JP2021163929A - シリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくでき、ドナー濃度を高精度で制御できるシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法。【解決手段】取得した相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度が目標値になるように、準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することを特徴とするシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法。【選択図】図１
Description
本発明は、シリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法に関する。
スイッチング素子のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）やダイオードにおいては、高速化、低損失化のために、薄ウエーハの裏面側にフィールドストップ層（あるいは、バッファ層）を形成した構造が用いられている（特許文献１）。また、ソフトリカバリー特性も兼ね備えるように、ウエーハ厚み方向の中央付近にブロードバッファ層を形成した構造も提案されている（特許文献２）。
上記バッファ層やブロードバッファ層を形成する方法として、プロトン照射と熱処理によりドナーを形成する方法がある。例えば、特許文献１では、ウエーハを薄くした後にプロトン照射を行い、熱処理（例えば、３００℃〜５００℃）を施してバッファ層を形成する方法が開示されている。また、特許文献２では、プロトン照射する際のプロトンのドーズ量を１×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以下とし、２５０℃以上５００℃以下の熱処理を行うことにより、ブロードバッファ層を形成する方法が開示されている。
プロトン照射と熱処理によりバッファ層を形成する方法では、一般的なドーパントのイオン注入と活性化熱処理によりバッファ層を形成する場合と比較して、幅広いバッファ層を深い領域にも形成できることにより、デバイス特性の向上が期待でき、また、低い温度の熱処理でドナーを形成できることにより、ウエーハを薄板化した後のプロセスにおける割れやキズなどの問題を軽減できるという利点がある。
一方で、プロトン照射と熱処理により形成されるドナーの濃度は、シリコン単結晶基板中の軽元素不純物である酸素や炭素の濃度の影響を受けることが知られている。例えば、特許文献２では、プロトン照射と熱処理によりブロードバッファ層を形成する領域の酸素原子の濃度は１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であるのが良いと記載されている。
また、特許文献３では、ドナーの高濃度領域を形成するには、半導体基板がＭＣＺ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）基板、あるいは半導体基板における平均酸素濃度が１．０×１０１６／ｃｍ３以上１．０×１０１８／ｃｍ３以下であってよく、半導体基板における平均炭素濃度が１．０×１０１４／ｃｍ３以上３．０×１０１５／ｃｍ３以下であってよいことが記載されている。
また、非特許文献１では、プロトン照射と熱処理により形成したフィールドストップ層の積分ドナー濃度は、酸素濃度が高いほど高くなり、炭素濃度が高いほど高くなる傾向が示されている。
このように、プロトン照射と熱処理により形成されるドナーの濃度は、シリコン単結晶基板中の酸素濃度や炭素濃度の影響を受けるため、ドナー濃度はシリコン単結晶基板によってばらつく場合がある。
Ｈ． Ｊ． Ｓｃｈｕｌｚｅ ｅｔ． ａｌ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ２０１６ ２８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ＩＣｓ （ＩＳＰＳＤ）， ｐ．３５５．
プロトン照射と熱処理によりドナーを形成する方法は、デバイス特性の向上やプロセス負荷の軽減に有効な方法であるが、ドナーの挙動は、軽元素の影響により複雑になるため、ドナー濃度を厳密に制御することが難しい。
公知技術では、酸素濃度が一定値以上であればプロトンのドナー化率が向上することや、酸素濃度が高いほど、あるいは炭素濃度が高いほどドナー濃度が増加することが開示されているが、必ずしもそうではない場合があり、酸素濃度あるいは炭素濃度のみではドナー濃度を制御することが難しく、ドナー濃度がばらつく場合があるという問題があった。
本発明は、前述のような問題に鑑みてなされたものであって、プロトン照射と熱処理によりドナー濃度を制御するデバイスの製造工程において、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくでき、ドナー濃度を高精度で制御できるシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板を準備する準備工程、
前記準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射する第２のプロトン照射工程、
該第２のプロトン照射工程後の前記シリコン単結晶基板に熱処理を施す第２の熱処理工程と、
を行うことでドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板にプロトンを照射する第１のプロトン照射工程、
該第１のプロトン照射工程後の前記複数の試験用シリコン基板に熱処理を行う第１の熱処理工程、
該第１の熱処理工程後の前記複数の試験用シリコン単結晶基板中に発生したドナー増加量を測定する測定工程、
測定した前記ドナー増加量と前記複数の試験用シリコン基板の前記酸素濃度と前記炭素濃度の積との相関関係を取得する相関関係取得工程と、
を有し、
該取得した前記相関関係に基づいて、前記第２の熱処理工程後の前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度が目標値になるように、前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法を提供する。
ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板を準備する準備工程、
前記準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射する第２のプロトン照射工程、
該第２のプロトン照射工程後の前記シリコン単結晶基板に熱処理を施す第２の熱処理工程と、
を行うことでドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板にプロトンを照射する第１のプロトン照射工程、
該第１のプロトン照射工程後の前記複数の試験用シリコン基板に熱処理を行う第１の熱処理工程、
該第１の熱処理工程後の前記複数の試験用シリコン単結晶基板中に発生したドナー増加量を測定する測定工程、
測定した前記ドナー増加量と前記複数の試験用シリコン基板の前記酸素濃度と前記炭素濃度の積との相関関係を取得する相関関係取得工程と、
を有し、
該取得した前記相関関係に基づいて、前記第２の熱処理工程後の前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度が目標値になるように、前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法を提供する。
このようなシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法によれば、予め試験用のシリコン単結晶基板から得た、第１の熱処理工程後の複数の試験用シリコン単結晶基板中のドナー増加量と酸素濃度と炭素濃度の積との相関関係に基づいて、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することによりドナー濃度を制御すれば、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくすることができ、高い精度でドナー濃度を制御することができる。
このとき、前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とし、前記第２の熱処理工程において、熱処理の温度を３００〜４００℃とすることが好ましい。
このように、酸素濃度と炭素濃度の積が１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）］２以下で、第２の熱処理の温度が３００〜４００℃であれば、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との間に強い負の相関関係が得られるので、予め複数の試験用シリコン単結晶基板から得た、第１の熱処理工程後の複数の試験用シリコン単結晶基板中のドナー増加量と酸素濃度と炭素濃度の積との相関関係に基づいて、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することによりドナー濃度を制御すれば、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきをより小さくすることができ、より高い精度でドナー濃度を制御することができる。酸素濃度と炭素濃度の積の下限は、特に限定されないが、現状の技術では１×１０28［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２程度とすることが好ましい。
また、このとき、前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とし、前記第２の熱処理工程において、熱処理の温度を４２５〜５００℃とすることが好ましい。
このように、酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とし、第２の熱処理工程において、熱処理の温度が４２５〜５００℃であれば、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との間に強い正の相関関係が得られるので、予め複数の試験用シリコン単結晶基板から得た、第１の熱処理工程後の複数の試験用シリコン単結晶基板中のドナー増加量と酸素濃度と炭素濃度の積との相関関係に基づいて、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することによりドナー濃度を制御すれば、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきをより小さくすることができ、より高い精度でドナー濃度を制御することができる。
また、酸素濃度が高くなると、プロトン照射と熱処理により形成されるドナーの他に、プロトンを照射していない領域においても、酸素が関連したサーマルドナーが発生して抵抗率が変化してしまうという問題を生じ得るため、酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とすることが好ましい。
なお、酸素濃度と炭素濃度の積が２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）」２を超えた場合でも、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との間に正の相関関係が得られる。
また、酸素濃度が高くなると、プロトン照射と熱処理により形成されるドナーの他に、プロトンを照射していない領域においても、酸素が関連したサーマルドナーが発生して抵抗率が変化してしまうという問題を生じ得るため、酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とすることが好ましい。
なお、酸素濃度と炭素濃度の積が２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）」２を超えた場合でも、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との間に正の相関関係が得られる。
第２の熱処理工程において、熱処理の温度を４００〜４２５℃とする場合は、熱処理の温度を３００〜４００℃とする場合と４２５〜５００℃とする場合の中間的な相関関係が得られることになる。
以上のように、本発明のシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法によれば、シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することにより、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくすることができるので、ドナー濃度を高精度で制御することができる。また本発明は、酸素濃度と炭素濃度の積を小さくできるＦＺシリコン単結晶基板中のドナー濃度を制御する場合に、ドナー濃度を高精度で制御することができるので、特にフローティングゾーン（ＦＺ）シリコン単結晶基板をパワーデバイス用に使用する際に好適である。
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
上記のように、従来技術では、プロトン照射と熱処理によりドナー濃度を制御するが、プロトン照射や熱処理の条件を同じにしても、シリコン単結晶基板に起因してドナー濃度がばらつくという問題があった。また、プロトン照射と熱処理で形成されるドナーの濃度は、シリコン単結晶基板中の酸素濃度が高いほど高くなり、また、炭素濃度が高いほど高くなることが開示されていた。
本発明者は鋭意検討を重ねたところ、シリコン単結晶基板にプロトン照射と熱処理を施した場合のドナー増加量と、シリコン単結晶基板中の酸素濃度及び炭素濃度との関係は、従来考えられていた正の相関関係にならない場合もあることを見出した。さらに、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー濃度との間に強い相関関係があることを見出し、本発明を完成させた。
以下、図面を参照して本発明のシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法を説明する。尚、図１の括弧内のシリコン単結晶基板は、各工程において処理されるシリコン単結晶基板を示している。
まず、複数の試験用シリコン単結晶基板を用意する。ここで用意する複数の試験用シリコン単結晶基板は、それぞれ酸素濃度及び炭素濃度が異なるものとする。また、酸素濃度及び炭素濃度以外の条件は、実際にドナー濃度を制御する対象となるシリコン単結晶基板（制御対象シリコン単結晶基板）と同じ条件にすることができる。
また、この試験用シリコン単結晶基板を用意する方法は、本発明において特に限定されない。例えば、シリコン単結晶からシリコンウェーハを切り出し、切断ダメージを取り除くためにシリコンウェーハに化学的エッチング処理を行った後、機械的化学的研磨を行うことにより試験用シリコン単結晶基板を用意できる。
［第１のプロトン照射工程 Ｓ１］
次に、複数の試験用シリコン単結晶基板にプロトンを照射する（第１のプロトン照射工程）。このとき、プロトン照射の前に、シリコン単結晶基板に酸化膜等を形成しても良い。プロトン照射の条件は、後に詳述する制御対象とする半導体デバイスの製造プロセスの第２のプロトン照射工程（図１のＳ６）のプロトン照射条件に合わせることが望ましく、また、プロトンの飛程を調整するためにアブソーバーを用いる場合、その材質や厚みも第２のプロトン照射工程（図１のＳ６）に合わせることが望ましい。
