DE112016005749T5 - Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers und Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers und Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Ein Halbleiterepitaxialwaferproduktionsverfahren ist bereitgestellt, das die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in einem Oberflächenteil eines Halbleiterwafers nach Bildung einer Epitaxieschicht erhöhen kann. Ein Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers umfasst Folgendes: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Cluster-Ionen, die Wasserstoff als ein Bestandteilelement enthalten, um eine Modifikationsschicht zu bilden, die aus einem Bestandteilelement der Cluster-Ionen, das Wasserstoff beinhaltet, in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers als eine Feststofflösung gebildet wird; einen zweiten Schritt des Bestrahlens des Halbleiterwafers mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger nach dem ersten Schritt, um den Halbleiterwafer zu erwärmen; und einen dritten Schritt des Bildens einer Epitaxieschicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers nach dem zweiten Schritt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers und ein Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung.
  • Hintergrund
  • Ein Halbleiterepitaxialwafer, der durch Bilden einer Epitaxieschicht auf einem Halbleiterwafer erhalten wird, wird als ein Bauelementsubstrat zum Produzieren verschiedener Halbleiterbauelemente, wie etwa eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), eines dynamischen Direktzugriffspeichers (DRAM: Dynamic Random Access Memory), eines Leistungstransistors und einer rückseitig beleuchteten Festkörperbildgebungsvorrichtung, verwendet.
  • Zum Beispiel kann eine rückseitig beleuchtete Festkörperbildgebungsvorrichtung Außenlicht direkt in einen Sensor aufnehmen, um ein schärferes Bild oder Video selbst in einem dunklen Platz und dergleichen zu erfassen, indem eine Verdrahtungsschicht und dergleichen unterhalb eines Sensorteils angeordnet werden. Deshalb wurden rückseitig beleuchtete Festkörperbildgebungsvorrichtungen in den letzten Jahren weithin in digitalen Videokameras und Mobiltelefonen, wie etwa Smartphones, verwendet.
  • Mit zunehmender Verbesserung und Leistungsfähigkeitsfortschritt von Halbleiterbauelementen in den letzten Jahren sollen Halbleiterepitaxialwafer, die als Bauelementsubstrate verwendet werden, eine höhere Qualität haben, um Bauelementeigenschaften zu verbessern. Zur weiteren Verbesserung von Bauelementeigenschaften wurden Kristallqualitätsverbesserungstechniken durch Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlung, Getter-Techniken zur Verhindern von Schwermetallverunreinigung während eines epitaktischen Wachstums usw. eingesetzt.
  • Zum Beispiel beschreibt JP 2013-197373 A (PTL 1) eine Technik zum Steuern von Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlungsbedingungen, wenn eine Sauerstoffpräzipitationswärmebehandlung an einem Siliziumsubstrat durchgeführt wird und dann eine Epitaxieschicht gebildet wird, um einen Epitaxialwafer zu produzieren. Mit der in PTL 1 beschriebenen Technik kann der Wert eines Leckstroms des Epitaxialwafers nach der Bildung der Epitaxieschicht auf 1,5E-10A oder weniger begrenzt werden.
  • Zudem haben wir die folgende Technik mit Bezug auf Gettern in WO 2012/157162 A1 (PTL 2) vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers umfasst Folgendes: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Cluster-Ionen, um eine Modifikationsschicht zu bilden, die aus einem Bestandteilelement der Cluster-Ionen gebildet werden, die als eine Feststofflösung in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers enthalten sind; und einen zweiten Schritt des Bildens einer Epitaxieschicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers.
  • Entgegenhaltungsliste
  • Patentliteratur
    • PTL 1: JP 2013-197373 A
    • PTL 2: WO 2012/157162 A1
  • Kurzdarstellung
  • (Technisches Problem)
  • Wie in PTL 1 und PTL 2 beschrieben, wurden verschiedene Versuche unternommen, die Qualität von Halbleiterepitaxialwafern zu verbessern. Währenddessen wurde die Kristallinität innerhalb der Epitaxieschicht des Halbleiterepitaxialwafers als ausreichend hoch betrachtet und bisher wurde keine Technik zum Verbessern der Kristallinität innerhalb der Epitaxieschicht vorgeschlagen. Durch die folgende Forschung und experimentellen Ergebnisse haben wir herausgefunden, dass eine Verbesserung von Bauelementeigenschaften (zum Beispiel eine Reduzierung von Weißpunktdefekten in dem Fall von Festkörperbildgebungsvorrichtungen) sehr wahrscheinlich erzielt werden kann, falls die Kristallinität innerhalb der Epitaxieschicht weiter erhöht werden kann.
  • Es ist bekannt, dass, selbst wenn Wasserstoff, das ein leichtes Element ist, in einen Halbleiterleiterwafer ionenimplantiert wird, Wasserstoff aufgrund der Wärmebehandlung während einer Bildung einer Epitaxieschicht diffundiert. Wenn das Wasserstoffkonzentrationsprofil eines Halbleiterepitaxialwafers, der durch Implantieren von Wasserstoffionen in einen Halbleiterwafer unter typischen Bedingungen und dann Bilden einer Epitaxieschicht auf der Oberfläche des Halbleiterwafers auf der Seite, wo ein Wasserstoffionenimplantationsgebiet gebildet wurde, erhalten wird, tatsächlich beobachtet wird, ist die beobachtete Wasserstoffkonzentration geringer als eine Detektionsgrenze durch Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS).
  • Andererseits hat unsere Forschung neu aufgezeigt, dass, falls eine Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Wasserstoff in der Form von Cluster-Ionen bestrahlt wird, um eine Modifikationsschicht zu bilden, die aus dem Bestandsteilelement der Cluster-Ionen gebildet wird, die als eine Feststofflösung in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers enthalten sind, die Verwendung von geeigneten Bestrahlungsbedingungen ermöglicht, dass Wasserstoff in der Modifikationsschicht lokalisiert ist, selbst nach einer Bildung einer Epitaxieschicht.
  • Wir beobachteten den Unterschied einer Kristallinität zwischen einer Epitaxieschicht eines Halbleiterepitaxialwafers mit in einer Modifikationsschicht lokalisiertem Wasserstoff und einer Epitaxieschicht eines Halbleiterepitaxialwafers, dessen Wasserstoffkonzentrationsspitze durch typische SIMS (z. B. Wasserstoffkonzentrationsdetektionsgrenze: 7,0 × 1016 Atome/cm3) nicht detektierbar ist, durch das Kathodenlumineszenz(CL)-Verfahren. Das CL-Verfahren ist ein Verfahren zum Messen von Kristalldefekten durch Bestrahlen einer Probe mit einem Elektronenstrahl, um Anregungslicht bei einem Übergang von nahe der Unterseite des Leitungsbandes zu nahe der Oberseite des Valenzbandes zu detektieren.
  • In dem erstgenannten Halbleiterepitaxialwafer wurde eine Spitze einer TO-Linien-Intensität (transversal optisch) in der Epitaxieschicht beobachtet. In dem letzteren Halbleiterepitaxialwafer wurde die Tendenz beobachtet, dass die TO-Linien-Intensität von der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterwafer und der Epitaxieschicht zu der Oberfläche der Epitaxieschicht hin in der Dickenrichtung allmählich abnimmt. Eine TO-Linie ist ein für ein Si-Element spezifisches Spektrum, das der Bandlücke von Si entspricht und das durch das CL-Verfahren beobachtet wird. Eine höhere TO-Linien-Intensität gibt eine höhere Kristallinität von Si an.
