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JP2022181130A - Silicon wafer thermal donor behavior prediction method and silicon wafer manufacturing method - Google Patents

Silicon wafer thermal donor behavior prediction method and silicon wafer manufacturing method Download PDF

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JP2022181130A
JP2022181130A JP2021087991A JP2021087991A JP2022181130A JP 2022181130 A JP2022181130 A JP 2022181130A JP 2021087991 A JP2021087991 A JP 2021087991A JP 2021087991 A JP2021087991 A JP 2021087991A JP 2022181130 A JP2022181130 A JP 2022181130A
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Abstract

Figure 2022181130000001

【課題】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。
【解決手段】本発明のシリコンウェーハのサーマルドナー挙動予測方法は、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。
【選択図】図3

Figure 2022181130000001

Kind Code: A1 A method for predicting the amount of thermal donors produced and a method for producing the same are provided, which can be applied even when the heat treatment time is short.
A method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to the present invention uses the negative correlation between a heat treatment time and a heat treatment temperature at which the amount of thermal donors generated in the heat treatment time is maximized.
[Selection drawing] Fig. 3

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 silicon wafer thermal donor behavior prediction method and a silicon wafer manufacturing method.

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 for fabricating various semiconductor devices such as RF (radio frequency) devices, MOS devices, DRAMs and NAND flash memories. 2. Description of the Related Art Various heat treatments such as oxidation treatment, nitridation treatment, plasma etching, and impurity diffusion treatment are performed in a so-called device process for manufacturing a semiconductor device using a silicon wafer.

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。 Oxygen in a silicon wafer is normally electrically neutral. It is known that a dozen or more oxygen atoms aggregate to form an oxygen cluster in a silicon crystal. This oxygen cluster is a donor that emits electrons and is called a thermal donor. A thermal donor becomes electrically neutral when subjected to a 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。 Thermal donor generation changes the carrier concentration of the silicon wafer, 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 p-type wafer with high resistance, it can be reversed 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 silicon wafer resistivity can have a significant impact on the device characteristics of semiconductor devices. So far, research has been conducted on the generation mechanism of thermal donors after low-temperature heat treatment of silicon single crystals, and various methods for accurately predicting thermal donor concentrations in silicon wafers have been investigated.

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 Δ[C] of carriers generated due to oxygen donors generated when a silicon single crystal is subjected to low-temperature heat treatment depends on the oxygen concentration [Oi] in the silicon single crystal and the heat treatment temperature T , the heat treatment time t, and the oxygen diffusion coefficient D(T) at the heat treatment temperature T, the following formula A is proposed.
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 Literature 1, it is said that the method is general-purpose and can evaluate the amount of carriers generated in a silicon single crystal with higher precision 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, until now, the prediction of the thermal donor behavior has been limited to the prediction of the thermal donor behavior when the heat treatment is performed at a low temperature of less than about 600° C. for a long time, for example, several tens of hours. Therefore, the formula (Formula A) disclosed in Patent Document 1 cannot explain the behavior of the thermal donor 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。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for predicting the amount of thermal donors produced and a manufacturing method that can be applied even 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。 When the relationship between heat treatment temperature, heat treatment time, and amount of thermal donors generated under various conditions was examined, it was found that there was a negative correlation between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors generated was maximized. The inventors have found. Then, it was found that the generation behavior of thermal donors can be predicted with high accuracy by using this correlation. The gist and configuration of the present invention completed based on the above findings are 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 of a silicon wafer,
The relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the thermal donor generation amount is maximized in the heat treatment time is a negative correlation.
Thermal donor behavior prediction method for 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 represented by the following formula (1):
[T m ]=−at+b (1)
(In formula (1), [T m ] is the heat treatment temperature at which the thermal donor generation amount is maximized, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants.)
The method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to any one of <1>, represented by the 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 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 donors produced, 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 of a silicon wafer according to <1> or <2>, represented by the 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> The method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to 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> Any one of <1> to <4>, wherein the silicon wafer has an oxygen concentration of 1×10 17 atoms/cm 3 or more and 7×10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F121-1979). of silicon wafer thermal donor behavior prediction method.