次に、複数の試験用シリコン単結晶基板にプロトンを照射する（第１のプロトン照射工程）。このとき、プロトン照射の前に、シリコン単結晶基板に酸化膜等を形成しても良い。プロトン照射の条件は、後に詳述する制御対象とする半導体デバイスの製造プロセスの第２のプロトン照射工程（図１のＳ６）のプロトン照射条件に合わせることが望ましく、また、プロトンの飛程を調整するためにアブソーバーを用いる場合、その材質や厚みも第２のプロトン照射工程（図１のＳ６）に合わせることが望ましい。
［第１の熱処理工程 Ｓ２］
次に、第１のプロトン照射後の複数の試験用シリコン基板に熱処理を施す第１の熱処理工程を行うが、熱処理の条件は、後に詳述する制御対象とする半導体デバイスの製造プロセスの第２の熱処理工程（図１のＳ７）の熱処理条件に合わせることが望ましい。
次に、第１のプロトン照射後の複数の試験用シリコン基板に熱処理を施す第１の熱処理工程を行うが、熱処理の条件は、後に詳述する制御対象とする半導体デバイスの製造プロセスの第２の熱処理工程（図１のＳ７）の熱処理条件に合わせることが望ましい。
［測定工程 Ｓ３］
次に、測定工程において、第１の熱処理工程後の複数の試験用シリコン単結晶基板中に発生したドナー濃度（ドナー増加量）を測定する。ドナー濃度の測定方法としては、特に限定されず、例えば拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）を用いることができる。
次に、測定工程において、第１の熱処理工程後の複数の試験用シリコン単結晶基板中に発生したドナー濃度（ドナー増加量）を測定する。ドナー濃度の測定方法としては、特に限定されず、例えば拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）を用いることができる。
例えば、ＳＲ法では、試料を斜めに研磨した研磨面に２探針を接触させて、そのプローブ間の拡がり抵抗を測定し、測定した拡がり抵抗から較正曲線を用いて比抵抗を算出し、さらに、既存の比抵抗とドナー濃度との関係に基づいて、上記の算出した比抵抗からドナー濃度を求めることにより、ドナー濃度の深さ方向分布を得る。
次に、測定された各深さｘにおけるドナー濃度（ＮＤ（ｘ））からマトリックス（ドナー濃度がほぼ一定となる深い領域）におけるドナー濃度を差し引いて、各深さｘにおけるドナー増加量（ΔＮＤ（ｘ））を求める。そして、ドナー増加量を特徴付ける値として、ドナー増加量を深さ方向で積分することにより積分ドナー増加量を求めることができる。あるいは、ドナー増加量を特徴付ける値として、深さ方向でドナー増加量が最大となる深さ位置における最大ドナー増加量を求めることができる。
［相関関係取得工程 Ｓ４］
次に、相関関係取得工程を行う（図１のＳ４）。相関関係取得工程では、測定工程（図１のＳ３）において測定したドナー増加量と、複数の試験用シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積とを対応させることで、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との相関関係を取得する。
次に、相関関係取得工程を行う（図１のＳ４）。相関関係取得工程では、測定工程（図１のＳ３）において測定したドナー増加量と、複数の試験用シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積とを対応させることで、酸素濃度と炭素濃度の積とドナー増加量との相関関係を取得する。
［準備工程 Ｓ５］
次に、上記のように取得した相関関係に基づいて、熱処理工程後のシリコン単結晶基板のドナー濃度が目標値になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整する（図１のＳ５）。
次に、上記のように取得した相関関係に基づいて、熱処理工程後のシリコン単結晶基板のドナー濃度が目標値になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整する（図１のＳ５）。
このとき、後述する第２の熱処理工程における熱処理の温度が３００〜４００℃の場合は、試験用シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とすることが望ましい。酸素濃度と炭素濃度の積の下限は、特に限定されないが、現状の技術では１×１０28［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２程度とすることが好ましい。
またこのとき、後述する第２の熱処理工程における熱処理の温度が４２５〜５００℃の場合は、試験用シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とすることが望ましい。酸素濃度と炭素濃度の積の下限は、特に限定されないが、現状の技術では１×１０28［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２程度とすることが好ましい。
準備する制御対象であるシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整する方法は、本発明において特に限定されない。例えば、シリコン単結晶育成時の原料や育成条件を調整する方法等を使用することができる。また、シリコン単結晶基板を熱処理して、シリコン単結晶基板中に酸素や炭素を内方拡散させることにより、シリコン単結晶基板の酸素濃度や炭素濃度を調整することができる。また、シリコン単結晶基板の表面から酸素や炭素をイオン注入することにより、シリコン単結晶基板の酸素濃度や炭素濃度を調整することができる。
［第２のプロトン照射工程 Ｓ６］
次に、準備した制御対象シリコン単結晶基板に対してプロトン照射工程を行う（図１のＳ６）。ここで行うプロトン照射の条件は、第１のプロトン照射工程（図１のＳ１）と同様の条件とすることが好ましい。プロトン照射における加速電圧を、例えば８ＭＶ、プロトンドーズ量を、例えば２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とすることができる。
次に、準備した制御対象シリコン単結晶基板に対してプロトン照射工程を行う（図１のＳ６）。ここで行うプロトン照射の条件は、第１のプロトン照射工程（図１のＳ１）と同様の条件とすることが好ましい。プロトン照射における加速電圧を、例えば８ＭＶ、プロトンドーズ量を、例えば２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とすることができる。
［第２の熱処理工程 Ｓ７］
次に、プロトンを照射した制御対象シリコン単結晶基板に対して熱処理工程を行う（図１のＳ７）。ここで行う熱処理の条件は、第１の熱処理工程（図１のＳ２）と同様の条件とすることが好ましい。熱処理条件は、例えば、処理時間を２０分〜３時間、窒素、酸素、あるいは水素などの雰囲気下として行うことができる。
次に、プロトンを照射した制御対象シリコン単結晶基板に対して熱処理工程を行う（図１のＳ７）。ここで行う熱処理の条件は、第１の熱処理工程（図１のＳ２）と同様の条件とすることが好ましい。熱処理条件は、例えば、処理時間を２０分〜３時間、窒素、酸素、あるいは水素などの雰囲気下として行うことができる。
以上のような、本発明のドナー濃度の制御方法であれば、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくできるので、ドナー濃度を高精度で制御することができる。
本発明において、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくして、ドナー濃度を高精度で制御するために、上述のようなシリコン単結晶基板のドナー濃度制御方法を用いる理由は、以下のような実験により得られた知見による。
（実験例１）
