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JP4189041B2 - Manufacturing method of semiconductor substrate and inspection method thereof - Google Patents

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JP4189041B2
JP4189041B2 JP03211197A JP3211197A JP4189041B2 JP 4189041 B2 JP4189041 B2 JP 4189041B2 JP 03211197 A JP03211197 A JP 03211197A JP 3211197 A JP3211197 A JP 3211197A JP 4189041 B2 JP4189041 B2 JP 4189041B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体基板の製造方法及び半導体基板の検査方法に関し、特にMOS構造を有するメモリデバイス、ロジックデバイスに使用される半導体基板に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の基板となるシリコンウェーハには、チョクラルスキ法(CZ(Czochralski)法)によって製造された単結晶シリコンから切り出したCZシリコン基板が主として用いられている。また、CZシリコン基板上に気相エピタキシャル成長法によって単結晶Si層(エピタキシャル層)を形成した基板(エピタキシャルウェーハ)も広く用いられている。
【0003】
シリコン基板にMOSキャパシタを形成してゲート酸化膜耐圧を評価したとき、CZシリコン基板に含まれている酸素が析出した酸素析出物(BMD:Bulk Micro Defect)が特性劣化要因となることが知られているが、エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層においては、エピタキシャル成長中に気相から酸素が混入することはなく、CZシリコン基板からエピタキシャル成長工程中に拡散してくる格子間酸素のみが含有されるため、酸素濃度が非常に低く、ゲート酸化膜の耐圧不良はほとんど発生しない。
【0004】
また、エピタキシャルウェーハの場合、基板の導電型とは異なる導電型のエピタキシャル層を形成することが可能であり、回路設計上もラッチアップを回避し易い等の利点が多い。特に、p+ 型基板上にp- 型層が形成されていてるp on p+ 構造のウェーハは、ソフトエラー耐性の向上、p+ 型領域のボロンによる金属不純物のゲッタリング作用等の利点があり、高集積の半導体装置においては理想的な基板である。また、DRAM装置のメモリセルとして基板内に形成するトレンチキャパシタを使用する場合、ある一定レベル以上の電荷量をキャパシタに保持する必要があるが、p+ 型基板を用いることによりトレンチキャパシタ周囲の空乏層の拡張を抑制することが可能であり、電荷容量の確保が容易である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
p on p+ ウェーハまたはn on p+ ウェーハは、その構造上、高集積デバイス用基板として適しているが、導電型がp+ 型であることに起因する問題点が存在する。シリコン基板中のボロン濃度が高くなるに伴い(特に1018atoms /cm3 以上)、格子間酸素の析出が急激に増加する傾向があることは既に知られている。
【0006】
図14 は、シリコンウェーハに600℃の温度で3時間、1000℃の温度で16時間の熱処理を施した後におけるBMD密度のボロン濃度依存性を示すグラフである。BMD密度は、ボロン濃度約1018atoms /cm3 を境に急激に高くなることが分かる。
【0007】
前述したトレンチキャパシタ構造を有するDRAMの場合、p+ 型領域にトレンチキャパシタを形成することになるため、高密度に存在するBMDがトレンチキャパシタの酸化膜耐圧の劣化等、デバイス特性に悪影響を与えることが予想される。
【0008】
また、トレンチ構造を有しないデバイスにおいてもPN接合がBMD発生基板部分に掛かるとリーク電流増加等のPN接合劣化が起こる。トレンチ構造を用いないデバイスでは素子活性層深さが比較的浅いため、例えば、p on p+ 構造のエピウェーハではエピ層を厚くすることにより深いPN接合が基板に掛からないように出来るが、デバイスの微細化が進むと、ウェーハの高平坦度が要求され、エピ厚が厚くなるとエピ厚不均一性のため平坦度が劣化し、エピ厚を厚くするには限界がある。
【0009】
ここで、この問題点を解決するための従来技術及びその技術的知見について説明する。
CZ法は、石英坩堝中で溶解したシリコンを原料とし、単結晶シリコンを種結晶として単結晶成長させるものである。シリコン溶解液中には、坩堝、雰囲気から酸素が混入し、固化する過程で単結晶シリコン中に取り込まれる。したがって、室温まで冷却された単結晶シリコン中には、固溶限以上の酸素が存在する。単結晶シリコン中に固溶している酸素はシリコン格子間に存在している。この単結晶シリコンを約800℃以下の比較的低温で加熱することにより、固溶限以上に存在している酸素がシリコン結晶中で析出し、シリコンと酸素とからなる酸素析出核を形成する。析出速度は、過飽和度と酸素の拡散速度に依存し、過飽和度は温度が低いほど大きく、酸素の拡散速度は温度が高いほど大きいことから、およそ600〜800℃程度の温度領域の熱処理(低温熱処理)が最も析出核を形成しやすい。析出核のサイズは非常に小さく、1nm以下であると予測されている。酸素析出核は、1000℃程度の温度領域の熱処理(中温熱処理)を加えることで析出核周辺の酸素が集まってサイズが大きくなり酸素析出物(BMD)となる。このように成長した酸素析出物(BMD)は、電子顕微鏡、赤外散乱法、選択的エッチング法等により容易に観察することが可能である。
【0010】
また、低温熱処理、中温熱処理の際に、酸素析出核が成長するか縮小するかは、析出した酸素析出核のサイズと半導体基板中の酸素濃度とに依存することが知られている。酸素析出核のサイズが一定以上のときは熱処理により酸素析出核は成長するが、酸素析出核のサイズが一定以下のときは熱処理により酸素析出核は縮小する。酸素析出核の成長・縮小の臨界サイズは、半導体基板中の酸素濃度が低いほど大きい。
【0011】
酸素析出物密度は、格子間酸素濃度が高いほど、低温熱処理時間とその後の中温熱処理時間とが長いほど、高くなるため、表面から10μm程度の深さまでの、デバイスが形成される領域に無欠陥層(DZ:Denuded Zone)を形成するためには、表層の格子間酸素濃度を低くする必要がある。
【0012】
素子形成領域にDZを形成するために、非酸化雰囲気中でウェーハを高温アニールすることにより、格子間酸素を外方拡散させてシリコン表層の酸素濃度を低減させる方法が一般的に用いられている。このときの温度は高い方が効率良く酸素を外方拡散させることができ、1200℃程度の温度が用いられる。
【0013】
しかしながら、約1100℃を超える高温熱処理は高度の技術を要し、設備投資等も大きくなるため、最終的に得られる半導体製品がコスト高になるという問題点があった。また、p on p+ エピウェーハに高温熱処理を行なうとボロン再分布によるデバイス特性への影響の問題があった。
【0014】
本発明は以上の問題を解決するためなされたもので、p+ ウェーハまたはp on p+ エピウェーハを用いて半導体装置を製造する場合に、デバイス特性への悪影響を防止するに十分な深さの無欠陥層(DZ)を、高温熱処理過程を回避しつつ、形成可能な半導体基板の製造方法を提供するとともに、半導体基板中の酸素析出物(BMD)密度の適正な検査方法を提供することである。
【0015】
本発明にかかる半導体基板の製造方法によれば、ボロン濃度が1018atoms /cm3 以上であるシリコン単結晶板上に、シリコン単結晶層を形成するシリコン単結晶層形成工程と、前記シリコン単結晶板及びシリコン単結晶層からなる積層体に、450〜750℃の温度領域で3時間以上の熱処理を行う第1の熱処理工程と、前記第1の熱処理工程後に、900〜1100℃の温度領域で熱処理を行う第2の熱処理工程を備え、前記第1及び第2の熱処理工程並びに完成後の半導体基板を用いた半導体装置製造工程中におけるすべての熱処理工程による前記シリコン単結晶板表面からの酸素拡散深さが、デバイス特性への悪影響を防止するのに十分な、前記シリコン単結晶板表面からの無欠陥層深さを確保できるように、前記第2の熱処理工程の時間を設定することを特徴とする半導体基板の製造方法が提供される。
【0016】
この方法により、p+ ウェーハを用いて半導体装置を製造する場合に、デバイス特性への悪影響を防止するに十分な深さの無欠陥層(DZ)を有する半導体基板を提供することが可能となる。
【0022】
この態様でも、デバイス特性への悪影響を防止するに十分な深さの無欠陥層(DZ)を有する半導体基板(p on p+ エピウェーハ)を提供することが可能となる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態のいくつかをを説明する。
【0033】
本発明は、p+ ウェーハあるいはp on p+ エピウェーハを用いてデバイスを製造する場合に、デバイス特性に悪影響を及ぼす可能性のあるBMDのウェーハ表層における形成を防止するものである。具体的には、高密度でボロンを含有するP型ウェーハに、およそ450〜750℃の温度範囲における熱処理を所定時間施すことにより、爾後の必要十分な時間の中温熱処理(およそ900〜1100℃)によって、素子の形成されない電気的に不活性なバルク領域には酸素析出物(BMD)が形成される一方、素子の形成される表層には十分な無欠陥層(DZ)が形成されるようにしたものである。
