KR20230124056A - Method for predicting occurrence of defects in epitaxial silicon wafer and manufacturing method for epitaxial silicon wafer - Google Patents
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Abstract
임의의 인 농도 및 결정의 열 이력의 경우를 대상으로 한 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함(SF: 스태킹 폴트)의 발생 예측 방법을 제공한다. 결함의 발생 예측 방법은, 실리콘 단결정의 냉각 커브를 계산하는 단계와, 도프한 인의 농도로부터, 각 온도 과정에 있어서의 적어도 격자간 인의 농도를 계산하는 단계와, 냉각 중의 격자간 인의 과포화도로부터, 냉각 완료 시에 있어서의 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도를 계산하는 단계와, 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도로부터, 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함(SF: 스태킹 폴트)의 밀도를 추정하는 결함 추정 단계를 포함한다.Provided is a method for predicting the occurrence of defects (SF: stacking faults) in an epitaxial silicon wafer for the case of an arbitrary phosphorus concentration and thermal history of a crystal. The method for predicting the generation of defects is a step of calculating the cooling curve of a silicon single crystal, a step of calculating at least the interstitial phosphorus concentration in each temperature process from the concentration of doped phosphorus, and a step of calculating the interstitial phosphorus supersaturation during cooling, cooling Calculating the size and density of the precipitates of phosphorus and silicon upon completion, and estimating the density of defects (SF: stacking faults) in the epitaxially grown silicon wafer from the size and density of the precipitates of phosphorus and silicon It includes a defect estimation step.
Description
본 발명은, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법 및 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer and a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer.
파워 MOS 트랜지스터용의 에피택셜 실리콘 웨이퍼에는, 기판의 저항률이 낮은 것이 요구된다. 이 때문에, 인(P)을 고농도로 도프한 실리콘 웨이퍼가 에피택셜 성장의 기판으로서 이용되고 있다.An epitaxial silicon wafer for a power MOS transistor is required to have a low substrate resistivity. For this reason, a silicon wafer doped with phosphorus (P) at a high concentration is used as a substrate for epitaxial growth.
한편, 기판의 저항률이 0.9mΩcm보다 낮은 경우에는, 에피택셜막에 적층 결함(Stacking faults, 이하 SF라 함)이 다수 발생하는 것이 알려져 있다. 이들 SF(스태킹 폴트)는 에칭에 의해 검출할 수 있고, 육안이나 광학 현미경 하에서 확인할 수 있고, 밀도를 발생시킬 수 있다. 이 SF(스태킹 폴트)는 파워 MOS 트랜지스터를 작성함에 있어서 문제가 발생한다. 따라서, 당해 결함의 발생을 억제하기 위해 각종 방법이 시도되고 있다.On the other hand, it is known that when the resistivity of the substrate is lower than 0.9 mΩcm, many stacking faults (hereinafter referred to as SF) occur in the epitaxial film. These SFs (Stacking Faults) can be detected by etching, can be confirmed with the naked eye or under an optical microscope, and can generate density. This SF (Stacking Fault) causes problems in fabricating power MOS transistors. Accordingly, various methods have been attempted to suppress the occurrence of the defect.
예를 들면, 특허문헌 1에서는, 에피택셜막에 발생하는 SF(스태킹 포올트)의 원인은, 기판 결정의 결정 성장의 과정에 있어서 형성된 인과 산소가 결합하여 생긴 클러스터이며, 그들이 에피택셜막과의 계면에 있어서, SF(스태킹 폴트)의 발생의 기점이 된다고 추정하고 있다. 그리고, 결정의 냉각 중의 열 이력과의 관계를 조사하는 것에 의해, SF의 밀도는 결정이 570℃±70℃(500℃ 내지 640℃)의 온도 범위를 통과하는 체재 시간과 상관을 가지며, 그 체재 시간이 200분 이상인 경우에 에피택셜 웨이퍼에 있어서의 SF(스태킹 폴트)가 많아진다고 하고 있다. 다만, 특허문헌 1에서는, 인과 산소가 결합하여 발생한 클러스터의 존재는 확인되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 1에서 인과 산소가 결합하여 생긴 클러스터를 SF의 원인으로 상정한 이유는, 570℃±70℃의 온도 범위에 있어서 인 원자는 확산할 수 없기 때문에, 확산의 가능성이 있는 산소 원자가 인 원자의 주위에 모이는 것을 추측했기 때문이다.For example, in Patent Literature 1, the cause of SF (stacking foam) generated in an epitaxial film is a cluster formed by bonding phosphorus and oxygen formed in the process of crystal growth of a substrate crystal, and they are It is estimated that the interface is the origin of occurrence of SF (stacking fault). Then, by examining the relationship with the thermal history during cooling of the crystal, the density of SF has a correlation with the residence time for the crystal to pass through the temperature range of 570 ° C ± 70 ° C (500 ° C to 640 ° C), and its stay It is said that when the time is 200 minutes or more, the number of SF (stacking faults) in the epitaxial wafer increases. However, in Patent Literature 1, the existence of a cluster generated by bonding of phosphorus and oxygen has not been confirmed. In addition, the reason why the cluster formed by combining phosphorus and oxygen in Patent Document 1 was assumed as the cause of SF is that phosphorus atoms cannot diffuse in the temperature range of 570 ° C ± 70 ° C, so oxygen atoms that can diffuse are phosphorus atoms. because it was assumed to gather around atoms.
또한, 특허문헌 2에서는, 에피택셜 성장 전에 1200℃의 아르곤 분위기에서 30분의 어닐을 한 경우에, 에피택셜 성장 후에 발생하는 SF(스태킹 폴트)의 밀도와 인 농도, 결정의 570℃±70℃의 온도 범위에서의 체재 시간, 아르곤 어닐에서의 투입 온도, 에피택셜 성장 온도와의 사이의 관계의 실험식이 제안되어 있다.Further, in Patent Literature 2, when annealing is performed for 30 minutes in an argon atmosphere at 1200 ° C. before epitaxial growth, the density and phosphorus concentration of SF (stacking fault) generated after epitaxial growth, 570 ° C ± 70 ° C. An empirical formula for the relationship between the residence time in the temperature range of , the charge temperature in argon annealing, and the epitaxial growth temperature has been proposed.
또한, 비특허문헌 3에서는, 인 도프의 1.0mΩcm의 결정을 400℃에서 800℃까지, 25℃ 단계로 온도를 올리면서 각 단계 500 시간의 추가 열처리를 실시하여, 인의 석출의 변화를 조사하고 있다. 그 결과, 500℃에서 700℃의 사이에서는 SiP가 석출되지만, 775℃로 가열하면 저온 측의 단계에서 발생한 SiP는 용해·소멸하고, SF 및 전위만이 관찰되는 것이 나타나 있다. 본 발명자들의 일부는, 고밀도의 SiP 석출물이 존재하고 있는 결정에 1130℃에서의 에피택셜 성장 처리를 가하면, 웨이퍼의 벌크부의 SiP는 소멸하여, As grown에 있어서 존재한 SiP의 밀도와 동일한 밀도의 SF(스태킹 폴트)가 존재하고 있는 것을 관찰하고 있다.In addition, in Non-Patent Document 3, a crystal of 1.0 mΩcm of phosphorus dope is subjected to additional heat treatment for 500 hours at each step while raising the temperature in steps of 25 ° C from 400 ° C to 800 ° C, and the change in precipitation of phosphorus is investigated. . As a result, it is shown that SiP precipitates between 500 ° C and 700 ° C, but when heated to 775 ° C, SiP generated at the low temperature stage dissolves and disappears, and only SF and dislocations are observed. Some of the present inventors, when epitaxial growth treatment at 1130 ° C. is applied to crystals in which high-density SiP precipitates exist, SiP in the bulk portion of the wafer disappears, and SF having the same density as the density of SiP present in As-grown (stacking fault) is being observed.
상기와 같이, 에피택셜막에 있어서의 SF(스태킹 폴트)의 발생을 억제하는 방법이 제안되어 있지만, 이하에 설명하는 바와 같이, 아직 충분하지 않다는 상황에 있다. 또한, 이하의 분석은 본 발명자들에 의해 이루어진 것이다.As described above, a method of suppressing the occurrence of SF (stacking fault) in an epitaxial film has been proposed, but as described below, it is still in a situation where it is not sufficient. In addition, the following analysis was made by the present inventors.
예를 들어, 특허문헌 1에서는, 에피택셜막에 발생하는 SF(스태킹 폴트)의 원인은, 기판 결정의 결정 성장의 과정에 있어서 형성된 인과 산소가 결합하여 생긴 클러스터라고 하고 있다. 그러나, 본 발명자들의 일부는, 비특허문헌 1에 있어서, 고농도의 인 도프(저항률 0.87mΩcm)의 결정에서는, As grown(성장한 그대로)의 상태에 있어서, 고밀도의 SiP 석출물이 존재하고 있는 것을 TEM 관찰에 의해 보고하고 있다. 여기서, SiP는 실리콘과 인의 화합물이며, 특허문헌 1에서의 추측과는 달리, 산소를 포함하고 있지 않다.For example, Patent Literature 1 states that the cause of SF (stacking fault) occurring in an epitaxial film is a cluster formed by bonding of phosphorus and oxygen formed in the course of crystal growth of a substrate crystal. However, some of the present inventors, in Non-Patent Document 1, observed by TEM that high-density SiP precipitates exist in the As-grown (as-grown) state in crystals with high phosphorus doping (resistivity: 0.87 mΩcm) reported by Here, SiP is a compound of silicon and phosphorus, and unlike speculation in Patent Document 1, does not contain oxygen.
