JP2010059032A - 垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハ及びその製造方法、垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置、並びに、垂直シリコンデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】中性子線の照射を行うことなくほぼ均一な高抵抗を持つシリコンウェーハを高い歩留まりで作製可能な方法を提供する。
【解決手段】アンチモン等の揮発性ドーパントを添加したシリコン融液２１からチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引き上げることにより垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハを製造する方法であって、前記シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、前記シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させる。これにより、引き上げが進行するに連れてシリコン融液からのドーパントの蒸発が促進されることから、ドーパントの偏析が効果的に補償される。さらに、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、チャンバー１１内の圧力を低下させることが好ましく、これにより、ドーパントの偏析をより確実に補償することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの垂直シリコンデバイス用の基板として好適に用いられるシリコンウェーハ及びその製造方法、並びに、垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置に関し、特に、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により作製されたシリコンウェーハ及びその製造方法、並びに、このようなシリコンウェーハを製造するための垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置に関する。また、本発明は、このようなシリコンウェーハを用いて製造されたＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイスに関する。

垂直シリコンデバイスは、プロセッサやメモリなどの一般的なＬＳＩのようにシリコンチップの表面に沿ってスイッチング電流を流すのではなく、シリコンチップの厚み方向（すなわち、シリコンチップの表面とは垂直な方向）にスイッチング電流を流すタイプの半導体デバイスであり、主に電源装置内のスイッチング素子として用いられる。このため、垂直シリコンデバイスは「パワーデバイス」と呼ばれることもある。

垂直シリコンデバイスとしては、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などが知られている。このうち、パワーＭＯＳＦＥＴは従来から広く用いられているが、近年においてはハイブリッド車や電気自動車の動力モータ用電源のように、大容量、高耐圧、高速スイッチングを求められる用途が拡大しており、このような用途に適したＩＧＢＴへの注目が高まっている。これは、パワーＭＯＳＦＥＴにおいてはオン抵抗が耐圧の２．５乗に比例して増加するという特性を有しているため、６００Ｖ以上の耐圧が求められるハイブリッド車用電源などに用いることが困難だからである。これに対し、ＩＧＢＴは伝導度変調効果によってオン抵抗が大幅に低減されるという特徴を有しているため、上記の用途に最適である。したがって、ＩＧＢＴは、ハイブリッド車用電源のように大容量のスイッチング電源においては今や欠かせないデバイスである。

ＩＧＢＴとしては、基板上にｐ層及びｎ層を平面的に形成するプレーナ型と、基板にゲートトレンチが形成されたトレンチ型が知られている。トレンチ型は、プレーナ型よりもオン抵抗が小さく、且つ、スイッチング速度が高速であることから、ハイブリッド車用電源のようにエネルギー効率が特に重視される用途においては、プレーナ型からトレンチ型への移行が進んでいる。

ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴに正孔注入用Ｐ接合が付加された構造を有しており、ゲートに印加する電圧によってエミッタ−コレクタ間の電流を制御する素子である。ＩＧＢＴは、高抵抗のｎ⁻型シリコン層を主体とし、その表面側にはゲート及びエミッタが形成され、裏面側にはＰ接合を介してコレクタが形成されている。このように、ゲート及びエミッタとコレクタとの間に高抵抗のｎ⁻型シリコン層が介在しており、ｎ⁻型シリコン層にはコレクタ側から正孔が注入される。これにより、低いオン抵抗を得ることができるとともに、大電流を流した場合でも破壊されにくいという特徴を備えている。

ＩＧＢＴは、ゲートに電圧を印加することによってスイッチング制御を行う素子であることから、ゲート酸化膜には欠陥がないことが望まれる。シリコン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ことから、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハにおいては、このような欠陥が存在しないことが重要である。

また、スイッチング電流は、表面側に位置するエミッタと裏面側に位置するコレクタとの間を流れるので、ウェーハ内部の欠陥はＩＧＢＴの特性を大きく左右する。特に、再結合ライフタイムと抵抗率は重要な品質である。再結合ライフタイムは、基板中の結晶欠陥によって低下することから、デバイスプロセスを経ても結晶欠陥が生じないように制御することが必要である。抵抗率に関しては、均一性と安定性が要求される。ウェーハの面内だけでなく、ウェーハ間、すなわち、シリコンインゴットの長さ方向でも均一で、且つ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。仮に、抵抗率の異なる複数の素子が並列に使用された場合、抵抗率の低い素子に大電流が集中し破損してしまうことから、抵抗率の均一性と安定性は、パワーデバイスにおいては重要である。

