafter, for simplification, a multi-element cluster ion including carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements may be abbreviated as “CHO cluster”. The CHO cluster may contain elements other than carbon, hydrogen and oxygen as constituent elements, but can also be composed of only three elements of carbon, hydrogen and oxygen. Step C in FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor epitaxial wafer 100 obtained as a result of this manufacturing method. The epitaxial layer 20 becomes a device layer for manufacturing a semiconductor element such as a back-illuminated solid-state imaging element. An epitaxial silicon wafer in which the semiconductor wafer 10 is a silicon wafer and the epitaxial layer 20 is a silicon epitaxial layer is one preferred embodiment of the semiconductor epitaxial wafer 100. Hereinafter, the details of each process will be described sequentially.

<第1工程>
本発明における第1工程(図2ステップA,B)では、前述のとおり、半導体ウェーハ10の表面10Aに、構成元素として3元素以上を含む多元素クラスターイオン16を注入して、該半導体ウェーハ10の表層部に、多元素クラスターイオン16の構成元素が固溶した改質層18を形成する。第1工程に用いる多元素クラスターイオン16は、前述のとおり構成元素として炭素、水素および酸素を含む。
<First step>
In the first step (steps A and B in FIG. 2) in the present invention, as described above, the multi-element cluster ions 16 containing three or more elements as the constituent elements are implanted into the surface 10A of the semiconductor wafer 10, and the semiconductor wafer 10 The modified layer 18 in which the constituent elements of the multi-element cluster ions 16 are dissolved is formed on the surface layer portion. The multi-element cluster ions 16 used in the first step contain carbon, hydrogen, and oxygen as constituent elements as described above.

<<半導体ウェーハ>>
半導体ウェーハ10としては、例えばシリコン、化合物半導体(GaAs、GaN、SiC)からなり、表面にエピタキシャル層を有しないバルクの単結晶ウェーハが挙げられる。裏面照射型固体撮像素子を製造する場合、一般的にはバルクの単結晶シリコンウェーハを用いる。また、半導体ウェーハ10は、チョクラルスキ法(CZ法)や浮遊帯域溶融法(FZ法)により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。また、より高いゲッタリング能力を得るために、半導体ウェーハ10に炭素および/または窒素を添加してもよい。さらに、半導体ウェーハ10に任意のドーパントを所定濃度添加して、いわゆるn+型もしくはp+型、またはn−型もしくはp−型の基板としてもよい。
<< Semiconductor wafer >>
Examples of the semiconductor wafer 10 include a bulk single crystal wafer made of silicon or a compound semiconductor (GaAs, GaN, SiC) and having no epitaxial layer on the surface. When manufacturing a back-illuminated solid-state imaging device, a bulk single crystal silicon wafer is generally used. Moreover, the semiconductor wafer 10 can use what sliced the single crystal silicon ingot grown by the Czochralski method (CZ method) and the floating zone melting method (FZ method) with the wire saw etc. In order to obtain a higher gettering capability, carbon and / or nitrogen may be added to the semiconductor wafer 10. Furthermore, a predetermined concentration of an arbitrary dopant may be added to the semiconductor wafer 10 to form a so-called n + type or p + type, or n− type or p− type substrate.

また、半導体ウェーハ10としては、バルク半導体ウェーハ表面に半導体エピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハを用いてもよい。例えば、バルクの単結晶シリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルシリコンウェーハである。このシリコンエピタキシャル層は、CVD法により一般的な条件で形成することができる。エピタキシャル層は、厚さが0.1〜20μmの範囲内とすることが好ましく、0.2〜10μmの範囲内とすることがより好ましい。   Further, as the semiconductor wafer 10, an epitaxial wafer in which a semiconductor epitaxial layer is formed on the surface of a bulk semiconductor wafer may be used. For example, an epitaxial silicon wafer in which a silicon epitaxial layer is formed on the surface of a bulk single crystal silicon wafer. This silicon epitaxial layer can be formed under general conditions by the CVD method. The epitaxial layer preferably has a thickness in the range of 0.1 to 20 μm, and more preferably in the range of 0.2 to 10 μm.