또한, 특허문헌 1에서는, 인 도프에서 저항률이 0.7mΩcm 이상 0.9mΩcm 이하인 기판을 이용한 에비택셜막에 있어서, SF(스태킹 폴트)를 0.1개/cm2이하로 하기 위해서는, 기판 결정의 결정 성장 과정에 있어서의 500℃에서 640℃의 온도 범위의 사이의 체재 시간을 200분 이하로 하는 것이 필요하다고 하고 있다. 그러나, 인 도프에서, 0.7mΩcm 이상 0.9mΩcm 이하인 경우는 관리해야 할 결정 성장 중의 온도 범위가 500℃ 내지 640℃인 것은 개시되어 있으나, 저항률이 상기 범위 외인 경우의 관리해야 할 온도 범위는 불분명하다. 관리해야 할 온도 범위는, SiP 석출물이 발생하여 성장하는 온도 구간에 대응한다고 생각되기 때문에, 저항률(인 농도)에 의존하여 변화한다고 생각되기 때문에, 특허문헌 1의 방법을 적용하기 위해서는, 저항률마다 관리해야 할 온도 범위를 실험에 의해 구할 필요가 있어, 매우 많은 실험 횟수를 필요로 한다.Further, in Patent Document 1, in an epitaxial film using a substrate having a resistivity of 0.7 mΩcm or more and 0.9 mΩcm or less in phosphorus doping, in order to set the SF (stacking fault) to 0.1 piece/cm 2 or less, in the crystal growth process of the substrate crystal, It is said that it is necessary to make the stay time between the temperature range of 500 degreeC and 640 degreeC in 200 minutes or less. However, in phosphorus dope, it is disclosed that the temperature range during crystal growth to be managed in the case of 0.7 mΩcm or more and 0.9 mΩcm or less is 500 ° C. to 640 ° C., but the temperature range to be managed when the resistivity is outside the above range is unknown. Since the temperature range to be managed is considered to correspond to the temperature range in which SiP precipitates are generated and grown, and is considered to change depending on the resistivity (phosphorus concentration), in order to apply the method of Patent Document 1, management is performed for each resistivity It is necessary to obtain the temperature range to be performed by experimentation, which requires a very large number of experiments.
또한, 특허문헌 2에 기재된 방법도 실험식이기 때문에, 실험식을 도출한 샘플의 조건의 범위에서만 적용할 수 있다. 또한, 특허문헌 2에 있어서 실험식을 도출한 샘플의 저항률은 0.6725, 0.68375, 0.7225mΩcm로, 적용 범위는 매우 좁다. 또한, 에피택셜 성장 전에 1200℃에서 30분의 아르곤 분위기에서의 어닐을 한 경우에만 적용할 수 있다.In addition, since the method described in Patent Literature 2 is also an empirical formula, it can be applied only within the range of conditions of the sample from which the empirical formula was derived. In addition, in Patent Document 2, the resistivities of the samples from which the empirical formula was derived are 0.6725, 0.68375, and 0.7225 mΩcm, and the application range is very narrow. In addition, it can be applied only when annealing in an argon atmosphere at 1200 ° C. for 30 minutes is performed before epitaxial growth.
또한, 특허문헌 2에는, 프리 어닐 공정에 있어서의 웨이퍼 투입 시 로(爐)내 온도를 낮게 하는 것에 의해 SF(스태킹 폴트)가 저감하는 메커니즘의 하나로서, 웨이퍼 내에 도입되는 격자간 실리콘의 양이 적어지는 것을 들고 있다. 그러나, 비특허문헌 2에 개시되는 바와 같이, 인 도프 결정에 있어서는 인 원자의 대부분은 실리콘 원자가 존재하는 격자 위치를 치환한 위치에 존재하지만, 일부의 인 원자는 실리콘의 격자간에 존재한다. 그리고, 일반적으로 격자간 원자의 확산 계수는 치환 위치의 원자의 그것보다 몇 자릿수 크다. 한편, 특허문헌 2에 기재된 방법은, 격자간 인의 영향을 고려하는 것은 아니다.Further, in Patent Document 2, as one of the mechanisms for reducing SF (stacking fault) by lowering the temperature in the furnace when the wafer is introduced in the pre-annealing process, the amount of interstitial silicon introduced into the wafer is I'm holding something less. However, as disclosed in Non-Patent Document 2, in a phosphorus-doped crystal, most of the phosphorus atoms exist at positions substituted for lattice positions where silicon atoms exist, but some phosphorus atoms exist between the lattices of silicon. In general, the diffusion coefficient of an interstitial atom is several orders of magnitude larger than that of an atom at a substitution site. On the other hand, the method described in Patent Literature 2 does not consider the influence of interstitial phosphorus.
이와 같이, 에피택셜막에 있어서의 SF(스태킹 폴트)의 발생을 억제하는 방법이 제안되고 있는데, 임의의 저항률(즉, 인 농도)에 적용할 수 있는 것은 아니다. 또한, 결정의 열 이력에 관한 적용 범위도 한정적이다.In this way, a method of suppressing the occurrence of SF (stacking fault) in an epitaxial film has been proposed, but it is not applicable to an arbitrary resistivity (ie, phosphorus concentration). In addition, the application range regarding the thermal history of crystals is also limited.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 임의의 인 농도 및 결정의 열 이력의 경우를 대상으로 한 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법 및 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer and a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer for the case of an arbitrary phosphorus concentration and crystal thermal history aims to
상기 목적을 달성하기 위해 이루어진 본 발명에 관련되는 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법은, 인을 도프한 실리콘 단결정을 기판에 사용하여 에피택셜막을 성장시켜 제조하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법으로서,A method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer according to the present invention made to achieve the above object is an epitaxial silicon wafer produced by growing an epitaxial film using a phosphorus-doped silicon single crystal as a substrate, As a method for predicting the occurrence of defects in
상기 실리콘 단결정을 제조하는 인상 장치를 포함한 온도 특성과 인상 속도로부터 상기 실리콘 단결정의 냉각 커브를 계산하는 열 이력 계산 단계와,A thermal history calculation step of calculating a cooling curve of the silicon single crystal from the temperature characteristics and pulling speed including a pulling device for producing the silicon single crystal;
상기 실리콘 단결정에 도프한 인의 농도로부터, 상기 냉각 커브의 각 온도 과정에 있어서의 적어도 격자간(格子間) 인의 농도를 계산하는 농도 계산 단계와,A concentration calculation step of calculating, from the concentration of phosphorus doped in the silicon single crystal, the concentration of at least interstitial phosphorus in each temperature course of the cooling curve;
상기 실리콘 단결정의 냉각 중의 격자간 인의 과포화도로부터, 냉각 완료 시에 있어서의 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도를 계산하는 석출물 계산 단계와,A precipitate calculation step of calculating the size and density of precipitates of phosphorus and silicon at the completion of cooling from the supersaturation of interstitial phosphorus during cooling of the silicon single crystal;
상기 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도로부터, 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함(SF: 스태킹 폴트)의 밀도를 추정하는 결함 추정 단계를 포함한다.and a defect estimation step of estimating the density of defects (SF: stacking faults) in the epitaxially grown silicon wafer from the size and density of the precipitates of phosphorus and silicon.
상기의 구성의 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법은, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 적층 결함(SF: 스태킹 폴트)의 원인이 되는 인과 실리콘의 석출물은, 치환 위치에 존재하는 인보다도, 격자간 인이 원인이라고 생각되기 때문에, 격자간 인의 농도를 중심으로 계산하는 것에 의해, 결함의 발생 예측 방법을 개선할 수 있다.In the method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer having the above structure, the precipitates of phosphorus and silicon, which cause stacking faults (SF: stacking faults) in the epitaxial silicon wafer, are smaller than the phosphorus present at the replacement position. , since interstitial phosphorus is thought to be the cause, it is possible to improve the generation prediction method of defects by calculating the concentration of interstitial phosphorus as the center.
또한, 상기 농도 계산 단계에서는, 상기 격자간 인의 농도뿐만 아니라, 공공(空孔), 격자간 실리콘, 인과 공공의 반응물의 농도도 함께 계산하는 것이 바람직하다.In addition, in the concentration calculation step, it is preferable to calculate not only the interstitial phosphorus concentration, but also the concentration of vacancies, interstitial silicon, and a reactant between phosphorus and vacancies.
결정의 냉각 과정에서는, 격자간 인이, 공공, 격자간 실리콘, 및 인과 공공의 반응물과 각종 반응을 행하기 때문이다.This is because interstitial phosphorus undergoes various reactions with vacancies, interstitial silicon, and reactants of phosphorus and vacancies in the crystal cooling process.
그리고, 상기 결함 추정 단계에서는, 사전의 실험에서 정해진 검출해야 할 인과 실리콘의 석출물의 사이즈의 임계치를 사용하여, 상기 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 밀도를 추정하는 것이 바람직하다.In the defect estimation step, it is preferable to estimate the density of defects in the epitaxially grown silicon wafer using a threshold value for the size of precipitates of phosphorus and silicon to be detected determined in a prior experiment.
에비택셜 성장의 전(前) 단계에서 실시되는 프리베이크의 조건에 따라서는 어닐링 아웃되는 SF(스태킹 폴트)의 크기도 달라지기 때문이다.This is because the size of the SF (stacking fault) to be annealed out also varies depending on the conditions of the prebake performed in the previous stage of the evitaxial growth.
