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JP7582070B2 - Method for predicting thermal donor behavior in silicon wafer and method for manufacturing silicon wafer - Google Patents

Method for predicting thermal donor behavior in silicon wafer and method for manufacturing silicon wafer Download PDF

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JP7582070B2
JP7582070B2 JP2021087991A JP2021087991A JP7582070B2 JP 7582070 B2 JP7582070 B2 JP 7582070B2 JP 2021087991 A JP2021087991 A JP 2021087991A JP 2021087991 A JP2021087991 A JP 2021087991A JP 7582070 B2 JP7582070 B2 JP 7582070B2
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Description

本発明は、シリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法及びシリコンウェーハの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer and a method for manufacturing a silicon wafer.

シリコンウェーハはRF(高周波)デバイス、MOSデバイス、DRAM、NAND型フラッシュメモリなど、種々の半導体デバイスを作製する際の半導体基板として広く用いられている。シリコンウェーハを用いて半導体デバイスを作製する、いわゆるデバイスプロセスでは、酸化処理および窒化処理、プラズマエッチング、不純物拡散処理等の様々な熱処理が行われる。 Silicon wafers are widely used as semiconductor substrates in the fabrication of various semiconductor devices, such as RF (radio frequency) devices, MOS devices, DRAMs, and NAND flash memories. In the device process, which is the process of fabricating semiconductor devices using silicon wafers, various heat treatments such as oxidation and nitridation, plasma etching, and impurity diffusion are carried out.

ここで、シリコンウェーハ中の酸素は通常電気的に中性であるところ、シリコンウェーハが約600℃未満の比較的低温な熱処理(以下、「低温熱処理」と言う。)を受けると、数個~十数個の酸素原子が集合してシリコン結晶中に酸素クラスターを生成することが知られている。この酸素クラスターは電子を放出するドナーであり、サーマルドナーと呼ばれている。サーマルドナーは約650℃以上の高温熱処理を受けると電気的に中性になり、このような高温熱処理はドナーキラー熱処理(ドナーキラーアニール)と呼ばれる。 The oxygen in a silicon wafer is normally electrically neutral, but when the silicon wafer undergoes a relatively low-temperature heat treatment below about 600°C (hereafter referred to as "low-temperature heat treatment"), it is known that several to a dozen oxygen atoms gather together to form oxygen clusters in the silicon crystal. These oxygen clusters are donors that emit electrons, and are called thermal donors. Thermal donors become electrically neutral when subjected to high-temperature heat treatment of about 650°C or higher, and such high-temperature heat treatment is called donor killer heat treatment (donor killer annealing).

サーマルドナー生成によってシリコンウェーハのキャリア濃度が変化するため、その結果、デバイスプロセスにおける低温熱処理の前後でシリコンウェーハの抵抗率が変化する。例えば、シリコンウェーハが高抵抗のp型ウェーハである場合、サーマルドナーの生成量に依ってはn型ウェーハに反転し得る。 The carrier concentration of the silicon wafer changes due to the generation of thermal donors, and as a result, the resistivity of the silicon wafer changes before and after the low-temperature heat treatment in the device process. For example, if the silicon wafer is a high-resistivity p-type wafer, it can be inverted to an n-type wafer depending on the amount of thermal donors generated.

こうしたシリコンウェーハの抵抗率の変化は、半導体デバイスのデバイス特性に大きな影響を及ぼし得る。これまで、シリコン単結晶に低温熱処理を施した後のサーマルドナーの生成メカニズムの研究が行われており、また、シリコンウェーハのサーマルドナー濃度を正確に予測する方法がこれまで種々検討されてきた。 Such changes in the resistivity of silicon wafers can have a significant effect on the device characteristics of semiconductor devices. Research has been conducted into the mechanism of thermal donor generation after low-temperature heat treatment of silicon single crystals, and various methods have been considered to accurately predict the thermal donor concentration in silicon wafers.

特許文献1では、シリコン単結晶に低温熱処理を施したときに生成される酸素ドナーを起因とするキャリアの発生量Δ[C]は、シリコン単結晶中の酸素濃度[Oi]と、熱処理温度Tと、熱処理時間tと、熱処理温度Tにおける酸素の拡散係数D(T)とを用いた、下記式Aを提案している。
Δ[C]=α[Oi]5×exp(-β・D(T)・[Oi]・t) ・・・(式A)
(上記式A中、α、βは定数である)
In Patent Document 1, the amount of carriers generated Δ[C] due to oxygen donors generated when a silicon single crystal is subjected to a low-temperature heat treatment is proposed to be expressed by the following formula A, which uses the oxygen concentration [Oi] in the silicon single crystal, the heat treatment temperature T, the heat treatment time t, and the diffusion coefficient D(T) of oxygen at the heat treatment temperature T.
Δ[C]=α[Oi]5×exp(-β・D(T)・[Oi]・t) ...(Formula A)
(In the above formula A, α and β are constants.)

