JP7250216B2 - Method for measuring carbon concentration in silicon substrate - Google Patents

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Description

本開示は、シリコン基板の炭素濃度の測定方法に関する。 The present disclosure relates to a method for measuring carbon concentration in silicon substrates.

結晶を育成するときに、シリコン基板には微量な不純物が混入する。例えば、シリコン基板をパワーデバイス製造に用いると、ライフタイム制御を行う工程で、シリコン基板に含まれる不純物の量により、デバイス特性が変化することが分かっている。特に、シリコン基板に含まれる不純物の内、炭素が注目され、シリコン結晶の育成時の炭素汚染の低減化が検討されている。 A small amount of impurities are mixed into the silicon substrate when the crystal is grown. For example, it is known that when a silicon substrate is used for manufacturing a power device, the device characteristics change depending on the amount of impurities contained in the silicon substrate in the lifetime control process. In particular, among impurities contained in a silicon substrate, carbon attracts attention, and reduction of carbon contamination during growth of silicon crystals is being studied.

シリコン基板中の炭素濃度の測定方法としては、測定の簡便性からFT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)が標準的に用いられている。しかし、FT-IRでは、シリコン基板中の炭素濃度の測定下限値は2×1015atoms/cm3程度であり、それ以下の炭素濃度の測定には適用できない。As a method for measuring the carbon concentration in a silicon substrate, FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) is commonly used because of the simplicity of measurement. However, in FT-IR, the lower limit of measurement of carbon concentration in a silicon substrate is about 2×10 15 atoms/cm 3 , and it cannot be applied to measurement of carbon concentration below that.

そこで、低濃度の炭素を検出するために、電子線照射や化学処理を用いて炭素を活性化し(複合欠陥に変換し)、その複合欠陥のトラップ準位を検出する試みがなされている。例えば、特許文献1(特開2015-222801号公報)では、電子線照射を用いて、シリコン基板内の炭素を活性化し、PL(Photoluminescence)法を用いて炭素(複合欠陥)を検知している。 Therefore, in order to detect low-concentration carbon, attempts have been made to activate carbon (convert to complex defects) using electron beam irradiation or chemical treatment and detect the trap levels of the complex defects. For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-222801), electron beam irradiation is used to activate carbon in a silicon substrate, and a PL (Photoluminescence) method is used to detect carbon (complex defects). .

特開2015-222801号公報JP 2015-222801 A

特許文献1に記載の測定方法では、微量炭素濃度を測定するために検量線、参照試料を必要とする。しかしながら、検量線や参照試料を作る際に、炭素濃度や他の不純物濃度(例えば、酸素濃度)が変化しても、活性化処理により炭素が複合欠陥に変換される効率は一定であると、仮定しており、検量線は正確でない可能性がある。 The measurement method described in Patent Document 1 requires a calibration curve and a reference sample to measure the trace carbon concentration. However, even if the concentration of carbon or other impurities (for example, oxygen concentration) changes when making a calibration curve or reference sample, the efficiency of converting carbon into complex defects by the activation treatment is constant. assumptions and calibration curves may not be exact.

したがって、本開示は、シリコン基板の微量の炭素濃度を正確に測定することのできる炭素濃度の測定方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a carbon concentration measuring method capable of accurately measuring a minute amount of carbon concentration in a silicon substrate.

本開示に係るシリコン基板の炭素濃度の測定方法は、
シリコン基板の一方の表面に形成されたショットキー接合を有するp型領域およびショットキー接合を有するn型領域の各々に、電子線照射、荷電粒子線照射およびイオン注入の少なくともいずれかを実施する工程と、
過渡容量法を用いて、前記p型領域の第1トラップ準位の濃度および前記n型領域の第2トラップ準位の濃度を測定する工程と、
測定された前記第1トラップ準位の濃度および前記第2トラップ準位の濃度を用いて炭素濃度を定量する工程と、
を含む。
A method for measuring the carbon concentration of a silicon substrate according to the present disclosure includes:
A step of subjecting each of a p-type region having a Schottky junction and an n-type region having a Schottky junction formed on one surface of a silicon substrate to at least one of electron beam irradiation, charged particle beam irradiation and ion implantation. and,
measuring the concentration of the first trap level in the p-type region and the concentration of the second trap level in the n-type region using a transient capacitance method;
quantifying the carbon concentration using the measured concentration of the first trap level and the concentration of the second trap level;
including.

炭素濃度の測定に検量線を用いる従来の測定法では、酸素不純物の影響を受けて検量線が不正確になる可能性があったが、本開示の測定方法においては、検量線を用いないため、シリコン基板の微量の炭素濃度を正確に測定することができる。 In the conventional measurement method using a calibration curve to measure the carbon concentration, the calibration curve may be inaccurate due to the influence of oxygen impurities, but the measurement method of the present disclosure does not use a calibration curve. , it is possible to accurately measure trace amounts of carbon concentration in silicon substrates.