예를 들면, 상기 인과 실리콘의 석출물의 사이즈의 임계치를 12nm로 하면, 1130℃의 수소 분위기에서 60초의 프리베이크를 실시하고, 그 후, 1130℃에서 3 ㎛의 에피택셜막을 성장시키는 에피택셜 조건의 경우에 적합하다.For example, if the critical value of the size of the precipitate of phosphorus and silicon is 12 nm, prebaking is performed for 60 seconds in a hydrogen atmosphere at 1130 ° C., and then an epitaxial film of 3 μm is grown at 1130 ° C. suitable for the case
또한, 본 발명에 관련되는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에서는, 상기 결함의 발생 예측을 실시하고, 예측되는 결함의 밀도가 규정의 수준을 만족시키지 않는 경우, 인상 속도의 조정을 실시하는 것에 의해 예측되는 결함의 밀도가 규정의 수준을 만족시키는 조건으로 인을 도프한 실리콘 단결정을 제조하고, 상기 실리콘 단결정을 기판에 사용하여 에피택셜막을 성장시켜 제조하는 것이 바람직하다. 실제의 제조 전에 결함의 밀도의 예측을 실시하는 것에 의해 수율이 향상된다. 또한, 에비택셜 성장의 전 단계에 있어서 실시되는 프리베이크의 조건을 조정하는 것도 생각된다.Further, in the method for manufacturing an epitaxial silicon wafer according to the present invention, the generation of defects is predicted, and when the density of the predicted defects does not satisfy a prescribed level, the pulling rate is adjusted. It is preferable to manufacture a silicon single crystal doped with phosphorus under the condition that the defect density satisfies a prescribed level, and grow an epitaxial film using the silicon single crystal as a substrate. Yield is improved by predicting the density of defects before actual manufacturing. It is also conceivable to adjust the conditions of the prebaking performed in the previous stage of the epitaxial growth.
본 발명에 의하면, 임의의 인 농도 및 결정의 열 이력의 경우를 대상으로 한 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법 및 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer and a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer, targeting the case of an arbitrary phosphorus concentration and thermal history of a crystal.
도 1은, CZ법에 의한 단결정 인상 장치의 일례의 개략도이다.
도 2는, 결정(1) 및 결정(2)의 직동(直胴)의 각 위치에 있어서의 저항률을 나타내는 그래프이다.
도 3은, 결정(1)의 직동의 각 위치에 있어서의 냉각 커브를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 결정(2)의 직동의 각 위치에 있어서의 냉각 커브를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 결정(1) 및 결정(2)에 있어서의 직동의 각 위치에서의 결정을 기판으로서 사용한 경우의 에피택셜 성장 후의 SF(스태킹 폴트)의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 결정(1)에 대하여 계산한 SiP의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 결정(2)에 대하여 계산한 SiP의 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 결정(1)에 있어서의 에피택셜막의 SF(스태킹 폴트)의 밀도와 직동 위치의 관계의 실험 결과와 계산 결과를 비교한 그래프이다.
도 9는, 결정(2)에 있어서의 에피택셜막의 SF(스태킹 폴트)의 밀도와 직동 위치의 관계의 실험 결과와 계산 결과를 비교한 그래프이다.
도 10은, 결함의 발생 예측 방법의 수순을 개략적으로 도시하는 플로우차트이다.
1 is a schematic diagram of an example of a single crystal pulling device by the CZ method.
Fig. 2 is a graph showing the resistivity at each position of a straight body of crystal (1) and crystal (2).
Fig. 3 is a graph showing cooling curves at each position of the linear motion of the crystal (1).
Fig. 4 is a graph showing cooling curves at each position of the linear motion of the crystal (2).
Fig. 5 is a graph showing the density of SF (stacking fault) after epitaxial growth when the crystal at each linear position in crystal (1) and crystal (2) is used as a substrate.
Fig. 6 is a graph showing the density of SiP calculated for Crystal (1).
7 is a graph showing the density of SiP calculated for crystal (2).
Fig. 8 is a graph comparing experimental results and calculation results of the relationship between the SF (stacking fault) density and linear motion position of the epitaxial film in crystal (1).
Fig. 9 is a graph comparing experimental results and calculation results of the relationship between the SF (stacking fault) density and linear motion position of the epitaxial film in crystal (2).
Fig. 10 is a flowchart schematically showing the procedure of a defect occurrence prediction method.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법에 대해, 도면에 기초하여 설명한다. 다만, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법이 이하에서 설명하는 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 첨부의 도면은 모식적인 것이며, 각 요소의 치수나 비율 등이 실제와 상이한 경우가 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a defect occurrence prediction method in an epitaxial silicon wafer according to an embodiment of the present invention will be described based on the drawings. However, the method for predicting occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer according to an embodiment of the present invention is not limited to the embodiment described below. The accompanying drawings are typical, and the dimensions, ratios, etc. of each element may differ from actual ones.
우선, 비특허문헌 1 및 비특허문헌 3의 결과, 및 특허문헌 1의 결과를 함께 생각하면, 인 도프에서 0.9mΩcm 이하의 기판 웨이퍼를 이용한 경우의 에피택셜막에 있어서의 SF(스태킹 폴트)의 발생은 다음과 같은 과정에 의해 생성된다고 추찰된다.First, considering the results of Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 3 and the results of Patent Document 1 together, the SF (stacking fault) in the epitaxial film in the case of using a substrate wafer of 0.9 mΩcm or less in phosphorus dope It is inferred that the occurrence is produced by the following process.
(1) 인 도프에서 0.9mΩcm 이하의 결정에 있어서는, 결정의 냉각 과정의 570℃±70℃(500℃ 내지 640℃)의 온도 구간의 사이에서 SiP가 발생하여 성장한다.(1) In a phosphorus dope crystal of 0.9 mΩcm or less, SiP is generated and grown during the temperature range of 570°C ± 70°C (500°C to 640°C) during the cooling process of the crystal.
(2) 에비택셜 성장의 전 단계에 있어서 실시되는 프리베이크의 가열 중에 있어서, SiP는 용해되고, SF가 결정에 잔존한다.(2) During the prebaking heating performed in the previous stage of the epitaxial growth, SiP is dissolved and SF remains in the crystal.
(3) 결정 성장에 있어서의 냉각 과정에 있어서 570℃±70℃(500℃ 내지 640℃)의 온도 구간 사이의 체재 시간이 짧은 경우에는, SiP의 사이즈가 작기 때문에, 발생하는 SF의 사이즈도 작고, 프리베이크의 과정에 있어서 표층 부근의 SF(스태킹 폴트)는 어닐링 아웃되고, 에피택셜 성장을 개시하였을 때에는 표층에 SF는 잔존하지 않는다.(3) In the cooling process in crystal growth, when the residence time between the temperature range of 570°C ± 70°C (500°C to 640°C) is short, the size of SiP is small, so the size of generated SF is also small , SF (stacking fault) near the surface layer is annealed out in the process of prebaking, and when epitaxial growth is started, SF does not remain in the surface layer.
(4) 한편, 결정 성장에서의 냉각 과정에서 570℃±70℃(500℃ 내지 640℃)의 온도 구간 사이의 체재 시간이 긴 경우에는, SiP의 사이즈가 커지기 때문에, 발생하는 SF(스태킹 폴트)의 사이즈도 커서, 프리베이크 과정에서 표층 부근의 SF(스태킹 폴트)는 어닐링 아웃되지 않는다. 그리고, 에피택셜 성장을 개시했을 때에 표층에 잔존하는 SF는, 에피택셜막 중에 SF로서 전반(傳搬)된다.(4) On the other hand, when the residence time between the temperature range of 570 ° C ± 70 ° C (500 ° C to 640 ° C) is long in the cooling process in crystal growth, the size of SiP increases, so SF (stacking fault) that occurs The size of is also large, so SF (stacking fault) near the surface layer is not annealed out during the prebaking process. Then, when epitaxial growth is started, SF remaining in the surface layer is propagated as SF in the epitaxial film.
이러한 과정에서 저저항률 기판에 있어서의 에비택셜막의 SF가 형성된다고 생각하면, 에비택셜막에 SF로서 전파하는 핵이 되는 SiP 석출물의 밀도를 예측하는 것이 중요하다. 그리고, 예측되는 SiP의 사이즈 분포와, 에피택셜막의 스태킹 폴트 밀도의 관계를 구하고, 그 관계로부터, 에피택셜막의 스태킹 폴트를 추정한다.Considering that SF of the epitaxial film on the low-resistivity substrate is formed in this process, it is important to predict the density of SiP precipitates serving as nuclei that propagate as SF in the epitaxial film. Then, the relationship between the predicted size distribution of SiP and the stacking fault density of the epitaxial film is obtained, and the stacking fault of the epitaxial film is estimated from the relationship.
먼저, 예측되는 SiP의 사이즈 분포와, 에피택셜막의 SF(스태킹 폴트) 밀도의 관계를 구하는 방법을 설명한다.First, a method for determining the relationship between the predicted size distribution of SiP and the SF (stacking fault) density of the epitaxial film will be described.
(1) 결정 성장 중의 냉각 커브를 계산에 의해 구한다.(1) Calculate the cooling curve during crystal growth.
(2) 인 농도와 냉각 커브에 의해, 냉각 중에 있어서의 SiP의 발생과 성장을 계산한다.(2) Calculate the generation and growth of SiP during cooling from the phosphorus concentration and the cooling curve.
(3) 냉각 후의 SiP의 사이즈 분포를 구한다.(3) Determine the size distribution of SiP after cooling.
(4) 대응하는 인 농도와 냉각 커브에 대한 에피택셜막의 SF(스태킹 폴트)의 밀도를 실험에 의해 평가한다.(4) Evaluate the SF (stacking fault) density of the epitaxial film for the corresponding phosphorus concentration and cooling curve by experiment.
(5) SiP의 사이즈 분포와 에피택셜막에 있어서의 SF(스태킹 폴트)의 관계를 파악한다.(5) Grasp the relationship between the size distribution of SiP and the SF (stacking fault) in the epitaxial film.
이하, (1) 내지 (5)의 과정 각각을 설명한다.Hereinafter, each of the processes (1) to (5) will be described.
