JPH033244A

JPH033244A - 半導体シリコン基板の熱処理方法

Info

Publication number: JPH033244A
Application number: JP13835489A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kimura; 木村　雅規
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、窒素ドープされた半導体シリコン基板の特性
安定化のための熱処理方法に関する。

［従来の技術］半導体シリコン単結晶基板（以下シリコン基板という）
の製造またはこれを使用した半導体素子製造においては
、シリコン基板は６００　’Ｃから１２５０℃の広範囲
の温度範囲で熱処理を受ける。

例えば前者におけるものとしては、ドナー消去のための
約６５０℃、３０分間の熱処理があり、後者におけるも
のとしては、酸化工程、イントリンシックゲッタリング
あるいは拡散などがある。

一方、特に高温領域における熱処理において、その際に
シリコン基板内に発生する熱応力による結晶欠陥の発生
を防止する目的で、例えば特開昭５７−１７４９７号に
提案されているように、シリコン単結晶中に窒素ドープ
することが行われている。

［発明が解決しようとする課題］窒素ドープされたシリコン基板の熱処理を行ったところ
、その条件によっては、その抵抗率は実測値において熱
処理前後で１０％以上変化し、その品質管理が困難とな
ることがわかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、いかなる
熱処理によっても安定した抵抗率を示す窒素ドープされ
たシリコン基板を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明は、窒素ドープされた
半導体シリコン単結晶基板を９００℃〜１２５０’Ｃの
温度範囲で、しかも約１０分間以上加熱するようにした
ものである。

［作用］本発明によれば、該基板の電気抵抗率が半導体シリコン
単結晶育成後（以後アズブローンという）のそれにほぼ
一致せしめることができ、その後の熱処理で電気抵抗率
が変化しなくなる。また更に、上記熱処理をウェット酸
素雰囲気で行い、抵抗率のアズブローン値への復元を容
易ならしめる。したがって、本発明によって、かかる熱
処理を受けたシリコン基板から高収率をもって半導体素
子を製造することができる。

本発明は、窒素ドープされたアズブローンの半導体シリ
コン単結晶そのもので行ってもよいが、該シリコン単結
晶の直径が増大すると、加熱冷却時に内部応力により、
結晶欠陥を発生したり、あるいは、ひび割れを生じたり
するので、ウェーハの状態で本発明の熱処理を行うのが
好ましい。

窒素ドープされたシリコン単結晶基板中の窒素濃度は、
２Ｘ１０１４ａｔｍｏｓ／ａ＃以下のものにライは、ア
ズブローン単結晶（ウェーハ）を熱処理したときの抵抗
率の変化は小さく、窒素濃度が小さくなれば、この変化
は無視できる。

熱処理の温度は、９００℃以下では熱処理後の抵抗率を
７ズグローンのそれに一致せしめるために、処理時間が
１時間を要し、工業的とはいえない。しかし、１２５０
℃以上では、熱処理を受けるシリコン基板が窒素ドープ
されているにもががわらず、加熱冷却時に結晶欠陥を発
生する危険がある。

加熱冷却の速度は、例えば毎分１〜１０℃が用いられる
が、熱処理を受けるシリコン基板が破壊したり、あるい
は結晶性が劣化しない限り自由に選ぶことができる。

ウェットの酸素は、例えば室温で飽和された酸素ガスを
用いる。

［実施例］以下、本発明に係る半導体シリコン基板の熱処理方法を
説明する。

先ず、半導体シリコン基板の製造プロセスを説明する。

アルゴンガス又はまれに用いられるアルゴンと水素の混
合ガスに窒素ガス又は窒素を含む化合物を添加した雰囲
気ガス中で窒素ドープされたシリコン単結晶を育成する
。この際のシリコン単結晶の育成は、例えば、浮遊帯触
法（ＦＺ法）によって行われる。次いで、このシリコン
単結晶を所定の厚さにスライスして得られた半導体シリ
コン基板を、各種の高温領域で処理時間を変えて熱処理
を行なった。低い温度で加熱する場合には、長時間の加
熱を行うことが必要である。したがって、製造ラインに
おけるスループットが低下することとなる。また、高い
温度で加熱する場合には、短時間の加熱で済むが、その
場合にはスリップ欠陥が生じ易い。

