JP5099024B2 - Epitaxial wafer manufacturing method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、エピタキシャルウエーハの製造方法及び半導体装置の製造方法に関し、具体的には、半導体装置、主として受光素子や撮像素子の作製に好適なエピタキシャルウエーハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an epitaxial wafer and a method for manufacturing a semiconductor device, and more specifically to a method for manufacturing an epitaxial wafer suitable for manufacturing a semiconductor device, mainly a light receiving element and an imaging element.
半導体装置、例えば受光素子や撮像素子を形成するための半導体基板としては、CZ法で成長させたCZ基板や、MCZ法で成長させたMCZ基板、これらのCZ基板やMCZ基板の表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウエーハ等が従来から用いられている。 As a semiconductor substrate for forming a semiconductor device, for example, a light receiving element or an imaging element, a CZ substrate grown by the CZ method, an MCZ substrate grown by the MCZ method, and an epitaxial layer on the surface of these CZ substrate or MCZ substrate Conventionally, an epitaxial wafer or the like on which is formed is used.
ところで受光素子や撮像素子は冗長回路を用いることが出来ず、また不純物汚染にその電気特性が非常に敏感であるため、基板製造やデバイス製造の工程では汚染管理を厳しく行っている。
そのため、基板そのものにゲッタリング能力を持たせて、汚染された金属元素をデバイス特性に影響しない領域に形成されたゲッタリング層に偏析させるといった手法も一般的に用いられている。
By the way, since the light receiving element and the image pickup element cannot use a redundant circuit, and their electrical characteristics are very sensitive to impurity contamination, contamination control is strictly performed in the substrate manufacturing and device manufacturing processes.
For this reason, a method is generally used in which the substrate itself has a gettering capability and segregates contaminated metal elements into a gettering layer formed in a region that does not affect device characteristics.
また、受光素子や撮像素子にエピタキシャルウエーハを用いた場合、特性を向上させるために、基板側から素子領域への電子、正孔の拡散を防止するために、素子直下にボロン、砒素、アンチモンや炭素などをイオン注入して低抵抗層を形成し、ゲッタリング層を形成した後、エピタキシャル層を形成することが増えてきている。
しかし、イオン注入工程を追加することで汚染の機会も増えるので、この工程では汚染防止が重要な技術となっている。
In addition, when an epitaxial wafer is used for a light receiving element or an image pickup element, boron, arsenic, antimony, and the like are directly under the element in order to prevent diffusion of electrons and holes from the substrate side to the element region in order to improve characteristics. Increasingly, an epitaxial layer is formed after a low resistance layer is formed by ion implantation of carbon or the like and a gettering layer is formed.
However, the addition of an ion implantation process increases the chances of contamination, so contamination prevention is an important technology in this process.
その一方、微量な汚染に対する測定、評価は難しい。更に、評価に比較的長い時間を要するものが多く、測定結果をフィードバックすることが難しい。
そのため、短時間で測定可能なSPV(表面光電圧)法やμPCD(マイクロ波光導電減衰)法等によるウエーハライフタイム測定が用いられている(例えば非特許文献1参照)が、これらの測定は前処理が必要であり、また破壊測定となるため、間接的に装置の汚染状態の確認のみが行われてきた。
On the other hand, it is difficult to measure and evaluate a minute amount of contamination. Furthermore, many evaluations require a relatively long time, and it is difficult to feed back measurement results.
Therefore, wafer lifetime measurement by SPV (surface photovoltage) method or μPCD (microwave photoconductive decay) method that can be measured in a short time is used (for example, see Non-Patent Document 1). In addition, since the measurement is destructive, only the contamination state of the device has been indirectly confirmed.
また、拡散層(近接ゲッタリング層、拡散電流阻止層)を有するウエーハのライフタイム測定は、一般的には、信頼できる測定が非常に難しかったため、製品ウエーハの評価に適用されることは殆どなかった。
そのため、拡散層を有するエピタキシャルウエーハの製品そのものの汚染を正確に把握することは困難であった。
更に、モニターによる汚染管理では、拡散層を有するエピタキシャルウエーハそのものの汚染を検出できないこともあった。
In addition, the lifetime measurement of a wafer having a diffusion layer (proximity gettering layer, diffusion current blocking layer) is generally very difficult to reliably measure, so it is rarely applied to evaluation of product wafers. It was.
Therefore, it is difficult to accurately grasp the contamination of the epitaxial wafer product itself having the diffusion layer.
Furthermore, the contamination control by the monitor sometimes cannot detect the contamination of the epitaxial wafer itself having the diffusion layer.
先端集積回路や撮像素子の高性能化・低温プロセス化が進んだため、酸素析出によるゲッタリングの制御可能範囲が狭いエピタキシャルウエーハを用いる場合、しばしば製品の電気特性不良が発生する傾向が増えてきている。それに対応して、イオン注入等で拡散層(近接ゲッタリング層、拡散電流阻止層)を形成した基板にエピタキシャル成長を施したエピタキシャルウエーハが使われるようになってきている。 As advanced integrated circuits and image sensors have become more sophisticated and low-temperature processes have progressed, the use of epitaxial wafers with narrow gettering controllable range due to oxygen precipitation often increases the tendency of products to have poor electrical characteristics. Yes. Correspondingly, an epitaxial wafer obtained by performing epitaxial growth on a substrate on which a diffusion layer (proximity gettering layer, diffusion current blocking layer) is formed by ion implantation or the like has been used.
しかし、その前後で熱処理を伴うイオン注入工程の導入により、ウエーハの汚染機会が増加するという問題もある。この工程での汚染が起こらないようにすることが新たな技術課題となっている。
実際、準備したシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行う前に、チャネリング防止、或いは、パーティクル付着を防止するために200〜300Å(20〜30nm)の酸化膜を形成したり、イオン注入後に、イオン注入で悪化した結晶性を回復させるために回復熱処理が行われる。
しかし、このような技術を用いてエピタキシャルウエーハを製造した場合、これらの熱処理工程でウエーハが汚染され、その結果、素子の電気特性を悪化させてしまうという問題も生じている。
However, there is also a problem that the chance of contamination of the wafer increases due to the introduction of an ion implantation process involving heat treatment before and after that. It is a new technical challenge to prevent contamination in this process.
Actually, before performing ion implantation on the prepared silicon single crystal substrate, an oxide film of 200 to 300 mm (20 to 30 nm) is formed to prevent channeling or to prevent adhesion of particles, or after ion implantation, A recovery heat treatment is performed to recover the crystallinity deteriorated by the ion implantation.
However, when an epitaxial wafer is manufactured using such a technique, the wafer is contaminated by these heat treatment steps, resulting in a problem that the electrical characteristics of the device are deteriorated.
また、イオン注入工程においては、シリコン単結晶基板は基板保持用のディスクに接触するので、ディスクの管理等を行っても、ある程度の汚染は生ずる。
また、注入イオンの電荷がチャージアップするという問題を解決するために、プラズマ等を用いた電荷の中和が広く行われており、それゆえプラズマ等による汚染が起こりやすい工程となっている。
In the ion implantation process, since the silicon single crystal substrate is in contact with the disk for holding the substrate, some contamination occurs even if the disk is managed.
Further, in order to solve the problem that the charge of the implanted ions is charged up, neutralization of the charge using plasma or the like is widely performed, and therefore, the process is easily contaminated by plasma or the like.
例えば図6(a)に、汚染されたチャックで保持したことによって汚染されたシリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。このシリコン単結晶基板のライフタイムは平均365μsec(最大546μsec・最小43μsec)であり、基板中心部が特に低くなっていた。このライフタイムの分布形状は、チャックの寸法、形状と一致している。なお、本明細書及び図面におけるライフタイムマップでは、ライフタイムが高い部分を明るく表示し、低い部分を暗く表示している。 For example, FIG. 6A shows a lifetime map of a silicon single crystal substrate contaminated by being held by a contaminated chuck. The average lifetime of this silicon single crystal substrate was 365 μsec (maximum 546 μsec · minimum 43 μsec), and the center of the substrate was particularly low. The distribution shape of this lifetime coincides with the size and shape of the chuck. In the lifetime map in the present specification and drawings, a portion with a high lifetime is displayed brightly and a portion with a low lifetime is displayed darkly.
比較のため、図6(b)には汚染がない熱処理済シリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。汚染のないシリコン単結晶基板のライフタイムは平均で485μsec(最大610μsec・最小177μsec)であり、図6(a)に示した汚染の有るシリコン単結晶基板に比べて長くなった。すなわち、汚染されたチャックで保持されたシリコン単結晶基板はチャックで吸着・接触させた部分の金属不純物濃度が高くなり、ライフタイムが短くなっている。
このように、シリコン単結晶基板を保持するチャックやディスクが汚染されていれば、熱処理炉の管理を厳密に行ったとしても製造されるエピタキシャルウエーハの汚染を完全には防止できないことが判る。
For comparison, FIG. 6B shows a lifetime map of a heat-treated silicon single crystal substrate without contamination. The average lifetime of the silicon single crystal substrate without contamination was 485 μsec (maximum 610 μsec, minimum 177 μsec), which was longer than that of the contaminated silicon single crystal substrate shown in FIG. That is, the silicon single crystal substrate held by the contaminated chuck has a high metal impurity concentration in the portion adsorbed and brought into contact with the chuck, and the lifetime is shortened.
