JP7103314B2 - Carbon concentration evaluation method in silicon single crystal substrate - Google Patents

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本発明は、浮遊帯溶融法(FZ法)により育成したシリコン単結晶から作製したシリコン単結晶基板中の炭素濃度を簡便に評価する方法に関する。 The present invention relates to a method for simply evaluating the carbon concentration in a silicon single crystal substrate prepared from a silicon single crystal grown by a floating zone melting method (FZ method).

パワー半導体デバイス用の基板として、浮遊帯溶融法により育成されたシリコン単結晶から作製されたシリコン単結晶基板が広く用いられている。FZ法により育成されたシリコン単結晶は、チョクラルスキー法(CZ法)により育成されたシリコン単結晶に比べて、結晶育成軸方向における抵抗率の均一性が優れており、また、酸素をほとんど含んでいないために、デバイスプロセスにおいて抵抗率変化の要因となる酸素関連ドナーが発生しないという利点がある。 As a substrate for a power semiconductor device, a silicon single crystal substrate made from a silicon single crystal grown by a floating zone melting method is widely used. The silicon single crystal grown by the FZ method has excellent resistivity uniformity in the crystal growth axial direction as compared with the silicon single crystal grown by the Czochralski method (CZ method), and contains almost no oxygen. Since it is not contained, there is an advantage that oxygen-related donors that cause resistivity changes are not generated in the device process.

FZ法により育成されたシリコン単結晶(以下、「FZシリコン単結晶」とも称する)の抵抗率を制御するためにドーパントをドープする方法として、結晶育成時の雰囲気ガスからドーパントをドープするガスドープ法(GD法)と、シリコン単結晶育成後に中性子を照射して、核変換反応(30Si(n,γ)→31Si→31P+β)によりリンをドープする中性子照射ドープ法(NTD法)がある(非特許文献1)。なお、FZシリコン単結晶から作製した基板をFZシリコン単結晶基板といい、また、上記ドープ方法で得られた単結晶から作製した基板をそれぞれGD-FZシリコン単結晶基板、NTD-FZシリコン単結晶基板という。NTD-FZシリコン単結晶基板は、GD-FZシリコン単結晶基板に比べて抵抗率の面内均一性が優れていることから、抵抗率の要求規格が厳しいパワーデバイス用の基板として用いられている。 As a method of doping a dopant in order to control the resistance of a silicon single crystal grown by the FZ method (hereinafter, also referred to as "FZ silicon single crystal"), a gas doping method in which a dopant is doped from an atmospheric gas during crystal growth (hereinafter, also referred to as "FZ silicon single crystal"). The GD method) and the neutron irradiation doping method (NTD method) in which neutrons are irradiated after the silicon single crystal is grown and phosphorus is doped by a nuclear conversion reaction ( 30 Si (n, γ) → 31 Si → 31 P + β) (NTD method). Non-Patent Document 1). The substrate made from the FZ silicon single crystal is called an FZ silicon single crystal substrate, and the substrate made from the single crystal obtained by the above doping method is a GD-FZ silicon single crystal substrate and an NTD-FZ silicon single crystal, respectively. It is called a board. The NTD-FZ silicon single crystal substrate is used as a substrate for power devices with strict resistivity requirements because the in-plane uniformity of resistivity is superior to that of the GD-FZ silicon single crystal substrate. ..

また、FZシリコン単結晶では、結晶育成時の炉内での放電防止、結晶育成時に導入される結晶欠陥の低減、ウェーハ強度の向上のために、結晶育成時に窒素が添加される場合が多い(特許文献1)。育成された単結晶に導入される窒素の濃度は、結晶育成時の雰囲気ガスの調整により制御される。 Further, in the FZ silicon single crystal, nitrogen is often added during crystal growth in order to prevent discharge in the furnace during crystal growth, reduce crystal defects introduced during crystal growth, and improve wafer strength (in order to improve wafer strength). Patent Document 1). The concentration of nitrogen introduced into the grown single crystal is controlled by adjusting the atmospheric gas during crystal growth.

半導体デバイスの基板として広く用いられるシリコン単結晶基板には、炭素が不純物として含まれている。炭素は、シリコン単結晶の製造工程において混入し、更に、ウェーハ加工工程、エピタキシャル成長工程、デバイス製造工程においても混入する場合がある。シリコン単結晶中の炭素は、通常の状態ではシリコンの格子位置に存在し(格子位置に存在する炭素を置換型炭素と呼ぶ)、それ自身は電気的に不活性である。しかし、デバイス工程におけるイオン注入や熱処理などにより格子間位置に弾き出されると(格子間位置に存在する炭素を格子間炭素と呼ぶ)、他の不純物と反応して複合体を形成することで電気的に活性となり、デバイス特性に悪影響を及ぼすという問題が生じる。 A silicon single crystal substrate widely used as a substrate for a semiconductor device contains carbon as an impurity. Carbon is mixed in the manufacturing process of the silicon single crystal, and may be further mixed in the wafer processing step, the epitaxial growth step, and the device manufacturing step. The carbon in a silicon single crystal is normally present at the silicon lattice position (the carbon present at the lattice position is called the substituted carbon) and is itself electrically inactive. However, when it is ejected to the interstitial position by ion implantation or heat treatment in the device process (carbon existing in the interstitial position is called interstitial carbon), it reacts with other impurities to form a complex and is electrically charged. It becomes active and causes a problem that it adversely affects the device characteristics.

特に、電子線、プロトン、ヘリウムイオンなどの粒子線をシリコン基板に照射することでキャリアライフタイムを制御するパワーデバイスでは、0.05ppma以下の極微量の炭素がデバイス特性に悪影響を及ぼすことが指摘されている(非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4)。このことから、シリコン基板に含まれる炭素をできる限り低減することが重要な課題であり、そのためには、炭素濃度を高感度で評価する方法が必要である。 In particular, it has been pointed out that in power devices whose carrier lifetime is controlled by irradiating a silicon substrate with particle beams such as electron beams, protons, and helium ions, a very small amount of carbon of 0.05 ppma or less adversely affects the device characteristics. (Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4). For this reason, it is an important issue to reduce the carbon contained in the silicon substrate as much as possible, and for that purpose, a method for evaluating the carbon concentration with high sensitivity is required.

シリコン結晶中の炭素濃度を測定する方法として、赤外吸収法、二次イオン質量分析法(SIMS)、及び荷電粒子放射化分析法が挙げられる(非特許文献5)。 Examples of the method for measuring the carbon concentration in the silicon crystal include an infrared absorption method, a secondary ion mass spectrometry (SIMS), and a charged particle activation analysis method (Non-Patent Document 5).

また、試料に電子線を照射した後に、フォトルミネッセンス(PL)法によりシリコンに由来する発光強度と炭素に由来する欠陥の発光強度とを取得し、それらの強度と予め用意されている検量線とを用いて、炭素濃度を測定する方法が開示されている(特許文献2)。この方法では、FZ単結晶の原料の種類別に検量線を作成して用意しておき、測定用半導体試料の原料と同じ種類の原料の検量線を選択し、その選択した検量線を用いて、前記測定用半導体試料のPL法による測定値から炭素濃度を求める。 In addition, after irradiating the sample with an electron beam, the emission intensity derived from silicon and the emission intensity of defects derived from carbon are obtained by the photoluminescence (PL) method, and these intensities and a calibration curve prepared in advance are used. (Patent Document 2) discloses a method for measuring a carbon concentration using. In this method, a calibration curve is prepared and prepared for each type of raw material of the FZ single crystal, a calibration curve of the same type of raw material as the raw material of the semiconductor sample for measurement is selected, and the selected calibration curve is used. The carbon concentration is obtained from the measured value of the semiconductor sample for measurement by the PL method.

また、シリコン単結晶基板に粒子線を照射し、その後に過剰キャリアを注入した後のキャリア濃度の減衰曲線と炭素濃度との相関関係を求めて、該相関関係から評価したいシリコン単結晶基板に粒子線照射して過剰キャリアを注入した後のキャリア濃度の減衰曲線を測定して炭素濃度を評価する方法が開示されている(特許文献3)。 Further, after irradiating the silicon single crystal substrate with a particle beam and then injecting excess carriers, the correlation between the decay curve of the carrier concentration and the carbon concentration is obtained, and the particles are formed on the silicon single crystal substrate to be evaluated from the correlation. A method of evaluating the carbon concentration by measuring the decay curve of the carrier concentration after injecting excess carriers by linear irradiation is disclosed (Patent Document 3).

また、試料に炭素及び酸素以外のイオンを注入した後に、カソードルミネッセンス法又はフォトルミネッセンス法により炭素関連欠陥の濃度を測定することにより、炭素濃度を評価する方法(特許文献4)や、試料に電子線を照射した後に、カソードルミネッセンス法又はフォトルミネッセンス法により格子間シリコンクラスターの濃度を測定することにより、炭素濃度を評価する方法(特許文献5)が開示されている。 Further, a method of evaluating the carbon concentration by injecting ions other than carbon and oxygen into the sample and then measuring the concentration of carbon-related defects by the cathode luminescence method or the photoluminescence method (Patent Document 4), or an electron in the sample. A method for evaluating a carbon concentration by measuring the concentration of interstitial silicon clusters by a cathode luminescence method or a photoluminescence method after irradiating a line (Patent Document 5) is disclosed.

一方、シリコン単結晶基板中の金属汚染や結晶欠陥の評価方法の一つとして、キャリアの再結合ライフタイムを測定する方法が用いられることがある。非特許文献6では、FZシリコンウェーハに450~700℃の熱処理を施すと、キャリアの再結合ライフタイムが低下することが報告されている。キャリアの再結合ライフタイムが低下する原因は、空孔が関連した欠陥であろうと推測されている。また、窒素がほとんど含まれていない場合と窒素が含まれている場合とでは、キャリアの再結合ライフタイムの熱処理温度依存性が異なることが記載されている。非特許文献7では、FZシリコンウェーハで500℃の熱処理により導入される再結合ライフタイムを低下させる欠陥には、窒素が関与していることが示唆されている。 On the other hand, as one of the methods for evaluating metal contamination and crystal defects in a silicon single crystal substrate, a method for measuring the carrier recombination lifetime may be used. Non-Patent Document 6 reports that when an FZ silicon wafer is heat-treated at 450 to 700 ° C., the carrier recombination lifetime is reduced. It is speculated that the cause of the reduced carrier recombination lifetime may be a defect associated with vacancies. It is also described that the heat treatment temperature dependence of the carrier recombination lifetime differs between the case where nitrogen is hardly contained and the case where nitrogen is contained. Non-Patent Document 7 suggests that nitrogen is involved in the defects that reduce the recombination lifetime introduced by the heat treatment at 500 ° C. on the FZ silicon wafer.