도 1은, CZ(Czochralski; 초크랄스키)법에 의한 단결정 인상 장치의 일례의 개략도이다. 도 1에 도시하는 인상 장치는, 일반적인 구조이며, 로(1) 내의 중앙에는, 원료 융액(2)이 충전된 석영 도가니(3)가 회전 가능하게 설치되어 있다. 석영 도가니(3)의 주위에는, 석영 도가니(3)를 측부 둘레로부터 가열하기 위해 사이드 히터(4) 및 바닥부로부터 가열하기 위한 보텀 히터(5)가 설치되어 있다. 또한, 석영 도가니(3)의 상방에는, 석영 도가니(3) 내의 원료 융액(2)이나 인상되는 결정(9)의 온도 제어 등을 위한 복사 쉴드(6)가 설치되어 있다.1 is a schematic diagram of an example of a single crystal pulling device by a Czochralski (CZochralski) method. The pulling device shown in FIG. 1 has a general structure, and a quartz crucible 3 filled with a raw material melt 2 is rotatably installed at the center of the furnace 1. Around the quartz crucible 3, a side heater 4 for heating the quartz crucible 3 from the side periphery and a bottom heater 5 for heating the quartz crucible 3 from the bottom are provided. Further, above the quartz crucible 3, a radiation shield 6 for temperature control of the raw material melt 2 in the quartz crucible 3 and the pulled crystal 9 is provided.
CZ법에 의한 단결정 인상 장치에서는, 석영 도가니(3) 내의 원료 융액(2)의 액면에 와이어(7)의 하단에 유지된 종결정(8)을 착액시키고, 석영 도가니(3) 및 종결정(8)을 각각 회전시키면서, 와이어(7)를 인상해 가는 것에 의해 결정(9)을 성장시킨다.In the single crystal pulling device using the CZ method, the seed crystal 8 held at the lower end of the wire 7 is brought into contact with the surface of the raw material melt 2 in the quartz crucible 3, and the quartz crucible 3 and the seed crystal ( The crystal 9 is grown by pulling the wire 7 while rotating each of the 8).
도 1에 도시하는 바와 같은 결정 성장에 이용한 인상기의 구조를 메시 구조에 의해 모델화하고, 각 부재마다의 물성치를 입력하며, 또한 결정의 길이 위치에 대응하는 인상 속도를 입력한다. 그리고, 히터의 발열량 및 각 부재의 복사율에 기초하여 각 부재의 표면 온도 분포를 계산한다. 한편, 각 부재의 내부 온도 분포는, 각 부재의 표면 온도 분포 및 열전도율에 기초하여 열전도 방정식을 푸는 것에 의해 계산한다. 이와 같이 하여, 인상되는 결정의 내부의 온도 분포를 계산한다. 또한, 결정의 인상 속도를 고려하는 것에 의해, 결정의 내부의 온도 분포를 포함한, 결정 전체의 냉각 커브를 계산한다.The structure of the puller used for crystal growth as shown in FIG. 1 is modeled with a mesh structure, the physical properties of each member are input, and the pulling speed corresponding to the length position of the crystal is input. Then, the surface temperature distribution of each member is calculated based on the calorific value of the heater and the emissivity of each member. On the other hand, the internal temperature distribution of each member is calculated by solving the heat conduction equation based on the surface temperature distribution and thermal conductivity of each member. In this way, the temperature distribution inside the pulled crystal is calculated. In addition, the cooling curve of the entire crystal including the temperature distribution inside the crystal is calculated by considering the pulling speed of the crystal.
이들 계산 프로세스는, 당해 기술자에 있어서 일반적으로 사용되고 있는 종합 전열 해석의 소프트웨어를 사용하여 계산할 수 있다. 종합 전열 해석의 소프트웨어는, 예를 들어, 1) CGSim(STR사), 2) CrysMAS(Crystal Growth Laboratory of the Fraunhofer Institute of Integrated Systems and Device Technology), 3) FEMAG(FEMAG soft사) 등, 3종류의 것을 예시할 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 계산예에서는 CGSim를 사용하고 있다.These calculation processes can be calculated using software for general heat transfer analysis generally used by the technicians concerned. There are three types of software for comprehensive electrothermal analysis, for example: 1) CGSim (STR), 2) CrysMAS (Crystal Growth Laboratory of the Fraunhofer Institute of Integrated Systems and Device Technology), and 3) FEMAG (FEMAG soft). of can be exemplified. Incidentally, CGSim is used in the calculation examples described below.
다음으로 냉각 과정에 있어서 인 원자가 응집하여 SiP를 형성하는 과정을 계산한다. 비특허문헌 2에 개시되어 있는 바와 같이, 실리콘 중의 인 원자는 주로 실리콘 격자점을 치환한 위치에 존재하고, 일부가 실리콘의 격자간(格子間) 사이트에 존재한다고 생각되고 있다. 치환 위치에 존재하는 인 원자의 확산 계수는 잘 알려져 있고, SiP가 발생한다고 생각되는 온도 영역에서는 거의 움직이지 않는 것은 알려져 있다. 한편, 격자간에 존재하는 원자는 일반적으로 고속 확산한다. 따라서, SiP를 형성하는 것은, 치환 위치에 존재하는 인보다, 격자간 인이라고 생각된다.Next, the process of condensing phosphorus atoms to form SiP during the cooling process is calculated. As disclosed in Non-Patent Document 2, it is thought that phosphorus atoms in silicon mainly exist at positions where silicon lattice points are substituted, and some exist at interstitial sites of silicon. The diffusion coefficient of the phosphorus atom present at the substitution site is well known, and it is known that it hardly moves in the temperature range where SiP is thought to occur. On the other hand, atoms present in the interstitial generally diffuse at a high speed. Therefore, it is considered that interstitial phosphorus rather than phosphorus present at the substitution site forms SiP.
따라서, 우선, 결정의 냉각 중의 인의 반응을 비특허문헌 2에 따라 설명한다. 여기서는 인 원자와 실리콘 결정 중의 점결함과의 반응을 다음과 같이 가정한다. 실리콘 중에서의 인의 형태로서 격자점에 있어서의 실리콘 원자를 치환하는 위치에 존재하는 경우를 PS로 하고, 실리콘의 격자간에 있는 경우를 Pi로 하였다. 또한, 원자 공공(空孔)을 V, 격자간 실리콘을 I로 하고 있다.Therefore, first, the reaction of phosphorus during crystal cooling is explained according to Non-Patent Document 2. Here, the reaction between a phosphorus atom and a point defect in a silicon crystal is assumed as follows. As a form of phosphorus in silicon, the case where it exists at a position where a silicon atom in a lattice point is substituted is P S , and the case where it exists between the lattices of silicon is P i . Further, atomic vacancies are V and interstitial silicon is I.
PS+V=PV …(1)P S +V=PV . . . (One)
PS++I+2e-=Pi-…(2)P S+ +I+2e - =P i- . (2)
여기서, PV는 인과 공공과의 반응물, Ps+는 플러스로 하전된 치환 위치의 인, e는 전자, Pi-는 마이너스로 하전된 격자간의 인이다. 또한, 공공과의 반응을 나타내는 식(1)에 있어서는, 공공과 인의 화합물은 전기적으로 뉴트럴인 것을 가정하고 있다. 그리고, 식(2)에 있어서는, 격자간 인 Pi은 음으로 챠지하고 있다고 가정했기 때문에, 전하의 변화를 고려하고 있다. 이 가정은 비특허의 문헌 2를 참조하였다.Here, PV is a reactant between phosphorus and a vacancy, P s+ is positively charged phosphorus at a substitution site, e is an electron, and Pi- is a negatively charged interstitial phosphorus. In equation (1) representing the reaction with vacancies, it is assumed that the compound of vacancies and phosphorus is electrically neutral. In equation (2), since it is assumed that the interstitial P i is negatively charged, the change in charge is taken into consideration. This assumption was referred to Document 2 of the non-patent.
식(1) 및 식(2)에 있어서의 반응 상수를 각각 KV, KI로 하면, 질량 작용의 법칙에 의해, 이하의 식(3) 및 식(4)의 관계가 얻어진다.If the reaction constants in formulas (1) and (2) are respectively K V and K I , the relationship of the following formulas (3) and (4) is obtained by the law of mass action.
CVN/CPV=KV…(3)C V N/C PV =K V … (3)
CIN/CPi=KI(ni/n)2…(4)C I N/C Pi =K I (n i /n) 2 … (4)
여기서, CV는 공공 농도, N은 인의 농도, CPV는 PV의 농도이며, CI는 격자간 실리콘의 농도, CPi는 Pi의 농도, n은 전자의 농도, ni는 인트린식한 전자 농도이다. 여기서, ni는 식(5)에 의해 표시된다.Here, C V is the vacancy concentration, N is the phosphorus concentration, C PV is the concentration of PV, C I is the concentration of interstitial silicon, C Pi is the concentration of Pi , n is the concentration of electrons, and n i is the intrinsic is the electron concentration. Here, n i is represented by equation (5).
ni(cm-3)=1.568×1015T3/2exp[-{1.17-(4.9×10-4T2/(T+655))}/2kBT]…(5)n i ( cm -3 )=1.568×10 15 T 3/2 exp[-{1.17-(4.9×10 -4 T 2 /(T+655))}/2k B T]… (5)
여기서, T는 절대 온도(K), kB는 볼츠만 상수 8.6257×10-5(eV/K)이다.Here, T is the absolute temperature (K) and k B is the Boltzmann constant 8.6257×10 -5 (eV/K).
전자 농도 n과 도너형 불순물 농도 N의 관계는, 이하의 식(6)이 된다.The relationship between the electron concentration n and the donor-type impurity concentration N is expressed by the following equation (6).
n=N/2+[N2/4+ni 2]1/2…(6)n=N/2+[N 2 /4+n i 2 ] 1/2 … (6)
여기서, 식(3)으로부터 CPV는 N에 비례함을 알 수 있다. 한편, 식(4) 및 식(6)으로부터, CPi는 다음과 같이 변화한다. 식(6)으로부터, 전자 농도 n은, N<<ni에서는, n=ni가 되고, N>>ni에서는, n=N이 된다. 따라서, 인 농도가 낮은 경우, N<<ni에서는, CPi는 N에 비례하고, 인 농도가 높은 경우, N>>ni에서는, CPi는 N의 3승에 비례하는 것을 알 수 있다. 즉, 인 농도 N이 인트린식한 전자 농도를 초과한 경우에 격자간 인의 농도 CPi가 급격하게 증가하는 것이 예상된다. 이것은 본 발명에서 문제로 하는 인 농도 N에서는, 격자간 인의 농도 CPi가 지배적으로 되는 것을 나타내고 있다.Here, it can be seen from Equation (3) that C PV is proportional to N. On the other hand, from equations (4) and (6), C Pi changes as follows. From equation (6), the electron concentration n becomes n=n i when N<<n i , and n=N when N>>n i . Therefore, when the phosphorus concentration is low, N<< ni , C Pi is proportional to N, and when the phosphorus concentration is high, N>>n i , C Pi is proportional to the third power of N. . That is, when the phosphorus concentration N exceeds the intrastitial electron concentration, it is expected that the interstitial phosphorus concentration C Pi increases rapidly. This indicates that the interstitial phosphorus concentration C Pi becomes dominant in the phosphorus concentration N, which is a problem in the present invention.
