JP2024018607A - シリコン単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際、溶融液に対し断続的に副ドーパントを投入するカウンタードープを実施し、要求される規格範囲が狭い範囲であっても、軸方向に沿った抵抗率を規格範囲に収めることのできるシリコン単結晶を提供する。【解決手段】直胴部を有し、該直胴部からシリコンウェーハが製造されるシリコン単結晶であって、前記直胴部の結晶軸方向において、規格範囲の変動幅で周期変化する抵抗率を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶に関し、特にチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際、溶融液に対し断続的に副ドーパントを投入し、軸方向における抵抗率を制御するカウンタードープにより育成されたシリコン単結晶に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の育成は、チャンバ内に設置した石英ルツボに原料であるポリシリコンを充填し、前記石英ルツボの周囲に設けられたヒータによってポリシリコンを加熱して溶融し、シリコン溶融液とする。その後、シードチャックに取り付けた種結晶（シード）を当該シリコン溶融液に浸漬し、シードチャックおよび石英ルツボを同方向または逆方向に回転させながらシードチャックを引上げることにより行う。

このようなＣＺ法により製造されたシリコン単結晶の多くは、半導体材料として使用される。育成されるシリコン単結晶の抵抗率は、シリコン溶融液に添加されるドーパントにより調整される。ドーパントは、ｎ型とｐ型とに分類され、ｎ型結晶を育成する場合のドーパントとしては、Ｐ（リン）が多く用いられている。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成において、ドーパントを添加した際、結晶成長方向に抵抗率が変化する現象が見られる。これは、ドーパントの偏析によるものであり、単結晶成長に伴うルツボ内のシリコン溶融液の減少に応じ、徐々に残液中のドーパント濃度が高くなり、それに伴い単結晶の抵抗率も連続的に低下していくためである。Ｐ（リン）の偏析係数は、０．３５であるが、ｐ型結晶のドーパントとして広く用いられているＢ（ボロン）の偏析係数０．８よりも低く、ｐ型結晶と比べてトップ部からボトム部にかけての抵抗率の低下が顕著である。そのため、製品として使用できる部分が少なくなり、歩留の向上が厳しいという課題がある。

このような課題に対し、例えば特許文献１には、主ドーパントと、この主ドーパントとは反対極性で偏析係数のより小さい副ドーパントとを結晶引上前に添加する（すなわち、コドープする）方法が開示されている。この方法を用いることによって、主ドーパントによる抵抗率の低下が副ドーパントによって相殺され、単結晶の軸方向の抵抗率分布を改善することが可能である。
しかしながら、前記したようにｎ型単結晶の製造において最も良く用いられるドーパントはＰ（リン）であり、その偏析係数は０．３５程度であるが、反対極性の元素としてデバイスを作製する上で広く用いられているＢ（ボロン）は、その偏析係数が０．８程度と、Ｐ（リン）より偏析係数が大きく、上述の技術をそのまま用いることができない。

このような課題を解決するものとして特許文献２には、単結晶の引き上げ中において、主ドーパントのＰ（リン）に対してＢ（ボロン）を連続的に添加する方法（すなわち、カウンタードープする）が開示されている。この方法を用いれば主ドーパントをＰ（リン）とし、副ドーパントをＢ（ボロン）としたカウンタードープにより軸方向抵抗率分布を改善したｎ型単結晶を製造することができる。

ところで、シリコン単結晶の用途として、ダイオードまたはＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などがあるが、耐圧Ｖｂ特性のばらつきを抑えるために、要求される抵抗の規格範囲（ばらつき幅）が狭く、材料となるウェーハを得るための単結晶を製造する際に、単にカウンタードープによる抵抗率の制御を行っても容易ではなかった。
そのため、特許文献３においては、デバイス製造の際、ベースバンドの濃度３．０×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドリフト層の内部に、２．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の高濃度層を形成し、それにより耐圧Ｖｂのばらつきやスイッチング特性のばらつきを抑えることが開示されている。