  • Wir haben dementsprechend gelernt, dass der erstgenannte Halbleiterepitaxialwafer eine bessere Kristallinität in der Epitaxieschicht als der letztere Halbleiterepitaxialwafer aufweist. Als Nächstes haben wir unter Annahme einer Bauelementbildung unter Verwendung eines Halbleiterepitaxialwafers die TO-Linien-Intensität in dem Fall des Anwendens einer Wärmebehandlung, die eine Bauelementbildung simuliert, auf den Halbleiterepitaxialwafer beobachtet. Wir haben folglich herausgefunden, dass die Epitaxieschicht, selbst nach der Wärmebehandlung, die die Bauelementbildung simuliert, des erstgenannten Halbleiterepitaxialwafers, obwohl die Spitze der TO-Linie beibehalten wird, näherungsweise das gleiche Niveau der TO-Linien-Intensität wie die Epitaxieschicht des letzteren Halbleiterepitaxialwafers in Gebieten außer der Spitze aufweist. Es wurde dementsprechend aufgezeigt, dass der Halbleiterepitaxialwafer mit in der Modifikationsschicht lokalisiertem Wasserstoff nach der Bildung der Epitaxieschicht im Vergleich zu dem Halbleiterepitaxialwafer, dessen Wasserstoffkonzentrationsspitze nicht detektierbar ist, eine hohe Gesamtkristallinität der Epitaxieschicht aufweist. Basierend auf der Tendenz von Änderungen der Wasserstoffkonzentration und der TO-Linien-Intensität zwischen vor und nach der Wärmebehandlung, die eine Bauelementbildung simuliert, kann bedacht werden, dass infolge des Durchführens der Wärmebehandlung, die den Bauelementbildungsschritt simuliert, Wasserstoff, der mit einer hohen Konzentration in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers vorhanden ist, Punktdefekte in der Epitaxieschicht passiviert, wodurch dementsprechend die Kristallinität der Epitaxieschicht verbessert wird.
  • Dies führte uns dazu, anzunehmen, dass in dem Halbleiterepitaxialwafer lokalisierter Wasserstoff Defekte in der Epitaxieschicht passiviert, wenn der Halbleiterepitaxialwafer dem Bauelementproduktionsschritt unterzogen wird, wobei die Bauelementqualität infolgedessen verbessert werden kann. Falls die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers erhöht werden kann, ist der Passivierungseffekt wahrscheinlich stärker.
  • Es könnte daher hilfreich sein, ein Halbleiterepitaxialwaferproduktionsverfahren bereitzustellen, das die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in einem Oberflächenteil eines Halbleiterwafers nach Bildung einer Epitaxieschicht erhöhen kann.
  • (Lösung des Problems)
  • Wir haben ausführliche Forschung betrieben, um das oben genannte Problem zu lösen. Da Wasserstoff ein leichtes Element ist, diffundiert Wasserstoff, wenn eine Bildung einer Epitaxieschicht auf der Modifikationsschicht durchgeführt wird, beträchtlich, weil die Bildung eine Hochtemperaturwärmebehandlung einschließt, wie zuvor erwähnt wurde. Entsprechend haben wir weitere Forschung betrieben und eine Idee konzipiert, dass der Halbleiterwafer nach dem Durchführen einer Cluster-Ionen-Bestrahlung und vor dem Bilden der Epitaxieschicht mit elektromagnetischen Wellen einer vorbestimmten Frequenz bestrahlt wird, um den Halbleiterwafer zu erwärmen, um die Diffusion von in der Modifikationsschicht lokalisiertem Wasserstoff zu steuern. Wir haben entdeckt, dass die Diffusion von Wasserstoff in den Oberflächenteil des Halbleiterwafers durch diese Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen unterdrückt werden kann, selbst nach der Epitaxieschichtbildung, und die Spitzenkonzentration von Wasserstoff infolgedessen im Vergleich zu dem Fall, wenn keine Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen durchgeführt wird, erheblich erhöht werden kann. Wir stellen dementsprechend das Folgende bereit.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst Folgendes: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Cluster-Ionen, die Wasserstoff als ein Bestandteilelement enthalten, um eine Modifikationsschicht zu bilden, die aus einem Bestandteilelement der Cluster-Ionen, das Wasserstoff beinhaltet, in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers als eine Feststofflösung gebildet wird; einen zweiten Schritt des Bestrahlens des Halbleiterwafers mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger nach dem ersten Schritt, um den Halbleiterwafer zu erwärmen; und einen dritten Schritt des Bildens einer Epitaxieschicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers nach dem zweiten Schritt.
  • Bevorzugt enthalten die Cluster-Ionen Kohlenstoff als ein Bestandteilelement.
  • Bevorzugt beträgt ein Strahlstromwert der Cluster-Ionen in dem ersten Schritt 50 µA oder mehr. Bevorzugt beträgt ein Strahlstromwert der Cluster-Ionen in dem ersten Schritt 5000 µA oder weniger.
  • Bevorzugt ist der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Festkörperbildgebungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf einer Epitaxieschicht eines Halbleiterepitaxialwafers, der durch eines der oben erwähnten Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers produziert wurde.
  • (Vorteilhafter Effekt)
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Halbleiterwafer mit elektromagnetischen Wellen einer vorbestimmten Frequenz bestrahlt, um den Halbleiterwafer zu erwärmen. Es kann dementsprechend ein Halbleiterepitaxialwaferproduktionsverfahren bereitgestellt werden, das die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in einem Oberflächenteil eines Halbleiterwafers nach Bildung einer Epitaxieschicht erhöhen kann.
  • Figurenliste
  • In den begleitenden Zeichnungen gilt:
    • 1 ist ein schematisches Schnittdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers 100 gemäß einer der offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 2A ist ein Diagramm, in dem eine TEM-Schnittfotografie eines Siliziumwafers nach einer Bestrahlung mit Cluster-Ionen und ein Graph, der das Konzentrationsprofil von sowohl Kohlenstoff, Wasserstoff als auch Sauerstoff in dem Teil veranschaulicht, der der TEM-Schnittfotografie entspricht, miteinander in dem Referenzexperimentalbeispiel 1 überlagert sind;
    • 2B ist ein Diagramm, in dem eine TEM-Schnittfotografie eines Siliziumwafers nach einer Mikrowellenerwärmung und ein Graph, der das Konzentrationsprofil von sowohl Kohlenstoff, Wasserstoff als auch Sauerstoff in dem Teil veranschaulicht, der der TEM-Schnittfotografie entspricht, miteinander in dem Referenzexperimentalbeispiel 1 überlagert sind;
    • 3A ist ein Graph, der das Konzentrationsprofil eines Siliziumepitaxialwafers gemäß Beispiel 1 veranschaulicht;
    • 3B ist ein Graph, der das Konzentrationsprofil eines Siliziumepitaxialwafers gemäß Vergleichsbeispiel 1 veranschaulicht; und
    • 4 ist ein Graph zum Vergleichen der Spitzenkonzentrationswerte des Siliziumepitaxialwafers gemäß Beispiel 1 und des Siliziumepitaxialwafers gemäß Vergleichsbeispiel 1.
  • Ausührliche Beschreibung
  • Eine der offenbarten Ausführungsformen ist unten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. In 1 sind die Dicken eines Halbleiterwafers 10, einer Modifikationsschicht 18 (18') und einer Epitaxieschicht 20 der Einfachheit halber übertrieben und weichen von einem tatsächlichen Dickenverhältnis ab.