<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 silicon wafer evaluation method using the silicon wafer thermal donor behavior prediction method according to any one of the above <1> to <5>,
A step of determining the amount of thermal donors generated in the silicon wafer after heat treatment;
obtaining a predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment based on the thermal donor generation amount;
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 manufacturing a silicon wafer,
a step of grasping heat treatment conditions in a device process applied to the silicon wafer;
A step of obtaining a predicted resistivity of the silicon wafer after heat treatment according to the heat treatment conditions in the device process using the silicon wafer evaluation method according to <6>;
designing a target value of oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process based on the predicted resistivity;
A method for manufacturing 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。 According to the present invention, it is possible to provide a method for predicting the production amount of thermal donors 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。Plot of thermal donor concentration and thermal 4 is a graph showing the relationship between heat treatment temperature and heat treatment time at which the amount of donors 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。A plot of the thermal donor concentration and a thermal 4 is a graph showing the relationship between heat treatment temperature and heat treatment time at which the amount of donors 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。4 is a plot showing the relationship between the heat treatment temperature and the heat treatment time at which the amount of thermal donors produced in Experiments 1 and 2 is maximized, and a graph showing the reproducibility of 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。4 is a graph showing the reproducibility of the amount of thermal donors produced by the predicted value using the calculation formula (2) in Experiment 1. FIG. 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。10 is a graph showing the reproducibility of the amount of thermal donors produced by the predicted value using the calculation formula (2) in Experiment 2. FIG. 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。FIG. 10 is a graph confirming the reproducibility of the amount of thermal donors produced by the predicted value using the conventional technique (formula A) in a comparative example; FIG.

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。 Prior to the description of the embodiments, experiments conducted by the inventors leading to the present invention will be described. In order to confirm the reproducibility of the method for predicting the thermal donor behavior of silicon wafers, the present inventors confirmed experimental values of the amount of thermal donors generated when low-temperature heat treatment was performed for a short period of time. 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 plane orientation (100) was grown by the CZ method. Then, after slicing the single crystal silicon ingot and processing it into silicon wafers, the oxygen concentration was measured by Fourier transform infrared spectroscopic analysis. Silicon wafers used in Experiment 1 had an oxygen concentration of 6×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121-1979, hereinafter the same applies to the oxygen concentration). In order to eliminate thermal donors generated during crystal growth of the silicon wafer, a donor killer treatment was performed in advance in a nitrogen atmosphere at 650° C. for 30 minutes.

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。 After that, 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 for each heat treatment temperature to obtain silicon wafers. A thermal donor was generated.

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。 Then, the resistivity of each heat-treated silicon wafer was measured according to the resistivity measurement method by the four-probe method specified in JIS H 0602:1995. Then, based on the measurement result of this specific resistance and the measurement result of the specific resistance before the low-temperature heat treatment, the carrier concentration was obtained from the Irvin curve. Further, the difference in carrier concentration before and after the low-temperature heat treatment for generating thermal donors was defined as the amount of thermal donors generated. FIG. 1 shows the results of plotting the relationship between the heat treatment temperature and the amount of thermal donors generated for each condition. Furthermore, the plot of each heat treatment time in FIG. 1 is shown together with the point where the thermal donor generation amount is maximum and the imaginary line assumed by the present 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)
FIG. 2 plots the heat treatment temperature and the amount of thermal donors generated for each condition in the same manner as in Experiment 1 except that the silicon wafer was changed to a silicon wafer with an oxygen concentration of 4×10 17 atoms/cm 3 . In addition, the plot of each heat treatment time in FIG. 2 is shown together with the point where the amount of thermal donor generation is maximum and the imaginary line assumed by the present inventors.

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 thought that the thermal donor generation amount was maximized by heat treatment at 450° C. regardless of the length of the heat treatment time. However, from the results of Experiments 1 and 2, the present inventors have found that there is a negative correlation between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generation is maximized (that is, the peak temperature in FIG. 1 or FIG. 2). . The term "negative correlation" as used herein refers to the tendency that the shorter the heat treatment time, the higher the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors generated in the heat treatment time becomes maximum. If the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors generated in the heat treatment time is maximized is known, it is possible to predict the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors generated is maximized when the heat treatment time is changed. Then, as will be described later, it becomes possible to predict the relationship between the amount of thermal donors produced and the heat treatment temperature under arbitrary heat treatment conditions, especially the relationship in low-temperature heat treatment for a short period of time.