<<クラスターイオン照射>>
ここで、本明細書における「クラスターイオン」とは、電子衝撃法により、ガス状分子に電子を衝突させてガス状分子の結合を解離させることで種々の原子数の原子集合体とし、フラグメントを起こさせて当該原子集合体をイオン化させ、イオン化された種々の原子数の原子集合体の質量分離を行って、特定の質量数のイオン化された原子集合体を抽出して得られる。すなわち、クラスターイオンは、原子が複数集合して塊となったクラスターに正電荷または負電荷を与え、イオン化したものであり、炭素イオンなどの単原子イオンや、一酸化炭素イオンなどの単分子イオンとは明確に区別される。
<< Cluster ion irradiation >>
Here, the “cluster ion” in this specification refers to an atomic aggregate of various numbers of atoms by causing electrons to collide with the gaseous molecules and dissociating the bonding of the gaseous molecules by an electron impact method. It is obtained by ionizing the atomic aggregate, mass-separating ionized atomic aggregates having various numbers of atoms, and extracting ionized atomic aggregates having specific mass numbers. In other words, a cluster ion is an ionization that gives a positive or negative charge to a cluster formed by agglomeration of multiple atoms, and is a monoatomic ion such as a carbon ion or a monomolecular ion such as a carbon monoxide ion. Is clearly distinguished.

半導体ウェーハ10としてのシリコンウェーハにクラスターイオンを照射する場合、クラスターイオンは、シリコンウェーハに照射されるとそのエネルギーで瞬間的に1350〜1400℃程度の高温状態となり、シリコンが融解する。その後、シリコンは急速に冷却され、シリコンウェーハ中の表面近傍に、クラスターイオンの構成元素が固溶する。すなわち、本明細書における「改質層」とは、照射するイオンの構成元素がシリコンウェーハ表層部の結晶の格子間位置または置換位置に固溶した層を意味する。構成元素の一例として例えば炭素に着目すると、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Iron Mass Spectrometry)によるシリコンウェーハの深さ方向における炭素の濃度プロファイルは、クラスターイオンの加速電圧およびクラスターサイズに依存するが、モノマーイオンの場合に比べてシャープになり、照射された炭素の局所的に存在する領域(すなわち、改質層)の厚みは、概ね500nm以下(例えば50〜400nm程度)となる。そのため、多元素クラスターイオン16の構成元素が、炭素などのゲッタリングに寄与する元素を含む場合、改質層18は、強力なゲッタリングサイトとして機能する。   When irradiating a silicon wafer as the semiconductor wafer 10 with cluster ions, when the cluster ions are irradiated onto the silicon wafer, the energy instantaneously becomes a high temperature of about 1350 to 1400 ° C. and the silicon melts. Thereafter, the silicon is rapidly cooled, and the constituent elements of cluster ions are dissolved in the vicinity of the surface in the silicon wafer. That is, the “modified layer” in the present specification means a layer in which the constituent elements of the ions to be irradiated are solid-solved at the interstitial position or the substitution position of the crystal on the surface portion of the silicon wafer. For example, when attention is focused on carbon as an example of a constituent element, the concentration profile of carbon in the depth direction of a silicon wafer by secondary ion mass spectrometry (SIMS) depends on the acceleration voltage and cluster size of cluster ions. However, it becomes sharper than in the case of monomer ions, and the thickness of the locally existing carbon (that is, the modified layer) of the irradiated carbon is approximately 500 nm or less (for example, about 50 to 400 nm). Therefore, when the constituent elements of the multi-element cluster ions 16 include an element that contributes to gettering such as carbon, the modified layer 18 functions as a strong gettering site.

本実施形態において注入する多元素クラスターイオン16はCHOクラスターであり、構成元素として炭素、水素および酸素を含む。格子位置の炭素原子は共有結合半径がシリコン単結晶と比較して小さく、シリコン結晶格子の収縮場が形成されるため、格子間の不純物を引き付けるゲッタリング能力が高くなる。そして、CHOクラスターの形態で炭素および酸素が注入されることにより、その後のエピタキシャル成長に伴う熱処理を経て、黒点状欠陥Dが形成されると考えられる。なお、水素は、シリコンエピタキシャル層20の点欠陥をパッシベーションし、本実施形態により得られる半導体エピタキシャルウェーハ100を用いて半導体デバイスを作成したときの、デバイス特性の改善に寄与する点でも有利である。   In the present embodiment, the multi-element cluster ions 16 to be implanted are CHO clusters, and contain carbon, hydrogen and oxygen as constituent elements. The carbon atom at the lattice position has a smaller covalent bond radius than that of the silicon single crystal, and a contraction field of the silicon crystal lattice is formed, so that the gettering ability to attract impurities between the lattices is enhanced. And it is thought that the black-spot-like defect D is formed through the heat treatment accompanying the subsequent epitaxial growth by injecting carbon and oxygen in the form of CHO clusters. Hydrogen is also advantageous in that it contributes to improvement of device characteristics when a semiconductor device is formed using the semiconductor epitaxial wafer 100 obtained by the present embodiment by passivating point defects in the silicon epitaxial layer 20.