  • (Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers)
  • Wie in 1 veranschaulicht, beinhaltet ein Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers 100 gemäß einer der offenbarten Ausführungsformen Folgendes: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 mit Cluster-Ionen 16, die Wasserstoff als ein Bestandteilelement enthalten, um die Modifikationsschicht 18 zu bilden, die aus einem Bestandteilelement der Cluster-Ionen 16, das Wasserstoff beinhaltet, in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers 10 als eine Feststofflösung gebildet wird (Schritt A und Schritt B in 1); einen zweiten Schritt des Bestrahlens des Halbleiterwafers 10 mit elektromagnetischen Wellen W einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger nach dem ersten Schritt, um den Halbleiterwafer 10 zu erwärmen (Schritt C und Schritt D in 1); und einen dritten Schritt des Bildens der Epitaxieschicht 20 auf der Modifikationsschicht 18' des Halbleiterwafers 10 nach dem zweiten Schritt (Schritt E in 1). Der Schritt E in 1 ist ein schematisches Schnittdiagramm des Halbleiterepitaxialwafers 100, der als Ergebnis dieses Herstellungsverfahrens erhalten wird. Die Epitaxieschicht 20 ist eine Bauelementschicht zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, wie etwa einer rückseitig beleuchteten Festkörperbildgebungsvorrichtung. Wir nehmen an, dass die Modifikationsschicht 18 als Ergebnis des zweiten Schrittes auf gewisse Weise verändert wird (später ausführlicher beschrieben). Um zwischen vor und nach der Veränderung zu unterscheiden, wird die Modifikationsschicht, die dem zweiten Schritt unterzogen wurde, als „Modifikationsschicht 18‘“ bezeichnet.
  • Der Halbleiterwafer 10 ist zum Beispiel ein Volumeneinkristallwafer, der aus Silizium oder einem Verbindungshalbleiter (GaAs, GaN, SiC) gefertigt ist und keine Epitaxieschicht auf einer Oberfläche aufweist. Falls eine rückseitig beleuchtete Festkörperbildgebungsvorrichtung hergestellt wird, wird typischerweise ein VolumeneinkristallSiliziumwafer verwendet. Als der Halbleiterwafer 10 kann ein EinkristallSiliziumingot, der durch das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) oder das Zonenschmelzverfahren (FZ-Verfahren) gewachsen ist und mit einer Drahtsäge oder dergleichen in Scheiben zerteilt wurde, verwendet werden. Um eine höhere Getter-Fähigkeit zu erzielen, können Kohlenstoff und/oder Stickstoff zu dem Halbleiterwafer 10 hinzugefügt werden. Zudem kann ein beliebiger Dotierungsstoff zu dem Halbleiterwafer 10 mit einer vorbestimmten Konzentration hinzugefügt werden, um ein n+-Typ- oder ein p+-Typ- oder ein n--Typ- oder p--Typ-Substrat zu erhalten.
  • Als der Halbleiterwafer 10 kann ein Epitaxialhalbleiterwafer, der durch Bilden einer epitaktischen Halbleiterschicht auf einer Oberfläche eines Volumenhalbleiterwafers gebildet wird, verwendet werden. Ein Beispiel ist ein Siliziumepitaxialwafer, der durch Bilden einer epitaktischen Siliziumschicht auf einer Oberfläche eines VolumeneinkristallSiliziumwafers erhalten wurde. Diese epitaktische Siliziumschicht kann unter typischen Bedingungen durch das CVD-Verfahren gebildet werden. Die Dicke der Epitaxieschicht liegt bevorzugt ein Bereich von 0,1 µm bis 20 µm und bevorzugter in einem Bereich von 0,2 µm bis 10 µm.
  • Einer der charakteristischen Schritte dieser Offenbarung ist der erste Schritt in Schritt A aus 1. In dieser Beschreibung beschreibt „Cluster-Ionen“ ein Produkt, das durch Anwenden einer positiven Ladung oder einer negativen Ladung auf ein Cluster erhalten wird, das ein Aggregat aus mehreren Atomen oder Molekülen ist, um das Cluster zu ionisieren. Ein Cluster ist ein Aggregat aus mehreren (typischerweise etwa 2 bis 2000) Atomen oder Molekülen, die miteinander kombiniert sind.
  • Falls ein Siliziumwafer, der ein Typ eines Halbleiterwafers ist, mit Cluster-Ionen bestrahlt wird, die beispielsweise aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, erreichen die Cluster-Ionen 16, wenn sie auf den Siliziumwafer angewandt werden, aufgrund der Energie sofort einen Hochtemperaturzustand von etwa 1350 °C bis 1400 °C, und das Silizium schmilzt. Danach wird das Silizium rasch abgekühlt, und Kohlenstoff und Wasserstoff bilden Feststofflösungen in dem Siliziumwafer nahe der Oberfläche. Dementsprechend bezeichnet die „Modifikationsschicht“ in dieser Beschreibung eine Schicht, in der Bestandteilelemente der angewandten Ionen Feststofflösungen bei Kristallzwischengitterstellen oder Substitutionsstellen in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers bilden. Das Konzentrationsprofil von Kohlenstoff in der Tiefenrichtung des Siliziumwafers gemäß der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) ist, obwohl es von der Beschleunigungsspannung und der Cluster-Größe der Cluster-Ionen abhängt, schärfer als im Fall von Monomerionen. Die Dicke des Gebiets (d. h. der Modifikationsschicht), in dem der angewandte Kohlenstoff lokalisiert ist, beträgt näherungsweise 500 nm oder weniger (z. B. etwa 50 nm bis 400 nm). Falls Bestandteilelemente der Cluster-Ionen 16 ein Element beinhalten, das zum Gettern beiträgt, fungiert die Modifikationsschicht 18 auch als eine Getter-Stelle. Dementsprechend wird die Modifikationsschicht 18, die aus dem Bestandteilelement (oder - elementen) der Cluster-Ionen 16, das Wasserstoff beinhaltet, als eine Feststofflösung gebildet wird, durch Bestrahlung mit den Cluster-Ionen 16 in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers 10 gebildet.
  • Nach dem ersten Schritt, das heißt, nach der Bildung der Modifikationsschicht 18, wird der zweite Schritt des Bestrahlens des Halbleiterwafers 10 mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger durchgeführt, um den Halbleiterwafer 10 zu erwärmen (Schritt C und Schritt D in 1).
