TWI605494B - 磊晶矽晶圓 - Google Patents

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Description

磊晶矽晶圓
本發明是關於磊晶矽晶圓，特別是關於其是在摻雜有硼的p型矽基板的表面形成有磊晶層之磊晶矽晶圓。
磊晶矽晶圓廣泛的被使用作為半導體裝置的基板材料。磊晶矽晶圓是在塊矽基板的表面形成有磊晶層者，由於結晶的完全性高，可製造高品質且可靠度高的半導體裝置。
關於用於固態攝影元件、功率半導體裝置等用途的磊晶矽晶圓，是使用含高濃度p型或n型的不純物的矽基板。例如在專利文獻1，揭露一種磊晶矽晶圓，包括晶圓與設於晶圓表面的磊晶層，晶圓被設定為氮濃度為1×1012atoms/cm3以上或電阻率藉由摻硼而為20mΩ‧cm以下，晶圓的初期氧濃度為14×1017atoms/cm3以下。
由於氮、硼等使氧析出核的穩定性增大，高濃度摻雜有氮、硼等的矽晶圓與一般的晶圓比較，在裝置步驟容易形成氧析出物，在板狀的氧析出物已長得很大的狀態進行雷射瞬間退火(Laser Spike Anneal；LSA)後的情況，容易以此氧析出物為起點產生差排。然而若藉由上述磊晶矽晶圓，即使在裝置步驟中進行LSA後的情況，仍可以防止以氧析出物為起點的差排的發生。
又，在專利文獻2揭露一種背面照射式固態攝影元件用磊晶晶圓，其添加有碳及氮，具有電阻率不滿100Ω‧cm的p型矽基板、p型矽基板上的p型第一磊晶層、p型第一磊晶層上的p型或n型第二磊晶層，p型矽基板中的晶格間氧濃度為10×1017atoms/cm3~20×1017atoms/cm3，在p型矽基板的深度方向中心部的析出物密度為5×105/cm2以上、5×107/cm2以下。藉由此磊晶晶圓，可以以更高良率製造背面照射式固態攝影元件。
【先行技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本特開2011-228459號公報
【專利文獻2】日本特開2012-138576號公報
在用於固態攝影元件等的用途的磊晶晶圓，矽基板中的硼是為了確保吸除能力(gettering ability)、基板的低電阻化等而不可或缺的物質。然而，一旦大量的硼從矽基板擴散到磊晶層側，會有磊晶層的不純物分布變化、在晶圓面內的電阻率的均一性惡化之類的問題。又有在與矽基板的交界附近的磊晶層中的硼濃度的過渡區域(電阻變動層)的範圍變大、磊晶層的有實效的厚度變薄、半導體裝置的特性惡化之虞。因此，有必要儘量抑制矽基板中的硼的擴散。
已知矽基板中的硼，會因為在氧化性氣氛下的熱處理而加速擴散。在矽基板的表面形成熱氧化膜時，空間被 SiO2占據而失去所在地的Si原子被擠出晶格之外，增加晶格間的矽。另一方面，硼由於一邊被晶格間的矽取代、一邊作踢出擴散(kick-out diffusion)，藉由晶格間的矽之增加，硼呈加速擴散的情況。因此，抑制硼的加速擴散的一個方法，是儘量不進行在氧化性氣氛下的熱處理步驟。
然而，即使在裝置步驟中不含在氧化性氣氛下的熱處理的情況，仍會發生裝置特性因硼的擴散而惡化的事態，故希望進一步改善，以抑制硼的加速擴散。
本發明是有鑑於上述問題而成，其目的在於提供一種磊晶矽晶圓，其矽基板中的硼的加速擴散已被抑制。
本案諸位發明人針對矽晶圓中的硼的擴散機構不斷地精心研究的結果，明白了不限於在氧化性氣氛下的熱處理，矽基板中的氧析出物藉由任意的熱處理成長之時亦會釋出晶格間的矽，經由此晶格間的矽促進硼的踢出擴散。特別是起因於氧析出物的硼的擴散，會從矽基板中的氧析出物密度超出某個閥值等級時急速、激烈地進展，著眼於此而可完成本發明。
本發明是基於這樣的技術性見解的發明，根據本發明的磊晶矽晶圓，其是在摻雜有硼的矽基板的表面形成有磊晶層之磊晶矽晶圓，其特徵在於：上述矽基板中的硼濃度為2.7×1017atoms/cm3(每立方公分原子數)以上且1.3×1019atoms/cm3以下；上述矽基板中的初期氧濃度為11×1017atoms/cm3以下；在對於上述磊晶矽晶圓施以氧析出物評量熱處理後的情況，上述矽基板中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下。