【0034】
本発明は、上述した従来技術における技術的知見に加えて、さらに、以下に説明する実験結果等から得られた新たな知見に基づいてなされた。
【0035】
- ウェーハ(抵抗率5Ωcm、ボロン濃度2.7×1015cm-3)とp+ ウェーハ(抵抗率0.008Ωcm、ボロン濃度2×1019cm-3)とにそれぞれ単結晶シリコンを3μmの厚さにエピタキシャル成長させた半導体基板を用い、酸素析出核を形成する低温熱処理温度をパラメータとして以下の実験を行った。基体ウェーハは、いずれも格子間酸素濃度が1.0×1018atoms /cm3 のCZ基板である。2段階熱処理(低温+中温(約1000℃))において、低温熱処理温度をおよそ400〜800℃とし、2段階熱処理後の半導体基板の断面をHF:100CC、CrO2:50g、H2O:100CCを含むエッチング液を用いるジルトル(Sirtl)エッチング法でエッチングすることによりBMDを選択的にエッチングし、BMD密度を求めた。
【0036】
図6は、半導体基板中のBMD密度の低温熱処理温度依存性を示すグラフである。図6に示すように、p+ ウェーハを基体として用いたウェーハは、およそ450〜750℃の温度範囲でBMD密度が非常に高く、特に約600℃のときに最大値となっていることが分かる。
【0037】
次に、p- ウェーハ(抵抗率5Ωcm、ボロン濃度2.7×1015cm-3)とp+ ウェーハ(抵抗率0.008Ωcm、ボロン濃度2×1019cm-3)を用いて以下の実験を行った。
【0038】
2段階熱処理(低温(約600℃)+中温(約1000℃))において、低温熱処理時間を一定にした場合において、中温熱処理時間をパラメータとして、中温熱処理時間とBMD密度との関係、中温熱処理時間とDZ深さとの関係をそれぞれ求めた。また、2段階熱処理(低温(約600℃)+中温(約1000℃))において、中温熱処理時間を一定にした場合において、低温熱処理時間をパラメータとして、低温熱処理時間とBMD密度との関係、低温熱処理時間とDZ深さとの関係をそれぞれ求めた。格子間酸素濃度はいずれも1.0×1018atoms /cm3 のCZ基板である。
【0039】
図7、図8は、2段階熱処理(低温(約600℃)+中温(約1000℃))において、低温熱処理時間を一定にした場合における中温熱処理時間とBMD密度との関係(BMD密度の1000℃アニール時間依存性)、中温熱処理時間とDZ深さとの関係(DZ深さの1000℃アニール時間依存性)をそれぞれ示すグラフである。また、図9、図10は、2段階熱処理(低温(約600℃)+中温(約1000℃))において、中温熱処理時間を一定にした場合における低温熱処理時間とBMD密度との関係(BMD密度の600℃アニール時間依存性)、低温熱処理時間とDZ深さとの関係(DZ深さの600℃アニール時間依存性)をそれぞれ示すグラフである。BMD密度とDZ深さの測定には、ウェーハ表面から赤外線を入射してその散乱光を評価する方法を用いた。
【0040】
この結果から次のことがいえる。p- ウェーハでは、いずれの条件においてもDZは形成されないのに対し、p+ ウェーハでは、中温熱処理時間を長くすることによりDZ深さが増加し、また、低温熱処理時間を長くすることによってもDZ深さが大きくなる。
【0041】
さらに、実験結果等から判明しているDZ深さのボロン濃度依存性、DZ深さの低温熱処理依存性、DZ深さの中温熱処理依存性についてのグラフを示す。図11は、DZ深さのボロン濃度依存性を示すグラフ、図12は、DZ深さの低温熱処理温度依存性を示すグラフ、図13は、DZ深さの中温熱処理温度依存性を示すグラフである。
【0042】
図11から、半導体基板のボロン濃度約1×1018cm-3を境に、形成されるDZ深さが急激に大きくなり、ボロン濃度約1×1019cm-3前後ではDZ深さが12〜13μmと高い水準で安定していることが分かる。図12からは、低温熱処理温度をおよそ450〜750℃としたときに十分なDZ深さが得られていることが分かる。図13からは、中温熱処理温度約850℃を境に、形成されるDZ深さが急激に大きくなり、約900℃以上で十分なDZ深さが得られていることが分かる。また、図12及び図13からも、p- ウェーハでは、いずれの条件においてもDZは形成されないことが分かる。
【0043】
以上の現象は次のように解釈される。ボロンを1018cm-3以上に高濃度に含有するシリコンウェーハは、酸素析出核形成速度が非常に速いため、酸素析出核が高密度で発生する。これは、図14に示した通りである。
【0044】
また、図8に示すように中温熱処理時間が長いほどDZ深さが増加するため、表層の酸素析出核だけでなく、酸素析出核から成長した酸素析出物が中温熱処理で消滅することが分かる。
【0045】
従来、成長した酸素析出物の消滅には1200℃程度の高温熱処理が必要といわれてきたが、本発明ではBMD密度が非常に高く、1つ1つのBMDサイズが小さいため、900℃〜1100℃という中温熱処理でも酸素析出物の縮小、消滅が起こる。
【0046】
すなわち、ボロンを高密度で含有するシリコン単結晶においては、低温熱処理により酸素析出核が高密度で発生するが、それに引き続く約1000℃程度の中温熱処理により容易に表面近傍にDZ領域を形成することが可能である。
【0047】
以上説明した実験結果及び技術的新知見から、本発明に係る半導体基板の製造方法の条件が導き出された。第1の条件は、半導体基板に含有されるボロン濃度は約1018cm-3以上であることである。これは、酸素析出核が十分に高い密度で形成される濃度である。第2の条件は、低温熱処理温度はおよそ450〜750℃であることである。これは、必要十分な濃度と適当なサイズの酸素析出核が形成される温度である。第3の条件は、低温熱処理時間は約3時間以上であることである。第4の条件は、中温熱処理温度はおよそ900〜1100℃であることである。これは、デバイス非形成領域にはBMDを成長させることにより、デバイス形成領域にはDZを形成する温度である。第5の条件は、中温熱処理時間は約6時間以上であることである。しかし、以上の各条件はいずれも、結果的に十分なDZ深さが得られること、という条件で規定されることとなる。
【0048】
半導体基板への高濃度ボロンの導入方法は、p+ 型のシリコン単結晶を用いてウェーハを作製したものに限らず、イオン注入、固相拡散等の方法によってp+ 型領域を形成したウェーハを用いても良い。
【0049】
なお、p+ ウェーハ上への単結晶シリコン層のエピタキシャル成長の時点は低温熱処理または中温熱処理の前後にかかわらず、本発明に係る半導体基板の製造方法により、p+ ウェーハの素子形成領域には十分な深さのDZを形成できることが実験結果等から判明した。また、p+ ウェーハ上に形成する単結晶シリコン層は、p型であってもn型であっても良い。
【0050】
図1は、本発明に係る半導体基板の製造方法による製造過程を模式的に表した説明図である。
含有されるボロン濃度が約1018cm-3以上のp+ ウェーハ1を用意する(図1(a))。このp+ ウェーハ1におよそ450〜750℃の温度範囲の低温熱処理を約3時間以上施し、必要十分な濃度とサイズの酸素析出核2を形成する(図1(b))。さらに、およそ900〜1100℃の温度範囲の中温熱処理を約6時間以上施すと、素子の形成されない電気的に不活性なバルク領域には酸素析出物(BMD)3が形成される一方、素子の形成される表層には十分な深さを有する無欠陥層(DZ)4が形成される(図1(c))。
【0051】
以下、本発明に係る半導体基板の製造方法に従って作製した各実施例に係るウェーハの作製条件について説明する。
【0052】
第1の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1×1019〜2×1019atoms /cm3 、酸素を8×1017atoms /cm3 含有する直径200mmのシリコンウェーハ上に、厚さ2.5μm、ボロン濃度2×1015atoms /cm3 のシリコン単結晶層をトリクロルシラン(SiHCl3 )を原料ガスとして用いて1150℃でエピタキシャル成長させる。このウェーハを縦型抵抗加熱炉を用いて600℃の温度で6時間、乾燥酸素雰囲気中に保持する。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0053】
第2の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
第1の実施例と同様の方法で製造したエピタキシャル層を有するシリコンウェーハを縦型抵抗加熱炉内で乾燥酸素雰囲気中に600℃の温度で6時間保持した後、5℃/分で1000℃まで昇温し、10時間保持する。その後、800℃まで−10℃/分で降温し、ウェーハを炉から取り出す。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0054】
第3の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1×1019〜2×1019atoms /cm3 の範囲で含む単結晶インゴットを700℃の温度で10時間抵抗加熱炉内に保持する。その後、このインゴットからウェーハを切り出して、エピタキシャル層を3μm形成する。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0055】