  • Elektromagnetische Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger werden als „Mikrowellen“ in einem breiteren Sinn bezeichnet. Das Erwärmen des Halbleiterwafers 10 durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger wird als „Mikrowellenerwärmen“ oder „Mikrowellen-Annealing“ bezeichnet. In dieser Beschreibung wird das Erwärmen des Halbleiterwafers 10 durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger nachfolgend als „Mikrowellenerwärmen“ bezeichnet. Dieser Schritt kann unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Mikrowellenheizelements durchgeführt werden und die Bestandteilelemente der Cluster-Ionen 16, die in der Modifikationsschicht 18 lokalisiert sind, werden mittels Vibration durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen angeregt, sodass eine lokale Erwärmung durchgeführt wird, wodurch die Diffusion von Wasserstoff gesteuert wird. Die Modifikationsschicht 18 wird durch Cluster-Ionen-Bestrahlung beschädigt. In Abhängigkeit von den Bestrahlungsbedingungen gibt es eine Möglichkeit, dass ein amorphes Gebiet in der Modifikationsschicht gebildet wird. Eine Mikrowellenerwärmung kann den Schaden reparieren, der durch die Cluster-Ionen-Bestrahlung verursacht wurde, die Kristallinität wiederherstellen und kann somit eine Erholung von einer Verschlechterung der Oberflächenrauigkeit der Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 herbeiführen. Die Bedingungen einer Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen zum Durchführen einer Mikrowellenerwärmung sind nicht beschränkt, so lange die Diffusion von in der Modifikationsschicht 18 lokalisiertem Wasserstoff gesteuert werden kann. Zum Beispiel kann die Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen in einem Bereich durchgeführt werden, in dem die Temperatur des Halbleiterwafers 50 °C oder mehr und 1000 °C oder weniger beträgt. Die Frequenz der angewandten elektromagnetischen Wellen kann von dem Millimeterwellen- bis zu dem Infrarotgebiet reichen. Zum Beispiel kann die Frequenz der angewandten elektromagnetischen Wellen 300 MHz oder mehr und 300 GHz oder weniger betragen. Die Bestrahlungszeit der elektromagnetischen Wellen kann zum Beispiel 10 Sekunden oder mehr und 30 Minuten oder weniger betragen. Die Ausgabe der angewandten elektromagnetischen Wellen kann zum Beispiel 5 W oder mehr und 12 kW oder weniger betragen. Dieser Schritt ist einer der charakteristischen Schritte in dieser Offenbarung, wie der ersten Schritt. Durch diesen Schritt wird die Modifikationsschicht 18 zu der Modifikationsschicht 18'. Die technische Signifikanz des Durchführens dieser zwei Schritte wird später ausführlich beschrieben.
  • Nach dem zweiten Schritt wird der dritte Schritt des Bildens der Epitaxieschicht 20 auf der Modifikationsschicht 18' des Halbleiterwafers 10 durchgeführt (Schritt E in 1). Die Epitaxieschicht 20 ist zum Beispiel eine epitaktischen Siliziumschicht und kann unter typischen Bedingungen gebildet werden. In diesem Fall kann ein Quellengas, wie etwa Dichlorsilan oder Trichlorsilan, unter Verwendung von Wasserstoff als Trägergas in die Kammer eingeführt werden und durch das CVD-Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von näherungsweise 1000 °C bis 1200 °C, obwohl die Wachstumstemperatur in Abhängigkeit von dem verwendeten Quellengas abweicht, epitaktisch auf den Halbleiterwafer 10 aufgewachsen werden. Die Dicke der Epitaxieschicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 µm bis 15 µm. Falls die Dicke der Epitaxieschicht 20 weniger als 1 µm beträgt, gibt es eine Möglichkeit, dass eine nach außen gerichtete Dotierungsstoffkonzentration von dem Halbleiterwafer 10 eine Änderung des spezifischen Widerstands der Epitaxieschicht 20 verursacht. Falls die Dicke der Epitaxieschicht 20 mehr als 15 µm beträgt, besteht eine Möglichkeit, dass die Spektralempfindlichkeitscharakteristiken der Festkörperbildgebungsvorrichtung betroffen sind.
  • Die technische Signifikanz des Durchführens des ersten und zweiten Schrittes in dieser Offenbarung ist unten ausführlicher beschrieben.
  • Wasserstoffionen diffundieren, weil sie ein leichtes Element sind, aufgrund der Wärmebehandlung während der Bildung der Epitaxieschicht 20 oder dergleichen leicht nach außen und neigen dazu, nach der Bildung der Epitaxieschicht nicht in dem Halbleiterwafer zu bleiben. In Anbetracht dessen werden die Cluster-Ionen 16, die Wasserstoff als ein Bestandteilelement enthalten, angewandt, um die Modifikationsschicht 18 zu bilden, in der Wasserstoff lokalisiert ist. Wir haben experimentell erkannt, dass durch Anpassen der Cluster-Ionen-Bestrahlungsbedingungen bewirkt werden kann, dass Wasserstoff in dem Oberflächenteil (d. h. in der Modifikationsschicht) des Halbleiterwafers verbleibt, selbst nach der Bildung der Epitaxieschicht. Jedoch haben wir gleichzeitig erkannt, dass, wenn die Epitaxieschicht 20 nach der Cluster-Ionen-Bestrahlung gebildet wird, die Wasserstoffspitzenkonzentration des Konzentrationsprofils in der Tiefenrichtung (nachfolgend einfach als „Spitzenkonzentration von Wasserstoff“ bezeichnet) direkt nach der Cluster-Ionen-Bestrahlung auf etwa 0,5 % der Spitzenkonzentration von Wasserstoff abnimmt. Hier bedeutet „verbleibender Wasserstoff, dass die Spitzenkonzentration von Wasserstoff nach der Bildung der Epitaxieschicht 20 ein solches Niveau ist, das durch SIMS detektierbar ist. In dieser Beschreibung bezeichnet das „Wasserstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung“ die Wasserstoffkonzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung, die durch SIMS gemessen wird. Zum Beispiel ist die Spitzenkonzentration von Wasserstoff durch Magnetsektor-SIMS detektierbar, falls sie 7,0 × 1016 Atome/cm3 oder mehr beträgt.
  • Wir haben experimentell herausgefunden, dass die Spitzenkonzentration von Wasserstoff durch Durchführen des zweiten Schrittes dieser Offenbarung selbst nach der Bildung der Epitaxieschicht 20 im Vergleich zu dem Fall, in dem der zweite Schritt nicht durchgeführt wird, erhöht werden kann. Eine ausführlichere Forschung hinsichtlich der Ursache dieser Zunahme führte uns dazu, anzunehmen, dass die Zunahme aus irgendeiner Art von Veränderung, wie etwa einer Phasentransformation, in der Modifikationsschicht 18 resultiert. Nach dem Durchführen einer Cluster-Ionen-Bestrahlung an dem Siliziumwafer unter den gleichen Bedingungen (die Einzelheiten der experimentellen Bedingungen werden in den Referenzexperimentalbeispielen ausführlicher beschrieben), haben wir ein Diagramm erhalten, in dem eine TEM-Schnittfotografie des Siliziumwafers und ein Graph, der das Konzentrationsprofil von sowohl Kohlenstoff, Wasserstoff als auch Sauerstoff in dem Teil veranschaulicht, der der TEM-Schnittfotografie entspricht, miteinander überlagert sind (2A). Wir haben auch ein Diagramm erhalten, in dem eine TEM-Schnittfotografie des Siliziumwafers nach einer Mikrowellenerwärmung und ein Graph, der das Konzentrationsprofil von sowohl Kohlenstoff, Wasserstoff als auch Sauerstoff in dem Teil veranschaulicht, der der TEM-Schnittfotografie entspricht, miteinander überlagert sind (2B). Die Konzentrationsprofile in 2A und 2B wurden durch Quadrupol-SIMS erfasst. Wie aus 2A gesehen werden kann, wurde ein amorphes Gebiet nahe dem Cluster-Ionen-Implantationsbereich (in einem Tiefenbereich von etwa 40 nm bis 80 nm) gebildet. Wie aus 2B gesehen werden kann, wurde infolge der Mikrowellenerwärmung die Kristallinität des amorphen Gebiets teilweise wiederhergestellt. In Figur 2A, die keine Mikrowellenerwärmung einschließt, nimmt die Wasserstoffkonzentration in einem Gebiet tiefer als die Modifikationsschicht 18 rapide ab. In Figur 2B, die eine Mikrowellenerwärmung einschließt, ist die Wasserstoffkonzentrationsabnahmerate sanfter, was demonstriert, dass Wasserstoff in der Modifikationsschicht 18' eingefangen wird. Von diesen Ergebnissen und dem Unterschied der Spitzenkonzentration von Wasserstoff nach der Bildung der Epitaxieschicht (und auch unter Bezugnahme auf 3A, 4B und 4, die in den Beispielen später beschrieben sind) kommen wir zu der Annahme, dass die veränderte Modifikationsschicht 18' eine höhere Wasserstoffeinfangfunktion als die Modifikationsschicht 18 aufweist, wobei mit ihr möglich ist, die Spitzenkonzentration von Wasserstoff nach der Bildung der Epitaxieschicht zu erhöhen.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform der Halbleiterepitaxialwafer 100 mit einer erhöhten Spitzenkonzentration von Wasserstoff in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers nach der Bildung der Epitaxieschicht produziert werden. Ein Halbleiterbauelement, das unter Verwendung eines solchen Halbleiterepitaxialwafers 100 einschließlich der Epitaxieschicht 20 produziert wird, weist verbesserte Bauelementeigenschaften auf.
