JPH0810695B2 - 半導体基板の製法 - Google Patents

半導体基板の製法

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JPH0810695B2
JPH0810695B2 JP23537086A JP23537086A JPH0810695B2 JP H0810695 B2 JPH0810695 B2 JP H0810695B2 JP 23537086 A JP23537086 A JP 23537086A JP 23537086 A JP23537086 A JP 23537086A JP H0810695 B2 JPH0810695 B2 JP H0810695B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、例えば放射線検出装置、光検出
装置、高耐圧半導体装置等のうち特に比較的低温の熱処
理工程のみで製造が可能な半導体装置を製造する場合に
用いられて好適なn型高比抵抗の半導体基板の製法に関
わる。
〔発明の概要〕
本発明は比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2×10
17〜1×1018cm-3のp型半導体に400℃〜500℃の熱処理
を行って当初のp型半導体中に含有する酸素濃度をサー
マルドナー化して、このドナーによってp型半導体中の
p型不純物を打ち消してn型化し、n型高比抵抗の基板
を確実に形成するようにする。
〔従来の技術〕
例えば放射線検出装置、光検出装置、高耐圧半導体装
置等の半導体装置においてn型の高比抵抗シリコン基板
を用い、これに低温処理のみで目的とする半導体装置を
作製する場合がある。
この種のシリコン半導体基板を作製する方法として
は、例えばフローティングゾーン法(FZ法)によって育
成した結晶体からシリコン基板を切り出すという方法が
採られている。ところが、最近特に上述した半導体装置
等においての性能向上、コストの低廉化等の目的をもっ
て大口径シリコン基板、これに伴って大口径シリコン結
晶体の育成が要求されている。ところが、FZ法では直径
150mm以上の結晶体の作製は困難であり、さらにその直
径が大きくなるにつれ不純物のとり込みが大となって高
比抵抗の結晶体が得にくいという問題があり、これが為
その価格、収率、品質等の点において問題があり、上述
の各種半導体装置の開発、普及に支障を来す傾向にあ
る。また、FZ法によって得た結晶は、酸素の含有量が1
×1017cm-3以下という低濃度であるために、結晶が受け
る熱ストレスに弱く結晶欠陥がむしろ発生し易く、これ
より切り出したシリコン基板を用いて上述の各種半導体
装置を形成した場合、特性劣化が生じるなどの問題があ
る。これらの問題はその育成結晶の直径が大きくなるに
つれてより顕著になり、この点からも上述の半導体装置
の開発、普及が阻害されている。
一方、チョクラルスキー法(CZ法)によって結晶育成
を行う場合、一般にこれに用いられる原料融液が収容さ
れるるつぼからの酸素の取り込みが大で、育成された結
晶中の酸素濃度は例えば1×1018cm-3以上にも及び、こ
の酸素により生ずるサーマルドナーの濃度が高くなり過
ぎるとか、その結晶成長時に同様にるつぼからの取り入
れ等によって混入する例えばボロンB等の電気的活性不
純物が多いなどから、目的とする高比抵抗結晶体を安
定、確実に得にくいという問題がある。
これに比し、磁場印加のもとでCZ法により結晶育成を
行ういわゆるMCZ法では、大口径の結晶を育成すること
ができると共に、例えば特公昭58−50951号公報等にも
その開示があるように、導電性を有する結晶育成原料融
液に磁場印加がなされることによって磁気流体効果によ
る見かけ上の粘性が高められ融液の対流が減じられるこ
とにより、結晶性の向上と共に、例えば酸素濃度を充分
低めることができ、更に必要に応じて例えばその引き上
げ結晶体と原料融液るつぼとの相対的回転数の選定によ
って育成結晶中の酸素濃度を高めることもでき、つまり
はその濃度を広範囲に渡って確実に制御選定できるもの
である。
しかしながらいずれの場合においても、酸素濃度が余
り低い場合には結晶性に問題が生じ、高い場合にはサー