また、特許文献6では、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(CZシリコン単結晶)では、炭素濃度が1.0×1014atoms/cm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ることが開示されている。この場合、CZシリコン単結晶の育成後に熱処理は施されていない。 Further, in Patent Document 6, in the silicon single crystal (CZ silicon single crystal) pulled up by the Chokralsky method, when the carbon concentration is as low as 1.0 × 10 14 atoms / cm 3 or less, the oxygen concentration is increased. Regardless, it is disclosed that the bulk lifetime increases as the carbon concentration decreases. In this case, no heat treatment is performed after the growth of the CZ silicon single crystal.

特開2017-122033号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-12203 特開2019-036661号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-036661 特開2019-050283号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-052083 特開2015-156420号公報JP-A-2015-156420 特開2015-111615号公報JP-A-2015-1111615 特開2016-044109号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-044109

伊藤辰夫、戸田真人:シリコンの中性子照射ドーピング、放射線と産業、No.64,p.19(1994)Tatsuo Ito, Masato Toda: Neutron Irradiation Doping of Silicon, Radiation and Industry, No. 64, p. 19 (1994) 杉山他,シリコンテクノロジーNo.87,p.6Sugiyama et al., Silicon Technology No. 87, p. 6 杉江他,シリコンテクノロジーNo.148,p.11Sugie et al., Silicon Technology No. 148, p. 11 N.Inoue et al.,Physica B 401-402(2007),p.477N. Inoue et al. , Physica B 401-402 (2007), p. 477 JEITA EM-3503「赤外吸収によるシリコン結晶中の置換型炭素原子濃度の標準測定法」JEITA EM-3503 "Standard measurement method of substituted carbon atom concentration in silicon crystal by infrared absorption" N.E.Grant et al., Phys. Status Solidi A. doi:10.1002/pssa.201600360N. E. Grant et al. , Phys. Status Solidi A. doi: 10.1002 / pssa. 201600360 J.Mullins et al., J.Appl.Phys. 124,035701(2018)J. Mullins et al. , J. Apple. Phys. 124,035701 (2018)

しかしながら、上述した従来技術の赤外吸収法では、炭素を含まない参照試料を必要とし、また、炭素濃度を高感度で測定するには、厚く且つ厚み均一性の高い試料を準備する必要があるという問題があった。また、吸収スペクトルを測定する際の積算時間を長くする必要があり、測定時間が長くなるという問題があった。 However, the above-mentioned conventional infrared absorption method requires a carbon-free reference sample, and in order to measure the carbon concentration with high sensitivity, it is necessary to prepare a thick and highly uniform sample. There was a problem. Further, it is necessary to lengthen the integration time when measuring the absorption spectrum, and there is a problem that the measurement time becomes long.

また、SIMSの場合は、近年の技術進展により測定感度が高くなってきているが、高価な分析装置と高度な専門的分析技術を必要とするという問題があった。さらに、炭素濃度を高感度で測定するには、環境からの外乱因子を低減するために真空引きに長時間を要するなど、測定時間が長くなるという問題があった。 Further, in the case of SIMS, although the measurement sensitivity has been increased due to recent technological progress, there is a problem that an expensive analyzer and a highly specialized analysis technique are required. Further, in order to measure the carbon concentration with high sensitivity, there is a problem that the measurement time becomes long, for example, it takes a long time to evacuate in order to reduce the disturbance factor from the environment.

また、荷電粒子放射化分析法の場合は、炭素の存在状態によらず全ての炭素を測定できるという利点があるが、特殊な装置が必要となることや感度が低いことなどから、評価手法として一般的に用いることは難しいという問題があった。 In addition, the charged particle activation analysis method has the advantage of being able to measure all carbon regardless of the presence of carbon, but it requires a special device and has low sensitivity, so it can be used as an evaluation method. There was a problem that it was difficult to use in general.

また、特許文献2~特許文献5の技術では、荷電粒子線を照射するための大がかりな装置が必要であり、また、ルミネッセンス強度を測定する際に、測定対象の試料を約30K以下に冷却する必要があり、手間とコストがかかるという問題があった。また、リンをドープするために中性子照射されたNTD-FZシリコン単結晶基板の場合には適用できないという問題があった。 Further, in the techniques of Patent Documents 2 to 5, a large-scale device for irradiating a charged particle beam is required, and when measuring the luminescence intensity, the sample to be measured is cooled to about 30 K or less. There was a problem that it was necessary, laborious and costly. Further, there is a problem that it cannot be applied in the case of an NTD-FZ silicon single crystal substrate irradiated with neutrons to dope phosphorus.

また、特許文献6において、CZシリコン単結晶では、熱処理を施さない場合でも、バルクライフタイムと炭素濃度に相関があることが示されている。しかしながら、本発明者が鋭意研究を行い、本発明者による実験の結果、FZシリコン単結晶では、熱処理を施さない場合、キャリアの再結合ライフタイムと炭素濃度に相関がないという問題を見出した。 Further, Patent Document 6 shows that the CZ silicon single crystal has a correlation between the bulk lifetime and the carbon concentration even when the heat treatment is not performed. However, the present inventor has conducted diligent research, and as a result of experiments by the present inventor, it has been found that there is no correlation between the carrier recombination lifetime and the carbon concentration in the FZ silicon single crystal when no heat treatment is applied.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、FZ法により育成したシリコン単結晶から作製したシリコン単結晶基板に含まれる炭素の濃度を、簡便に速く評価する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is a method for easily and quickly evaluating the concentration of carbon contained in a silicon single crystal substrate prepared from a silicon single crystal grown by the FZ method. The purpose is to provide.

上記目的を達成するために、本発明は、浮遊帯溶融法により育成したシリコン単結晶から作製したシリコン単結晶基板に含まれる炭素濃度を評価する方法であって、
予め、前記シリコン単結晶から作製した炭素濃度の異なる複数の試験用シリコン単結晶基板を準備して、該複数の試験用シリコン単結晶基板に所定の熱処理を施す第1の工程と、
前記所定の熱処理を施した前記複数の試験用シリコン単結晶基板において、それぞれキャリアの再結合ライフタイムLTを測定する第2の工程と、
前記測定した複数の試験用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLTに基づいて、前記シリコン単結晶基板におけるキャリアの再結合ライフタイムLT又は該再結合ライフタイムの逆数である1/LTと、前記シリコン単結晶基板中の炭素濃度との相関関係を求める第3の工程と、
前記シリコン単結晶から作製した炭素濃度を評価する評価用シリコン単結晶基板に対し、前記第1の工程で施した前記複数の試験用シリコン単結晶に対する所定の熱処理と同等の熱処理を施す第4の工程と、
前記同等の熱処理を施した前記評価用シリコン単結晶基板においてキャリアの再結合ライフタイムLTを測定して、該評価用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLT又は1/LTを得る第5の工程と、
前記得た評価用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLT又は1/LTと、前記相関関係に基づいて、前記評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価する第6の工程と
を含むことを特徴とするシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is a method for evaluating the carbon concentration contained in a silicon single crystal substrate prepared from a silicon single crystal grown by a floating zone melting method.
A first step of preparing a plurality of test silicon single crystal substrates having different carbon concentrations prepared from the silicon single crystal in advance and subjecting the plurality of test silicon single crystal substrates to a predetermined heat treatment.
A second step of measuring the carrier recombination lifetime LT in each of the plurality of test silicon single crystal substrates subjected to the predetermined heat treatment, and
Based on the measured recombination lifetime LT of the carriers of the plurality of test silicon single crystal substrates, the recombination lifetime LT of the carriers in the silicon single crystal substrate or 1 / LT which is the inverse of the recombination lifetime. , The third step of obtaining the correlation with the carbon concentration in the silicon single crystal substrate, and
A fourth method, in which the evaluation silicon single crystal substrate for evaluating the carbon concentration produced from the silicon single crystal is subjected to a heat treatment equivalent to a predetermined heat treatment for the plurality of test silicon single crystals performed in the first step. Process and
A fifth that measures the carrier recombination lifetime LT on the evaluation silicon single crystal substrate that has undergone the same heat treatment to obtain the carrier recombination lifetime LT or 1 / LT of the evaluation silicon single crystal substrate. Process and
The recombined lifetime LT or 1 / LT of the carrier of the obtained evaluation silicon single crystal substrate and the sixth step of evaluating the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate based on the correlation. Provided is a method for evaluating a carbon concentration in a silicon single crystal substrate, which comprises the present invention.

FZシリコン単結晶から作製したシリコン単結晶基板に所定の熱処理を施すと、該シリコン単結晶基板に含まれる炭素が、電気的に活性な欠陥(以下、炭素関連再結合中心と呼ぶことがある)を形成し、キャリアの再結合に影響を及ぼすようにすることができる。このことから、上記のようにして、複数の試験用シリコン単結晶基板の熱処理後にキャリアの再結合ライフタイムLT(以下、「再結合ライフタイム」「LT」とも称する)を測定し、LT又は1/LTと炭素濃度との相関関係を予め求めておき、該相関関係を用いることにより、評価対象である評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を簡便に速く評価することができる。従来技術のように高価な分析装置や高度な専門的分析技術を必要とせずに迅速に評価でき、低コストで行うことができる。 When a silicon single crystal substrate made from an FZ silicon single crystal is subjected to a predetermined heat treatment, the carbon contained in the silicon single crystal substrate becomes an electrically active defect (hereinafter, may be referred to as a carbon-related recombination center). Can be made to affect the recombination of carriers. From this, as described above, after the heat treatment of the plurality of test silicon single crystal substrates, the carrier recombination lifetime LT (hereinafter, also referred to as “recombining lifetime” and “LT”) is measured, and LT or 1 By obtaining the correlation between / LT and the carbon concentration in advance and using the correlation, the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate to be evaluated can be evaluated easily and quickly. It can be evaluated quickly and at low cost without the need for expensive analyzers and highly specialized analysis techniques as in conventional techniques.