［実験■］先ず、窒素添加して得られた半導体シリコン基板を従来
と同じ条件で熱処理した。また、この熱処理にあたって
、熱処理雰囲気を変えてみた。具体的な条件及び結果は
下記のとおりである。

１、条件サンプル基板としては、ＦＺ法で形成された下記の種類
のＮ型半導体シリコン基板を用いた。

また、サンプル基板として、ＦＺ法で形成された下記の
種類のＰ里芋導体シリコン基板を用いた。

以上のような半導体シリコン基板について、従来の、サ
ンドブラスト処理後に行われていた熱処理と同じ条件、
つまり６５０℃で２０分間の熱処理を行った。また、熱
処理雰囲気は、Ｎ２、ウェットｏ２、Ａｒと変えてみた
。

そして、熱処理前（アズブローンの状態）の抵抗率と熱
処理後の抵抗率とを比べてみた。

２、結果その結果が第２図（Ａ）、（Ｂ）及び第３図（Ａ）、（
Ｂ）に示されている。ここで、第２図（Ａ）はＮ型半導
体シリコン基板についての抵抗率変化を、また、第３図
（Ａ）はＰ型半導体シリコン基板についての抵抗率変化
を示している。この第２図（Ａ）及び第３図（Ａ）から
は、従来と同じ条件で熱処理を行った場合に、抵抗率変
化が著しく大きいことが判る。また、雰囲気を変えた場
合でも抵抗率変化にはあまり影響がないことが判る６さ
らに、Ｐ型の半導体シリコン基板とＮ型の半導体シリコ
ン基板とを比べた場合、Ｐ型のものの方が抵抗率のシフ
ト率が大きいことが判る。

なお、Ｐ型半導体シリコン基板の△、０についてはウェ
ット０２雰囲気下での熱処理の場合、抵抗率変化が他に
比べて小さくなっている。この理由については後に考察
する。

また、第２図（Ｂ）及び第３図（Ｂ）はＡＳＴＭ換算式
（Ｆ７２３−８２）を用いて、上記抵抗率変化をキャリ
ヤー濃度変化に直したものである。

このようにキャリヤー濃度変化に換算した場合には、一
部の例外を除いては窒素濃度の高いものの方が小さいも
のよりも変化が大きいことが判る。

つまり、窒素添加率の高いものの方がキャリヤー濃度変
化が大きいといってよい。なお、Ｐ型の半導体シリコン
基板とＮ型の半導体シリコン基板とを比べた場合、Ｐ型
のものの方が１桁変化が大きいことが判る。

［実験■］この実験では、半導体シリコン基板の熱処理温度と熱処
理時間とを変えて実験を行った。この場合の条件及び結
果は下記のとおりである。

１、条件窒素雰囲気で熱処理温度を７００℃、９００℃及び１０
００℃とし、そのそれぞれについて１分、４分、８分、
２０分、６０分、１２０分経過後の抵抗率を調べてみた
。サンプル基板としては、面方位＜１００＞、アズブロ
ーンの状態での抵抗率１５０Ω■のＰ型半導体シリコン
基板を用いた。

また、クーリング時間、つまり熱処理後室温（２４乃至
２５℃）まで冷却する時間を１５秒とした。

さらに上記サンプル基板を用いて１２００℃、８分のみ
の熱処理実験を追加した。

２、結果この結果が第１図に示されている。この図からは、熱処
理の初期においては、−旦、抵抗率が大きく上昇し、さ
らに熱処理を加えると、今度は、アズブローンの状態ま
で徐々に抵抗率が下がってゆくのが見られる。ちなみに
、１０００℃での熱処理の場合、２０分でアズブローン
の状態の抵抗率１５０ΩＧにほぼ回復している。また、
１０００℃より温度を高くすると、アズブローンの状態
の抵抗率までに回復する時間が少なくてすむことが判る
。一方、１０００℃より温度を低くすると。