マルドナーの発生による高比抵抗化の阻害の問題が生じ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は上述した諸問題の解決をはかることができ、
安定してn型の高比抵抗半導体基板を確実に製造するこ
とができるようにした半導体基板の製法を提供するもの
である。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2×10
17〜1×1018cm-3のp型基板(以下これを出発基板とい
う)を用意し、これに対して400℃〜500℃の熱処理を行
って前述したp型出発基板中の酸素濃度をサーマルドナ
ー化して基板中のp型不純物をサーマルドナーによって
打ち消してさらにこのサーマルドナーによってn型に変
換してn型の高比抵抗基板を得る。
尚、本発明製法におけるp型出発基板は、MCZ法によ
って得たp型の結晶体から切り出して得ることができる
ものであり、このMCZ法によれば、前述したようにその
酸素濃度の制御を正確に行うことができる。
〔作用〕
上述の本発明製法によれば、p型出発基板の濃度を2
×1017cm-3以上に選定したこと、すなわちこのp型基板
を得るための例えばMCZ法によって育成した結晶中の酸
素濃度を2×1017cm-3以上としたことによって熱ストレ
スしたがって結晶欠陥の発生を効果的に抑制することが
できるにも拘わらず、出発基板を予め比抵抗1000Ω・cm
以上での高比抵抗のp型基板としたことによって、酸素
により発生させたサーマルドナーによってそのアクセプ
タを打ち消してその導電型を高比抵抗のn型に反転する
ので基板中の酸素濃度は2×1017cm-3以上の比較的高い
濃度、したがって結晶性にすぐれ、安定した優れた特性
を有する目的とする半導体装置例えば放射線検出装置、
光検出装置、高耐圧半導体装置を製造するための基板を
作製することができる。
〔実施例〕
MCZ法によってp型の1500Ω・cmのシリコン単結晶体
を作製し、これより切り出したシリコン半導体基板を用
意し、450℃の熱処理を行って5000Ω・cmの比抵抗のn
型基板を作製した。
この場合、その出発基板すなわち初期のp型1500Ω・
cmのシリコン基板におけるアクセプタ濃度はほぼ9×10
12cm-3であり、最終的にn型に変換された5000Ω・cmの
n型基板におけるドナー濃度はほぼ8×1011cm-3であ
る。つまり、この場合アクセプタ濃度に等しいドナー濃
度及び5000Ω・cmに相当するドナー濃度が酸素によるサ
ーマルドナーによって供給するものであることからその
サーマルドナーとしては、9×1012(cm-3)+8×1011
(cm-3)=9.8×1012(cm-3)あればよいことになる。
一方、第1図は450℃の熱処理を行った場合の結晶中
の酸素濃度とサーマルドナー濃度の関係の測定結果を示
したもので、同図において(1),(2)及び(3)は
夫々この熱処理を夫々1時間、16時間及び100時間行っ
た結果を示す。この第1図によれば、450℃の熱処理に
よる場合、上述した9.8×1012cm-3のサーマルドナーを
得るには、当初7.5×1017cm-3の酸素濃度の場合は曲線
(1)から1時間の熱処理を、また5.4×1017cm-3の場
合は曲線(2)から16時間の熱処理を、また3.5×1017c
m-3の場合には100時間の熱処理をすれば9.8×1018cm-3
のサーマルドナーが発生し、上述した5000Ω・cmの高比
抵抗のn型領域が形成されることになる。
そして、酸素濃度が高くなるにつれ、サーマルドナー
の発生量が多くなるため所定量のサーマルドナーを得る
には熱処理時間を短くするということになるが、あまり
短い熱処理時間ではサーマルドナーの発生量の制御が困
難になる。しかしながら、ある程度の時間の選択は可能
であり、例えばそのためには熱処理温度を強めて例えば
400℃とすればサーマルドナーの発生速度が450℃の場合
の数分の1に低下することからその分、熱処理時間を長
くすることができる。
これらのことから出発基板、すなわち結晶中の酸素濃
度は1×1018cm-3以下であることが望まれることを確認
した。
また、第2図は前述した9.8×1012cm-3のサーマルド
ナーの発生に必要な熱処理時間と酸素濃度を示したもの
で、横軸は時間tの平方根として示してある。この測定