実施の形態1に係る炭素濃度測定の各工程を示すフロー図である。4 is a flow chart showing each step of carbon concentration measurement according to Embodiment 1. FIG. 測定対象となるシリコン基板の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the silicon substrate used as a measuring object. 電子線の照射量とトラップ準位Ev:+0.37eVの濃度の関係を示すグラフである。3 is a graph showing the relationship between the dose of electron beams and the concentration of trap level Ev: +0.37 eV. 電子線の照射量とトラップ準位Ec:-0.17eVの濃度の関係を示すグラフである。2 is a graph showing the relationship between the dose of electron beams and the concentration of trap level Ec: -0.17 eV. Ec:-0.17eVのDLTS信号強度とフィリングパルス幅の関係を示すグラフである。Fig. 10 is a graph showing the relationship between the DLTS signal intensity of Ec: -0.17 eV and the filling pulse width;

以下、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described below. In addition, in the drawings of the present disclosure, the same reference numerals represent the same or corresponding parts. Also, dimensional relationships such as length, width, thickness, and depth are appropriately changed for clarity and simplification of the drawings, and do not represent actual dimensional relationships.

実施の形態1.
本実施の形態に係るシリコン基板の炭素濃度の測定方法は、
シリコン基板の一方の表面に形成された「ショットキー接合を有するp型領域」および「ショットキー接合を有するn型領域」の各々に、電子線照射、荷電粒子線照射およびイオン注入の少なくともいずれかを実施する工程(第1工程:炭素の活性化)と、
過渡容量法を用いて、p型領域の第1トラップ準位の濃度およびn型領域の第2トラップ準位の濃度を測定する工程(第2工程:トラップ準位の濃度測定)と、
測定された第1トラップ準位の濃度および第2トラップ準位の濃度を用いて炭素濃度を定量する工程(第3工程:炭素濃度の定量)と、
を含む。
Embodiment 1.
The method for measuring the carbon concentration of the silicon substrate according to the present embodiment includes
At least one of electron beam irradiation, charged particle beam irradiation, and ion implantation is applied to each of the "p-type region having a Schottky junction" and the "n-type region having a Schottky junction" formed on one surface of a silicon substrate. (first step: activation of carbon);
measuring the concentration of the first trap level in the p-type region and the concentration of the second trap level in the n-type region using the transient capacitance method (second step: concentration measurement of the trap level);
a step of quantifying the carbon concentration using the measured first trap level concentration and second trap level concentration (third step: quantifying the carbon concentration);
including.

以下、本実施の形態に係るシリコン基板の炭素濃度の測定方法の具体的な手順について、図面を参照して説明する。 Specific procedures of the method for measuring the carbon concentration of the silicon substrate according to the present embodiment will be described below with reference to the drawings.

測定対象はシリコン基板である。シリコン基板とは、シリコンを主成分として含む半導体基板である。ここで、シリコンを主成分として含むとは、半導体基板中のシリコンの含有率が50質量%より多いことを意味する。半導体基板中のシリコンの含有率は、好ましくは90質量%以上であり、より好ましくは95質量%以上であり、さらに好ましくは98質量%以上である。なお、本実施の形態では、一例として、FZ(Floating-Zone)法で育成した導電型がn型であるシリコン基板について説明する。 The object to be measured is a silicon substrate. A silicon substrate is a semiconductor substrate containing silicon as a main component. Here, containing silicon as a main component means that the content of silicon in the semiconductor substrate is more than 50% by mass. The content of silicon in the semiconductor substrate is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and still more preferably 98% by mass or more. In this embodiment, as an example, a silicon substrate grown by the FZ (Floating-Zone) method and having n-type conductivity will be described.

図1を参照して、本実施の形態に係るシリコン基板の炭素濃度の測定方法は、少なくとも上述の第1工程から第3工程を含む。始めに、上記第1工程の前の工程から説明する。 Referring to FIG. 1, the method for measuring the carbon concentration of a silicon substrate according to the present embodiment includes at least the first to third steps described above. First, the steps before the first step will be described.

なお、本実施の形態では、シリコン基板1がn型半導体基板である場合について説明する。 In this embodiment, a case where silicon substrate 1 is an n-type semiconductor substrate will be described.

(p型領域およびn型領域の形成)
図2を参照して、シリコン基板1がn型半導体基板である場合は、シリコン基板1の一方の表面(第1表面2)にp型領域3を形成する。p型領域の形成は、イオン注入および活性化アニールによって行うことができる。p型ドーパントとしては、例えば、ボロンが挙げられる。これら元素(ドーパント)をイオン化し、加速してシリコン基板に注入する。さらに、注入された元素を活性化する(置換位置に移動させる)ために、例えば、バッチ炉やRTA(Rapid thermal anneal)を用いて600~1000℃でのアニールを行う。
(Formation of p-type region and n-type region)
Referring to FIG. 2, when silicon substrate 1 is an n-type semiconductor substrate, p-type region 3 is formed on one surface (first surface 2) of silicon substrate 1 . Formation of the p-type region can be performed by ion implantation and activation annealing. Examples of p-type dopants include boron. These elements (dopants) are ionized, accelerated and implanted into the silicon substrate. Furthermore, in order to activate the implanted elements (move them to substitution positions), annealing is performed at 600 to 1000° C. using, for example, a batch furnace or RTA (rapid thermal anneal).

なお、シリコン基板がp型である場合は、シリコン基板1の一方の表面(第1表面2)にn型領域を形成する。n型ドーパントとしては、例えば、リンが挙げられる。 When the silicon substrate is p-type, an n-type region is formed on one surface (first surface 2) of silicon substrate 1. As shown in FIG. Examples of n-type dopants include phosphorus.

