JP2016044109A - シリコン単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】バルクライフタイムが長く、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板に好適に用いることができる低炭素濃度のチョクラスキー法により製造されたシリコン単結晶を提供する。
【解決手段】少なくともチョクラルスキー法により引き上げられた結晶の固化率が９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ、光導電減衰法により測定されたバルクライフタイムが３０ｍｓｅｃ以上であるシリコン単結晶を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、高耐圧向けＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）用シリコン基板に適したチョクラルスキー（Czochralski；以下、ＣＺと略称する）法により製造された低炭素濃度のシリコン単結晶に関する。

一般に、１ｋＶ以上の高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板としては、酸素析出核等のキャリアの再結合中心となる結晶欠陥が少なく、キャリアのバルク再結合のライフタイム（以下、バルクライフタイムという）が長いものが求められている。
シリコン単結晶中における酸素析出核の形成は、主に炭素不純物に起因しており、形成された酸素析出核の成長は、結晶中の酸素濃度の影響を受けることが知られている。

シリコン単結晶インゴットの製造方法には、ＣＺ法とＦＺ（Floating Zone）法とがあり、ＦＺ法により製造されたシリコン単結晶（以下、ＦＺシリコン単結晶と略称する）は、酸素濃度が非常に低く、酸素析出核が成長しにくいことから、ＩＧＢＴ用シリコン基板には、従来、ＦＺシリコン単結晶が用いられていた。

一方、ＣＺ法においては、原料を石英ルツボに充填するため、石英ルツボからの酸素の混入が非常に多く、ＦＺシリコン単結晶と同等レベルまで酸素濃度を低減させることは困難である。このため、キャリアの再結合中心となる酸素析出核の成長が促進されやすく、バルクライフタイムが短いことから、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板には不向きとされていた。

しかしながら、ＦＺシリコン単結晶は、技術的に大口径化が困難であるため、量産性やコストの面での課題があり、今後のパワーデバイス市場の急速な成長への対応が懸念される。
このため、近年、量産性の優れたＣＺ法により製造されたシリコン単結晶（以下、ＣＺシリコン単結晶と略称する）を高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板として用いるために、その高品質化を図るべく技術開発が進められている。

そこで、本発明者らは、酸素析出核の形成の起因となる炭素不純物に着目し、ＦＺシリコン単結晶よりも炭素濃度を低減させたＣＺシリコン単結晶を育成する技術を開発するとともに、シリコン単結晶の炭素濃度及び酸素濃度とバルクライフタイムとの関係について検討した。

なお、特許文献１において、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下では、酸素析出量は炭素濃度にほとんど依存しなくなることが記載されている（段落００４８）。

特開平７−８９７８９号公報

しかしながら、上記特許文献１における炭素濃度の測定方法は、重水素照射による放射化分析であり、検出限界は２．５×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり（段落００３６参照）、それ以下の炭素濃度のシリコン単結晶について、炭素濃度と酸素濃度やバルクライフタイムとの関係を導き出すことはなし得ない。

これに対して、本発明者らは、上記の放射化分析による検出限界よりも炭素濃度を低減させたＣＺシリコン単結晶について、新たな評価方法によりその炭素濃度を測定し、このような低炭素濃度及び酸素濃度がバルクライフタイムにどのように影響するのかを検証した。そして、上記検証の結果、バルクライフタイムの長い、高品質のシリコン単結晶が得られることを見出した。

すなわち、本発明は、バルクライフタイムが長く、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板に好適に用いることができる低炭素濃度のＣＺシリコン単結晶を提供することを目的とする。

本発明に係るシリコン単結晶は、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶であって、少なくとも引き上げられた結晶の固化率が９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ、光導電減衰法により測定されたバルクライフタイムが３０ｍｓｅｃ以上であることを特徴とする。
このような低炭素濃度のシリコン単結晶は、酸素濃度に関係なく、ＦＺシリコン単結晶と同等又はそれ以上のバルクライフタイムを示すものである。

前記シリコン単結晶は、前記炭素濃度がフォトルミネッセンス（ＰＬ）法によって定量されたものであることが好ましい。
ＰＬ法によれば、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の低炭素濃度でも精度よく定量することが可能である。

本発明によれば、ＣＺシリコン単結晶であっても、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であれば、酸素濃度に関係なく、ＦＺシリコン単結晶と同等又はそれ以上のバルクライフタイムを示すシリコン単結晶を得ることができる。このようなシリコン単結晶は、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板に好適に適用することができるものであり、ＦＺシリコン単結晶よりも低コストかつ効率的に得ることができるという利点を有している。

実施例における各シリコン単結晶試料中の炭素濃度とバルクライフタイムの関係を示したグラフである。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコン単結晶は、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶である。そして、少なくとも引き上げられた結晶の固化率が９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ、光導電減衰法により測定されたバルクライフタイムが３０ｍｓｅｃ以上であることを特徴とするものである。
このように、シリコン単結晶の炭素濃度が非常に低い場合、酸素濃度に依存することなく、バルクライフタイムを増加させることができ、ＣＺシリコン単結晶よりも酸素濃度が低いＦＺシリコン単結晶と同等又はそれ以上のバルクライフタイムを得ることが可能となる。
また、前記ＣＺシリコン単結晶の炭素濃度がより低いほど、酸素濃度がバルクライフタイムの減少に及ぼす影響を低減させることができる。これは、炭素が酸素析出物の不均一核形成に寄与しており、炭素濃度が低いほど再結合中心となる酸素析出物（核）が低減するためであると推測される。

上記のようなバルクライフタイムは、前記シリコン単結晶のうち、少なくとも引き上げられた結晶の固化率が９０％までの結晶直胴部において測定された値である。
前記シリコン単結晶から高品質のウェーハを歩留まりよく得るためには、引き上げられた結晶直胴部の上記範囲内において高いバルクライフタイム値が得られることが好ましい。