  • Nach der Wasserstoffdiffusionssteuerung in dem zweiten Schritt kann der Halbleiterwafer 10 vor dem dritten Schritt einer Wiederherstellungswärmebehandlung zur Kristallinitätswiederherstellung unterzogen werden. Diese Wiederherstellungswärmebehandlung kann zum Beispiel durchgeführt werden, indem der Halbleiterwafer 10 in einer Epitaxieeinrichtung einer Temperatur von 900 °C oder mehr und 1100 °C oder weniger für 10 Minuten oder mehr und 60 Minuten oder weniger in einer Atmosphäre aus Stickstoffgas, Argongas oder dergleichen gehalten wird. Die Wiederherstellungswärmebehandlung kann zum Beispiel unter Verwendung einer Einrichtung zur Wärmebehandlung mit rapidem Temperatur-Anheben/Absenken separat von einer Epitaxieeinrichtung durchgeführt werden, wie etwa schnelles thermisches Annealing (RTA: Rapid Thermal Annealing) oder schnelle thermische Oxidation (RTO: Rapid Thermal Oxidation).
  • Der Cluster-Ionen-Bestrahlungsmodus in dieser Offenbarung ist unten beschrieben.
  • Es gibt verschiedene Typen von Clustern, die von der Kombinationsart abhängen. Zum Beispiel können Cluster-Ionen durch bekannte Verfahren erzeugt werden, die in den folgenden Dokumenten beschrieben sind: Gas-Cluster-Strahlerzeugungsverfahren sind in (1) JP H9-41138 A und JP H4-354865 A beschrieben. Ionenstrahlerzeugungsverfahren sind in (1) Junzo Ishikawa, „Charged particle beam engineering", Corona Publishing, ISBN 978-4-339-00734-3, (2) The Institution of Electrical Engineers of Japan, „Electron/Ion Beam Engineering", Ohmsha, ISBN 4-88686-217-9 und (3) „Cluster Ion Beam - Basic and Applications", The Nikkan Kogyo Shimbun, ISBN 4-526-05765-7 beschrieben. Typischerweise wird eine Nielsen-Ionenquelle oder eine Kaufman-Ionenquelle zum Erzeugen von positivgeladenen Cluster-Ionen und eine Starkstrom-Negativionenquelle unter Verwendung von Volumenproduktion zur Erzeugung von negativgeladenen Cluster-Ionen verwendet.
  • Hinsichtlich den Bestandteilelementen der angewandten Cluster-Ionen 16 sind die anderen Bestandteilelemente nicht beschränkt, so lange Wasserstoff enthalten ist. Beispiele der Bestandteilelemente der Cluster-Ionen 16 außer Wasserstoff beinhalten Kohlenstoff, Bor, Phosphor und Arsen. Hinsichtlich des Erzielens einer hohen Getter-Fähigkeit enthalten die Cluster-Ionen 16 bevorzugt Kohlenstoff als ein Bestandteilelement. Die Modifikationsschicht 18 (die Modifikationsschicht 18' nach dem zweiten Schritt) mit als eine Feststofflösung enthaltenem Kohlenstoff dient als eine starke Getter-Stelle. Dies liegt darin begründet, dass Kohlenstoffatome an einer Gitterstelle einen kleineren kovalenten Radius als Siliziumeinkristalle aufweisen, so dass eine Kompressionsstelle in dem Siliziumkristallgitter gebildet wird, die Zwischengitterverunreinigungen anzieht. Zudem fängt Kohlenstoff, der eine Feststofflösung in der Modifikationsschicht 18 bildet, falls die Cluster-Ionen 16 Kohlenstoff als ein Bestandteilelement enthalten, Wasserstoff ein. Diese Einfangfunktion ist in der Modifikationsschicht 18' wahrscheinlich stärker. Daher ist der Einschluss von Kohlenstoff auch hinsichtlich einer Zunahme der Spitzenkonzentration von Wasserstoff wünschenswert.
  • Es ist auch wünschenswert, dass die Bestandteilelemente der Cluster-Ionen ein oder mehrere Elemente außer Wasserstoff und Kohlenstoff enthalten. Insbesondere ist es wünschenswert, ein oder mehrere Dotierungsstoffelemente, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Bor, Phosphor, Arsen und Antimon besteht, zusätzlich zu Wasserstoff und Kohlenstoff anzuwenden. Da die Typen von Metallen, die effizient gegettert werden können, in Abhängigkeit von den Typen von Elementen, die Feststofflösungen bilden, abweichen, kann eine breitere Vielfalt von Metallverunreinigungen angesprochen werden, indem mehrere Elemente in Feststofflösungen eingebunden werden. Zum Beispiel ermöglicht Kohlenstoff ein effizientes Gettern von Nickel und ermöglicht Bor ein effizientes Gettern von Kupfer (Cu) und Eisen (Fe).
  • Die zu ionisierenden Verbindungen sind nicht beschränkt. Als ionisierbare Kohlenstoffquellenverbindungen können Ethan, Methan und dergleichen verwendet werden. Als ionisierbare Borquellenverbindungen können Diboran, Decaboran (B10H14) und dergleichen verwendet werden. Falls zum Beispiel gemischtes Gas aus Dibenzyl und Decaboran als Materialgas verwendet wird, kann ein Wasserstoffverbindung-Cluster produziert werden, in dem Kohlenstoff, Bor und Wasserstoff aggregieren. Falls Cyclohexan (C6H12) als Materialgas verwendet wird, können Cluster-Ionen produziert werden, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff zusammengesetzt sind. Als eine Kohlenstoffquellenverbindung wird insbesondere ein Cluster CnHm (3 ≤ n ≤ 16, 3 ≤ m ≤ 10), das aus Pyren (C16H10), Dibenzyl (C14H14) und dergleichen erzeugt wird, bevorzugt verwendet, da Cluster-Ionenstrahlen kleiner Größe einfach gesteuert werden können.