また、イオン注入を用いずに、拡散法でp型領域(p型シリコン基板の場合は、n型領域)を形成してもよい。例えば、シリコン基板を温度制御された石英管の中に入れ、必要なドーパントを含んだ混合ガスを流しながら800~1200℃でアニールすることで、p型領域を形成してもよい。 Alternatively, a p-type region (n-type region in the case of a p-type silicon substrate) may be formed by a diffusion method without using ion implantation. For example, a p-type region may be formed by placing a silicon substrate in a temperature-controlled quartz tube and annealing at 800 to 1200° C. while flowing a mixed gas containing the necessary dopants.

ここで挙げたp型領域(n型領域)を形成する方法は一例であり、一般的な半導体製造工程で用いられる方法が特に制限なく使用できる。ただし、後述される過渡容量法ではキャリア濃度がトラップ準位の検出下限値に影響するため、形成されるp型領域のキャリア濃度は、シリコン基板の導電型が反転する範囲内で低濃度であることが好ましい。 The method of forming the p-type region (n-type region) mentioned here is just an example, and methods used in general semiconductor manufacturing processes can be used without particular limitation. However, since the carrier concentration affects the lower detection limit of the trap level in the transient capacitance method described later, the carrier concentration of the formed p-type region is low within the range where the conductivity type of the silicon substrate is inverted. is preferred.

なお、p型領域(n型領域)を形成する工程は、既にn型領域およびp型領域を有するシリコン基板については、行う必要はない。 It should be noted that the step of forming the p-type region (n-type region) need not be performed for a silicon substrate that already has an n-type region and a p-type region.

(ショットキー接合の形成)
次に、第1表面2のp型領域3およびn型領域(p型領域3以外の領域)の各々に、ショットキー接合を形成する。
(Formation of Schottky junction)
Next, a Schottky junction is formed in each of p-type region 3 and n-type region (region other than p-type region 3) of first surface 2 .

具体的には、まず、n型シリコン基板1の第1表面2に電極を形成するために、パターニングと金属膜の形成を行う。パターニングとしては、レジスト塗布、写真製版等により、p型領域およびn型領域(p型領域以外の領域)の各々の上部に開口部を有するマスクを形成する。その状態で、マスクの開口部に金属膜(第1電極4および第2電極5)を形成することで、p型領域3と第1電極4との間でショットキー接合が形成され、n型領域と第2電極5との間でオーミック接合が形成される。なお、第1電極4および第2電極5が形成された後に、レジストが除去される。 Specifically, first, in order to form an electrode on the first surface 2 of the n-type silicon substrate 1, patterning and formation of a metal film are performed. As patterning, a mask having openings above each of the p-type region and the n-type region (regions other than the p-type region) is formed by resist coating, photolithography, or the like. In this state, metal films (the first electrode 4 and the second electrode 5) are formed in the openings of the mask, thereby forming a Schottky junction between the p-type region 3 and the first electrode 4 to form an n-type electrode. An ohmic contact is formed between the region and the second electrode 5 . Note that the resist is removed after the first electrode 4 and the second electrode 5 are formed.

金属膜の形成方法には、一般的な半導体製造工程で用いられる蒸着法やCVD(Chemical vapor deposition)法が適用できる。用いる金属としては、In等の仕事関数の小さい金属が適するが、p型領域との間でショットキー接合を形成できる(n型領域との間でオーミック接合を形成できる)のであれば、他の金属も適用できる。 As a method for forming the metal film, a vapor deposition method or a CVD (Chemical vapor deposition) method used in general semiconductor manufacturing processes can be applied. As the metal to be used, a metal with a small work function such as In is suitable. Metals are also applicable.

次に、n型シリコン基板1の第1表面2に別の電極を形成する。第1電極4および第2電極5と同様に、再度パターニングと金属膜(第3電極6および第4電極7)の形成を行う。これにより、p型領域3と第3電極6との間でオーミック接合が形成され、n型領域と第4電極7との間でショットキー接合が形成される。 Next, another electrode is formed on the first surface 2 of the n-type silicon substrate 1 . Patterning and formation of metal films (third electrode 6 and fourth electrode 7) are performed again in the same manner as the first electrode 4 and the second electrode 5 . Thereby, an ohmic junction is formed between the p-type region 3 and the third electrode 6 and a Schottky junction is formed between the n-type region and the fourth electrode 7 .

ここで用いる金属としては、Au、Pt等の仕事関数の大きい金属が適するが、p型領域との間でオーミック接合を形成できる(n型領域との間でショットキー接合できる)のであれば、他の金属も適用できる。 As the metal used here, a metal with a large work function such as Au or Pt is suitable. Other metals are also applicable.

なお、第1工程では、p型領域にショットキー接合を形成し、n型領域にオーミック接合を形成する(または、p型領域にオーミック接合を形成し、n型領域にショットキー接合を形成する)ときに、同じ金属を用いた。ここでは、工程削減のために同じ金属を用いたが、それぞれ別の金属を用いてもなんら問題はない。 In the first step, a Schottky junction is formed in the p-type region and an ohmic junction is formed in the n-type region (or an ohmic junction is formed in the p-type region and a Schottky junction is formed in the n-type region). ) sometimes used the same metal. Here, the same metal is used to reduce the number of steps, but there is no problem even if different metals are used.

また、n型領域のオーミック接合はシリコン基板1の第1表面2に形成したが、第1表面2と反対側の第2表面にオーミック電極を形成してもなんら問題はない。 Also, although the ohmic junction of the n-type region is formed on the first surface 2 of the silicon substrate 1, forming an ohmic electrode on the second surface opposite to the first surface 2 poses no problem.