フローティングゾーン法（ＦＺ法）により育成されたシリコン単結晶から作製した２種類のＦＺシリコン単結晶基板（基板Ａ、基板Ｂ）を用意した。いずれの基板もリンドープのＮ型で、ドーパント濃度は７×１０１３〜８×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
フローティングゾーン法（ＦＺ法）により育成されたシリコン単結晶から作製した２種類のＦＺシリコン単結晶基板（基板Ａ、基板Ｂ）を用意した。いずれの基板もリンドープのＮ型で、ドーパント濃度は７×１０１３〜８×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
基板Ａは、通常の多結晶シリコンインゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は８．９×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度は１．２×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
基板Ｂは、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶インゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は１．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、窒素濃度は１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３である。
酸素濃度は赤外吸収法により測定し（ＪＥＩＤＡにより規定された換算係数を用いた）、炭素濃度及び窒素濃度は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
次に、用意したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射後のシリコン単結晶基板に熱処理を施した。このとき、熱処理条件は、温度は３００〜５５０℃の範囲で振り、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
次に、熱処理後のシリコン単結晶基板において、拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）によりドナー濃度の深さ方向分布を測定した。
実験例１における条件を表１に示す。
次に、上記測定した各深さｘにおけるドナー濃度（ＮＤ（ｘ））からマトリックス（ドナー濃度がほぼ一定となる深い領域）におけるドナー濃度（深さ約６０〜７０μｍにおけるドナー濃度の平均値）を差し引いて、各深さｘにおけるドナー増加量（ΔＮＤ（ｘ））を求めた。
このように求めたドナー増加量の深さ方向分布の例を図２及び図３に示す。図２は熱処理温度が３５０℃の場合、図３は熱処理温度が４５０℃の場合である。図２及び図３において、印の違いは基板の違いを示しており、○が基板Ａの場合、△が基板Ｂの場合を示している。
次に、ドナー増加量を深さ方向で積分することにより、積分ドナー増加量を求めた。求めた積分ドナー増加量と熱処理温度との関係を図４に示す。図４において、印の違いは基板の違いを示しており、○が基板Ａの場合、△が基板Ｂの場合を示している。
図４の結果から、熱処理温度が３００〜５２５℃の範囲において積分ドナー濃度が増加していることがわかる。また、３７５℃付近と４７５℃付近にピークが観測されていることから、熱処理の温度に応じて少なくとも２種類のドナーが形成されると考えられる。さらに、積分ドナー増加量は、熱処理温度が３００〜４００℃の範囲では基板Ａの方が高くなり、熱処理温度が４２５〜５００℃の範囲では基板Ｂの方が高くなっている。このことから、シリコン単結晶基板の違いによるドナー増加量の違いは熱処理温度によって異なることがわかる。
（実験例２）
異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＦＺシリコン単結晶基板を用意した。複数のＦＺシリコン単結晶基板は、通常の多結晶シリコンインゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものと、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶インゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものを含んでおり、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、窒素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りである。
異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＦＺシリコン単結晶基板を用意した。複数のＦＺシリコン単結晶基板は、通常の多結晶シリコンインゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものと、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶インゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものを含んでおり、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、窒素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りである。
ドーパント種／濃度：リン／６．０×１０１３〜８．７×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
酸素濃度：２．０×１０１５〜２．１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：６．４×１０１４〜４．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
窒素濃度：３．６×１０１４〜３．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度：２．０×１０１５〜２．１×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：６．４×１０１４〜４．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
窒素濃度：３．６×１０１４〜３．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度は赤外吸収法により測定し（ＪＥＩＤＡにより規定された換算係数を用いた）、炭素濃度及び窒素濃度は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
次に、用意したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射後のシリコン単結晶基板に熱処理を施した。このとき、熱処理条件は、温度は３５０℃とし、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
次に、熱処理後のシリコン単結晶基板において、拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）によりドナー濃度の深さ方向分布を測定した。
実験例２における条件を表２に示す。
次に、上記測定した各深さｘにおけるドナー濃度（ＮＤ（ｘ））からマトリックス（ドナー濃度がほぼ一定となる深い領域）におけるドナー濃度（深さ約６０〜７０μｍにおけるドナー濃度の平均値）を差し引いて、各深さｘにおけるドナー増加量（ΔＮＤ（ｘ））を求めた。
次に、ドナー増加量を深さ方向で積分することにより積分ドナー増加量を求め、シリコン単結晶基板中の窒素濃度、酸素濃度、及び炭素濃度との関係を調べた。