Thus, it can be seen that if the chuck or disk holding the silicon single crystal substrate is contaminated, contamination of the manufactured epitaxial wafer cannot be completely prevented even if the heat treatment furnace is strictly controlled.
また、熱処理中の汚染の状況は、不純物元素種についての情報は得られないが、上述のように、ウエーハライフタイムの測定で比較的高感度に検出できる。また、このウエーハライフタイムは、接合リークとも直接関係付けられるパラメータでもあるため、広くデバイス工程中の汚染評価に利用されている。 In addition, although information on the impurity element type cannot be obtained, the contamination status during the heat treatment can be detected with relatively high sensitivity by measuring the wafer lifetime as described above. The wafer lifetime is also a parameter that is directly related to junction leakage, and is therefore widely used for contamination evaluation during device processes.
しかし、ウエーハライフタイム測定は、その測定にあたりウエーハ表面でのマイノリティーキャリアの再結合を防止するための表面処理が必要である。このため、ウエーハを熱酸化する、或いは、化学的なパッシベーションを行わなければならない。
従って測定が破壊測定となってしまうので、モニターウエーハを用いて間接的に主要な装置の汚染状態の評価を行うのが一般的である。そのため図6(a)に見られるような、ウエーハのハンドリング過程で生じた汚染は、装置の汚染状態の管理では見逃されることが多い。
However, the wafer lifetime measurement requires a surface treatment for preventing minority carrier recombination on the wafer surface. For this reason, the wafer must be thermally oxidized or chemically passivated.
Therefore, since the measurement becomes a destructive measurement, it is common to indirectly evaluate the contamination state of the main apparatus using a monitor wafer. Therefore, the contamination caused in the wafer handling process as seen in FIG. 6A is often overlooked in the management of the contamination state of the apparatus.
ゲッタリングや拡散電流抑制のために行う付加的工程(イオン注入工程)での汚染を防止することは、デバイスの電気特性を改善するという本来の目的を達成するために重要である。同時に、付加される工程での汚染が生じない、そしてたとえ生じてもそれを検出し対策が取れるように配慮することが望まれる。
また、イオン注入を含めたエピタキシャル工程はファンドリー型のビジネスとして行われることが多い。このため、工程完了時点で、製品ウエーハの品質を正確に保証することがビジネス上強く求められる点である。しかし、これまでは拡散炉やエピタキシャル装置の汚染状態のモニター(管理データ)で保証の代替が行われてきた。一ヶ月以上経てデバイスの電気特性評価が可能になった時点で汚染起因と推定される特性不良が確認されることも時々あり、ファンドリービジネスを難しくしている。
Preventing contamination in an additional process (ion implantation process) performed to suppress gettering and diffusion current is important to achieve the original purpose of improving the electrical characteristics of the device. At the same time, it is desirable that no contamination occurs in the added process, and that even if it occurs, care should be taken to detect it and take countermeasures.
In addition, the epitaxial process including ion implantation is often performed as a foundry business. For this reason, there is a strong business need to accurately guarantee the quality of the product wafer when the process is completed. Until now, however, warranty replacement has been performed by monitoring (control data) the contamination status of diffusion furnaces and epitaxial devices. When the electrical characteristics of a device can be evaluated after a month or more, a characteristic failure estimated to be caused by contamination is sometimes confirmed, which makes the foundry business difficult.
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、必要最低限のプロセスでイオン注入層を有したエピタキシャルウエーハを製造でき、また付加される工程での汚染の低減とコスト低減を両立させ、かつ製造中の金属不純物汚染を高感度で評価・保証することによって汚染の少ないウエーハを効率よく製造することのできるエピタキシャルウエーハの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and can produce an epitaxial wafer having an ion-implanted layer with a minimum necessary process, and at the same time, achieves both reduction in contamination and cost reduction in an added process, It is another object of the present invention to provide an epitaxial wafer manufacturing method capable of efficiently manufacturing a wafer with less contamination by evaluating and guaranteeing metal impurity contamination during manufacturing with high sensitivity.
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、シリコン単結晶基板を準備した後、該シリコン単結晶基板の主表面に対してイオン注入を行い、その後洗浄を行った後、エピタキシャル層の形成を行うエピタキシャルウエーハの製造方法において、前記イオン注入は、ボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも1種類をドーズ量1×1014〜1×1016atoms/cm2の範囲でイオン注入することとし、前記エピタキシャル層の形成は、枚葉式エピタキシャル装置を用いて1080℃以上の温度で行い、前記イオン注入後から前記エピタキシャル層形成前のいずれかの段階で前記シリコン単結晶基板の金属不純物濃度評価を行うか、または前記エピタキシャル層形成後に一部抜き取りにより前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板の金属不純物濃度の評価を行うことを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法を提供する。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, at least after preparing a silicon single crystal substrate, ion implantation is performed on the main surface of the silicon single crystal substrate, cleaning is performed, and then an epitaxial layer is formed. In the epitaxial wafer manufacturing method to be performed, the ion implantation is performed by implanting at least one of boron, carbon, aluminum, arsenic, and antimony in a dose range of 1 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 2. The epitaxial layer is formed at a temperature of 1080 ° C. or higher using a single wafer epitaxial apparatus, and the metal impurity concentration of the silicon single crystal substrate at any stage after the ion implantation and before the epitaxial layer formation. Evaluation is performed, or the epitaxial layer is partially extracted after the epitaxial layer is formed. It provides a method for producing an epitaxial wafer, characterized in that to evaluate the metal impurity concentration of the silicon single crystal substrate formed with interstitial layer.
このように本発明においては、汚染の可能性のある工程を少なくするために、注入イオン種をボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも1種類、ドーズ量を1×1014〜1×1016atoms/cm2とし、また回復熱処理を独立して行うことなく、エピタキシャル層の形成は枚葉式エピタキシャル装置を用いて1080℃以上の温度で行う。
これによって、回復熱処理を独立して行うことなくイオン注入ダメージを回復させることができ、従って極力熱処理を少なくすることができる。そして、金属不純物に対するゲッタリング能力が十分高い為、製造されたエピタキシャルウエーハの汚染を極力低減させることができる。また、工程を少なくすることで、イオン注入拡散層上にエピタキシャル層が形成されたウエーハの製造コスト低減も達成することができる。
As described above, in the present invention, in order to reduce the steps that may be contaminated, the implanted ion species is at least one of boron, carbon, aluminum, arsenic, and antimony, and the dose is 1 × 10 14 to 1 ×. The epitaxial layer is formed at a temperature of 1080 ° C. or higher by using a single-wafer epitaxial apparatus without performing a recovery heat treatment independently and at 10 16 atoms / cm 2 .
As a result, the ion implantation damage can be recovered without performing the recovery heat treatment independently, and therefore the heat treatment can be reduced as much as possible. And since the gettering capability with respect to a metal impurity is high enough, the contamination of the manufactured epitaxial wafer can be reduced as much as possible. In addition, by reducing the number of steps, it is possible to reduce the manufacturing cost of a wafer in which an epitaxial layer is formed on the ion implantation diffusion layer.
ここで、前記イオン注入の後、かつエピタキシャル成長前の前記洗浄の前に、前記イオン注入を行った前記シリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、該回復熱処理の後半においてパッシベーション用酸化膜を形成した後に、前記金属不純物濃度評価としてμPCD法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することが好ましい。 Here, after the ion implantation and before the cleaning before the epitaxial growth, a recovery heat treatment for crystallinity recovery is performed on the silicon single crystal substrate on which the ion implantation has been performed, and in the latter half of the recovery heat treatment After the formation of the passivation oxide film, it is preferable to measure the wafer lifetime of the silicon single crystal substrate by the μPCD method as the metal impurity concentration evaluation.
このように、イオン注入後にμPCD法によってウエーハライフタイムを測定してイオン注入工程での不純物汚染のレベルを評価することによって、不純物濃度の低い基板のみに対して洗浄やエピタキシャル層形成を行うことができ、効率よく不純物濃度の低いエピタキシャルウエーハを製造することができる。
そして、回復熱処理の後半でパッシベーション用酸化膜を形成することで、効率よくμPCD法によってウエーハライフタイムを測定することができるため、製造時間の短縮を達成することができる。
As described above, by measuring the wafer lifetime by the μPCD method after the ion implantation and evaluating the level of impurity contamination in the ion implantation process, it is possible to perform cleaning and epitaxial layer formation only on a substrate having a low impurity concentration. And an epitaxial wafer having a low impurity concentration can be produced efficiently.