また、n型領域およびp型領域のキャリア濃度が大きい場合、シリコン基板と該シリコン基板の表面に接触する金属部材との間で導通を得ることが可能であり、後述される過渡容量法の測定に影響がないため、オーミック接合の形成を省略することも可能である。ただし、ショットキー接合の形成は、過渡容量法の測定を行うために必要である。 Further, when the carrier concentrations of the n-type region and the p-type region are high, it is possible to obtain conduction between the silicon substrate and the metal member in contact with the surface of the silicon substrate, and the transient capacitance method, which will be described later, can be measured. It is also possible to omit the formation of the ohmic junction, since there is no effect on However, the formation of a Schottky junction is necessary for the measurement of the transient capacitance method.

(第1工程:炭素の活性化)
第1工程では、シリコン基板の一方の表面に形成されたp型およびn型のショットキー構造のそれぞれに、電子線照射、荷電粒子線照射およびイオン注入の少なくともいずれかを実施する。これにより、シリコン基板のn型領域およびp型領域の両方において、炭素が活性化される。
(First step: activation of carbon)
In the first step, each of the p-type and n-type Schottky structures formed on one surface of the silicon substrate is subjected to at least one of electron beam irradiation, charged particle beam irradiation and ion implantation. This activates carbon in both the n-type and p-type regions of the silicon substrate.

電子線照射により、シリコン基板を構成するシリコン結晶はダメージを受け、格子間シリコンおよびシリコン原子空孔(以下、単に「空孔」と略す。)が発生する。室温環境のシリコン結晶内で、格子間シリコンは、容易に拡散し、シリコン結晶内の不純物原子、他の格子間シリコン、空孔等が存在するサイトに到達する。この際、格子間シリコンは、不純物原子、他の格子間シリコン等と反応し、なんらかの複合欠陥が形成される(空孔の場合は対消滅する)。 The electron beam irradiation damages the silicon crystals forming the silicon substrate, generating interstitial silicon and silicon atomic vacancies (hereinafter simply referred to as "vacancies"). In a silicon crystal in a room temperature environment, interstitial silicon diffuses easily and reaches sites where impurity atoms, other interstitial silicon, vacancies, etc. exist in the silicon crystal. At this time, the interstitial silicon reacts with impurity atoms, other interstitial silicon, and the like to form some complex defects (in the case of vacancies, they are pair-annihilated).

例えば、格子間シリコンが、格子位置を占める炭素のサイトに拡散することで、格子間炭素が生成する。さらに格子間炭素が、格子間位置の酸素のサイトに拡散することで、格子間炭素-格子間酸素対(C)と呼ばれる複合欠陥が形成されることが知られている。また、格子間炭素が、格子位置の炭素のサイトに拡散することで、格子間炭素-格子位置炭素対(C)と呼ばれる複合欠陥が形成されることが知られている。ここで、「C」は炭素を意味し、「O」は酸素を意味する。「i」は格子間位置(interstitial site)を意味し、「s」は格子位置(substitutional site)を意味する。For example, interstitial carbon is produced by diffusion of interstitial silicon to carbon sites that occupy lattice sites. Further, it is known that interstitial carbon diffuses into interstitial oxygen sites to form complex defects called interstitial carbon-interstitial oxygen pairs (C i O i ). It is also known that interstitial carbon diffuses to lattice-position carbon sites to form complex defects called interstitial carbon-lattice-position carbon pairs (C i C s ). Here, "C" means carbon and "O" means oxygen. "i" means interstitial site and "s" means substitutional site.

電子線はシリコン基板を容易に透過するため、電子線の加速電圧は限定されない。
電子線の照射量は、全ての炭素を活性化するために、シリコン基板の炭素濃度を考慮して、選定することが好ましい。
Since the electron beam easily penetrates the silicon substrate, the acceleration voltage of the electron beam is not limited.
It is preferable to select the irradiation amount of the electron beam in consideration of the carbon concentration of the silicon substrate in order to activate all the carbon.

例えば、発明者らの実験では、炭素濃度が約1×1015atoms/cm3であるFZ育成n型シリコン基板に、750keVのエネルギーの電子線を2.3×1014e/cm2から9.3×1014e/cm2の範囲で照射し、CとCのトラップ準位を評価したところ、トラップ準位濃度は電子線照射量依存性を持たないことを確認した。For example, in experiments by the inventors, an FZ-grown n-type silicon substrate having a carbon concentration of about 1×10 15 atoms/cm 3 was irradiated with an electron beam having an energy of 750 keV from 2.3×10 14 e/cm 2 to 9 When the trap levels of C i O i and C i C s were evaluated by irradiation in the range of 3×10 14 e/cm 2 , it was confirmed that the trap level concentrations did not depend on the electron beam dose. bottom.