さらに、ＩＧＢＴを高耐圧化するためには、基板の不純物濃度を低くすることにより抵抗率を高めるとともに、エミッタ−コレクタ間の厚さを大きくする必要がある。具体的には、車載用高耐圧品として用いる場合、１Ω・ｃｍ以上、好ましくは５０Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有し、且つ、エミッタ−コレクタ間の厚さが１００μｍ程度であることが求められる。また、抵抗率のばらつきも非常に少ないことが要求される。

このような要求を満たすためには、ＣＺ法による通常のウェーハ（ＣＺウェーハ）を用いることは困難であると考えられていた。その理由の一つとして、ドーパントの偏析現象が挙げられる。

つまり、ドーパントは所定の偏析係数を持つため、シリコンインゴットが引き上げられると、これに伴ってシリコン融液がその分減少する。ｎ型のドーパントであるＰ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）又はＡｓ（ヒ素）は偏析係数が１未満であることから、シリコンインゴットの引き上げに伴ってシリコン融液が減少すると、融液中のドーパント濃度が高くなってしまう。このため、シリコンインゴットの引き上げが進行するに連れて抵抗率が低くなり、シリコンインゴットの軸方向における抵抗率を全長の大きな範囲に亘ってほぼ一定とすることは困難であった。

ドーパントの偏析による抵抗率の変動をできる限り小さくするためには、偏析係数が１により近いドーパントを選択することが有効である。このため、従来はｎ型のドーパントとしては偏析係数が最も１に近いＰ（リン）が選択されることが一般的であった。Ｐ（リン）は、Ｓｂ（アンチモン）やＡｓ（ヒ素）に比べて偏析係数が１に近いため、一般的な用途のシリコンウェーハのようにドーパント濃度が比較的高い場合には、偏析による抵抗率の変動の影響を実用上問題のないレベルに抑えることが可能である。

しかしながら、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハは求められるドーパント濃度が著しく低いことから、僅かな偏析によって抵抗率が大きく変動してしまう。このため、ｎ型のドーパントとして偏析係数が１に近いＰ（リン）を選択した場合であっても、所望の抵抗率を持ったシリコンウェーハは１本のシリコンインゴットからごく僅かしか得られず、歩留まりが非常に低いという問題があった。

別の方法として、ノンドープのシリコンインゴットをチョクラルスキー法によって引き上げ、これに中性子線を照射することによって^３０Ｓｉを^３１Ｐに変換する方法が知られている。この方法によれば、シリコンインゴットの軸方向における抵抗率をほぼ全長に亘って一定の高抵抗とすることが可能である。しかしながら、中性子線の照射は大幅なコスト増大をもたらす。このため、高耐圧なＩＧＢＴをより低コストで供給するためには、中性子線の照射が不要なＩＧＢＴ用ＣＺウェーハを作製することが望まれる。

ＣＺ法において、全長に亘り均一なドーパント濃度を得る方法としては、特許文献１に記載された方法が知られている。特許文献１に記載された方法は、ｎ型ドーパントとしてＳｂ（アンチモン）を用い、チャンバー内の圧力制御によりシリコン融液中のドーパントの蒸発を促進させることによって、偏析を補償するものである。
特公昭４４−２１０１４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、抵抗率が０．０１Ω・ｃｍといった低抵抗領域（高濃度領域）においては実用上問題のないレベルまで偏析を補償することができるものの、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハのように５０Ω・ｃｍ程度の高抵抗領域（低濃度領域）においては、実用上問題のないレベルまで偏析を補償することはできない。これは、特許文献１では単にチャンバー内の圧力を制御しているだけだからである。

以上、ＩＧＢＴ用シリコンウェーハにかかわる課題を述べたが、上記の課題はＩＧＢＴ用のシリコンウェーハに限らず、他の垂直シリコンデバイス用のシリコンウェーハにおいても同じく生じる問題である。

したがって、本発明は、垂直シリコンデバイス用のＣＺウェーハであって、中性子線の照射を行うことなくほぼ均一な高抵抗を持つＣＺウェーハを高い歩留まりで作製可能な方法及びこれに用いる装置を提供することを目的とする。また、本発明は、垂直シリコンデバイスの作製に好適であり、従来よりも安価に提供可能なシリコンウェーハを提供することを目的とする。さらに、本発明は、このようなシリコンウェーハを用いて作製された垂直シリコンデバイスを提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく本発明者が鋭意検討を重ねた結果、シリコン融液中のドーパントの蒸発速度は、チャンバー内の圧力だけでなく、Ａｒガスの流量によっても大きく左右されることが判明した。特に、シリコン融液の表面は蒸発したドーパント含有ガスの濃度が高いため、ここを流れるＡｒガスの流量を制御すれば、蒸発速度を大きくコントロールできることが判明した。