  • Die Cluster-Größe kann nach Bedarf auf 2 bis 100, bevorzugt auf 60 oder weniger und bevorzugter auf 50 oder weniger eingestellt werden. Die Cluster-Größe kann angepasst werden, indem der Gasdruck von Gas, das aus einer Düse abgegeben wird, der Druck des Vakuumgefäßes, die Spannung, die an das Filament bei einer Ionisierung angelegt wird, und dergleichen gesteuert werden. Die Cluster-Größe kann bestimmt werden, indem die Cluster-Anzahl-Verteilung durch Massenspektrometrie basierend auf einem elektrischen Quadrupolhochfrequenzfeld oder durch Flugzeitmassenspektrometrie gefunden wird und der Durchschnittswert der Cluster-Anzahl berechnet wird.
  • Um die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers 10 weiter zu erhöhen, selbst nach der Bildung der Epitaxieschicht 20, beträgt der Strahlstromwert der Cluster-Ionen 16 bevorzugt 50 µA oder mehr. Wenn die Cluster-Ionen 16, die Wasserstoff enthalten, unter dieser Stromwertbedingung angewandt werden, bildet Wasserstoff, der in den Bestandteilelementen der Cluster-Ionen 16 enthalten ist, zuverlässiger eine Feststofflösung in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers 10 über einer Gleichgewichtskonzentration. Um diesen Effekt weiter zu gewährleisten, beträgt der Strahlstromwert bevorzugt 100 µA oder mehr und bevorzugter 300 µA oder mehr. Der Strahlstromwert der Cluster-Ionen 16 kann zum Beispiel durch Ändern der Quellengaszersetzungsbedingungen in der Ionenquelle angepasst werden.
  • Falls der Strahlstromwert übermäßig hoch ist, besteht eine Möglichkeit, dass übermäßige epitaktische Defekte in der Epitaxieschicht 20 auftreten. Daher beträgt der Strahlstromwert bevorzugt 5000 µA oder weniger.
  • Die Beschleunigungsspannung der Cluster-Ionen zusammen mit der Cluster-Größe beeinflusst die Spitzenposition des Konzentrationsprofils in der Tiefenrichtung der Bestandteilelemente der Cluster-Ionen. Bei dieser Offenbarung kann die Beschleunigungsspannung der Cluster-Ionen mehr als 0 keV/Cluster und weniger als 200 keV/Cluster, bevorzugt 100 keV/Cluster oder weniger und bevorzugter 80 keV/Cluster oder weniger betragen. Zum Anpassen der Beschleunigungsspannung werden typischerweise zwei Verfahren verwendet: (1) elektrostatische Beschleunigung und (2) Funkfrequenzbeschleunigung. Ein Beispiel für das erstgenannte Verfahren ist ein Verfahren des Anordnens mehrerer Elektroden in regelmäßigen Intervallen und des Anlegens der gleichen Spannung zwischen diesen, um ein konstantes elektrisches Beschleunigungsfeld in der axialen Richtung zu bilden. Ein Beispiel für das letztere Verfahren ist ein Linearbeschleunigung(Linac)-Verfahren des Beschleunigens von Ionen unter Verwendung von Funkfrequenz, während sie linear bewegt werden.
  • Die Dosis der Cluster-Ionen kann durch Steuern der Ionenbestrahlungszeit angepasst werden. In dieser Offenbarung kann die Dosis von Wasserstoff 1 × 1013 bis 1 × 1016 Atome/cm2 und bevorzugt 5 × 1013 Atome/cm2 oder mehr betragen. Falls die Dosis von Wasserstoff geringer als 1 × 1013 Atome/cm2 ist, besteht eine Möglichkeit, dass Wasserstoff während der Bildung der Epitaxieschicht diffundiert. Falls die Dosis von Wasserstoff größer als 1 × 1016 Atome/cm2 ist, besteht eine Möglichkeit, dass die Oberfläche der Epitaxieschicht 20 signifikant beschädigt wird.
  • In dem Fall des Anwendens der Cluster-Ionen, die Kohlenstoff als ein Bestandteilelement enthalten, ist die Dosis von Kohlenstoff bevorzugt 1 × 1013 bis 1 × 1016 Atome/cm2 und bevorzugter 5 × 1013 Atome/cm2 oder mehr. Falls die Dosis von Kohlenstoff kleiner als 1 × 1013 Atome/cm2 ist, ist die Getter-Fähigkeit nicht ausreichend. Falls die Dosis von Kohlenstoff größer als 1 × 1016 Atome/cm2 ist, besteht eine Möglichkeit, dass die Oberfläche der Epitaxieschicht 20 signifikant beschädigt wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Halbleiterepitaxialwafers, der durch das Produktionsverfahren gemäß dieser Offenbarung produziert wird, ist unten beschrieben.
  • Es ist bevorzugt, dass die Spitze des Wasserstoffkonzentrationsprofils in einem Bereich einer Tiefe von 150 nm von der Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 in der Tiefenrichtung vorliegt. Dieser Bereich kann in dieser Beschreibung als der Oberflächenteil des Halbleiterwafers definiert werden. Bevorzugt liegt die Spitze des Wasserstoffkonzentrationsprofils in einem Bereich einer Tiefe von 100 nm von der Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 in der Tiefenrichtung vor. Da es physikalisch unmöglich ist, dass die Spitzenposition des Wasserstoffkonzentrationsprofils bei der äußersten Oberfläche (einer Tiefe von 0 nm von der Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10) des Halbleiterwafers liegt, der mit den Cluster-Ionen 16 bestrahlt wird, liegt die Spitze bei einer Tiefenposition von 5 nm oder mehr vor.
  • Die Spitzenkonzentration des Wasserstoffkonzentrationsprofils beträgt bevorzugt 1,0 × 1017 Atome/cm3 oder mehr und bevorzugter 1,0 × 1018 Atome/cm3 oder mehr.
  • Die Halbwertsbreite (FWHM: Full Width at Half Maximum) der Spitze des Kohlenstoffkonzentrationsprofils in der Tiefenrichtung des Halbleiterwafers 10 in der Modifikationsschicht 18 beträgt vorzugsweise 100 nm oder weniger. Eine solche Modifikationsschicht 18 ist ein Gebiet, in dem Kohlenstoff als eine Feststofflösung bei Kristallzwischengitterstellen oder Substitutionsstellen in dem Oberflächenteil des Halbleiterwafers lokalisiert ist, und kann als eine starke Getter-Stelle fungieren. Hinsichtlich des Erzielens einer hohen Getter-Fähigkeit beträgt die Halbwertsbreite bevorzugter 85 nm oder weniger. Die untere Grenze kann auf 10 nm festgelegt werden. Das „Kohlenstoffkonzentrationsprofil in der Tiefenrichtung“ bezeichnet in dieser Beschreibung die Konzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung, die durch SIMS gemessen wird.
  • Hinsichtlich des Erzielens einer hohen Getter-Fähigkeit ist es wünschenswert, dass zusätzlich zu dem oben erwähnten Wasserstoff und Kohlenstoff ein oder mehrere Elemente außer dem Hauptmaterial des Halbleiterwafers (Silizium in dem Fall eines Siliziumwafers) eine Feststofflösung in der Modifikationsschicht 18 bilden.
  • Um eine höhere Getter-Fähigkeit zu erreichen, weist der Halbleiterepitaxialwafer 100 zudem bevorzugt die Spitze des Kohlenstoffkonzentrationsprofils in einem Bereich einer Tiefe von 150 nm von der Oberfläche 10A des Halbleiterwafers 10 in der Tiefenrichtung auf. Die Spitzenkonzentration des Kohlenstoffkonzentrationsprofils ist bevorzugt 1 × 1015 Atome/cm3 oder mehr, bevorzugter in einem Bereich von 1 × 1017 bis 1 × 1022 Atome/cm3 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 × 1019 bis 1 × 1021 Atome/cm.
