JP5321460B2 - Igbt用シリコン単結晶ウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2007年8月21日に、日本に出願された特願2007−215335号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
上述のように、IGBTは酸化膜で絶縁されたゲートで電流を制御する素子なので、ゲート酸化膜の品質(Gate Oxide Integrity、以下GOIと記す)が重要である。シリコン単結晶ウェーハ中に欠陥が含まれていると、その欠陥がゲート酸化膜に取り込まれて、酸化膜の絶縁破壊の原因となる。
もし、ウェーハ平面上に複数の受けられた素子、つまり、複数の素子が並列に設けられていた場合、これらの素子間で抵抗率が異なると、抵抗率の低い素子に大電流が集中し破損してしまうので抵抗率の均一性と安定性が重要である。このように、複数の素子が並列に微細化された場合、抵抗率の差によって、大電流が集中し特定の素子に電流が集中し破損してしまうので抵抗率が均一で、しかも、デバイス熱プロセスを経ても変化しないことが重要である。
PT型基板の欠点を克服する為に、オフ時に空乏層がコレクタ側に接触しないノンパンチスルー(Non Punch Through、以下NPTと記す)型のIGBTが開発されている。更に最近になって、トレンチゲート構造や、図5Cに示すように、コレクタ側にフィールドストップ(Field Stop、以下FSと記す)層を形成した、よりオン電圧が低くスイッチング損失の少ないFS−IGBTが製造されるようになっている。NPT型やFS型のIGBT用の基板としては、従来からFZ法で育成したシリコン単結晶から切り出した直径150mm以下のウェーハ(以下、FZウェーハという)が使用されている。
そこで、我々はφ200mm以上好ましくはφ300mm以上の大口径結晶が容易に育成できるチョクラルスキー法(CZ法)でIGBT用シリコン単結晶ウェーハを製造することを試みた。
また特許文献2には、酸素及び窒素でドーピングされる間にチョクラルスキー法を使って引き上げられるシリコン単結晶の製造方法であって、単結晶が引き上げられる間に6.5×1017原子/cm3未満の濃度の酸素、及び5×1013原子/cm3超の濃度の窒素でドーピングされるシリコン単結晶の製造方法が開示されている。
更に特許文献3には、窒素を添加した融液からチョクラルスキー法により育成され、2×1014atoms/cm3以上2×1016atoms/cm3以下の窒素濃度、及び7×1017atoms/cm3以下の酸素濃度を含有し、各種表面欠陥密度がFPD≦0.1個/cm2、SEPD≦0.1個/cm2、及びOSF≦0.1個/cm2であり、内部欠陥密度がLSTD≦1×105個/cm3であり、かつ酸化膜耐圧特性がTZDB高Cモード合格率≧90%及びTDDB合格率≧90%以上であるシリコン半導体基板が開示されている。
(1)CZ法では、単結晶の育成時に過剰な空孔が凝集して0.2〜0.3μm程度のCOP欠陥(Crystal Originated Particle)が生じる。IGBTを製造する際には、ウェーハ表面にゲート酸化膜を形成するが、COP欠陥がウェーハ表面に露出して出来たピット、あるいはウェーハ表面近傍に存在するCOP欠陥がこのゲート酸化膜に取り込まれると、GOI(Gate Oxide Integrity)を劣化させる。従って、GOIが劣化しないように、COP欠陥を含まないウェーハが必要になるが、CZ法では無欠陥のウェーハの製造が難しい。
(2)CZ法により製造されたシリコン単結晶ウェーハには、1×1018atoms/cm3程度の過剰な酸素が含まれており、このようなウェーハに対して450℃で1時間程度の低温熱処理(IGBT製造工程のシンタリング処理に相当する熱処理)を行うと酸素ドナーが発生し、熱処理前後でウェーハの抵抗率が変化してしまう。
(3)CZ法により製造されたシリコン単結晶ウェーハの抵抗率は、シリコン融液に添加するドーパント量によって制御でき、IGBT用のウェーハにはドーパントとしてリンが添加されるが、リンは偏析係数が小さい為にシリコン単結晶の長さ方向に渡って濃度が大きく変化する。そのため、一本のシリコン単結晶の中で、設計仕様に合致する抵抗率を有するウェーハの得られる範囲が狭い。
(4)CZ法により製造されたシリコン単結晶ウェーハには、1×1018atoms/cm3程度の過剰な酸素が含まれており、このようなウェーハに対してデバイス形成プロセスを行うと、過剰な酸素がSiO2となって析出し、再結合ライフタイムを劣化させる。
(6)CZシリコンには10×1017atoms/cm3程度の酸素が含まれており、450℃程度の低温熱処理を受けると酸素ドナーが発生して、基板の抵抗率が変化してしまう。窒素ドープ結晶においては、酸素ドナーを消す熱処理(典型的には650℃×30分)を施しているが、デバイスプロセスにおいてたとえばAl配線のシンタリング処理などはこの450℃程度の温度前後で行われるため、デバイス製造工程を通ると抵抗率がウェーハ出荷時の抵抗率よりも高くなるという問題があった。
前記シリコン単結晶ウェーハが、結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121−1979)以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下とされ、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素をドープするとともに、窒素起因のドナー濃度を5×10 12 atoms/cm 3 以下とし、
前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×10 14 ×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度を設定して、
シリコン単結晶の引き上げ速度Vと結晶の成長方向での温度勾配GをGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能なV/Gで、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成するとともに、
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、シリコン融液にn型ドーパントを添加するか、シリコン融液にリンを2.9×10 13 atoms/cm 3 以上2.9×10 15 atoms/cm 3 以下、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを、その偏析係数に応じて結晶中の濃度が1×10 13 atoms/cm 3 以上1×10 15 atoms/cm 3 以下となるように添加するか、または、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射を行うことで、リンをドープすることを特徴とする。