第4の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1×1019〜2×1019atoms /cm3 、酸素を8×1017atoms /cm3 含有する直径200mmのシリコンウェーハを、縦型抵抗加熱炉内において600℃の温度で6時間、乾燥酸素雰囲気中に保持する。その後、厚さ3μm、ボロン濃度2×1015atoms /cm3 のシリコン単結晶層を、トリクロルシラン(SiHCl3 )を原料ガスとして用いて1150℃でエピタキシャル成長させる。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0056】
第5の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1×1019atoms /cm3 、酸素を1.0×1018atoms /cm3 含有するシリコンウェーハに多結晶シリコンを減圧CVD法で厚さ2μmに成長させる。温度は約620℃、原料ガスはシラン(SiH4 )である。ウェーハの一方の面のみ化学的機械研磨により多結晶シリコン層とその下の単結晶シリコン層の一部を除去し、鏡面を形成する。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0057】
第6の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを2×1019atoms /cm3 、酸素を7×1017atoms /cm3 含有するシリコンウェーハ上に、厚さ3μm、ボロン濃度2×1015atoms /cm3 のシリコン層を気相中でエピタキシャル成長させる。このウェーハを通常の抵抗加熱炉に600℃の温度で6時間、乾燥酸素雰囲気中に保持した後、5℃/分で1000℃まで昇温し、10時間保持する。その後、800℃まで−10℃/分で降温し、ウェーハを炉から取り出す。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0058】
第7の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1.5×1019atoms /cm3 含有するシリコンウェーハ上に、厚さ2.5μm、ボロン濃度2.5×1016atoms /cm3 含有するシリコン単結晶層をエピタキシャル成長させたウェーハに、トレンチキャパシタを有するDRAMを製造する工程において、トレンチをRIE(Reactive Ion Etching)法により開口した後、トレンチ内にLP−CVD法により、多結晶シリコンを埋め込む。この工程の処理温度は、625℃であり、処理時間は3時間である。この工程の後、窒素雰囲気中に1000℃の温度で16時間保持する。
【0059】
第8の実施例に係るウェーハは以下のように作製した。
ボロンを1×1019atoms /cm3 含有するシリコンウェーハ上に、厚さ2.5μm、リン濃度1×1015atoms /cm3 のシリコン単結晶層を気相中でエピタキシャル成長法により形成する。このウェーハを通常の抵抗加熱炉に600℃の温度で6時間、乾燥酸素雰囲気中に保持した後、5℃/分で1000℃まで昇温し、10時間保持する。その後、800℃まで−10℃/分で降温し、ウェーハを炉から取り出す。このウェーハをデバイス製造用の基板として使用する。
【0060】
以上の各実施例においては、上述したように、低温熱処理の温度領域は図6に示すようにBMDを高密度に形成するため、およそ450〜750℃である必要がある。また、低温熱処理時間は、図10に示すように十分なDZ深さを得るためには3時間以上であることが望ましい。
【0061】
なお、以上の各実施例におけるおよそ450〜750℃での熱処理の雰囲気は、酸素以外にも窒素、水素、アルゴンあるいはこれらの混合ガスを用いても同様の効果が得られる。すなわち、温度条件が本発明の条件に適合していれば、低温熱処理時の雰囲気として用いる気体の種類は特に限定されない。また、第5の実施例のように、多結晶シリコン層を堆積させるような工程でも、原料ガスの種類にかかわらず、温度と時間の条件が満たされていれば同様の効果が得られる。
【0062】
以上の各実施例で製造した、ボロン濃度が1016〜1021atoms /cm3 の領域に含まれるシリコン単結晶基板を用いて半導体装置を製造した場合に、BMD密度及びDZ深さがどの程度のものとなるかを予測するための半導体基板の検査方法を実施するためには、酸素析出核形成のためのおよそ450〜750℃の温度範囲の低温熱処理及び酸素析出核の成長とDZ形成とを兼ねたおよそ900〜1100℃の温度範囲の中温熱処理を行った後、酸素析出物の密度を測定する必要がある。このとき、上述のように、酸素拡散による酸素深さ分布と中温熱処理によりDZ深さが決まるため、およそ900℃以上の熱処理がDZ形成に関与する。このため半導体装置の製造工程において形成されるDZ深さをより正確に予測するためには、半導体装置製造工程での熱履歴を正確に模擬する必要がある。
【0063】
具体的には、第1及び第2の熱処理工程並びに完成後の半導体基板を用いた半導体装置製造工程中におけるすべての熱処理工程による酸素拡散深さが、必要とされる無欠陥層深さを確保できるものとなるように、中温熱処理時間を設定すればよい。温度T1 ,T2 ,…,Tn においてそれぞれ時間t1 ,t2 ,…,tn の熱処理を行ったときの拡散深さLは、それぞれの温度におけるシリコン中での酸素の拡散係数をD1 ,D2 ,…,Dn としたとき、L=(D1 t1 +D2 t2 …+Dn tn )1/2 で求められる。
【0065】
以上説明した各実施例、実験結果等からも明らかなように、本発明に係る半導体基板の製造方法により、p on p+ 構造またはn on p+ 構造を有するシリコンウェーハにおいて、素子が形成される領域を無欠陥層とすることが可能である。その半導体基板を用いた半導体装置の一実施例を以下のように作製した。
【0066】
ボロンを2×1019atoms /cm3 、酸素を7×1017atoms /cm3 含有するシリコンウェーハ上に、厚さ2.5μm、ボロン濃度2×1015atoms /cm3 のシリコン層を気相中でエピタキシャル成長させる。このウェーハを通常の抵抗加熱炉に600℃の温度で6時間、乾燥酸素雰囲気中に保持した後、5℃/分で1000℃まで昇温し、10時間保持する。800℃まで−10℃/分で降温し、ウェーハを炉から取り出す。このウェーハを深さ7.5μmのトレンチキャパシタを有するDRAM製造用の基板として使用する。
【0067】
図2(a)は、本発明に係る半導体基板の製造方法により製造したDRAMの断面図、図2(b)は従来の製造方法により製造したDRAMの断面図である。ともに、半導体基板は、p+ ウェーハ9上に単結晶シリコン層10をエピタキシャル成長させたものであるが、上述のように、ボロン濃度、酸素濃度、熱処理工程等が異なっている。
【0068】
図2(a)においては、半導体基板中に深さ7.5μmのトレンチキャパシタ11を有するDRAMの断面構造を示しており、素子形成領域にBMD13が存在せずDZ12が形成されている。一方、図2(b)においては、本発明に係る半導体基板の製造方法により製造したDRAMのDZ12に相当する部分である素子形成領域14にも、BMD13が形成されている。深さ10μm以上の、素子形成領域外におけるBMD密度は、本発明及び従来の基板でそれぞれ
5×1010cm-3、3×1010cm-3とほとんど差はない。
【0069】
図3は、本発明及び従来のウェーハのDZ深さを赤外散乱法と透過電子顕微鏡とを用いて測定した結果を示すグラフである。従来の製造方法による半導体基板のほとんどは、DZ深さが10μm以下であるのに対し、本発明に係る半導体基板では、10μm以上のDZ深さが確保されており、デバイスが形成される領域で十分な無欠陥層が形成されていることが明らかである。
【0070】
なお、上記第1から第7までの実施例に係るウェーハを用いてDRAMを形成した後のDZ幅は、それぞれ12μm、12μm、13μm、11μm、12μm、13μm、13μmであった。
【0071】
図4は、本発明及び従来のシリコンウェーハに幅0.6μm、深さ7μmのトレンチキャパシタを形成し、その酸化膜耐圧を評価した結果を示すグラフである。ゲート酸化膜は厚さ10nmの熱酸化膜であり、破壊電界が8MV/cm以上のものを合格とした。結果は図4に示すように、本発明により、酸化膜耐圧が非常に向上していることが分かる。
【0072】
以上説明したように本発明に係る半導体基板の製造方法により製造した半導体基板を用いて製造する半導体装置は、BMD密度の広い範囲で素子形成領域を無欠陥層とすることができる。
【0073】
図5は、本発明に係る半導体基板の検査方法によりDZ深さを評価し、それらの基板を用いて64M DRAMを製造したときの歩留りのDZ深さ依存性を示すグラフである。DZ深さが狭すぎると明らかな歩留りの低下が見られた。
【0074】
適正なDZ深さはデバイスにより異なるが、本発明を用いれば中温熱処理条件(時間、温度)だけでなく、低温熱処理条件(時間、温度)を変えてもDZ幅を変える事ができる。
【0075】
また、トレンチ型デバイスの例を示したが、同様の効果はスタック型デバイス、あるいはプロセッサ等のトレンチ型以外のデバイスでも得られる。
【0076】
なお、本発明の第1の熱処理、及び第2の熱処理はデバイス製造工程でも行っても良い。この場合、第1の熱処理、第2の熱処理いずれも一つの熱工程としてもよいし、所定のBMD密度、DZ深さとなるように複数の熱工程を組み合わせても良い。また、DZ形成を直接の目的としないCVD工程、あるいは酸化工程等の熱処理をDZ形成に流用してもよい。第5の実施例でも述べたようにDZ形成には熱処理の温度と時間が影響し雰囲気、被膜の影響はないため、CVD工程でもDZ形成用熱工程として使用出来る。