本発明はこのような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明による垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法は、揮発性ドーパントを添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引き上げることにより垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハを製造する方法であって、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させることを特徴とする。

本発明において、「揮発性ドーパント」とは、シリコン融液からの蒸発速度がＰ（リン）よりも速いドーパントを指し、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｂ（アンチモン）及びＡｓ（ヒ素）が該当する。これは、蒸発速度がＰ（リン）と同じかそれ以上であれば、シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を変化させても、蒸発量の変化が小さいことから、実質的にドーパント濃度の調整に寄与しないからである。シリコン融液からの蒸発速度は表１の通りである。

表１に示す通り、シリコン融液からのＳｂ（アンチモン）の蒸発速度は非常に速い。このため、本発明においては、揮発性ドーパントとしてＳｂ（アンチモン）を選択することが最も好ましい。尚、シリコン融液からの蒸発は、酸化物の形で行われる。

本発明によれば、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させていることから、引き上げが進行するに連れてシリコン融液からのドーパントの蒸発が促進される。シリコン融液の表面近傍においては、蒸発したドーパントの酸化物（ドーパントがＳｂ（アンチモン）の場合は、Ｓｂ_ｘＯ_ｙ）の濃度が非常に高いことから、シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させれば、ドーパントの蒸発を効果的に促進することが可能となり、単にチャンバー内の圧力を制御する場合と比べて、ドーパントの偏析をより効果的に補償することが可能となる。したがって、本発明の方法により作製されたシリコンウェーハは、ＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイス用の基板として好適に用いることが可能となる。本発明において、「垂直シリコンデバイス」とは、パワーＭＯＳＦＥＴ、サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）など、シリコンチップの厚み方向にスイッチング電流を流すタイプの半導体デバイスを指す。用途については限定されず、したがって、パワーデバイス以外のデバイスも含まれる。

Ａｒガスの流量は、引き上げ進行に伴って連続的に増加させても構わないし、段階的に増加させても構わない。好ましくは、シリコン単結晶の引き上げの初期におけるＡｒガスの流量に対し、シリコン単結晶の引き上げの終期におけるＡｒガスの流量を１超、３倍以下倍とすることが好ましい。これによれば、ドーパントの偏析をより効果的に補償することが可能となる。

本発明においては、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、チャンバー内の圧力を低下させることが好ましい。これによれば、引き上げが進行するに連れてシリコン融液からのドーパントの蒸発がよりいっそう促進されることから、ドーパントの偏析をよりいっそう効果的に補償することが可能となる。

この場合、チャンバー内の圧力は、引き上げ進行に伴って連続的に減少させても構わないし、段階的に減少させても構わない。好ましくは、シリコン単結晶の引き上げの初期におけるチャンバー内の圧力をａとし、シリコン単結晶の引き上げの終期におけるチャンバー内の圧力をａ／４以上、ａ／２以下とすることが好ましい。これによれば、ドーパントの偏析をより確実に補償することが可能となる。

また、本発明による垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置は、るつぼが収容されたチャンバーと、るつぼ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる引き上げ機構と、チャンバー内にＡｒガスを供給するガス供給手段と、シリコン融液の表面に沿って配置され、Ａｒガスがシリコン融液の表面に沿って流れるよう案内する誘導板とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、Ａｒガスを案内する誘導板を備えていることから、蒸発したドーパントの酸化物濃度が高いシリコン融液表面の流速を高めることが可能となる。これにより、単にチャンバー内の圧力を制御する場合と比べて、ドーパントの偏析をより効果的に補償することが可能となる。したがって、本発明の装置により作製されたシリコンウェーハは、ＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイス用の基板として好適に用いることが可能となる。

ガス供給手段は、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させることが好ましい。これによれば、ドーパントの偏析をより効果的に補償することが可能となる。Ａｒガスの流量は、引き上げ進行に伴って連続的に増加させても構わないし、段階的に増加させても構わない。

本発明においては、チャンバー内を減圧状態とする減圧手段をさらに備え、減圧手段は、シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、チャンバー内の圧力を低下させることが好ましい。これによれば、ドーパントの偏析をより確実に補償することが可能となる。チャンバー内の圧力は、引き上げ進行に伴って連続的に減少させても構わないし、段階的に減少させても構わない。