このとき、前記第1の工程において、前記複数の試験用シリコン単結晶基板に対して施す所定の熱処理として、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上16時間以下の熱処理を施すことができる。 At this time, as the predetermined heat treatment to be performed on the plurality of test silicon single crystal substrates in the first step, the heat treatment is performed at a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and a heat treatment time of 4 hours or longer and 16 hours or shorter. Can be applied.

このように、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上16時間以下の熱処理を施すことで、より効果的に、シリコン単結晶基板に含まれる炭素が、電気的に活性な欠陥を形成し、キャリアの再結合に影響を及ぼすようにすることができるので、より確実に炭素濃度を簡便に速く評価することができる。 As described above, by performing the heat treatment at a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and a heat treatment time of 4 hours or more and 16 hours or less, the carbon contained in the silicon single crystal substrate is more effectively electrically activated. Since it is possible to form various defects and affect the recombination of carriers, the carbon concentration can be evaluated more reliably and quickly.

熱処理温度を600℃以上にすることで、GD-FZシリコン単結晶基板において、結晶育成時に形成されたキャリア再結合中心をより効果的に消滅させることができる。また、NTD-FZシリコン単結晶基板において、結晶育成時及び、その後の中性子照射時に形成されたキャリア再結合中心をより効果的に消滅させることができる。このことにより、熱処理温度を600℃以上、熱処理時間を4時間以上にすることで、ドーパントのドープ法によらず、キャリアの再結合ライフタイムが炭素濃度により一層強く依存するようにできるので、熱処理後に上記相関関係を求めて用いることにより、簡便なシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価をより確実に行うことができる。
また、熱処理温度を650℃以下、熱処理時間を4時間以上とすることで、ドーパントのドープ法によらず、キャリアの再結合ライフタイムが窒素濃度に強く依存することをより効果的に避けることができ、キャリアの再結合ライフタイムが炭素濃度により一層強く依存するようにできるので、熱処理後に上記相関関係を求めて用いることにより、簡便なシリコン単結晶中の炭素濃度評価をより確実に行うことができる。
熱処理時間の上限は特に限定されないが、16時間以下にすることにより、熱処理時間が長くなり効率的でなくなることを避けることができる。
By setting the heat treatment temperature to 600 ° C. or higher, the carrier recombination center formed during crystal growth can be more effectively eliminated in the GD-FZ silicon single crystal substrate. Further, in the NTD-FZ silicon single crystal substrate, the carrier recombination center formed during crystal growth and subsequent neutron irradiation can be more effectively eliminated. As a result, by setting the heat treatment temperature to 600 ° C. or higher and the heat treatment time to 4 hours or longer, the carrier recombination lifetime can be made more strongly dependent on the carbon concentration regardless of the dopant doping method. By later obtaining and using the above correlation, it is possible to more reliably evaluate the carbon concentration in the silicon single crystal substrate.
Further, by setting the heat treatment temperature to 650 ° C. or lower and the heat treatment time to 4 hours or more, it is possible to more effectively avoid the carrier recombination lifetime from being strongly dependent on the nitrogen concentration regardless of the dopant doping method. Since the carrier recombination lifetime can be made more strongly dependent on the carbon concentration, it is possible to more reliably evaluate the carbon concentration in the silicon single crystal by obtaining and using the above correlation after the heat treatment. can.
The upper limit of the heat treatment time is not particularly limited, but by setting it to 16 hours or less, it is possible to prevent the heat treatment time from becoming long and inefficient.

また、前記第2の工程及び第5の工程において、前記キャリアの再結合ライフタイムLTを測定する方法として、マイクロ波光導電減衰法を用いることができる。 Further, in the second step and the fifth step, the microwave photoconductive attenuation method can be used as a method for measuring the recombination lifetime LT of the carrier.

このように、マイクロ波光導電減衰法(Microwave Photoconductive Decay method:μ-PCD法)を用いることにより、キャリアの再結合ライフタイムを簡便に速く測定することができる。 As described above, by using the microwave photoconducting attenuation method (Microwave Photoconductive Decay measurement: μ-PCD method), the carrier recombination lifetime can be measured easily and quickly.

以上のように、本発明のシリコン単結晶中の炭素濃度評価方法によれば、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施した後、キャリアの再結合ライフタイムを測定し、該キャリアの再結合ライフタイムと炭素濃度との相関関係を予め求め、該相関関係に基づいて炭素濃度を評価するので、高価な分析装置や高度な専門的分析技術を必要としたり、測定に時間をかける必要がある従来技術に比べて、簡便に速く炭素濃度を評価することができる。 As described above, according to the method for evaluating the carbon concentration in a silicon single crystal of the present invention, after the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated, the carrier recombination lifetime is measured, and the carrier recombination lifetime is measured. Since the correlation between carbon concentration and carbon concentration is obtained in advance and the carbon concentration is evaluated based on the correlation, a conventional technique that requires an expensive analyzer, highly specialized analysis technology, or takes time for measurement. Compared with, the carbon concentration can be evaluated easily and quickly.

本発明のシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of the carbon concentration evaluation method in the silicon single crystal substrate of this invention. 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイム(LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理時間は16時間で、熱処理温度は、(a)が600℃、(b)が625℃、(c)が650℃である。It is a figure which shows the relationship between the recombination lifetime (LT) of a carrier measured in an experimental example, and a carbon concentration. The heat treatment time is 16 hours, and the heat treatment temperature is 600 ° C. for (a), 625 ° C. for (b), and 650 ° C. for (c). 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイムの逆数(1/LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理時間は16時間で、熱処理温度は、(a)が600℃、(b)が625℃、(c)が650℃である。It is a figure which shows the relationship between the reciprocal (1 / LT) of the carrier recombination lifetime measured in the experimental example, and carbon concentration. The heat treatment time is 16 hours, and the heat treatment temperature is 600 ° C. for (a), 625 ° C. for (b), and 650 ° C. for (c). 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイム(LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理温度は650℃で、熱処理時間は(a)が4時間、(b)が8時間、(c)が16時間である。It is a figure which shows the relationship between the recombination lifetime (LT) of a carrier measured in an experimental example, and a carbon concentration. The heat treatment temperature is 650 ° C., and the heat treatment time is 4 hours for (a), 8 hours for (b), and 16 hours for (c). 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイムの逆数(1/LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理温度は650℃で、熱処理時間は(a)が4時間、(b)が8時間、(c)が16時間である。It is a figure which shows the relationship between the reciprocal (1 / LT) of the carrier recombination lifetime measured in the experimental example, and carbon concentration. The heat treatment temperature is 650 ° C., and the heat treatment time is 4 hours for (a), 8 hours for (b), and 16 hours for (c). 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイム(LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理を施していない場合である。It is a figure which shows the relationship between the recombination lifetime (LT) of a carrier measured in an experimental example, and a carbon concentration. This is the case when no heat treatment is applied. 実験例において測定したキャリアの再結合ライフタイムの逆数(1/LT)と炭素濃度との関係を示す図である。熱処理を施していない場合である。It is a figure which shows the relationship between the reciprocal (1 / LT) of the carrier recombination lifetime measured in the experimental example, and carbon concentration. This is the case when no heat treatment is applied.

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
前述したように、従来技術では、高価な分析装置や専門的分析技術を必要としたり、測定に時間をかける必要があるという問題があった。
そこで、本発明者は、FZシリコン単結晶基板において、より簡便に速く炭素濃度を評価できる方法に関して鋭意検討を重ねたところ、シリコン単結晶基板に所定の熱処理を施した後、キャリアの再結合ライフタイムLTを測定した場合、LT又は1/LTと炭素濃度との間には相関関係があることを見出した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as an example of embodiments, but the present invention is not limited thereto.
As described above, the conventional technique has a problem that an expensive analyzer, a specialized analysis technique, and a time required for measurement are required.
Therefore, the present inventor has made extensive studies on a method capable of evaluating the carbon concentration more easily and quickly in the FZ silicon single crystal substrate. After subjecting the silicon single crystal substrate to a predetermined heat treatment, the carrier recombination life When the time LT was measured, it was found that there was a correlation between LT or 1 / LT and the carbon concentration.

さらには、炭素濃度の異なる複数の試験用のFZシリコン単結晶基板に対し、所定の熱処理、キャリアの再結合ライフタイムLTの測定を行い、そのLT又は1/LTと、基板中の炭素濃度との相関関係を得る一方で、実際の評価対象である評価用のFZシリコン単結晶基板に同等の熱処理、LTの測定を行い、得たLT又は1/LTと、上記相関関係に基づいてその炭素濃度を評価すれば、従来の評価方法よりも簡便に速く低コストで炭素濃度の評価が可能であることを見出し、本発明のシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法を完成させた。 Further, a predetermined heat treatment and carrier recombination lifetime LT are measured on a plurality of test FZ silicon single crystal substrates having different carbon concentrations, and the LT or 1 / LT and the carbon concentration in the substrate are measured. On the other hand, the FZ silicon single crystal substrate for evaluation, which is the actual evaluation target, is subjected to the same heat treatment and LT measurement, and the obtained LT or 1 / LT and its carbon based on the above correlation are obtained. By evaluating the concentration, it was found that the carbon concentration can be evaluated more easily, faster and at lower cost than the conventional evaluation method, and the carbon concentration evaluation method in the silicon single crystal substrate of the present invention was completed.