特許文献1によれば、汎用的であり、かつ、従来に比べて高精度でシリコン単結晶のキャリアの発生量の評価を行うことが可能である、とされる。 According to Patent Document 1, the method is versatile and is capable of evaluating the amount of carriers generated in silicon single crystals with higher accuracy than conventional methods.

特開2013-119486号公報JP 2013-119486 A

しかしながら、これまでサーマルドナー挙動の予測については、約600℃未満の低温熱処理で長時間、例えば数十時間熱処理した際のサーマルドナー挙動の予測にとどまっていた。そのため、特許文献1に開示される式(式A)では、熱処理時間が短時間である場合のサーマルドナーの挙動を説明できていなかった。 However, predictions of thermal donor behavior have been limited to predictions of thermal donor behavior when heat treatment is performed for a long period of time, for example, several tens of hours, at low temperatures of less than about 600°C. Therefore, the formula (Formula A) disclosed in Patent Document 1 cannot explain the behavior of thermal donors when the heat treatment time is short.

そこで、本発明は、特に熱処理時間が短い場合にも適用できる、サーマルドナーの生成量を予測する方法及び製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for predicting the amount of thermal donors generated and a manufacturing method that can be applied especially when the heat treatment time is short.

種々の条件で熱処理温度と熱処理時間とサーマルドナー生成量の関係を検討したところ、熱処理時間と当該熱処理時間においてサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係に負の相関があることを本発明者らは見出した。そして、この相関関係を用いることでサーマルドナーの生成挙動を精度良く予測できることを見出した。上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。 After examining the relationship between the heat treatment temperature, heat treatment time, and the amount of thermal donor generated under various conditions, the inventors found that there is a negative correlation between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximum for that heat treatment time. They also found that this correlation can be used to accurately predict the behavior of thermal donor generation. The gist of the present invention, which was completed based on the above findings, is as follows.

<1>シリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法であって、
熱処理時間と当該熱処理時間においてサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係が、負の相関であることを用いる、
シリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
<1> A method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer, comprising:
The relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximized during the heat treatment time is negatively correlated.
A method for predicting thermal donor behavior in silicon wafers.

<2>前記負の相関が下記式(1):
[T]=-at+b ・・・(1)
(式(1)中において、[T]は前記サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度、tは前記熱処理時間、a及びbは非負定数である)
の関係式により表される、<1>のいずれかに記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
<2> The negative correlation is expressed by the following formula (1):
[T m ]=-at+b...(1)
(In formula (1), [T m ] is the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximized, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants.)
The method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer according to any one of <1>, wherein the thermal donor behavior is expressed by the following relational expression:

<3>前記サーマルドナー生成量が下記式(2):
[T]=A×[O×t×exp{-(T-T/(2T0 )} ・・・(2)
(式(2)中において、[T]はサーマルドナー生成量、Tは熱処理温度、[O]は酸素濃度、T0、A、B、Cは定数である)
の関係式により表される、<1>又は<2>に記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
<3> The amount of the thermal donor generated is expressed by the following formula (2):
[T D ]=A×[O i ] B ×t C ×exp{-(T-T m ) 2 /(2T 0 2 )} ...(2)
(In formula (2), [T D ] is the amount of thermal donor generated, T is the heat treatment temperature, [O i ] is the oxygen concentration, and T 0 , A, B, and C are constants.)
The method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer according to <1> or <2>, wherein the thermal donor behavior is represented by the following relational expression:

<4>前記熱処理時間が10時間以下である、<1>~<3>のいずれか1つに記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。 <4> A method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer described in any one of <1> to <3>, wherein the heat treatment time is 10 hours or less.

<5>前記シリコンウェーハの酸素濃度が、1×1017atoms/cm以上7×1017atoms/cm以下(ASTM F121-1979)である、<1>~<4>のいずれかに記載のシリコンウェーハのサーマルドナーの挙動予測方法。 <5> The method for predicting behavior of thermal donors in a silicon wafer according to any one of <1> to <4>, wherein the oxygen concentration of the silicon wafer is 1×10 17 atoms/cm 3 or more and 7×10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F121-1979).