Then, by forming the passivation oxide film in the second half of the recovery heat treatment, the wafer lifetime can be efficiently measured by the μPCD method, so that the manufacturing time can be shortened.
また、前記μPCD法によるウエーハライフタイム測定後、前記パッシベーション膜を除去することが好ましい。
このようにエピタキシャル前の洗浄に先立って、パッシベーション膜を除去した後にエピタキシャル層を形成することによって、ウエーハライフタイム測定に伴う金属汚染を回避することができる。またシリコンが露出した基板表面にエピタキシャル層を成長させることができ、従って更に結晶性が良好なエピタキシャル層を有するエピタキシャルウエーハを得ることができる。
Moreover, it is preferable to remove the passivation film after measuring the wafer lifetime by the μPCD method.
Thus, prior to the pre-epitaxial cleaning, by forming the epitaxial layer after removing the passivation film, metal contamination associated with wafer lifetime measurement can be avoided. Further, an epitaxial layer can be grown on the surface of the substrate where silicon is exposed, and thus an epitaxial wafer having an epitaxial layer with better crystallinity can be obtained.
更に、前記回復熱処理を、最初窒素ガス濃度97%以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えて前記シリコン単結晶基板の表面に20nm以上の厚さの熱酸化膜を形成することとし、かつ前記洗浄で前記熱酸化膜の除去を兼ねるものとすることが好ましい。 Further, the recovery heat treatment is first performed in an inert atmosphere having a nitrogen gas concentration of 97% or more, and then a thermal oxide film having a thickness of 20 nm or more is formed on the surface of the silicon single crystal substrate by switching to an oxidizing atmosphere. In addition, it is preferable that the cleaning also serves to remove the thermal oxide film.
このように、イオン注入前にウエーハ表面に酸化膜を形成することなくイオン注入を行った後に、注入によって生じた結晶性の乱れを回復する為にシリコン単結晶基板の洗浄後に例えば拡散炉で回復熱処理を行う。この回復熱処理は、初期には窒素ガス濃度97%以上の雰囲気下で行い、結晶性の回復の為に必要な時間の経過後に酸化性雰囲気に切り換えて酸化膜を20nm以上成長させた後に拡散炉から取り出すことによって、結晶性回復熱処理中の酸化を抑制し、格子間シリコンの供給が成されないようにして、初期の段階ではイオン注入ダメージによる結晶性の乱れを更に確実に回復させることができる。また結晶性の回復が進んだ後に酸化性雰囲気に切り換えて熱酸化膜を形成することによって、この酸化膜をパッシベーション膜として利用することができ、μPCD法による測定を精度よくかつ効率的に行うことができる。
更に洗浄でこの熱酸化膜を除去することで、ライフタイム測定中にウエーハ表面に付着した汚染金属種を着実に除去することができ、清浄な基板表面にエピタキシャル層を成長させることができ、結晶性の良好なエピタキシャルウエーハをより効率よく製造することができる。
In this way, after performing ion implantation without forming an oxide film on the wafer surface before ion implantation, in order to recover the disorder of crystallinity caused by implantation, recovery is performed, for example, by a diffusion furnace after cleaning the silicon single crystal substrate. Heat treatment is performed. This recovery heat treatment is initially performed in an atmosphere having a nitrogen gas concentration of 97% or more, and after the time necessary for the recovery of crystallinity has elapsed, an oxide film is grown to a thickness of 20 nm or more after switching to an oxidizing atmosphere. By taking out from the above, it is possible to suppress the oxidation during the crystallinity recovery heat treatment and prevent the supply of interstitial silicon, so that the disorder of the crystallinity due to the ion implantation damage can be more reliably recovered at the initial stage. In addition, by switching to an oxidizing atmosphere after crystallinity recovery and forming a thermal oxide film, this oxide film can be used as a passivation film, and measurement by the μPCD method can be performed accurately and efficiently. Can do.
Furthermore, by removing this thermal oxide film by washing, it is possible to steadily remove contaminated metal species adhering to the wafer surface during lifetime measurement, and to grow an epitaxial layer on a clean substrate surface. It is possible to more efficiently manufacture an epitaxial wafer having good properties.
そして、前記パッシベーション用酸化膜形成処理を行った後、前記金属不純物濃度評価として、前記イオン注入を行った表面とは逆の主表面に対して光を照射してμPCD法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することが好ましい。 Then, after performing the passivation oxide film formation process, as a metal impurity concentration evaluation, the silicon single crystal substrate is irradiated with light on the main surface opposite to the ion-implanted surface by the μPCD method. It is preferable to measure the wafer lifetime.
このように、μPCD法によるウエーハライフタイム測定において、低抵抗拡散層の影響を受けないようにする為に、イオン注入を行った表面とは反対側の表面から励起光を照射して測定を行うことによって、拡散層を有した基板に対しても高精度にライフタイム測定を行うことができ、微量の金属汚染でも評価することができる。 As described above, in the wafer lifetime measurement by the μPCD method, in order not to be affected by the low resistance diffusion layer, the measurement is performed by irradiating the excitation light from the surface opposite to the surface where the ion implantation is performed. Accordingly, lifetime measurement can be performed with high accuracy even on a substrate having a diffusion layer, and even a trace amount of metal contamination can be evaluated.
また、イオン注入後、イオン注入による結晶性の乱れを、例えば拡散炉による回復熱処理を行うことなくエピタキシャル成長工程の昇温過程やプリベーク過程を用いて回復処理と同等の効果を得ることができるが、このようなプロセスを用いる場合には、エピタキシャル成長前に酸化膜をパッシベーション膜とした製品そのもののμPCD法によるライフタイムの非破壊測定を行うことは容易ではない。
このような場合には、前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、ケミカルパッシベーションを行い、上記と同様の手法でμPCD法によるライフタイム測定を行う、或いは、前記エピタキシャル層及び前記イオン注入層をエッチングによって除去した後にケミカルパッシベーション処理を行い、前記金属不純物濃度評価として、μPCD法によるウエーハライフタイム測定またはSPV法による測定を行うことが好ましい。
In addition, after the ion implantation, the disorder of crystallinity due to the ion implantation can be obtained, for example, the same effect as the recovery process using the temperature rising process or pre-baking process of the epitaxial growth process without performing the recovery heat treatment by a diffusion furnace, When such a process is used, it is not easy to perform lifetime nondestructive measurement by μPCD method of a product itself having an oxide film as a passivation film before epitaxial growth.
In such a case, after removing a part of the silicon single crystal substrate on which the epitaxial layer is formed, chemical passivation is performed, and lifetime measurement is performed by the μPCD method in the same manner as described above, or It is preferable to perform chemical passivation after removing the epitaxial layer and the ion-implanted layer by etching, and perform the wafer lifetime measurement by the μPCD method or the SPV method as the metal impurity concentration evaluation.
このように、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のエピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングして除去することによって、従来行えなかったエピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを高い精度で評価することができ、エピタキシャル層形成のための熱処理でのウエーハの不純物汚染の有無やその水準を評価することができる。また、炉の汚染をモニターウエーハを用いて管理をするという保証方法に比較して、製品の品質を高精度に保証することが可能となる。 In this way, by etching and removing the epitaxial layer and the ion implantation layer of the silicon single crystal substrate after the epitaxial layer formation, the wafer lifetime of the silicon single crystal substrate after the epitaxial layer formation, which could not be performed in the past, is highly accurate. It is possible to evaluate the presence / absence and level of impurity contamination of the wafer in the heat treatment for forming the epitaxial layer. In addition, it is possible to guarantee the quality of the product with high accuracy compared to a guarantee method in which contamination of the furnace is managed using a monitor wafer.
また、本発明では、上記のいずれかの製造方法で製造されたエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層に、受光素子または撮像素子を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
一般的にイオン注入により拡散層を形成した後、エピタキシャル成長を行うエピタキシャルウエーハにおいて、本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法は、品質保証のみならず、工程削減、コスト低減に有効なエピタキシャルウエーハを製造することができる。取り分け、受光素子や撮像素子等の半導体装置に対して、本方法は高品質かつ低コストでの量産技術として有効である。
The present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a light receiving element or an imaging element is formed in an epitaxial layer of an epitaxial wafer manufactured by any one of the above manufacturing methods.
Generally, in an epitaxial wafer in which epitaxial growth is performed after forming a diffusion layer by ion implantation, the epitaxial wafer manufacturing method of the present invention is to manufacture an epitaxial wafer effective not only for quality assurance but also for process reduction and cost reduction. Can do. In particular, this method is effective as a high-quality and low-cost mass production technique for semiconductor devices such as light receiving elements and imaging elements.