以下、図1を参照しながら、本発明のシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法をより具体的に説明する。
工程全体についてまず説明すると、図1に示すように第1~第3の工程(S1~S3)からなり、試験用シリコン単結晶基板(炭素濃度が既知であり、各々異なる)を用い、FZシリコン単結晶基板におけるキャリアの再結合ライフタイムLT又はその逆数である1/LTと、FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度との相関関係を求めるための予備試験と、第4~第6の工程(S4~S6)からなり、評価対象の評価用シリコン単結晶基板(炭素濃度が未知)中の炭素濃度を評価するための本試験からなっている。予備試験、本試験ともに、FZシリコン単結晶から作製したFZシリコン単結晶基板を用いる。
Hereinafter, the method for evaluating the carbon concentration in the silicon single crystal substrate of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.
First, the entire process will be described. As shown in FIG. 1, it consists of the first to third steps (S1 to S3), and uses a test silicon single crystal substrate (carbon concentration is known and each is different), and FZ silicon. Preliminary tests for determining the correlation between the carrier recombination lifetime LT in a single crystal substrate or 1 / LT, which is the inverse of the LT, and the carbon concentration in the FZ silicon single crystal substrate, and the fourth to sixth steps ( It consists of S4 to S6), and consists of this test for evaluating the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate (carbon concentration is unknown) to be evaluated. For both the preliminary test and the main test, an FZ silicon single crystal substrate made from an FZ silicon single crystal is used.

以下、各工程について詳述する。まず、予め、炭素濃度の異なる複数の試験用シリコン単結晶基板を準備して、該複数の試験用シリコン単結晶基板に熱処理を施す(第1の工程、図1のS1)。複数の炭素濃度の異なる試験用シリコン単結晶基板は、予め複数の炭素濃度の異なるFZ法により育成されたシリコン単結晶から試験用のシリコン単結晶基板を作製して準備することができる。また、このとき、評価対象となる、FZ法により育成されたシリコン単結晶から作製されたシリコン単結晶基板も同時に準備することができる(評価用シリコン単結晶基板)。これらのシリコン単結晶基板を準備する方法は、本発明において特に限定されない。例えば、該当のシリコン単結晶からウェーハを切断し、切断ダメージを取り除くために化学的エッチング処理を行うことにより準備できる。次に、準備した複数の試験用シリコン単結晶基板に所定の熱処理を施す。 Hereinafter, each step will be described in detail. First, a plurality of test silicon single crystal substrates having different carbon concentrations are prepared in advance, and the plurality of test silicon single crystal substrates are heat-treated (first step, S1 in FIG. 1). A plurality of test silicon single crystal substrates having different carbon concentrations can be prepared by preparing a test silicon single crystal substrate from a plurality of silicon single crystals grown by the FZ method having different carbon concentrations in advance. At this time, a silicon single crystal substrate made from a silicon single crystal grown by the FZ method, which is an evaluation target, can also be prepared at the same time (evaluation silicon single crystal substrate). The method for preparing these silicon single crystal substrates is not particularly limited in the present invention. For example, it can be prepared by cutting a wafer from the silicon single crystal in question and performing a chemical etching process to remove the cutting damage. Next, a predetermined heat treatment is performed on the plurality of prepared silicon single crystal substrates for testing.

このとき、上記所定の熱処理に関して、特には熱処理温度は600℃以上650℃以下とし、熱処理時間は4時間以上16時間以下とすることが望ましい。熱処理の雰囲気は特に限定されない。例えば、酸素、窒素、アルゴン、又はそれらの混合ガスなどとすることができる。 At this time, regarding the above-mentioned predetermined heat treatment, it is particularly desirable that the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, and the heat treatment time is 4 hours or longer and 16 hours or lower. The atmosphere of the heat treatment is not particularly limited. For example, it can be oxygen, nitrogen, argon, or a mixed gas thereof.

このように、シリコン単結晶基板に熱処理を施すことにより、シリコン単結晶基板に含まれる炭素が、電気的に活性な欠陥を形成し、キャリアの再結合に影響を及ぼすようにすることができる。なお、詳しくは後述するが、特に上記範囲の熱処理温度、熱処理時間で行うことでより効果的にその影響を及ぼすことができる。そのため、後の工程のように、熱処理後にキャリアの再結合ライフタイムLTを測定し、LT又は1/LTと炭素濃度との相関関係を求めることにより、シリコン単結晶中の炭素濃度の簡便な評価をより確実に行うことができる。
なお、特に熱処理時間を16時間以下とすることで、熱処理の長時間化による非効率化を防ぐことができる。
By heat-treating the silicon single crystal substrate in this way, the carbon contained in the silicon single crystal substrate can form electrically active defects and affect the carrier recombination. Although details will be described later, the effect can be more effectively exerted by performing the heat treatment at the heat treatment temperature and the heat treatment time in the above range. Therefore, as in the subsequent step, the carbon concentration in the silicon single crystal can be easily evaluated by measuring the carrier recombination lifetime LT after the heat treatment and obtaining the correlation between the LT or 1 / LT and the carbon concentration. Can be done more reliably.
In particular, by setting the heat treatment time to 16 hours or less, it is possible to prevent inefficiency due to a long heat treatment.

次に、熱処理を施した複数の試験用シリコン単結晶基板において、それぞれキャリアの再結合ライフタイムLTを測定する(第2の工程、図1のS2)。
キャリアの再結合ライフタイムは、シリコン単結晶基板に生成された再結合中心の他に、シリコン単結晶基板の表面における表面再結合の影響も受ける。キャリアの再結合ライフタイムの測定において、シリコン単結晶基板の表面再結合が問題になる場合は、表面再結合を抑制する処理を行う。この表面再結合を抑制する処理として、熱酸化処理(酸化膜パシベーション)や電解溶液処理(ケミカルパシベーション)が一般的に用いられている。
Next, the carrier recombination lifetime LT is measured in each of the heat-treated test silicon single crystal substrates (second step, S2 in FIG. 1).
The carrier recombination lifetime is affected by surface recombination on the surface of the silicon single crystal substrate as well as the recombination centers generated on the silicon single crystal substrate. When the surface recombination of the silicon single crystal substrate becomes a problem in the measurement of the carrier recombination lifetime, a treatment for suppressing the surface recombination is performed. Thermal oxidation treatment (oxide pacification) and electrolytic solution treatment (chemical pacification) are generally used as treatments for suppressing this surface recombination.

本発明では、第1の工程における熱処理の他に熱処理を施すことは避けることがより好ましい。第1の工程における熱処理の雰囲気を酸素、あるいは酸素を含む混合ガスとすれば、シリコン単結晶基板の表面に熱酸化膜を形成することができるが、熱処理の温度が低いために十分なパシベーション効果が得られない場合がある。このことから、表面再結合を抑制する処理としては、本発明では、第1の工程において形成された表面酸化膜などを除去した後、ケミカルパシベーションを行うことがより好ましい。 In the present invention, it is more preferable to avoid performing the heat treatment in addition to the heat treatment in the first step. If the atmosphere of the heat treatment in the first step is oxygen or a mixed gas containing oxygen, a thermal oxide film can be formed on the surface of the silicon single crystal substrate, but the heat treatment temperature is low, so that a sufficient passivation effect can be obtained. May not be obtained. From this, as a treatment for suppressing surface recombination, in the present invention, it is more preferable to perform chemical passivation after removing the surface oxide film and the like formed in the first step.

キャリアの再結合ライフタイムの測定には、マイクロ波光導電減衰法(μ-PCD法)を用いることができる。μ-PCD法における測定条件は、一般的に用いられている条件で良く、例えば、文献「JEIDA-53-1997“シリコンウェーハの反射マイクロ波光導電減衰法による再結合ライフタイム測定方法”」に記載された条件等により測定することができる。測定装置は市販されているものを用いることができる。このように、μ-PCD法を用いることにより、キャリアの再結合ライフタイムを極めて簡便に速く測定することができる。 The microwave photoconductive attenuation method (μ-PCD method) can be used to measure the carrier recombination lifetime. The measurement conditions in the μ-PCD method may be generally used conditions, and are described in, for example, the document “JEIDA-53-1997“ Method for measuring recombination lifetime by reflected microwave photoconductive attenuation method of silicon wafer ””. It can be measured according to the conditions and the like. A commercially available measuring device can be used. As described above, by using the μ-PCD method, the carrier recombination lifetime can be measured extremely easily and quickly.

次に、上記第2の工程で測定された複数の試験用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLTに基づいて、FZシリコン単結晶基板におけるキャリアの再結合ライフタイムLT又は該再結合ライフタイムの逆数である1/LTと、FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度との相関関係を求める(第3の工程、図1のS3)。熱処理後のLTはシリコン単結晶基板中の炭素濃度に依存し、炭素濃度が高いほど、LTは低くなり、1/LTは高くなることから、熱処理後のLT又は1/LTを求めることで炭素濃度を評価することができる。 Next, based on the carrier recombination lifetime LT of the plurality of test silicon single crystal substrates measured in the second step, the carrier recombination lifetime LT of the FZ silicon single crystal substrate or the recombination life The correlation between 1 / LT, which is the inverse of the time, and the carbon concentration in the FZ silicon single crystal substrate is obtained (third step, S3 in FIG. 1). The LT after heat treatment depends on the carbon concentration in the silicon single crystal substrate, and the higher the carbon concentration, the lower the LT and the higher 1 / LT. Therefore, by obtaining the LT or 1 / LT after the heat treatment, carbon is obtained. The concentration can be evaluated.

次に、上記のようにして予め求めた相関関係を用いて評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価する。具体的には、以下の第4~第6の工程により炭素濃度の評価を行う。
炭素濃度を評価する評価対象の評価用シリコン単結晶基板に対し、第1の工程で施した複数の試験用シリコン単結晶基板に対する熱処理と同等の熱処理を施す(第4の工程、図1のS4)。この熱処理は、試験用シリコン単結晶基板に対する熱処理と別途行うこともできるが、同時に行うこともできる。
Next, the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate is evaluated using the correlation obtained in advance as described above. Specifically, the carbon concentration is evaluated by the following fourth to sixth steps.
The evaluation silicon single crystal substrate for which the carbon concentration is evaluated is subjected to the same heat treatment as the heat treatment for the plurality of test silicon single crystal substrates performed in the first step (fourth step, S4 in FIG. 1). ). This heat treatment can be performed separately from the heat treatment for the test silicon single crystal substrate, but it can also be performed at the same time.

次に、評価用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLTを測定して、該評価用シリコン単結晶基板のLT又は1/LTの値を得る(第5の工程、図1のS5)。
さらに、このようにして得たLT又は1/LTの値と、上記第3の工程で求めた相関関係に基づいて、評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価する(第6の工程、図1のS6)。
Next, the recombination lifetime LT of the carrier of the evaluation silicon single crystal substrate is measured to obtain the LT or 1 / LT value of the evaluation silicon single crystal substrate (fifth step, S5 in FIG. 1). ..
Further, the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate is evaluated based on the LT or 1 / LT value thus obtained and the correlation obtained in the third step (sixth step, S6) in FIG.