また、本発明によるシリコンウェーハは、上記の製造方法によって製造され、格子間酸素濃度［Ｏｉ］が８．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり（但し、［Ｏｉ］はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値であり、ｋはボルツマン定数（８．６１７×１０^−５（ｅＶ／Ｋ））である）、抵抗率の面内ばらつきが１０％以下であることを特徴とする。さらに、本発明による垂直シリコンデバイスは、上記のシリコンウェーハを用いて作製されたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、大口径のシリコンウェーハを安価に製造可能なチョクラルスキー法を用いているにもかかわらず、ドーパントの偏析による抵抗率の変動が効果的に抑制される。これにより、中性子線の照射を行うことなく、シリコンインゴットの軸方向における抵抗率をほぼ全長に亘って一定の高抵抗とすることが可能となる。したがって、垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハを安価に提供することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、シリコン単結晶引き上げ装置１０は、チャンバー１１と、チャンバー１１の底部中央を貫通して鉛直方向に設けられた支持回転軸１２と、支持回転軸１２の上端部に固定されたグラファイトサセプタ１３と、グラファイトサセプタ１３内に収容された石英るつぼ１４と、グラファイトサセプタ１３の周囲に設けられたヒーター１５と、支持回転軸１２を昇降及び回転させるための支持軸駆動機構１６と、種結晶を保持するシードチャック１７と、シードチャック１７を吊設する引き上げワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るためのワイヤー巻き取り機構１９と、ヒーター１５及び石英るつぼ１４からの輻射熱によるシリコンインゴット２０の加熱を防止すると共にシリコン融液２１の温度変動を抑制するための熱遮蔽部材２２と、各部を制御する制御装置２３とを備えている。このうち、シードチャック１７、ワイヤー１８及びワイヤー巻き取り機構１９は、本発明における「引き上げ機構」に相当する。

本実施形態においては、シリコン融液２１にｎ型のドーパントとして微量のＳｂ（アンチモン）が添加されている。添加量としては、引き上げられるシリコンインゴット２０の抵抗率が５０Ω・ｃｍとなるよう調整される。５０Ω・ｃｍとなるよう調整しているのは、ＩＧＢＴ用のシリコンウェーハに求められる電気特性だからである。Ｓｂ（アンチモン）は、Ｐ（リン）と比べて偏析係数がさらに小さいことから、シリコンインゴット２０の軸方向における濃度変化が大きくなりやすい。その一方で、Ｓｂ（アンチモン）は揮発性ドーパントであり、シリコン融液２１に含まれる酸素と結合してＳｂｘＯｙを形成し、これがガスとなってシリコン融液２１から蒸発しやすい。このため、偏析による濃度上昇と、蒸発による濃度低下のバランスを取れば、シリコンインゴット２０の軸方向におけるドーパント濃度をほぼ一定とすることが可能となる。

チャンバー１１の上部には、ＡｒガスであるＡｒガスをチャンバー１１内に導入するためのガス導入口２４が設けられている。Ａｒガスはガス管２５を介してガス導入口２４からチャンバー１１内に導入され、その導入量はコンダクタンスバルブ２６により制御される。ガス導入口２４、ガス管２５及びコンダクタンスバルブ２６は、本発明における「ガス供給手段」に相当する。

チャンバー１１の底部には、チャンバー１１内のＡｒガスを排気するためのガス排出口２７が設けられている。密閉したチャンバー１１内のＡｒガスはガス排出口２７から排ガス管２８を経由して外へと排出される。排ガス管２８の途中にはコンダクタンスバルブ２９及び真空ポンプ３０が設置されており、真空ポンプ３０でチャンバー１１内のＡｒガスを吸引しながらコンダクタンスバルブ２９でその流量を制御することでチャンバー１１内の減圧状態が保たれている。ガス排出口２７、排ガス管２８、コンダクタンスバルブ２９及び真空ポンプ３０は、本発明における「減圧手段」に相当する。

さらに、チャンバー１１の外側には磁場供給装置３１が設けられている。磁場供給装置３１から供給される磁場は、水平磁場であっても構わないし、カスプ磁場であっても構わない。

図１に示すように、熱遮蔽部材２２は、シリコンインゴット２０を取り囲む本体部のほか、シリコン融液２１の表面に沿って配置された誘導板２２ａを有している。誘導板２２ａは、ガス導入口２４から導入されるＡｒガスがシリコン融液２１の表面に沿って流れるよう案内する役割を果たす。

図２は、シリコン融液２２の表面近傍の模式的な拡大図である。

図２に示すように、熱遮蔽部材２２の本体部は、シリコンインゴット２０を取り囲む筒状体であるのに対し、誘導板２２ａは、シリコン融液２１の表面を覆うドーナツ状の円板である。これにより、シリコンインゴット２０と熱遮蔽部材２２の本体部との隙間を流れるＡｒガスは、シリコン融液２１の表面に達すると、誘導板による案内によりシリコン融液２１の表面に沿って外側へ誘導される。このため、誘導板２２ａが存在しない場合と比べて、シリコン融液２１の表面におけるＡｒガスの流速が速くなる。