特開２００４－３０７３０５号公報 特開平３－２４７５８５号公報 特開２０２１－９３５４１号公報

特許文献３に開示されるようにデバイス製造の段階で、ドリフト層内に高濃度層を形成し、特性のばらつきを抑制する方法があるが、シリコンウェーハの段階で、その厚さ方向に抵抗率分布を管理して出荷することができれば、デバイスメーカにとってメリットが大きい。例えば、シリコンウェーハの厚さによらず、狭い規格範囲内（例えば５Ωｃｍ内）に抵抗率が収まるようなシリコン単結晶を提供できることが望ましい。

上記事情のもと、本願発明者は、シリコン単結晶の引上中において副ドーパントを投入し、軸方向の抵抗率を制御するカウンタードープを行うことを前提に鋭意検討を行い、本発明をするに至った。
本発明の目的は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際、溶融液に対し断続的に副ドーパントを投入するカウンタードープを実施し、要求される規格範囲が狭い範囲であっても、軸方向に沿った抵抗率を規格範囲に収めることのできるシリコン単結晶を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係るシリコン単結晶は、直胴部を有し、該直胴部からシリコンウェーハが製造されるシリコン単結晶であって、前記直胴部の結晶軸方向において、規格範囲の変動幅で周期変化する抵抗率を有することに特徴を有する。
尚、前記直胴部において、軸方向に沿って２～３ｍｍの間を２～１０Ωｃｍの幅で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することが望ましい。
或いは、前記直胴部において、軸方向に沿って３～１００ｍｍの間をカウンタードープによる補償率が８０％以上の範囲で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することが望ましい。
或いは、前記直胴部において、軸方向に沿って１００～２００ｍｍの間をカウンタードープによる補償率が８０％以上の範囲で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することが望ましい。
また、前記直胴部は、ｐ型ドーパントにより８０％以上補償されたｎ型ドーパントを含むことが望ましい。

このようにシリコン単結晶は、結晶軸方向に規格範囲の変動幅で周期変化する抵抗率を有する。望ましくは、単結晶中に軸方向に沿って、結晶長２～３ｍｍの間を２～１０Ωｃｍの幅で上下に１回ずつ周期変化をする抵抗率が形成される。
このようなシリコン単結晶によれば、例えばシリコンウェーハにスライスした際に、ウェーハの厚さによらず、ウェーハ厚さ方向の抵抗率変動を狭い規格範囲に収めることができる。

本発明によれば、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際、溶融液に対し断続的に副ドーパントを投入するカウンタードープを実施し、要求される規格範囲が狭い範囲であっても、軸方向に沿った抵抗率を規格範囲に収めることのできるシリコン単結晶を提供することができる。

図１は、本発明のシリコン単結晶の外周面における結晶軸方向に沿った抵抗率の変化の一例を示す模式的なグラフである。 図２は、シリコン単結晶を製造するための単結晶引上装置の一例を示す断面図である。 図３は、本発明に係るシリコン単結晶を製造する方法の一例を示すフロー図である。 図４は、実施例の結果を示すグラフである。 図５は、実施例の結果を示すグラフである。 図６（ａ）、図６（ｂ）は、実施例の結果を示すグラフである。 図７（ａ）、図７（ｂ）は、実施例の結果を示すグラフである。

以下、本発明に係るシリコン単結晶について図面を用いながら説明する。ただし、本発明の一例として本実施形態を説明するものであり、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のシリコン単結晶の外周面における結晶軸方向に沿った抵抗率の変化の一例を示す模式的なグラフである。図１のグラフの縦軸は抵抗率、横軸は結晶長である。

本発明に係るシリコン単結晶は、チョクラルスキー法により引上げ中に、溶融液に対し断続的に複数回の副ドーパント投入を行うカウンタードープにより育成されたものである。このシリコン単結晶は、結晶軸方向に規格範囲の変動幅（Ｒ１（例えば５３Ωｃｍ）－Ｒ２（例えば５５Ωｃｍ））で周期変化する抵抗率を有する。
より具体的には、単結晶中に軸方向に沿って、例えば結晶長（ウェーハ厚さ方向）２～３ｍｍの間を２～１０Ωｃｍの幅で上下に１回ずつ周期変化（１周期の変化）をする抵抗率が形成されている。
これにより、このシリコン単結晶をウェーハ状にスライスした際に、ウェーハの厚さによらず、ウェーハ厚さ方向の抵抗率変動を狭い規格範囲に収めることができる。