藉由本發明，即使基板中的氧析出物藉由裝置步驟中的任意的熱處理而成長時，由於矽基板中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下，可以抑制晶格間的矽會隨著氧析出物密度的增加而增加而使矽基板中的硼經由此晶格間的矽而踢出擴散至磊晶層側的情況，可以抑制至與氧析出物密度實質上為零的情況同等的擴散水準。
在本發明，上述矽基板中的硼濃度是以2.7×1017atoms/cm3以上且1.3×1019atoms/cm3以下為佳，上述矽基板中的初期氧濃度是以11×1017atoms/cm3以下為佳。矽基板中的初期氧濃度若為11×1017atoms/cm3以下，即使矽基板中的氧析出物藉由裝置步驟中的任意的熱處理而成長時，仍可將矽基板中的氧析出物密度抑制在1×1010個/cm3以下。
在本發明，上述硼濃度Y(atoms/cm3)及上述初期氧濃度X(1017×atoms/cm3)，是以滿足X≦-4.3×10-19Y+16.3的關係式為佳。在矽基板中的硼濃度及初期氧濃度滿足此條件的情況，可以不依存於矽基板中的硼濃度而將氧析出物密度抑制在1×1010個/cm3以下。因此，可以抑制起因於氧析出物之硼的加速擴散。
如此，藉由本發明，可以提供一種磊晶矽晶圓，即使氧析出物藉由裝置步驟中的任意的熱處理而成長時，仍可抑制矽基板中的硼的加速擴散。
10‧‧‧磊晶矽晶圓
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧磊晶層
S1~S3‧‧‧步驟
【第1圖】是示意剖面圖，顯示根據本發明的實施形態之磊晶矽晶圓的構造。
【第2圖】是流程圖，用以說明磊晶矽晶圓的製造方法。
【第3圖】是曲線圖，顯示氧析出物評量熱處理前後的磊晶矽晶圓的樣品#1~#4的硼濃度的深度分布。
【第4圖】是曲線圖，顯示氧析出物密度與初期氧濃度及硼濃度的關係。
【用以實施發明的形態】
以下，一面參照所附圖式，一面針對本發明的較佳實施形態作詳細說明。
第1圖是示意剖面圖，顯示根據本發明的實施形態之磊晶矽晶圓的構造。
如第1圖所示，根據本實施形態的磊晶矽晶圓10，是由矽基板11與形成於矽基板11的表面的磊晶層12構成。矽基板11是從藉由丘克拉斯基法(CZ法)培育的矽單結晶鑄錠切出、表面被鏡面研磨後的拋光晶圓(polished wafer)。矽基板11確保磊晶矽晶圓10的機械強度的同時，並達成作為捕獲重金屬的吸除槽(gettering sink)的作用。矽基板11的厚度，只要是可以確保機械強度則未特別限定，可設為例如725μm。
矽基板11是摻雜有硼的p型矽基板。矽基板11中的硼濃度是以2.7×1017atoms/cm3以上且1.3×1019atoms/cm3以下為佳，矽基板11的電阻率是以20mΩ．cm以下為佳。藉由使用被如此高濃度地摻雜硼的矽基板11，可以謀求矽基板11的低電阻 化，又可以確保充分的吸除能力。
在矽基板11的表面形成有磊晶層12，金屬-氧化物-半導體(MOS)電晶體等的半導體裝置是被形成於磊晶層12。磊晶層12的厚度是以1~10μm為佳。磊晶層12亦可以是積層有特性不同的複數個磊晶層的多層構造。通常，磊晶層12的電阻率是被設定為比矽基板11還高，是添加有p型摻雜物(硼)或n型摻雜物(磷、砷、銻)的磊晶層。
在對磊晶矽晶圓10施以氧析出物評量熱處理後的情況，矽基板11中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下。若氧析出物密度為1×1010個/cm3以下，矽基板11中的氧析出物對硼的擴散造成的影響非常小，可以抑制至與氧析出物密度實質上為零的情況同等的擴散水準，細節會在後文敘述。
氧析出物評量熱處理是依序進行例如在700℃三個小時的熱處理(成核步驟)與在1000℃十六個小時的熱處理(核成長步驟)的二階段的熱處理，且是模擬裝置步驟的熱處理。由於這些熱處理都不是在氧化性氣氛而是在氮氣氛進行，不會形成熱氧化膜，不會有熱氧化膜的產生造成硼的加速擴散的問題。然而，由於矽基板11中的氧析出核的成長使氧析出物密度變高，這成為硼擴散的新的原因。又，已知矽基板11中的硼有促進氧析出的作用，硼濃度愈高則矽基板中的氧析出物密度愈高。氧析出物在為了確保吸除能力有某種程度的必要，但藉由氧析出物量的增加，硼會加速擴散。