<第2工程>
上記第1工程の後、第2工程では、改質層18内に形成される黒点状欠陥Dの欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行う。参考実験例1,2を用いて説明したように、黒点状欠陥Dの欠陥密度は、エピタキシャル成長温度に到達するまでの昇温過程における温度に大きく依存する。そのため、エピタキシャル層が形成される前に欠陥形成のための熱処理を行うことにより、最終的に得られる半導体エピタキシャルウェーハ100における黒点状欠陥Dの欠陥密度を増大させることができ、ゲッタリング能力を高めることができる。
<Second step>
In the second step after the first step, defect formation heat treatment is performed to increase the defect density of the black spot-like defects D formed in the modified layer 18. As described with reference experimental examples 1 and 2, the defect density of the black spot-like defects D greatly depends on the temperature in the temperature raising process until the epitaxial growth temperature is reached. Therefore, by performing heat treatment for defect formation before the epitaxial layer is formed, the defect density of the black spot-like defects D in the finally obtained semiconductor epitaxial wafer 100 can be increased, and the gettering ability is improved. be able to.

この第2工程における欠陥形成熱処理の熱処理条件は、黒点状欠陥Dの欠陥密度を増大できれば制限されないものの、半導体ウェーハを800℃未満の第1温度領域に保持する第1保持時間が0秒以上45秒以下であり、かつ、第1温度領域から昇温後の、前記半導体ウェーハを800℃以上1000℃未満の第2温度領域に保持する第2保持時間が30秒以上であることが好ましい。   The heat treatment conditions of the defect formation heat treatment in the second step are not limited as long as the defect density of the black spot defects D can be increased, but the first holding time for holding the semiconductor wafer in the first temperature region below 800 ° C. is 0 second or more 45 Preferably, the second holding time for holding the semiconductor wafer in the second temperature region of 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. after the temperature rise from the first temperature region is 30 seconds or longer.

図4を参照して既述のとおり、第1温度領域は、欠陥の種が消滅する温度帯に相当するため、この温度帯を通過する時間は可能な限り短くすることが好ましい。そのため、第1保持時間を45秒以下とすることが好ましく、30秒以下とすることがより好ましく、10秒以下とすることがさらに好ましく、5秒以下とすることが特に好ましい。また、半導体ウェーハ10をエピタキシャル成長炉内に投入する炉内投入温度を800℃以上とすれば、第1保持時間を0秒とすることも可能である。   As described above with reference to FIG. 4, the first temperature region corresponds to a temperature zone in which defect seeds disappear, and therefore it is preferable to make the time for passing through this temperature zone as short as possible. Therefore, the first holding time is preferably 45 seconds or less, more preferably 30 seconds or less, further preferably 10 seconds or less, and particularly preferably 5 seconds or less. Further, if the furnace introduction temperature at which the semiconductor wafer 10 is introduced into the epitaxial growth furnace is 800 ° C. or higher, the first holding time can be set to 0 seconds.

また、第2温度領域は、欠陥が成長する温度帯に相当するため、この温度帯を通過する時間は比較的長くすることが好ましい。そのため、第2保持時間を30秒以上とすることが好ましく、60秒以上とすることがより好ましい。第2保持時間は長ければ長いほど好ましいと考えられるものの、製造効率を考慮すれば、第2保持時間の上限を300秒とすることができる。   Further, since the second temperature region corresponds to a temperature zone in which defects grow, it is preferable that the time for passing through this temperature zone is relatively long. For this reason, the second holding time is preferably 30 seconds or more, and more preferably 60 seconds or more. Although it is considered that the longer the second holding time is, the upper limit of the second holding time can be set to 300 seconds in consideration of manufacturing efficiency.

なお、図4では、第2温度領域において一定温度に保持する態様を図示しているが、本発明はこの態様に何ら限定されない。例えば、第2温度領域において、昇温レートを数℃/秒(例えば1〜3℃/秒)程度、あるいは、さらに遅い昇温レートで昇温して上記第2保持時間を実現しても構わないし、昇温および一定温度の保持を繰り返すなどしても構わない。   In addition, in FIG. 4, although the aspect hold | maintained at a constant temperature in a 2nd temperature range is illustrated, this invention is not limited to this aspect at all. For example, in the second temperature range, the second holding time may be realized by raising the temperature rising rate at several degrees C / sec (for example, 1 to 3 ° C./sec) or at a slower temperature rising rate. Or, the temperature rise and the holding at a constant temperature may be repeated.

また、本工程による欠陥形成熱処理は、結晶性回復のための回復熱処理とは異なる。結晶性回復のための回復熱処理は、クラスターイオン注入により形成されたアモルファス状態を回復されるためのものであり、欠陥形成熱処理よりも比較的高温の熱処理を比較的長時間行う必要がある。   The defect formation heat treatment in this step is different from the recovery heat treatment for crystallinity recovery. The recovery heat treatment for recovering crystallinity is for recovering the amorphous state formed by cluster ion implantation, and it is necessary to perform a heat treatment at a relatively high temperature for a relatively long time than the defect formation heat treatment.