  • Die Dicke der Modifikationsschicht 18 ist als ein Gebiet definiert, in dem das Konzentrationsprofil des Bestandteilelements der Cluster-Ionen 16 in dem oben erwähnten Konzentrationsprofil lokal detektiert wird, und kann zum Beispiel in einem Bereich von 30 nm bis 400 nm liegen.
  • (Verfahren zum Produzieren einer Festkörperbildgebungsvorrichtung)
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Festkörperbildgebungsvorrichtung gemäß einer der offenbarten Ausführungsformen umfasst Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf einem Halbleiterepitaxialwafer, der gemäß dem oben erwähnten Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers produziert wird, d. h. auf der Epitaxieschicht 20, die sich bei der Oberfläche des Halbleiterepitaxialwafers 100 befindet. Bei der Festkörperbildgebungsvorrichtung, die durch dieses Produktionsverfahren erhalten wird, werden Weißpunktdefekte im Vergleich zu Festkörperbildgebungsvorrichtungen, die durch herkömmliche Verfahren erhalten werden, adäquat unterdrückt.
  • BEISPIELE
  • Eine ausführliche Beschreibung ist unten unter Verwendung von Beispielen gegeben, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.
  • (Referenzexperimentalbeispiel)
  • Zuerst wurden die folgenden Referenzexperimentalbeispiele ausgeführt, um den Unterschied des Siliziumwaferoberflächenteils in Abhängigkeit davon zu bestimmen, ob eine Mikrowellenerwärmung nach der Cluster-Ionen-Bestrahlung durchgeführt wurde oder nicht.
  • <Referenzbeispiel 1>
  • Ein p-Typ-Siliziumwafer (Durchmesser: 300 mm, Dicke: 775 µm, Dotierungstyp: Bor, spezifischer Widerstand: 20 Ω·cm) der aus einem CZ-Einkristall erhalten wurde, wurde vorbereitet. Eine Oberfläche des Siliziumwafers wurde dann mit Cluster-Ionen aus C3H5 bestrahlt, die durch Cluster-Ionisierung von Cyclohexan (C6H12) unter den Bestrahlungsbedingungen einer Beschleunigungsspannung von 80 keV/Cluster (Beschleunigungsspannung je einem Wasserstoffatom: 1,95 keV/Atom, Beschleunigungsspannung je einem Kohlenstoffatom: 23,4 keV/Atom, Entfernungsabstand von Wasserstoff: 40 nm, Entfernungsabstand von Kohlenstoff: 80 nm) unter Verwendung eines Cluster-Ionen-Generators (CLARIS, gefertigt von Nissin Ion Equipment Co., Ltd.) erhalten wurden. Ein Siliziumwafer gemäß Referenzbeispiel 1 wurde dementsprechend erhalten. Die Dosis bei Anwendung der Cluster-Ionen betrug 6,67 × 1014 Cluster/cm2. Diese ist 3,3 × 1015 Atome/cm2 hinsichtlich der Anzahl an Wasserstoffatomen und 2,0 × 1015 Atome/cm2 hinsichtlich der Anzahl an Kohlenstoffatomen. Der Strahlstromwert der Cluster-Ionen wurde auf 800 µA eingestellt.
  • <Referenzbeispiel 2>
  • Ein Siliziumwafer wurde mit Cluster-Ionen unter den gleichen Bedingungen wie bei Referenzbeispiel 1 bestrahlt. Anschließend daran wurde der Siliziumwafer einer Mikrowellenerwärmung unter Verwendung eines Mikrowellenheizelements (DSG), gefertigt von Hitachi Kokusai Electric Inc., unterzogen, um einen Siliziumwafer gemäß Referenzbeispiel 2 zu erhalten. Die Bestrahlungsbedingungen elektromagnetischer Wellen beim Durchführen einer Mikrowellenerwärmung waren wie folgt:
    • Mikrowellenleistung: 10 W
    • geschätzte Wafertemperatur: 750 °C
    • Behandlungszeit: 300 s
    • Frequenz: 2.45 GHz.
  • <Referenzauswertung 1: Beobachtung mit TEM-Schnittfotografie>
  • Für jeden der Siliziumwafer gemäß Referenzbeispiel 1 und 2 wurde ein Abschnitt um die Modifikationsschicht herum nach der Cluster-Ionen-Bestrahlung unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) beobachtet. 2A veranschaulicht eine TEM-Schnittansicht von Referenzbeispiel 1 und 2B veranschaulicht eine TEM-Schnittansicht von Referenzbeispiel 2. In jeder TEM-Schnittfotografie sind Teile mit schwarzem Kontrast Gebiete mit einem besonders erheblichen Schaden und sind Teile, die weiß aussehen, amorphisierte Gebiete. In 2A und 2B ist ein Konzentrationsprofil durch SIMS, das unten erwähnt wird, auf der TEM-Schnittansicht überlagert. In 2B haben sich Teile, wo in 2A amorphe Gebiete waren, zu schwarz geändert. Es scheint, dass eine Art von Veränderung, wie etwa eine Phasentransformation, aufgetreten ist, während eine Kristallinität wiederhergestellt wurde.
  • <Referenzauswertung 2: Auswertung eines Konzentrationsprofils eines Siliziumwafers durch Quadrupol-SIMS>
  • Für jeden der Siliziumwafer gemäß Referenzbeispielen 1 und 2 wurde das Konzentrationsprofil von sowohl Kohlenstoff, Wasserstoff als auch Sauerstoff in der Tiefenrichtung durch Quadrupol-SIMS gemessen (Auflösung in der Tiefenrichtung: 2 nm, untere Detektionsgrenze von Wasserstoff: 4,0 × 1017 Atome/cm3). 2A veranschaulicht das Konzentrationsprofil von Referenzbeispiel 1 und 2B veranschaulicht das Konzentrationsprofil von Referenzbeispiel 2. Wie aus 2A und 2B gesehen werden kann, nahm die Spitzenkonzentration von Wasserstoff infolge der Mikrowellenerwärmung ab, allerdings ist Wasserstoff in der äußersten Oberfläche und dem Kohlenstoffimplantationsbereich des Siliziumwafers selbst nach der Mikrowellenerwärmung verblieben.
  • <Referenzauswertung 3: Messung von Haze-Niveau>
  • Für jeden der Siliziumwafer gemäß Referenzbeispielen 1 und 2 wurde die Siliziumwaferoberfläche in einem DWN- Modus unter Verwendung von Surfscan SP-1 (gefertigt von KLA-Tencor Corporation) beobachtet und wurde der Mittelwert der erhaltenen Haze-Werte als ein Haze-Niveau ausgewertet. Bei dem Referenzbeispiel 1 betrug das Haze-Niveau 0.42 ppm. Bei dem Referenzbeispiel 2 betrug das Haze-Niveau 0.03 ppm. Es wurde herausgefunden, dass sich das Haze-Niveau in Referenzbeispiel 2 auf näherungsweise das gleiche Niveau wie direkt vor der Cluster-Ionen-Bestrahlung erholt.