アズブローンの状態の抵抗率まで回復する時間が長くな
ることが判る。

［実験■］次の実験では、半導体シリコン基板を熱処理するにあた
り、熱処理雰囲気を変えてみた。具体的な条件及び結果
は下記のとおりである。

１、条件サンプル基板としては、ＦＺ法で形成された下記の種類
のＰ型半導体シリコン基板（面方位〈１１１〉）が用い
られた。

この表において、ＳＢはサンドブラスト処理がなされた
半導体シリコン基板、Ｃｗはサンドブラスト処理がなさ
れない半導体シリコン基板、ｓｌｉｇｈｔは窒素添加率
が２　Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／　ａｌ以下の半導体シリ
コン基板、ｔｏｕｇｈは窒素添加率が２Ｘ　１０”ａｔ
ｏｍｓ／ｄ以上の半導体シリコン基板を示している。

上記のような各種サンプルについてその雰囲気をウェッ
トｏ２、ドライ０２、Ｎ２と変えてみた。

なお、熱処理温度は１０００℃、熱処理時間は２０分に
設定した。ウェット０２で熱処理はスチーム酸化炉にて
行なった。

２、結果その結果が第４図（Ａ）、（Ｂ）に示されている。ここ
で、第４図（Ａ）は抵抗率変化を、また、第４図（Ｂ）
は第４図（Ａ）の抵抗率変化をＡＳＴＭ法（Ｆ７２３−
８２）によってキャリヤー濃度変化に換算したものを示
している。これらの図面からは、ウェット０２雰囲気に
おいては、誤差（±０．３〜±０．５％）も考慮すれば
、略アズグローンの状態に抵抗率が回復していることが
判る。なお、ドライ０□雰囲気では、ウェットｏ２雰囲
気におけるよりも抵抗率の変化が大きいが、熱処理時間
をウェット０２雰囲気におけるよりも少し長くとれば、
アズブローンの状態に回復することがその後の実験で確
認された。

なお、この実験■では、Ｎ２雰囲気にあっては、未だ抵
抗率変化が大きくなっているが、その理由については後
に考察する。

次に、上記実験結果に対する原理的考察を加える。

窒素ドープされたシリコン単結晶をスライスして得られ
た半導体シリコン基板内には、空孔と窒素分子との複合
体が形成されているものと推測される。そして、この複
合体は、熱処理によって深い準位を形成する。そして、
これによってキャリヤーのトラップが生じ、抵抗率が上
昇するものと推測される。そして、さらに熱処理を加え
ると、空孔の外方拡散及び／又は格子間のＳｉの内方拡
散によって深い準位が消滅するものと思われる。

そして、これによって抵抗率がアズブローンの状態まで
回復されるものと考えられる。

また、熱処理雰囲気について考察すれば、ｏ２雰囲気で
は、半導体シリコン基板の表面にＳｉＯ２膜が形成され
るので、余分なＳｉが内方拡散され、空孔が消滅し、こ
れによって深い準位が消滅するものと考えられる。なお
、ウェット０□とドライ０２とを比較した場合、ウェッ
トｏ２雰囲気の方が抵抗率変化が小さいのは、ウェット
０２雰囲気の方がＳｉＯ□膜の形成スピードが速いので
、Ｓｉの内方拡散スピードも速く、その結果、同じ熱処
理温度及び熱処理時間とした場合、ウェット０２雰囲気
の方が抵抗率変化が小さくなったものと推測される。こ
のウェットｏ２雰囲気め効果は、既に、実験■の結果を
示す第２図（Ａ）で抵抗率変化が他の雰囲気で熱処理し
た場合より小さいことからも判る。

また、Ｎ２雰囲気の場合には、格子間のＳｉの内方拡散
のみならず、空孔の外方拡散の影響も大きいものと推測
される。なお、実験■において、Ｎ２雰囲気の場合に、
他の雰囲気に比べて抵抗率変化が大きかったのは、クー
リング時間が実験■の場合長かったことに起因している
と思われる。