【0077】
さらに第1のシリコン単結晶層の形成にはCZ法の変形法、例えばMCZ(磁界印加CZ)法、CCZ(連続CZ)法、DLCZ(2層CZ)法を用いることができる。MCZ法においては、どのような磁界方向、形状でも採用される。
【0078】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかる半導体基板の製造方法によれば、第1の濃度のボロンを含有する領域を有するシリコン単結晶に対し、酸素析出核を析出させ、あるいは該酸素析出核から酸素析出物を成長させる第1の熱処理工程と、この第1の熱処理工程における温度よりも高く、前記酸素析出核あるいは該析出核が成長した酸素析出物が縮小するのに十分高く、ボロン再分布が素子特性に影響を与えない程度に十分低い範囲内の温度で加熱処理を行い、前記一主面側の所定領域内に無欠陥層を所定深さで形成する第2の熱処理工程とを備えているので、p+ ウェーハを用いて半導体装置を製造する場合に、高温熱処理過程を回避しつつデバイス特性への悪影響を防止するに十分な深さの無欠陥層(DZ)を有する半導体基板を製造することができる。
【0079】
この方法は第2のシリコン単結晶層の形成工程を備えたp on p+ エピウェーハにも適用でき、同様に高温熱処理過程を回避しつつデバイス特性への悪影響を防止するに十分な深さの無欠陥層(DZ)を有する半導体基板を製造することができる。
【0080】
また、本発明にかかる半導体基板の検査方法によれば、第2の熱処理工程後に、前記シリコン単結晶中に析出した酸素析出核のうち酸素析出物に成長したものの密度を測定する測定工程とを備えているので、第2の熱処理工程の時間を正確に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体基板の製造方法による製造過程を模式的に表した説明図である。
【図2】(a)は本発明に係る半導体基板の製造方法により製造したDRAMの断面図、(b)は従来の製造方法により製造したDRAMの断面図である。
【図3】本発明及び従来の半導体基板のDZ深さを赤外散乱法と透過電子顕微鏡とを用いて測定した結果を示すグラフである。
【図4】本発明及び従来の半導体基板にトレンチキャパシタを形成し、その酸化膜耐圧を評価した結果を示すグラフである。
【図5】本発明に係る半導体基板を用いて製造したDRAMの歩留りのDZ深さ依存性を示すグラフである。
【図6】2段階熱処理を施した場合における半導体基板中のBMD密度の低温熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図7】2段階熱処理を施した場合において、低温熱処理時間を一定にした場合における中温熱処理時間とBMD密度との関係を示すグラフである。
【図8】2段階熱処理を施した場合において、低温熱処理時間を一定にした場合における中温熱処理時間とDZ深さとの関係をそれぞれ示すグラフである。
【図9】2段階熱処理を施した場合において、中温熱処理時間を一定にした場合における低温熱処理時間とBMD密度との関係を示すグラフである。
【図10】2段階熱処理を施した場合において、中温熱処理時間を一定にした場合における低温熱処理時間とDZ深さとの関係を示すグラフである。
【図11】DZ深さのボロン濃度依存性を示すグラフである。
【図12】DZ深さの低温熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図13】DZ深さの低温熱処理温度依存性を示すグラフである。
【図14】BMD密度のボロン濃度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 P+ ウェーハ
2 酸素析出核
3 酸素析出物(BMD)
4 無欠陥層(DZ)
9 高濃度ボロン含有シリコン単結晶
10 単結晶シリコン層
11 トレンチキャパシタ
12 DZ
13 BMD
14 素子形成領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate and a method for inspecting a semiconductor substrate, and is particularly suitable for a semiconductor substrate used for a memory device or a logic device having a MOS structure.
[0002]
[Prior art]
A CZ silicon substrate cut out from single crystal silicon manufactured by a Czochralski method (CZ (Czochralski) method) is mainly used as a silicon wafer that is a substrate of a semiconductor device. A substrate (epitaxial wafer) in which a single crystal Si layer (epitaxial layer) is formed on a CZ silicon substrate by vapor phase epitaxial growth is also widely used.
[0003]
It is known that when a MOS capacitor is formed on a silicon substrate and the gate oxide film breakdown voltage is evaluated, oxygen precipitates (BMD: Bulk Micro Defect) in which oxygen contained in the CZ silicon substrate precipitates become a characteristic deterioration factor. However, in the epitaxial layer of the epitaxial wafer, oxygen is not mixed from the gas phase during the epitaxial growth and contains only interstitial oxygen diffused from the CZ silicon substrate during the epitaxial growth process. Is very low, and the gate oxide film has almost no defective breakdown voltage.
[0004]
In the case of an epitaxial wafer, it is possible to form an epitaxial layer having a conductivity type different from that of the substrate, and there are many advantages such as easy latch-up in circuit design. In particular, p+P on mold substrate-P on p with mold layer+Structure wafers have improved soft error resistance, p+It has advantages such as gettering action of metal impurities by boron in the mold region, and is an ideal substrate in a highly integrated semiconductor device. Further, when a trench capacitor formed in a substrate is used as a memory cell of a DRAM device, it is necessary to hold a charge amount of a certain level or more in the capacitor.+By using the mold substrate, it is possible to suppress the expansion of the depletion layer around the trench capacitor, and it is easy to secure the charge capacity.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
p on p+Wafer or n on p+The wafer is suitable as a substrate for highly integrated devices due to its structure, but the conductivity type is p.+There are problems due to the type. As the boron concentration in the silicon substrate increases (especially 10%).18atoms / cmThreeAs described above, it is already known that precipitation of interstitial oxygen tends to increase rapidly.