積分ドナー増加量と、窒素濃度との関係を図５に、酸素濃度との関係を図６に、炭素濃度との関係を図７に、酸素濃度と炭素濃度の積との関係を図８に示す。
図５の結果から、積分ドナー増加量は窒素濃度には依存していないことがわかる。また、図６及び図７の結果から、積分ドナー増加量は、酸素濃度が高い方が低くなる傾向があり、炭素濃度が高い方が低くなる傾向があるが、ばらつきが大きいことがわかる。さらに図８に示したように、積分ドナー増加量は、酸素濃度と炭素濃度の積と強い負の相関関係にあることがわかる。すなわち、後述する図１２に示した熱処理温度が４５０℃の場合とは逆の相関関係になっている。
図４の結果において、酸素濃度と炭素濃度の積（基板Ａ＜基板Ｂ）と積分ドナー増加量（基板Ａ＞基板Ｂ）が負の相関関係にある熱処理温度の範囲は、３００〜４００℃であることがわかる。従って、図４と図８の結果から、熱処理温度が３００〜４００℃の場合のドナー増加量は、酸素濃度と炭素濃度の積が少なくとも１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下の場合に、酸素濃度と炭素濃度の積と強い負の相関関係にあり、その相関関係に基づいて、シリコン単結晶基板中の酸素濃度と炭素濃度を調整することにより、ドナー濃度を高精度で制御できることが明らかになった。
（実験例３）
実験例２と同様なＦＺシリコン単結晶基板を用意した。また、異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＭＣＺシリコン単結晶基板も用意した。複数のＭＣＺシリコン単結晶基板は、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶から製造されたもので、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りであり、窒素は含まれていない。
実験例２と同様なＦＺシリコン単結晶基板を用意した。また、異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＭＣＺシリコン単結晶基板も用意した。複数のＭＣＺシリコン単結晶基板は、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶から製造されたもので、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りであり、窒素は含まれていない。
ドーパント種／濃度：リン／７．４×１０１３〜１．４×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
酸素濃度：８．８×１０１６〜５．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：４．４×１０１４〜３．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度：８．８×１０１６〜５．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：４．４×１０１４〜３．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度は赤外吸収法により測定し（ＪＥＩＤＡにより規定された換算係数を用いた）、炭素濃度は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
次に、用意したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射後のシリコン単結晶基板に熱処理を施した。このとき、熱処理条件は、温度は４５０℃とし、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
次に、熱処理後のシリコン単結晶基板において、拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）によりドナー濃度の深さ方向分布を測定した。
実験例３における条件を、実験例２と同様なＦＺシリコン単結晶基板の条件と併せて表３に示す。
次に、上記測定した各深さｘにおけるドナー濃度（ＮＤ（ｘ））からマトリックス（ドナー濃度がほぼ一定となる深い領域）におけるドナー濃度（深さ約６０〜７０μｍにおけるドナー濃度の平均値）を差し引いて、各深さｘにおけるドナー増加量（ΔＮＤ（ｘ））を求めた。
次に、ドナー増加量を深さ方向で積分することにより積分ドナー増加量を求め、シリコン単結晶基板中の窒素濃度、酸素濃度、及び炭素濃度との関係を調べた。
積分ドナー増加量と、窒素濃度との関係を図９に、酸素濃度との関係を図１０に、炭素濃度との関係を図１１に、酸素濃度と炭素濃度の積との関係を図１２に示す。図１０〜図１２において、印の違いは基板品種の違いを示しており、○がＦＺシリコン単結晶基板の場合、□がＭＣＺシリコン単結晶基板の場合である。
図９の結果から、積分ドナー増加量は窒素濃度には依存していないことがわかる。また、図１０及び図１１の結果から、積分ドナー増加量は、酸素濃度が高い方が高くなる傾向があり、炭素濃度が高い方が高くなる傾向があるが、ばらつきが大きいことがわかる。さらに図１２に示したように、積分ドナー増加量は、酸素濃度と炭素濃度の積と正の相関関係にあることがわかる。すなわち、図８に示した熱処理温度が３５０℃の場合とは逆の相関関係になっている。
図４の結果において、酸素濃度と炭素濃度の積（基板Ａ＜基板Ｂ）と積分ドナー増加量（基板Ａ＜基板Ｂ）が正の相関関係にある熱処理温度の範囲は、４２５〜５００℃であることがわかる。従って、図４と図１２の結果から、熱処理温度が４２５〜５００℃の場合のドナー増加量は、酸素濃度と炭素濃度の積が少なくとも２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下の場合に、酸素濃度と炭素濃度の積と正の相関関係にあり、その相関関係に基づいて、シリコン単結晶基板中の酸素濃度と炭素濃度を調整することにより、ドナー濃度を高精度で制御できることが明らかになった。
（実験例４）
異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＭＣＺシリコン単結晶基板を用意した。複数のＭＣＺシリコン単結晶基板は、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶インゴットから製造されたもので、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りである。
異なる酸素濃度と炭素濃度を有する複数のＭＣＺシリコン単結晶基板を用意した。複数のＭＣＺシリコン単結晶基板は、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶インゴットから製造されたもので、ドーパント種、ドーパント濃度、酸素濃度、炭素濃度、直径、結晶面方位は、以下の通りである。
ドーパント種／濃度：リン／７．４×１０１３〜１．４×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
酸素濃度：８．８×１０１６〜５．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：４．４×１０１４〜３．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度：８．８×１０１６〜５．５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
炭素濃度：４．４×１０１４〜３．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、
直径：２００ｍｍ、
結晶面方位：（１００）。