シリコン融液２１の表面には、ドーパントであるＳｂ（アンチモン）の酸化物（ＳｂｘＯｙ）が高濃度で存在している。ＳｂｘＯｙは、原料であるシリコンと、石英るつぼ１４から溶出した酸素が結合して生成される化合物であり、シリコン融液内で生成され、ガスの形でシリコン融液から排出される。

図３は、シリコン融液表面からの距離とＳｂｘＯｙの濃度との関係を示すグラフである。

図３に示すように、ＳｂｘＯｙの濃度はシリコン融液２１の表面ほど高く、シリコン融液２１の表面から遠ざかるに連れて急激に低下する。したがって、シリコン融液２１の表面近傍におけるＡｒガスの流速を高めれば、高濃度のＳｂｘＯｙガスが排出され、シリコン融液２１の表面近傍におけるＳｂｘＯｙガスの分圧が低下する。その結果、シリコン融液２１からのＳｂｘＯｙガスの蒸発が効果的に促進されることになる。

Ａｒガスの流量は、制御装置２３の制御により、シリコンインゴット２０の引き上げ進行に伴って連続的又は段階的に増加させる。これにより、引き上げの進行に伴ってシリコン融液２１の表面を流れるＡｒガスの流速が増すことから、偏析の影響が大きくなる引き上げの終期におけるドーパント濃度の上昇を効果的に抑制することが可能となる。偏析の影響によるドーパント濃度の上昇は、固化率が約６５％以上の領域で著しくなることから、これを境としてＡｒガスの流量を増大させることが好ましい。固化率６５％を境界としたＡｒガスの流量変化は１倍超、３倍以下とすることが好ましい。これは、Ａｒガスの流量が３倍超に変化するとシリコン融液の液面が揺れ、単結晶の成長が阻害されるからである。その一方で、Ａｒガスの流量変化が少ないと、ＳｂｘＯｙガスの蒸発が十分に促進されないことから、Ａｒガスの流量変化は１．５倍〜１．８倍程度とすることが好ましい。具体的な流量については、引き上げ開始時において１００Ｌ／ｍｉｎ程度、引き上げ終了時において１５０〜１８０Ｌ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。

さらに、チャンバー１１の内圧は、制御装置２３の制御により、シリコンインゴット２０の引き上げ進行に伴って連続的又は段階的に減少する。これにより、引き上げの進行に伴ってＳｂｘＯｙガスの蒸発が促進されることから、偏析の影響が大きくなる引き上げの終期におけるドーパント濃度の上昇を効果的に抑制することが可能となる。具体的には、引き上げ開始時におけるチャンバー１１内の圧力をａとし、引き上げの進行に伴って徐々に圧力を低下させ、引き上げ終了時にはａ／４以上、ａ／２以下とすることが好ましく、ａ／３程度とすることが特に好ましい。これは、圧力を当初の１／４未満まで低下させると、シリコン融液の液面が揺れ、単結晶の成長が阻害されるからである。一方で、圧力の低下が当初の１／２超であると、ＳｂｘＯｙガスの蒸発が十分に促進されないからである。具体的な圧力については、引き上げ開始時において３０ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）程度、引き上げ終了時において１０ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）程度とすることが好ましい。

また、シリコン融液２１には、窒素が添加されていることが好ましい。シリコン融液２１に窒素を添加するためには、原料となるポリシリコンを石英るつぼ１４に投入する際に、窒素を含む物質を混入させればよい。窒素を含む物質としては、例えば窒化膜付きシリコンウェーハを挙げることができる。窒素の添加量としては、引き上げられるシリコンインゴット２０中の窒素濃度が２×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となるように設定することが好ましい。

シリコンインゴット２０の引き上げでは、まず単結晶を無転位化するためにダッシュ法によるシード絞り（ネック部の形成）を行う。次に、必要な直径の単結晶を得るためにショルダー部を育成し、単結晶が求める直径になったところで直径を一定にしてボディ部を育成する。ボディ部を所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶をシリコン融液から切り離すためにテール絞り（テール部の形成）を行なう。その後、シリコン融液から切り離したシリコンインゴット２０を所定の条件で冷却する。以上の引き上げ工程により、単結晶のシリコンインゴット２０を得ることができる。