この結果を図3(Cのトラップ準位)および図4(Cのトラップ準位)に示す。なお、シリコン基板Aは、酸素濃度が多いシリコン基板であり、具体的には、酸素濃度は1×1017(atoms/cm3)のオーダーである。また、シリコン基板Bは、酸素濃度が少ないシリコン基板であり、具体的には、酸素濃度は1×1015(atoms/cm3)のオーダーである。また、図3および図4において、「任意単位」とは、PL発光強度が見積ったトラップ準位濃度を意味する。The results are shown in FIG. 3 (C i C s trap level) and FIG. 4 (C i O i trap level). The silicon substrate A is a silicon substrate having a high oxygen concentration, specifically, the oxygen concentration is on the order of 1×10 17 (atoms/cm 3 ). The silicon substrate B is a silicon substrate having a low oxygen concentration, specifically, the oxygen concentration is on the order of 1×10 15 (atoms/cm 3 ). In addition, in FIGS. 3 and 4, "arbitrary unit" means the trap level concentration estimated by the PL emission intensity.

図3および図4に示される結果から、炭素濃度が約1×1015atoms/cm3のシリコン基板の場合、電子線照射量が2.3×1014e/cm2以上のときに、全ての炭素が活性化され複合欠陥に変換されていることが分かる。From the results shown in FIGS. 3 and 4, in the case of a silicon substrate with a carbon concentration of about 1×10 15 atoms/cm 3 , when the electron beam dose is 2.3×10 14 e/cm 2 or more, all It can be seen that the carbon of is activated and converted to complex defects.

なお、図3および図4では、酸素濃度の異なる2種類のシリコン基板のデータを記載しており、酸素濃度が多いシリコン基板AではCが多く(Cが少なく)、酸素濃度が少ないシリコン基板BでCが少なく(Cが多く)なっている。3 and 4 show data for two types of silicon substrates with different oxygen concentrations. Silicon substrate A, which has a high oxygen concentration, has a large amount of C i O i (small amount of C i Cs ) and oxygen Silicon substrate B with a low concentration has less C i O i (more C i C s ).

このように電子線照射により、シリコン基板内の炭素はCかCのいずれかに活性化されるため、CとCの2つのトラップ準位からシリコン基板中の炭素濃度は測定可能である。ただし、基本的には、全ての炭素が活性化されていることが炭素濃度測定の前提条件となるため、前述の発明者の実験結果に基づき、試料に含有されると想定される炭素濃度に対する電線照射量の比率は、4atoms/e・cm以上であることが好ましい。In this way, electron beam irradiation activates carbon in the silicon substrate to either C i O i or C i C s . Carbon concentration in the substrate can be measured. However, basically, activation of all carbon is a precondition for carbon concentration measurement. The wire irradiation dose ratio is preferably 4 atoms/e·cm or more.

また、シリコン基板に電子線を照射した後、室温で放置した場合でもCおよびCの形成が自発的に進むが、より早く複合欠陥の反応を完了するためには、シリコン基板をアニールすることが好ましい。アニールの温度は、熱に弱いCの分解を考慮して100℃以下であることが好ましい。In addition, the formation of C i O i and C i C s proceeds spontaneously even when the silicon substrate is left at room temperature after electron beam irradiation. Annealing the substrate is preferred. The annealing temperature is preferably 100° C. or less in consideration of the decomposition of CiCs , which is weak against heat.

電子線照射の代わりに、荷電粒子線照射、イオン注入などを実施する方法でも、シリコン基板中の炭素を活性化してCやCに変換することができる。Instead of electron beam irradiation, charged particle beam irradiation, ion implantation, or the like can also be used to activate carbon in the silicon substrate and convert it to C i C s or C i O i .

イオン注入を行う場合、注入される元素と炭素が複合欠陥を形成すると、上述の炭素濃度の測定精度が低下する。このため、炭素と反応し難い不活性元素のイオンを注入することが好ましい。 In the case of ion implantation, if the implanted element and carbon form complex defects, the above-mentioned measurement accuracy of the carbon concentration is lowered. Therefore, it is preferable to implant ions of an inert element that hardly reacts with carbon.

また、重いイオンを注入する場合、炭素が活性化されることに加えて、格子間シリコンや空孔のクラスターが形成され、トラップ準位の測定精度を低下させる。このため、例えば荷電粒子線はα線であることが好ましく、イオン注入はドーズが小さいSiイオン注入が好ましい。 In addition, when heavy ions are implanted, in addition to activating carbon, clusters of interstitial silicon and vacancies are formed, reducing the measurement accuracy of the trap level. For this reason, for example, the charged particle beam is preferably α rays, and the ion implantation is preferably Si ion implantation with a small dose.

(第2工程:トラップ準位の濃度測定)
第2工程では、上記の試料(測定用シリコン基板)について、過渡容量法を用いて、p型領域の第1トラップ準位の濃度およびn型領域の第2トラップ準位の濃度を測定する。なお、トラップ準位の濃度測定には、上記のn型領域およびp型領域のショットキー接合が用いられる。
(Second step: trap level concentration measurement)
In the second step, the concentration of the first trap level in the p-type region and the concentration of the second trap level in the n-type region are measured for the above sample (silicon substrate for measurement) using the transient capacitance method. Note that the Schottky junctions of the n-type region and the p-type region are used for measuring the concentration of the trap level.

p型領域3の欠陥の第1トラップ準位の濃度を測定する。
具体的には、まず、第1電極4と第3電極6の静電容量を測定する。例えば、第1電極4および第3電極6にプローブを接触させる。この状態で、過渡容量法を用いて、p型層中に広がる第1空乏層8の幅を変調して、トラップ準位を測定する。この際、Ev:+0.37eV付近にCのトラップ準位のピークが得られる。ここで、Eは、シリコンの価電子帯の上端のエネルギーを意味する。このようにして得られたトラップ準位を第1トラップ準位とする。
The concentration of the first trap level of defects in the p-type region 3 is measured.
Specifically, first, the capacitances of the first electrode 4 and the third electrode 6 are measured. For example, probes are brought into contact with the first electrode 4 and the third electrode 6 . In this state, the transient capacitance method is used to modulate the width of the first depletion layer 8 extending in the p-type layer to measure the trap level. At this time, a C i O i trap level peak is obtained near Ev: +0.37 eV. Here, E v means the energy at the top of the valence band of silicon. The trap level obtained in this manner is defined as a first trap level.