<6>上記<1>~<5>のいずれか一項に記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法を用いた、シリコンウェーハの評価方法であって、
熱処理後のシリコンウェーハのサーマルドナー生成量を求める工程と、
前記サーマルドナー生成量に基づき、前記熱処理を施した後の前記シリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程と、
を含む、シリコンウェーハの評価方法。
<6> A method for evaluating a silicon wafer using the method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to any one of <1> to <5> above,
determining the amount of thermal donors generated in the silicon wafer after the heat treatment;
determining a predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment based on the amount of thermal donor generated;
A method for evaluating a silicon wafer, comprising:

<7>シリコンウェーハの製造方法であって、
前記シリコンウェーハに施されるデバイスプロセスにおける熱処理条件を把握する工程と、
<6>に記載のシリコンウェーハの評価方法を用いて、前記デバイスプロセスでの熱処理条件に従う熱処理を施した後の前記シリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程と、
前記予測抵抗率に基づき、前記デバイスプロセスに供する前の前記シリコンウェーハの酸素濃度または抵抗率の狙い値を設計する工程と、
を含むことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
<7> A method for producing a silicon wafer, comprising:
determining heat treatment conditions in a device process performed on the silicon wafer;
A step of determining a predicted resistivity of the silicon wafer after a heat treatment according to a heat treatment condition in the device process by using the silicon wafer evaluation method according to the item 6.
designing a target value of the oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process based on the predicted resistivity;
A method for producing a silicon wafer, comprising:

本発明によれば、熱処理時間が短い場合にも適用できる、サーマルドナーの生成量を予測する方法及び製造方法を提供することすることができる。 The present invention provides a method for predicting the amount of thermal donor generated and a manufacturing method that can be applied even when the heat treatment time is short.

酸素濃度[O]が6×1017atoms/cmのシリコンウェーハに対して430℃以上530℃以下で30分以上300分以下の熱処理を行った場合の、サーマルドナー濃度のプロットと、サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度と熱処理時間との関係を示すグラフである。1 is a graph showing a plot of thermal donor concentration when a silicon wafer having an oxygen concentration [ Oi ] of 6× 10 atoms/ cm3 is subjected to heat treatment at 430° C. or higher and 530° C. or lower for 30 minutes or longer and 300 minutes or shorter, and a relationship between the heat treatment temperature and heat treatment time at which the amount of thermal donor generated is maximized. 酸素濃度[O]が4×1017atoms/cmのシリコンウェーハに対して430℃以上530℃以下で30分以上300分以下の熱処理を行った場合の、サーマルドナー濃度のプロットと、サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度と熱処理時間との関係を示すグラフである。1 is a graph showing a plot of thermal donor concentration when a silicon wafer having an oxygen concentration [ Oi ] of 4 x 1017 atoms/ cm3 is subjected to heat treatment at 430°C or higher and 530°C or lower for 30 minutes or longer and 300 minutes or shorter, and showing the relationship between the heat treatment temperature and heat treatment time at which the amount of thermal donor generated is maximized. 実験1及び2におけるサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度と熱処理時間との関係を示すプロットと、計算式(1)を用いた予測値による再現性を示すグラフである。1 is a plot showing the relationship between the heat treatment temperature and the heat treatment time at which the amount of thermal donor generated is maximized in Experiments 1 and 2, and a graph showing the reproducibility based on predicted values using calculation formula (1). 実験1における計算式(2)を用いた予測値によるサーマルドナー生成量の再現性を示すグラフである。1 is a graph showing the reproducibility of the amount of thermal donor generated based on the predicted value using calculation formula (2) in experiment 1. 実験2における計算式(2)を用いた予測値によるサーマルドナー生成量の再現性を示すグラフである。13 is a graph showing the reproducibility of the amount of thermal donor generated based on the predicted value using calculation formula (2) in experiment 2. 比較例における従来技術(式A)を用いた予測値によるサーマルドナー生成量の再現性を確認したグラフである。1 is a graph confirming the reproducibility of the amount of thermal donor generated based on the predicted value using the conventional technology (Formula A) in a comparative example.

実施形態の説明に先立ち、本発明を導くに至った本発明者らの実験を説明する。本発明者らはシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法の再現性を確認するため、低温熱処理を短時間施した場合のサーマルドナー生成量の実験値を確認した。実験値は、以下のとおりにして求めた。 Before describing the embodiments, the inventors will explain the experiments that led to the present invention. In order to confirm the reproducibility of the method for predicting thermal donor behavior in silicon wafers, the inventors confirmed experimental values of the amount of thermal donors generated when low-temperature heat treatment was performed for a short period of time. The experimental values were obtained as follows.

(実験1)
直径300mm、面方位(100)のn型シリコン単結晶インゴットをCZ法により育成した。そして、単結晶シリコンインゴットをスライスしてシリコンウェーハに加工した後、フーリエ変換赤外分光分析により酸素濃度を測定した。実験1に用いるシリコンウェーハとしては酸素濃度6×1017atoms/cm(ASTM F121-1979、以下、酸素濃度について同様。)のものを用いた。シリコンウェーハの結晶育成中に発生したサーマルドナーを消去するため、650℃の窒素雰囲気で30分のドナーキラー処理をあらかじめ行った。
(Experiment 1)
An n-type silicon single crystal ingot with a diameter of 300 mm and a surface orientation of (100) was grown by the CZ method. The single crystal silicon ingot was sliced into silicon wafers, and the oxygen concentration was measured by Fourier transform infrared spectroscopy. The silicon wafer used in Experiment 1 had an oxygen concentration of 6×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121-1979, the same applies to oxygen concentration hereinafter). In order to eliminate thermal donors generated during the crystal growth of the silicon wafer, a donor killer treatment was performed in advance for 30 minutes in a nitrogen atmosphere at 650° C.