本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶ウェーハが、結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121−1979)以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下とされ、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、この単結晶からスライスしたウェーハに対して1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少する窒素起因のドナー濃度を5×10 12 atoms/cm 3 以下とし、
前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×10 14 ×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度を設定して、
シリコン単結晶の引き上げ速度Vと結晶の成長方向での温度勾配GをGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能なV/Gで、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成するとともに、
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、シリコン融液にn型ドーパントを添加するか、シリコン融液にリンを2.9×10 13 atoms/cm 3 以上2.9×10 15 atoms/cm 3 以下、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを、その偏析係数に応じて結晶中の濃度が1×10 13 atoms/cm 3 以上1×10 15 atoms/cm 3 以下となるように添加するか、または、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射を行うことで、リンをドープすることを特徴とする。
本発明は、狙い抵抗率が30〜120Ω・cmの高抵抗ウェーハにおいては、狙い抵抗率が0〜30Ω・cmの低抵抗ウェーハに比べて、前記熱処理前後における抵抗率の上昇を抑えるために許容される許容ドナー濃度変化を抑制することができる。
本発明は、狙い抵抗率が30〜120Ω・cmの高抵抗ウェーハにおいては、前記熱処理によって減少するドナー濃度の変化量を5×10 12 atoms/cm 3 以下にし、
狙い抵抗率が0〜30Ω・cmの低抵抗ウェーハにおいては、前記熱処理によって減少するドナー濃度の変化量を2×10 13 atoms/cm 3 以下にすることができる。
本発明は、前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦2.2368×10 14 ×R−1.0173 (2)
となるように窒素起因のドナー濃度が設定されることができる。
本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハは、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶からなるIGBT用のシリコン単結晶ウェーハであって、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、窒素起因のドナー濃度が5×10 12 atoms/cm 3 以下とされ、
結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下であることができる。
本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハは、チョクラルスキー法によって育成されたシリコン単結晶からなるIGBT用のシリコン単結晶ウェーハであって、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、この単結晶からスライスしたウェーハに対して1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少する窒素起因のドナー濃度が5×10 12 atoms/cm 3 以下とされ、
結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下であることができる。
本発明の前記シリコン単結晶が、窒素濃度が5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下とされてなるものであることができる。
本発明の前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×10 14 ×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度が設定されることが好ましい。
本発明の前記シリコン単結晶が、前記チョクラルスキー法により育成される際にGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶を引き上げ可能な引き上げ速度で育成されたものであり、かつ、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射がなされてリンがドープされてなるものであることができる。
本発明の前記シリコン単結晶が、前記チョクラルスキー法より育成される際に、n型ドーパントがドープされたシリコン融液から、Grown−in欠陥フリーなシリコン単結晶を引き上げ可能な引き上げ速度により育成されたものであることができる。
本発明は、リンと、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントがそれぞれ、1×10 13 atoms/cm 3 以上1×10 15 atoms/cm 3 以下の濃度で含まれていることができる。
本発明は、ウェーハ表面におけるLPD密度が0.1個/cm 2 以下であり、ライトエッチング欠陥密度が1×10 3 個/cm 2 以下であることができる。
本発明は、裏面側に50nm以上1000nm以下の多結晶シリコン層が形成されていることができる。
本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、窒素起因のドナー濃度が5×10 12 atoms/cm 3 以下とされ、
シリコン単結晶の引き上げ速度をGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度で、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成することができる。
