(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-04
(45)【発行日】2022-07-12
(54)【発明の名称】シリコン単結晶の製造方法及びシリコンウェーハ
(51)【国際特許分類】
C30B 29/06 20060101AFI20220705BHJP
C30B 15/20 20060101ALI20220705BHJP
G01N 27/00 20060101ALI20220705BHJP
H01L 21/324 20060101ALI20220705BHJP
【ＦＩ】
C30B29/06 502G
C30B29/06 502H
C30B15/20
G01N27/00 Z
H01L21/324
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2018158369
(22)【出願日】2018-08-27
(65)【公開番号】P2020033200
(43)【公開日】2020-03-05
【審査請求日】2020-09-17
(73)【特許権者】
【識別番号】302006854
【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】梶原 薫
(72)【発明者】
【氏名】原田 和浩
【審査官】▲高▼橋 真由
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００９／０２５３４０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－３４７８５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／２１４０８４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１６－５１９０４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００９／０２５３３７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１２９５６４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ １／００－３５／００
Ｇ０１Ｎ ２７／００
Ｈ０１Ｌ ２１／３２４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、窒素が添加されたシリコン融液を生成し、
カスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置を前記シリコン融液の液面よりも上方１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定し、
前記シリコン融液に前記カスプ磁場を印加しながらGrown-in欠陥が発生しない引き上げ速度で前記シリコン単結晶を引き上げ、
前記カスプ磁場の強度が５００Ｇ以上７００Ｇ以下であることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項2】
前記カスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置が前記シリコン融液の液面の上方１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定され、及び前記シリコン融液を保持するルツボの上方に設置された熱遮蔽体と前記シリコン融液の液面との間隔が一定になるように前記ルツボを上昇させる、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項3】
前記シリコン融液を保持するルツボの回転速度が３ｒｐｍ以上６ｒｐｍ以下である、請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項4】
前記シリコン単結晶の回転速度が１５ｒｐｍ以上２０ｒｐｍ以下である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【請求項5】
窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、
抵抗率の面内ばらつきが３．５％以下であり、
Grown-in欠陥が存在せず、
酸素析出評価熱処理後に酸素析出物が発生しないことを特徴とするシリコンウェーハ。
【請求項6】
前記酸素析出評価熱処理は、７８０℃で３時間及び１０００℃で１６時間の２段階の熱処理であり、前記酸素析出評価熱処理後におけるＬＳＴＤ密度が検出限界以下である、請求項５に記載のシリコンウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、ＩＧＢＴ（Gate Insulated Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）の基板材料として好適なシリコン単結晶の製造方法に関する。また、本発明は、ＩＧＢＴの基板材料として好適なシリコンウェーハに関する。
【背景技術】
【0002】
パワー半導体デバイスの一つとしてＩＧＢＴが知られている。ＩＧＢＴは、ＭＯＳＦＥＴに正孔注入用ＰＮ接合が付加された構造を有し、エミッタ、コレクタ、ゲートという３つの電極を有する。エミッタはｎ－型シリコン基板の表面側に形成されており、コレクタはｐｎ接合を介してシリコン基板の裏面側に形成されている。さらにゲートはゲート酸化膜を介してシリコン基板の表面側に形成され、ゲートに印加する電圧によってエミッタ－コレクタ間を流れる電流を制御する。ＩＧＢＴは大電力の制御に適したゲート電圧駆動型スイッチング素子であることから、電車、ハイブリッド車、空調機器、冷蔵庫などのインバータなどに広く用いられている。
【0003】
ＩＧＢＴ用シリコンウェーハには結晶欠陥がなく、デバイスプロセスの熱処理過程で酸素析出起因の欠陥が発生しないことが望まれる。上記のように、ＩＧＢＴはゲート酸化膜によって絶縁されたゲートで電流を制御するため、ゲート酸化膜の品質（Gate Oxide Integrity：以下、ＧＯＩという）が非常に重要であり、シリコンウェーハ中に存在する欠陥がゲート酸化膜に取り込まれると、ＧＯＩ特性が劣化してゲート酸化膜の絶縁破壊の原因となるからである。
【0004】
またＩＧＢＴ用シリコンウェーハにはその表面近傍のみならずウェーハ内部にも結晶欠陥がないことが望まれる。メモリやロジック用途の半導体デバイスの場合にはウェーハの表面近傍のみをデバイス領域として使用するので、表面近傍よりも深い領域に酸素析出起因の欠陥が存在しても特に問題なく、むしろそのような欠陥は重金属汚染を防止するゲッタリングサイトとして機能するため、ある程度必要とされている。しかし上記のように、ＩＧＢＴはウェーハを縦方向（厚み方向）に使用する素子であり、表面近傍よりも深い領域に存在する結晶欠陥もＩＧＢＴ特性に影響を与えることから、ウェーハの厚み方向の全域に欠陥が存在せず、さらに酸素析出起因の欠陥も発生しないことが求められる。
【0005】
ＩＧＢＴ用シリコンウェーハの格子間酸素濃度はできるだけ低いことが望ましい。シリコンウェーハ中の酸素濃度が高いと、デバイスプロセスの熱処理過程でウェーハ中の過剰な酸素がＳｉＯ２となって析出し、ＩＧＢＴにおける重要な特性である再結合ライフタイムを劣化させるからである。また過剰な酸素を含むシリコンウェーハが４５０℃程度の低温熱処理を受けると酸素ドナーが発生してウェーハの抵抗率が変化するからである。
【0006】