그런데, 결정 성장 중에 발생하는 또 하나의 반응은 식(7)에 나타나는 공공과 격자간 실리콘의 대소멸(對消滅) 반응이다.By the way, another reaction that occurs during crystal growth is a large extinction reaction between vacancies and interstitial silicon shown in Equation (7).
V+I=0 …(7)V+I=0 … (7)
그리고, 대소멸 반응의 반응 속도는 식(8)에 의해 나타난다.And, the reaction rate of the extinction reaction is represented by Equation (8).
dCV/dt=dCI/dt=-KIV(CVCI-CV eqCI eq)…(8)dC V /dt=dC I /dt=-K IV (C V C I -C V eq C I eq )… (8)
여기서, CV eq, CI eq는, 각각 공공과 격자간 실리콘의 열 평형 농도이다.Here, C V eq and C I eq are thermal equilibrium concentrations of vacancies and interstitial silicon, respectively.
또한, KIV는 식(9)에 의해 표시된다.Also, K IV is represented by equation (9).
KIV=4πac(DV+DI)exp(-ΔG/kBT)…(9)K IV =4πa c (D V +D I )exp(-ΔG/k B T)… (9)
여기서, ac=0.543×10-7cm이며, DV와 DI는 각각 공공과 격자간 실리콘의 확산 계수이다. ΔG는 대소멸 반응의 배리어이며, 일반적으로 ΔG는 제로로 되기 때문에, 여기에서는 제로로 하였다.Here, a c =0.543×10 -7 cm, and D V and D I are diffusion coefficients of vacancies and interstitial silicon, respectively. ΔG is a barrier for a large extinction reaction, and since ΔG is generally zero, it was set to zero here.
다음으로 결정의 냉각 과정에 있어서의 CV, CI, CPV, CPi의 농도의 변화를 나타낸다. V, PV, I, Pi는, 식(1) 및 식(2)의 반응이 항상 정상 밸런스한 상태를 유지하면서 변화한다고 가정하였다. 즉, 식(3) 및 식(4)를 항상 만족하게 된다.Next, changes in the concentrations of C V , C I , C PV , and C Pi during the cooling process of the crystal are shown. V, PV, I, and P i were assumed to change while the reactions of equations (1) and (2) always maintained a steady state of balance. That is, equations (3) and (4) are always satisfied.
우선, CV와 CPV의 관계에 대해서 나타낸다. 여기서, CPV<<N이기 때문에, PV가 형성되는 것에 의한 인 농도 N의 변화는 무시한다. 그리고, V와 PV의 농도의 합을 식(10)과 같이 CV T로 한다.First, the relationship between C V and C PV is shown. Here, since C PV << N, the change in the phosphorus concentration N due to the formation of PV is ignored. Then, the sum of the concentrations of V and PV is C V T as in Equation (10).
CV T=CV+CPV…(10)C V T =C V +C PV … (10)
그러면, 식(3)은 식(11)이 된다.Then, equation (3) becomes equation (11).
(CV T-CPV)N/CPV=KV…(11)(C V T -C PV )N/C PV =K V … (11)
즉, CV T를 알면 식(12)를 사용하여 CPV를 얻을 수 있다.That is, if C V T is known, C PV can be obtained using equation (12).
CPV=CV T/(KV/N+1)…(12)C PV =C V T /(K V /N+1)… (12)
다음으로, 식(4)로부터 CI, CPi의 농도의 관계를 구한다. 여기서, CPi<<N이기 때문에, Pi가 형성되는 것에 의한 인 농도 N의 변화는 무시한다. 또한, Pi의 평형 농도와 PS의 농도비를 식(13)과 같이 R로 한다.Next, the relationship between the concentrations of C I and C Pi is obtained from Equation (4). Here, since C Pi << N, the change in the phosphorus concentration N due to the formation of Pi is ignored. In addition, the ratio of the equilibrium concentration of P i and the concentration of PS is R as shown in Equation (13).
R=CPi eq/N…(13)R=C Pi eq /N... (13)
여기서, R이라는 새로운 파라미터를 나타냈기 때문에, KI와의 관계를 이하에 나타낸다. 우선, 식(4)는, 각각의 성분이 평형 농도일 때도 성립되기 때문에, 식(14)와 같이 기재할 수 있다.Here, since a new parameter called R is shown, the relationship with K I is shown below. First, since equation (4) holds even when each component is at an equilibrium concentration, it can be written as equation (14).
CIN/CPi=CI eqN/CPi eq…(14)C I N/C Pi =C I eq N/C Pi eq . (14)
따라서,thus,
CIN/CPi=CI eq/R…(15)C I N/C Pi =C I eq /R… (15)
또한, 식(13) 및 식(14)로부터, R과 KI의 관계는 식(16)이 되는 것을 알 수 있다.Also, from equations (13) and (14), it can be seen that the relationship between R and K I is equation (16).
R=CI eq(n/ni)2/KI…(16)R=C I eq (n/n i ) 2 /K I ... (16)
또한, I와 Pi의 농도의 합을 식(17)과 같이 CI T로 한다.In addition, the sum of the concentrations of I and Pi is C I T as in Equation (17).
CI T=CI+CPi…(17)C I T =C I +C Pi … (17)
그러면, 식(15)로부터, 식(18)을 얻는다.Then, from equation (15), equation (18) is obtained.
CPi/N=R(CI T-CPi)/CI eq…(18)C Pi /N=R(C I T -C Pi )/C I eq . (18)
이것을 전개하여 정리하면, 식(19)를 얻는다.Expanding and arranging this, equation (19) is obtained.
CPi=CI T/{CI eq/(NR)+1}…(19)C Pi =C I T /{C I eq /(NR)+1}… (19)
그런데, 여기까지 도출한 식에 의해, 냉각 중의 V, I, PV, Pi의 변화를 계산할 수 있다. 다음으로, 구체적인 계산의 순서를 나타낸다. 여기에서는, 고액 계면 즉 1685K에 있어서의 농도를 초기 조건으로 한다. 그리고, 고액 계면에서는, 모든 농도가 열 평형 농도라고 가정한다. 즉, 초기 농도는 하기 식(20)에 의해 주어진다.By the way, the change of V, I, PV, and Pi during cooling can be calculated by the formula derived so far. Next, the specific calculation sequence is shown. Here, the solid-liquid interface, that is, the concentration at 1685 K is used as the initial condition. And, at the solid-liquid interface, all concentrations are assumed to be thermal equilibrium concentrations. That is, the initial concentration is given by the following formula (20).
CV=CV eq at 1685KC V =C V eq at 1685K
CI=CI eq at 1685KC I =C I eq at 1685K
CPV=CV eqN/KV at 1685KC PV =C V eq N/K V at 1685K
CPi=NR at 1685K …(20)C Pi =NR at 1685K … (20)
냉각 중의 V, I의 변화는, 온도의 저하마다 식(8)에 의해 구하고, CV, CI의 변화를 결정한다. 그리고, CV, CI의 변화로부터 CV T, CI T의 변화를 구하고, 식(12) 및 식(19)로부터, CPV, CPi가 구해진다. 이것을 온도의 저하 단계마다 구하는 것에 의해, V, I, PV, Pi의 농도 변화가 구해진다.Changes in V and I during cooling are obtained by equation (8) for each decrease in temperature, and changes in C V and C I are determined. Then, the changes in C V T and C I T are obtained from the changes in C V and C I , and C PV and C Pi are obtained from equations (12) and (19). By obtaining this for each step of temperature decrease, the concentration change of V, I, PV, and Pi is obtained.
또한, 온도 의존의 각 파라미터는 식(21)에서 식(26)과 같이 설정한다.In addition, each parameter of temperature dependence is set as shown in equation (26) in equation (21).
CV eq=6.49×1014exp[-3.94{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(21)C V eq =6.49×10 14 exp[-3.94{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (21)
CI eq=4.84×1014exp[-4.05{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(22)C I eq =4.84×10 14 exp[-4.05{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (22)
DV=4.45×10-5exp[-0.3{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(23)D V =4.45×10 -5 exp[-0.3{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (23)
DI=5.0×10-4exp[-0.9{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(24)D I =5.0×10 -4 exp[-0.9{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (24)
KV=9.61×1019exp[-1.0{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(25)K V =9.61×10 19 exp[-1.0{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (25)
KI=3.5×1020exp[-1.2{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(26)K I =3.5×10 20 exp[-1.2{1/(k B T)-1/(1685 k B )}]... (26)
여기에서의 kB는, 8.6257×10-5(eV/K)이다.k B here is 8.6257×10 -5 (eV/K).
다음으로 SiP의 핵 발생과 성장 과정을 나타내는 모델을 설명한다. 핵 발생 속도 모델로서는, 비특허문헌 4에 제안되어 있는 공공의 클러스터에 관한 모델을 참고로 하여, SiP에 대하여 적용한다.Next, a model representing the nucleation and growth process of SiP is explained. As a nucleus generation rate model, a model related to a vacancy cluster proposed in Non-Patent Document 4 is referred to and applied to SiP.