過度容量法としては、例えば、DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)法(準位過渡容量法)、ICTS(Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy)法(等温過渡容量法)などを好適に用いることができる。以降はDLTSを用いて説明する。 As the transient capacitance method, for example, a DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) method, an ICTS (Isothermal Capacitance Transient Spectroscopy) method (isothermal transient capacitance method), or the like can be suitably used. Hereinafter, DLTS will be used for explanation.

DLTS法の測定には、例えば、バイアス電圧やフィリングパルス電圧が1~10V、フィリングパルス幅が100ミリ秒から10秒、レートウインドウが100ミリ秒から1秒、温度掃引範囲が50Kから300Kの条件で、公知技術を特に制限なく適用できる。また、DLTS信号をトラップ濃度に換算する解析方法には、ラングの解析法のような公知技術を特に制限なく適用できる。 For the measurement of the DLTS method, for example, the bias voltage and filling pulse voltage are 1 to 10 V, the filling pulse width is 100 ms to 10 seconds, the rate window is 100 ms to 1 second, and the temperature sweep range is 50 K to 300 K. Therefore, known techniques can be applied without any particular limitation. Also, as the analysis method for converting the DLTS signal into the trap concentration, a known technique such as Lang's analysis method can be applied without particular limitation.

次に、n型領域の欠陥の第2トラップ準位の濃度を測定する。
具体的には、まず、第2電極5と第4電極7の静電容量を測定する。例えば、第2電極5および第4電極7にプローブを接触させる。この状態でDLTS法を用いて、n型層中に広がる第2空乏層9の幅を変調して、トラップ準位を測定する。
Next, the concentration of the second trap level of defects in the n-type region is measured.
Specifically, first, the capacitances of the second electrode 5 and the fourth electrode 7 are measured. For example, probes are brought into contact with the second electrode 5 and the fourth electrode 7 . In this state, the DLTS method is used to modulate the width of the second depletion layer 9 extending in the n-type layer to measure the trap level.

この際、E:-0.17eV付近に、空孔-酸素対(VO)の信号とCの信号とが重畳した信号が得られる。尚、Ecは、シリコンの伝導帯下端のエネルギーを意味する。また、「V」はVacancyを意味する。At this time, a signal obtained by superimposing the signal of the vacancy-oxygen pair (VO) and the signal of C i C s is obtained near E c : -0.17 eV. Note that Ec means the energy at the bottom of the conduction band of silicon. Moreover, "V" means Vacancy.

:-0.17eV付近のピークからVOの信号を取り除くために、パルス電圧の印可時間が異なる2回のDLTS法を用いた測定を行う。E c : In order to remove the VO signal from the peak near -0.17 eV, measurement is performed twice using the DLTS method with different application times of the pulse voltage.

図5に、レートウインドウ、温度一定下でパルス幅を変えて、Ec:-0.17eVのDLTS信号強度を測定した結果を示す。パルス幅を長くすると応答のトラップ準位が増加し、信号強度が強くなるが、1×10-8秒以上1×10-6秒未満の区間では捕獲断面積の大きいVOが応答し、1×10-4秒以上の区間ではVOに加えて、捕獲断面積の小さいCも応答している。すなわち、パルス幅が1×10-5秒以上1×10-4秒未満では、Cの信号が除外され、VOのみの信号が検出される。次にパルス幅を1×10-4秒以上に長くすると、E:-0.17eVの信号にはVOとCの両方の信号が含まれる。FIG. 5 shows the results of measuring the DLTS signal intensity at Ec: -0.17 eV by changing the pulse width in the rate window and at a constant temperature. When the pulse width is lengthened, the trap level of the response increases and the signal intensity becomes stronger. In addition to VO, C i C s with a small capture cross-section also responded in the interval longer than 10 −4 seconds. That is, when the pulse width is 1×10 −5 seconds or more and less than 1×10 −4 seconds, the signal of C i C s is excluded and only the signal of VO is detected. Next, when the pulse width is increased to 1×10 −4 sec or more, the signal of E c : −0.17 eV includes both VO and C i C s signals.

本実施の形態では、パルス幅が長い条件(1×10-2秒以上)で測定した信号から、パルス幅が短い条件(1×10-4秒未満)で測定した信号を差し引くことで、Cのトラップ準位の濃度を測定する。このようにして得られたトラップ準位を第2トラップ準位とする。In this embodiment , C Measure the concentration of the i C s trap level. The trap level obtained in this manner is used as a second trap level.

第1トラップ準位を測定するときと比べて、第2トラップ準位を測定する際に付加される作業は上述の通り、パルス幅の調整とデータの差分のみで、その他の測定条件は前述の第1トラップ準位を測定条件が適用できる。 Compared to the measurement of the first trap level, the work added to the measurement of the second trap level is only the adjustment of the pulse width and the difference of the data, as described above, and the other measurement conditions are as described above. Measurement conditions can be applied to the first trap level.