為了將矽基板11中的氧析出物密度設為1×1010個/cm3以下，有必要將矽基板11的晶格間的初期氧濃度設為11× 1017atoms/cm3以下。在初期氧濃度高於11×1017atoms/cm3的情況，晶格間的矽隨著氧析出物密度的增加而增加，硼會經由此晶格間的矽而加速擴散。又，初期氧濃度是愈低愈好，未特別限定下限值，但現狀，要藉由CZ法培育初期氧濃度低於1×1017atoms/cm3的矽單結晶，在製造上有困難。另外，在本說明書揭露的氧濃度全部是根據由ASTM F-121(1979)規範的傅立葉轉換紅外分光光度法(FT-IR)的測定值。
矽基板11中的初期氧濃度的較佳範圍是按照硼濃度而變化。其原因在於：在矽基板11中的硼濃度低的情況，初期氧濃度即使是高了一些還不會有問題；但是在硼濃度高的情況，由於氧析出核容易成長，若不降低初期氧濃度，產生的氧析出物就會變得過多，而無法將氧析出物密度抑制在1×1010個/cm3以下。將矽基板11中的初期氧濃度設為X(×1017atoms/cm3)、將硼濃度設為Y(atoms/cm3)時，其以滿足X≦-4.3×10-19Y+16.3的關係式為佳。在滿足此關係式的情況，可以不依存於硼濃度而將矽基板11中的氧析出物密度抑制在1×1010個/cm3以下。
第2圖是流程圖，用以說明磊晶矽晶圓10的製造方法。
如第2圖所示，在磊晶矽晶圓10的製造，首先藉由CZ法培育摻雜有硼的矽單結晶鑄錠(步驟S1)。此時在矽單結晶是摻雜有2.7×1017~1.3×1019atoms/cm3的硼。又，在矽單結晶過飽和地含有從石英坩堝溶出的氧，但在控制拉引條件之下，控制矽單結晶中的氧濃度。亦即如上述，控制拉引條件而使矽單 結晶中的氧濃度X(×1017atoms/cm3)及硼濃度Y(atoms/cm3)滿足X≦-4.3×10-19Y+16.3的關係式。
單結晶中的硼，是在將矽原料備料至石英坩堝內之時，藉由與矽原料一起充填既定量的硼而添加。硼是充填使在單結晶的頂部的位置成為目標的電阻率的量，藉由將硼一起與矽原料熔化，生成含硼的矽熔液。從此矽熔液拉引的單結晶會以一定的比例含硼，但由於硼濃度藉著偏析會隨著結晶成長的進行而向鑄錠拉引長度方向變高，為了滿足上述關係式，有必要使單結晶中的氧濃度向鑄錠拉引長度方向降低。
單結晶中的氧濃度，是可藉由調整石英坩堝的旋轉速度、加熱器功率等控制。降低單結晶中的氧濃度的情況，只要使石英坩堝低速旋轉或是將加熱器功率設定為低輸出即可。如此控制拉引條件，可以壓低單結晶中的氧濃度。
作為降低單結晶中的氧濃度的方法，一面對矽熔液施加磁場、一面拉引單結晶的MCZ法亦非常有效。由於藉由MCZ法以磁場的影響可抑制熔液對流，可以抑制氧從石英坩堝溶出到矽熔液，可以壓低從矽熔液拉引的單結晶中的氧濃度。
接下來，將矽單結晶鑄錠加工而製作矽基板11(步驟S2)。如上述，矽基板11是從矽單結晶鑄錠切出、表面被鏡面研磨的拋光晶圓。此矽基板11的硼濃度為2.7×1017atoms/cm3以上且1.3×1019atoms/cm3以下，矽基板11中的初期氧濃度為11×1017atoms/cm3以下。
接下來，藉由習知的方法在此矽基板11的表面形成磊晶層12(步驟S3)。藉由以上，完成磊晶矽晶圓10。
如此製造後的磊晶矽晶圓10是作為半導體裝置的基板材料使用，經過各種加工步驟而成為各種半導體裝置。在加工步驟包含各種熱處理步驟，藉此在矽基板中形成氧析出核，氧析出核成長，增加矽基板中的氧析出物密度。然而，由於矽基板中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下，可以防止起因於氧析出物的硼的加速擴散。
知道矽基板中的硼濃度及初期氧濃度，若再知道裝置步驟中的熱處理條件(熱歷程)，就可以以模擬預測那樣的磊晶矽晶圓在裝置步驟受到熱處理後之時的矽基板中的氧析出物密度及硼的加速擴散量。然後模擬的結果，在藉由硼的加速擴散而變寬的過渡區域的寬度未落在許容範圍內的情況，調整初期氧濃度而落在許容範圍內即可。如此，可以從裝置步驟的熱處理條件預測用以獲得任意的氧析出物密度所必要的矽基板中的初期氧濃度，藉此可以將硼的加速擴散落在許容範圍內。