つまり、実験■では、クーリング時間を１５分程度とし
たので、−旦、深い準位が消滅したにも拘らず、冷却中
にＮ２が内方拡散され、それによって抵抗率変化が生じ
たものと推測される。したがって、殊に、Ｎ２雰囲気の
場合には深い準位の消滅後、直ちに冷却することが必要
となる。

［実験■］次の実験では、本発明で熱処理した半導体シリコン基板
を更に種々の条件で熱処理し、熱処理前後で抵抗率がど
のように変化するのかを調べた。

１、条件サンプル基板としては、ＦＺ法で形成された下記のｎ型
、ｐ型半導体シリコン基板（面方位く１００〉）が用い
られた。

表４熱処理条件は、本発明の熱処理条件としてサンプル１で
はウェット０□雰囲気中で１２００℃、６０分、サンプ
ル２では１０００℃、６０分が採用された。また、再熱
処理は７００”Ｃｌ２Ｏ分、８００℃、６０分および１
１００℃、６０分の３条件が採用された。

２、結果その結果、再熱処理によるその抵抗率の変化はいずれも
１％以下で無視できる範囲に収まった。

このように、本発明の熱処理を行うことによって、その
抵抗率は実質的に一定となり、品質管理および半導体素
子の製造条件の設定が正しくでき、その良品率を上げる
ことができる。

以上、本実施例のように半導体シリコン基板の熱処理を
施せば、深い準位の発生原因となる空孔がなくなり、ア
ズブローンの状態にまで抵抗率を回復することができ、
その結果、品質管理が容易となる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

上記実施例では、実験■、■で抵抗率変化の大きいＰ型
半導体シリコン基板について評価を行なったが、上記の
ような効果は、抵抗率変化の小さいＮ型半導体シリコン
基板にも妥当することは勿論である。

また、上記実施例では、浮遊ｌＥａ法によって得られた
半導体シリコン基板について説明したが。

チョクラルスキー法によって得られる半導体シリコン基
板にも妥当することは勿論である。

さらに−１上記実施例では、サンドブラスト処理された
半導体シリコン基板について説明してきたが、サンドブ
ラスト処理の施されない半導体シリコン基板にも本発明
は適用できる。

［発明の効果］本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである
。

窒素ドープのシリコン単結晶をスライスして得られた半
導体シリコン基板を、９００℃〜１２５０℃の温度範囲
で約１０分以上加熱することによって、アズブローンの
状態まで抵抗率の回復を行うことができ、以後いかなる
熱処理によってもその前後で抵抗率が変化しなくなる。

その結果、半導体シリコン基板の品質管理が容易となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱処理条件（温度及び時間）を変えた場合の抵
抗率変化を示すグラフ。第２図（Ａ）、（Ｂ）は従来の熱処理条件（温度及び時
間）で熱処理を行なった場合のＮ型半導体シリコン基板
の抵抗率変化及びキャリヤー濃度変化をそれぞれ示すグ
ラフ、第３図（Ａ）、（Ｂ）は従来の熱処理条件（温度及び時
間）で熱処理を行なった場合のＰ型半導体シリコン基板
の抵抗率変化及びキャリヤー濃度変化をそれぞれ示すグ
ラフ、第４図（Ａ）、（Ｂ）は本実施例の熱処理条件（温度及
び時間）で熱処理を行なった場合のＰ型半導体シリコン
基板の抵抗率変化及びキャリヤー濃度変化をそれぞれ示
すグラフ。第５図は抵抗率変化の機構を説明するための図である。第２図第２図 ’Ｇ：Ｘ１０１２（Ｂ）ネ原理溶ワと５抛処理簿口気磐７雉球部色几１へり裳イしく％）

Claims

【特許請求の範囲】１、窒素ドープされた半導体シリコン基板を９００℃〜
１２５０℃の高温において、約１０分以上加熱すること
を特徴とする特性安定化のための半導体シリコン基板の
熱処理方法。２、上記加熱をウェット酸素雰囲気で行うことを特徴と
する請求項１記載の半導体シリコン基板の熱処理方法。