酸素濃度は赤外吸収法により測定し（ＪＥＩＤＡにより規定された換算係数を用いた）、炭素濃度は二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
次に、用意したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射後のシリコン単結晶基板に熱処理を施した。このとき、熱処理条件は、温度は３５０℃とし、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
次に、熱処理後のシリコン単結晶基板において、拡がり抵抗測定法（ＳＲ法）によりドナー濃度の深さ方向分布を測定した。
実験例４における条件を表４に示す。
次に、上記測定した各深さｘにおけるドナー濃度（ＮＤ（ｘ））からマトリックス（ドナー濃度がほぼ一定となる深い領域）におけるドナー濃度（深さ約６０〜７０μｍにおけるドナー濃度の平均値）を差し引いて、各深さｘにおけるドナー増加量（ΔＮＤ（ｘ））を求めた。
次に、ドナー増加量を深さ方向で積分することにより積分ドナー増加量を求め、シリコン単結晶基板中の酸素濃度及び炭素濃度との関係を調べた。
積分ドナー増加量と、酸素濃度との関係を図１３に、炭素濃度との関係を図１４に、酸素濃度と炭素濃度の積との関係を図１５に示す。図１３〜図１５には、それぞれ図６〜図８に示したデータも含まれている。図１３〜図１５において、印の違いは基板品種の違いを示しており、○がＦＺシリコン単結晶基板の場合、□がＭＣＺシリコン単結晶基板の場合である。
図１５の結果から、熱処理温度が３５０℃の場合、酸素濃度と炭素濃度の積が１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２を境にして、酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係が異なることがわかる。また、図１３と図１５の比較から、酸素濃度と炭素濃度の積が１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２を超えると、積分ドナー増加量は、酸素濃度と炭素濃度の積との相関関係よりも、酸素濃度との相関関係の方が強くなることがわかる。
上記のように、プロトン照射と熱処理を施した場合のドナー増加量が、シリコン単結晶基板中の酸素濃度や炭素濃度と複雑な関係にあり、さらに、その相関関係が熱処理温度によって変わる理由は明らかではないが、以下のようなことが考えられる。
プロトン照射と熱処理によりドナーが形成されるメカニズムは、次のように考えられている。シリコン単結晶基板に対して、プロトン照射を行うと、水素が導入されると同時に、格子位置のシリコン原子が弾き出されて、格子間シリコン（以下、Ｉと称する）とその抜け殻である空孔（以下、Ｖと称する）が生成される。過剰に生成されたＩやＶは、単体では不安定なため、再結合したり（Ｖ＋Ｉ→０）、Ｉ同士やＶ同士がクラスタリングしたり、シリコン単結晶基板中に含まれる酸素や炭素などの軽元素不純物と反応して複合体を形成する。そして、プロトン照射と熱処理により、ＩやＶのクラスターや、ＩやＶと軽元素不純物の複合体に水素が結合することによりドナーが形成されると考えられている。このことから、プロトン照射と熱処理により形成されるドナーは複数種あり、その種類や濃度はシリコン単結晶基板中の軽元素不純物の濃度や熱処理の温度によって変化すると考えられる。
また、プロトン照射のダメージが熱処理後に残留していると、ドーパントが不活性化したり、キャリア移動度が低下することにより、実効的なドナー濃度が低くなる場合がある。プロトン照射の照射ダメージは、熱処理温度が低いと回復しにくく、また、シリコン単結晶基板の酸素濃度や炭素濃度が高いと回復しにくい。プロトン照射後の熱処理温度が低い場合は、シリコン単結晶基板の酸素濃度や炭素濃度が高いと、残留照射ダメージにより実効的なドナー濃度が低くなるが、プロトン照射と熱処理により形成される、酸素や炭素が関連したドナー濃度は高くなる。
このことにより、図１５に示したように、酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係において、酸素濃度と炭素濃度の積が１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下の場合は、残留照射ダメージによる実効的なドナー濃度の低下が支配的になるために負の相関関係となり、酸素濃度と炭素濃度の積が１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２を超える場合は、プロトン照射と熱処理により形成される、酸素や炭素が影響するドナー濃度が支配的になるため正の相関関係になると考えられる。プロトン照射後の熱処理温度が高い場合は、プロトン照射の照射ダメージが回復しやすくなり、残留照射ダメージによる実効的なドナー濃度の低下が抑制されて、酸素や炭素が影響するドナー濃度が支配的になるため、酸素や炭素の広い濃度範囲において正の相関関係になると考えられる。
以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示すような、本発明のドナー濃度の制御方法でシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御を行った。このとき、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の目標値として、実験例と同様に積分ドナー増加量を測定した場合に、積分ドナー増加量が約８×１０１１／ｃｍ２になるように制御することを目標とした。
図１に示すような、本発明のドナー濃度の制御方法でシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御を行った。このとき、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の目標値として、実験例と同様に積分ドナー増加量を測定した場合に、積分ドナー増加量が約８×１０１１／ｃｍ２になるように制御することを目標とした。
［第１のプロトン照射工程 Ｓ１ 〜 測定工程 Ｓ３］
まず、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板に、プロトンを照射した後、熱処理を行い、複数の試験用シリコン単結晶基板における積分ドナー増加量を測定した。試験用シリコン単結晶基板はＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものとした。
まず、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板に、プロトンを照射した後、熱処理を行い、複数の試験用シリコン単結晶基板における積分ドナー増加量を測定した。試験用シリコン単結晶基板はＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものとした。
このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。またこのとき、熱処理の温度は３５０℃、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。またこのとき、実験例と同じ手順を用いて、積分ドナー増加量を測定した。
［相関関係取得工程 Ｓ４］
次に、相関関係取得工程において、図８と略同様の酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係を取得した。
次に、相関関係取得工程において、図８と略同様の酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係を取得した。
［準備工程 Ｓ５］