シリコンインゴット２０の引き上げにおいては、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℃の温度勾配をＧ（℃／ｍｍ）としたときの比Ｖ／Ｇを０．２２〜０．２７程度に制御することが好ましい。また、石英るつぼ１４の回転数を０．０５〜０．５ｒｐｍとし、磁場供給装置３１を用いて、シリコン融液に２０００〜５０００Ｇ（０．２Ｔ〜０．５Ｔ）、好ましくは３０００〜４０００Ｇ（０．３Ｔ〜０．４Ｔ）、より好ましくは３０００〜３５００Ｇ（０．３０Ｔ〜０．３５Ｔ）の水平磁場を印加することが好適である。磁場を印加すれば、シリコンインゴット２０の酸素濃度を制御することが可能であるが、本実施形態では、ドーパントであるＳｂ（アンチモン）と酸素が結合し、ＳｂｘＯｙガスとして排出されることから、酸素濃度についても低減することが可能となる。具体的には、シリコンインゴット２０の格子間酸素濃度［Ｏｉ］を８．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に設定することが可能となる。但し、［Ｏｉ］はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値である。

このように、シリコン融液中の酸素がＳｂｘＯｙガスの形で排出されることから、通常の方法では到達困難なレベルの低酸素結晶を得ることができる。ＣＺ法により製造されたシリコン単結晶ウェーハには、通常、１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３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。また、過剰な酸素が含まれた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ＳｉＯ_２となって酸素析出し、再結合ライフタイムの劣化やリーク不良などの原因となり、ＩＧＢＴ特性を劣化させてしまう。しかしながら、ＳｂｘＯｙガスの形でシリコン融液中の酸素を排出すれば、格子間酸素濃度［Ｏｉ］を８．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の低酸素状態とすることができることから、再結合ライフタイムの低下や酸素ドナー形成による抵抗率の変化を防止することが可能となる。したがって、ＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイス用のシリコンウェーハとして非常に好適である。

引き上げられたシリコンインゴット２０は、軸方向（引き上げ方向）における抵抗率が全長に亘ってほぼ一定となる。具体的な抵抗率については、添加するドーパント量によって調整することができるが、ＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイス用である場合には、１Ω・ｃｍ以上である必要があり、２０Ω・ｃｍ以上１００Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、５０Ω・ｃｍ程度であることが特に好ましい。従来の方法では、このような抵抗率を高歩留まりで得るためには、ノンドープのシリコンインゴットに中性子線を照射するしか方法がなかったが、上述した引き上げ方法によれば、中性子線を照射することなくシリコンインゴット２０の軸方向における抵抗率を全長に亘って上記の範囲とすることが可能となる。さらに、抵抗率の面内ばらつき（結晶径方向におけるばらつき）も１０％以下に低減される。

また、シリコンインゴット２０中の窒素濃度を２×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすれば、ＣＯＰのサイズが小さくなることから、その後の熱処理工程においてより短時間でＣＯＰを消滅させることができる。さらに、窒素ドープにより、窒素による転位のピンニング効果を発現させることができ、高温熱処理によるスリップ転位の発生を抑制できる。このような熱処理は、シリコンインゴット２０をスライスし、シリコンウェーハの状態としてから行われる。

ＣＯＰを消滅させるためにシリコンウェーハに対して熱処理を行った場合、シリコンウェーハの表面に酸化膜が形成されたり、ヘイズが生じたりすることがある。このような酸化膜やヘイズを除去するためには、シリコンウェーハの表面をミラーポリッシュすることが好ましい。これによれば、熱処理後、シリコンウェーハの表面近傍に残留しているＣＯＰが除去されるため、ゲート酸化膜の信頼性を高めることが可能となる。

さらに、シリコンウェーハに対しては、裏面にエクストリンシックゲッタリング層（ＥＧ層）を形成することが好ましい。これは、格子間酸素濃度を低く設定した場合、酸素によるゲッタリング効果が期待できないからである。このような場合、シリコンウェーハの裏面にエクストリンシックゲッタリング層（ＥＧ層）としてのポリシリコン層又は歪み層を形成し、デバイスプロセスにおける重金属汚染を除去する必要がある。ＥＧ層としてポリシリコン層を用いる場合には、その厚みを０．５μｍ以上２μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。これは、厚みが０．５μｍ以上であればゲッタリング効果を十分に発揮させることができ、厚みが２μｍ以下であれば、ウェーハの反りを防止できるからである。ポリシリコン層は、ＣＶＤ法などにより形成することが可能である。また、ＥＧ層として歪み層を用いる場合には、サンドブラスト法などによってシリコンウェーハの裏面に物理的なダメージを与えればよい。