その後、430℃、450℃、470℃、490℃、510℃、530℃の窒素雰囲気でそれぞれの熱処理温度につき30分、60分、120分、300分の低温短時間熱処理を行ってシリコンウェーハにサーマルドナーを生成させた。 Then, low-temperature short-time heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 430°C, 450°C, 470°C, 490°C, 510°C, and 530°C for 30 minutes, 60 minutes, 120 minutes, and 300 minutes at each heat treatment temperature to generate thermal donors in the silicon wafer.

そして、各熱処理を施したシリコンウェーハについて、JIS H 0602:1995に規定された4探針法による比抵抗率測定方法に従い、比抵抗を測定した。そして、この比抵抗の測定結果と、低温熱処理前の比抵抗の測定結果とをもとに、アービンカーブからキャリア濃度を求めた。さらに、サーマルドナーを生成させる低温熱処理前後のキャリア濃度差をサーマルドナー生成量とした。各条件について、熱処理温度とサーマルドナー生成量との関係をプロットした結果を図1に示す。さらに、図1における各熱処理時間のプロットについてサーマルドナー生成量が最大となる点と本発明者らが想定した仮想線を併せて図示した。 The resistivity of the silicon wafers subjected to each heat treatment was measured according to the resistivity measurement method using the four-probe method specified in JIS H 0602:1995. The carrier concentration was calculated from the Irvin curve based on the resistivity measurement results and the resistivity measurement results before the low-temperature heat treatment. Furthermore, the difference in carrier concentration before and after the low-temperature heat treatment that generates thermal donors was taken as the amount of thermal donors generated. The relationship between the heat treatment temperature and the amount of thermal donors generated for each condition was plotted in Figure 1. Furthermore, the point at which the amount of thermal donors generated is maximized for each heat treatment time plot in Figure 1 is also shown, along with a virtual line assumed by the inventors.

(実験2)
酸素濃度4×1017atoms/cmのシリコンウェーハに変えた以外は実験1と同様にして、各条件について、熱処理温度とサーマルドナー生成量をプロットして図2に示す。また図2における各熱処理時間のプロットについてサーマルドナー生成量が最大となる点と本発明者らが想定した仮想線を併せて図示した。
(Experiment 2)
Except for changing the oxygen concentration of silicon wafers to 4× 10 atoms/ cm , the heat treatment temperature and the amount of thermal donor generated for each condition were plotted in the same manner as in Experiment 1, and are shown in Figure 2. In addition, for each heat treatment time plot in Figure 2, the point at which the amount of thermal donor generated is maximum and a virtual line assumed by the inventors are also shown.

従来は、熱処理時間の長短に依らず、450℃の熱処理でサーマルドナー生成量が最大となると考えられていた。しかしながら本発明者らは実験1及び2の結果から、熱処理時間とサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度(すなわち、図1あるいは図2におけるピーク温度)には負の相関があることを知見した。ここでいう「負の相関」とは、すなわち熱処理時間が短い程、当該熱処理時間におけるサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度が大きくなる傾向のことをいう。熱処理時間と当該熱処理時間におけるサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係が分かれば、熱処理時間を変更した場合において、サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度を予測することができる。そして、後述するとおり、任意の熱処理条件におけるサーマルドナー生成量と熱処理温度との関係、特に短時間の低温熱処理における関係を予測することができるようになる。 Conventionally, it was believed that the amount of thermal donor generated was maximum at a heat treatment temperature of 450°C, regardless of the length of the heat treatment time. However, the inventors found from the results of Experiments 1 and 2 that there is a negative correlation between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximum (i.e., the peak temperature in Figure 1 or Figure 2). The "negative correlation" here means that the shorter the heat treatment time, the higher the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximum during that heat treatment time. If the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximum during that heat treatment time is known, it is possible to predict the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximum when the heat treatment time is changed. As described later, it becomes possible to predict the relationship between the amount of thermal donor generated and the heat treatment temperature under any heat treatment condition, particularly in the case of short-term low-temperature heat treatment.

