JPS6390141A - 半導体基板の製法 - Google Patents
半導体基板の製法Info
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- JPS6390141A JPS6390141A JP23537086A JP23537086A JPS6390141A JP S6390141 A JPS6390141 A JP S6390141A JP 23537086 A JP23537086 A JP 23537086A JP 23537086 A JP23537086 A JP 23537086A JP S6390141 A JPS6390141 A JP S6390141A
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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。
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〕
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。
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。
本発明は比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2
X 1017〜l x IQ” (−p−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。
X 1017〜l x IQ” (−p−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。
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。
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CFZ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I X 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。
例えばフローティングゾーン法CFZ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I X 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IX 10” cn+−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。
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IX 10” cn+−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、磁場印加のもとて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っぽ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。
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っぽ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
。
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
。
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。
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。
本発明は比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2
X 10” 〜I X 10” cm−’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 ”C〜500°C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この基
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。
X 10” 〜I X 10” cm−’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 ”C〜500°C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この基
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型出全基板は、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値に行うことができる。
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値に行うことができる。
上述の本発明製法によれば、p型出全基板の濃度を2
X 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 X 1017cm”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 X 10110l7’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
的とする半導体基板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。
X 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 X 1017cm”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 X 10110l7’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
的とする半導体基板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。
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・c
mの比抵抗のn型基板を作製した。
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・c
m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
X 10110l2’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 X 10” cm−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 X 1012(1012(+ 8x1
0” (crew−3) = 9.8X 1012(c
m−’ )あればよいことになる。
・cmのシリコン基板におけるアクセプタ濃度はほぼ9
X 10110l2’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 X 10” cm−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 X 1012(1012(+ 8x1
0” (crew−3) = 9.8X 1012(c
m−’ )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)、(21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、8X 10”cm−3の
サーマルドナーを得るには、当初7.5X 1017c
Ill−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、4X 10110l7’の場合は曲
線(2)から16時間の熱処理を、また3、5X 10
17cm−3の場合には100時間の熱処理をすれば9
.8X 1018cI11−’のサーマルドナーが発生
し、上述した5000Ω・Cl11の高圧抵抗のn型領
域が形成されることになる。
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)、(21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、8X 10”cm−3の
サーマルドナーを得るには、当初7.5X 1017c
Ill−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、4X 10110l7’の場合は曲
線(2)から16時間の熱処理を、また3、5X 10
17cm−3の場合には100時間の熱処理をすれば9
.8X 1018cI11−’のサーマルドナーが発生
し、上述した5000Ω・Cl11の高圧抵抗の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、p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。
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、p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I X 10” cm−3以下であることが望まれる
ことを確認した。
はI X 10” cm−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、8X 10” cts−”
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であ
る。この測定結果によると酸素濃度が1×10” cI
ll−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れかるように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
方法を講することによって1×1018CI11−3ま
で酸素濃度を高めても高比抵抗めn型の領域の形成が可
能であることを確めた。
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であ
る。この測定結果によると酸素濃度が1×10” cI
ll−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れかるように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
方法を講することによって1×1018CI11−3ま
で酸素濃度を高めても高比抵抗め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16X
10” cm−’のCZ法によって得たp型のSi結
晶、(32)は酸素濃度が4 X 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 Int
ernational Symposium on
SiliconMaterials 5cience
and Technology )19B1.5月p
p90−100参照)。これによれば酸素濃度が16X
1017ca−’では、比抵抗が低く約10Ω・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 X 1
0110l7’の場合、比抵抗が低い13Ω・cmのp
型の結晶は200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・cmO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×IQ15 cm−3であり、こ
れを打ち消して5000Ω・cmのn型にするには1.
4X 1011015(’) + 8 X 10” (
cm−’)のサーマルドナーが必要である。しかし、制
御すべき8 X 10” cm−’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(
(8×10”) / (9X1012+ 8 XIO”
) ) X100 = 8.2%であるのでその制
御が容易である。
況を示す。すなわち、曲線(31)は酸素濃度が16X
10” cm−’のCZ法によって得たp型のSi結
晶、(32)は酸素濃度が4 X 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 Int
ernational Symposium on
SiliconMaterials 5cience
and Technology )19B1.5月p
p90−100参照)。これによれば酸素濃度が16X
1017ca−’では、比抵抗が低く約10Ω・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 X 1
0110l7’の場合、比抵抗が低い13Ω・cmのp
型の結晶は200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・cmO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×IQ15 cm−3であり、こ
れを打ち消して5000Ω・cmのn型にするには1.
4X 1011015(’) + 8 X 10” (
cm−’)のサーマルドナーが必要である。しかし、制
御すべき8 X 10” cm−’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(
(8×10”) / (9X1012+ 8 XIO”
) ) X100 = 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lOΩ・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1000Ω・0111以上が望ましいことを確認した
。
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1000Ω・0111以上が望ましいことを確認した
。
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通用によって大口
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。
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通用によって大口
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。
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9.8X
1012cra−3の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。
量を示す曲線図、第2図は450℃熱処理で9.8X
1012cra−3の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)
- 比抵抗が1000Ω・cm以上で酸素濃度が2×10^
1^7〜1×10^1^8cm^−^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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