本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、この単結晶からスライスしたウェーハに対して1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少する窒素起因のドナー濃度が5×10 12 atoms/cm 3 以下とされ、
シリコン単結晶の引き上げ速度をGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度で、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成することができる。
本発明は、前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×1014×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度が設定されることが好ましい。
本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの抵抗率保証方法は、IGBT用シリコン単結晶ウェーハの抵抗率を保証する方法であって、
チョクラルスキー法によって、格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下、5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下の窒素をドープするとともに、窒素起因のドナー濃度を5×1012atoms/cm3以下とするシリコン単結晶から円筒状ブロックを切り出し、この両端から切り出した抵抗率評価用サンプルウェーハに1050℃以上で30分以上の熱処理を施して抵抗率を測定して、
前記測定した抵抗率評価用サンプルウェーハの抵抗率の値を、前記シリコン単結晶の円筒状ブロックの残りの部分から切断するIGBT用シリコン単結晶ウェーハの抵抗率の保証値として用いることを特徴とする。
さらに、本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、前記シリコン単結晶が、前記チョクラルスキー法により育成される際にGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶を引き上げ可能な引き上げ速度で育成されたものであり、かつ、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射がなされてリンがドープされてなるものが好ましい。
また本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、前記シリコン単結晶が、前記チョクラルスキー法より育成される際に、n型ドーパントがドープされたシリコン融液から、Grown−in欠陥フリーなシリコン単結晶を引き上げ可能な引き上げ速度により育成されたものであることが好ましい。
更に本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、前記シリコン単結晶に、5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下の窒素がドープされていることが好ましい。
さらにまた、本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、リンと、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントがそれぞれ、1×1013atoms/cm3以上1×1015atoms/cm3以下の濃度で含まれていることが好ましい。
さらにまた、本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、ウェーハ表面におけるLPD密度が0.1個/cm2以下であり、ライトエッチング欠陥密度が1×103個/cm2以下であることが好ましい。
また本発明のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハにおいては、裏面側に50nm以上1000nm以下の多結晶シリコン層が形成されていることが好ましい。
また、本発明で、OSF領域とは、乾燥酸素雰囲気で900℃から1000℃まで、昇温速度5℃/minで昇温した後、乾燥酸素雰囲気で1000℃、1時間、その後、ウェット酸素雰囲気で1000℃から1150℃まで昇温速度3℃/minで昇温した後、ウェット酸素雰囲気で1150℃、2時間、その後900℃まで降温する熱処理後に、2μmのライトエッチングを実施してOSF領域を顕在化させ、OSF密度のウェーハ面内分布を測定した際に、OSFの密度が10個/cm2以上の領域を意味する。
また、本発明において、「LPD密度」とは、レーザ光散乱式パーティクルカウンター(SP1(surfscan SP1):KLA−Tencor社製)を用いて検出される0.1μmサイズ以上の欠陥の密度である。
なお、酸素ドナーの濃度を6.5×1012個/cm3以下にする理由は次の通りである。高耐圧IGBTには、n型で抵抗率が30〜120Ω・cmのウェーハが使われる。例えば、基板の抵抗率の仕様が75Ω・cm±10%の場合では、許容できるドナー濃度の増加は6.5×1012個/cm3以下となる。ここで、酸素に起因した酸素ドナーが最も発生しやすい温度は450℃である。例えばデバイスプロセスにおいてAl配線のシンタリング処理はこの温度前後で行われる。450℃で1時間の熱処理を施した場合に発生する酸素ドナーの濃度の酸素濃度依存性を調べた結果を図1に示す。図1から、酸素ドナーの濃度を6.5×1012個/cm3以下に抑えるためには、ウェーハの格子間酸素濃度を7×1017atoms/cm3以下に制御しなければならないことが分かる。
この図の結果から、狙いの抵抗率が高いほど、狙いの抵抗率からのズレの許容幅が狭いほど酸素濃度を下げなければならないことがわかる。
本願発明では、上記のように格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下として酸素濃度を規定しているので、サーマルドナーによる抵抗率変化を抑制することが可能になる。
添付図面図10に各点(R1,R2)で示すように、
点A (0.1,1)、点B(0.1,7)、点C(0.5,7)、点D(0.7,6)、点E(1,6)、点F(2,2)、点G(2,1)で囲まれる範囲内の値に設定することができる。これにより、格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下の単結晶を育成することができる。実質的には、石英ルツボの回転数をR1(rpm)、結晶回転数をR2(rpm)とするとき、R1:0.1以上2以下、R2:1以上7以下、の範囲であって、R1:0.5以上0.7以下の場合、R2<7−5(R1−0.5)を満足し、R1:0.7以上1以下の場合、R2<6を満足し、R1:1以上2以下の場合、R2<6−4(R1−1)を満足する範囲に設定することができる。この場合、単結晶中の格子間酸素濃度を4.0×1017atoms/cm3以下として低酸素濃度のシリコン単結晶を育成できる。