このようなシリコン単結晶を育成するには、カウンタードープによる副ドーパントの投入が必要である。本実施の形態において、ｎ型単結晶を製造する場合、初期のドーパント剤として、ｎ型ドーパントである例えばＰ（リン）を投入し、抵抗率調整のためにｐ型ドーパントである例えばＢ（ボロン）を投入する。
これは、抵抗率を同じ目標値とした場合であっても、初期ドーパントとしてＰ（リン）のみを投入すると、結晶軸に沿った抵抗率の変動は緩いが、Ｂ（ボロン）で抵抗率を調整した場合には、抵抗率の変動が急峻となるためである。抵抗率の変動が急峻であることにより、結晶軸方向の短いピッチ（例えば２ｍｍ）での抵抗率制御が可能となる。

図２は、シリコン単結晶Ｃを製造するための単結晶引上装置の一例を示す断面図である。この単結晶引上装置１００は、円筒形状のメインチャンバ１０ａの上にプルチャンバ１０ｂを重ねて形成された炉体１０を備え、この炉体１０内に鉛直軸回りに回転可能、且つ昇降可能に設けられたカーボンルツボ（或いは黒鉛ルツボ）２０と、前記カーボンルツボ２０によって保持された石英ガラスルツボ３（以下、単にルツボ３と称する）とを具備している。このルツボ３は、カーボンルツボ２０の回転とともに鉛直軸回りに回転可能となされている。

また、カーボンルツボ２０の下方には、このカーボンルツボ２０を鉛直軸回りに回転させる回転モータなどの回転駆動部１４と、カーボンルツボ２０を昇降移動させる昇降駆動部１５とが設けられている。
尚、回転駆動部１４には回転駆動制御部１４ａが接続され、昇降駆動部１５には昇降駆動制御部１５ａが接続されている。

また単結晶引上装置１００は、ルツボ３に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）を溶融してシリコン溶融液Ｍ（以下、単に溶融液Ｍと呼ぶ）とする抵抗加熱によるサイドヒータ４と、ワイヤ６を巻き上げ、育成される単結晶Ｃを引き上げる引き上げ機構９とを備えている。前記引き上げ機構９が有するワイヤ６の先端には、種結晶Ｐが取り付けられている。

尚、サイドヒータ４には供給電力量を制御するヒータ制御部４ａが接続され、引き上げ機構９には、その回転駆動の制御を行う回転駆動制御部９ａが接続されている。
また、本実施の形態において、この単結晶引上装置１００においては、例えば、炉体１０の外側に磁場印加用電磁コイル８（水平磁場印加手段）が設置される。この磁場印加用電磁コイル８に所定の電流が印加されると、ルツボ３内のシリコン溶融液Ｍに対し所定強度（１０００～４０００Ｇａｕｓｓ）の水平磁場が印加されるようになっている。磁場印加用電磁コイル８には、その動作制御を行う電磁コイル制御部８ａが接続されている。
即ち、本実施形態においては、溶融液Ｍ内に横磁場を印加して単結晶を育成するＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ法）が実施され、それによりシリコン溶融液Ｍの対流を制御し、単結晶化の安定を図るようになされる。

また、ルツボ３内に形成される溶融液Ｍの上方には、単結晶Ｃの周囲を包囲する輻射シールド７が配置されている。この輻射シールド７は、上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶Ｃに対するサイドヒータ４や溶融液Ｍ等からの余計な輻射熱を遮蔽すると共に、炉内のガス流を整流するものである。
尚、輻射シールド７の下端と融液面Ｍ１との間のギャップは、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離を一定（例えば５０ｍｍ）に維持するよう制御される。

また、単結晶引上装置１００は、シリコン単結晶の径及び結晶長（固化率）を測定するためのＣＣＤカメラ等の光学式の測定センサ１６を備える。メインチャンバ１０ａの上面部には、観測用の小窓１０ａ１が設けられており、この小窓１０ａ１の外側から固液界面の位置変化を検出するようになされている。測定された単結晶径及び結晶長さから、単結晶重量／初期シリコン原料の重量で表される固化率が求められる。