<第3工程>
上記第2工程に引き続き、半導体ウェーハ10の改質層18上にエピタキシャル層20を形成する第3工程を行う(図5ステップC)。形成するエピタキシャル層18としては、例えばシリコンエピタキシャル層が挙げられ、一般的な条件により形成することができる。この場合、例えば、水素をキャリアガスとして、ジクロロシラン、トリクロロシランなどのソースガスをチャンバー内に導入し、使用するソースガスによっても成長温度は異なるが、1000〜1200℃の範囲の温度でCVD法により半導体ウェーハ10上にエピタキシャル成長させることができる。エピタキシャル層18は、厚さが1〜15μmの範囲内とすることが好ましい。1μm未満の場合、半導体ウェーハ10からのドーパントの外方拡散によりエピタキシャル層18の抵抗率が変化してしまう可能性があり、また、15μm超えの場合、固体撮像素子の分光感度特性に影響が生じるおそれがあるからである。
<Third step>
Subsequent to the second step, a third step of forming the epitaxial layer 20 on the modified layer 18 of the semiconductor wafer 10 is performed (step C in FIG. 5). Examples of the epitaxial layer 18 to be formed include a silicon epitaxial layer, which can be formed under general conditions. In this case, for example, a source gas such as dichlorosilane or trichlorosilane is introduced into the chamber using hydrogen as a carrier gas, and the growth temperature varies depending on the source gas used, but the CVD method is used at a temperature in the range of 1000 to 1200 ° C. Thus, epitaxial growth can be performed on the semiconductor wafer 10. The epitaxial layer 18 preferably has a thickness in the range of 1 to 15 μm. If it is less than 1 μm, the resistivity of the epitaxial layer 18 may change due to outdiffusion of the dopant from the semiconductor wafer 10, and if it exceeds 15 μm, the spectral sensitivity characteristics of the solid-state imaging device are affected. Because there is a fear.

第3工程後の黒点状欠陥Dの欠陥密度は、第2工程直後の黒点状欠陥Dの欠陥密度より減少しうるものの、第2工程による欠陥形成熱処理により、従来形成される欠陥密度より大きくなる。そのため、得られる半導体エピタキシャルウェーハ100のゲッタリング能力を、クラスターイオン注入条件が同じであったとしても、従来よりも有意に高くすることが可能となる。   Although the defect density of the black spot-like defects D after the third process can be lower than the defect density of the black spot-like defects D immediately after the second process, the defect density heat treatment in the second process becomes higher than the defect density formed conventionally. . Therefore, even if the cluster ion implantation conditions are the same, the gettering capability of the obtained semiconductor epitaxial wafer 100 can be made significantly higher than before.

なお、本明細書における黒点状欠陥Dとは、半導体エピタキシャルウェーハ100の劈開断面をTEMにて明モードで観察した場合に、改質層18内に黒点として観察される欠陥であって、直径数nm程度の微小サイズの欠陥は除く。黒点状欠陥Dのサイズは15nm以上100nm以下であり、「黒点状欠陥のサイズ」とは、TEM画像中の欠陥の直径とする。なお、黒点状欠陥Dが円形でない、あるいは円形と見なせない形状である場合は、黒点状欠陥Dを内包する最小直径の外接円を用いて円形に近似し、直径を定める。また、黒点状欠陥の「欠陥密度」は、TEM画像中に黒点状欠陥Dが存在する領域中における、所定面積あたりの欠陥の個数にその時のTEM観察に使用したサンプルの最終厚さよって定義される。   The black spot defect D in the present specification is a defect observed as a black spot in the modified layer 18 when the cleaved cross section of the semiconductor epitaxial wafer 100 is observed in a bright mode with a TEM. Excludes defects as small as about nm. The size of the black spot defect D is 15 nm or more and 100 nm or less, and “the size of the black spot defect” is the diameter of the defect in the TEM image. When the black spot-like defect D is not circular or has a shape that cannot be regarded as a circle, the diameter is approximated to a circle by using a circumscribed circle having the smallest diameter that includes the black spot-like defect D. Further, the “defect density” of black spot-like defects is defined by the number of defects per predetermined area in the region where black spot-like defects D exist in the TEM image, and the final thickness of the sample used for the TEM observation at that time. The

以下で、本実施形態における多元素クラスターイオンの照射態様について説明する。   Below, the irradiation aspect of the multi-element cluster ion in this embodiment is demonstrated.