結果によると酸素濃度が1×1018cm-3に近ずくと、必要
な熱処理時間が短くなるが、その450℃の熱処理すなわ
ちアニールの温度を400℃程度あるいは後述するところ
からわかるように500℃近くに選定してサーマルドナー
の発生速度を遅くする方法を講ずることによって1×10
18cm-3まで酸素濃度を高めても高比抵抗のn型の領域の
形成が可能であることを確めた。
第3図はすでに報告されているサーマルドナーの発生
状況を示す。すなわち、曲線(31)は酸素濃度が16×10
17cm-3のCZ法によって得たp型のSi結晶、(32)は酸素
濃度が4×1017cm-3のMCZ法によって得たp型のSi結晶
を夫々450℃で熱処理したときの熱処理時間に対する比
抵抗の測定結果を示したものである(フォース インタ
ーナショナル シンポジウム オン シリコン マテリ
アルズ サイエンス アンド テクノロジー(Fourth I
nternational Symposium on Silicon Materials Scienc
e and Technology)1981,5月pp90−100参照)。これに
よれば酸素濃度が16×1017cm-3では、比抵抗が低く約10
Ω・cmのp型の結晶でもこれを450℃で熱処理すると約
1時間の熱処理でn型に変換するが、酸素濃度が4×10
17cm-3の場合、比抵抗が低い13Ω・cmのp型の結晶は20
0時間以上の熱処理でもp型のままであり、比抵抗の変
化も見られない。このように酸素濃度が高いとサーマル
ドナーの発生が多くp型からn型に変換することができ
るものの、比抵抗が10Ω・cmのものを比抵抗が数千Ω・
cmという高比抵抗のn型にすることは困難である。それ
はp型10Ω・cm比抵抗のアクセプタ濃度は約1.4×1015c
m-3であり、これを打ち消して5000Ω・cmのn型にする
には1.4×1015(cm-3)+8×1011(cm-3)のサーマル
ドナーが必要である。しかし、制御すべき8×1011cm-3
は全体のサーマルドナーに比べて僅か0.06%であること
からその制御はほとんどできない。これに比し、前述し
た実施例では{(8×1011)/(9×1012+8×1
011)}×100=8.2%であるのでその制御が容易であ
る。
さらに、p型の比抵抗10Ω・cmでは、その比抵抗自身
の基板内の変化も数%であるため、さらに制御が困難と
なる。このことから高比抵抗のn型基板をサーマルドナ
ーの発生を利用して得るには、比抵抗が高いp型の結晶
により作製することが望ましく、結晶育成をMCZ法によ
って構成した場合において実用上の限界等を考慮して10
00Ω・cm以上が望ましいことを確認した。
〔発明の効果〕
上述したように本発明製法によれば予め積極的に酸素
を所定量含有した基板の用意すなわち結晶成長を行わし
めることによって熱ストレスの発生を抑制でき、しかも
この酸素をサーマルドナーに活性化したこれによって基
板中に含ましめたアクセプタを実質的に打ち消して上n
型に転じて目的とする高比抵抗のn型基板を得るように
したので例えばMCZ法による結晶育成の適用によって大
口径の基板を用い得ること、また熱ストレスの減少によ
る結晶欠陥密度の低減化、さらに低比抵抗のn型領域を
確実に形成できること等が相俟って例えば放射線検出装
置、あるいは光検出装置等に適用する基板として用いて
高感度で安定した特性を有する各種装置を歩留り良く、
低いコストをもって製造することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は450℃の熱処理によるサーマルドナーの発生量
を示す曲線図、第2図は450℃熱処理で9.8×1012cm-3
サーマルドナーを発生させるに必要な時間と酸素濃度と
の関係の測定結果を示す曲線図、第3図は450℃におけ
る熱処理時間と抵抗率の各酸素濃度との関係を示す曲線
図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2×
    1017〜1×1018cm-3のp型半導体に、400℃〜500℃の熱
    処理を行ってn型の高比抵抗半導体基板を得ることを特
    徴とする半導体基板の製法。
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