このように、評価したい評価用シリコン単結晶基板に熱処理を施した後、キャリアの再結合ライフタイムを測定し、試験用シリコン単結晶基板を用いて予め求めたLT又は1/LTと炭素濃度との相関関係を用いることにより、評価用シリコン単結晶基板に含まれる炭素濃度を簡便に速く評価することができる。 In this way, after the evaluation silicon single crystal substrate to be evaluated is heat-treated, the carrier recombination lifetime is measured, and the LT or 1 / LT and the carbon concentration obtained in advance using the test silicon single crystal substrate are obtained. By using the correlation of, the carbon concentration contained in the evaluation silicon single crystal substrate can be evaluated easily and quickly.

以下、本発明における熱処理条件として、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上(16時間以下)とするのが好ましい点について詳述する。
前述したように、本発明の評価方法のように、FZシリコン単結晶基板に熱処理、特には上記範囲での熱処理温度、熱処理時間の熱処理を施すと、より効果的に、シリコン単結晶基板に含まれる炭素が、電気的に活性な欠陥を形成し、キャリアの再結合に影響を及ぼすようにすることができ、ひいては、より確実に、シリコン単結晶基板中の炭素濃度を簡便に評価することができる。
Hereinafter, as the heat treatment conditions in the present invention, it is preferable that the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and the heat treatment time is 4 hours or longer (16 hours or shorter).
As described above, when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated, particularly the heat treatment at the heat treatment temperature and the heat treatment time within the above range, as in the evaluation method of the present invention, the silicon single crystal substrate is more effectively contained. The carbon can be made to form electrically active defects and affect the recombination of carriers, and thus the carbon concentration in the silicon single crystal substrate can be easily evaluated more reliably. can.

キャリアの再結合中心として働く欠陥が1種類と仮定した場合、LTは再結合中心密度の逆数に比例することから、1/LTは再結合中心の相対密度となる。このことから、キャリアの再結合中心に炭素が関与している場合は、LT、1/LTともに炭素濃度と相関が得られることになる。従って、炭素濃度との相関関係を得る際は、LTと1/LTのどちらを用いても良い。炭素濃度の変化に対するLTおよび1/LTの絶対値の変化は、炭素濃度が低い場合にはLTの方が大きくなり、炭素濃度が高い場合には1/LTの方が大きくなる。 Assuming that there is only one type of defect acting as the carrier recombination center, LT is proportional to the reciprocal of the recombination center density, so 1 / LT is the relative density of the recombination center. From this, when carbon is involved in the recombination center of the carrier, a correlation with the carbon concentration can be obtained for both LT and 1 / LT. Therefore, when obtaining the correlation with the carbon concentration, either LT or 1 / LT may be used. The changes in the absolute values of LT and 1 / LT with respect to the change in carbon concentration are larger in LT when the carbon concentration is low, and larger in 1 / LT when the carbon concentration is high.

上記のように、FZシリコン単結晶基板に上記条件の熱処理を施した場合に特に、LTがシリコン単結晶基板の炭素濃度に依存し、炭素濃度が高いほど、LTが低くなり、1/LTが高くなる理由は、以下のように考えられる。 As described above, especially when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated under the above conditions, the LT depends on the carbon concentration of the silicon single crystal substrate, and the higher the carbon concentration, the lower the LT and 1 / LT. The reason for the increase is considered as follows.

シリコン単結晶育成工程において、シリコン単結晶中に真性点欠陥(空孔と格子間シリコン)が生成されるが、標準的なFZシリコン単結晶の育成条件において窒素を添加すると、空孔が優勢になる。結晶育成中の冷却過程において、窒素と空孔が反応して窒素と空孔の複合体(以下、窒素関連複合体と呼ぶ)が形成され、冷却後は、窒素関連複合体の形成に寄与できなかった窒素と空孔が残留する。シリコン単結晶育成後に熱処理を施すと、シリコン単結晶育成中の冷却過程で形成された窒素関連複合体に加えて、残留していた窒素と空孔が反応して窒素関連複合体が形成される。この窒素関連複合体はキャリアの再結合中心として働き、窒素濃度が高いほど窒素関連複合体の密度が高くなるため、窒素濃度が高いほど、1/LT(再結合中心の相対密度)が高くなり、LTが低くなる。本発明者は、本発明における上記熱処理条件とは異なる熱処理条件の場合に、LT又は1/LTが窒素濃度に依存するようになることを見出している。 In the silicon single crystal growth step, intrinsic point defects (pores and interstitial silicon) are generated in the silicon single crystal, but when nitrogen is added under the standard FZ silicon single crystal growth conditions, the pores become predominant. Become. During the cooling process during crystal growth, nitrogen and vacancies react to form a nitrogen and vacancies complex (hereinafter referred to as nitrogen-related complex), which can contribute to the formation of nitrogen-related complex after cooling. Nitrogen and vacancies that were not present remain. When heat treatment is performed after growing a silicon single crystal, in addition to the nitrogen-related complex formed during the cooling process during the growth of the silicon single crystal, the remaining nitrogen reacts with the vacancies to form a nitrogen-related complex. .. This nitrogen-related complex acts as a carrier recombination center, and the higher the nitrogen concentration, the higher the density of the nitrogen-related complex. Therefore, the higher the nitrogen concentration, the higher the 1 / LT (relative density of the recombination center). , LT becomes low. The present inventor has found that LT or 1 / LT becomes dependent on the nitrogen concentration under heat treatment conditions different from the above heat treatment conditions in the present invention.

また、シリコン単結晶に中性子を照射すると、シリコン単結晶中に真性点欠陥が過剰に生成される。過剰に生成された空孔や格子間シリコンは、単体では不安定なため、再結合したり、空孔同士や格子間シリコン同士がクラスタリングしたり、シリコン単結晶中に含まれる軽元素不純物(ドーパント、酸素、炭素、窒素など)と反応して複合体(以下、照射欠陥と呼ぶ)を形成する。そして、空孔や格子間シリコンのクラスターや、空孔や格子間シリコンと軽元素不純物の複合体はキャリアの再結合中心として働き、中性子照射量が高いほど照射欠陥の密度が高くなるため、中性子照射量が高いほど、1/LT(再結合中心の相対密度)が高くなり、LTが低くなる。 Further, when a silicon single crystal is irradiated with neutrons, intrinsic point defects are excessively generated in the silicon single crystal. Excessively generated vacancies and interstitial silicon are unstable by themselves, so they may recombine, cluster vacancies or interstitial silicon, or light element impurities (dopants) contained in a silicon single crystal. , Oxygen, carbon, nitrogen, etc.) to form a complex (hereinafter referred to as irradiation defect). The clusters of vacancies and interstitial silicon and the complex of vacancies and interstitial silicon and light element impurities act as the recombination center of carriers, and the higher the neutron irradiation dose, the higher the density of irradiation defects. The higher the irradiation amount, the higher the 1 / LT (relative density of the recombination center) and the lower the LT.

これらのシリコン単結晶育成時に形成された窒素関連複合体や、中性子照射時に形成された照射欠陥は、熱的に不安定であるため、少なくとも600℃以上の熱処理で消滅する。また、シリコン単結晶育成後の熱処理により形成される窒素関連複合体は、熱処理温度が少なくとも700℃以上の場合に短時間で形成されるが、それと同時に窒素と空孔がシリコン単結晶基板から外方拡散するため、ある熱処理時間を境に、窒素関連複合体の密度が増加から減少に転じるようになる。一方、熱処理温度が600℃以上650℃以下の場合には、シリコン単結晶に含まれる炭素が、電気的に活性な欠陥を形成し、キャリアの再結合に影響を及ぼすようになる。 Since these nitrogen-related complexes formed during the growth of silicon single crystals and irradiation defects formed during neutron irradiation are thermally unstable, they disappear by heat treatment at least 600 ° C. or higher. Further, the nitrogen-related composite formed by the heat treatment after growing the silicon single crystal is formed in a short time when the heat treatment temperature is at least 700 ° C., but at the same time, nitrogen and pores are removed from the silicon single crystal substrate. Since it diffuses in a direction, the density of the nitrogen-related complex starts to increase and decrease after a certain heat treatment time. On the other hand, when the heat treatment temperature is 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, carbon contained in the silicon single crystal forms electrically active defects and affects the recombination of carriers.

これらのことにより、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上の熱処理を施した場合に、より確実に、かつ、極めて効果的に、キャリアの再結合ライフタイムに対する、シリコン単結晶育成時や熱処理で形成された窒素関連複合体や中性子照射により形成された照射欠陥の影響を小さくし、且つ炭素関連再結合中心の影響を大きくすることができると考えられる。 As a result, when the heat treatment is performed at a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and a heat treatment time of 4 hours or longer, silicon is more reliably and extremely effectively with respect to the carrier recombination lifetime. It is considered that the influence of nitrogen-related complexes formed during single crystal growth or heat treatment and irradiation defects formed by neutron irradiation can be reduced, and the influence of carbon-related recombination centers can be increased.

本発明において、上述のようなシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法、および特に好ましい上記熱処理条件(熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上)は、上記知見および以下のような実験により得られた知見による。
<実験例>
FZ法により育成されたシリコン単結晶から作製されたFZシリコン単結晶基板で、異なる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。このとき、ドーパントはリンとし、リンをドープする方法として、結晶育成時の雰囲気ガスからリンをドープするガスドープ法(GD法)と、シリコン単結晶育成後に中性子を照射して、核変換反応(30Si(n,γ)→31Si→31P+β)によりリンをドープする中性子照射ドープ法(NTD法)を用いた。複数のFZシリコン単結晶基板のドーパント濃度、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。
In the present invention, the above-mentioned method for evaluating the carbon concentration in a silicon single crystal substrate and the particularly preferable heat treatment conditions (heat treatment temperature is 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and heat treatment time is 4 hours or longer) are described in the above findings and the following. Based on the findings obtained by experiments such as.
<Experimental example>
A plurality of FZ silicon single crystal substrates having different carbon concentrations were prepared as FZ silicon single crystal substrates prepared from silicon single crystals grown by the FZ method. At this time, the dopant is phosphorus, and as a method for doping phosphorus, a gas doping method (GD method) in which phosphorus is doped from the atmospheric gas at the time of crystal growth and a nuclear conversion reaction ( 30 ) in which neutrons are irradiated after the silicon single crystal is grown. The neutron irradiation doping method (NTD method) in which phosphorus is doped with Si (n, γ) → 31 Si → 31 P + β) was used. The dopant concentration, oxygen concentration, carbon concentration, nitrogen concentration, diameter, and crystal plane orientation of the plurality of FZ silicon single crystal substrates are as follows.