고전적 핵 형성 이론에 있어서 핵 발생은 클러스터 형성에 수반되는 에너지 장벽을 열 요동에 의해 초과하는 과정으로서 생각한다. 여기에서는 SiP를 구체라고 가정한다. 핵을 구체라고 가정하면 반경 R의 입자의 발생에 수반되는 자유 에너지 변화는 다음과 같이 부여된다.In the classical nucleation theory, nucleation is considered as a process in which the energy barrier involved in cluster formation is exceeded by thermal fluctuations. Here, SiP is assumed to be a sphere. Assuming that the nucleus is a sphere, the free energy change accompanying the generation of a particle of radius R is given as:
ΔG(R)=-(4πR3/3Ω)f+4πR2σ …(27)ΔG(R)=-(4πR 3 /3Ω)f+4πR 2 σ … (27)
f=kBTln(CPi/CPi eq)…(28)f=k B Tln(C Pi /C Pi eq )... (28)
여기서, Ω는, SiP의 1분자당의 체적이다(4.08×10-23cm3). 또한, f는 인의 케미컬 포텐셜이며, -f는 1개의 SiP가 석출되었을 때의 계의 에너지 변화를 나타낸다. 4πR2σ의 항은 표면 에너지를 나타내고, σ는, SiP의 단위 면적당의 표면 에너지이다(σ=556erg/cm2). 또한, 식(27) 및 식(28)에 있어서의 kB는, 1.381×10-16(erg/K)이다.Here, Ω is the volume per molecule of SiP (4.08×10 -23 cm 3 ). In addition, f is the chemical potential of phosphorus, and -f represents the energy change of the system when one SiP is precipitated. The term 4πR 2 σ represents the surface energy, and σ is the surface energy per unit area of SiP (σ = 556 erg/cm 2 ). In addition, k B in Expressions (27) and (28) is 1.381 × 10 -16 (erg/K).
ΔG(R)는, 반경의 증가에 수반하여 극대값을 취한다. 극대값에 있어서의 반경이 임계 반경 Rcri이며, ΔG(R)의 극대값이 ΔG*가 된다. ΔG*는 클러스터 형성에 수반하는 에너지 장벽을 나타낸다.ΔG(R) takes a maximum value as the radius increases. The radius at the maximum value is the critical radius R cri , and the maximum value of ΔG(R) is ΔG*. ΔG* represents the energy barrier accompanying cluster formation.
RCri=2σΩ/f …(29)R Cri =2σΩ/f … (29)
ΔG*=16πσ3Ω2/(3f)2…(30)ΔG*=16πσ 3 Ω 2 /(3f) 2 … (30)
핵 발생의 빈도는 열 요동에 의해 Rcri의 사이즈의 핵이 발생하는 빈도와, 그 핵에 대하여 또 다른 하나의 원자가 더해짐으로써, 극대치의 산을 넘어 석출물이 되는 빈도로서 정의된다. 그 때, 정상 핵 발생 속도 I는, 식(31)로 표시된다.The frequency of generation of nuclei is defined as the frequency at which nuclei having a size of R cri are generated due to thermal fluctuations and the frequency at which another atom is added to the nucleus and becomes a precipitate beyond the mountain of the maximum value. At that time, the normal nucleus generation rate I is expressed by equation (31).
I=βZρeq …(31)I=βZρ eq … (31)
여기서, β는 임계핵으로의 원소의 포획 속도이며, Z는, Zeldovich 인자라고 불리며 열 평형 밀도와 정상 상태에 있어서의 밀도의 비를 보정하는 계수이다. ρeq는 임계핵의 열 평형 밀도이다.Here, β is the capture rate of an element into the critical nucleus, and Z is called a Zeldovich factor and is a coefficient correcting the ratio of the thermal equilibrium density to the density in a steady state. ρ eq is the thermal equilibrium density of the critical nucleus.
ρeq=ρexp(-ΔG*/kBT)…(32)ρ eq =ρexp(-ΔG*/k B T)... (32)
여기서, ρ는 실리콘 사이트의 밀도이다(5×1022cm-3).Here, ρ is the density of silicon sites (5×10 22 cm -3 ).
β=4πRcriDPiCPi…(33)β=4πR cri D Pi C Pi … (33)
여기서, DPi는 격자간 인의 확산 계수이다.Here, D Pi is the diffusion coefficient of interstitial phosphorus.
Z=f(12πΔG*kBT)-1/2…(34)Z=f(12πΔG*k B T) -1/2 … (34)
따라서, 각 발생 속도 I는, 하기 식(35)로 표시된다.Therefore, each generation rate I is expressed by the following formula (35).
I=(4πRcriDPiCPi)Zρexp(-ΔG*/kBT)(1/sec·cm3)…(35)I=(4πR cri D Pi C Pi )Zρexp(-ΔG*/k B T)(1/sec·cm 3 )… (35)
즉, 결정의 냉각 중, 식(35)에 나타내는 속도로 SiP가 발생한다. 30초마다 그 사이에 발생한 SiP의 밀도를 적산하고, 각각의 시간 구간에 있어서 발생한 SiP의 성장 및 격자간 인의 흡수를 냉각이 종료될 때까지 계산한다.That is, during crystal cooling, SiP is generated at the rate shown in equation (35). The density of SiP generated during that time is integrated every 30 seconds, and the growth of SiP generated in each time interval and the absorption of interstitial phosphorus are calculated until the cooling is completed.
SiP의 성장 속도를 식(36)으로 나타낸다.The growth rate of SiP is expressed by equation (36).
dR/dt =ΩDPi(CPi-CPi eq)/R…(36)dR/dt =ΩD Pi (C Pi -C Pi eq )/R… (36)
초기 사이즈를 RCri로 하여, 시간 단계마다의 반경의 변화 dR을 식(36)에 의해 구하고, 반경을 R=R+dR로 하여 구하였다. SiP에 의한 인의 흡수 플럭스를 식(37)에 나타낸다.With the initial size as R Cri , the change in radius dR for each time step was obtained by equation (36), and the radius was obtained as R=R+dR. The phosphorus absorption flux by SiP is shown in equation (37).
J=4πRDPi(CPi-CPi eq)…(37)J=4πRD Pi (C Pi -C Pi eq )… (37)
상기 식(37)은 1개의 SiP에 의해 흡수된 격자간 인을 나타낸다. 이것을 적산하여 격자간 인의 농도의 변화에 더한다. 여기서, DPi는 식(38)에 의해 주어진다.Equation (37) above represents the interstitial phosphorus absorbed by one SiP. This is integrated and added to the change in interstitial phosphorus concentration. Here, D Pi is given by equation (38).
DPi=3×10-7exp[-1.1{1/(kBT)-1/(1685kB)}]…(38)D Pi =3×10 -7 exp[-1.1{1/(k B T)-1/(1685k B )}]... (38)
여기서 kB는, 8.6257×10-5(eV/K)이다.Here, k B is 8.6257×10 -5 (eV/K).
이상과 같이 하여, 결정의 냉각 과정에 있어서의 원자 공공 V, 격자간 실리콘 I, 인과 공공의 반응물 PV, 격자간 인 Pi의 농도를 구하여, SiP의 발생과 성장을 계산한다.As described above, the concentrations of atomic vacancies V, interstitial silicon I, phosphorus-vacancy reactant PV, and interstitial phosphorus P i during the cooling process of the crystal are obtained to calculate the generation and growth of SiP.
다음에, 계산에 의해 추정되는 SiP의 사이즈 분포와 대응하는 실험 조건에 있어서의 에피택셜막에 있어서의 SF(스태킹 폴트)의 밀도의 관계를 조사한다.Next, the relationship between the size distribution of SiP estimated by calculation and the density of SF (stacking fault) in the epitaxial film under the corresponding experimental conditions is investigated.
<실험><Experiment>
평가에 이용한 결정은, 결정(1) 및 결정(2)의 2개의 결정이며, 직경은 200mm이다. 도 2는, 결정(1) 및 결정(2)의 직동(直胴) 각 위치에 있어서의 저항률을 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 결정(1)은, 저항률이 0.9mΩcm로부터 0.7mΩcm로 변화하고, 결정(2)은, 저항률이 0.75mΩcm로부터 0.55mΩcm로 변화한다. 결정(1) 및 결정(2)을 이용하는 것에 의해, 광범위한 저항률에 있어서의 결함의 발생을 평가한다.The crystals used for the evaluation were two crystals, crystal (1) and crystal (2), with a diameter of 200 mm. Fig. 2 is a graph showing the resistivity at each position of the linear bodies of crystal (1) and crystal (2). As shown in Fig. 2, the resistivity of crystal (1) changes from 0.9 mΩcm to 0.7 mΩcm, and the resistivity of crystal (2) changes from 0.75 mΩcm to 0.55 mΩcm. By using crystal (1) and crystal (2), occurrence of defects in a wide range of resistivities is evaluated.
도 3은, 결정(1)의 직동의 각 위치에 있어서의 냉각 커브를 나타내는 그래프이고, 도 4는, 결정(2)의 직동의 각 위치에 있어서의 냉각 커브를 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing cooling curves at each position of the linear motion of crystal 1, and FIG. 4 is a graph showing cooling curves at each position of linear motion of crystal 2.
<에피택셜 조건><Epitaxial conditions>
에피택셜막의 제조 조건은, 이하와 같다. 우선, 프리베이크로서, 1130℃의 수소 분위기에서 60초의 프리베이크를 실시한다. 그 후, 에피택셜 성장으로서, 1130℃에서 3㎛의 에피택셜막을 성장시킨다.The manufacturing conditions of the epitaxial film are as follows. First, as a prebaking, prebaking for 60 seconds is performed in a hydrogen atmosphere at 1130°C. After that, as epitaxial growth, an epitaxial film of 3 μm is grown at 1130°C.
