JPH0523494B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はシリコン半導体基板（ウエーハ）の製
造方法に関するもので、特に大口径で均一な抵抗
の基板が要求される高耐圧パワートランジスタ等
の製造に使用される。 （従来技術） 高耐圧パワー素子等を製造するためのシリコン
半導体基板は、高抵抗の基板で抵抗の均一性が良
いことが必要である。このため従来は、フローテ
イングゾーン精製法（以下FZ法と略記する）で
育成したシリコン基板に中性子を照射し、熱処理
した基板が使われている。FZ法で育成した基板
は、酸素をほとんど含まないため高抵抗の基板が
容易に得られ、中性子照射することにより抵抗の
均一性が得られる等の利点がある。しかし最近大
口径の基板を使用する傾向が強くなつてきている
が、FZ法では大口径の基板の製造は困難である。 基板の大口径化の可能な結晶育成法としてはチ
ヨクラルスキー引上法（CZ法と略記する）や磁
場応用引上法（MCZ法と略記する）が知られて
いる。 CZ法ではルツボ中のボロン（Ｂ）が不純物と
して結晶中に溶けこみ高抵抗の基板が得られにく
い。また酸素を過飽和に含むので中性子照射をし
て熱処理を行うと微小欠陥が発生すると共に酸素
の熱ドナー（Thermal Doner）が発生し均一抵
抗の基板を作ることが困難である。 そこで酸素含有量を低くできるMCZ法で育成
されたシリコン結晶が注目されている。MCZ法
では結晶引上げ時に磁場をかけることにより融液
の熱対流を制御できるので不純物の混入が少な
く、抵抗の均一性が良く高抵抗の基板を作ること
も可能である。しかしMCZ法による基板の場合、
中性子照射をして熱処理を施した結果、基板抵抗
がねらい値よりずれ、且つ基板の抵抗の均一性が
悪化する現象がしばしば発生し問題となつてい
る。 （発明が解決しようとする問題点） 従来のFZ法では大口径の基板を作ることは困
難である。CZ法による基板はボロン等の不純物
が多く、且つ酸素を過飽和に含むため高抵抗で、
均一な基板が得られにくい。MCZ法では不純物
混入が少なく均一な高抵抗の基板を作ることも可
能であるが、通常MCZ結晶中に中性子照射を行
う従来技術では基板抵抗がねらい値よりずれ、抵
抗の均一性の悪化が発生する場合があり問題とな
つている。 本発明の目的は、前記の問題点を解決し、大口
径シリコン基板で抵抗の均一性のよい半導体基板
の製造方法を提供することであり、特に基板抵抗
がねらい値からずれる原因を排除する手段を提供
することにある。 ［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による半導体基板の製造方法は、磁場応
用引上法により育成されその含有酸素濃度が3.0
×10¹⁷atoms／cm³を越えないとともに、波数513
cm^-1の赤外光の室温での吸収係数が0.15cm^-1以上
であるシリコン基板に、中性子照射を行つた後、
熱処理を施すことを特徴とするものである。なお
本発明における半導体基板は、半導体装置の製造
工程に投入以前の基板及び投入後の基板を共に含
む。従つて前記熱処理は装置の製造工程において
他の熱処理工程を兼ねて行われる場合もある。又
含有酸素濃度は、波数1106cm^-1の赤外光の室温で
の吸収係数をα₁₁₀₆としたとき、（3.01×10¹⁷×
α₁₁₀₆）atoms／cm³として得られたものである。 （作用） MCZ法によればCZ法と同様大口径の基板を作
ることができる。 又MCZ法では、CZ法と異なり静磁場により結
晶引上げ時の融液の熱対流が抑制されるので、融
液内の温度変動が少なく、固液界面が安定し、石
英ルツボの溶解度も減少する。そのためシリコン
結晶中の不純物濃度も減少し、含有酸素濃度も
1.2×10¹⁷ないし15×10¹⁷atoms／cm³の範囲で制御
することができる。 しかしMCZ法による基板であつても、高酸素
濃度の基板では高抵抗化が困難であり、又抵抗の
均質性を向上するため中性子照射によりドーピン
グを行つても、その後の熱処理によつて熱ドナー
が発生し抵抗が変化する。試行の結果、含有酸素
濃度が3.0×10¹⁷atoms／cm³を越えない基板では、