また、第2工程ではシリコン基板のp型領域を用いて、Cのトラップ準位(Ev:+0.37eV)の濃度を測定したが、n型領域の第2電極5と第4電極7の静電容量を光パルスで励起しながら測定する光励起DLTS法を適用することも可能である。この場合、p型領域にショットキー接合を形成する必要がなくなり、工程が簡略化されるメリットがある。ただし、光パルス励起時のトラップ準位の占有率が1である保証がないため、前述のp型領域を用いて測定する手順と比べて、第2トラップ準位の測定精度が低下する虞がある。In the second step, the p-type region of the silicon substrate was used to measure the concentration of the C i O i trap level (Ev: +0.37 eV). It is also possible to apply the photoexcitation DLTS method in which the capacitance of 7 is measured while being excited by a light pulse. In this case, there is no need to form a Schottky junction in the p-type region, which has the advantage of simplifying the process. However, since there is no guarantee that the occupancy of the trap level during optical pulse excitation is 1, there is a risk that the measurement accuracy of the second trap level will be lower than in the above-described procedure of measurement using the p-type region. be.

(第3工程:炭素濃度の定量)
第3工程では、測定された第1トラップ準位の濃度および第2トラップ準位の濃度を用いて炭素濃度を定量する。
(Third step: quantification of carbon concentration)
In the third step, the carbon concentration is quantified using the measured first trap level concentration and second trap level concentration.

具体的には、第2工程で求めた第1トラップ準位(Ev:+0.37eV)の濃度、および、第2トラップ準位(Ec:-0.17eV)の濃度を、下記の式1に代入して、シリコン基板に含まれる炭素濃度([炭素])を測定する。 Specifically, the concentration of the first trap level (Ev: +0.37 eV) and the concentration of the second trap level (Ec: -0.17 eV) obtained in the second step are substituted into Equation 1 below. Then, the carbon concentration ([carbon]) contained in the silicon substrate is measured.

[炭素]=[第1トラップ準位]+2×[第2トラップ準位] ・・・(式1)
なお、式1において、第1トラップ準位の濃度は、Cの濃度で一つの欠陥に一つの炭素が含まれるため、係数を1としている。また、第2トラップ準位の濃度は、Cの濃度で一つの欠陥に2つの炭素が含まれるため、係数を2としている。
[Carbon]=[First trap level]+2×[Second trap level] (Formula 1)
In Equation 1, the coefficient of the concentration of the first trap level is 1 because one defect contains one carbon in the concentration of C i O i . The coefficient of the concentration of the second trap level is 2 because two carbon atoms are contained in one defect at the concentration of C i C s .

ここで、上記測定方法の測定下限はDLTS法等の過渡容量法のトラップ濃度の測定下限値で決まる。一般的に過渡容量法のトラップ濃度の測定下限値は、測定対象のキャリア濃度の10-4から10-3倍とされている。例えば抵抗率が50Ωcm(ドーパントがリンである場合、約2.6×1014/cm3のキャリア濃度に相当する)のn型シリコン基板の場合、2.6×1010atoms/cm3から2.6×1011atoms/cm3の炭素濃度の測定も可能である。Here, the lower measurement limit of the above measuring method is determined by the lower measurement limit of the trap concentration of the transient capacitance method such as the DLTS method. Generally, the lower measurement limit of the trap concentration of the transient capacitance method is 10 −4 to 10 −3 times the carrier concentration of the object to be measured. For example, for an n-type silicon substrate with a resistivity of 50 Ωcm (corresponding to a carrier concentration of about 2.6×10 14 /cm 3 when the dopant is phosphorus), 2.6×10 10 atoms/cm 3 to 2.6×10 10 atoms/cm 3 . It is also possible to measure carbon concentrations of .6×10 11 atoms/cm 3 .

測定対象のシリコン基板について、上記測定方法によって測定される炭素濃度は、2×1015atoms/cm3未満である。上記測定方法によれば、このようなFT-IR法では測定が困難な低濃度の炭素を含むシリコン基板の炭素濃度を測定することができる。For the silicon substrate to be measured, the carbon concentration measured by the above measuring method is less than 2×10 15 atoms/cm 3 . According to the above measuring method, it is possible to measure the carbon concentration of a silicon substrate containing a low concentration of carbon, which is difficult to measure by the FT-IR method.

本実施の形態では導電型がn型のシリコン基板を例に挙げて説明したが、p型のシリコン基板にも本開示の炭素濃度の測定方法を適用できる。 In the present embodiment, the n-type silicon substrate was described as an example, but the carbon concentration measuring method of the present disclosure can also be applied to a p-type silicon substrate.

測定対象がp型シリコン基板の場合は、リンやヒ素のようなV族イオンをイオン注入することで、p型のシリコン基板の表面にn型領域を形成し、適切な金属材料を用いて、第1表面のp型領域およびn型領域にショットキー接合を形成し、第2表面にオーミック電極を形成し、前述の過渡容量法によるトラップ準位の測定を行うことで、p型のシリコン基板の炭素濃度を測定することができる。 When the object to be measured is a p-type silicon substrate, an n-type region is formed on the surface of the p-type silicon substrate by ion-implanting group V ions such as phosphorus or arsenic, and an appropriate metal material is used to form the n-type region. By forming a Schottky junction in the p-type region and the n-type region on the first surface, forming an ohmic electrode on the second surface, and measuring the trap level by the above-described transient capacitance method, the p-type silicon substrate The carbon concentration of can be measured.