[0006]
FIG. 14 is a graph showing the boron concentration dependency of the BMD density after heat treatment of a silicon wafer at a temperature of 600 ° C. for 3 hours and at a temperature of 1000 ° C. for 16 hours. BMD density is about 10 boron concentration18atoms / cmThreeIt turns out that it becomes high rapidly at the border.
[0007]
In the case of the DRAM having the trench capacitor structure described above, p+Since the trench capacitor is formed in the mold region, it is expected that the BMD existing at a high density adversely affects device characteristics such as deterioration of the oxide film breakdown voltage of the trench capacitor.
[0008]
Further, even in a device having no trench structure, when the PN junction is applied to the BMD generation substrate portion, PN junction deterioration such as an increase in leakage current occurs. In a device that does not use a trench structure, since the element active layer depth is relatively shallow, for example, p on p+With an epi wafer with a structure, it is possible to prevent deep PN junctions from being applied to the substrate by increasing the thickness of the epi layer. However, as device miniaturization advances, high flatness of the wafer is required, and when the epi thickness increases, the epi thickness becomes uneven. The flatness deteriorates due to the property, and there is a limit to increasing the epi thickness.
[0009]
Here, the prior art and its technical knowledge for solving this problem will be described.
The CZ method is a method in which single crystal growth is performed using silicon dissolved in a quartz crucible as a raw material and single crystal silicon as a seed crystal. In the silicon solution, oxygen is mixed from the crucible and atmosphere, and is taken into the single crystal silicon in the process of solidifying. Therefore, oxygen exceeding the solid solubility limit exists in the single crystal silicon cooled to room temperature. Oxygen dissolved in single crystal silicon exists between silicon lattices. By heating this single crystal silicon at a relatively low temperature of about 800 ° C. or less, oxygen existing above the solid solubility limit precipitates in the silicon crystal, and forms an oxygen precipitation nucleus composed of silicon and oxygen. The deposition rate depends on the degree of supersaturation and the diffusion rate of oxygen, and the degree of supersaturation increases as the temperature decreases, and the diffusion rate of oxygen increases as the temperature increases. The heat treatment is most likely to form precipitation nuclei. The size of the precipitation nuclei is very small and is predicted to be 1 nm or less. The oxygen precipitation nuclei are subjected to heat treatment (medium temperature heat treatment) in a temperature range of about 1000 ° C., so that oxygen around the precipitation nuclei gathers to increase in size and become oxygen precipitates (BMD). The oxygen precipitate (BMD) thus grown can be easily observed by an electron microscope, an infrared scattering method, a selective etching method, or the like.
[0010]
In addition, it is known that whether oxygen precipitate nuclei grow or shrink during low temperature heat treatment and medium temperature heat treatment depends on the size of the precipitated oxygen precipitate nuclei and the oxygen concentration in the semiconductor substrate. When the size of the oxygen precipitation nuclei is a certain value or more, the oxygen precipitation nuclei grow by heat treatment, but when the size of the oxygen precipitation nuclei is less than a certain value, the oxygen precipitation nuclei are reduced by the heat treatment. The critical size for growth / reduction of oxygen precipitation nuclei is larger as the oxygen concentration in the semiconductor substrate is lower.
[0011]
The oxygen precipitate density increases as the interstitial oxygen concentration increases, and the longer the low-temperature heat treatment time and the subsequent medium-temperature heat treatment time, the higher the density of oxygen precipitates. In order to form a defective layer (DZ), it is necessary to reduce the interstitial oxygen concentration of the surface layer.
[0012]
In order to form DZ in the element formation region, a method is generally used in which the interstitial oxygen is outwardly diffused to reduce the oxygen concentration in the silicon surface layer by annealing the wafer at a high temperature in a non-oxidizing atmosphere. . The higher the temperature, the more efficiently the outward diffusion of oxygen, and a temperature of about 1200 ° C. is used.
[0013]
However, high-temperature heat treatment exceeding about 1100 ° C. requires a high level of technology and increases capital investment, resulting in a problem that the cost of the finally obtained semiconductor product is high. P on p+When epitaxial wafers were subjected to high temperature heat treatment, there was a problem of influence on device characteristics due to boron redistribution.
[0014]
The present invention has been made to solve the above problems, and p.+Wafer or p on p+Method of manufacturing a semiconductor substrate capable of forming a defect-free layer (DZ) having a depth sufficient to prevent adverse effects on device characteristics when a semiconductor device is manufactured using an epi-wafer while avoiding a high-temperature heat treatment process And an appropriate inspection method for the density of oxygen precipitates (BMD) in the semiconductor substrate.
[0015]
  According to the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention, the boron concentration is 1018atoms / cmThreeThat's itSilicon on a silicon single crystal plateA silicon single crystal layer forming step of forming a single crystal layer;In a laminate comprising the silicon single crystal plate and the silicon single crystal layerIn the temperature range of 450-750 ° CMore than 3 hoursA first heat treatment step for performing heat treatment, and a second heat treatment step for performing heat treatment in a temperature region of 900 to 1100 ° C. after the first heat treatment step,The oxygen diffusion depth from the surface of the silicon single crystal plate by the first and second heat treatment steps and all the heat treatment steps in the semiconductor device manufacturing step using the completed semiconductor substrate prevents adverse effects on device characteristics. There is provided a method of manufacturing a semiconductor substrate, characterized in that the time of the second heat treatment step is set so that a defect-free layer depth from the surface of the silicon single crystal plate sufficient to do so can be secured. .
[0016]
In this way, p+When a semiconductor device is manufactured using a wafer, it is possible to provide a semiconductor substrate having a defect-free layer (DZ) having a depth sufficient to prevent adverse effects on device characteristics.
[0022]
Even in this embodiment, a semiconductor substrate (p on p) having a defect-free layer (DZ) deep enough to prevent adverse effects on device characteristics.+Epi wafers) can be provided.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0033]
The present invention provides p+Wafer or p on p+When a device is manufactured using an epi-wafer, the formation of BMD on the wafer surface layer that may adversely affect the device characteristics is prevented. Specifically, a P-type wafer containing high density and containing boron is subjected to a heat treatment in a temperature range of approximately 450 to 750 ° C. for a predetermined time, so that a medium temperature heat treatment (approximately 900 to 1100 ° C.) is performed for a necessary and sufficient time. ), Oxygen precipitates (BMD) are formed in the electrically inactive bulk region where no element is formed, while a sufficient defect-free layer (DZ) is formed in the surface layer where the element is formed. It is a thing.
[0034]
The present invention has been made based on new knowledge obtained from experimental results and the like described below, in addition to the technical knowledge in the prior art described above.
[0035]
p-Wafer (resistivity 5 Ωcm, boron concentration 2.7 × 1015cm-3) And p + wafer (resistivity 0.008 Ωcm, boron concentration 2 × 10)19cm-3) And a semiconductor substrate on which single crystal silicon is epitaxially grown to a thickness of 3 μm, respectively, and the following experiment was conducted using the low temperature heat treatment temperature for forming oxygen precipitation nuclei as a parameter. All base wafers have an interstitial oxygen concentration of 1.0 × 1018atoms / cmThreeThis is a CZ substrate. In a two-step heat treatment (low temperature + medium temperature (about 1000 ° C.)), the low-temperature heat treatment temperature is about 400 to 800 ° C., and the cross section of the semiconductor substrate after the two-step heat treatment is etched including HF: 100CC, CrO2: 50 g, H2O: 100CC The BMD was selectively etched by etching with a solution using a Zirtl etching method to obtain the BMD density.