中性子照射と熱処理を行つても熱ドナーの影響は
出ず、高均質のシリコン基板の作成が可能であ
る。 基板に中性子照射を行うと、シリコン結晶中に
約３％含まれている同位元素Si³⁰がP³¹（燐）に変
化しドナー不純物となる。このドープ法は通常高
抵抗基板を均一な抵抗率分布を有する基板とする
のに使用される方法で、所望の抵抗率を得るため
には照射量を変えるだけでよい。 又中性子照射により生じた結晶の損傷を回復す
るため熱処理を行う。熱処理温度は処理後の基板
抵抗に影響を与えるが700℃ないし1250℃の処理
温度が望ましい。 又置換型酸素に起因すると考えられている波数
513cm^-1の赤外光の吸収係数が0.15cm^-1以上の基
板は、試行結果によれば本発明の目的を達成する
のにより望ましい。 （実施例） 大口径で均一な高抵抗の基板を作るには、FZ
法或いはCZ法では困難である。MCZ法により育
成された基板は含有酸素濃度はFZ法よりも多い
ので、基板の酸素濃度によつては中性子照射と熱
処理により、酸素の熱ドナーの影響で基板の抵抗
を低下させ、均一性を悪くする。本発明はこれら
の知見に基づいて完成されたものである。以下そ
の実施例について述べる。 参考例 １ MCZ法で育成したシリコン単結晶インゴツト
から切り出された（１，０，０）面のシリコン基
板で、酸素濃度の異なるものを数種用意する。基
板の比抵抗は300Ωcm以上である。これら基板の
酸素濃度を赤外吸収法で測定すると第１表のよう
になつた。

【表】 ただし［Oi］は中性子照射以前の初期の酸素
濃度、［TD］は熱処理後の熱ドナー濃度である。 酸素濃度の測定は波数1106cm^-1の赤外吸収光の
室温での吸収係数をα₁₁₀₆として［Oi］＝α₁₁₀₆×
3.01×10¹⁷atoms／cm³により算出した。これらの
基板に重水炉で中性子照射を行いSi³⁰（ｎ，γ）
Si³¹→Si³¹（β）P³¹によりＰ（燐）をドーピングし
た。又中性子照射量は熱処理後の抵抗値が80〜
90Ωcmになるように選択した。これに700℃で10
時間熱処理を施し、基板の表面を拡がり抵抗法で
測定して、抵抗の面内均一性を調べた。結果を第
１図に示す。横軸は基板面内の位置を示し、縦軸
はその位置の抵抗値を示す。1aないし1dは第１
表に示す試料番号である。同図により明らかなよ
うに酸素濃度が3.0×10¹⁷atoms／cm³を越える試料
1c，1dでは面内の抵抗の均一性が悪く、又抵抗
のねらい値（80〜90Ωcm）からもずれている。酸
素濃度3.0×10¹⁷atoms／cm³以下では抵抗値の均一
性は良好であり、その値もねらい値どうりであ
る。 参考例 ２ 酸素濃度の異なるMCZ法による基板とFZ法に
よる基板とを用い中性子照射を行つた後、パワー
トランジスタの製造工程に投入し、トランジスタ
製造工程で従来の所定の熱処理を行つてパワート
ランジスタを製作した。酸素濃度が3.0×10¹⁷
atoms／cm³以下のMCZ法による基板は、FZ法に
よる基板を用いた時と同様の特性が得られ、高電
圧の耐圧特性も良好であつた。 参考例 ３ 酸素濃度が4.0×10¹⁷atoms／cm³及び2.8×10¹⁷
atoms／cm³のMCZ法による２種類の基板に中性
子照射を行つた後、それぞれについて650℃、700
℃及び800℃で乾燥酸素（ドライ酸素）雰囲気中
で熱処理を行い、熱処理経過時間と抵抗値との関
係を測定した。抵抗値は４端針法で複数個所測定
した平均値とする。第２図は酸素濃度4.0×10¹⁷
atoms／cm³の場合を示す図で、2a，2b及び2cはそ
れぞれ650℃、700℃及び800℃で処理したもので
ある。650℃で熱処理したものは抵抗変化が大き
く、抵抗が一定値に安定するまでの時間も長い。
700℃及び800℃で処理したものは短時間で抵抗が
一定になるがねらい値からはずれている。第３図
は酸素濃度2.8×10¹⁷atoms／cm³の場合で、3a，3b
及び3cはそれぞれ650℃、700℃及び800℃で処理
したものである。650℃で熱処理したものは抵抗
が安定するまで時間がかかり抵抗変化も大きい
が、700℃及び800℃で熱処理したものは短時間で