ＩＧＢＴ用シリコンウェーハの抵抗率は重要な品質の一つであり、均一性と安定性が求められる。特に、ウェーハ面内の抵抗率分布の均一性が求められ、且つ、デバイスプロセスの熱処理を経ても抵抗率が変化しないことが重要である。
【0007】
このため、ＩＧＢＴ用シリコンウェーハには、酸素濃度が低く、抵抗率の面内分布が均一であり、結晶成長時に導入されるGrown-in欠陥が存在せず、さらにＩＧＢＴ製造工程で酸素析出物が結晶全域に発生しないことが求められている。酸素濃度が低いシリコン単結晶の製造方法として、酸素の供給源となる石英ルツボを用いないＦＺ（Floating Zone）法も知られている。しかし、ＦＺ法では大口径の単結晶育成は困難であり、量産性を向上させる観点からも、ＣＺ法を採用することが望ましく、酸素濃度が低くGrown-in欠陥フリーなシリコン単結晶をＣＺ法により製造することが求められている。
【0008】
ＩＧＢＴ用シリコンウェーハの製造方法に関し、例えば特許文献１には、シリコン融液に２０００ガウス以上の水平磁場を印加した状態で、ルツボ回転速度及び結晶回転速度を調整することにより、格子間酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗率の面内ばらつきが５％以下である、Grown-in欠陥フリーなシリコン単結晶を製造することが記載されている。また特許文献１には、シリコン融液に窒素を添加することでGrown-in欠陥フリーなシリコン単結晶を引き上げ可能な引き上げ速度マージンを広げて、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）及び転位クラスターの排除を容易にすることが記載されている。さらに特許文献１には、ノンドープで引き上げたシリコン単結晶に中性子を照射してリンをドープすることによりウェーハ面内の抵抗率分布を均一化することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】国際公開第２００９／０２５３４０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
上記のように、窒素がドープされたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる場合には、無欠陥結晶を育成可能な引き上げ速度マージンを拡大させてＣＯＰ及び転位クラスターを排除することが可能である。また、窒素には酸素析出を促進させる作用があることは知られているが、シリコン単結晶の格子間酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下という非常に低い濃度であれば、たとえ窒素が添加されていても酸素析出は生じないとこれまでは考えられていた。
【0011】
しかしながら、本願発明者らの研究によれば、無欠陥結晶を育成可能な引き上げ速度マージンを拡大させるためには、１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上の高濃度の窒素をドープする必要があり、水平磁場を印加しながら単結晶を引き上げる従来の製造方法において高濃度の窒素ドープを行った場合には、たとえ結晶中の格子間酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であったとしても、ＩＧＢＴ製造時の熱処理によってウェーハ中心部に酸素析出起因の欠陥（酸素析出物）が発生する問題が明らかとなった。
【0012】
また、水平磁場を印加しながら単結晶を引き上げる従来の製造方法において高濃度の窒素ドープを行った場合には、抵抗率の面内分布のばらつきが大きくなるという問題がある。その対策として、中性子照射を行ってリンをドープすることにより、ウェーハ面内の抵抗率分布をより均一にする方法も提案されている。しかし、中性子照射を行うには軽水炉などの特別な設備が必要であり、中性子照射できる機関は世界に数社しかなく、工業生産性に適さない。
【0013】
したがって、本発明の目的は、引き上げ速度マージンが広く、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗率の面内ばらつきが小さく、Grown-in欠陥のみならず酸素析出評価熱処理後に酸素析出物が検出されないシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。また、本発明の目的は、そのようなシリコン単結晶から切り出されたＩＧＢＴ用基板として好適なシリコンウェーハを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明者らは、窒素を高濃度にドープしても酸素析出起因の欠陥が発生しないシリコン単結晶の製造方法について鋭意研究を重ねた結果、カスプ磁場を特定の条件下で印加しながら結晶育成を行った場合に、ウェーハ面内の抵抗率分布の均一化が向上され、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上かつ酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、熱処理後に酸素析出起因の欠陥が発生しないGrown-in欠陥フリーのシリコン単結晶が得られることを見出した。
【0015】
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、窒素が添加されたシリコン融液を生成し、カスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置を前記シリコン融液の上方に設定し、前記シリコン融液に前記カスプ磁場を印加しながらGrown-in欠陥が発生しない引き上げ速度で前記シリコン単結晶を引き上げることを特徴とする。
【0016】
本発明によれば、窒素がドープされていても酸素析出起因の欠陥が発生しないシリコン単結晶を製造することができる。またシリコン単結晶中に窒素がドープされているので、ＣＯＰ、転位クラスター及びＯＳＦ核を含まない無欠陥結晶を育成可能な引き上げ速度マージンを広げることができ、無欠陥結晶の歩留まりを高めることができる。また抵抗率の面内ばらつきが３．５％以下のシリコン単結晶を製造することができる。
【0017】
本発明において、前記カスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置は、前記シリコン融液の液面の上方１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましい。カスプ磁場を印加したとしてもその磁場中心位置によってはシリコン単結晶中の酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にならない場合がある。しかし、カスプ磁場中心位置を融液面の上方１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定した場合には、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン単結晶を安定的に製造することができる。
【0018】
本発明において、前記カスプ磁場の強度は５００Ｇ以上７００Ｇ以下であることが好ましい。また、前記シリコン融液を保持するルツボの回転速度は３ｒｐｍ以上６ｒｐｍ以下であることが好ましい。さらに、前記シリコン単結晶の回転速度は１５ｒｐｍ以上２０ｒｐｍ以下であることが好ましい。
【0019】
また、本発明によるシリコンウェーハは、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗率の面内ばらつきが３．５％以下であり、Grown-in欠陥が存在せず、酸素析出評価熱処理後に酸素析出物が発生しないことを特徴とする。本発明によれば、ＩＧＢＴの基板材料として好適なシリコンウェーハを提供することができる。