<SF: 스태킹 폴트 평가><SF: Stacking fault evaluation>
상기와 같이 작성한 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 스태킹 폴트의 검사를 실시한다. 에칭에 의해 SF(스태킹 폴트)는 검출할 수 있고, 육안이나 광학 현미경 하에서 확인할 수 있고, 밀도를 알 수 있다.A stacking fault inspection is performed on the epitaxial silicon wafer prepared as described above. By etching, SF (Stacking Fault) can be detected, confirmed with the naked eye or under an optical microscope, and the density can be determined.
도 5는, 결정(1) 및 결정(2)에 있어서의 직동의 각 위치에서의 결정을 기판으로서 이용한 경우의 에피택셜 성장 후의 SF(스태킹 폴트)의 밀도를 나타내는 그래프이다. 이 실험 결과와, 상기 설명한 계산 방법에 의해 구한 SiP를 비교한다.Fig. 5 is a graph showing the density of SF (stacking fault) after epitaxial growth when the crystal at each linear position in crystal (1) and crystal (2) is used as a substrate. This experiment result is compared with the SiP calculated|required by the above-mentioned calculation method.
도 6 및 도 7은, 각각 결정(1) 및 결정(2)에 대하여 상기에서 설명한 방법으로 계산한 SiP의 밀도를 나타내는 그래프이다. 도 6은, 결정(1)의 제조 조건에서의 계산에 의한 SiP의 반경이, 각각 >4, >6, >8, >10, >12, >14, >16nm인 것의 밀도와 직동에 있어서의 위치와의 관계를 표시하고 있다. 도 7은, 결정(2)의 제조 조건에서의 동일한 계산 결과를 나타내고 있다.6 and 7 are graphs showing the density of SiP calculated by the method described above for crystal (1) and crystal (2), respectively. Fig. 6 shows the radii of SiP >4, >6, >8, >10, >12, >14, and >16 nm, respectively, calculated under the production conditions of the crystal (1), and the density and linear motion. It shows the relationship with location. Fig. 7 shows the same calculation results under the production conditions of Crystal (2).
또한, 도 6 및 도 7은, 단위 체적당의 SiP의 수(개/cm3)를 나타내고 있는 것에 반해, 실험 결과인 도 5는 단위 면적당의 SF(스태킹 폴트)의 밀도(개/cm2)이다. 따라서, 양자를 직접 비교할 수 없다. 따라서, 다음과 같이 생각한다.6 and 7 show the number of SiPs per unit volume (pieces/cm 3 ), whereas the experimental results of FIG. 5 show the density of SF (stacking faults) per unit area (pieces/cm 2 ) . Therefore, the two cannot be directly compared. Therefore, I think the following.
우선, SiP는 에피택셜 처리에 앞서 실시되는 수소 베이크의 과정에서 용해되어 SF를 잔존시키지만, 표층 부근의 작은 SF(스태킹 폴트)는 소멸한다. 그리고, SiP가 용해된 후에 잔존한 SF의 사이즈는 SiP의 크기에 의해 결정된다. 따라서, SiP의 발생·성장 구간이라고 생각되는 570℃±70℃을 통과하는 시간이 길수록 SiP의 사이즈가 커져, 수소 베이크의 과정에서 소멸되지 않는 SF가 많아진다. 여기서, SiP가 용해 후에 발생하는 SF의 사이즈는, SiP의 사이즈와 동일하다고 가정한다.First, SiP is dissolved in the process of hydrogen baking performed prior to epitaxial treatment, leaving SF, but small SF (stacking fault) near the surface layer disappears. And, the size of SF remaining after SiP is dissolved is determined by the size of SiP. Therefore, the longer the time to pass 570 ° C. ± 70 ° C., which is considered to be the generation and growth period of SiP, the larger the size of SiP, and the more SF that does not disappear in the process of hydrogen baking. Here, it is assumed that the size of SF generated after SiP is dissolved is equal to the size of SiP.
그러면, 표면에 그 일부를 노출시켜, 에피택셜막에 SF가 인계되는 밀도는, 반경 r의 입자의 밀도가 D(r)(개/cm3)로 하면, 표면에 나타나는 수는 2rD(r)이 된다. 또한, SiP의 반경이 임계치 Rcri보다 작으면, SiP의 용해 후에 발생한 SF는 수소 페이크에 의해 소멸된다고 생각된다. 그래서, 반경 r이 임계치 Rcri로부터, 큰 것이 표면에 노출되는 면적당의 수를 계산하였다. 임계치 R 이상의 입자가 표면에 나타나는 밀도 SF(R)(개/cm2)는, 이하의 식(39)과 같이 나타낸다.Then, by exposing a part of it to the surface, the density at which SF is transferred to the epitaxial film is 2rD(r) becomes In addition, when the radius of SiP is smaller than the critical value R cri , it is considered that SF generated after dissolution of SiP disappears by hydrogen fake. Therefore, the number per area exposed to the surface of a large radius r was calculated from the critical value R cri . The density SF(R) (piece/cm 2 ) at which particles equal to or greater than the threshold value R appear on the surface is expressed as in Equation (39) below.
여기서, 식(39)에 있어서의 SF(R)은 반경 R 이상의 SiP를 나타내고, 즉 SF가 표면에 노출되는 면적당의 개수를 나타내고 있다.Here, SF(R) in formula (39) represents SiP with a radius R or larger, that is, the number of SFs per area exposed on the surface.
도 8 및 도 9는, 각각 결정(1) 및 결정(2)에 있어서의 에피택셜막의 SF(스태킹 폴트)의 밀도와 직동 위치의 관계의 실험 결과와, 임계치를 8, 10, 12, 14, 16nm으로 한 계산에 의한 SF(스태킹 폴트) 밀도와 직동 위치의 관계를 비교한 것이다. 도 8 및 도 9로부터, 임계치를 12nm로 한 계산에 의한 SF(스태킹 폴트) 밀도가 실험 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.8 and 9 show the experimental results of the relationship between the SF (stacking fault) density and linear motion position of the epitaxial film in crystal (1) and crystal (2), respectively, and the threshold values of 8, 10, 12, 14, This is a comparison of the relationship between the SF (stacking fault) density and the linear motion position calculated at 16 nm. It can be seen from Figs. 8 and 9 that the calculated SF (stacking fault) density with a threshold value of 12 nm coincides with the experimental results.
이상의 결과로부터, 인을 도프한 실리콘을 기판으로 하여 에피택셜막을 성장시켜 제조하는 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서, 이하와 같은 결함의 발생 예측 방법이 유효한 것을 알 수 있다. 도 10은, 결함의 발생 예측 방법의 수순을 개략적으로 도시하는 플로우차트이다.From the above results, it can be seen that the following method for predicting occurrence of defects is effective in an epitaxial silicon wafer manufactured by growing an epitaxial film using phosphorus-doped silicon as a substrate. Fig. 10 is a flowchart schematically showing the procedure of a defect occurrence prediction method.
우선, 준비 단계로서, 인을 도프한 실리콘 단결정을 제조하는 인상 장치를 포함한 온도 특성을 취득한다(Step S1). 인상 장치는, 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 갖고 있기 때문에, 사이드 히터(4)나 보텀 히터(5)의 능력이나 복사 쉴드(6) 등의 위치 관계, 각 부재마다의 물성값을 사용하여 전열 해석을 하기 위한 정보를 취득한다.First, as a preparation step, temperature characteristics including a pulling device for producing a silicon single crystal doped with phosphorus are acquired (Step S1). Since the pulling device has a structure as shown in FIG. 1, for example, the capacity of the side heater 4 and the bottom heater 5, the positional relationship of the radiation shield 6 and the like, and the physical property values of each member It is used to obtain information for electrothermal analysis.
그 후, 실제로 인을 도프한 실리콘 단결정을 제조하기 위한 인상 속도로부터, 결정의 냉각 커브를 계산한다(Step S2).After that, the cooling curve of the crystal is calculated from the pulling rate for producing a silicon single crystal actually doped with phosphorus (Step S2).
한편, 실리콘 단결정에 도프한 인의 농도로부터, 냉각 커브의 각 온도 과정에 있어서의 적어도 격자간 인의 농도를 계산한다(Step S3). 상기 설명한 바와 같이, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 적층 결함(SF: 스태킹 폴트)의 원인이 되는 인과 실리콘의 석출물(SiP)은, 치환 위치에 존재하는 인보다도, 격자간 인(Pi)이 원인이라고 생각되기 때문이다.On the other hand, at least the interstitial phosphorus concentration in each temperature process of the cooling curve is calculated from the phosphorus concentration doped into the silicon single crystal (Step S3). As described above, phosphorus and silicon precipitates (SiP), which cause stacking faults (SF: stacking faults) in epitaxial silicon wafers, are caused by interstitial phosphorus (P i ) rather than phosphorus present in the replacement position. because it is thought
다만, 이는 격자간 인(Pi)의 농도만을 계산하는 것으로 한정하는 것은 아니다. 결정의 냉각 과정에서는, 격자간 인(Pi)이 공공(V), 격자간 실리콘(I), 인과 공공과의 반응물(PV)과 각종 반응을 행하기 때문이다. 따라서, Step S3에 있어서의 계산에서는, 격자간 인의 농도뿐만 아니라, 공공(V), 격자간 실리콘(I), 인과 공공의 반응물(PV)의 농도도 함께 계산하는 것이 바람직하다.However, this is not limited to calculating only the concentration of interstitial phosphorus (P i ). This is because interstitial phosphorus (P i ) undergoes various reactions with vacancies (V), interstitial silicon (I), and a reactant (PV) of phosphorus and vacancies in the crystal cooling process. Therefore, in the calculation in Step S3, it is preferable to calculate not only the concentration of interstitial phosphorus, but also the concentrations of vacancies (V), interstitial silicon (I), and a reactant (PV) of phosphorus and vacancies.
이후, 결정의 냉각 중인 격자간 인(Pi)의 과포화도로부터, 냉각 완료 시에 있어서의 인과 실리콘의 석출물(SiP)의 사이즈 및 밀도를 계산한다(Step S4).Thereafter, from the supersaturation of interstitial phosphorus (P i ) during cooling of the crystal, the size and density of precipitates of phosphorus and silicon (SiP) at the time of completion of cooling are calculated (Step S4).