[0036]
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the BMD density in the semiconductor substrate on the low-temperature heat treatment temperature. As shown in FIG.+It can be seen that a wafer using a wafer as a substrate has a very high BMD density in a temperature range of about 450 to 750 ° C., and particularly has a maximum value at about 600 ° C.
[0037]
Then p-Wafer (resistivity 5 Ωcm, boron concentration 2.7 × 1015cm-3) And p+Wafer (resistivity 0.008Ωcm, boron concentration 2 × 1019cm-3) Was used to conduct the following experiment.
[0038]
In a two-step heat treatment (low temperature (about 600 ° C.) + Medium temperature (about 1000 ° C.)), when the low temperature heat treatment time is constant, the relationship between the medium temperature heat treatment time and the BMD density with the medium temperature heat treatment time as a parameter, The relationship between the heat treatment time and the DZ depth was determined. In addition, in a two-stage heat treatment (low temperature (about 600 ° C.) + Medium temperature (about 1000 ° C.)), when the intermediate temperature heat treatment time is constant, the relationship between the low temperature heat treatment time and the BMD density with the low temperature heat treatment time as a parameter, The relationship between the low temperature heat treatment time and the DZ depth was determined. Interstitial oxygen concentration is 1.0 × 1018atoms / cmThreeThis is a CZ substrate.
[0039]
7 and 8 show the relationship between the intermediate temperature heat treatment time and the BMD density when the low temperature heat treatment time is constant in the two-step heat treatment (low temperature (about 600 ° C.) + Medium temperature (about 1000 ° C.)). (1000 ° C. annealing time dependency), medium temperature heat treatment time and relationship between DZ depth (DZ depth dependency on 1000 ° C. annealing time). 9 and 10 show the relationship between the low temperature heat treatment time and the BMD density when the intermediate temperature heat treatment time is constant in the two-step heat treatment (low temperature (about 600 ° C.) + Medium temperature (about 1000 ° C.)) (BMD FIG. 5 is a graph showing the relationship between density (600 ° C. annealing time dependency) and low temperature heat treatment time and DZ depth (DZ depth dependency on 600 ° C. annealing time). For the measurement of the BMD density and the DZ depth, a method was used in which infrared light was incident from the wafer surface and the scattered light was evaluated.
[0040]
From this result, the following can be said. p-On the wafer, DZ is not formed under any conditions, whereas p+In the wafer, the DZ depth is increased by increasing the medium temperature heat treatment time, and the DZ depth is increased by increasing the low temperature heat treatment time.
[0041]
Further, graphs showing the dependency of the DZ depth on the boron concentration, the dependency of the DZ depth on the low temperature heat treatment, and the dependency on the medium temperature heat treatment of the DZ depth, which are known from the experimental results and the like, are shown. 11 is a graph showing the boron concentration dependency of the DZ depth, FIG. 12 is a graph showing the low temperature heat treatment temperature dependency of the DZ depth, and FIG. 13 is a graph showing the medium temperature heat treatment temperature dependency of the DZ depth. It is.
[0042]
From FIG. 11, the boron concentration of the semiconductor substrate is about 1 × 10.18cm-3As a result, the formed DZ depth increases rapidly, and the boron concentration is about 1 × 1019cm-3It can be seen that the DZ depth is stable at a high level of 12 to 13 μm before and after. From FIG. 12, it can be seen that a sufficient DZ depth is obtained when the low-temperature heat treatment temperature is about 450 to 750 ° C. From FIG. 13, it can be seen that the DZ depth formed suddenly increases with the intermediate temperature heat treatment temperature of about 850 ° C., and a sufficient DZ depth is obtained at about 900 ° C. or more. Also from FIGS. 12 and 13, p-It can be seen that DZ is not formed on the wafer under any conditions.
[0043]
The above phenomenon is interpreted as follows. 10 boron18cm-3Since the silicon wafer contained in a high concentration as described above has a very high oxygen precipitation nucleus formation rate, oxygen precipitation nuclei are generated at a high density. This is as shown in FIG.
[0044]
Further, as shown in FIG. 8, the longer the intermediate temperature heat treatment time, the greater the DZ depth. Therefore, not only the oxygen precipitation nuclei on the surface layer but also the oxygen precipitates grown from the oxygen precipitation nuclei may disappear by the intermediate temperature heat treatment. I understand.
[0045]
Conventionally, it has been said that high-temperature heat treatment at about 1200 ° C. is necessary for the disappearance of the grown oxygen precipitates. However, in the present invention, the BMD density is very high and the size of each BMD is small, so 900 ° C. to 1100 ° C. Even in the middle temperature heat treatment, oxygen precipitates are reduced and eliminated.
[0046]
That is, in a silicon single crystal containing boron at a high density, oxygen precipitation nuclei are generated at a high density by low-temperature heat treatment, but a DZ region is easily formed in the vicinity of the surface by subsequent medium-temperature heat treatment at about 1000 ° C. It is possible.
[0047]
From the experimental results and new technical knowledge described above, the conditions of the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention were derived. The first condition is that the boron concentration contained in the semiconductor substrate is about 10%.18cm-3That is all. This is a concentration at which oxygen precipitation nuclei are formed at a sufficiently high density. The second condition is that the low-temperature heat treatment temperature is about 450 to 750 ° C. This is a temperature at which oxygen precipitation nuclei having a necessary and sufficient concentration and an appropriate size are formed. The third condition is that the low-temperature heat treatment time is about 3 hours or more. The fourth condition is that the intermediate temperature heat treatment temperature is approximately 900 to 1100 ° C. This is a temperature at which DMD is formed in the device formation region by growing BMD in the device non-formation region. The fifth condition is that the intermediate temperature heat treatment time is about 6 hours or more. However, each of the above conditions is defined by the condition that a sufficient DZ depth is obtained as a result.
[0048]
The method for introducing high-concentration boron into a semiconductor substrate is p.+The wafers are not limited to those fabricated using a single-type silicon crystal, but can be formed by a method such as ion implantation or solid phase diffusion.+A wafer in which a mold region is formed may be used.
[0049]
P+Regardless of whether the single crystal silicon layer is epitaxially grown on the wafer before or after the low temperature heat treatment or the intermediate temperature heat treatment, the semiconductor substrate manufacturing method according to the present invention allows p+From experimental results and the like, it was found that DZ having a sufficient depth can be formed in the element formation region of the wafer. P+The single crystal silicon layer formed on the wafer may be p-type or n-type.
[0050]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a manufacturing process by a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.
Containing boron concentration of about 1018cm-3P above+A wafer 1 is prepared (FIG. 1A). This p+The wafer 1 is subjected to low-temperature heat treatment in a temperature range of about 450 to 750 ° C. for about 3 hours or more to form oxygen precipitation nuclei 2 having a necessary and sufficient concentration and size (FIG. 1B). Furthermore, when intermediate temperature heat treatment in the temperature range of about 900 to 1100 ° C. is performed for about 6 hours or more, oxygen precipitates (BMD) 3 are formed in an electrically inactive bulk region where no element is formed. A defect-free layer (DZ) 4 having a sufficient depth is formed on the surface layer on which (1) is formed.
[0051]
Hereinafter, manufacturing conditions of the wafer according to each example manufactured according to the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention will be described.
[0052]
The wafer according to the first example was manufactured as follows.
Boron 1 × 1019~ 2x1019atoms / cmThree, Oxygen 8 × 1017atoms / cmThreeOn a silicon wafer with a diameter of 200 mm, a thickness of 2.5 μm and a boron concentration of 2 × 1015atoms / cmThreeA silicon single crystal layer of trichlorosilane (SiHClThree) As a source gas and epitaxial growth is performed at 1150 ° C. This wafer is held in a dry oxygen atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 6 hours using a vertical resistance heating furnace. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0053]
The wafer according to the second example was manufactured as follows.
A silicon wafer having an epitaxial layer manufactured by the same method as in the first embodiment is held in a dry oxygen atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 6 hours in a vertical resistance heating furnace, and then up to 1000 ° C. at 5 ° C./min. The temperature is raised and held for 10 hours. Thereafter, the temperature is lowered to 800 ° C. at −10 ° C./min, and the wafer is taken out of the furnace. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0054]
The wafer according to the third example was manufactured as follows.