ドーパント濃度と抵抗率との関係について説明すると、単結晶は、その長さ方向（引上げ時の鉛直方向）にドーパントの濃度分布が生じる。
シリコンの固化率をｇとした時のドーパントの濃度分布Ｃsは、次式（１）で表される。
Ｃs＝ｋ×Ｃ０×（１－ｇ）^ｋ－１ ・・・（１）
（式（１）において、ｋは平衡偏析係数、Ｃ０はシリコン溶融液における初期ドーパント濃度である。尚、ｐ型ドーパントとして最も一般的に使用されるボロン（Ｂ）の平衡偏析係数は０．８、ｎ型ドーパントとして最も一般的に使用されるリン（Ｐ）の平衡偏析係数は０．３５である。）

抵抗率を規定範囲とするには、シリコン単結晶の育成においてドーパント濃度と固化率との関係を求めておき、これらの関係からドーパント濃度の調整により、単結晶の抵抗率が所望の範囲となるように調整すればよい。例えば、リンをドーパントとし、単結晶ヘッド部の抵抗率を２０～１００Ω・ｃｍの範囲で設定した場合、１ロット１５０ｋｇ程度のシリコンにドーパント０．１～３．５ｇ（抵抗率１～５ｍΩ・ｃｍの高濃度（１０ ¹⁹ｃｍ^-3台）でリンを含んだシリコンの破片）を投入すればよい。

また、単結晶引上装置１００は、溶融液Ｍに例えばチップ状（或いは粉末状、顆粒状など）のドーパント（副ドーパント）を供給するためのドーパント供給治具１７を備える。ドーパント供給治具１７は、投入するドーパントを一時的に収容する投入容器１８と、この投入容器１８に連接され、下方に延びる管状部（石英チューブなど）１９を有する。メインチャンバ１０ａの上面部には、開口１０ａ２が設けられており、この開口１０ａ２に前記ドーパント供給治具１７の管状部１９が貫通されている。この管状部１９の先端は、ドーパントの投入によって液面振動やドーパントの結晶への付着がなされない位置に配置されている。

また、本実施の形態において、溶融液Ｍに投入されるチップ状ドーパントは、高純度（９９．９％以上）のドーパント、或いは、副ドーパントを含むシリコン単結晶、または主ドーパントを含むシリコン単結晶のそれぞれからスライスした厚さ５００μｍ以上１０００μｍ以下のシリコンウェーハをへき開して得られるチップであり、これを添加材として用いる。ドーパント用チップとして使用するシリコン単結晶は、抵抗率を測定し、所望のサイズに加工する。抵抗率からドーパント濃度を算出し、チップの重量にて添加されるドーパント量を管理することができる。

より具体的には、チップ状ドーパントは、融液面Ｍ１への投入時に、融液面Ｍ１直上を通過する不活性ガスによりチャンバ外に排出されないよう、最低限の重量が必要である。そのため、チップ1個当たりの表面積は４ｍｍ^２以上が望ましい。但し、チップのサイズが大きすぎると、溶融に時間がかかり、育成中の単結晶に付着するリスクが増加することから、２５ｍｍ^２以下が望ましい。同じく、チップの厚さも、重量、および溶解しやすさの観点から、５００μｍ以上１０００μm以下が望ましい。

また、この単結晶引上装置１００は、記憶装置１１ａと演算制御装置１１ｂとを有するコンピュータ１１を備え、回転駆動制御部１４ａ、昇降駆動制御部１５ａ、電磁コイル制御部８ａ、回転駆動制御部９ａ、測定センサ１６、エアシリンダ駆動部２１ａ、回転駆動制御部２５ａは、それぞれ演算制御装置１１ｂに接続されている。

このように構成された単結晶引上装置１００において、例えば、直径３００ｍｍの単結晶Ｃを育成する場合、次のように引き上げが行われる。
即ち、最初にルツボ３に原料ポリシリコン（例えば４６０ｋｇ）とドーパント添加用シリコンチップとを装填し、コンピュータ１１の記憶装置１１ａに記憶されたプログラムに基づき結晶育成工程が開始される。