如以上說明，根據本實施形態的磊晶矽晶圓10是包括摻雜有硼的矽基板11與形成於矽基板11的表面的磊晶層12，在施以氧析出物評量熱處理後的情況，矽基板11中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下，因此可以抑制矽基板11中的硼伴隨著氧析出物密度的增加而加速擴散到磊晶層12側的情況。
根據本實施形態的磊晶矽晶圓10，較佳是可作為背面照射式固態攝影元件的基板材料使用。在製造背面照射式固態攝影元件之時，矽基板中的金屬不純物會使感應部的暗電流增加，成為發生被稱為白疵缺陷(white flaw defect)的缺陷的 要因。然而，在使用高濃度摻雜有硼的p型矽基板的情況，由於矽基板成為吸除槽，可以解決金屬不純物的問題。
又，由於背面照射式固態攝影元件的線路層等是配置於比感應部還下層，來自外界的光線可以直接在感應部組合，藉此可以拍攝更鮮明的影像、影片等，但由於將線路層等配置於比感應部還下層，藉由研磨而移除矽基板11而僅留下磊晶層12的加工成為必要。在此，在因為硼的加速擴散使磊晶層12中的過渡區域的寬度擴張、在晶圓面內的電阻率的均一性惡化的情況，會變得難以決定矽基板11的適切的研磨量，又因磊晶層12的有實效的厚度變薄，使固態攝影元件的特性有惡化之虞。然而，在過渡區域的寬度變窄、磊晶層12的有實效的厚度充分厚的情況，可以解決那樣的問題，可以製造高品質的背面照射式固態攝影元件。
以上，已針對本發明的較佳實施形態作說明，但本發明並未被限定於上述的實施形態，可以在不脫離本發明的主旨的範圍作各種的變更，上述變更亦當然包含於本發明的範圍內。
【實施例】
從藉由CZ法培育的矽單結晶鑄錠切出面方位(100)的矽基板，將矽基板的表面作鏡面研磨。此矽基板是添加有1.0×1019atoms/cm3的硼的矽基板。又，矽基板的初期氧濃度為6×1017atoms/cm3。在此矽基板的表面，在1150℃的溫度氣相成長5μm的磊晶層，獲得樣品#1的磊晶矽晶圓。進一步，同樣地準備初期氧濃度與樣品#1不同的磊晶矽晶圓的樣品#2~#4。樣品 #2的初期氧濃度為10×1017atoms/cm3、樣品#3的初期氧濃度為11×1017atoms/cm3、樣品#4的初期氧濃度為13×1017atoms/cm3。
接下來，對磊晶矽晶圓的樣品#1~#4進行氧析出物評量熱處理。在氧析出物評量熱處理，在700℃的氮氣氛進行三小時的熱處理後，在1000℃的氮氣氛進行十六小時的熱處理。還有，藉由SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次離子質量分析法)測定在氧析出物評量熱處理前與處理後的樣品#1~#4的硼濃度的深度分布。
第3圖是曲線圖，顯示氧析出物評量熱處理前後的磊晶矽晶圓的樣品#1~#4的硼濃度的深度分布，分別顯示橫軸為從晶圓的最表面起算的深度(相對值)、縱軸為硼濃度(相對值)。
如第3圖所示，氧析出物評量熱處理前的晶圓的樣品#1~#4是成為大致相同的硼濃度分布，在矽基板與磊晶層的交界附近急遽變化，到達磊晶層的硼的擴散量均非常少。圖中的長虛線X是以共通的線顯示氧析出物評量熱處理前的樣品#1~#4的硼濃度分布。
另一方面，氧析出物評量熱處理後的樣品#1~#4，與評量熱處理前比較，濃度分布大幅變化，到達磊晶層的硼擴散量大幅增加。硼濃度分布如此大幅變化，評量熱處理造成的硼的熱擴散應是主要原因。
其中，「樣品#1」的硼濃度分布(實線)，硼未實質存在於磊晶層的表層附近，呈良好的結果。硼濃度從深度0.7左右開始急速增加，深度0.8之時的硼濃度成為0.015、深度0.9 之時的硼濃度成為0.2、深度1之時的硼濃度成為0.5。又，「樣品#2」(短虛線)及「樣品#3」(點線)的硼濃度分布也是與樣品#1的硼濃度分布大致相同的濃度分布。
「樣品#4」的硼濃度分布(一點鏈線)則與樣品#1~#3大幅不同，呈硼的擴散進展到磊晶層的表層附近的結果。亦即，硼濃度從深度0.6左右開始增加，深度0.7之時的硼濃度成為0.004、深度0.8之時的硼濃度成為0.07、深度0.9之時的硼濃度成為0.25、深度1之時的硼濃度與樣品#1~#3相同成為0.5。