添付図面図10に各点(R1,R2)で示すように、
点A (0.1,1)、点B(0.1,7)、点L(0.2,7)、点K(0.3,7)、点J(0.5,6)、点I(0.7,6)、点H(1,5)、点N(1,3)、点M(1,1)で囲まれる範囲内の値に設定してシリコン単結晶を引き上げることで、単結晶中の格子間酸素濃度を3.5×1017atoms/cm3以下としてより低酸素濃度のシリコン単結晶を育成できる。実質的には、石英ルツボ回転数R1(rpm)と結晶回転数R2(rpm)とをR1:0.1以上2以下、R2:1以上7以下、の範囲であって、但しR1:0.3以上、0.5以下の場合、R2<7−5(R1−0.3)を満足し、R1:0.5以上0.7以下の場合、R2<6を満足し、R1:0.7以上1以下の場合、R2<6−3.4(R1−0.7)を満足する範囲に設定すればよい。この場合、単結晶中の格子間酸素濃度が3.5×1017atoms/cm3以下として、低酸素濃度のシリコン単結晶を提供できる。
添付図面図10に各点(R1,R2)で示すように、
点A (0.1,1)、点B(0.1,7)、点L(0.2,7)、点Q(0.3,6)、点J(0.5,6)、点P(0.7,5)、点N(1,3)、点M(1,1)で囲まれる範囲内の値に設定してシリコン単結晶を引き上げてもよい。 実質的には、石英ルツボ回転数R1(rpm)と結晶回転数R2(rpm)とをR1:0.1以上1以下、R2:1以上7以下、の範囲であって、但しR1:0.2以上0.3以下の場合、R2<7−10(R1−0.2)を満足し、R1:0.3以上0.5以下の場合、R2<6を満足し、R1:0.5以上0.7以下の場合、R2<6−5(R1−0.5)を満足し、R1:0.7以上、1以下の場合、R2<5−6.7(R1−0.7)を満足する範囲に設定することができる。この場合、単結晶中の格子間酸素濃度3.0×1017atoms/cm3以下のシリコン単結晶を育成し、より低酸素濃度のシリコン単結晶を育成できる。
なお、石英ルツボ回転数R1(rpm)と、結晶回転数R2(rpm)と格子間酸素濃度との関係を表8に示す。
また、本発明では、磁場中心位置と結晶引き上げ時の融液表面位置を−75〜+50mm、より好ましくは、20〜45mmとすることが好ましい。ここで、ここで磁場中心位置とは、水平磁場にあっては磁場発生コイルの中心が位置する高さ位置を意味し、−75mmとは、融液液面から上方75mmであることを意味している。
ここで、合成石英ルツボとは、少なくとも原料融液に当接する内表面が以下のような合成石英から形成されたものを意味する。
合成石英ガラス粉を溶融して得られたガラスでは、光透過率を測定すると、波長200nm程度までの紫外線を良く透過し、紫外線光学用途に用いられている四塩化炭素を原料とした合成石英ガラスに近い特性であると考えられる。
合成石英ガラス粉を溶融して得られたガラスでは、波長245nmの紫外線で励起して得られる蛍光スペクトルを測定すると、天然石英粉の溶融品のような蛍光ピークは見られない。
また、本発明では、CZ炉内に供給する雰囲気ガス流量を100〜200リットル/min以上とし、CZ炉内の圧力を6700pa以下として、溶融液表面から蒸発するSiOを効果的に装置外に排出すると共に、溶融液表面を漂う異物もルツボ壁に追いやるとともに、結晶中の酸素濃度が高くなることを防止することができる。
ところで、CZ法により製造されたシリコン単結晶ウェーハの抵抗率は、シリコン単結晶に含まれるドーパント量によって制御できるが、IGBT基板のドーパントとして良く使われるリンは、偏析係数が小さい為にシリコン単結晶の長さ方向にわたってその濃度が大きく変化する。そのため、一本の単結晶の中で設計仕様に合った抵抗率を有するウェーハの得られる範囲が狭い。このため本発明では、上述したように、中性子照射、シリコン融液へのn型ドーパントの添加、リンとリンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを所定量添加、その他様々な手段を採用する。いずれの場合も、不純物濃度の低いシリコン多結晶を原料とし、不純物の溶出が少ない合成石英ルツボを用いて単結晶を育成することが重要である。これらの手段を用いることで、シリコン単結晶の歩留まりを改善することができる。
また、シリコン融液へのn型ドーパントの添加によっても、抵抗率を制御することができる。この時、所謂DLCZ法(Double Layered Czochralski;二層式引き上げ法)を適用することが望ましい。DLCZ法とは、リンのような偏析係数の小さなドーパントの結晶軸方向の濃度変化を抑制する方法である。この方法は例えば特開平5−43384号公報に開示されており、CZ方法において、ルツボ中で多結晶シリコンを一旦全部溶かしてシリコン融液としてからリンを添加し、ルツボの底部の温度を下げてシリコン融液を底より上方に向かって凝固させてシリコン凝固層を形成し、このシリコン凝固層を上方から底に向けて徐々に溶かしながら結晶を育成することによって、単結晶中に取り込まれるドーパント濃度をほぼ一定に保つ方法である。
本発明ではこのDLCZ法を採用することによっても、シリコン単結晶の結晶軸方向の抵抗率変化を抑制することができる。
更にまた、DLCZ法やCCZ法のようにシリコン融液にドーパントを添加する単結晶育成の場合には、ウェーハ面内の抵抗率バラツキを抑制するために、結晶育成中の結晶回転速度を速く回転させることが望ましく、直径200mm以下の単結晶育成では結晶回転速度を15〜30rpm、直径300mm以上では8〜15rpmの範囲で回転させることが望ましい。なお、通常、結晶回転速度を増加させると、Grow−in欠陥フリー結晶を得るための引き上げ速度マージン幅が狭くなってしまい、単結晶育成そのものが困難となるが、本発明では後述するように水素含有ガス雰囲気でシリコン単結晶を育成することにより、Grow−in欠陥フリー結晶を得るための引き上げ速度マージンを十分に確保することができる。
この原因を明らかにするために、以下の検証実験をおこなった。
酸素濃度5.6×1017atoms/cm3(ASTM F121-79)、窒素濃度7×1014atoms/cm3のシリコンウェーハに950℃から1150℃の範囲かつ50℃毎に異なる温度および1180℃として、いずれも処理時間30分に設定した熱処理を施してドナー濃度の変化を測定した。この結果を図7に示す。
図7の結果から、1150℃と1180℃ではドナー濃度が殆ど一致したことから、問題のドナーは1150℃でほぼ消滅することが分かった。なお、図7の縦軸は、各温度で熱処理したウェーハのドナー濃度から1180℃で熱処理したウェーハのドナー濃度を差し引いた値であり、窒素ドープ結晶特有のドナーの濃度と見なすことができる。
上述したように、酸素ドナーを消す熱処理(典型的には650℃×30分)を施した場合でも、デバイス製造プロセスの模擬熱処理を施すと抵抗率が上がるという現象は、窒素ドープ結晶でのみ起きる現象である。この点を検証するために、1150℃×30分の熱処理によるドナー減少量の窒素濃度依存性を評価した。その結果を図8に示す。