  • (Experimentalbeispiel 1)
  • <Beispiel 1>
  • Ein Siliziumwafer wurde mit Cluster-Ionen aus C3H5 unter den gleichen Bedingungen wie bei Referenzbeispiel 2 bestrahlt und dann einer Mikrowellenerwärmung unterzogen. Danach wurde der Siliziumwafer in eine Einzelwaferverarbeitungsepitaxiewachstumseinrichtung (gefertigt von Applied Materials, Inc.) befördert und einer Wasserstofftemperung bei einer Temperatur von 1120 °C für 30 Sekunden in der Einrichtung unterzogen. Eine epitaktische Siliziumschicht (Dicke: 5 µm, Dotierungstyp: Bor, spezifischer Widerstand: 10 Ω·cm) wurde dann epitaktisch auf die Oberfläche des Siliziumwafers auf der Seite, wo die Modifikationsschicht gebildet wurde, durch CVD bei 1150 °C unter Verwendung von Wasserstoff als Trägergas und Trichlorsilan als Quellengas aufgewachsen. Ein Siliziumepitaxialwafer gemäß Beispiel 1 wurde dementsprechend produziert.
  • <Vergleichsbeispiel 1>
  • Ein Siliziumepitaxialwafer gemäß Vergleichsbeispiel 1 wurde unter den gleichen Bedingungen wie Beispiel 1 produziert, außer, dass keine Mikrowellenerwärmung durchgeführt wurde.
  • <Auswertung 1: Auswertung des Konzentrationsprofils des Epitaxialwafers durch Magnetsektor-SIMS>
  • Für jeden der Siliziumepitaxialwafer gemäß Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 wurde das Konzentrationsprofil von sowohl Wasserstoff, Kohlenstoff als auch Sauerstoff in der Wafertiefenrichtung durch eine Magnetsektor-SIMS-Messung (Auflösung in Tiefenrichtung: 30 nm, untere Detektionsgrenze von Wasserstoff: 4,0 × 1016 Atome/cm3) gemessen. 3A veranschaulicht das Konzentrationsprofil von Beispiel 1 und 3B veranschaulicht das Konzentrationsprofil von Vergleichsbeispiel 1. In 3A und 3B wird die Tiefe in der horizontalen Achse angegeben, wobei die Oberfläche der Epitaxieschicht des Siliziumepitaxialwafers als 0 festgelegt wird. Eine Tiefe von bis zu 5 µm entspricht der Epitaxieschicht und eine Tiefe von 5 µm oder mehr entspricht dem Siliziumwafer. Wenn der Epitaxialwafer durch SIMS gemessen wird, weist die Dicke der Epitaxieschicht unausweichlich einen Messfehler von etwa ±0.1 µm auf. Entsprechend ist 5 µm in der Zeichnung kein präziser Grenzwert zwischen der Epitaxieschicht und dem Siliziumwafer.
  • Wie aus 3A und 3B gesehen werden kann, waren die Spitzenkonzentration von jedem der Elemente von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in dem Siliziumwaferoberflächenteil in Beispiel 1 höher als in Vergleichsbeispiel 1. 4 ist ein Graph, der das Verhältnis der Spitzenkonzentration von jedem der Elemente von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff in Beispiel 1 zu der Spitzenkonzentration des entsprechenden Elements in Vergleichsbeispiel 1, die auf 1 festgelegt wurde, veranschaulicht. Die Spitzenkonzentration von Wasserstoff war insbesondere in Beispiel 1 höher als in Vergleichsbeispiel 1.
  • Die Spitzenkonzentrationen von sowohl Kohlenstoff als auch Wasserstoff, die Bestandteilelemente der Cluster-Ionen sind, sind erhöht. Vorausgesetzt, dass die Rate einer Zunahme von Wasserstoff, der dazu neigt, nach außen zu diffundieren, höher als jene von Kohlenstoff ist, ist es wahrscheinlicher, dass Wasserstoff und ein Bestandteilelement der Cluster-Ionen außer Wasserstoff miteinander interagieren, um irgendeine Art von Veränderung, wie etwa eine Phasentransformation, in dem Cluster-Ionen-Bestrahlungsgebiet zu induzieren, als dass die Diffusion von Wasserstoff einfach unterdrückt wurde. Dies scheint insbesondere zu einer Zunahme der Spitzenkonzentration von Wasserstoff zu führen.
  • Zudem waren, wie aus 3A, 3B und 4 gesehen werden kann, die Kohlenstoffkonzentration und die Sauerstoffkonzentration in Beispiel 1 höher als in Vergleichsbeispiel 1. Dies gibt eine verbesserte Getter-Fähigkeit in Beispiel 1 im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 an.
  • Ferner war das Haze-Niveau aus Referenzauswertung 3 für Referenzexperimentalbeispiel 1 nach der Bildung der Epitaxieschicht in Beispiel 1 niedriger (verbessert) als in Vergleichsbeispiel 1.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Halbleiterepitaxialwaferproduktionsverfahren bereitgestellt werden, das die Spitzenkonzentration von Wasserstoff in einem Oberflächenteil eines Halbleiterwafers nach Bildung einer Epitaxieschicht erhöhen kann. Ein Halbleiterbauelement, das unter Verwendung eines solchen Halbleiterepitaxialwafers produziert wird, weist verbesserte Bauelementeigenschaften auf.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Halbleiterwafer
    10A
    Oberfläche des Halbleiterwafers
    16
    Cluster-Ionen
    18 (18')
    Modifikationsschicht
    20
    Epitaxieschicht
    100
    Halbleiterepitaxialwafer
    W
    elektromagnetische Wellen
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2013197373 A [0005, 0006]
    • WO 2012/157162 A1 [0006]
    • JP H941138 A [0038]
    • JP H4354865 A [0038]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • unzo Ishikawa, „Charged particle beam engineering“, Corona Publishing, ISBN 978-4-339-00734-3, (2) The Institution of Electrical Engineers of Japan, „Electron/Ion Beam Engineering“, Ohmsha, ISBN 4-88686-217-9 und (3) „Cluster Ion Beam - Basic and Applications“, The Nikkan Kogyo Shimbun, ISBN 4-526-05765-7 [0038]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: einen ersten Schritt des Bestrahlens einer Oberfläche eines Halbleiterwafers mit Cluster-Ionen, die Wasserstoff als ein Bestandteilelement enthalten, um eine Modifikationsschicht zu bilden, die aus einem Bestandteilelement der Cluster-Ionen, das Wasserstoff beinhaltet, in einem Oberflächenteil des Halbleiterwafers als eine Feststofflösung gebildet wird; einen zweiten Schritt des Bestrahlens des Halbleiterwafers mit elektromagnetischen Wellen einer Frequenz von 300 MHz oder mehr und 3 THz oder weniger nach dem ersten Schritt, um den Halbleiterwafer zu erwärmen; und einen dritten Schritt des Bildens einer Epitaxieschicht auf der Modifikationsschicht des Halbleiterwafers nach dem zweiten Schritt.
  2. Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers nach Anspruch 1, wobei die Cluster-Ionen ferner Kohlenstoff als ein Bestandteilelement enthalten.
  3. Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Strahlstromwert der Cluster-Ionen in dem ersten Schritt 50 µA oder mehr beträgt.
  4. Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Strahlstromwert der Cluster-Ionen in dem ersten Schritt 5000 µA oder weniger beträgt.
  5. Verfahren zum Produzieren eines Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Halbleiterwafer ein Siliziumwafer ist.
  6. Verfahren zum Herstellen einer Festkörperbildgebungsvorrichtung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer Festkörperbildgebungsvorrichtung auf einer Epitaxieschicht eines Halbleiterepitaxialwafers, der durch das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterepitaxialwafers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt wird.
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