Boron 1 × 1019~ 2x1019atoms / cmThreeThe single crystal ingot containing in the range is held in a resistance heating furnace at a temperature of 700 ° C. for 10 hours. Thereafter, a wafer is cut out from the ingot to form an epitaxial layer having a thickness of 3 μm. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0055]
The wafer according to the fourth example was manufactured as follows.
Boron 1 × 1019~ 2x1019atoms / cmThree, Oxygen 8 × 1017atoms / cmThreeThe contained silicon wafer with a diameter of 200 mm is held in a dry oxygen atmosphere at a temperature of 600 ° C. for 6 hours in a vertical resistance heating furnace. Then, thickness 3μm, boron concentration 2 × 1015atoms / cmThreeA silicon single crystal layer of trichlorosilane (SiHClThree) As a source gas and epitaxial growth is performed at 1150 ° C. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0056]
The wafer according to the fifth example was manufactured as follows.
Boron 1 × 1019atoms / cmThree, Oxygen 1.0 × 1018atoms / cmThreePolycrystalline silicon is grown on the contained silicon wafer to a thickness of 2 μm by low pressure CVD. The temperature is about 620 ° C., and the source gas is silane (SiHFour). Only one surface of the wafer is subjected to chemical mechanical polishing to remove a portion of the polycrystalline silicon layer and the underlying single crystal silicon layer to form a mirror surface. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0057]
The wafer according to the sixth example was manufactured as follows.
Boron 2 × 1019atoms / cmThree, Oxygen 7 × 1017atoms / cmThreeThickness 3μm, boron concentration 2 × 10 on silicon wafer15atoms / cmThreeThe silicon layer is epitaxially grown in the gas phase. The wafer is held in a normal resistance heating furnace at a temperature of 600 ° C. for 6 hours in a dry oxygen atmosphere, then heated to 1000 ° C. at 5 ° C./min and held for 10 hours. Thereafter, the temperature is lowered to 800 ° C. at −10 ° C./min, and the wafer is taken out of the furnace. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0058]
The wafer according to the seventh example was manufactured as follows.
Boron 1.5 × 1019atoms / cmThreeOn the silicon wafer to be contained, the thickness is 2.5 μm and the boron concentration is 2.5 × 10.16atoms / cmThreeIn the process of manufacturing a DRAM having a trench capacitor on a wafer obtained by epitaxially growing a silicon single crystal layer containing the trench, the trench is opened by RIE (Reactive Ion Etching) method, and then polycrystalline silicon is formed in the trench by LP-CVD method. Embed. The processing temperature in this step is 625 ° C., and the processing time is 3 hours. After this step, it is kept in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for 16 hours.
[0059]
The wafer according to the eighth example was manufactured as follows.
Boron 1 × 1019atoms / cmThreeOn the silicon wafer to be contained, the thickness is 2.5 μm and the phosphorus concentration is 1 × 1015atoms / cmThreeThe silicon single crystal layer is formed in the vapor phase by the epitaxial growth method. The wafer is held in a normal resistance heating furnace at a temperature of 600 ° C. for 6 hours in a dry oxygen atmosphere, then heated to 1000 ° C. at 5 ° C./min and held for 10 hours. Thereafter, the temperature is lowered to 800 ° C. at −10 ° C./min, and the wafer is taken out of the furnace. This wafer is used as a substrate for device manufacture.
[0060]
In each of the above embodiments, as described above, the temperature region of the low-temperature heat treatment needs to be about 450 to 750 ° C. in order to form BMD with a high density as shown in FIG. Further, the low temperature heat treatment time is desirably 3 hours or more in order to obtain a sufficient DZ depth as shown in FIG.
[0061]
In addition, the same effect is acquired even if it uses nitrogen, hydrogen, argon, or these mixed gas other than oxygen for the atmosphere of the heat processing at about 450-750 degreeC in the above each Example. In other words, the type of gas used as the atmosphere during the low-temperature heat treatment is not particularly limited as long as the temperature condition meets the conditions of the present invention. Even in the step of depositing the polycrystalline silicon layer as in the fifth embodiment, the same effect can be obtained as long as the temperature and time conditions are satisfied regardless of the type of the source gas.
[0062]
The boron concentration produced in each of the above examples was 1016-10twenty oneatoms / cmThreeIn order to implement a semiconductor substrate inspection method for predicting the BMD density and the DZ depth when a semiconductor device is manufactured using a silicon single crystal substrate included in the region After performing low temperature heat treatment in the temperature range of about 450 to 750 ° C. for forming oxygen precipitate nuclei and medium temperature heat treatment in the temperature range of about 900 to 1100 ° C. which combines oxygen precipitate nucleation growth and DZ formation, It is necessary to measure the density of the precipitate. At this time, as described above, since the DZ depth is determined by the oxygen depth distribution by oxygen diffusion and the intermediate temperature heat treatment, the heat treatment at about 900 ° C. or more is involved in the DZ formation. Therefore, in order to predict the DZ depth formed in the semiconductor device manufacturing process more accurately, it is necessary to accurately simulate the thermal history in the semiconductor device manufacturing process.
[0063]
Specifically, the oxygen diffusion depth by all the heat treatment steps in the first and second heat treatment steps and the semiconductor device manufacturing step using the completed semiconductor substrate ensures the required defect-free layer depth. What is necessary is just to set intermediate temperature heat processing time so that it may become possible. The diffusion depth L when heat treatment is performed at times t1, t2,..., Tn at temperatures T1, T2,..., Tn is the diffusion coefficient of oxygen in silicon at the respective temperatures, D1, D2,. When Dn, L = (D1 t1 + D2 t2... + Dn tn) 1/2.
[0065]
As apparent from each of the examples and experimental results described above, p on p is obtained by the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.+Structure or n on p+In a silicon wafer having a structure, a region where an element is formed can be a defect-free layer. One example of a semiconductor device using the semiconductor substrate was produced as follows.
[0066]
Boron 2 × 1019atoms / cmThree, Oxygen 7 × 1017atoms / cmThreeOn the silicon wafer to be contained, the thickness is 2.5 μm and the boron concentration is 2 × 10.15atoms / cmThreeThe silicon layer is epitaxially grown in the gas phase. The wafer is held in a normal resistance heating furnace at a temperature of 600 ° C. for 6 hours in a dry oxygen atmosphere, then heated to 1000 ° C. at 5 ° C./min and held for 10 hours. The temperature is lowered to 800 ° C. at −10 ° C./min, and the wafer is taken out of the furnace. This wafer is used as a substrate for manufacturing a DRAM having a trench capacitor having a depth of 7.5 μm.
[0067]
2A is a cross-sectional view of a DRAM manufactured by the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a DRAM manufactured by a conventional manufacturing method. In both cases, the semiconductor substrate is p+The single crystal silicon layer 10 is epitaxially grown on the wafer 9, but as described above, the boron concentration, oxygen concentration, heat treatment process, and the like are different.
[0068]
FIG. 2A shows a cross-sectional structure of a DRAM having a trench capacitor 11 having a depth of 7.5 μm in a semiconductor substrate, in which the BMD 13 does not exist and the DZ 12 is formed in the element formation region. On the other hand, in FIG. 2B, the BMD 13 is also formed in the element formation region 14 which is a portion corresponding to the DZ 12 of the DRAM manufactured by the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention. The BMD density outside the element formation region with a depth of 10 μm or more is different between the present invention and the conventional substrate, respectively.
5 × 10Tencm-33 × 10Tencm-3There is almost no difference.
[0069]
FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the DZ depth of the present invention and the conventional wafer using an infrared scattering method and a transmission electron microscope. Most of the semiconductor substrates manufactured by the conventional manufacturing method have a DZ depth of 10 μm or less, whereas the semiconductor substrate according to the present invention has a DZ depth of 10 μm or more, and is a region where a device is formed. It is clear that a sufficient defect-free layer is formed.