以上説明したように、本発明によれば、エピタキシャル層直下にイオン注入による低抵抗拡散層を有するエピタキシャルウエーハの製造において、付加的な熱処理工程により起こり得る金属汚染をイオン注入後の回復熱処理条件を若干変更することによりエピタキシャル成長直前の段階で非破壊で製造ウエーハのμPCD法によるウエーハライフタイム測定を行うことが可能となり、金属汚染を高精度に評価することができる。
そして拡散炉の汚染状態を例えば毎月、或いは毎週モニターする方法に対して、確実に汚染状態をモニターすることができる。このことにより、工程の汚染管理をリアルタイムに行えるようになり、汚染が生じた場合の原因を早期に把握し、対策を行うことが実現できる。
更に、埋め込み拡散層を有するエピタキシャルウエーハのライフタイムについても、製品そのものを測定することができるようになり、モニターによるエピタキシャル装置の汚染管理方法に比べて製品の汚染状態を精度良く管理することが可能となり、また原因追及や対策を進めやすくなり、高品質なエピタキシャルウエーハの製造が可能となる。
As described above, according to the present invention, in the manufacture of an epitaxial wafer having a low resistance diffusion layer by ion implantation immediately below the epitaxial layer, metal contamination that may occur due to an additional heat treatment step is set as a recovery heat treatment condition after ion implantation. By slightly changing it, it becomes possible to perform wafer lifetime measurement by the μPCD method of the production wafer in a non-destructive stage immediately before epitaxial growth, and metal contamination can be evaluated with high accuracy.
For example, the contamination state of the diffusion furnace can be reliably monitored in contrast to a method of monitoring the contamination state of the diffusion furnace every month or weekly. As a result, process contamination can be managed in real time, and it is possible to grasp the cause of the occurrence of contamination at an early stage and take countermeasures.
In addition, the lifetime of an epitaxial wafer with an embedded diffusion layer can be measured, and the contamination status of the product can be managed with higher accuracy compared to the contamination control method of an epitaxial device using a monitor. In addition, it becomes easier to pursue the cause and take countermeasures, and it becomes possible to manufacture a high-quality epitaxial wafer.
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、必要最低限のプロセスでイオン注入層を有したエピタキシャルウエーハを製造でき、また付加される工程での汚染の低減とコスト低減を両立させ、かつ製造中の金属不純物汚染を高感度で評価・保証することによって汚染の少ないウエーハを効率よく製造することのできるエピタキシャルウエーハの製造方法の開発が待たれていた。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As described above, an epitaxial wafer having an ion-implanted layer can be manufactured with the minimum necessary process, and it is possible to achieve both reduction of contamination and cost reduction in the added process, and high sensitivity to metal impurity contamination during manufacturing. The development of a method for manufacturing an epitaxial wafer that can efficiently manufacture a wafer with little contamination by evaluating and assuring it has been awaited.
そこで、本発明者らは、イオン注入条件やエピタキシャル層の形成条件、そして不純物濃度の測定条件やそのタイミングについて鋭意検討を重ねた。 Accordingly, the present inventors have made extensive studies on the ion implantation conditions, the epitaxial layer formation conditions, the impurity concentration measurement conditions, and the timing thereof.
例えば、イオン注入工程では、注入したイオンによりシリコン単結晶基板の結晶構造が乱される。そしてドーズ量を増やすと局所的にアモルファス化した領域ができることがある。こうした結晶欠陥はその後の工程で、新たな結晶欠陥生成の起点となりやすい。
そのため、適切な条件でアニールを行って結晶性を回復させるのが一般的であり、この結晶性回復のための処理として、回復熱処理が必要となり、拡散炉で1時間前後の熱処理が一般的に行われている。近年は、RTA(ラピッド・サーマル・アニール)も用いられるようになっているが、コスト面から浅い拡散層が必要な工程に限定的に用いられているのが現実である。
For example, in the ion implantation process, the crystal structure of the silicon single crystal substrate is disturbed by the implanted ions. When the dose is increased, a locally amorphized region may be formed. Such crystal defects are likely to be a starting point for the generation of new crystal defects in subsequent processes.
Therefore, it is common to recover the crystallinity by performing annealing under appropriate conditions. As a treatment for recovering the crystallinity, a recovery heat treatment is required, and a heat treatment of about 1 hour in a diffusion furnace is generally performed. Has been done. In recent years, RTA (Rapid Thermal Annealing) has also been used, but the reality is that it is limited to processes that require a shallow diffusion layer in terms of cost.
また撮像素子等を集積する集積回路の作製においては、ドーパント濃度のムラの影響を避けるために、エピタキシャルウエーハがほぼ100%用いられる。しかし、高温で行われるエピタキシャル層形成工程中での汚染が問題になり、エピタキシャル装置の汚染状態が厳しく管理されている。
上述のように、エピタキシャル成長前に基板にイオン注入が行われる素子構造の撮像系の集積回路も増えてきている。そのため、当然汚染の機会が増えるため、汚染管理が問題になっている。
In the manufacture of an integrated circuit that integrates image pickup devices and the like, almost 100% of an epitaxial wafer is used in order to avoid the influence of uneven dopant concentration. However, contamination during the epitaxial layer forming process performed at a high temperature becomes a problem, and the contamination state of the epitaxial device is strictly controlled.
As described above, the number of integrated circuits in an imaging system having an element structure in which ions are implanted into a substrate before epitaxial growth is increasing. For this reason, contamination control is a problem because of the increased chances of contamination.
半導体基板の汚染管理は1×1010〜1×1011atoms/cm3のレベルで行われるため、評価手法に制約も多い。そのため製品そのものでなく装置の汚染状態がモニターされることが多い。その結果、管理の精度に問題があると思われる事例が時に起こっていた。
特に、エピタキシャル基板にイオン注入を行う場合の汚染管理には課題が残されていた。
Since the contamination control of the semiconductor substrate is performed at a level of 1 × 10 10 to 1 × 10 11 atoms / cm 3 , there are many restrictions on the evaluation method. For this reason, not only the product itself but also the contamination state of the device is often monitored. As a result, there were occasional cases where there seemed to be problems with management accuracy.
In particular, there remains a problem in contamination control when ion implantation is performed on an epitaxial substrate.
そこで、本発明者らは、装置の汚染状態ではなく、製品ウエーハの汚染を直接管理することで、正確にウエーハに対する汚染を把握することができるのではと発想した。そして鋭意検討を重ねた結果、イオン注入した後からエピタキシャル層を形成した後のいずれかの段階で、シリコン単結晶基板またはエピタキシャルウエーハの不純物濃度測定を行うことを発想した。
その際に例えばイオン注入の後かつエピタキシャル成長前洗浄の前にイオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行って、その熱処理中にパッシベーション膜を形成した後に金属汚染評価としてμPCD法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定したり、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行った表面とは逆の表面に対してμPCD法によってウエーハライフタイムを測定したり、エピタキシャル層形成後のシリコン単結晶基板のエピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングして除去した後にμPCD法やSPV法による測定を行うことによって、製品そのものの汚染状態を把握し、その製造過程での金属汚染状況を正確に評価でき、これによって金属不純物濃度の高いシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハを除くことができることを知見した。
Therefore, the present inventors have conceived that the contamination of the wafer can be accurately grasped by directly managing the contamination of the product wafer, not the contamination state of the apparatus. As a result of intensive studies, it was conceived that the impurity concentration of the silicon single crystal substrate or the epitaxial wafer is measured at any stage after the ion implantation and after the formation of the epitaxial layer.
In this case, for example, after performing a heat treatment for recovery of crystallinity on the silicon single crystal substrate after the ion implantation and before the pre-epitaxial growth cleaning, the metal is formed after the passivation film is formed during the heat treatment. As a contamination evaluation, the wafer life time of the silicon single crystal substrate is measured by the μPCD method, or the wafer life is measured by the μPCD method on the surface opposite to the surface where the ion implantation is performed on the silicon single crystal substrate after the epitaxial layer is formed. After measuring the time, etching and removing the epitaxial layer and ion implantation layer of the silicon single crystal substrate after the epitaxial layer formation, by measuring by μPCD method or SPV method, grasp the contamination state of the product itself, It is possible to accurately evaluate the metal contamination status during the manufacturing process, And finding that it is possible to remove the high silicon single crystal substrate and an epitaxial wafer of the genus impurity concentration.
また、エピタキシャル層の形成は枚葉式エピタキシャル装置を用いて昇温、プリベーク過程でエピタキシャル成長直前にほぼイオン注入ダメージによる結晶性を回復させることができ、拡散炉を用いて回復熱処理を行う場合に比べて汚染機会を低減させることができることも知見した。その場合、エピタキシャル層を形成済みのシリコン単結晶基板のμPCD法によるウエーハライフタイムの測定手法についても考案し、本発明を完成させた。 In addition, the epitaxial layer can be formed using a single-wafer epitaxial device to recover the crystallinity due to ion implantation damage almost immediately before epitaxial growth in the temperature rise and pre-bake process, compared with the case where recovery heat treatment is performed using a diffusion furnace. It has also been found that the opportunity for contamination can be reduced. In that case, a method for measuring a wafer lifetime by a μPCD method of a silicon single crystal substrate on which an epitaxial layer has been formed was also devised, and the present invention was completed.