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, conceived that the negative correlation is represented by a linear relationship,
[T m ]=−at+b (1)
predicted the relational expression of In formula (1), [T m ] is the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors produced is maximum, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants. The fact that the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donors produced in the heat treatment time is maximized is represented by a linear function having a negative correlation is also useful in terms of simplicity of calculation. Coefficients were appropriately set so that this prediction formula matched experimental values, and the relationship shown in FIG. 3 was confirmed. In the plot showing the relationship between the heat treatment temperature and the heat treatment time at which the amount of thermal donor generation is maximized, it was confirmed that the extrapolation of the line segment represented by the above formula has good reproducibility. It was also found that this relationship can be similarly applied irrespective of the magnitude 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 is obtained from the above experimental results, and is determined according to the experimental results, for example, within the range of 0.05 or more and 0.15 or less. Similarly, the value of the constant b was 493 in Experiments 1 and 2, but is determined from a range of 450 or more and 550 or less, for example, according to the experimental results.

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, we conceived that the amount of thermal donors generated in the experiment was expressed by a relational expression including a Gaussian function,
[T D ]=A×[O i ] B ×t C ×exp{−(T−T m ) 2 /(2T 0 2 )} (2)
predicted the relational expression of In equation (2), [T D ] is the thermal donor production amount, 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 the normal distribution represented by the Gaussian function. From this equation, the Tm obtained from the previously obtained equation (1) can be used to predict the amount of thermal donors generated in a silicon wafer with an arbitrary oxygen concentration and under heat treatment conditions. FIGS. 4 and 5 show the results of appropriately setting the coefficients so that this prediction formula matches the experimental values. It can be confirmed that the predicted value of the thermal donor production amount using the calculation formula has good reproducibility. Here, in Experiments 1 and 2, the value of constant A was 1.1×10 8 . However, the value of the constant A is obtained from the above experimental results, and for example, the value of the constant A is determined from the range of 0.5×10 8 to 1.5×10 8 according to the experimental results. Similarly, the value of the constant B was 4 in Experiments 1 and 2, but the value of the constant B is determined from a range of 3 or more and 5 or less, for example, according to the experimental results. Similarly, the value of the constant C was 0.85 in Experiments 1 and 2, but the value of the constant C is determined according to the experimental results within the range of 0.50 to 1.30, for example. Similarly, the value of the constant T 0 was 30 in Experiments 1 and 2, but the value of the constant T 0 is determined from a range of 10 or more and 50 or less, for example, according to 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 preferably 5 hours or less. More preferred. In the case of heat treatment for a short period of time, such as 10 hours or less, in the conventional methods for predicting thermal donor behavior, good reproducibility between predicted values and experimental values was not observed. quantity can be predicted.

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 1×10 17 atoms/cm 3 . It is preferably 7×10 17 atoms/cm 3 or more (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。 As the silicon wafer used in this experiment, a single crystal silicon ingot grown by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone melting method (FZ method) sliced with a wire saw or the like can be used. Silicon wafers formed by the CZ method have a higher oxygen concentration than those by the FZ method, and are susceptible to changes in resistivity due to thermal donor generation. Therefore, it is preferable to use the prediction method according to the present embodiment for CZ wafers. Moreover, the conductivity type of the silicon wafer may 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。
(Evaluation method of silicon wafer)
Silicon wafers can also be evaluated using the embodiments of the method for predicting thermal donor behavior of silicon wafers described above. First, according to the embodiment of the method for predicting thermal donor behavior of silicon wafers described above, a step of determining the amount of thermal donors produced in a silicon wafer after heat treatment under predetermined conditions is performed. As the predetermined condition, it is preferable to use the history of heat treatment that the silicon wafer undergoes in the device process. When a high-temperature heat treatment corresponding to the donor killer heat treatment is included, only the heat treatment history after the high-temperature heat treatment may be used. Then, based on the calculated amount of thermal donors produced, a step of calculating the predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment under the predetermined conditions is performed. The resistivity can be obtained from the amount of generated thermal donors using an Irvin curve. With this silicon wafer evaluation method, it is possible to highly accurately evaluate whether or not the resistivity of a silicon wafer that is 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。
(Method for manufacturing silicon wafer)
Furthermore, it is also preferable to manufacture a silicon wafer using the evaluation method described above. First, a step of grasping the heat treatment conditions in the device process applied to the silicon wafer is performed. If high-temperature heat treatment corresponding to donor killer heat treatment is included, the presence or absence of the heat treatment and the heat treatment conditions after the high-temperature heat treatment should be ascertained. If high-temperature heat treatment is not included, all heat history should be ascertained. is preferred. Then, using the silicon wafer evaluation method described above, a step of determining the predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment according to the heat treatment conditions in the device process is performed. Then, based on the obtained predicted resistivity, a step of designing a target value of oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process is performed, and silicon wafers are manufactured according to this design. If the silicon wafer manufactured by this silicon wafer manufacturing method is used, it becomes a silicon wafer that takes into consideration the change in resistivity of the silicon wafer after the above device process, so that the adverse effect on the device characteristics due to the generation of thermal donors can be suppressed. can.