次いで、炉体１０内が所定の雰囲気（主にアルゴンガスなどの不活性ガス）となされる。例えば、炉内圧６０～１１０ｔｏｒｒ、アルゴンガス流量４０～１１０ｌ／ｍｉｎの炉内雰囲気が形成される。
そして、ルツボ３が所定の回転速度（ｒｐｍ）で所定方向に回転動作された状態で、ルツボ３内に装填された原料ポリシリコンとドーパントとが、サイドヒータ４による加熱によって溶融され、溶融液Ｍとされる（図３のステップＳ１）。
尚、ｎ型シリコン単結晶を製造する場合には、例えば、ｎ型の主ドーパントとして、Ｐ（リン）を含むシリコンチップを用いる（初期融液におけるＰ濃度は例えば５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とする）。更に、抵抗率を調整するために、ｐ型ドーパントとしてＢ（ボロン）を投入する（初期融液におけるＢ濃度は例えば２．４Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とする）。このステップＳ１においては、原料ポリシリコンを溶融しながら、ドーパント添加用シリコンチップをルツボ３内に投入してもよい。

次いで、磁場印加用電磁コイル８に所定の電流が流され、溶融液Ｍ内に例えば２５００Ｇａｕｓｓの磁束密度で水平磁場が印加開始される（図３のステップＳ２）。この磁場印加によって、溶融液の対流が抑制される。
また、サイドヒータ４への供給電力や、引き上げ速度、磁場印加強度などをパラメータとして、溶融液撹拌を緩やかとなるように単結晶酸素濃度が低酸素濃度（例えば、０．８Ｅ１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、直胴部直径３１０ｍｍ、となる引き上げ条件に調整され、種結晶Ｐが軸回りに所定の回転速度で回転開始される。回転方向はルツボ３の回転方向とは逆方向になされる。そして、ワイヤ６が降ろされて種結晶Ｓｃが溶融液Ｍに接触され、種結晶Ｓｃの先端部を溶解した後、ネッキングが行われ、ネック部Ｓｃ１が形成される。

そして、単結晶引上工程が開始される。すなわち、結晶径が徐々に拡径されて肩部Ｃ１が形成され、製品部分となる直胴部Ｃ２を形成する工程に移行する（図３のステップＳ３）。
単結晶Ｃの育成が開始されると、コンピュータ１１は、測定センサ１６の測定結果を用いてシリコン単結晶の固化率を求め、直胴部Ｃ２の結晶長の管理を開始する。

また、コンピュータ１１は、例えば抵抗率の規格範囲の上限値が５５Ωｃｍ、下限値が５３Ωｃｍの場合、引上げ条件により求めた抵抗率に基づき、引上げにともない抵抗率が規格下限値の５３Ωｃｍまで下がると（図３のステップＳ５）、カウンタードープを行い、所定量のＢ（ボロン）を溶融液Ｍに投入する（図３のステップＳ６）。これにより抵抗率を規格上限値の５５Ωｃｍまで上昇させ、その後、抵抗率はドーパントの偏析に従い規格下限値の５３Ωｃｍに向かって下降することになる。

ここで、コンピュータ１１は、抵抗率の上昇率は、カウンタードープの際のドーパント剤のフィード時間とその濃度で管理する。また、下降率は、ドーパント種に応じた偏析係数に従うため、引上げ前のＰ（リン）とＢ（ボロン）の初期チャージ時の配合に基づき管理する。

また、コンピュータ１１は、上記したステップＳ５、Ｓ６の動作を、直胴部Ｃ２が所定の長さになるまで繰り返す。単結晶Ｃが有転位することなく所望の長さまで単結晶が引き上げられると（図３のステップＳ７）、単結晶育成が完了する。
即ち、所定の長さまで直胴部Ｃ２が形成されると、最終のテール部工程に移行し、このテール部工程において、結晶下端と溶融液Ｍとの接触面積が徐々に小さくされ、単結晶Ｃと溶融液Ｍとが切り離されてシリコン単結晶が製造される。