以下、本発明について図面を参照してより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these.
まず最初に、簡単にμPCD法によるウエーハライフタイム測定やSPV法について説明する。
μPCD法によるウエーハライフタイム測定は、試料(ウエーハ)に対して光を当てて、発生する少数キャリアの寿命をマイクロ波の反射率の変化で検出することで、試料中の金属不純物を評価するものである。
またSPV法は、基板表面近傍に空乏層または反転層を形成し、シリコンの禁制帯エネルギー以上の単色光を断続的に照射することにより、発生した過剰キャリアの分布から少数キャリアの拡散長ならびに再結合ライフタイムを求める方法である。
First, the wafer lifetime measurement by the μPCD method and the SPV method will be briefly described.
Wafer lifetime measurement by the μPCD method evaluates metal impurities in a sample by irradiating the sample (wafer) with light and detecting the lifetime of the minority carriers generated by changes in the reflectance of the microwave. It is.
In addition, the SPV method forms a depletion layer or an inversion layer in the vicinity of the substrate surface, and intermittently irradiates monochromatic light with a bandgap energy higher than that of silicon, so that the minority carrier diffusion length and re-generation are re-established from the distribution of excess carriers. This is a method for obtaining the combined lifetime.
図1は本発明のエピタキシャルウエーハの製造方法の一例を示した工程フローである。図7には、現在広く採用されている当該エピタキシャルウエーハの製造フロー及び製造過程における汚染管理の手順を示した。以下基本的に図1(a)を参照する。 FIG. 1 is a process flow showing an example of a method for producing an epitaxial wafer of the present invention. FIG. 7 shows a manufacturing flow of the epitaxial wafer, which is currently widely used, and a contamination control procedure in the manufacturing process. Hereinafter, reference will be made basically to FIG.
まずシリコン単結晶基板を準備する。
この時準備するシリコン単結晶基板は、一般的に用いられているものであれば良く、例えばCZ法で育成したシリコン単結晶棒からスライスして作製したものを用いればよい。またその導電型や抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径等は、設計する半導体素子に適したものとなるように適宜選択することができる。
First, a silicon single crystal substrate is prepared.
The silicon single crystal substrate prepared at this time may be a commonly used one, for example, a slice produced from a silicon single crystal rod grown by the CZ method may be used. In addition, electrical characteristics such as conductivity type and resistivity, crystal orientation, crystal diameter, and the like can be appropriately selected so as to be suitable for the semiconductor element to be designed.
次に準備したシリコン単結晶基板に対してイオン注入を行う。
この時、注入するイオン種はボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも1種類、ドーズ量を1×1014〜1×1016atoms/cm2とする。このイオン注入は例えば大電流イオン注入装置を用いればよい。
Next, ion implantation is performed on the prepared silicon single crystal substrate.
At this time, the ion species to be implanted is at least one of boron, carbon, aluminum, arsenic, and antimony, and the dose is 1 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 2 . For example, a large current ion implantation apparatus may be used for this ion implantation.
このように、注入イオン種をボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも1種類とし、またドーズ量が1×1014〜1×1016atoms/cm2であれば、後の枚葉式エピタキシャル装置での加熱処理でイオン注入ダメージを十分に回復させることが比較的容易であり、また金属不純物に対するゲッタリング能力の高いエピタキシャルウエーハとすることができる。
ここで、ドーズ量が1×1014atoms/cm2未満の場合、金属不純物に対するゲッタリング能力が低く、金属不純物濃度を十分に減少させることができないため、ドーズ量の下限は1×1014atoms/cm2とする。またドーズ量が1×1016atoms/cm2より大きい場合、後の枚葉式エピタキシャル装置での加熱処理でイオン注入ダメージを十分に回復させることが難しくなるため、ドーズ量の上限は1×1016atoms/cm2とする。
In this way, when the implanted ion species is at least one of boron, carbon, aluminum, arsenic, and antimony, and the dose is 1 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 2 , the later single wafer type It is relatively easy to sufficiently recover the ion implantation damage by the heat treatment in the epitaxial apparatus, and an epitaxial wafer having a high gettering ability for metal impurities can be obtained.
Here, when the dose amount is less than 1 × 10 14 atoms / cm 2 , the gettering ability with respect to metal impurities is low, and the metal impurity concentration cannot be sufficiently reduced. Therefore, the lower limit of the dose amount is 1 × 10 14 atoms. / Cm 2 . Further, when the dose amount is larger than 1 × 10 16 atoms / cm 2 , it becomes difficult to sufficiently recover the ion implantation damage by the subsequent heat treatment in the single wafer epitaxial apparatus, so the upper limit of the dose amount is 1 × 10 6. 16 atoms / cm 2 .
ここで、イオン注入の後かつエピタキシャル成長前洗浄の前に、イオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、その工程の後半にパッシベーション用酸化膜を形成し、その後に金属不純物濃度評価としてμPCD法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することができる。
この場合、後述のように、ウエーハライフタイム測定においては、励起光をイオン注入層が形成されていない面から照射することにより高感度な測定を行うことができる。
Here, after the ion implantation and before the pre-epitaxial growth cleaning, the silicon single crystal substrate subjected to the ion implantation is subjected to a recovery heat treatment for crystallinity recovery, and a passivation oxide film is formed in the latter half of the process. Thereafter, the wafer lifetime of the silicon single crystal substrate can be measured by the μPCD method as the metal impurity concentration evaluation.
In this case, as described later, in wafer lifetime measurement, high sensitivity measurement can be performed by irradiating excitation light from the surface where the ion implantation layer is not formed.
これによって、イオン注入工程における汚染の有無を評価することができ、また金属汚染濃度の高いシリコン単結晶基板と低いシリコン単結晶基板を区別することができる。よって金属不純物濃度の低い基板のみに対して洗浄やエピタキシャル層形成を行うことができる。従って、効率よく金属不純物濃度の低いエピタキシャルウエーハを製造することができ、また無駄な工程を行わずに済み、歩留りを向上させることができるため、製造コストを削減することができる。 Thereby, the presence or absence of contamination in the ion implantation process can be evaluated, and a silicon single crystal substrate having a high metal contamination concentration and a silicon single crystal substrate having a low metal contamination concentration can be distinguished. Therefore, cleaning and epitaxial layer formation can be performed only on the substrate having a low metal impurity concentration. Therefore, an epitaxial wafer having a low metal impurity concentration can be manufactured efficiently, and a wasteful process can be omitted and the yield can be improved, so that the manufacturing cost can be reduced.
また、このようなμPCD法によるウエーハライフタイム測定後、かつエピタキシャル層形成前の洗浄の前に、パッシベーション膜を除去することができる。
これによって、ウエーハライフタイム測定に伴う金属汚染を確実に除去することができる。また結晶性の良好なシリコン単結晶基板の表面を露出させることができ、よってより結晶性の良好なエピタキシャル層を形成することができる。
Further, the passivation film can be removed after the wafer lifetime measurement by the μPCD method and before the cleaning before forming the epitaxial layer.
Thereby, the metal contamination accompanying the wafer lifetime measurement can be surely removed. In addition, the surface of the silicon single crystal substrate with good crystallinity can be exposed, and thus an epitaxial layer with better crystallinity can be formed.
そして、回復熱処理を、最初窒素ガス濃度97%以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えてシリコン単結晶基板の表面に20nm以上の厚さの熱酸化膜を形成することとし、かつ後述の洗浄は熱酸化膜の除去を兼ねるものとすることができる。 Then, the recovery heat treatment is first performed in an inert atmosphere with a nitrogen gas concentration of 97% or more, and then, a thermal oxide film having a thickness of 20 nm or more is formed on the surface of the silicon single crystal substrate by switching to an oxidizing atmosphere. The cleaning described later can also serve as the removal of the thermal oxide film.
イオン注入による結晶欠陥を回復するために行われる熱処理は、非酸化性の雰囲気が一般的である。しかしこの回復熱処理の後半で、シリコン単結晶基板を酸化してパッシベーション膜を作製して利用することにより、効率よくウエーハライフタイムを評価することができる。また測定したウエーハに問題がなければ、次工程に流し、製品ウエーハとして利用可能とすること、装置の汚染状態管理では見逃されてしまう主要工程以外での汚染についても把握することがより容易となる。 The heat treatment performed to recover crystal defects caused by ion implantation is generally a non-oxidizing atmosphere. However, in the latter half of the recovery heat treatment, the wafer lifetime can be efficiently evaluated by oxidizing and manufacturing the silicon single crystal substrate and using it. Also, if there is no problem with the measured wafer, it is easier to grasp the contamination in other than the main process that is overlooked by passing it to the next process and making it usable as a product wafer and managing the contamination status of the equipment. .