照射する多元素クラスターイオン16の構成元素は、炭素、水素および酸素が含まれれば他の構成元素については特に限定されない。多元素クラスターイオン16の構成元素としてさらに含まれ得る元素として、ボロン、リン、ヒ素、アンチモンなどを挙げることができる。   The constituent elements of the multi-element cluster ions 16 to be irradiated are not particularly limited as long as they include carbon, hydrogen, and oxygen. Examples of elements that can be further included as constituent elements of the multi-element cluster ion 16 include boron, phosphorus, arsenic, and antimony.

なお、イオン化させる化合物は特に限定されないが、イオン化が可能な化合物としては、例えばジエチルエーテル(C10O)、エタノール(CO)、ジエチルケトン(C10O)などを用いることができる。特に、ジエチルエーテル、エタノール、などより生成したクラスターC(l,m,nは互いに独立で有り、1≦n≦16,1≦m≦16,1≦l≦16)を用いることが好ましい。特に、クラスターイオンの炭素原子数が16個以下であり、かつ、クラスターイオンの酸素原子数が16個以下であることが好ましい。小サイズのクラスターイオンビームを制御し易いためである。また、例えばトリメチルホスファイト(CP)などを用いれば、炭素、水素及び酸素に加えて、多元素クラスターイオン16の構成元素にリンを含ませることが可能である。 The compound to ionize is not particularly limited, examples of the compound capable ionization, such as diethyl ether (C 4 H 10 O), ethanol (C 2 H 6 O), and diethyl ketone (C 5 H 10 O) Can be used. In particular, clusters C n H m O l (l, m, n are independent of each other, 1 ≦ n ≦ 16, 1 ≦ m ≦ 16, 1 ≦ l ≦ 16) generated from diethyl ether, ethanol, or the like are used. It is preferable. In particular, the number of carbon atoms in the cluster ion is preferably 16 or less, and the number of oxygen atoms in the cluster ion is preferably 16 or less. This is because it is easy to control a small-sized cluster ion beam. For example, if trimethyl phosphite (C 3 H 9 O 3 P) or the like is used, it is possible to include phosphorus in the constituent elements of the multi-element cluster ion 16 in addition to carbon, hydrogen, and oxygen.

クラスターサイズは2〜100個、好ましくは60個以下、より好ましくは50個以下で適宜設定することができる。クラスターサイズの調整は、ノズルから噴出されるガスのガス圧力および真空容器の圧力、イオン化する際のフィラメントへ印加する電圧などを調整することにより行うことができる。なお、クラスターサイズは、四重極高周波電界による質量分析またはタイムオブフライト質量分析によりクラスター個数分布を求め、クラスター個数の平均値をとることにより求めることができる。   The cluster size can be appropriately set to 2 to 100, preferably 60 or less, more preferably 50 or less. The cluster size can be adjusted by adjusting the gas pressure of the gas ejected from the nozzle, the pressure of the vacuum vessel, the voltage applied to the filament during ionization, and the like. The cluster size can be obtained by obtaining a cluster number distribution by mass spectrometry using a quadrupole high-frequency electric field or time-of-flight mass spectrometry and taking an average value of the number of clusters.

クラスターイオンの加速電圧は、クラスターサイズとともに、クラスターイオンの構成元素の深さ方向の濃度プロファイルのピーク位置に影響を与える。本実施形態においては、多元素クラスターイオン16の加速電圧を、0keV/Cluster超え200keV/Cluster未満とすることができ、100keV/Cluster以下とすることが好ましく、80keV/Cluster以下とすることがさらに好ましい。なお、加速電圧の調整には、(1)静電加速、(2)高周波加速の2方法が一般的に用いられる。前者の方法としては、複数の電極を等間隔に並べ、それらの間に等しい電圧を印加して、軸方向に等加速電界を作る方法がある。後者の方法としては、イオンを直線状に走らせながら高周波を用いて加速する線形ライナック法がある。   The acceleration voltage of the cluster ion affects the peak position of the concentration profile in the depth direction of the constituent elements of the cluster ion together with the cluster size. In the present embodiment, the acceleration voltage of the multi-element cluster ions 16 can be greater than 0 keV / Cluster and less than 200 keV / Cluster, preferably 100 keV / Cluster or less, and more preferably 80 keV / Cluster or less. . For adjusting the acceleration voltage, two methods of (1) electrostatic acceleration and (2) high frequency acceleration are generally used. As the former method, there is a method in which a plurality of electrodes are arranged at equal intervals and an equal voltage is applied between them to create an equal acceleration electric field in the axial direction. As the latter method, there is a linear linac method in which ions are accelerated using a high frequency while running linearly.