以上のように、シリコン単結晶Ｃの形成においては、複数回、主ドーパントの導電型とは反対の極性を持つ副ドーパントを投入するカウンタードープを行うにあたり、初期ドーパントとして主ドーパントと副ドーパントを同時に投入し、抵抗率の変化を急峻なものとして、抵抗率の変動率の管理を行う。
これによりシリコン単結晶Ｃは、結晶軸方向に狭い規格範囲の変動幅（Ｒ１（例えば５３Ωｃｍ）－Ｒ２（例えば５５Ωｃｍ））で周期変化する抵抗率を有する。より具体的には、単結晶中に軸方向に沿って、例えば結晶長２～３ｍｍの間を２～１０Ωｃｍの幅で上下に１回ずつ周期変化をする抵抗率が形成される。
このようなシリコン単結晶によれば、例えばシリコンウェーハにスライスした際に、ウェーハの厚さによらず、ウェーハ厚さ方向の抵抗率変動を狭い規格範囲に収めることができる。

尚、前記実施の形態においては、本発明のシリコン単結晶を製造する場合の説明として、ｎ型ドーパントを主ドーパントとしてｎ型シリコン単結晶を製造する場合を例に説明したが、本発明にあっては、それに限定されるものではなく、ｐ型ドーパントを主ドーパントとしたｐ型シリコン単結晶でもよい。

本発明に係るシリコン単結晶について、実施例に基づきさらに説明する。
（実施例１）
実施例１では、直径３２インチの石英ルツボ内に４６０ｋｇのシリコン原料を充填し、主ドーパントとしてＰ（リン）、副ドーパントとしてＢ（ボロン）を添加して溶融した。初期の溶融液におけるＰ（リン）濃度は、５Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とした。また、初期の溶融液におけるＢ（リン）濃度は、２．４Ｅ１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とした。
また、輻射シールドと融液面との距離を５０ｍｍとし、炉内圧６５ｔｏｒｒ、アルゴンガスを流量９０ｌ／ｍｉｎで流し、横磁場の強度を２５００Ｇａｕｓｓの炉内環境を作った。
そして、ルツボ回転数を１ｒｐｍ、結晶回転数を７ｒｐｍ（ルツボ回転とは逆方向）とし、引上げ速度１．５ｍｍ／ｍｉｎで結晶径３００ｍｍを目標として単結晶育成を行った。また、抵抗率規格は、５３．７～５５．７Ωｃｍとした。
単結晶引上げを開始し、断続的に副ドーパントであるＢ（ボロン）のカウンタードープを実施して、抵抗率の変化が５３．７～５５．７Ωｃｍの間となるよう制御した。

引き上げた単結晶を冷却した後、直胴部の側面から四探針法による抵抗率測定を行った。図４、図５に、その測定結果のグラフを示す。図４、図５のグラフの縦軸は抵抗率（Ω・ｃｍ）、横軸は結晶長（ｍｍ）固化率である。図５は、図４の一部を拡大したものである。抵抗率の測定は結晶軸に沿って０．５ｍｍピッチで測定した。
図４、図５のグラフに示すように結晶長２～１０ｍｍの間で抵抗率が１周期（上下に一回ずつ周期的に）変動する単結晶を得ることができた。
また、抵抗率の変動幅が２Ωｃｍの設定であったため、抵抗率の変動率は４％以下であった。カウンタードープを行わない場合の抵抗率の変動に対して、カウンタードープにより８０％以上の補償率で引き上げることができた。即ち、引き上げたシリコン単結晶は、ｐ型ドーパントであるＢ（ボロン）により８０％以上補償されたｎ型ドーパントのＰ（リン）を含むものである。

（実施例２）
実施例２では、直径３２インチの石英ルツボ内に４６０ｋｇのシリコン原料を充填し、主ドーパントとしてＰ（リン）、副ドーパントとしてＢ（ボロン）を添加して溶融した。初期の溶融液におけるＰ（リン）濃度、初期の溶融液におけるＢ（リン）濃度に関して４種類の組み合わせについて生産性の難易度の調査を行った。