ここで、図2(a)にイオン注入後に回複熱処理を上記のように最初窒素ガス濃度97%以上の不活性雰囲気で行い、その後、酸化性雰囲気に切り換えて表面に20nm以上の厚さの熱酸化膜を形成したシリコン単結晶基板のライフタイムマップを示した。この時の酸化膜厚は250Å(25nm)である。このような酸化膜厚のシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムは平均で189μsec(最大265μsec・最小28μsec)であった。
また比較のために、図2(b)にイオン注入後に回複熱処理をし、酸化膜を形成しなかったウエーハのライフタイムマップを示した。このような酸化膜厚のイオン注入の後に回復熱処理を行ったシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムは平均で26μsec(最大37μsec・最小9μsec)であり、μPCD法によってウエーハライフタイムを評価するためには酸化膜を形成することが重要であり、上述のような方法で形成された酸化膜を用いることによって高感度でウエーハライフタイムを容易に評価できることが判った。
Here, in FIG. 2A, after the ion implantation, the double heat treatment is first performed in an inert atmosphere having a nitrogen gas concentration of 97% or more as described above, and then the surface is changed to an oxidizing atmosphere and heat having a thickness of 20 nm or more on the surface. A lifetime map of a silicon single crystal substrate on which an oxide film is formed is shown. The oxide film thickness at this time is 250 mm (25 nm). The average wafer lifetime of the silicon single crystal substrate having such an oxide film thickness was 189 μsec (maximum 265 μsec, minimum 28 μsec).
For comparison, FIG. 2B shows a lifetime map of a wafer that has been subjected to double heat treatment after ion implantation and no oxide film is formed. The wafer lifetime of the silicon single crystal substrate subjected to the recovery heat treatment after the ion implantation with such an oxide film thickness is 26 μsec on average (maximum 37 μsec, minimum 9 μsec), and in order to evaluate the wafer lifetime by the μPCD method It is important to form an oxide film, and it has been found that the wafer lifetime can be easily evaluated with high sensitivity by using an oxide film formed by the method as described above.
この必須のイオン注入工程や任意のμPCD法によるウエーハライフタイム測定後、酸化膜エッチングと洗浄を行う。
この洗浄として、例えばRCA洗浄がある。この場合、イオン注入層がエッチングされないようにSC1洗浄を高温で長時間行わないようにすることが望ましい。
After this essential ion implantation process and wafer lifetime measurement by an arbitrary μPCD method, oxide film etching and cleaning are performed.
An example of this cleaning is RCA cleaning. In this case, it is desirable not to perform the SC1 cleaning at a high temperature for a long time so that the ion implantation layer is not etched.
そして、枚葉式エピタキシャル装置を用いて、先に洗浄したシリコン単結晶基板の主表面上に1080℃以上、望ましくは1100℃以上の温度でエピタキシャル層を形成する。
エピタキシャル層の形成温度が1080℃以下の場合、高純度な原料ガスであるトリクロロシランを用いた場合に十分な成長速度が得られず、基板の僅かな欠陥に対してもエピタキシャル層に欠陥が生じやすくなる為、1080℃以上とする。
Then, using a single-wafer epitaxial apparatus, an epitaxial layer is formed on the main surface of the previously cleaned silicon single crystal substrate at a temperature of 1080 ° C. or higher, preferably 1100 ° C. or higher.
When the formation temperature of the epitaxial layer is 1080 ° C. or lower, a sufficient growth rate cannot be obtained when trichlorosilane, which is a high-purity raw material gas, is used, and defects occur in the epitaxial layer even for slight defects in the substrate. Since it becomes easy, it shall be 1080 degreeC or more.
ここで、図1(b)に示したように、エピタキシャル層形成の後、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、ケミカルパッシベーション処理を行った後、金属不純物濃度評価として、イオン注入を行った表面とは逆の主表面に対して光を照射してμPCD法によってシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することができる。 Here, as shown in FIG. 1B, after the epitaxial layer is formed, a part of the silicon single crystal substrate on which the epitaxial layer is formed is extracted and then subjected to chemical passivation, and then the metal impurity concentration As an evaluation, it is possible to measure the wafer lifetime of the silicon single crystal substrate by the μPCD method by irradiating light on the main surface opposite to the surface where the ion implantation is performed.
また、図1(b)に示したように、エピタキシャル層形成の後、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板のうちの一部を抜き取った後、エピタキシャル層及びイオン注入層をエッチングによって除去した後にケミカルパッシベーション処理を行い、金属不純物濃度評価として、μPCD法によるウエーハライフタイム測定またはSPV法による測定を行うことができる。
もちろん上述のように、エッチングでエピタキシャル層や埋め込み拡散層を除去すること無しにケミカルパッシベーションを行っても良い。この場合も、μPCD法によるウエーハライフタイム測定においては、励起光をエピタキシャル層形成面とは反対側から照射することにより、前述のエピタキシャル層や埋め込み拡散層をエッチング除去してケミカルパッシベーションを行った場合とほぼ同等な精度でライフタイム測定を行うことができる。
Further, as shown in FIG. 1B, after the epitaxial layer is formed, a part of the silicon single crystal substrate on which the epitaxial layer is formed is extracted, and then the epitaxial layer and the ion implantation layer are removed by etching. Chemical passivation treatment can be performed, and as a metal impurity concentration evaluation, wafer lifetime measurement by μPCD method or measurement by SPV method can be performed.
Of course, as described above, chemical passivation may be performed without removing the epitaxial layer and the buried diffusion layer by etching. Also in this case, in the wafer lifetime measurement by the μPCD method, when the above-described epitaxial layer and buried diffusion layer are removed by etching by irradiating excitation light from the side opposite to the epitaxial layer forming surface, chemical passivation is performed. Lifetime can be measured with almost the same accuracy.
ここでケミカルパッシベーション処理の一例について図5を用いて簡単に説明する。
まず、シリコン単結晶基板に対してHF溶液で処理して表面の自然酸化膜を除去する。
その後ラミネート袋に収納し、濃度5%のヨウ素・エタノール溶液に測定対象のシリコン単結晶基板を浸漬・シールする。その後このようなパッシベーション処理を行ったシリコン単結晶基板のライフタイムを測定する。
Here, an example of the chemical passivation process will be briefly described with reference to FIG.
First, the silicon single crystal substrate is treated with an HF solution to remove the natural oxide film on the surface.
Thereafter, it is housed in a laminate bag, and the silicon single crystal substrate to be measured is immersed and sealed in an iodine / ethanol solution having a concentration of 5%. Thereafter, the lifetime of the silicon single crystal substrate subjected to such passivation treatment is measured.
本発明においてはイオン注入による結晶欠陥の回復処理を、主にエピタキシャル成長の際の昇温によって行うことが可能である。エピタキシャル層形成工程中にイオン注入によって乱れた結晶性を回復させる場合、エピタキシャル成長前のイオン注入済みシリコン単結晶基板に対してμPCD法によるウエーハライフタイム評価を行おうとする場合、パッシベーション膜を作製しても、イオン注入によって結晶性が悪化しているため、再結合を抑制できず、高感度な測定を行うことが難しい場合がある。 In the present invention, the crystal defect recovery process by ion implantation can be performed mainly by the temperature rise during epitaxial growth. When recovering the disordered crystallinity caused by ion implantation during the epitaxial layer formation process, if a wafer lifetime evaluation by μPCD method is to be performed on an ion-implanted silicon single crystal substrate before epitaxial growth, a passivation film is prepared. However, since the crystallinity is deteriorated by ion implantation, recombination cannot be suppressed and it may be difficult to perform highly sensitive measurement.
そのような場合、破壊評価になるが、エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板に対して一部抜き取りを行い、エピタキシャルウエーハ本体に対してケミカルパッシベーションを行った後にイオン注入を行った面とは反対の表面に対してμPCD法によるウエーハライフタイム評価を行うことにより、エピタキシャルウエーハの汚染を確実に把握することができる。 In such a case, it will be a fracture evaluation, but it is opposite to the surface where the silicon single crystal substrate on which the epitaxial layer is formed is partially extracted and subjected to chemical passivation on the epitaxial wafer body and then ion-implanted. By performing the wafer lifetime evaluation by the μPCD method on the surface of the wafer, contamination of the epitaxial wafer can be surely grasped.
また、エピタキシャル層の厚さより2〜3μm余分にエピタキシャルウエーハの表層をエッチング除去すれば、イオン注入拡散層の影響無しにウエーハライフタイムを測定することができる。
この場合、フッ酸・硝酸系のエッチング液を用いれば、1,2分でエッチングができる。またパッシベーション膜の形成方法については、評価の迅速なフィードバックという点から、パッシベーション膜の形成が容易なケミカルパッシベーションが望ましい。
If the surface layer of the epitaxial wafer is removed by 2 to 3 μm more than the thickness of the epitaxial layer, the wafer lifetime can be measured without the influence of the ion implantation diffusion layer.