IGBTの製造プロセスでは1150℃以上で30分以上の熱処理が行われるので、図8の縦軸は、IGBT製造プロセスを通った場合のドナー減少量と見なせる。窒素濃度が高いほど熱処理によるドナーの減少量が大きく、しかも、同じ窒素濃度であれば酸素濃度が高い方が熱処理によるドナーの減少量が大きいことが判明した。このことから、問題としているドナーは窒素と酸素に起因したドナーであると考えられる。
1200VクラスのIGBTに使われるウェーハの抵抗率の仕様は、デバイスメーカーによって異なるが30〜120Ω・cm程度で、公差は±10%以下、±5%以下程度に設定されている。窒素起因ドナーによる抵抗率のばらつきも考慮して、IGBT製造プロセスの熱処理で窒素起因ドナーが消えることによる抵抗率の上昇を10%まで許容する場合に、許容できるドナー濃度変化を計算した。
この結果を図9に示す。
また、狙い抵抗率が0〜30Ω・cmの範囲、たとえば20Ω・cmで、デバイス製造ロセスの模擬熱処理前後における抵抗率の上昇を10%以下にするためには、ドナー濃度の変化量(減少量)を2×1013atoms/cm3以下にしなければならないことがわかる。
つまり、狙い抵抗率が30〜120Ω・cm程度の高抵抗ウェーハにおいては、狙い抵抗率が0〜30Ω・cm程度の低抵抗ウェーハに比べて、デバイス製造プロセスの模擬熱処理前後における抵抗率の上昇を抑えるために許容される許容ドナー濃度変化がより小さくなっていることがわかる。つまり、狙い抵抗率が30〜120Ω・cm程度の高抵抗ウェーハにおいては、狙い抵抗率が0〜30Ω・cm程度の低抵抗ウェーハに比べて、デバイス製造プロセスの模擬熱処理前後における抵抗率の上昇を抑えるためには、より厳しく窒素起因ドナー濃度を抑制することが必要である。
[D]≦4.267×1014×R−1.0173 (1)
となる。したがって、製造しようとする狙い抵抗率によって、式(1)のように許容ドナー濃度変化の範囲を設定することで、デバイス製造プロセスの模擬熱処理前後における抵抗率の上昇を10%以内に抑えることが可能となる。
ここで、許容ドナー濃度変化は、窒素起因のドナー濃度の変化であり、1150℃×30分の熱処理またはこれと同等な条件の熱処理によって消滅可能なドナー濃度変化であるから、ドープされる窒素量を、窒素ドナー濃度変化を式(1)となるようにすることで、デバイスプロセスにおいても抵抗率変化を抑制可能なIGBT用シリコン単結晶ウェーハを製造することが可能となる。
図8には、本発明の課題である窒素起因のドナーが、窒素だけではなく酸素にも関係したドナーであることを示すために、酸素濃度が6×1017atoms/cm3の結晶のデータもプロットしているが、酸素濃度が5×1017atoms/cm3以上の場合には、IGBTプロセスの熱処理工程を模擬した熱処理を施すと酸素析出物が発生することがあるので、IGBT用窒素ドープウェーハの酸素濃度は、4×1017atoms/cm3以下であることが好ましい。
また本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、シリコン融液にn型ドーパントを添加し、CZ炉内の雰囲気ガス中に水素ガス換算分圧で40Pa以上400Pa以下の範囲となる水素原子含有物質を導入し、シリコン単結晶の引き上げ速度をGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度で、格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下の単結晶を育成することができる。
また本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、シリコン融液に、リンを2.9×1013atoms/cm3以上2.9×1015atoms/cm3以下、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを、その偏析係数に応じて結晶中の濃度が1×1013atoms/cm3以上1×1015atoms/cm3以下となるように添加し、CZ炉内の雰囲気ガス中に水素ガス換算分圧で40Pa以上400Pa以下の範囲となる水素原子含有物質を導入し、シリコン単結晶の引き上げ速度をGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度で、格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下の単結晶を育成することができる。
更に本発明のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法においては、前記チョクラルスキー法よりシリコン単結晶に対して、窒素を5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下の濃度で添加することが好ましい。
即ち、本発明においては、水素含有物質がシリコン融液に溶解し高温のシリコン融液中で熱分解して水素原子に変換されると仮定した上で、変換後の雰囲気中の水素ガス換算分圧が40〜400Paの範囲になるように水素含有物質の添加量を調整すればよい。
また、シリコン融液に窒素を添加することで、Grown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度の許容幅を更に広げることができ、ウェーハのCOP欠陥および転位クラスタの排除が容易になる。
チョクラルスキー法によって、格子間酸素濃度を4×1017atoms/cm3以下とし、かつ、5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下の窒素をドープするとともに、窒素起因のドナー濃度を5×1012atoms/cm3以下とするシリコン単結晶から円筒状ブロックを切り出し、この両端から切り出した抵抗率評価用サンプルウェーハに1050℃以上で30分以上の熱処理を施して抵抗率を測定して、
前記測定した抵抗率評価用サンプルウェーハの抵抗率の値を、前記シリコン単結晶の円筒状ブロックの残りの部分から切断するIGBT用シリコン単結晶ウェーハの抵抗率の保証値として用いる。
このように、窒素を添加してCZ法で育成したシリコン単結晶から切り出した円筒状ブロックの両端より抵抗率評価用サンプルウェーハをスライスして、これらの検査用のウェーハを、少なくともデバイス製造工程前に窒素起因のドナーを消滅させる熱処理、具体的には、1050℃以上、30分以上、または、この熱処理と同等な条件で保持して熱処理し、その後検査用ウェーハの抵抗率を測定すれば、窒素起因のドナーに基づいた抵抗率変化作用が熱処理により消去された後の抵抗率を測定できる。