前記シリコン単結晶は、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下である。
前記炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³を超える場合には、ＦＺシリコン単結晶と同等レベルにまでバルクライフタイムを向上させることが難しい。

このような非常に低い炭素濃度は、ＰＬ法によって定量されることが好ましい。
シリコン単結晶中の炭素濃度を分析する手法としては、ＦＴ−ＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）法が主流であるが、ＦＴ−ＩＲ法による炭素の検出下限は２．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であり、本発明に係るシリコン単結晶の炭素濃度を精度よく評価することは困難である。
また、ＦＴ−ＩＲ法よりも低濃度の炭素濃度を評価できる手法としては、荷電粒子放射化分析法が知られているが、この手法の検出下限は２．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度であり、この方法においても、本発明に係るシリコン単結晶の低濃度の炭素濃度を評価する手法としては適さない。
本発明においては、低炭素濃度のシリコン単結晶を得るために、１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の炭素濃度を精度よく定量する必要があることから、その評価方法としては、シリコン単結晶中の１．０×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³程度の極低炭素濃度の評価手法として報告されているＰＬ法を好適に用いることができる（S. Nakagawa, K. Kashima, M. Tajima, Proceedings of the Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2010 (2010) 326 参照）。

また、本発明に係るシリコン単結晶は、光導電減衰法により測定されたバルクライフタイム値が３０ｍｓｅｃ以上のものである。
光導電減衰法によるバルクライフタイムの測定法は、ＪＩＳ Ｈ ０６０４及びＡＳＴＭ Ｆ２８で規格化されている方法であり、角柱状の測定試料により接触方式で測定される。この方法は、ウェーハを非接触方式でレーザパルス照射により測定するμＰＣＤ法に比べて、表面再結合速度の影響が少なく、パッシベーションを要さずに、長いライフタイムを測定することができるという利点を有している。
このような方法により測定したバルクライフタイム値が３０ｍｓｅｃ以上であれば、ＦＺシリコン単結晶と同等又はそれ以上のバルクライフタイムを有するため、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板として好適に適用することができる。

なお、本発明に係るシリコン単結晶は、ＣＺ法により引き上げられたものであるが、引き上げの際の原料融液の対流を抑制し、石英ルツボから原料融液への酸素の溶出を抑制し、シリコン単結晶中の酸素濃度を低減させる観点から、前記原料融液に横磁場を印加する、いわゆるＭＣＺ法により引き上げることが好ましい。
具体的には、ルツボ回転数、不活性ガスの流速、ヒータパワー等の種々の条件を制御することにより、上記のような本発明に係るシリコン単結晶を引き上げることが可能である（本出願人による特願２０１３−１４６００５参照）。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。

（試料の作製）
下記試料Ａ〜Ｄを作製した。
なお、下記各試料の酸素濃度はＦＴ−ＩＲ法により、また、炭素濃度はＰＬ法により測定した。

［試料Ａ，Ｂ］
ＣＺ法により引き上げたノンドープのｐ型シリコン単結晶（抵抗範囲７〜２０ｋΩｃｍ）であって、酸素濃度（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）が１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のものを試料Ａ、４．０×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のものを試料Ｂとした。
試料Ａ，Ｂそれぞれのシリコン単結晶について、各種炭素濃度（７．０×１０¹²〜２．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³）の試料を作製した。

［試料Ｃ］
ＣＶＤ原料用シリコンを用いてＦＺ法により作製したノンドープのｐ型シリコン単結晶（抵抗範囲７〜２０ｋΩｃｍ）であって、酸素濃度（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）が１．０×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のものを試料Ｃとした。

［試料Ｄ］
ＣＺ原料用シリコンを用いてＦＺ法により作製したノンドープのｐ型シリコン単結晶（抵抗範囲７〜２０ｋΩｃｍ）であって、酸素濃度（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）が１．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のものを試料Ｄとした。

（バルクライフタイムの測定）
上記各試料について、２０ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍのサイズの角柱状に加工して、バルクライフタイムの測定試料とし、電極接触部にＧａを塗布した。
バルクライフタイムの測定は、ライフタイムテスター（ナプソン株式会社製ＨＦ−１００ＤＣＡ）を用いて行った。

上記測定結果について、図１に各シリコン単結晶試料中の炭素濃度とバルクライフタイムの関係のグラフとして示す。
図１に示した結果から分かるように、ＣＺシリコン単結晶（試料Ａ，Ｂ）は、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下と低濃度である場合、酸素濃度に関係なく、炭素濃度が低減するにしたがってバルクライフタイムが長くなり、炭素濃度が１．３×１０¹³ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下の場合には、バルクライフタイムが１００ｍｓｅｃ近くにまで長くなった。
一方、酸素濃度がＣＺシリコン単結晶の１／１０以下と低いＦＺシリコン単結晶（試料Ｃ，Ｄ）は、炭素濃度が１．２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、バルクライフタイムは３０ｍｓｅｃであった。
このことから、酸素濃度の高いＣＺシリコン単結晶であっても、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であれば、ＦＺシリコン単結晶と同等又はそれ以上のバルクライフタイムが得られることが認められた。
また、炭素濃度が低いほどバルクライフタイムに及ぼす酸素濃度の影響が低減すると言える。

Claims (2)

1. チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶であって、
   少なくとも引き上げられた結晶の固化率が９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、かつ、光導電減衰法により測定されたバルクライフタイムが３０ｍｓｅｃ以上であることを特徴とするシリコン単結晶。
2. 前記炭素濃度は、フォトルミネッセンス法によって定量されたものであることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶。

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