次に、上記相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のシリコン単結晶基板の積分ドナー増加量が目標値（約８×１０１１／ｃｍ２）になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を調整した。このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶インゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は１．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
次に、上記相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のシリコン単結晶基板の積分ドナー増加量が目標値（約８×１０１１／ｃｍ２）になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を調整した。このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＣＺ法により育成したシリコン単結晶インゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は１．２×１０１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
［第２のプロトン照射工程 Ｓ６ 〜 第２の熱処理工程 Ｓ７］
その後、準備工程で準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した（第２のプロトン照射工程）。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
その後、準備工程で準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した（第２のプロトン照射工程）。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射したシリコン単結晶基板に熱処理を施した（第２の熱処理工程）。このとき、熱処理温度は３５０℃とし、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
熱処理後の積分ドナー増加量を測定した結果、シリコン単結晶基板の積分ドナー増加量は８．４×１０１１／ｃｍ２であった。このように、実施例１では、シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することにより、目標値のドナー濃度が得られることが確認できた。
（実施例２）
図１に示すような、本発明のドナー濃度の制御方法でシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御を行った。このとき、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の目標値として、実験例と同様に積分ドナー増加量を測定した場合に、積分ドナー増加量が約１．２×１０１２／ｃｍ２になるように制御することを目標とした。
図１に示すような、本発明のドナー濃度の制御方法でシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御を行った。このとき、ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の目標値として、実験例と同様に積分ドナー増加量を測定した場合に、積分ドナー増加量が約１．２×１０１２／ｃｍ２になるように制御することを目標とした。
［第１のプロトン照射工程 Ｓ１ 〜 測定工程 Ｓ３］
まず、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板に、プロトンを照射した後、熱処理を行い、複数の試験用シリコン単結晶基板における積分ドナー増加量を測定した。複数の試験用シリコン単結晶基板には、ＦＺシリコン単結晶基板とＭＣＺシリコン単結晶基板が含まれている。
まず、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板に、プロトンを照射した後、熱処理を行い、複数の試験用シリコン単結晶基板における積分ドナー増加量を測定した。複数の試験用シリコン単結晶基板には、ＦＺシリコン単結晶基板とＭＣＺシリコン単結晶基板が含まれている。
このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２、加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。またこのとき、熱処理の温度は４５０℃、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。またこのとき、実験例と同じ手順を用いて、積分ドナー増加量を測定した。
［相関関係取得工程 Ｓ４］
次に、相関関係取得工程において、図１２と略同様の酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係を取得した。
次に、相関関係取得工程において、図１２と略同様の酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係を取得した。
［準備工程 Ｓ５］
次に、上記相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のシリコン単結晶基板（制御対象基板）の積分ドナー増加量が目標値（約１．２×１０１２／ｃｍ２）になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整した。このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＭＣＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は１．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は６．７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
次に、上記相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のシリコン単結晶基板（制御対象基板）の積分ドナー増加量が目標値（約１．２×１０１２／ｃｍ２）になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整した。このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＭＣＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は１．９×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は６．７×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
［第２のプロトン照射工程 Ｓ６ 〜 第２の熱処理工程 Ｓ７］
その後、準備工程で準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した（第２のプロトン照射工程）。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
その後、準備工程で準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射した（第２のプロトン照射工程）。このとき、プロトンのドーズ量は２×１０１４／ｃｍ２とし、プロトンの加速電圧は８ＭＶとした。また、プロトンの飛程を約１５μｍとするために、プロトン照射時に、厚みの合計が約４１０μｍとなる複数枚のアルミ箔をアブソーバーとしてシリコン単結晶基板の上流側に設置した。