次にその負の相関が線形の関係で表されることを着想し、
[T]=-at+b ・・・(1)
の関係式を予想した。式(1)中において、[T]は前記サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度であり、tは前記熱処理時間であり、a及びbは非負定数である。熱処理時間と当該熱処理時間におけるサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係が、負の相関を有する線形の関数で表されることは、計算の簡便性からも有用である。この予想式を実験値に合うように適宜係数を設定し、図3に示される関係を確認した。サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度と熱処理時間との関係を示すプロットにおいて、上記式で表された線分の外挿がよい再現性をもっていることが確認できた。また、この関係は熱処理が施されるシリコンウェーハの酸素濃度の大小によらず同様に適用できることも分かった。ここで、実験1及び2においては、aの値は0.11であった。ただし、このaの具体的な値は上記実験結果から求めたものであって、例えばaを0.05以上0.15以下の範囲から実験結果に応じて定まる。同様に、定数bの値は、実験1及び2においては493であったが、例えば450以上550以下の範囲から実験結果に応じて定まる。
Next, he came up with the idea that the negative correlation could be expressed as a linear relationship.
[T m ]=-at+b...(1)
The following relational expression was predicted. In formula (1), [T m ] is the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generation is maximized, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants. It is useful from the viewpoint of ease of calculation that the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generation is maximized during the heat treatment time is expressed as a linear function having a negative correlation. The coefficients of this predicted formula were appropriately set to match the experimental values, and the relationship shown in FIG. 3 was confirmed. In the plot showing the relationship between the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generation is maximized and the heat treatment time, it was confirmed that the extrapolation of the line segment expressed by the above formula had good reproducibility. It was also found that this relationship can be applied in the same way regardless of the oxygen concentration of the silicon wafer to which the heat treatment is applied. Here, in Experiments 1 and 2, the value of a was 0.11. However, the specific value of a was obtained from the above experimental results, and for example, a is determined in the range of 0.05 to 0.15 depending on the experimental results. Similarly, the value of the constant b was 493 in Experiments 1 and 2, but is determined depending on the experimental results from a range of, for example, 450 to 550.

そして、次に実験で得られたサーマルドナーの生成量が、ガウス関数を含む関係式によって表されることを着想し、
[T]=A×[O×t×exp{-(T-T/(2T0 )} ・・・(2)
の関係式を予想した。式(2)中において、[T]はサーマルドナー生成量、Tは熱処理温度、[O]は酸素濃度、T0、A、B、Cは定数である。ここでT0はガウス関数により表される正規分布において標準偏差に相当する。この式から、先に得た式(1)により得られたTを用いて、任意の酸素濃度のシリコンウェーハ及び熱処理条件におけるサーマルドナー生成量を予測することができる。この予想式を実験値に合うように適宜係数を設定した結果を図4及び5に示す。計算式を用いたサーマルドナー生成量の予測値が、よい再現性をもっていることが確認できる。ここで、実験1及び2においては、定数Aの値は1.1×10であった。ただし、この定数Aの値は上記実験結果から求めたものであって、例えば定数Aの値は0.5×10以上1.5×10以下の範囲から実験結果に応じて定まる。同様に、定数Bの値は、実験1及び2においては4であったが、定数Bの値は例えば3以上5以下の範囲から実験結果に応じて定まる。同様に、定数Cの値は、実験1及び2においては0.85であったが、定数Cの値は例えば0.50以上1.30以下の範囲から実験結果に応じて定まる。同様に、定数T0の値は、実験1及び2においては30であったが、定数T0の値は例えば10以上50以下の範囲から実験結果に応じて定まる。
Next, he came up with the idea that the amount of thermal donor generated experimentally could be expressed by a relational equation including a Gaussian function,
[T D ]=A×[O i ] B ×t C ×exp{-(T-T m ) 2 /(2T 0 2 )} ...(2)
The following relational expression was predicted. In formula (2), [T D ] is the amount of thermal donor generation, T is the heat treatment temperature, [O i ] is the oxygen concentration, and T 0 , A, B, and C are constants. Here, T 0 corresponds to the standard deviation in a normal distribution represented by a Gaussian function. From this formula, the amount of thermal donor generation in a silicon wafer with an arbitrary oxygen concentration and heat treatment conditions can be predicted using T m obtained from formula (1) obtained above. The results of appropriately setting coefficients to match this prediction formula to experimental values are shown in Figures 4 and 5. It can be confirmed that the predicted value of the amount of thermal donor generation using the calculation formula has good reproducibility. Here, in experiments 1 and 2, the value of constant A was 1.1 x 10 8. However, the value of constant A was obtained from the above experimental results, and for example, the value of constant A is determined according to the experimental results from a range of 0.5 x 10 8 to 1.5 x 10 8 . Similarly, the value of constant B was 4 in Experiments 1 and 2, but the value of constant B is determined, for example, from a range of 3 to 5 inclusive, depending on the experimental results. Similarly, the value of constant C was 0.85 in Experiments 1 and 2, but the value of constant C is determined, for example, from a range of 0.50 to 1.30 inclusive, depending on the experimental results. Similarly, the value of constant T0 was 30 in Experiments 1 and 2, but the value of constant T0 is determined, for example, from a range of 10 to 50 inclusive, depending on the experimental results.