また、クラスターイオンのドーズ量は、イオン照射時間を制御することにより調整することができる。炭素、水素および酸素の各元素のドーズ量は、クラスターイオン種と、クラスターイオンのドーズ量(Cluster/cm)で定まる。本実施形態では、炭素のドーズ量が1×1013〜1×1017atoms/cmとなるよう、多元素クラスターイオン16のドーズ量を調整することができ、好ましくは炭素のドーズ量を5×1013atoms/cm以上5×1016atoms/cm以下とする。炭素のドーズ量が1×1013atoms/cm未満の場合、十分なゲッタリング能力が得られない場合があり、炭素のドーズ量が1×1016atoms/cm超えの場合、エピタキシャル層20の表面に大きなダメージを与えるおそれがあるからである。 Moreover, the dose amount of cluster ions can be adjusted by controlling the ion irradiation time. The dose of each element of carbon, hydrogen, and oxygen is determined by the cluster ion species and the dose of the cluster ion (Cluster / cm 2 ). In this embodiment, the dose of the multi-element cluster ions 16 can be adjusted so that the dose of carbon is 1 × 10 13 to 1 × 10 17 atoms / cm 2, and preferably the dose of carbon is 5 It is set to x10 13 atoms / cm 2 or more and 5 × 10 16 atoms / cm 2 or less. If the carbon dose is less than 1 × 10 13 atoms / cm 2 , sufficient gettering ability may not be obtained. If the carbon dose exceeds 1 × 10 16 atoms / cm 2 , the epitaxial layer 20 This is because there is a risk of damaging the surface of the film.

また、多元素クラスターイオン16のビーム電流値は50μA以上5000μA以下とすればよい。なお、クラスターイオンのビーム電流値は、例えば、イオン源における原料ガスの分解条件を変更することなどにより調整することができる。   The beam current value of the multi-element cluster ions 16 may be 50 μA or more and 5000 μA or less. Note that the beam current value of cluster ions can be adjusted, for example, by changing the decomposition conditions of the source gas in the ion source.

以上、本発明の代表的な実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。   The exemplary embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments.

(試行例1)
CZ単結晶シリコンインゴットから得たシリコンウェーハ(直径:300mm、厚さ:725μm、ドーパント種類:リン、抵抗率:10Ω・cm)を用意した。次いで、クラスターイオン発生装置(日新イオン機器社製、型番:CLARIS(登録商標))を用いて、ジエチルエーテル(C10O)をクラスターイオン化したCHOからなる多元素クラスターイオンを、加速電圧80keV/Clusterの注入条件でシリコンウェーハの表面に照射した。また、当該クラスターイオンのドーズ量を1.0×1015cluster/cmとした(炭素のドーズ量も1.0×1015atoms/cmである)。
(Trial example 1)
A silicon wafer (diameter: 300 mm, thickness: 725 μm, dopant type: phosphorus, resistivity: 10 Ω · cm) obtained from a CZ single crystal silicon ingot was prepared. Next, using a cluster ion generator (manufactured by Nissin Ion Instruments Co., Ltd., model number: CLARIS (registered trademark)), multi-element cluster ions composed of CH 3 O obtained by cluster ionizing diethyl ether (C 4 H 10 O), The surface of the silicon wafer was irradiated under an injection condition of an acceleration voltage of 80 keV / Cluster. In addition, the dose amount of the cluster ions was set to 1.0 × 10 15 clusters / cm 2 (the dose amount of carbon was also 1.0 × 10 15 atoms / cm 2 ).

次に、上記シリコンウェーハを炉内温度600℃の枚葉式エピタキシャル成長装置(アプライドマテリアルズ社製)内に搬送した。次いで、800℃までの昇温時間を5秒(昇温レート40℃/s)とし、800℃〜1000℃までの昇温時間を5秒(昇温レート40℃/s)として1000℃まで上昇させた。引き続き、装置内で1120℃まで昇温し、当該温度で30秒の水素ベーク処理を施した後、水素をキャリアガス、トリクロロシランをソースガス、1120℃でCVD法により、シリコンウェーハの改質層が形成された側の表面上にシリコンのエピタキシャル層(厚さ:5μm、ドーパント種類:リン、抵抗率:50Ω・cm)をエピタキシャル成長させ、試行例1に係るエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。   Next, the silicon wafer was transferred into a single wafer epitaxial growth apparatus (Applied Materials) having a furnace temperature of 600 ° C. Next, the temperature rise time up to 800 ° C. is 5 seconds (temperature rise rate 40 ° C./s), and the temperature rise time from 800 ° C. to 1000 ° C. is 5 seconds (temperature rise rate 40 ° C./s). I let you. Subsequently, the temperature is raised to 1120 ° C. in the apparatus, hydrogen baking is performed for 30 seconds at the temperature, hydrogen is used as the carrier gas, trichlorosilane is used as the source gas, and the modified layer of the silicon wafer is formed using the CVD method at 1120 ° C. An epitaxial layer of silicon (thickness: 5 μm, dopant type: phosphorus, resistivity: 50 Ω · cm) was epitaxially grown on the surface on the side on which the silicon oxide was formed, and an epitaxial silicon wafer according to trial example 1 was fabricated.