次に、プロトン照射したシリコン単結晶基板に熱処理を施した（第２の熱処理工程）。このとき、熱処理温度は４５０℃とし、時間は６０分、雰囲気は窒素雰囲気とした。
熱処理後の積分ドナー増加量を測定した結果、シリコン単結晶基板の積分ドナー増加量は１．２×１０１２／ｃｍ２であった。このように、実施例２では、シリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することにより、目標値のドナー濃度が得られることが確認できた。
（比較例１）
試験用シリコン単結晶基板を使用して、準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例１と同様の条件でシリコン単結晶基板のドナー濃度を制御した。
このとき、準備したシリコン単結晶基板は、通常の多結晶シリコンインゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は９．８×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
試験用シリコン単結晶基板を使用して、準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例１と同様の条件でシリコン単結晶基板のドナー濃度を制御した。
このとき、準備したシリコン単結晶基板は、通常の多結晶シリコンインゴットを原料として、ＦＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は９．８×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
上記準備したシリコン単結晶基板において、実施例１と同じ条件でプロトン照射と熱処理を行い、実施例１と同じ手順を用いて積分ドナー増加量を測定した。その結果、積分ドナー増加量は１．２×１０１２／ｃｍ２となった。
このように、比較例１では、プロトン照射条件と熱処理条件を実施例１と同様の条件にしたにも関わらず、シリコン単結晶基板の積分ドナー増加量は目標値の約８×１０１１／ｃｍ２から大きく離れた値になってしまうことが確認された。
（比較例２）
試験用シリコン単結晶基板を使用して、準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例２と同様の条件でシリコン単結晶基板のドナー濃度を制御した。
このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＭＣＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は５．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は１．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
試験用シリコン単結晶基板を使用して、準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を上記相関関係に基づいて調整しなかったこと以外、実施例２と同様の条件でシリコン単結晶基板のドナー濃度を制御した。
このとき、準備したシリコン単結晶基板は、ＭＣＺ法により育成されたシリコン単結晶から製造されたものであり、酸素濃度は５．２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、炭素濃度は１．１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に調整したものであった。
上記準備したシリコン単結晶基板において、実施例２と同じ条件でプロトン照射と熱処理を行い、実施例２と同じ手順を用いて積分ドナー増加量を測定した。その結果、積分ドナー増加量は１．６×１０１２／ｃｍ２となった。
このように、比較例２では、プロトン照射条件と熱処理条件を実施例２と同様の条件にしたにも関わらず、シリコン単結晶基板の積分ドナー増加量は目標値の約１．２×１０１２／ｃｍ２から大きく離れた値になってしまうことが確認された。
実施例１及び比較例１の条件及び結果を表５に、実施例２と比較例２の条件及び結果を表６にそれぞれ示す。
比較例１及び比較例２では、試験用シリコン基板における酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係に基づかないため、制御対象基板において目標値とする積分ドナー増加量から大きく離れた値になってしまった。
一方、本発明のシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法の実施例である、実施例１及び実施例２では、試験用シリコン基板における酸素濃度と炭素濃度の積と積分ドナー増加量との相関関係に基づいて、第２の熱処理工程後のシリコン単結晶基板（制御対象基板）の積分ドナー増加量が目標値になるように、準備工程で準備するシリコン単結晶基板（制御対象基板）の酸素濃度と炭素濃度を調整することで、シリコン単結晶基板に起因するドナー濃度のばらつきを小さくでき、ドナー濃度を高精度で制御できた。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
Claims (3)
- ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板を準備する準備工程、
前記準備したシリコン単結晶基板にプロトンを照射する第２のプロトン照射工程、
該第２のプロトン照射工程後の前記シリコン単結晶基板に熱処理を施す第２の熱処理工程と、
を行うことでドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法であって、
前記準備工程を行う前に予め、酸素濃度及び炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板にプロトンを照射する第１のプロトン照射工程、
該第１のプロトン照射工程後の前記複数の試験用シリコン基板に熱処理を行う第１の熱処理工程、
該第１の熱処理工程後の前記複数の試験用シリコン単結晶基板中に発生したドナー増加量を測定する測定工程、
測定した前記ドナー増加量と前記複数の試験用シリコン基板の前記酸素濃度と前記炭素濃度の積との相関関係を取得する相関関係取得工程と、
を有し、
該取得した前記相関関係に基づいて、前記第２の熱処理工程後の前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板中のドナー濃度が目標値になるように、前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度を調整することを特徴とするシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法。 - 前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を１×１０３２［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とし、前記第２の熱処理工程において、熱処理の温度を３００〜４００℃とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法。
- 前記準備工程で準備する前記ドナー濃度を制御するシリコン単結晶基板の酸素濃度と炭素濃度の積を２×１０３３［（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）］２以下とし、前記第２の熱処理工程において、熱処理の温度を４２５〜５００℃とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶基板中のドナー濃度の制御方法。
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