(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 equations (1) and (2) can well reproduce the plot values of the oxygen concentration in the experimental results described above (see FIGS. 3 to 5). The constants in the formulas (1) and (2) were subjected to regression analysis, and the following values were adopted as the constants in the 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 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-119486).
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 FIG. The values of constants α and β were set to α=1×10 −76 and β=1×10 −5 respectively. From the comparison between the experimental values and the calculated values, it was found that the behavior of thermal donor generation cannot be reproduced by the calculation method of Patent Document 1 in such 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 facts were found from the examples and comparative examples. That is, in Experiments 1 and 2, the relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the amount of thermal donor generation is maximized in the heat treatment time is grasped, and by obtaining the formula (1), the amount of thermal donor generated in short-time low-temperature heat treatment It became possible to predict the heat treatment temperature at which The present inventors confirmed that the prediction of the amount of thermal donors produced using formula (2) including formula (1) can accurately reproduce the amount of thermal donors produced even under the conditions of low-temperature heat treatment for an extremely short period of time.

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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for predicting the amount of thermal donors to be generated and a manufacturing method that can be applied even when the heat treatment time is short.

Claims (7)

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。
A method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer,
The relationship between the heat treatment time and the heat treatment temperature at which the thermal donor generation amount is maximized in the heat treatment time is a negative correlation.
Thermal donor behavior prediction method for silicon wafers.
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、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 represented by the following formula (1):
[T m ]=−at+b (1)
(In formula (1), [T m ] is the heat treatment temperature at which the thermal donor generation amount is maximized, t is the heat treatment time, and a and b are non-negative constants.)
2. The method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to claim 1, wherein the relational expression is:
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、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 thermal donor generation amount is given 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 donors produced, T is the heat treatment temperature, [O i ] is the oxygen concentration, and T 0 , A, B, and C are constants.)
3. The method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to claim 1, wherein the relational expression is:
前記熱処理時間が10時間以下である、請求項1~3のいずれか1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。 4. The method for predicting thermal donor behavior of a silicon wafer according to claim 1, wherein said heat treatment time is 10 hours or less. 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、請求項1~4のいずれか1項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。 The silicon wafer according to any one of claims 1 to 4, wherein the silicon wafer has an oxygen concentration of 1 × 10 17 atoms/cm 3 or more and 7 × 10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F121-1979). thermal donor behavior prediction method. 上記請求項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。
A silicon wafer evaluation method using the silicon wafer thermal donor behavior prediction method according to any one of claims 1 to 5,
A step of determining the amount of thermal donors generated in the silicon wafer after heat treatment;
obtaining a predicted resistivity of the silicon wafer after the heat treatment based on the thermal donor generation amount;
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。
A method for manufacturing a silicon wafer,
a step of grasping heat treatment conditions in a device process applied to the silicon wafer;
obtaining a predicted resistivity of the silicon wafer after heat treatment according to the heat treatment conditions in the device process, using the silicon wafer evaluation method according to claim 6;
designing a target value of oxygen concentration or resistivity of the silicon wafer before being subjected to the device process based on the predicted resistivity;
A method for manufacturing a silicon wafer, comprising:
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