(試行例2〜25)
下記表1に示すように、800℃までの昇温時間を5秒(昇温レート40℃/s)、10秒(昇温レート20℃/s)、30秒(昇温レート6.7℃/s)、45秒(昇温レート6.7℃/s)、60秒(昇温レート3.3℃/s)とし、800℃〜1000℃までの昇温時間を5秒(昇温レート40℃/s)、10秒(昇温レート20℃/s)、30秒(昇温レート6.7℃/s)、60秒(昇温レート3.3℃/s)、300秒(昇温レート0.67℃/s)とした以外は、試行例1と同様にして、試行例2〜25に係るエピタキシャルシリコンウェーハを作製した。
(Trial examples 2 to 25)
As shown in Table 1 below, the temperature raising time up to 800 ° C. is 5 seconds (temperature raising rate 40 ° C./s), 10 seconds (temperature raising rate 20 ° C./s), 30 seconds (temperature raising rate 6.7 ° C.). / S), 45 seconds (temperature increase rate 6.7 ° C./s), 60 seconds (temperature increase rate 3.3 ° C./s), and the temperature increase time from 800 ° C. to 1000 ° C. is 5 seconds (temperature increase rate). 40 ° C./s), 10 seconds (temperature increase rate 20 ° C./s), 30 seconds (temperature increase rate 6.7 ° C./s), 60 seconds (temperature increase rate 3.3 ° C./s), 300 seconds (increase) Epitaxial silicon wafers according to trial examples 2 to 25 were produced in the same manner as trial example 1 except that the temperature rate was 0.67 ° C./s.

<評価1:TEM断面写真による観察>
試行例1〜25に係るエピタキシャルシリコンウェーハのそれぞれについて、基板界面近傍の断面をTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)にて観察し、黒点状欠陥の欠陥密度を求めた。なお、基板界面から深さ300nm以内の範囲内で観察された欠陥サイズ15nm〜100nm以下の欠陥を、黒点状欠陥とした。観察された欠陥密度を表1に併せて示す。
<Evaluation 1: Observation by TEM cross-sectional photograph>
About each of the epitaxial silicon wafer which concerns on trial examples 1-25, the cross section of the board | substrate interface vicinity was observed with TEM (Transmission Electron Microscope: Transmission electron microscope), and the defect density of the black spot-like defect was calculated | required. A defect having a defect size of 15 nm to 100 nm or less observed within a depth of 300 nm from the substrate interface was defined as a black spot defect. The observed defect density is also shown in Table 1.

<評価2:ゲッタリング能力評価>
試行例1〜25に係るエピタキシャルシリコンウェーハのそれぞれに対して、ゲッタリング能力を評価した。まず、各エピタキシャルシリコンウェーハのエピタキシャル層の表面を、Ni汚染液(1.0×1013atoms/cm)を用いてスピンコート汚染法により強制的に汚染し、次いで、窒素雰囲気中において900℃で30分間の拡散熱処理を施した。その後、各エピタキシャルシリコンウェーハについてSIMS測定を行い、クラスターイオン注入領域(本評価では、簡便のため基板界面から300nmとした。)におけるNi濃度のプロファイルをそれぞれ測定した。そして、イオン注入領域におけるNiの捕獲量(SIMSプロファイルにおけるNi濃度の積分値に相当)を求めた。Niの捕獲量下記のとおり分類して、評価基準とした。評価結果を表1に併せて示す。
◎:9.7×1012atoms/cm以上
○:9.5×1012atoms/cm以上9.7×1012atoms/cm未満
△:9.0×1012atoms/cm以上9.5×1012atoms/cm未満
×:9.0×1012atoms/cm未満
<Evaluation 2: Evaluation of gettering ability>
The gettering ability was evaluated for each of the epitaxial silicon wafers according to trial examples 1 to 25. First, the surface of the epitaxial layer of each epitaxial silicon wafer was forcibly contaminated by Ni coating liquid (1.0 × 10 13 atoms / cm 2 ) by a spin coat contamination method, and then 900 ° C. in a nitrogen atmosphere. A diffusion heat treatment was performed for 30 minutes. After that, SIMS measurement was performed on each epitaxial silicon wafer, and a profile of Ni concentration in the cluster ion implantation region (in this evaluation, 300 nm from the substrate interface for simplicity) was measured. Then, the amount of Ni trapped in the ion implantation region (corresponding to the integrated value of Ni concentration in the SIMS profile) was obtained. Ni traps were classified as follows and used as evaluation criteria. The evaluation results are also shown in Table 1.
A: 9.7 × 10 12 atoms / cm 2 or more ◯: 9.5 × 10 12 atoms / cm 2 or more 9.7 × 10 12 atoms / cm 2 or less Δ: 9.0 × 10 12 atoms / cm 2 or more Less than 9.5 × 10 12 atoms / cm 2 ×: Less than 9.0 × 10 12 atoms / cm 2