根據以上的結果，明白了在樣品#1~#3幾乎未見到硼的擴散，在樣品#4，硼則是相當程度地擴散。樣品#4的硼濃度分布特別大幅變化的理由應是硼的加速擴散造成。
接下來，在厚度方向劈開氧析出物評量熱處理後的磊晶矽晶圓的樣品#1~#4，進行使用賴特蝕刻(Wright Etching)液而將劈開剖面蝕刻2μm深度的選擇蝕刻處理之後，以光學顯微鏡觀察在矽晶圓的厚度中心部的劈開剖面，測定100μm×100μm見方區域內的蝕坑作為氧析出物密度。將其結果示於表1。
如表1所示，樣品#1的氧析出物密度是成為測定極限以下(不滿1×107個/cm3)。又，樣品#2的氧析出物密度是成為1×109個/cm3、樣品#3的氧析出物密度是成為1×1010個/cm3、樣品#4的氧析出物密度是成為3×1010個/cm3。然後根據表1的結果及第3圖的曲線圖，瞭解到在氧析出物密度為1×1010個/cm3以下的樣品#1~#3幾乎未見到硼的加速擴散。
接下來，為了針對初期氧濃度、硼濃度與氧析出物密度的關係作調查，準備二十八片以矽基板中的初期氧濃度與硼濃度為參數的各種磊晶矽晶圓的樣品，對其進行氧析出物評量熱處理後，測定氧析出物的密度。
第4圖是曲線圖，顯示氧析出物密度與初期氧濃度及硼濃度的關係，橫軸顯示氧濃度(×1017atoms/cm3)、縱軸顯示硼濃度(atoms/cm3)。然後，將氧析出物密度為1×1010個/cm3以下的樣品的圖示符號設為「○」、超過1×1010個/cm3的樣品的圖示符號設為「×」。
如從第4圖明確顯示，瞭解到若硼濃度高而不降低初期氧濃度，則無法滿足1×1010個/cm3以下的氧析出物密度。例如硼濃度低至4.8×1018atoms/cm3時，可以滿足1×1010個/cm3以下的氧析出物密度的初期氧濃度的最大值為約14×1017atoms/cm3。又，硼濃度高達1.6×1019atoms/cm3時，可以滿足1×1010個/cm3以下的氧析出物密度的初期氧濃度的最大值為約9×1017atoms/cm3。
然後，以氧濃度與硼濃度的一次函數表示圖示符號「○」與「×」的交界線，定義圖示符號「○」的領域。根 據以上的結果明白顯示：氧濃度X(×1017atoms/cm3)及硼濃度Y(atoms/cm3)滿足X≦-4.3×10-19Y+16.3的條件時，可以使氧析出物密度成為1×1010個/cm3以下。
10‧‧‧磊晶矽晶圓
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧磊晶層

Claims (2)

  1. 一種磊晶矽晶圓，其是在摻雜有硼的矽基板的表面形成有磊晶層之磊晶矽晶圓，其特徵在於：上述矽基板中的硼濃度為2.7×1017atoms/cm3(每立方公分原子數)以上且1.3×1019atoms/cm3以下；上述矽基板中的初期氧濃度為10×1017atoms/cm3[ASTM F-121(1979)]以下；在對於上述磊晶矽晶圓施以氧析出物評量熱處理後的情況，上述矽基板中的氧析出物密度為1×1010個/cm3以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磊晶矽晶圓，上述硼濃度Y(atoms/cm3)及上述初期氧濃度X(×1017atoms/cm3)，滿足X≦-4.3×10-19Y+16.3的關係式。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI792462B (zh) * 2021-07-30 2023-02-11 合晶科技股份有限公司 供磊晶成長的複合基板及其製作方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113782423B (zh) * 2021-08-25 2022-08-23 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 杂质扩散方法和太阳能电池制造方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW331017B (en) * 1996-02-15 1998-05-01 Toshiba Co Ltd Manufacturing and checking method of semiconductor substrate