[0070]
The DZ widths after forming the DRAM using the wafers according to the first to seventh embodiments were 12 μm, 12 μm, 13 μm, 11 μm, 12 μm, 13 μm, and 13 μm, respectively.
[0071]
FIG. 4 is a graph showing the results of evaluating the oxide film breakdown voltage of a trench capacitor having a width of 0.6 μm and a depth of 7 μm formed on the present invention and a conventional silicon wafer. The gate oxide film was a thermal oxide film having a thickness of 10 nm, and the one having a breakdown electric field of 8 MV / cm or more was regarded as acceptable. As shown in FIG. 4, it can be seen that the oxide film breakdown voltage is greatly improved by the present invention.
[0072]
As described above, a semiconductor device manufactured using a semiconductor substrate manufactured by the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention can make an element formation region a defect-free layer in a wide range of BMD density.
[0073]
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the yield on the DZ depth when a 64M DRAM is manufactured using these substrates by evaluating the DZ depth by the semiconductor substrate inspection method according to the present invention. When the DZ depth was too narrow, a clear decrease in yield was observed.
[0074]
The appropriate DZ depth varies depending on the device, but if the present invention is used, the DZ width can be changed not only by changing the intermediate temperature heat treatment conditions (time and temperature) but also by changing the low temperature heat treatment conditions (time and temperature).
[0075]
Moreover, although the example of the trench type device has been shown, the same effect can be obtained with a stack type device or a device other than the trench type such as a processor.
[0076]
Note that the first heat treatment and the second heat treatment of the present invention may be performed in the device manufacturing process. In this case, both the first heat treatment and the second heat treatment may be performed as one heat process, or a plurality of heat processes may be combined so as to obtain a predetermined BMD density and DZ depth. In addition, a heat treatment such as a CVD process or an oxidation process that does not directly aim at the DZ formation may be used for the DZ formation. As described in the fifth embodiment, since the temperature and time of the heat treatment are affected by the DZ formation and there is no influence of the atmosphere and the film, it can be used as a thermal process for forming the DZ even in the CVD process.
[0077]
Further, the first silicon single crystal layer can be formed by a modification of the CZ method, for example, the MCZ (magnetic field application CZ) method, the CCZ (continuous CZ) method, or the DLCZ (two-layer CZ) method. In the MCZ method, any magnetic field direction and shape are adopted.
[0078]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention, oxygen precipitation nuclei are deposited on the silicon single crystal having the region containing the first concentration of boron, or oxygen precipitation from the oxygen precipitation nuclei. A first heat treatment step for growing an object, and a temperature higher than the temperature in the first heat treatment step, which is sufficiently high to reduce the oxygen precipitate nuclei or the oxygen precipitates on which the precipitate nuclei have grown, and boron redistribution is an element A second heat treatment step of performing a heat treatment at a temperature within a sufficiently low range so as not to affect the characteristics, and forming a defect-free layer with a predetermined depth in a predetermined region on the one main surface side. So p+When manufacturing a semiconductor device using a wafer, it is possible to manufacture a semiconductor substrate having a defect-free layer (DZ) having a depth sufficient to prevent adverse effects on device characteristics while avoiding a high-temperature heat treatment process.
[0079]
This method includes a step of forming a second silicon single crystal layer by p on p+A semiconductor substrate having a defect-free layer (DZ) deep enough to prevent adverse effects on device characteristics while avoiding a high-temperature heat treatment process can also be manufactured.
[0080]
In addition, according to the method for inspecting a semiconductor substrate according to the present invention, after the second heat treatment step, the measurement step of measuring the density of the oxygen precipitation nuclei precipitated in the silicon single crystal and grown on the oxygen precipitates Thus, the time for the second heat treatment step can be set accurately.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a manufacturing process by a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention.
2A is a cross-sectional view of a DRAM manufactured by a method for manufacturing a semiconductor substrate according to the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view of a DRAM manufactured by a conventional manufacturing method.
FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the DZ depth of the present invention and a conventional semiconductor substrate using an infrared scattering method and a transmission electron microscope.
FIG. 4 is a graph showing a result of forming a trench capacitor in the semiconductor substrate of the present invention and a conventional semiconductor substrate and evaluating an oxide film breakdown voltage.
FIG. 5 is a graph showing DZ depth dependence of yield of a DRAM manufactured using a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the BMD density in a semiconductor substrate on the low-temperature heat treatment temperature when a two-step heat treatment is performed.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the intermediate temperature heat treatment time and the BMD density when the low temperature heat treatment time is made constant in the case of performing the two-step heat treatment.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the intermediate temperature heat treatment time and the DZ depth when the low temperature heat treatment time is made constant in the case of performing the two-step heat treatment.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the low temperature heat treatment time and the BMD density when the medium temperature heat treatment time is kept constant in the case of performing the two-step heat treatment.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the low temperature heat treatment time and the DZ depth when the intermediate temperature heat treatment time is kept constant in the case of performing the two-step heat treatment.
FIG. 11 is a graph showing the boron concentration dependence of DZ depth.
FIG. 12 is a graph showing the dependence of DZ depth on low-temperature heat treatment temperature.
FIG. 13 is a graph showing the dependence of DZ depth on low-temperature heat treatment temperature.
FIG. 14 is a graph showing the dependency of BMD density on boron concentration.
[Explanation of symbols]
1 P+Wafer
2 Oxygen precipitation nuclei
3 Oxygen precipitate (BMD)
4 Defect-free layer (DZ)
9 High concentration boron-containing silicon single crystal
10 Single crystal silicon layer
11 Trench capacitor
12 DZ
13 BMD
14 Element formation region

Claims (3)

ボロン濃度が1018atoms /cm3 以上であるシリコン単結晶板上に、シリコン単結晶層を形成するシリコン単結晶層形成工程と、
前記シリコン単結晶板及びシリコン単結晶層からなる積層体に、450〜750℃の温度領域で3時間以上の熱処理を行う第1の熱処理工程と、
前記第1の熱処理工程後に、900〜1100℃の温度領域で熱処理を行う第2の熱処理工程を備え、
前記第1及び第2の熱処理工程並びに完成後の半導体基板を用いた半導体装置製造工程中におけるすべての熱処理工程による前記シリコン単結晶板表面からの酸素拡散深さが、デバイス特性への悪影響を防止するのに十分な、前記シリコン単結晶板表面からの無欠陥層深さを確保できるように、前記第2の熱処理工程の時間を設定することを特徴とする半導体基板の製造方法。
A silicon single crystal layer forming step of forming a silicon single crystal layer on a silicon single crystal plate having a boron concentration of 10 18 atoms / cm 3 or more;
A first heat treatment step of performing a heat treatment for 3 hours or more in a temperature region of 450 to 750 ° C. on the laminate including the silicon single crystal plate and the silicon single crystal layer ;
After the first heat treatment step, a second heat treatment step of performing heat treatment in a temperature range of 900 to 1100 ° C.,
The oxygen diffusion depth from the surface of the silicon single crystal plate by the first and second heat treatment steps and all the heat treatment steps in the semiconductor device manufacturing step using the completed semiconductor substrate prevents adverse effects on device characteristics. A time for the second heat treatment step is set so that a defect-free layer depth from the surface of the silicon single crystal plate sufficient to do so can be secured .
請求項1に記載の半導体基板の製造方法において、前記シリコン単結晶板は、CZ(Czochralski)法あるいはその変形法により形成された単結晶シリコンから切り出された基板であり、前記シリコン単結晶層形成工程は、エピタキシャル成長法による形成工程であることを特徴とする半導体基板の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the silicon single crystal plate is a substrate cut out from single crystal silicon formed by a CZ (Czochralski) method or a modified method thereof, and the silicon single crystal layer formation A process is a formation process by an epitaxial growth method, The manufacturing method of the semiconductor substrate characterized by the above-mentioned. 第1の熱処理工程が450〜600℃の温度領域で、第2の熱処理工程が900〜1000℃の温度領域で行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the first heat treatment step is performed in a temperature region of 450 to 600 ° C., and the second heat treatment step is performed in a temperature region of 900 to 1000 ° C. 3.
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