<評価結果の考察>
まず、表1から、ゲッタリング能力の高低と、黒点状欠陥の欠陥密度とには明確な相関関係があることが確認され、黒点状欠陥の欠陥密度が大きいほど、ゲッタリング能力も高いことが確認される。そして、欠陥の種が消滅すると推定される温度帯の通過時間が短く、かつ、欠陥が成長すると推定される温度帯の通過時間が長いほど、黒点状欠陥の欠陥密度が大きくなることも確認された。したがって、クラスター条件が同一であったとしても、黒点状欠陥の欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行うことにより、ゲッタリング能力を高くすることが可能である。
<Consideration of evaluation results>
First, it is confirmed from Table 1 that there is a clear correlation between the level of gettering ability and the defect density of black spot defects, and the higher the defect density of black spot defects, the higher the gettering ability. It is confirmed. It has also been confirmed that the defect density of the black spot defects increases as the transit time of the temperature zone in which the defect seed is estimated to disappear and the transit time of the temperature zone in which the defect is estimated to grow is longer. It was. Therefore, even if the cluster conditions are the same, it is possible to increase the gettering ability by performing the defect formation heat treatment for increasing the defect density of the black spot defects.

本発明によれば、クラスターイオン注入条件が同じであっても、より高いゲッタリング能力を有することのできる半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if cluster ion implantation conditions are the same, the manufacturing method of the semiconductor epitaxial wafer which can have higher gettering capability can be provided.

10 半導体ウェーハ
10A 半導体ウェーハの表面
16 クラスターイオン
18 改質層
20 エピタキシャル層
100 半導体エピタキシャルウェーハ
D 黒点状欠陥
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor wafer 10A Semiconductor wafer surface 16 Cluster ion 18 Modified layer 20 Epitaxial layer 100 Semiconductor epitaxial wafer D Black spot-like defect

Claims (4)

半導体ウェーハの表面に、構成元素として炭素、水素及び酸素の3元素を含む多元素クラスターイオンを注入して、該半導体ウェーハの表層部に、前記多元素クラスターイオンの構成元素が固溶した改質層を形成する第1工程と、
該第1工程の後、前記改質層内に形成される黒点状欠陥の欠陥密度を増大させるための欠陥形成熱処理を行う第2工程と、
該第2工程に引き続き、前記半導体ウェーハの改質層上に、エピタキシャル層を形成する第3工程と、を有することを特徴とする半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
Implanting multi-element cluster ions containing carbon, hydrogen and oxygen as constituent elements on the surface of a semiconductor wafer, and modifying the constituent elements of the multi-element cluster ions in the surface layer of the semiconductor wafer A first step of forming a layer;
After the first step, a second step of performing a defect formation heat treatment for increasing the defect density of black spot-like defects formed in the modified layer;
Subsequent to the second step, a third step of forming an epitaxial layer on the modified layer of the semiconductor wafer includes a method for producing a semiconductor epitaxial wafer.
前記第2工程における前記欠陥形成熱処理の熱処理条件は、前記半導体ウェーハを800℃未満の第1温度領域に保持する第1保持時間が0秒以上45秒以下であり、かつ、第1温度領域から昇温後の、前記半導体ウェーハを800℃以上1000℃未満の第2温度領域に保持する第2保持時間が30秒以上である、請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。   The heat treatment condition of the defect formation heat treatment in the second step is that a first holding time for holding the semiconductor wafer in a first temperature region of less than 800 ° C. is not less than 0 seconds and not more than 45 seconds, and from the first temperature region. 2. The method for producing a semiconductor epitaxial wafer according to claim 1, wherein the second holding time for holding the semiconductor wafer in the second temperature region of 800 ° C. or higher and lower than 1000 ° C. after the temperature rise is 30 seconds or longer. 前記多元素クラスターイオンの構成元素は、炭素、水素及び酸素の3元素からなる、請求項1に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。   2. The method for producing a semiconductor epitaxial wafer according to claim 1, wherein the constituent elements of the multi-element cluster ions are composed of three elements of carbon, hydrogen, and oxygen. 前記半導体ウェーハがシリコンウェーハである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。

The manufacturing method of the semiconductor epitaxial wafer of any one of Claims 1-3 whose said semiconductor wafer is a silicon wafer.

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