パターンＡは、初期融液中のＰ（リン）濃度が５Ｅ１６/ｃｍ^３、Ｂ（ボロン）濃度が２．４Ｅ１６/ｃｍ^３とした。
パターンＢは、初期融液中のＰ（リン）濃度が１．０Ｅ１７/ｃｍ^３、Ｂ（ボロン）濃度が４．７９Ｅ１６/ｃｍ^３とした。
パターンＣは、初期融液中のＰ（リン）濃度が６．８Ｅ１４/ｃｍ^３、Ｂ（ボロン）濃度が２．５２Ｅ１４/ｃｍ^３とした。
パターンＤは、初期融液中のＰ（リン）濃度が１．８Ｅ１４/ｃｍ^３、Ｂ（ボロン）濃度が２．２５Ｅ１３/ｃｍ^３とした。

また、輻射シールドと融液面との距離を５０ｍｍとし、炉内圧６５ｔｏｒｒ、アルゴンガスを流量９０ｌ／ｍｉｎで流し、横磁場の強度を２５００Ｇａｕｓｓの炉内環境を作った。そして、ルツボ回転数を１ｒｐｍ、結晶回転数を７ｒｐｍ（ルツボ回転とは逆方向）とし、引上げ速度１．５ｍｍ／ｍｉｎで結晶径３００ｍｍを目標として単結晶育成を行った。また、抵抗率の狙いは５５．７Ωｃｍとした。
単結晶引上げを開始し、断続的に副ドーパントであるＢ（ボロン）のカウンタードープを実施した。カウンタードープを行わない場合の抵抗率の変動に対して、カウンタードープによりどれだけ抵抗率を補償したかを補償率として算出し、この補償率をそれぞれパターンＡは９５％、パターンＢは８０％、パターンＣは９０％、パターンＤは９０％を狙った。

引き上げた単結晶を冷却した後、直胴部の側面から四探針法による抵抗率測定を行った。図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）に、その測定結果のグラフを示す。
図６、図７のグラフの縦軸は抵抗率（Ω・ｃｍ）を最大値で規格化したもの、横軸は結晶長（ｍｍ）である。抵抗率の測定は結晶軸に沿って、パターンＡ～Ｄに対して、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２５ｍｍ、５０ｍｍピッチでそれぞれ測定した。
図６、図７に示すように、それぞれ周期的な抵抗率の変動が見られた。パターンＡは２ｍｍ周期、パターンＢは３ｍｍ周期、パターンＣは１００ｍｍ周期、パターンＤは２００ｍｍ周期を示した。

また、表１に評価結果をまとめた。補償率はカウンタードープを行わない場合の抵抗率の変動に対して、カウンタードープによりどれだけ抵抗率を補償したかを試算した。即ち、引き上げたシリコン単結晶は、ｐ型ドーパントであるＢ（ボロン）により８０％以上補償されたｎ型ドーパントのＰ（リン）を含むものである。パターンＡ、Ｂの結果から、ボロンとリンの初期融液濃度を高めることで結晶長方向の抵抗率の傾きを２．３Ωｃｍ／ｍｍ以上、補償率を８０％近傍に合わせ込むことができた。ただし、急峻な抵抗率の変動ではカウンタードープによる抵抗率変動が若干安定にかけた。一方で、周期の長いパターンＣ、Ｄでは抵抗率の結晶長方向の変動は安定しているが、結晶長方向の抵抗率の傾きが小さくなった。

３ 石英ガラスルツボ
４ サイドヒータ
６ ワイヤ
７ 輻射シールド
１００ 単結晶引上装置
Ｃ シリコン単結晶
Ｃ２ 直胴部
Ｍ シリコン溶融液
Ｍ１ 融液面

Claims (5)

1. 直胴部を有し、該直胴部からシリコンウェーハが製造されるシリコン単結晶であって、
   前記直胴部の結晶軸方向において、規格範囲の変動幅で周期変化する抵抗率を有することを特徴とするシリコン単結晶。
2. 前記直胴部において、軸方向に沿って２～３ｍｍの間を２～１０Ωｃｍの幅で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶。
3. 前記直胴部において、軸方向に沿って３～１００ｍｍの間をカウンタードープによる補償率が８０％以上の範囲で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶。
4. 前記直胴部において、軸方向に沿って１００～２００ｍｍの間をカウンタードープによる補償率が８０％以上の範囲で少なくとも１周期の変化をする抵抗率を有することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶。
5. 前記直胴部は、ｐ型ドーパントにより８０％以上補償されたｎ型ドーパントを含むことを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶。

Images