このようにして測定した検査用ウェーハで得られた抵抗率は、様々なアニール工程やデバイス製造工程における熱処理がウェーハ製造工程後に行なわれても、IGBT用シリコン単結晶ウェーハの厚さ方向全体にわたって、大きく変化しない。従って、測定した検査用ウェーハの抵抗率を、この検査用ウェーハを切り出した後の、円筒状ブロックの残りの部分から製品となるIGBT用シリコン単結晶ウェーハ をスライスした際に、その製品となるIGBT用ウェーハの抵抗率の保証値として用いれば、製品用のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの正確な抵抗率保証が可能となる。
6…シリコン単結晶
T…種結晶
(CZ炉の構成)
図3は、本発明の実施形態におけるIGBT用のシリコン単結晶ウェーハの製造方法を実施するのに適したCZ炉の縦断面図である。
図3に示すCZ炉は、チャンバー内の中心部に配置されたルツボ1と、ルツボ1の外側に配置されたヒータ2と、ヒータ2の外側に配置された磁場供給装置9とを備えている。ルツボ1は、内側にシリコン融液3を収容する石英ルツボ1aを外側の黒鉛ルツボ1bで保持する二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸1cにより回転および昇降駆動される。
ルツボ1の上方には、円筒形状の熱遮蔽体7が設けられている。熱遮蔽体7は、黒鉛で外殻を作り、内部に黒鉛フェルトを充填した構造である。熱遮蔽体7の内面は、上端部から下端部にかけて内径が漸減するテーパー面になっている。熱遮蔽体7の上部外面は内面に対応するテーパー面であり、下部外面は、熱遮蔽体7の厚みを下方に向かって漸増させるようにほぼストレート面に形成されている。
そして、シードチャック5に取り付けた種結晶Tをシリコン融液3に浸漬し、ルツボ1および引き上げ軸4を回転させつつ種結晶Tを引き上げることにより、シリコン単結晶6を形成できるようになっている。
半径方向の幅Wは例えば50mm、逆円錐台面である内面の垂直方向に対する傾きθは例えば21°、熱遮蔽体7の下端の融液面からの高さH1は例えば60mmとする。
次に、図3に示すCZ炉を用いたIGBT用のシリコン単結晶ウェーハの製造方法を説明する。
先ず、ルツボ1内に高純度シリコンの多結晶を例えば100kg装入し、窒素源として例えば、窒化珪素からなるCVD膜を有するシリコンウェーハを投入する。シリコン結晶中の窒素濃度が5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下濃度、かつ、ウェーハにおける狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×1014×R−1.0173 (1)
となるドナー濃度を設定するように、シリコン単結晶中の窒素濃度と酸素濃度を調整することが好ましい。
なお、水素ガスを含有しない不活性ガスのみの雰囲気とすることもできる。
次に、シードチャック5に取り付けた種結晶Tをシリコン融液3に浸漬し、ルツボ1および引き上げ軸4を回転させつつ結晶引き上げを行う。この場合の引き上げ条件としては、単結晶の成長速度をV(mm/分)とし、単結晶成長時の融点から1350℃の温度勾配G(℃/mm)としたときの比V/G(mm2/分・℃)を0.22〜0.15程度に制御し、VをGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度である0.65〜0.33mm/分に制御する、といった条件を例示できる。また、他の条件としては、石英るつぼの回転数を5〜0.1rpmとし、単結晶の回転速度を15rpm以下とし、アルゴン雰囲気の圧力を4000Pa(30Torr)とし、更に磁場強度を3000Gaussといった条件を例示できる。特に、石英ルツボの回転数を5rpm以下にすることで、石英ルツボに含まれる酸素原子のシリコン融液への拡散を防止することができ、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度を低減することができる。
以上の引き上げ条件に設定することで、シリコン単結晶中の格子間酸素濃度を7×1017atoms/cm3以下、より好ましくは、4×1017atoms/cm3以下にすることができ、これによりIGBT製造工程での酸素ドナー発生を防止することができる。格子間酸素濃度が上記の範囲を越えるとIGBT製造工程でBMDが生じ、IGBTの特性を劣化させてしまうので好ましくない。
ラッピングを行う際には、ウェーハの割れを防止するために、ウェーハの表面の周縁部に表面側面取り部を形成するとともに、ウェーハの裏面の周縁部に裏面側面取り部を形成することが好ましい。図4には、ウェーハ加工完了後のウェーハ周縁部の断面を示す。
また、表面側面取り部24は、表面22の主面23に対して傾斜する第一傾斜面11を有しており、裏面側面取り部28は、裏面26の主面27に対して傾斜する第二傾斜面12を有している。第一傾斜面11の傾斜角度θ1は10°から50°の範囲が好ましく、第二傾斜面12の傾斜角度θ2は10°から30°の範囲が好ましく、更にθ1≦θ2とされていることが好ましい。
また、第一傾斜面11と周縁端29との間には、これらを接続する第一曲面13が設けられている。また、第二傾斜面12と周縁端29との間には、これらを接続する第二曲面14が設けられている。第一曲面13の曲率半径R1の範囲は80μmから250μmの範囲が好ましく、第二曲面14の曲率半径R2の範囲は100μmから300μmの範囲が好ましい。
このようにして、本実施形態のIGBT用のシリコン単結晶ウェーハを製造できる。
また、シリコン融液に窒素を添加することで、Grown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能な速度の許容幅を更に広げることができ、ウェーハのCOP欠陥および転位クラスタの排除が容易になる。
以上のようにして製造されたシリコン単結晶ウェーハは、結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×1017atoms/cm3以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下となっている。また、抵抗率自体は48Ω・cm〜52Ω・cm程度となる。更にシリコン単結晶ウェーハには、5×1012atoms/cm3以上9×1014atoms/cm3以下の窒素がドープされている。
更に本実施形態のシリコン単結晶ウェーハにおいては、破壊電界8MV/cmでのTZDBの合格率が90%以上であり、450℃で1時間の熱処理を行った場合に析出する酸素ドナーの濃度が6.5×1012個/cm3以下であり、800℃で4時間と1000℃で16時間の二段階熱処理を行った場合に生じるBMDの密度が5×107個/cm3以下であり、前記二段階熱処理を行った場合における再結合ライフタイムが100μ秒以上となっている。
更にまた、本実施形態のシリコン単結晶ウェーハにおいては、ウェーハ表面における0.1μm以上のLPD密度が0.1個/cm2であり、ライトエッチング欠陥密度が1×103個/cm2以下になっている。更にまた、本実施形態のシリコン単結晶ウェーハには、裏面側に50nm以上2000nm以下の多結晶シリコン層が形成されており、ウェーハの表面の周縁部には表面側面取り部が形成され、ウェーハの裏面の周縁部には裏面側面取り部が形成されている。