그리고, 냉각 완료 시에 있어서의 인과 실리콘의 석출물(SiP)의 사이즈 및 밀도로부터, 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 밀도를 추정한다(Step S5). 또한, 이 추정에는, 인과 실리콘의 석출물(SiP)의 사이즈 및 밀도와, 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 밀도의 관계에 대해서 사전에 실험을 실시하고, 검출해야 할 인과 실리콘의 석출물(SiP)의 사이즈의 임계치를 정해 두는 것이 바람직하다. 에비택셜 성장의 전 단계에서 실시되는 프리베이크의 조건에 따라서는, 어닐링 아웃되는 SF(스태킹 폴트)의 크기도 달라지기 때문이다.Then, the defect density in the silicon wafer after epitaxial growth is estimated from the size and density of the precipitate of phosphorus and silicon (SiP) at the time of completion of cooling (Step S5). In addition, in this estimation, an experiment is conducted in advance about the relationship between the size and density of phosphorus and silicon precipitates (SiP) and the density of defects in a silicon wafer after epitaxial growth, and phosphorus and silicon precipitates to be detected ( It is desirable to set a threshold value for the size of SiP). This is because the size of the SF (stacking fault) to be annealed out also varies depending on the conditions of the prebake performed in the previous stage of the evitaxial growth.
또한, 에피택셜 조건으로서, 1130℃의 수소 분위기에서 60초의 프리베이크를 실시하고, 그 후, 1130℃에서 3㎛의 에피택셜막을 성장시키는 경우에는, 인과 실리콘의 석출물(SiP)의 사이즈의 임계치를 12nm로 하면, SF(스태킹 폴트) 밀도가 실험 결과와 일치한다.In addition, as an epitaxial condition, in the case of prebaking for 60 seconds in a hydrogen atmosphere at 1130 ° C. and then growing an epitaxial film of 3 μm at 1130 ° C., the critical value of the size of the precipitate of phosphorus and silicon (SiP) With 12 nm, the SF (stacking fault) density agrees with the experimental results.
상기 설명한 결함의 발생 예측 방법은, 인을 도프한 실리콘을 기판으로 하여 에피택셜막을 성장시키는 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법으로서 실시하는 것도 가능하다.The method for predicting occurrence of defects described above can also be implemented as a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer in which an epitaxial film is grown using phosphorus-doped silicon as a substrate.
즉, 실리콘 단결정에 도프한 인의 농도와 결정의 인상 속도로부터 결함의 발생 예측을 실시하고, 예측되는 결함의 밀도가 규정의 수준을 만족시키지 않는 경우, 인상 속도의 조정을 실시하는 것에 의해 예측되는 결함의 밀도가 규정의 수준을 만족하는 조건으로 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조를 실시하는 것을 생각할 수 있다.That is, the occurrence of defects is predicted from the concentration of phosphorus doped in the silicon single crystal and the pulling rate of the crystal, and when the predicted density of defects does not satisfy the specified level, the defect predicted by adjusting the pulling rate. It is conceivable to manufacture an epitaxial silicon wafer under the condition that the density of the silicon wafer satisfies a prescribed level.
예측되는 결함의 밀도가 규정의 수준을 만족시키지 않는 경우, 에비택셜 성장의 전 단계에 있어서 실시되는 프리베이크의 조건을 조정하는 것도 생각된다.In the case where the predicted defect density does not satisfy the prescribed level, it is also conceivable to adjust the prebaking conditions performed in the previous stage of the avitaxial growth.
이상, 본 발명을 실시 형태에 기초하여 설명해 왔지만, 본 발명은 상기의 실시 형태에 의해 한정되는 것은 아니다.As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on embodiment, this invention is not limited by said embodiment.
1 로
2 원료 융액
3 석영 도가니
4 사이드 히터
5 보텀 히터
6 복사 쉴드
7 와이어
8 종결정
9 결정
by 1
2 raw material melt
3 quartz crucible
4 side heater
5 bottom heater
6 radiation shield
7 wire
8 seed crystals
9 decisions
Claims (6)
상기 실리콘 단결정을 제조하는 인상 장치를 포함한 온도 특성과 인상 속도로부터 상기 실리콘 단결정의 냉각 커브를 계산하는 열 이력 계산 단계와,
상기 실리콘 단결정에 도프한 인의 농도로부터, 상기 냉각 커브의 각 온도 과정에 있어서의 적어도 격자간 인의 농도를 계산하는 농도 계산 단계와,
상기 실리콘 단결정의 냉각 중의 격자간 인의 과포화도로부터, 냉각 완료 시에 있어서의 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도를 계산하는 석출물 계산 단계와,
상기 인과 실리콘의 석출물의 사이즈 및 밀도로부터, 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 밀도를 추정하는 결함 추정 단계
를 포함하는, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법.A method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer manufactured by growing an epitaxial film using a silicon single crystal doped with phosphorus as a substrate,
A thermal history calculation step of calculating a cooling curve of the silicon single crystal from the temperature characteristics and pulling speed including a pulling device for producing the silicon single crystal;
A concentration calculation step of calculating at least an interstitial phosphorus concentration in each temperature course of the cooling curve from the concentration of phosphorus doped in the silicon single crystal;
A precipitate calculation step of calculating the size and density of precipitates of phosphorus and silicon at the completion of cooling from the supersaturation of interstitial phosphorus during cooling of the silicon single crystal;
A defect estimation step of estimating the density of defects in the epitaxially grown silicon wafer from the size and density of the phosphorus and silicon precipitates
A method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer, including a.
상기 농도 계산 단계에서는, 상기 격자간 인의 농도뿐만 아니라, 공공(空孔), 격자간 실리콘, 인과 공공의 반응물의 농도도 함께 계산하는 것인, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법.According to claim 1,
In the concentration calculation step, not only the concentration of interstitial phosphorus, but also the concentration of vacancies, interstitial silicon, and a reactant between phosphorus and vacancies are calculated together.
상기 결함 추정 단계에서는, 사전의 실험에서 정해진 검출해야 할 인과 실리콘의 석출물의 사이즈의 임계치를 사용하여, 상기 에피택셜 성장 후의 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 밀도를 추정하는 것인, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법.According to claim 1 or 2,
In the defect estimation step, the density of defects in the silicon wafer after the epitaxial growth is estimated using a threshold value of the size of precipitates of phosphorus and silicon to be detected determined in a previous experiment. A method for predicting the occurrence of defects in
상기 인과 실리콘의 석출물의 사이즈의 임계치를 12nm로 하는 것인, 에피택셜 실리콘 웨이퍼에 있어서의 결함의 발생 예측 방법.According to claim 3,
A method for predicting the occurrence of defects in an epitaxial silicon wafer, wherein the threshold value of the size of the phosphorus and silicon precipitates is set to 12 nm.
추가적으로 에비택셜 성장의 전(前) 단계에 있어서 실시되는 프리베이크의 조건을 조정하는 것인, 에피택셜 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
According to claim 5,
Additionally, a method for manufacturing an epitaxial silicon wafer, which is to adjust conditions for prebaking performed in a previous step of epitaxial growth.
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5890587U (en) | 1981-12-15 | 1983-06-18 | 三洋電機株式会社 | disk holding device |
KR20010101189A (en) * | 1999-10-15 | 2001-11-14 | 와다 다다시 | Silicon single-crystal wafer for epitaxial wafer, epitaxial wafer, methods for producing them, and evaluating method |
KR20060015319A (en) * | 2003-05-28 | 2006-02-16 | 가부시키가이샤 섬코 | Method of simulation with respect to density distribution and size distribution of void defect within single crystal and oxygen precipitation nucleus within single crystal |
JP2019142733A (en) | 2018-02-16 | 2019-08-29 | 株式会社Sumco | Generation prediction method of lamination defect in epitaxial silicon wafer, and manufacturing method of epitaxial silicon wafer |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014175120A1 (en) * | 2013-04-24 | 2014-10-30 | Sumco Techxiv株式会社 | Method for producing single crystal, and method for producing silicon wafer |
JP6945805B2 (en) * | 2018-04-13 | 2021-10-06 | 信越半導体株式会社 | Manufacturing method of epitaxial wafer |
-
2021
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5890587U (en) | 1981-12-15 | 1983-06-18 | 三洋電機株式会社 | disk holding device |
KR20010101189A (en) * | 1999-10-15 | 2001-11-14 | 와다 다다시 | Silicon single-crystal wafer for epitaxial wafer, epitaxial wafer, methods for producing them, and evaluating method |
KR20060015319A (en) * | 2003-05-28 | 2006-02-16 | 가부시키가이샤 섬코 | Method of simulation with respect to density distribution and size distribution of void defect within single crystal and oxygen precipitation nucleus within single crystal |
JP2019142733A (en) | 2018-02-16 | 2019-08-29 | 株式会社Sumco | Generation prediction method of lamination defect in epitaxial silicon wafer, and manufacturing method of epitaxial silicon wafer |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
비특허문헌 1: Senda Takeshi, Ishikawa Takashi, Fujimori Hiroyuki, Matsumura Hisashi, Narimatsu Shingo, Abe Yoshiaki, Horikawa Tomoyuki:제78회응용물리학회 추계 학술 강연회 강연 예고집(2017 후쿠오카 국제회의장),7p-PB6-5 |
비특허문헌 2: Vladimir Voronkov, Robert Falster, Maria Porrini, and Januscia Duchini, Physica status solidi a, Volume 209, No. 10,(2012) page 1898 |
비특허문헌 3: P.Ostoja, D.Nobili, A.Armigliato, and R.Angelucci, Journal of Electrochemical Society, Volume 123(1976) page 124 |
비특허문헌 4: V.V. Voronkov, R. Falster, Journal of Crystal Growth Volume 194(1998) page 76 |
Also Published As
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