In this case, if a hydrofluoric acid / nitric acid based etching solution is used, etching can be performed in 1 or 2 minutes. As for the method of forming the passivation film, chemical passivation that facilitates the formation of the passivation film is desirable from the viewpoint of quick feedback of evaluation.
このように、エピタキシャル層形成用の気相成長装置の汚染状態の管理ではなく、直接的にイオン注入を行ったシリコン単結晶基板の金属不純物濃度を評価することにより、製品の汚染状態をより正確に把握、管理することができる。 In this way, rather than managing the contamination state of the vapor phase growth apparatus for forming the epitaxial layer, the contamination state of the product can be more accurately evaluated by evaluating the metal impurity concentration of the silicon single crystal substrate directly subjected to ion implantation. Can be grasped and managed.
以上具体例を示して説明したように、本発明では、イオン注入した後からエピタキシャル層を形成した後のいずれかの段階で、シリコン単結晶基板またはエピタキシャルウエーハの金属不純物濃度評価を行う。この金属不純物濃度評価のタイミングや測定方法はもちろん上述の具体例に限定されない。 As described above with reference to specific examples, in the present invention, the metal impurity concentration of the silicon single crystal substrate or the epitaxial wafer is evaluated at any stage after the ion implantation and after the formation of the epitaxial layer. Needless to say, the timing and measuring method of the metal impurity concentration evaluation are not limited to the above-described specific examples.
現在、広く用いられる汚染評価法であるSPV法やμPCD法は、5Ω・cm以上の鏡面シリコン単結晶ウエーハを熱処理装置やエピタキシャル装置に導入してシミュレーション熱処理を行った後に表面再結合を低減させるために基板の表面にパッシベーション膜を形成する処理を行う必要がある。従って、製品そのものの汚染管理ではなく、主たる熱処理を伴う装置の汚染状態を管理することが大半である。 Currently, the SPV method and μPCD method, which are widely used contamination evaluation methods, are designed to reduce surface recombination after introducing a mirror silicon single crystal wafer of 5 Ω · cm or more into a heat treatment device or epitaxial device and performing a simulation heat treatment. In addition, it is necessary to perform a process of forming a passivation film on the surface of the substrate. Therefore, in most cases, the contamination state of the apparatus accompanied by the main heat treatment is managed, not the contamination control of the product itself.
またアニール炉の汚染管理では、従来、図7に示したように、モニターウエーハを酸化処理したのち、その酸化膜をパッシベーション膜として、ウエーハライフタイムを測定し熱処理炉の汚染状態が管理される。エピタキシャル成長装置の汚染管理でもモニターウエーハにエピタキシャル成長して、パッシベーション処理をしてウエーハライフタイムを測定したり、SPV法によりFe濃度、拡散長を測定することによってエピタキシャル装置の汚染状態が管理されている。 Conventionally, in the contamination management of the annealing furnace, as shown in FIG. 7, after the monitor wafer is oxidized, the wafer lifetime is measured by using the oxide film as a passivation film to manage the contamination state of the heat treatment furnace. Also in the contamination management of the epitaxial growth apparatus, the contamination state of the epitaxial apparatus is managed by epitaxially growing on a monitor wafer and performing a passivation treatment to measure the wafer lifetime, or measuring the Fe concentration and the diffusion length by the SPV method.
これに対し、本発明のように製品と同時に処理されたウエーハの汚染状態を把握することにより、直接製品そのものの汚染状態を管理することができる。
実際の製品の汚染状態を効率的に知ることができるので、製品ウエーハに汚染が発生した時、確実に事実を把握でき、また迅速な対策を施すことが可能となる。これによって高度に清浄なエピタキシャルウエーハが得られる。
On the other hand, the contamination state of the product itself can be directly managed by grasping the contamination state of the wafer processed simultaneously with the product as in the present invention.
Since the actual contamination state of the product can be known efficiently, when the product wafer is contaminated, the fact can be surely grasped and a quick countermeasure can be taken. As a result, a highly clean epitaxial wafer can be obtained.
従来の熱処理炉や気相成長炉などのモニターウエーハを用いる製造装置の汚染状態の管理では、汚染された製品を出荷しないための必要条件が満たされていることを確認することはできても、実際に製造されたエピタキシャルウエーハが汚染されていないこと(十分条件)の確認は直接的には行えない。
本発明では、製品となるシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハの汚染を直接的に管理することによって、不純物、特に金属不純物濃度を低くすることができ、また不純物濃度の高い不良エピタキシャルウエーハを出荷することを防止することができる。
In the management of the contamination state of manufacturing equipment using monitor wafers such as conventional heat treatment furnaces and vapor phase growth furnaces, even though we can confirm that the necessary conditions for not shipping contaminated products are met, It cannot be directly confirmed that the actually manufactured epitaxial wafer is not contaminated (sufficient conditions).
In the present invention, by directly managing the contamination of a silicon single crystal substrate or an epitaxial wafer as a product, the concentration of impurities, particularly metal impurities, can be lowered, and a defective epitaxial wafer having a high impurity concentration can be shipped. Can be prevented.
また、本発明のエピタキシャルウエーハのエピタキシャル層の上に受光素子や撮像素子を形成することができる。このように、本発明により製造・管理されたエピタキシャルウエーハは、不純物濃度、特に金属不純物濃度が低く、またゲッタリング能力が高いものであるため、受光素子や撮像素子の特性向上、安定した歩留りの生産に対して有効な出発原料のエピタキシャルウエーハを低コストで製造することができ、受光素子や撮像素子を歩留りよく且つ低コストで製造することができる。 Moreover, a light receiving element and an imaging element can be formed on the epitaxial layer of the epitaxial wafer of the present invention. As described above, the epitaxial wafer manufactured and managed according to the present invention has a low impurity concentration, particularly a metal impurity concentration, and a high gettering capability. Therefore, the characteristics of the light receiving element and the imaging element are improved, and the stable yield is improved. An epitaxial wafer as a starting material effective for production can be manufactured at a low cost, and a light receiving element and an imaging element can be manufactured at a high yield and at a low cost.
以下、実験例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, although an example of an experiment is shown and the present invention is explained more concretely, the present invention is not limited to these.
(実験例)
まず、シリコン単結晶基板として、直径200mm、抵抗率10ΩcmのCZ法で成長させたポリシュドウエーハを6枚準備した。
その後、大電流イオン注入装置を用いて、準備したシリコン単結晶基板5枚に対して90keV、ドーズ量1×1015atoms/cm2、傾斜0°で砒素のイオン注入を行った。また残り1枚はモニター用としてイオン注入を行わなかった。
(Experimental example)
First, six polished wafers grown by CZ method having a diameter of 200 mm and a resistivity of 10 Ωcm were prepared as silicon single crystal substrates.
Thereafter, arsenic ions were implanted into the prepared five silicon single crystal substrates using a high current ion implantation apparatus at 90 keV, a dose of 1 × 10 15 atoms / cm 2 , and an inclination of 0 °. The remaining one was not ion-implanted for monitoring.
その後、イオン注入したシリコン単結晶基板を洗浄した。
そして、イオン注入を行ったシリコン単結晶基板に対して、縦型拡散炉を用いて、イオン注入ダメージの回復を行った。その際、過去に汚染源となり問題になったエアーピンセットを用いて拡散炉用のカセットに移し変えを行った。
窒素ガス100%の雰囲気で700℃で拡散炉に投入し900℃で10分間熱処理を施した段階で、雰囲気ガスを酸素100%に切り換えて120分熱処理を行い、700℃で拡散炉から取り出した。
Thereafter, the ion-implanted silicon single crystal substrate was washed.
Then, ion implantation damage was recovered by using a vertical diffusion furnace with respect to the silicon single crystal substrate subjected to ion implantation. At that time, air tweezers, which became a source of contamination in the past and became a problem, was transferred to a cassette for a diffusion furnace.
In a stage where nitrogen gas was introduced into a diffusion furnace at 700 ° C. in an atmosphere of 100% and heat treatment was performed at 900 ° C. for 10 minutes, the atmosphere gas was switched to 100% oxygen, heat treatment was performed for 120 minutes, and the gas was taken out from the diffusion furnace at 700 ° C. .
この段階で、酸化膜厚の測定を行ったところ、膜厚は210Å(21nm)であった。また、シート抵抗を渦電流測定装置で測定したところ、85Ω/□であった。
この酸化膜付きシリコン単結晶基板のウエーハライフタイムの測定をμPCD法によって行った。測定は、イオン注入を行った表面の反対側に励起光を照射して行った。
その結果を図2(a)に示した。図2(a)に示したように、エアーピンセットによるリング状の汚染が生じたことが判った。
When the oxide film thickness was measured at this stage, the film thickness was 210 mm (21 nm). Further, the sheet resistance was measured with an eddy current measuring device, and found to be 85Ω / □.
The wafer lifetime of this silicon single crystal substrate with an oxide film was measured by the μPCD method. The measurement was performed by irradiating excitation light on the opposite side of the surface where ion implantation was performed.