さらに、OSF領域が排除されて、OSFの密度が10個/cm2以上である領域が存在しないので、IGBT製造工程におけるウェーハ表面でのゲート酸化膜の形成時に、COP欠陥がゲート酸化膜に取り込まれることがなく、GOIを劣化させることがない。また、集積回路におけるリーク電流を防止できる。さらに、良品率を90%以上とすることができる。
更に、格子間酸素濃度が上記の範囲以下なので、ウェーハの熱処理後に発生する酸素ドナーの濃度を6.5×1012個/cm3以下に抑えることができ、熱処理前後でのウェーハの抵抗率の変化を防ぐことができ、シリコン単結晶ウェーハの品質を安定にできる。
また、本発明のシリコン単結晶ウェーハによれば、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下なので、シリコン単結晶ウェーハの品質を安定にできる。
更に、シリコン単結晶に、上記の範囲とされる窒素がドープされることによって、COP欠陥および転位クラスタの排除が容易になる。窒素のドープ量が上記の範囲未満ではCOP欠陥および転位クラスタの排除が完全になされない虞があり、上記の範囲を超えると、窒化物が生成してシリコン単結晶が育成できなくなる。
また、TZDBの合格率が90%以上であり、450℃で1時間の熱処理を行った場合に発生する酸素ドナーの濃度が6.5×1012個/cm3以下であり、800℃で4時間と1000℃で16時間の二段階熱処理を行った場合に析出するBMDの密度が5×107個/cm3以下であり、二段階熱処理を行った場合における再結合ライフタイムが100μ秒以上であるので、IGBT用のシリコン単結晶ウェーハに求められる特性を満たすことができる。
CZ法により、種々の格子間酸素濃度を有するシリコンインゴットを製造した。具体的には、多結晶シリコン塊を石英るつぼに投入し、アルゴン雰囲気中で多結晶シリコン塊を加熱してシリコン融液とした。シリコン融液にはドーパントとしてリンを添加した。リンの添加量は、シリコン単結晶の抵抗率が65Ω・cmになるように調整した。次に、磁場供給装置から3000G(0.3T)の水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−75〜+50mmとなるように印加しながら、シリコン融液に種結晶を浸漬させ、次に種結晶及び石英るつぼを回転させながら種結晶を徐々に引き上げて種結晶の下に単結晶を成長させた。尚、単結晶の成長速度(引き上げ速度)をV(mm/分)とし、単結晶成長時の融点から1350℃の温度勾配G(℃/分)としたときの比V/Gを0.185程度に設定し、Vを0.49mm/分に設定した。このようにして、条件1〜4の引き上げ条件で引き上げられてなる単結晶シリコンのインゴットを製造した。なお、シリコンインゴットにおける格子間酸素濃度は、石英るつぼの回転数を調整することにより制御した。また、条件4では、シリコン融液中に窒化珪素膜付きのシリコンウェーハを投入することにより、シリコン単結晶中に4.1×1014atoms/cm3の窒素をドープした。
更に表1には、引き上げ速度の許容幅を示す。この許容幅は、結晶の引き上げ速度を徐々に低下させ育成した結晶を育成方向に縦割り加工しGrown−in欠陥分布をCuデコレーション後にX−rayトポグラフィー法により観察することでCOP領域を、またライトエッチング欠陥を測定することで転位クラスター領域を判定し、求めた結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除できる引き上げ速度マージンである。
また、条件2と3を比較すると、条件3では結晶の回転速度の高速化によって抵抗率のばらつきは低減されたが、引き上げ速度の許容幅が大幅に低下した。これは、単結晶の回転速度の増大によって、シリコン融液と単結晶との間の固液界面形状が変化したためと考えられる。
更に、条件4については、条件3に対し、窒素をドープしたことによって引き上げ速度の許容幅が増大したが、抵抗率のばらつきも増大した。これは、窒素ドープによってシリコン融液の対流状態が変化したためと考えられる。
CZ法により、種々の格子間酸素濃度を有するシリコンインゴットを製造した。具体的には、多結晶シリコン塊を石英るつぼに投入し、アルゴン雰囲気中で多結晶シリコン塊を加熱してシリコン融液とした。次に、磁場供給装置から3000G(0.3T)の水平磁場を磁場中心高さが融液液面に対して−75〜+50mmとなるように印加しながら、シリコン融液に種結晶を浸漬させ、次に種結晶及び石英るつぼを回転させながら種結晶を徐々に引き上げて種結晶の下に単結晶を成長させた。尚、単結晶の成長速度(引き上げ速度)をV(mm/分)とし、単結晶成長時の融点から1350℃の温度勾配G(℃/分)としたときの比V/Gを0.185程度に設定し、Vを0.49mm/分に設定した。このようにして、条件5〜14の引き上げ条件で引き上げられてなる単結晶シリコンのインゴットを製造した。
また、条件3において結晶の回転速度の高速化によって低下した引き上げ速度の許容幅は、条件8〜10に示すように雰囲気中に水素を導入することによって改善された。条件8〜10のように、所定量の水素を導入すると共に、るつぼ回転速度並びに単結晶の回転速度を制御することによって、格子間酸素濃度の低減と、抵抗率のばらつきの低減と、引き上げ速度の許容幅の拡大を同時に実現できることが判明した。
また、条件4において窒素ドープによって増大した抵抗率のばらつきは、条件12及び13に示すように雰囲気中に水素を導入することによって改善された。これは、窒素ドープによって引き起こされたシリコン融液の対流状態の変動を水素の導入によって抑制できたためと考えられる。また条件12及び13では、引き上げ速度の許容幅についても、窒素ドープ単独(条件5〜6)、水素導入単独(条件7〜11)の場合と比べて拡大することができた。
更にこの条件12及び13に対して、リンの導入を中性子照射により行った条件14では、抵抗率のばらつきがより低減された。
窒素濃度=2.4×1014atoms/cm3〜1.5×1015atoms/cm3、水素なし、ルツボ回転0.5rpm、結晶回転8rpmで製造した抵抗率75Ω・cmのウェーハに、まず、表3に示すIGBT製造プロセスを模擬した熱処理を施した。
その後、窒素濃度が2.4×1014atoms/cm3〜1.5×1015atoms/cm3で、酸素濃度が4×1017atoms/cm3のウェーハを半分に分割し、片方はそのまま四探針法で抵抗率を測定し、もう片方は表3の熱処理を施した後に四探針法で抵抗率を測定し、熱処理によって減少したドナー濃度を評価した。
その結果を表4に示す。
窒素濃度=2.2×1014atoms/cm3〜1.3×1015atoms/cm3、結晶引き上げ時の水素分圧150Pa、ルツボ回転0.7rpm、結晶回転6rpmとして製造した抵抗率75Ω・cmのウェーハに、まず、表3に示したIGBT製造プロセスを模擬した熱処理を施した。