上記式(1)及び(2)において、熱処理時間は特に制限されないが、実験値とのよりよい再現性を得るために熱処理時間は10時間以下であることが好ましく、5時間以下であることがさらに好ましい。これまでのサーマルドナー挙動予測方法では10時間以下のような短時間の熱処理の場合に、予測値と実験値の良好な再現性が見られず、本願発明によってはじめて短時間の熱処理におけるサーマルドナー生成量が予測できるようになる。 In the above formulas (1) and (2), the heat treatment time is not particularly limited, but in order to obtain better reproducibility with experimental values, the heat treatment time is preferably 10 hours or less, and more preferably 5 hours or less. Previous thermal donor behavior prediction methods did not show good reproducibility between predicted values and experimental values in the case of short heat treatment times of 10 hours or less, and the present invention is the first to make it possible to predict the amount of thermal donor generated in short heat treatment times.

上記式(1)及び(2)において、シリコンウェーハの酸素濃度は特に制限されないが、実験値とのよりよい再現性を得るために、シリコンウェーハの酸素濃度は、1×1017atoms/cm以上7×1017atoms/cm以下(ASTM F121-1979)であることが好ましく、2×1017atoms/cm以上6×1017atoms/cm以下であることがさらに好ましい。 In the above formulas (1) and (2), the oxygen concentration of the silicon wafer is not particularly limited, but in order to obtain better reproducibility with experimental values, the oxygen concentration of the silicon wafer is preferably 1×10 17 atoms/cm 3 or more and 7×10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F121-1979), and more preferably 2×10 17 atoms/cm 3 or more and 6×10 17 atoms/cm 3 or less.

また、本実験に用いるシリコンウェーハとしては、チョクラルスキ法(CZ法)または浮遊帯域溶融法(FZ法)により育成された単結晶シリコンインゴットをワイヤーソー等でスライスしたものを使用することができる。FZ法に比べてCZ法により形成されたシリコンウェーハの酸素濃度は大きく、サーマルドナー生成による抵抗率の変化の影響を受けやすい。そこで、本実施形態による予測方法をCZウェーハに対して用いることが好ましい。また、シリコンウェーハの導電型はp型およびn型のいずれであっても構わない。 The silicon wafers used in this experiment can be made by slicing single crystal silicon ingots grown by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone melting method (FZ method) with a wire saw or the like. Compared to the FZ method, silicon wafers formed by the CZ method have a higher oxygen concentration and are more susceptible to changes in resistivity due to thermal donor generation. Therefore, it is preferable to use the prediction method according to this embodiment for CZ wafers. The conductivity type of the silicon wafer can be either p-type or n-type.

(シリコンウェーハの評価方法)
また、前述のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法の実施形態を用いて、シリコンウェーハの評価を行うこともできる。まず、前述のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法の実施形態に従い、所定条件の熱処理を施した後に生成されるシリコンウェーハのサーマルドナー生成量を求める工程を行う。上記所定条件として、デバイスプロセスにおいてシリコンウェーハが受ける熱処理履歴を用いることが好ましい。なお、ドナーキラー熱処理に相当する高温熱処理が含まれる場合は、当該高温熱処理後の熱処理履歴のみを用いればよい。そして、求めたサーマルドナー生成量に基づき、上記所定条件の熱処理を施した後のシリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程を行う。なお、抵抗率は生成されたサーマルドナー生成量から、アービンカーブを用いて求めることができる。このシリコンウェーハの評価方法により、所定条件の熱処理を受ける場合のシリコンウェーハの抵抗率が所定の規格を満足するか否かを高精度に評価することができる。
(Silicon Wafer Evaluation Method)
Also, the silicon wafer can be evaluated using the embodiment of the thermal donor behavior prediction method for the silicon wafer described above. First, a step of determining the amount of thermal donor generation in the silicon wafer generated after heat treatment under predetermined conditions is performed according to the embodiment of the thermal donor behavior prediction method for the silicon wafer described above. As the predetermined conditions, it is preferable to use the heat treatment history to which the silicon wafer is subjected in the device process. Note that, when a high-temperature heat treatment equivalent to a donor killer heat treatment is included, only the heat treatment history after the high-temperature heat treatment may be used. Then, a step of determining a predicted resistivity of the silicon wafer after heat treatment under the predetermined conditions is performed based on the determined amount of thermal donor generation. Note that the resistivity can be determined from the amount of thermal donor generation generated by using an Irvin curve. This silicon wafer evaluation method allows highly accurate evaluation of whether the resistivity of the silicon wafer when subjected to heat treatment under predetermined conditions satisfies a predetermined standard.