また、本実施の形態の炭素濃度の測定方法で評価されるシリコン基板は、FZ法で育成したものに限定されることなく、例えばCZ法(Czochralski)のような液相成長したシリコン基板や、エピタキシャル成長のような気相成長で積層したシリコン基板にも適用できる。 In addition, the silicon substrate to be evaluated by the carbon concentration measuring method of the present embodiment is not limited to those grown by the FZ method, for example, liquid phase grown silicon substrates such as the CZ method (Czochralski), It can also be applied to silicon substrates laminated by vapor phase growth such as epitaxial growth.

なお、測定対象となるシリコン基板の大きさ、厚み、形状等は特に限定されない。例えば、ウエハ状に整形されたシリコン基板でないシリコン基板についても、炭素濃度を測定することが可能である。 The size, thickness, shape, etc. of the silicon substrate to be measured are not particularly limited. For example, it is possible to measure the carbon concentration of a silicon substrate that is not a wafer-shaped silicon substrate.

また、本実施の形態では、炭素をすべて活性化し、それにより発生する複合欠陥のトラップ準位の濃度を定量的に測定する。このため、炭素濃度が既知のシリコン基板での測定値の校正や、検量線を用いた測定手順が不要であり、作業が簡素である。さらに、シリコン基板中の炭素以外の不純物(酸素やドーパント)の影響を受けることなく、測定対象シリコン基板中の微量な炭素の濃度を正確に測定することが可能である。 Further, in the present embodiment, all carbon is activated, and the concentration of trap levels of complex defects generated thereby is quantitatively measured. For this reason, calibration of measured values on a silicon substrate with a known carbon concentration and measurement procedures using a calibration curve are not required, and the work is simple. Furthermore, it is possible to accurately measure the trace amount of carbon concentration in the silicon substrate to be measured without being affected by impurities (oxygen and dopants) other than carbon in the silicon substrate.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is indicated by the scope of claims rather than the above description, and is intended to include all changes within the meaning and scope of equivalence to the scope of claims.

1 n型シリコン基板、2 第1表面、3 p型領域、4 第1電極、5 第2電極、6 第3電極、7 第4電極、8 第1空乏層、9 第2空乏層。 1 n-type silicon substrate, 2 first surface, 3 p-type region, 4 first electrode, 5 second electrode, 6 third electrode, 7 fourth electrode, 8 first depletion layer, 9 second depletion layer.

Claims (8)

シリコン基板の一方の表面に形成されたショットキー接合を有するp型領域およびショットキー接合を有するn型領域の各々に、電子線照射、荷電粒子線照射およびイオン注入の少なくともいずれかを実施する工程と、
過渡容量法を用いて、前記p型領域の第1トラップ準位の濃度および前記n型領域の第2トラップ準位の濃度を測定する工程と、
測定された前記第1トラップ準位の濃度および前記第2トラップ準位の濃度を用いて炭素濃度を定量する工程と、
を含む、シリコン基板の炭素濃度の測定方法。
A step of subjecting each of a p-type region having a Schottky junction and an n-type region having a Schottky junction formed on one surface of a silicon substrate to at least one of electron beam irradiation, charged particle beam irradiation and ion implantation. and,
measuring the concentration of the first trap level in the p-type region and the concentration of the second trap level in the n-type region using a transient capacitance method;
quantifying the carbon concentration using the measured concentration of the first trap level and the concentration of the second trap level;
A method for measuring carbon concentration in a silicon substrate, comprising:
前記電子線照射において、前記炭素濃度に対する電子線の照射量の比率は4atoms/e・cm以上である、請求項1に記載の測定方法。 2. The measuring method according to claim 1, wherein in the electron beam irradiation, the ratio of the electron beam irradiation amount to the carbon concentration is 4 atoms/e·cm or more. 前記荷電粒子線はα線である、請求項1または2に記載の測定方法。 3. The measuring method according to claim 1, wherein said charged particle beam is an alpha ray. 前記イオン注入はシリコンイオン注入である、請求項1~3のいずれか1項に記載の測定方法。 The measuring method according to any one of claims 1 to 3, wherein said ion implantation is silicon ion implantation. 前記第1トラップ準位はEv:+0.37eVである、請求項1~4のいずれか1項に記載の測定方法。 The measuring method according to any one of claims 1 to 4, wherein the first trap level is Ev: +0.37 eV. 前記第2トラップ準位はEc:-0.17eVである、請求項1~5のいずれか1項に記載の測定方法。 The measuring method according to any one of claims 1 to 5, wherein the second trap level is Ec: -0.17 eV. 前記炭素濃度は以下の式で算出される、請求項1~6のいずれか1項に記載の測定方法。
炭素濃度=(第1トラップ準位の濃度)+2×(第2トラップ準位の濃度)
The measuring method according to any one of claims 1 to 6, wherein the carbon concentration is calculated by the following formula.
Carbon concentration = (concentration of first trap level) + 2 x (concentration of second trap level)
前記過渡容量法は、DLTS法またはICTS法である、請求項1~7のいずれか1項に記載の測定方法。 The measuring method according to any one of claims 1 to 7, wherein the transient capacity method is the DLTS method or the ICTS method.
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