その後、窒素濃度が2.2×1014atoms/cm3〜1.3×1015atoms/cm3で、酸素濃度が3.4×1017atoms/cm3のウェーハを半分に分割し、片方はそのまま四探針法で抵抗率を測定し、もう片方は表1の熱処理を施した後に四探針法で抵抗率を測定し、熱処理によって減少したドナー濃度を評価した。その結果を表5に示す。
窒素濃度=5.2×1014atoms/cm3、水素なしとして抵抗率75Ω・cmのウェーハを製造した。
窒素濃度が5.2×1014atoms/cm3で、酸素濃度が5.5×1017atoms/cm3の6枚のウェーハに表6に記載の前熱処理を施した後、半分に割って、右側の半分は、そのまま抵抗率を測定した。左側の半分は、表3に記載のIGBT製造プロセスを模擬した熱処理条件を施してから抵抗率を測定した。ウェーハの左右の抵抗率を測定して、表3の熱処理によるドナーの減少量を求めた。その結果を表7に示す。
Claims (5)
- チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶ウェーハが、結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121−1979)以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下とされ、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素をドープするとともに、窒素起因のドナー濃度を5×10 12 atoms/cm 3 以下とし、
前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×10 14 ×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度を設定して、
シリコン単結晶の引き上げ速度Vと結晶の成長方向での温度勾配GをGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能なV/Gで、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成するとともに、
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、シリコン融液にn型ドーパントを添加するか、シリコン融液にリンを2.9×10 13 atoms/cm 3 以上2.9×10 15 atoms/cm 3 以下、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを、その偏析係数に応じて結晶中の濃度が1×10 13 atoms/cm 3 以上1×10 15 atoms/cm 3 以下となるように添加するか、または、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射を行うことで、リンをドープすることを特徴とするIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法。 - チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成することにより得られるIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法であって、
前記シリコン単結晶ウェーハが、結晶径方向全域においてCOP欠陥および転位クラスタが排除されており、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F121−1979)以下であり、ウェーハ面内における抵抗率のばらつきが5%以下とされ、
前記シリコン単結晶に、5×10 12 atoms/cm 3 以上9×10 14 atoms/cm 3 以下の窒素がドープされるとともに、この単結晶からスライスしたウェーハに対して1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少する窒素起因のドナー濃度を5×10 12 atoms/cm 3 以下とし、
前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦4.267×10 14 ×R−1.0173 (1)
となるように窒素起因のドナー濃度を設定して、
シリコン単結晶の引き上げ速度Vと結晶の成長方向での温度勾配GをGrown−in欠陥フリーなシリコン単結晶が引き上げ可能なV/Gで、格子間酸素濃度が4×10 17 atoms/cm 3 以下の単結晶を育成するとともに、
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を育成する際に、シリコン融液にn型ドーパントを添加するか、シリコン融液にリンを2.9×10 13 atoms/cm 3 以上2.9×10 15 atoms/cm 3 以下、前記リンよりも偏析係数の小さなp型ドーパントを、その偏析係数に応じて結晶中の濃度が1×10 13 atoms/cm 3 以上1×10 15 atoms/cm 3 以下となるように添加するか、または、引き上げ後のシリコン単結晶に中性子照射を行うことで、リンをドープすることを特徴とするIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法。 - 狙い抵抗率が30〜120Ω・cmの高抵抗ウェーハにおいては、狙い抵抗率が0〜30Ω・cmの低抵抗ウェーハに比べて、前記熱処理前後における抵抗率の上昇を抑えるために許容される許容ドナー濃度変化を抑制することを特徴とする請求項1または2に記載のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法。
- 狙い抵抗率が30〜120Ω・cmの高抵抗ウェーハにおいては、前記熱処理によって減少するドナー濃度の変化量を5×10 12 atoms/cm 3 以下にし、
狙い抵抗率が0〜30Ω・cmの低抵抗ウェーハにおいては、前記熱処理によって減少するドナー濃度の変化量を2×10 13 atoms/cm 3 以下にすることを特徴とする請求項1または2に記載のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法。 - 前記シリコン単結晶ウェーハにおいて、狙い抵抗率をR、1150℃×30分の熱処理またはこの条件と同等の熱処理を施した際にこの熱処理によって減少するドナー濃度変化を[D]とした場合に
[D]≦2.2368×10 14 ×R−1.0173 (2)
となるように窒素起因のドナー濃度が設定されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のIGBT用シリコン単結晶ウェーハの製造方法。
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