(シリコンウェーハの製造方法)
さらに、上記評価方法を用いてシリコンウェーハを製造することも好ましい。まず、シリコンウェーハに施されるデバイスプロセスにおける熱処理条件を把握する工程を行う。ドナーキラー熱処理に相当する高温熱処理が含まれる場合は、その有無と、当該高温熱処理後の熱処理条件を把握すればよいし、高温熱処理が含まれない場合には、全ての熱履歴を把握することが好ましい。そして、前述のシリコンウェーハの評価方法を用いて、デバイスプロセスでの熱処理条件に従う熱処理を施した後のシリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程を行う。次いで、求めた予測抵抗率に基づき、デバイスプロセスに供する前のシリコンウェーハの酸素濃度または抵抗率の狙い値を設計する工程を行い、この設計に従いシリコンウェーハを製造する。このシリコンウェーハの製造方法により作製したシリコンウェーハを用いれば、上記デバイスプロセス後のシリコンウェーハの抵抗率の変化を考慮したシリコンウェーハとなるため、サーマルドナー生成によるデバイス特性への悪影響を抑制することができる。
(Silicon Wafer Manufacturing Method)
Furthermore, it is also preferable to manufacture a silicon wafer using the above evaluation method. First, a step of grasping the heat treatment conditions in the device process applied to the silicon wafer is performed. If a high-temperature heat treatment equivalent to a donor killer heat treatment is included, it is sufficient to grasp the presence or absence of the high-temperature heat treatment and the heat treatment conditions after the high-temperature heat treatment, and if the high-temperature heat treatment is not included, it is preferable to grasp all the heat history. Then, a step of obtaining a predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment according to the heat treatment conditions in the device process is performed using the above-mentioned silicon wafer evaluation method. Next, a step of designing a target value of the oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process is performed based on the obtained predicted resistivity, and the silicon wafer is manufactured according to this design. If a silicon wafer manufactured by this silicon wafer manufacturing method is used, the silicon wafer is obtained by considering the change in resistivity of the silicon wafer after the above-mentioned device process, so that the adverse effect on the device characteristics due to the generation of thermal donors can be suppressed.

(実施例)
上述した式(1)及び式(2)は、前述した実験結果における酸素濃度のプロット値を良く再現できることを確認した(図3~図5参照)。なお、式(1)及び式(2)における定数を回帰分析し、式(1)及び式(2)の定数として以下の値を採用した。
a=0.11
b=493
0=30
A=1.1×10
B=4
C=0.85
(Example)
It was confirmed that the above-mentioned formulas (1) and (2) could well reproduce the plotted values of oxygen concentration in the experimental results described above (see Figs. 3 to 5). The constants in formulas (1) and (2) were subjected to regression analysis, and the following values were adopted as the constants in formulas (1) and (2).
a = 0.11
b=493
T0 =30
A = 1.1 x 108
B=4
C=0.85

(比較例)
図1を参照して前述した実験値と、特許文献1(特開2013-119486号公報)に開示される下記式Aの計算結果を対比した。
Δ[C]=α[Oi]5×exp(-β・D(T)・[Oi]・t) ・・・(式A)
(上記式A中、α、βは定数である)
結果を図6に示す。定数α、βの値をそれぞれα=1×10‐76、β=1×10‐5とした。実験値と計算値の対比からは、このような極めて短時間の低温熱処理において、特許文献1の計算方法ではサーマルドナー生成の挙動を再現することはできないことがわかった。
Comparative Example
The experimental values described above with reference to FIG. 1 were compared with the calculation results of the following formula A disclosed in Patent Document 1 (JP 2013-119486 A).
Δ[C]=α[Oi]5×exp(-β・D(T)・[Oi]・t) ...(Formula A)
(In the above formula A, α and β are constants.)
The results are shown in Figure 6. The values of the constants α and β were set to α = 1 x 10-76 and β = 1 x 10-5 , respectively. Comparing the experimental values with the calculated values, it was found that the calculation method of Patent Document 1 cannot reproduce the behavior of thermal donor generation in such an extremely short-time low-temperature heat treatment.

実施例及び比較例からは、以下のことが分かった。すなわち、実験1及び2で熱処理時間と当該熱処理時間においてサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係を把握し、式(1)を得ることで、短時間の低温熱処理におけるサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度を予測できるようになった。式(1)を含む式(2)を用いたサーマルドナー生成量の予測では、極めて短時間の低温熱処理の条件においてもサーマルドナーの生成量を精度よく再現できることを本発明者らは確認した。 The following was found from the examples and comparative examples. In other words, by grasping the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated during that heat treatment time is maximized in Experiments 1 and 2 and obtaining formula (1), it became possible to predict the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated during a short, low-temperature heat treatment is maximized. The inventors confirmed that by predicting the amount of thermal donor generated using formula (2), which includes formula (1), the amount of thermal donor generated can be accurately reproduced even under conditions of an extremely short, low-temperature heat treatment.