ドーパント濃度:6.0×1013~8.7×1013atoms/cm
酸素濃度:<0.1ppma(シリコン原料として多結晶シリコンを用いて育成したFZシリコン単結晶から作製した場合)、
0.1~0.4ppma(シリコン原料としてチョクラルスキー法(CZ法)で育成した単結晶シリコンを用いて育成したFZシリコン単結晶から作製した場合)、
炭素濃度:4×1014~5×1015atoms/cm
窒素濃度:4×1014~3×1015atoms/cm
直径:200mm、
結晶面方位:(100)。
Dopant concentration: 6.0 × 10 13 to 8.7 × 10 13 atoms / cm 3 ,
Oxygen concentration: <0.1 ppma (when prepared from FZ silicon single crystal grown using polysilicon as a silicon raw material),
0.1 to 0.4 ppma (when prepared from FZ silicon single crystal grown using single crystal silicon grown by the Czochralski method (CZ method) as a silicon raw material),
Carbon concentration: 4 × 10 14-5 × 10 15 atoms / cm 3 ,
Nitrogen concentration: 4 × 10 14-3 × 10 15 atoms / cm 3 ,
Diameter: 200 mm,
Crystal plane orientation: (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。リン濃度は、四探針法により測定した抵抗率から、アービンカーブを用いて求めた。 The oxygen concentration was measured by the infrared absorption method (using the conversion factor specified by JEIDA), and the carbon concentration and the nitrogen concentration were measured by the secondary ion mass spectrometry (SIMS). The phosphorus concentration was determined using the Irvine curve from the resistivity measured by the four-probe method.

酸素濃度が0.1ppma未満の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る(純Poly-FZと呼ぶ)。また、酸素濃度が0.1~0.4ppmaのシリコン単結晶基板は、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る(CZ-FZと呼ぶ)。このとき、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すると、原料に含まれる酸素濃度の違いや単結晶育成条件により、酸素濃度が0.1~0.4ppmaの範囲でばらつきが生じる。 A silicon single crystal substrate having an oxygen concentration of less than 0.1 ppma is produced from a silicon single crystal grown by the FZ method using a normal polycrystalline silicon ingot as a raw material (referred to as pure Poly-FZ). Further, the silicon single crystal substrate having an oxygen concentration of 0.1 to 0.4 ppma is produced from a silicon single crystal grown by the FZ method using a silicon single crystal ingot grown by the CZ method as a raw material (). (Called CZ-FZ). At this time, when the silicon single crystal ingot grown by the CZ method is used as a raw material, the oxygen concentration varies in the range of 0.1 to 0.4 ppma depending on the difference in the oxygen concentration contained in the raw material and the single crystal growing conditions.

次に、用意したシリコン単結晶基板に熱処理を施した。このとき、熱処理時間を16時間とし、熱処理温度を600~650℃の範囲で振った。またこれとは別に、熱処理温度を650℃とし、熱処理時間を4~16時間の範囲で振った。すべての熱処理条件において、熱処理雰囲気は酸素とした。 Next, the prepared silicon single crystal substrate was heat-treated. At this time, the heat treatment time was set to 16 hours, and the heat treatment temperature was shaken in the range of 600 to 650 ° C. Separately from this, the heat treatment temperature was set to 650 ° C., and the heat treatment time was shaken in the range of 4 to 16 hours. Under all heat treatment conditions, the heat treatment atmosphere was oxygen.

次に、熱処理を施したシリコン単結晶基板の表面酸化膜をフッ酸水溶液により除去した後、ヨウ素エタノール溶液を用いたケミカルパシベーション処理を施した。その後、μ-PCD法によりキャリアの再結合ライフタイムLTを測定した。このとき、直径200mmのウェーハの面内において、外周から約10mmまでの領域を除き、約4mm間隔で約1600点測定して、その平均値をLTの値とした。また、測定したLTから1/LTを求めた。 Next, the surface oxide film of the heat-treated silicon single crystal substrate was removed with an aqueous solution of hydrofluoric acid, and then a chemical passivation treatment was performed using an iodine-ethanol solution. Then, the carrier recombination lifetime LT was measured by the μ-PCD method. At this time, about 1600 points were measured at intervals of about 4 mm in the in-plane of the wafer having a diameter of 200 mm, excluding the region from the outer circumference to about 10 mm, and the average value was taken as the LT value. Moreover, 1 / LT was obtained from the measured LT.

次に、LTあるいは1/LTと炭素濃度との相関を調べた。LT又は1/LTと炭素濃度との関係を図2~図5に示す。各図中の印の違いはシリコン原料(純Poly原料、CZ原料)及びリンドープ法(GD法、NTD法)の違いを示しており、各印のシリコン原料/リンドープ法は、○が純Poly原料/GD法の場合、△がCZ原料/GD法の場合、□が純Poly原料/NTD法の場合、◇がCZ原料/NTD法の場合である。 Next, the correlation between LT or 1 / LT and the carbon concentration was investigated. The relationship between LT or 1 / LT and the carbon concentration is shown in FIGS. 2 to 5. The difference in the marks in each figure indicates the difference between the silicon raw material (pure Poly raw material, CZ raw material) and the phosphorus doping method (GD method, NTD method). In the case of the / GD method, Δ is the CZ raw material / GD method, □ is the pure Poly raw material / NTD method, and ◇ is the CZ raw material / NTD method.

図2は、FZシリコン単結晶基板に異なる温度の熱処理を施した場合のLTと炭素濃度との関係を示している。熱処理時間は16時間で、熱処理温度は、(a)が600℃、(b)が625℃、(c)が650℃である。いずれの熱処理温度の場合も、LTは炭素濃度に強く依存しており、炭素濃度が低いほどLTが高くなっている。また、リンドープ法やシリコン原料による違いがほとんどないことから、LTと炭素濃度との相関はリンドープ法やシリコン原料に依存しないことがわかる。また、図示はしていないが、窒素濃度による違いもほとんどないことから、LTと炭素濃度との相関は窒素濃度に依存しないこともわかる。このことから、所定の熱処理を施した後にLTを測定することにより、炭素濃度を評価できることがわかる。 FIG. 2 shows the relationship between LT and carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated at different temperatures. The heat treatment time is 16 hours, and the heat treatment temperature is 600 ° C. for (a), 625 ° C. for (b), and 650 ° C. for (c). At any heat treatment temperature, LT strongly depends on the carbon concentration, and the lower the carbon concentration, the higher the LT. Further, since there is almost no difference between the phosphorus doping method and the silicon raw material, it can be seen that the correlation between LT and the carbon concentration does not depend on the phosphorus doping method or the silicon raw material. Further, although not shown, since there is almost no difference depending on the nitrogen concentration, it can be seen that the correlation between LT and the carbon concentration does not depend on the nitrogen concentration. From this, it can be seen that the carbon concentration can be evaluated by measuring the LT after performing a predetermined heat treatment.

図3は、FZシリコン単結晶基板に異なる温度の熱処理を施した場合の1/LTと炭素濃度との関係を示している。熱処理時間は16時間で、熱処理温度は、(a)が600℃、(b)が625℃、(c)が650℃である。いずれの熱処理温度の場合も、1/LTは炭素濃度に強く依存しており、炭素濃度が低いほど1/LTが低くなっている。また、リンドープ法やシリコン原料による違いがほとんどないことから、1/LTと炭素濃度との相関はリンドープ法やシリコン原料に依存しないことがわかる。また、図示はしていないが、窒素濃度による違いもほとんどないことから、1/LTと炭素濃度との相関は窒素濃度に依存しないこともわかる。このことから、所定の熱処理を施した後にキャリアの再結合ライフタイム(LT)を測定し、1/LTを求めることにより、炭素濃度を評価できることがわかる。 FIG. 3 shows the relationship between 1 / LT and the carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated at different temperatures. The heat treatment time is 16 hours, and the heat treatment temperature is 600 ° C. for (a), 625 ° C. for (b), and 650 ° C. for (c). At any heat treatment temperature, 1 / LT strongly depends on the carbon concentration, and the lower the carbon concentration, the lower the 1 / LT. Further, since there is almost no difference between the phosphorus doping method and the silicon raw material, it can be seen that the correlation between 1 / LT and the carbon concentration does not depend on the phosphorus doping method or the silicon raw material. Further, although not shown, since there is almost no difference depending on the nitrogen concentration, it can be seen that the correlation between 1 / LT and the carbon concentration does not depend on the nitrogen concentration. From this, it can be seen that the carbon concentration can be evaluated by measuring the carrier recombination lifetime (LT) after performing a predetermined heat treatment and determining 1 / LT.

図4は、FZシリコン単結晶基板に異なる時間の熱処理を施した場合のLTと炭素濃度との関係を示している。熱処理温度は650℃で、熱処理時間は、(a)が4時間、(b)が8時間、(c)が16時間である。いずれの熱処理時間の場合も、LTは炭素濃度に強く依存しており、炭素濃度が低いほどLTが高くなっている。また、リンドープ法やシリコン原料による違いがほとんどないことから、LTと炭素濃度との相関はリンドープ法やシリコン原料に依存しないことがわかる。また、図示はしていないが、窒素濃度による違いもほとんどないことから、LTと炭素濃度との相関は窒素濃度に依存しないこともわかる。このことから、所定の熱処理を施した後にキャリアの再結合ライフタイム(LT)を測定することにより、炭素濃度を評価できることがわかる。 FIG. 4 shows the relationship between LT and carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated for different times. The heat treatment temperature is 650 ° C., and the heat treatment time is 4 hours for (a), 8 hours for (b), and 16 hours for (c). In any of the heat treatment times, LT strongly depends on the carbon concentration, and the lower the carbon concentration, the higher the LT. Further, since there is almost no difference between the phosphorus doping method and the silicon raw material, it can be seen that the correlation between LT and the carbon concentration does not depend on the phosphorus doping method or the silicon raw material. Further, although not shown, since there is almost no difference depending on the nitrogen concentration, it can be seen that the correlation between LT and the carbon concentration does not depend on the nitrogen concentration. From this, it can be seen that the carbon concentration can be evaluated by measuring the carrier recombination lifetime (LT) after performing a predetermined heat treatment.