抵抗が一定になり、抵抗値もねらい値どうりであ
る。以上の結果から熱処理温度は700℃以上とす
ることが望ましい。 実施例 １ MCZ法で育成した複数のシリコン単結晶イン
ゴツトから（１，０，０）面を切り出したシリコ
ン基板のなかから、波数1106cm^-1の赤外光で測定
したα₁₁₀₆のデータの平均値が0.665〜0.997cm^-1、
つまり換算をした格子間酸素の酸素濃度［Oi］
の平均値が、2.0〜3.0×10¹⁷atoms／cm³の範囲に
あるシリコン基板を用意した。 そのシリコン基板について、上記α₁₁₀₆データ
を求めた各データ点について、波数513cm^-1の赤
外光の吸収係数α₅₁₃のデータを求めておく。各シ
リコン基板についてそのα₅₁₃のデータの平均値を
求めると、0.1，0.15，0.22cm^-1である３種類のシ
リコン基板であつた。 これらの基板に重水炉で中性子照射を行い、
Si³⁰（ｎ，γ）Si³¹→Si³¹（β）P³¹によりＰ（燐）
をドーピングした。また、中性子照射量は、熱処
理後の抵抗値が80〜90Ωcmになるように選択し
た。照射基板について、参考例３で確められたと
ころから抵抗値が確実に一定となる熱処理条件で
ある700℃で16時間の熱処理を行い、各基板の
α₅₁₃，α₁₁₀₆が測定された各データ点における抵抗
値のデータを、４探針法によつて測定した。 得られたα₁₁₀₆，α₅₁₃、抵抗値のデータについて
相関を求めると、抵抗値データと格子間酸素の吸
収であるα₁₁₀₆（［Oi］）のデータとの間では依存性
は認められないが、抵抗値データと置換型酸素の
吸収であるα₅₁₃のデータとの間には相関があるこ
とが判明した。 すなわち、α₅₁₃のデータが0.15cm^-1から0.22cm^-
１にわたる点はほぼ抵抗値が90Ωcmで、ねらい値
80ないし90Ωcmどおりであるが、α₅₁₃のデータが
0.1cm^-1付近の点では抵抗値72Ωcmとなり目標値よ
り若干ずれた。 原因は、α₁₁₀₆に基づいて換算される酸素濃度
［Oi］は格子間酸素の濃度を示すものであり、そ
の格子間酸素の濃度が3.0×10¹⁷atoms／cm³以下の
範囲となれば、格子間酸素とは別のα₅₁₃に基づく
置換型酸素の濃度が熱ドナーの発生に強く関与す
ると考えられる。 試行を繰り返した結果、α₅₁₃は0.15cm^-1以上で
あることが望ましいことが確認された。 その結果、酸素濃度［Oi］平均が、3.0×10¹⁷
atoms／cm³を越えない範囲のシリコン基板であつ
て、基板のα₅₁₃平均が0.15cm^-1以上であるものは、
中性子照射による抵抗値をねらい値どおりとする
ことができる。 （発明の効果） 本発明の製造方法によれば、MCZ法の酸素濃
度が3.0×10¹⁷atoms／cm³を越えないシリコン基板
を用いるので、CZ法では不可能な高抵抗基板を
作ることができ、これに中性子照射と熱処理を施
すことにより抵抗の均一性が向上し、しかも波数
513cm^-1における吸収係数が0.15cm^-1以上のシリ
コン基板を用いることににより、ねらい値どおり
に高抵抗値を得ることができる。さらにFZ法で
は困難な基板の大口径化も可能で、パワートラン
ジスタ等の製造で大口径化が可能となり、素子の
信頼性及び生産性も向上し、その効果は非常に大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸素濃度を異にする半導体基板の面内
の位置とその位置における抵抗値との関係を示す
図、第２図及び第３図はそれぞれ酸素濃度を異に
する半導体基板の抵抗値と熱処理時間との関係を
示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁場応用引上法により育成されその含有酸素
   濃度が3.0×10¹⁷atoms／cm³を越えないとともに、
   波数513cm^-1の赤外光の室温での吸収係数が0.15
   cm^-1以上であるシリコン基板に、中性子照射を行
   つた後、熱処理を施すことを特徴とする半導体基
   板の製造方法。 ２ 熱処理の温度が700℃ないし1250℃である特
   許請求の範囲第１項記載の半導体基板の製造方
   法。