本発明によれば、熱処理時間が短い場合にも適用できる、サーマルドナーの生成量を予測する方法及び製造方法を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a method for predicting the amount of thermal donors generated and a manufacturing method that can be applied even when the heat treatment time is short.

Claims (5)

シリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法であって、
前記シリコンウェーハの酸素濃度が、4×10 17 atoms/cm 以上6×10 17 atoms/cm 以下(ASTM F121-1979)であって、
熱処理時間と当該熱処理時間においてサーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度との関係が、負の相関であることを用い
前記熱処理を窒素雰囲気下で行い、前記熱処理による熱処理温度が430℃以上530℃以下で、前記熱処理時間が5時間以下である、
シリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
A method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer, comprising the steps of:
The oxygen concentration of the silicon wafer is 4×10 17 atoms/cm 3 or more and 6×10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F121-1979),
Using the fact that the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated during the heat treatment time is a negative correlation ,
The heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, the heat treatment temperature is 430° C. or higher and 530° C. or lower, and the heat treatment time is 5 hours or less.
A method for predicting thermal donor behavior in silicon wafers.
前記負の相関が下記式(1):
[Tm]=-at+b ・・・(1)
(式(1)中において、[Tm]は前記サーマルドナー生成量が最大となる熱処理温度、tは前記熱処理時間、a及びbは非負定数である)
の関係式により表される、請求項1に記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
The negative correlation is expressed by the following formula (1):
[Tm]=-at+b...(1)
(In formula (1), [Tm] is the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generated is maximized, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants.)
2. The method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer according to claim 1, wherein the thermal donor behavior is expressed by the following relational expression:
前記サーマルドナー生成量が下記式(2):
[T]=A×[O×t×exp{-(T-T/(2T )} ・・・(2)
(式(2)中において、[T]はサーマルドナー生成量、Tは熱処理温度、[O]は酸素濃度、T、A、B、Cは定数であって、前記定数Aの値は0.5×10 以上1.5×10 以下、前記定数Bの値は3以上5以下の範囲、前記定数Cの値は0.50以上1.30以下の範囲、前記定数T 値は10以上50以下の範囲で定まる
の関係式により表される、請求項1又は2に記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法。
The amount of the thermal donor generated is expressed by the following formula (2):
[T D ]=A×[O i ] B ×t C ×exp{-(T-T m ) 2 /(2T 0 2 )} ...(2)
(In formula (2), [ TD ] is the amount of thermal donor generated, T is the heat treatment temperature, [ Oi ] is the oxygen concentration, and T0 , A, B, and C are constants, the value of constant A being determined within a range of 0.5x108 to 1.5x108 , the value of constant B being determined within a range of 3 to 5, the value of constant C being determined within a range of 0.50 to 1.30, and the value of constant T0 being determined within a range of 10 to 50. )
3. The method for predicting thermal donor behavior in a silicon wafer according to claim 1, wherein the thermal donor behavior is expressed by the following relational expression:
上記請求項1~のいずれか一項に記載のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法を用いた、シリコンウェーハの評価方法であって、
熱処理後のシリコンウェーハのサーマルドナー生成量を求める工程と、
前記サーマルドナー生成量に基づき、前記熱処理を施した後の前記シリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程と、
を含む、シリコンウェーハの評価方法。
A method for evaluating a silicon wafer using the method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to any one of claims 1 to 3 , comprising the steps of:
determining the amount of thermal donors generated in the silicon wafer after the heat treatment;
determining a predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment based on the amount of thermal donor generated;
A method for evaluating a silicon wafer, comprising:
シリコンウェーハの製造方法であって、
前記シリコンウェーハに施されるデバイスプロセスにおける熱処理条件を把握する工程と、
請求項に記載のシリコンウェーハの評価方法を用いて、前記デバイスプロセスでの熱処理条件に従う熱処理を施した後の前記シリコンウェーハの予測抵抗率を求める工程と、
前記予測抵抗率に基づき、前記デバイスプロセスに供する前の前記シリコンウェーハの酸素濃度または抵抗率の狙い値を設計する工程と、
を含むことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
A method for manufacturing a silicon wafer, comprising the steps of:
determining heat treatment conditions in a device process performed on the silicon wafer;
A step of determining a predicted resistivity of the silicon wafer after a heat treatment according to a heat treatment condition in the device process by using the silicon wafer evaluation method according to claim 4 ;
designing a target value of the oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process based on the predicted resistivity;
A method for producing a silicon wafer, comprising:
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井上 海平,ゲルマニウム結晶中の酸素不純物の熱ドナー形成機構の反応速度論による解明,東北大学 博士論文,日本,東北大学,2015年

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