図5は、FZシリコン単結晶基板に異なる時間の熱処理を施した場合の1/LTと炭素濃度との関係を示している。熱処理温度は650℃で、熱処理時間は、(a)が4時間、(b)が8時間、(c)が16時間である。いずれの熱処理時間の場合も、1/LTは炭素濃度に強く依存しており、炭素濃度が低いほど1/LTが低くなっている。また、リンドープ法やシリコン原料による違いがほとんどないことから、1/LTと炭素濃度との相関はリンドープ法やシリコン原料に依存しないことがわかる。また、図示はしていないが、窒素濃度による違いもほとんどないことから、1/LTと炭素濃度との相関は窒素濃度に依存しないこともわかる。このことから、所定の熱処理を施した後にキャリアの再結合ライフタイム(LT)を測定し、1/LTを求めることにより、炭素濃度を評価できることがわかる。 FIG. 5 shows the relationship between 1 / LT and the carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is heat-treated for different times. The heat treatment temperature is 650 ° C., and the heat treatment time is 4 hours for (a), 8 hours for (b), and 16 hours for (c). In any of the heat treatment times, 1 / LT strongly depends on the carbon concentration, and the lower the carbon concentration, the lower the 1 / LT. Further, since there is almost no difference between the phosphorus doping method and the silicon raw material, it can be seen that the correlation between 1 / LT and the carbon concentration does not depend on the phosphorus doping method or the silicon raw material. Further, although not shown, since there is almost no difference depending on the nitrogen concentration, it can be seen that the correlation between 1 / LT and the carbon concentration does not depend on the nitrogen concentration. From this, it can be seen that the carbon concentration can be evaluated by measuring the carrier recombination lifetime (LT) after performing a predetermined heat treatment and determining 1 / LT.

また、用意したシリコン単結晶基板に熱処理を施さなかったこと以外、同様な手順でキャリアの再結合ライフタイムLTを測定し、測定したLTから1/LTを求めた。 Further, the carrier recombination lifetime LT was measured by the same procedure except that the prepared silicon single crystal substrate was not heat-treated, and 1 / LT was obtained from the measured LT.

図6は、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施さなかった場合のLTと炭素濃度との関係を示している。図6において、NTD-FZシリコン単結晶基板の場合は、中性子照射のダメージにより再結合ライフタイムが極端に短く、約0.1μsecであった。このように、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施さない場合には、LTは炭素濃度に依存しないことから、キャリアの再結合ライフタイム(LT)を測定することでは炭素濃度を評価できないことがわかる。 FIG. 6 shows the relationship between LT and carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is not heat-treated. In FIG. 6, in the case of the NTD-FZ silicon single crystal substrate, the recombination lifetime was extremely short due to the damage of neutron irradiation, which was about 0.1 μsec. As described above, when the FZ silicon single crystal substrate is not heat-treated, the LT does not depend on the carbon concentration. Therefore, it can be seen that the carbon concentration cannot be evaluated by measuring the carrier recombination lifetime (LT). ..

図7は、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施さなかった場合の1/LTと炭素濃度との関係を示している。このように、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施さない場合には、1/LTは炭素濃度に依存しないことから、キャリアの再結合ライフタイム(LT)を測定し、1/LTを求めることでは炭素濃度を評価できないことがわかる。 FIG. 7 shows the relationship between 1 / LT and the carbon concentration when the FZ silicon single crystal substrate is not heat-treated. As described above, when the FZ silicon single crystal substrate is not heat-treated, 1 / LT does not depend on the carbon concentration. Therefore, it is possible to measure the carrier recombination lifetime (LT) and obtain 1 / LT. It turns out that the carbon concentration cannot be evaluated.

なお、図2-3の実験例では熱処理時間を16時間としたが、代わりに熱処理時間を4時間、8時間として同様に実験した場合においても、LTや1/LTと、炭素濃度との関係において、図2-3と同様の傾向(相関関係)が見られた。
また、図4-5の実験例では熱処理温度を650℃としたが、代わりに熱処理温度を600℃、625℃として同様に実験した場合においても、LTや1/LTと、炭素濃度との関係において、図4-5と同様の傾向が見られた。
さらには、熱処理温度、熱処理時間が、各々、600℃以上650℃以下、4時間以上16時間の範囲から僅かに外れた範囲においても同様に実験したところ、図2-5と同様の傾向が見られた。
いずれにしろ熱処理を行った場合、得られた相関関係に基づいて炭素濃度を評価可能であり、熱処理時間、熱処理温度が600℃以上650℃以下、4時間以上16時間の範囲内のとき、より精度高く炭素濃度を評価することができた。
In the experimental example shown in FIG. 2-3, the heat treatment time was set to 16 hours, but even when the heat treatment time was set to 4 hours and 8 hours in the same experiment, the relationship between LT and 1 / LT and the carbon concentration was set. In, the same tendency (correlation) as in FIG. 2-3 was observed.
Further, in the experimental example of FIG. 4-5, the heat treatment temperature was set to 650 ° C., but even when the heat treatment temperature was set to 600 ° C. and 625 ° C. in the same experiment, the relationship between LT and 1 / LT and the carbon concentration was set. In, the same tendency as in FIG. 4-5 was observed.
Furthermore, when the same experiment was conducted in the range where the heat treatment temperature and the heat treatment time were 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, respectively, slightly out of the range of 4 hours or more and 16 hours, the same tendency as in FIG. 2-5 was observed. Was done.
In any case, when heat treatment is performed, the carbon concentration can be evaluated based on the obtained correlation, and when the heat treatment time and heat treatment temperature are within the range of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, 4 hours or longer and 16 hours, The carbon concentration could be evaluated with high accuracy.

以上のように、FZシリコン単結晶基板に熱処理を施した後、キャリアの再結合ライフタイムLTを測定することにより、LT(または1/LT)と炭素濃度との相関関係が得られ、該相関関係を利用してシリコン単結晶基板中の炭素濃度を簡便に速く評価できることがわかる。特には、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上16時間以下の熱処理を施すと、より明確な上記相関関係をより確実に得ることが可能であるため極めて好ましい。 As described above, by measuring the carrier recombination lifetime LT after heat-treating the FZ silicon single crystal substrate, a correlation between LT (or 1 / LT) and the carbon concentration is obtained, and the correlation is obtained. It can be seen that the carbon concentration in the silicon single crystal substrate can be evaluated easily and quickly by using the relationship. In particular, it is extremely preferable to perform the heat treatment at a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and a heat treatment time of 4 hours or longer and 16 hours or shorter because a clearer correlation can be obtained more reliably.

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例)
図1に示すような、本発明の炭素濃度評価方法でFZシリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価した。
(予備試験)
まず、炭素濃度が異なる複数の試験用シリコン単結晶基板に熱処理を施した(図1のS1)。複数の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作製されたFZシリコン単結晶基板であり、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、上述した実験例と同様である。
このとき、熱処理の温度は650℃、時間は16時間、雰囲気は酸素とした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
(Example)
The carbon concentration in the FZ silicon single crystal substrate was evaluated by the carbon concentration evaluation method of the present invention as shown in FIG.
(Preliminary test)
First, a plurality of test silicon single crystal substrates having different carbon concentrations were heat-treated (S1 in FIG. 1). The plurality of test silicon single crystal substrates are FZ silicon single crystal substrates prepared from silicon single crystals grown by the FZ method, and the dopant concentration, oxygen concentration, carbon concentration, nitrogen concentration, diameter, and crystal plane orientation are It is the same as the above-mentioned experimental example.
At this time, the heat treatment temperature was 650 ° C., the time was 16 hours, and the atmosphere was oxygen.

次に、熱処理を施した試験用シリコン単結晶基板の表面酸化膜をフッ酸水溶液により除去した後、ヨウ素エタノール溶液を用いたケミカルパシベーション処理を施した。その後、μ-PCD法によりキャリアの再結合ライフタイムLTを測定した(図1のS2)。このとき、直径200mmのウェーハの面内において、外周から約10mmまでの領域を除き、約4mm間隔で約1600点測定して、その平均値をLTの値とした。また、測定したLTから1/LTを求めた。
なお、本発明の評価方法においてはLTまたは1/LTの一方を求めて用いるだけで十分であるが、各々の場合の有効性を示すため、ここでは両方の値を求め、以下のように両方の場合について炭素濃度との相関関係を示して炭素濃度を評価した。
Next, the surface oxide film of the heat-treated test silicon single crystal substrate was removed with an aqueous hydrofluoric acid solution, and then a chemical passivation treatment was performed using an iodine-ethanol solution. Then, the carrier recombination lifetime LT was measured by the μ-PCD method (S2 in FIG. 1). At this time, about 1600 points were measured at intervals of about 4 mm in the in-plane of the wafer having a diameter of 200 mm, excluding the region from the outer circumference to about 10 mm, and the average value was taken as the LT value. Moreover, 1 / LT was obtained from the measured LT.
In the evaluation method of the present invention, it is sufficient to obtain and use either LT or 1 / LT, but in order to show the effectiveness in each case, both values are obtained here, and both are obtained as follows. The carbon concentration was evaluated by showing the correlation with the carbon concentration in the case of.

次に、LT及び1/LTと炭素濃度との相関関係を取得した(図1のS3)。その結果、図2(c)及び図3(c)に示した相関関係を得た。 Next, the correlation between LT and 1 / LT and the carbon concentration was acquired (S3 in FIG. 1). As a result, the correlations shown in FIGS. 2 (c) and 3 (c) were obtained.