以上のようにして製造されたシリコンウェーハは、中性子線の照射を行うことなくｎ型のドーパントがほぼ均一にドープされることによって、抵抗率が１Ω・ｃｍ以上、好ましくは２０Ω・ｃｍ以上１００Ω・ｃｍ以下、より好ましくは５０Ω・ｃｍ程度となる。また、ウェーハの面内における抵抗のばらつきも１０％以下となる。このため、ＩＧＢＴなどの垂直シリコンデバイス用の基板として好適に用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、揮発性ドーパントとしてＳｂ（アンチモン）を選択したが、Ｓｂ（アンチモン）の代わりにＡｓ（ヒ素）を選択しても構わない。但し、表１に示した通り、Ａｓ（ヒ素）はＳｂ（アンチモン）と比べると蒸発速度が遅いため、揮発性ドーパントとしてＡｓ（ヒ素）を用いる場合には、Ｓｂ（アンチモン）を用いた場合よりもＡｒガスの流量を多くし、且つ、流量の変化をより大きくする必要がある。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１−１）
図１に示したシリコン単結晶引き上げ装置を用い、ＣＺ法によって直径２００ｍｍでありボディ部の全長が１８００ｍｍであるシリコンインゴットを育成した。

具体的には、２４インチ石英るつぼにポリシリコン原料１４０ｋｇを投入し、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。シリコン融液中には、ｎ型のドーパントとしてＳｂ（アンチモン）を添加した。ドーパントの濃度は、シリコンインゴット２０のトップ部における抵抗率が５０Ω・ｃｍとなるよう調整した。

次に、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０．２７程度に設定した。

引き上げ時におけるＡｒ流量は、固化率６５％未満の領域において１００Ｌ／ｍｉｎ、固化率６５％以上の領域において１５０Ｌ／ｍｉｎとし、固化率６５％を境界として段階的に増加させた。さらに、引き上げ時におけるチャンバー内の圧力は、トップ形成時において３０ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）、テール形成時において１０ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）とし、連続的に減少させた。

また、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。石英るつぼの回転数を低くすることにより酸素濃度が低減される。また、ＭＣＺ法（磁場印加）を採用することで、低酸素濃度のシリコンインゴットの製造がより簡便となり有効である。このようにして、格子間酸素濃度が３．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、窒素濃度が２．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のシリコンインゴットを製造した。

引き上げられたシリコンインゴットからウェーハを切り出し、結晶軸方向のウェーハ抵抗率を調査するため、結晶のトップから９０ｍｍ刻み（固化率に換算して５％刻み）で四端子法にてウェーハ中心部の抵抗率を測定した。

結果を図４に示す。図４に示すように、実施例１−１によるシリコンインゴットは、トップ部からテール部にまで抵抗率がほぼ５０Ω・ｃｍの一定値であった。

（比較例１−１）
比較例１−１は、シリコン融液からのＳｂ（アンチモン）の蒸発が無いとした場合における理論値である。図４に示すように、理論値によれば、Ｓｂ（アンチモン）の偏析により、テール部に近づくに連れて抵抗率が大きく低下する。抵抗率は、固化率８０％程度になると１０Ω・ｃｍまで低下する。

（比較例１−２）
比較例１−２においては、図１に示したシリコン単結晶引き上げ装置から誘導板２２ａを省略するとともに、引き上げ時におけるＡｒ流量を１００Ｌ／ｍｉｎに固定し、チャンバー内の圧力を３０ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）に固定した。その他の条件については、実施例１−１と同一とした。結果を図４に示す。図４に示すように、比較例１−２では、Ｓｂ（アンチモン）の蒸発が生じていることから、比較例１−１（理論値）に比べると抵抗率の変化が小さくなっているが、その差はごく僅かである。

（実施例１−２）
実施例１−２においては、引き上げ時におけるチャンバー内の圧力を３０ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）に固定した他は、実施例１−１と同一条件で引き上げを行った。結果を図４に示す。図４に示すように、実施例１−２では、引き上げが進むにつれて抵抗率が徐々に低下しているが、比較例１−２（Ａｒ流量を１００Ｌ／ｍｉｎに固定）と比べると、抵抗率の変化が緩和された。

（実施例２−１）
ｎ型のドーパントとしてＡｓ（ヒ素）を用い、Ａｒ流量を固化率６５％未満の領域において１００Ｌ／ｍｉｎ、固化率６５％以上の領域において１８０Ｌ／ｍｉｎとした他は、実施例１−１と同一条件で引き上げを行った。したがって、引き上げ時におけるチャンバー内の圧力は、トップ形成時において３０ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）、テール形成時において１０ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）とし、連続的に減少させた。ドーパントの濃度は、シリコンインゴット２０のトップ部における抵抗率が５０Ω・ｃｍとなるよう調整した。