JPH10303208A (ja) 1997-04-30 1998-11-13 Toshiba Corp 半導体基板およびその製造方法
KR100541882B1 (ko) * 1998-05-01 2006-01-16 왁커 엔에스씨이 코포레이션 실리콘 반도체 기판 및 그의 제조 방법
JP4510997B2 (ja) * 2000-01-18 2010-07-28 シルトロニック・ジャパン株式会社 シリコン半導体基板およびその製造方法
KR101064227B1 (ko) * 2002-11-06 2011-09-14 아스카 세이야쿠 가부시키가이샤 피라졸로나프티리딘 유도체
JP2006040972A (ja) 2004-07-22 2006-02-09 Shin Etsu Handotai Co Ltd シリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法
JP4983161B2 (ja) * 2005-10-24 2012-07-25 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリコン半導体基板およびその製造方法
JP4853237B2 (ja) * 2006-11-06 2012-01-11 株式会社Ｓｕｍｃｏ エピタキシャルウェーハの製造方法
JP2010083712A (ja) * 2008-09-30 2010-04-15 Sumco Corp 結晶欠陥状態予測方法、シリコンウェーハの製造方法
JP2010141272A (ja) * 2008-12-15 2010-06-24 Sumco Corp エピタキシャルウェーハとその製造方法
JP5504664B2 (ja) * 2009-03-25 2014-05-28 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリコンエピタキシャルウェーハおよびその製造方法
KR101422713B1 (ko) 2009-03-25 2014-07-23 가부시키가이샤 사무코 실리콘 웨이퍼 및 그 제조방법
JP2011021898A (ja) * 2009-07-13 2011-02-03 Fujitsu Ltd 走査プローブ顕微鏡用標準試料及びキャリア濃度測定方法
JP2011228459A (ja) 2010-04-19 2011-11-10 Sumco Corp シリコンウェーハ及びその製造方法
TW201234570A (en) 2010-12-09 2012-08-16 Sumco Corp Epitaxial substrate for back-illuminated solid-state imaging device, and method of manufacturing the same
JP2012151458A (ja) * 2010-12-27 2012-08-09 Elpida Memory Inc 半導体装置及びその製造方法
WO2014041736A1 (ja) * 2012-09-13 2014-03-20 パナソニック株式会社 窒化物半導体構造物
US9634098B2 (en) * 2013-06-11 2017-04-25 SunEdison Semiconductor Ltd. (UEN201334164H) Oxygen precipitation in heavily doped silicon wafers sliced from ingots grown by the Czochralski method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI792462B (zh) * 2021-07-30 2023-02-11 合晶科技股份有限公司 供磊晶成長的複合基板及其製作方法

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