(本試験)
次に、ガスドープ法によりリンをドープしたGD-FZシリコン単結晶基板、及び中性子照射ドープ法によりリンをドープしたNTD-FZシリコン単結晶基板を、別個に育成したFZシリコン単結晶インゴットから作製した。これらの炭素濃度が未知の評価用シリコン単結晶基板に熱処理を施した。GD-FZシリコン単結晶基板のドーパント濃度は6.2×1013atoms/cm、酸素濃度は0.2ppma(JEIDA)、窒素濃度は1.5×1015atoms/cm、直径は200mm、結晶面方位は(100)である。NTD-FZシリコン単結晶基板のドーパント濃度は6.5×1013atoms/cm、酸素濃度は0.4ppma(JEIDA)、窒素濃度は3.5×1015atoms/cm、直径は200mm、結晶面方位は(100)である。このとき、予備試験と同等の熱処理条件とし、熱処理の温度は650℃、時間は16時間、雰囲気は酸素とした(図1のS4)。
(Main test)
Next, a phosphorus-doped GD-FZ silicon single crystal substrate by the gas doping method and a phosphorus-doped NTD-FZ silicon single crystal substrate by the neutron irradiation doping method were prepared from separately grown FZ silicon single crystal ingots. A silicon single crystal substrate for evaluation whose carbon concentration was unknown was heat-treated. The dopant concentration of the GD-FZ silicon single crystal substrate is 6.2 × 10 13 atoms / cm 3 , the oxygen concentration is 0.2 ppma (JEIDA), the nitrogen concentration is 1.5 × 10 15 atoms / cm 3 , and the diameter is 200 mm. The crystal plane orientation is (100). The dopant concentration of the NTD-FZ silicon single crystal substrate is 6.5 × 10 13 atoms / cm 3 , the oxygen concentration is 0.4 ppma (JEIDA), the nitrogen concentration is 3.5 × 10 15 atoms / cm 3 , and the diameter is 200 mm. The crystal plane orientation is (100). At this time, the heat treatment conditions were the same as in the preliminary test, the heat treatment temperature was 650 ° C., the time was 16 hours, and the atmosphere was oxygen (S4 in FIG. 1).

次に、熱処理を施した評価用シリコン単結晶基板の表面酸化膜をフッ酸水溶液により除去した後、ヨウ素エタノール溶液を用いたケミカルパシベーション処理を施した。その後、μ-PCD法によりキャリアの再結合ライフタイムLTを測定した。このとき、直径200mmのウェーハの面内において、外周から約10mmまでの領域を除き、約4mm間隔で約1600点測定して、その平均値をLTの値とした。また、測定したLTから1/LTを求めた。その結果、GD-FZシリコン単結晶基板のLTは296.7μsecとなり、1/LTは0.003μsec-1となった。また、NTD-FZシリコン単結晶基板のLTは93.1μsecとなり、1/LTは0.011μsec-1となった(図1のS5)。 Next, the surface oxide film of the heat-treated evaluation silicon single crystal substrate was removed with an aqueous hydrofluoric acid solution, and then a chemical passivation treatment was performed using an iodine-ethanol solution. Then, the carrier recombination lifetime LT was measured by the μ-PCD method. At this time, about 1600 points were measured at intervals of about 4 mm in the in-plane of the wafer having a diameter of 200 mm, excluding the region from the outer circumference to about 10 mm, and the average value was taken as the LT value. Moreover, 1 / LT was obtained from the measured LT. As a result, the LT of the GD-FZ silicon single crystal substrate was 296.7 μsec, and the 1 / LT was 0.003 μsec -1 . The LT of the NTD-FZ silicon single crystal substrate was 93.1 μsec, and the 1 / LT was 0.011 μsec -1 (S5 in FIG. 1).

次に、図2(c)及び図3(c)に示した相関関係に基づいて、評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価した(図1のS6)。その結果、GD-FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度は約5×1014atoms/cm、NTD-FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度は約3×1015atoms/cmと求まった。 Next, the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate was evaluated based on the correlations shown in FIGS. 2 (c) and 3 (c) (S6 in FIG. 1). As a result, the carbon concentration in the GD-FZ silicon single crystal substrate was found to be about 5 × 10 14 atoms / cm 3 , and the carbon concentration in the NTD-FZ silicon single crystal substrate was found to be about 3 × 10 15 atoms / cm 3 .

(比較例)
実施例の評価用シリコン単結晶基板を作製したシリコン単結晶インゴットの隣接する位置から、別のシリコン単結晶基板を作製し、そのシリコン単結晶基板の炭素濃度をSIMSにより測定した。SIMS分析は、専門的な技術を有する分析受託会社に委託した。
その結果、GD-FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度は4.8×1014atoms/cm、NTD-FZシリコン単結晶基板中の炭素濃度は3.1×1015atoms/cmとなった。しかしながら、測定結果が得られるまでに1週間以上を要し、また、高額な分析費用がかかった。
(Comparison example)
Another silicon single crystal substrate was prepared from an adjacent position of the silicon single crystal ingot on which the evaluation silicon single crystal substrate of the example was prepared, and the carbon concentration of the silicon single crystal substrate was measured by SIMS. SIMS analysis was outsourced to an analysis contractor with specialized skills.
As a result, the carbon concentration in the GD-FZ silicon single crystal substrate was 4.8 × 10 14 atoms / cm 3 , and the carbon concentration in the NTD-FZ silicon single crystal substrate was 3.1 × 10 15 atoms / cm 3 . rice field. However, it took more than a week to obtain the measurement result, and the analysis cost was high.

このように、従来技術では測定に長時間を要したり、コストがかかるのに対して、本発明では、簡便な方法により熱処理後のキャリアの再結合ライフタイムを測定できるので、簡便に速く炭素濃度を評価できる。しかも、従来技術と同程度の測定精度で炭素濃度を得ることができる。 As described above, while the conventional technique requires a long time for measurement and is costly, in the present invention, the recombination lifetime of carriers after heat treatment can be measured by a simple method, so that carbon can be easily and quickly measured. The concentration can be evaluated. Moreover, the carbon concentration can be obtained with the same measurement accuracy as the conventional technique.

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。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an example, and any one having substantially the same structure as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibiting the same effect and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

Claims (3)

浮遊帯溶融法により育成したシリコン単結晶から作製したシリコン単結晶基板に含まれる炭素濃度を評価する方法であって、
予め、前記シリコン単結晶から作製した炭素濃度の異なる複数の試験用シリコン単結晶基板を準備して、該複数の試験用シリコン単結晶基板に所定の熱処理を施す第1の工程と、
前記所定の熱処理を施した前記複数の試験用シリコン単結晶基板において、それぞれキャリアの再結合ライフタイムLTを測定する第2の工程と、
前記測定した複数の試験用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLTに基づいて、前記シリコン単結晶基板におけるキャリアの再結合ライフタイムLT又は該再結合ライフタイムの逆数である1/LTと、前記シリコン単結晶基板中の炭素濃度との相関関係を求める第3の工程と、
前記シリコン単結晶から作製した炭素濃度を評価する評価用シリコン単結晶基板に対し、前記第1の工程で施した前記複数の試験用シリコン単結晶に対する所定の熱処理と同等の熱処理を施す第4の工程と、
前記同等の熱処理を施した前記評価用シリコン単結晶基板においてキャリアの再結合ライフタイムLTを測定して、該評価用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLT又は1/LTを得る第5の工程と、
前記得た評価用シリコン単結晶基板のキャリアの再結合ライフタイムLT又は1/LTと、前記相関関係に基づいて、前記評価用シリコン単結晶基板中の炭素濃度を評価する第6の工程と
を含むことを特徴とするシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法。
It is a method for evaluating the carbon concentration contained in a silicon single crystal substrate prepared from a silicon single crystal grown by the floating zone melting method.
A first step of preparing a plurality of test silicon single crystal substrates having different carbon concentrations prepared from the silicon single crystal in advance and subjecting the plurality of test silicon single crystal substrates to a predetermined heat treatment.
A second step of measuring the carrier recombination lifetime LT in each of the plurality of test silicon single crystal substrates subjected to the predetermined heat treatment, and
Based on the measured recombination lifetime LT of the carriers of the plurality of test silicon single crystal substrates, the recombination lifetime LT of the carriers in the silicon single crystal substrate or 1 / LT which is the inverse of the recombination lifetime. , The third step of obtaining the correlation with the carbon concentration in the silicon single crystal substrate, and
A fourth method, in which the evaluation silicon single crystal substrate for evaluating the carbon concentration produced from the silicon single crystal is subjected to a heat treatment equivalent to a predetermined heat treatment for the plurality of test silicon single crystals performed in the first step. Process and
A fifth that measures the carrier recombination lifetime LT on the evaluation silicon single crystal substrate that has undergone the same heat treatment to obtain the carrier recombination lifetime LT or 1 / LT of the evaluation silicon single crystal substrate. Process and
The recombined lifetime LT or 1 / LT of the carrier of the obtained evaluation silicon single crystal substrate and the sixth step of evaluating the carbon concentration in the evaluation silicon single crystal substrate based on the correlation. A method for evaluating a carbon concentration in a silicon single crystal substrate, which comprises.
前記第1の工程において、前記複数の試験用シリコン単結晶基板に対して施す所定の熱処理として、熱処理温度が600℃以上650℃以下で、熱処理時間が4時間以上16時間以下の熱処理を施す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炭素濃度評価方法。 In the first step, as a predetermined heat treatment to be applied to the plurality of test silicon single crystal substrates, a heat treatment having a heat treatment temperature of 600 ° C. or higher and 650 ° C. or lower and a heat treatment time of 4 hours or more and 16 hours or less is performed. The method for evaluating a carbon concentration in a silicon single crystal substrate according to claim 1. 前記第2の工程及び第5の工程において、前記キャリアの再結合ライフタイムLTを測定する方法として、マイクロ波光導電減衰法を用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のシリコン単結晶基板中の炭素濃度評価方法。 The silicon single crystal according to claim 1 or 2, wherein a microwave photoconductive attenuation method is used as a method for measuring the recombination lifetime LT of the carriers in the second step and the fifth step. A method for evaluating the carbon concentration in a crystal substrate.
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