The results are shown in FIG. As shown in FIG. 2 (a), it was found that ring-shaped contamination by air tweezers occurred.
本来ならば、図2(a)で汚染が確認されているので、これらの基板を次工程に進める前に汚染の原因調査、対策が行われ、かつ汚染されたシリコン単結晶基板を除かなければならない。しかし、本発明のようにイオン注入後にライフタイム測定を行わない場合、汚染がこの段階では確認されず汚染なしとしてそのまま次工程に送られるため、本具体例では、これらの基板を5%HF溶液に10分間浸漬し酸化膜を除去したのち、SC1、SC2洗浄によりエピタキシャル層形成前の洗浄を行った。 Originally, contamination has been confirmed in FIG. 2 (a). Therefore, before proceeding to the next process, the cause of contamination must be investigated and countermeasures must be taken, and the contaminated silicon single crystal substrate must be removed. I must. However, when lifetime measurement is not performed after ion implantation as in the present invention, contamination is not confirmed at this stage and is sent to the next process as it is without contamination. Therefore, in this specific example, these substrates are treated with a 5% HF solution. After removing the oxide film by immersion for 10 minutes, cleaning before epitaxial layer formation was performed by SC1 and SC2 cleaning.
またエピタキシャル層の形成に先立ち、エピタキシャル装置で抵抗率10Ωcmの直径200mmのモニター用p型鏡面ウエーハに抵抗率10Ωcm、厚さ5μmのp型エピタキシャル層を成長させてモニターエピタキシャルウエーハを作製した。そのモニターウエーハをヨウ素溶液による標準的なケミカルパッシベーション処理を行い、ウエーハライフタイムの測定を行った。このケミカルパッシベーション処理の手順の一例を図5に示す。
そしてモニターエピタキシャルウエーハに対してμPCD法によってウエーハライフタイムを測定してライフタイムマップを作製し、それを図4に示した。
図4に示すように、ウエーハライフタイムは平均で970μsec(最大1590μsec・最小710μsec)と、非常に良好な値となっていることが判った。
Prior to the formation of the epitaxial layer, a p-type epitaxial layer having a resistivity of 10 Ωcm and a thickness of 5 μm was grown on a monitor p-type mirror wafer having a resistivity of 10 Ωcm and a diameter of 200 mm by an epitaxial apparatus to produce a monitor epitaxial wafer. The monitor wafer was subjected to a standard chemical passivation treatment with an iodine solution, and the wafer lifetime was measured. An example of the procedure of this chemical passivation process is shown in FIG.
A wafer lifetime was measured for the monitor epitaxial wafer by the μPCD method to produce a lifetime map, which is shown in FIG.
As shown in FIG. 4, the wafer lifetime was found to be a very good value of 970 μsec on average (maximum 1590 μsec and minimum 710 μsec).
そして、エピタキシャル装置による汚染がないことが確認できたので、前記5枚のイオン注入済みウエーハに、やはりp型、10Ω・cm、厚さ5μmのエピタキシャル層を成長させた。シリコンソースにはトリクロロシランを用い、成長温度は1130℃とした。 Since it was confirmed that there was no contamination by the epitaxial apparatus, a p-type epitaxial layer of 10 Ω · cm and a thickness of 5 μm was grown on the five ion-implanted wafers. Trichlorosilane was used as the silicon source, and the growth temperature was 1130 ° C.
このイオン注入層を有するエピタキシャルウエーハ5枚をフッ酸・硝酸混合液により、表裏、約8μmをエッチングしてイオン注入層やエピタキシャル層を除去した後、同様にケミカルパッシベーション処理を施し、ウエーハライフタイムの測定を行った。 5 epitaxial wafers having this ion-implanted layer were etched by about 8 μm on the front and back surfaces with a hydrofluoric acid / nitric acid mixed solution to remove the ion-implanted layer and the epitaxial layer, and then subjected to chemical passivation treatment in the same manner. Measurements were made.
5枚のウエーハのウエーハ内のライフタイムの平均値の平均値、最大、最小の平均値と代表的なライフタイムマップを図3に示した。このようなウエーハのウエーハライフタイムは平均で780μsec(最大1370μsec・最小510μsec)であり、図3に示すように、ウエーハ中心部に周辺に比べてライフタイムが悪い部分があり、金属不純物に汚染されていることが判った。
このように、エピタキシャル層形成工程後にライフタイム測定を行った場合でも、エアーピンセットによるハンドリング汚染を発見することができることが判った。
The average value of the average value of the lifetime in the wafer of the five wafers, the maximum and minimum average values, and a typical lifetime map are shown in FIG. The average wafer lifetime of such a wafer is 780 μsec (maximum 1370 μsec / minimum 510 μsec), and as shown in FIG. 3, there is a portion with a poor lifetime in the center of the wafer as compared with the periphery, which is contaminated with metal impurities. I found out.
Thus, it was found that even when lifetime measurement is performed after the epitaxial layer forming step, handling contamination due to air tweezers can be found.
従って、イオン注入後の回復熱処理を行ったウエーハであっても、エピタキシャル層形成後であっても、イオン注入回復熱処理工程でのエアーピンセットによる汚染を確認することができた。
このように、測定装置の制約やパッシベーション方法の違いもあり、ウエーハライフタイムの絶対値には工程により比較的大きな隔たりがある。しかし、ウエーハライフタイムの面内分布データから、製造工程におけるシリコン単結晶基板やエピタキシャルウエーハの汚染の有無及び汚染源は容易に把握できることが判った。
また、イオン注入後の回復熱処理段階でパッシベーション酸化膜を形成してウエーハライフタイムを測定した場合には、測定したウエーハをそのまま製品として次のエピタキシャル工程に流すことができ、測定・製造コストも低減できることが判った。
Therefore, it was possible to confirm contamination by air tweezers in the ion implantation recovery heat treatment process, whether the wafer was subjected to recovery heat treatment after ion implantation or after the epitaxial layer was formed.
As described above, there are restrictions on the measuring apparatus and differences in the passivation method, and the absolute value of the wafer lifetime varies relatively depending on the process. However, from the in-plane distribution data of the wafer lifetime, it was found that the presence or absence of contamination of the silicon single crystal substrate and the epitaxial wafer and the contamination source in the manufacturing process can be easily grasped.
In addition, when a passivation oxide film is formed in the recovery heat treatment stage after ion implantation and the wafer lifetime is measured, the measured wafer can be passed directly to the next epitaxial process as a product, reducing measurement and manufacturing costs. I found that I can do it.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
Claims (6)
前記イオン注入は、ボロン、炭素、アルミニウム、砒素、アンチモンのうち少なくとも1種類をドーズ量1×1014〜1×1016atoms/cm2の範囲でイオン注入することとし、
前記エピタキシャル層の形成は、枚葉式エピタキシャル装置を用いて1080℃以上の温度で行い、
前記イオン注入後から前記エピタキシャル層形成前のいずれかの段階で前記シリコン単結晶基板の金属不純物濃度評価を行うか、または前記エピタキシャル層形成後に一部抜き取りにより前記エピタキシャル層を形成したシリコン単結晶基板の金属不純物濃度の評価を行うにあたり、
前記イオン注入の後、かつ前記洗浄の前に、前記イオン注入を行った前記シリコン単結晶基板に対して結晶性回復のための回復熱処理を行い、該回復熱処理の後半においてパッシベーション用酸化膜を形成した後に、前記金属不純物濃度評価としてμPCD法によって前記シリコン単結晶基板のウエーハライフタイムを測定することを特徴とするエピタキシャルウエーハの製造方法。 At least after preparing a silicon single crystal substrate, ion implantation is performed on the main surface of the silicon single crystal substrate, cleaning is performed thereafter, and an epitaxial layer is formed.
The ion implantation is performed by implanting at least one of boron, carbon, aluminum, arsenic, and antimony in a dose range of 1 × 10 14 to 1 × 10 16 atoms / cm 2 .
The formation of the epitaxial layer is performed at a temperature of 1080 ° C. or higher using a single-wafer epitaxial apparatus,
The silicon single crystal substrate in which the metal impurity concentration of the silicon single crystal substrate is evaluated at any stage after the ion implantation and before the formation of the epitaxial layer, or the epitaxial layer is formed by partial extraction after the formation of the epitaxial layer line evaluation of the metal impurity concentration Uniatari,
After the ion implantation and before the cleaning, the silicon single crystal substrate on which the ion implantation has been performed is subjected to a recovery heat treatment for crystallinity recovery, and a passivation oxide film is formed in the latter half of the recovery heat treatment. Then, a wafer lifetime of the silicon single crystal substrate is measured by μPCD method as the evaluation of the metal impurity concentration .
The epitaxial layer of the epitaxial wafer produced by the described manufacturing method in any one of claims 1 to 5, a method of manufacturing a semiconductor device characterized by forming a light receiving element or the image pickup device.
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