結果を図５に示す。図５に示すように、実施例２−１によるシリコンインゴットは、トップ部からテール部にまで抵抗率がほぼ５０Ω・ｃｍの一定値であった。実施例１−１と比べて抵抗率のばらつきが若干大きくなっているのは、Ａｓ（ヒ素）の蒸発速度がＳｂ（アンチモン）の蒸発速度よりも遅いからであると考えられる。

（比較例２−１）
比較例２−１は、シリコン融液からのＡｓ（ヒ素）の蒸発が無いとした場合における理論値である。図５に示すように、理論値によれば、Ａｓ（ヒ素）の偏析により、テール部に近づくに連れて抵抗率が大きく低下する。

（比較例２−２）
比較例２−２においては、図１に示したシリコン単結晶引き上げ装置から誘導板２２ａを省略するとともに、引き上げ時におけるＡｒ流量を１００Ｌ／ｍｉｎに固定し、チャンバー内の圧力を１００ｔｏｒｒ（１３３３３Ｐａ）に固定した。その他の条件については、実施例２−１と同一とした。結果を図５に示す。図５に示すように、比較例２−２では、Ａｓ（ヒ素）の蒸発が生じていることから、比較例２−１（理論値）に比べると抵抗率の変化が小さくなっているが、その差はごく僅かである。

本発明の好ましい実施形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す模式図である。 シリコン融液２２の表面近傍の模式的な拡大図である。 シリコン融液表面からの距離とＳｂｘＯｙの濃度との関係を示すグラフである。 ドーパントとしてＳｂ（アンチモン）を用いた場合における固化率と抵抗率との関係を示すグラフである。 ドーパントとしてＡｓ（ヒ素）を用いた場合における固化率と抵抗率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ シリコン単結晶引き上げ装置
１１ チャンバー
１２ 支持回転軸
１３ グラファイトサセプタ
１４ 石英るつぼ
１５ ヒーター
１６ 支持軸駆動機構
１７ シードチャック
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２０ シリコンインゴット
２１ シリコン融液
２２ 熱遮蔽部材
２２ａ 誘導板
２３ 制御装置
２４ ガス導入口
２５ ガス管
２６ コンダクタンスバルブ
２７ ガス排出口
２８ 排ガス管
２９ コンダクタンスバルブ
３０ 真空ポンプ
３１ 磁場供給装置

Claims (10)

1. 揮発性ドーパントを添加したシリコン融液からチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引き上げることにより垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハを製造する方法であって、
   前記シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、前記シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させることを特徴とする垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法。
2. 前記シリコン単結晶の引き上げの初期における前記流量に対し、前記シリコン単結晶の引き上げの終期における前記流量を１倍超、３倍以下とすることを特徴とする垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法。
3. 前記シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、チャンバー内の圧力を低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法。
4. 前記シリコン単結晶の引き上げの初期における前記チャンバー内の圧力をａとし、前記シリコン単結晶の引き上げの終期における前記チャンバー内の圧力をａ／４以上、ａ／２以下とすることを特徴とする請求項３に記載の垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法。
5. 前記揮発性ドーパントがＳｂ（アンチモン）であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハの製造方法。
6. るつぼが収容されたチャンバーと、
   前記るつぼ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる引き上げ機構と、
   前記チャンバー内にＡｒガスを供給するガス供給手段と、
   前記シリコン融液の表面に沿って配置され、前記Ａｒガスが前記シリコン融液の表面に沿って流れるよう案内する誘導板と、を備えることを特徴とする垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置。
7. 前記ガス供給手段は、前記シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、前記シリコン融液の表面に沿って流れるＡｒガスの流量を増加させることを特徴とする請求項６に記載の垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置。
8. 前記チャンバー内を減圧状態とする減圧手段をさらに備え、
   前記減圧手段は、前記シリコン単結晶の引き上げ進行に伴って、前記チャンバー内の圧力を低下させることを特徴とする請求項６又は７に記載の垂直シリコンデバイス用シリコン単結晶引き上げ装置。
9. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法によって製造された垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハであって、格子間酸素濃度［Ｏｉ］が８．５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり（但し、［Ｏｉ］はＡＳＴＭ Ｆ−１２１（１９７９）に規格されたフーリエ変換赤外分光光度法による測定値であり、ｋはボルツマン定数（８．６１７×１０^−５（ｅＶ／Ｋ））である）、抵抗率の面内ばらつきが１０％以下であることを特徴とする垂直シリコンデバイス用シリコンウェーハ。
10. 請求項９のシリコンウェーハを用いて作製された垂直シリコンデバイス。

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