【0020】
本発明において、前記酸素析出評価熱処理は、７８０℃で３時間及び１０００℃で１６時間の２段階の熱処理であり、前記酸素析出評価熱処理後におけるＬＳＴＤ密度が検出限界以下であることが好ましい。すなわち、Grown-in欠陥が存在せず、酸素析出評価熱処理後に酸素析出物が発生しないとは、酸素析出評価熱処理後に赤外散乱トモグラフ法でサイズが２０ｎｍ以上のＬＳＴＤを測定した場合におけるＬＳＴＤ密度が検出限界以下（＜１×１０５個／ｃｍ３）であることを言う。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、引き上げ速度マージンが広く、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、抵抗率の面内ばらつきが小さく、Grown-in欠陥のみならず酸素析出評価熱処理後に酸素析出物が検出されないシリコン単結晶の製造方法を提供するができる。また、本発明によれば、そのようなシリコン単結晶から切り出されたＩＧＢＴ用基板として好適なシリコンウェーハを提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【0024】
図１は、本発明の実施の形態による単結晶製造装置の構成を概略的に示す側面断面図である。
【0025】
図１に示すように、単結晶製造装置１は、水冷式のチャンバー１０と、チャンバー１０内でシリコン融液２を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持するグラファイト製のサセプタ１２と、サセプタ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、サセプタ１２を取り囲むように配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内周面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方に吊設けられた単結晶引き上げ用ワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９とを備えている。
【0026】
また単結晶製造装置１は、チャンバー１０の外側に配置された磁場発生装置２１と、チャンバー１０内を撮影するカメラ２２と、カメラ２２で撮影した画像を処理する画像処理部２３と、画像処理部２３の出力に基づいてシャフト駆動機構１４、ヒーター１５、ワイヤー巻き取り機構１９及び磁場発生装置２１を制御する制御部２４とを備えている。
【0027】
チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１、サセプタ１２、ヒーター１５、及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にアルゴンガス等の不活性ガス（パージガス）を導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部には不活性ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。またメインチャンバー１０ａの上部には覗き窓１０ｅが設けられており、シリコン単結晶３の育成状況（固液界面）を覗き窓１０ｅから観察可能である。
【0028】
石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と、湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。サセプタ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を保持する。石英ルツボ１１及びサセプタ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液２を支持する二重構造のルツボを構成している。
【0029】
サセプタ１２は鉛直方向に伸びる回転シャフト１３の上端部に固定されており、回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部中央を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。サセプタ１２、回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は、石英ルツボ１１の回転機構及び昇降機構を構成している。
【0030】
ヒーター１５は石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を溶融して溶融状態を維持するために設けられている。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーター１５であり、サセプタ１２内の石英ルツボ１１の全周を取り囲むように設けられた略円筒状の部材である。さらにヒーター１５の外側は断熱材１６に取り囲まれており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。
【0031】
熱遮蔽体１７はシリコン融液２の温度変動を抑制して固液界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶３の加熱を防止するために設けられている。シリコン融液２の上方を覆う略円筒状のグラファイト製の部材である。熱遮蔽体１７の下端中央にはシリコン単結晶３の直径よりも大きな円形の開口が形成されており、シリコン単結晶３の引き上げ経路が確保されている。
【0032】
シリコン単結晶３の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は徐々に減少するが、融液面と熱遮蔽体１７との間隔が一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液２の温度変動を抑制すると共に、融液面近傍を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液２からのＳｉＯガスの蒸発量を制御することができる。
【0033】
石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶３の引き上げ軸であるワイヤー１８と、ワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９はワイヤー１８と共に単結晶を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、ワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１８の下端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶３がワイヤー１８に吊設された状態が示されている。単結晶の引き上げ時には種結晶をシリコン融液２に浸漬し、石英ルツボ１１と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー１８を徐々に引き上げることにより単結晶を成長させる。
【0034】
プルチャンバー１０ｂの上部にはチャンバー１０内に不活性ガスを導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの底部にはチャンバー１０内の不活性ガスを排気するためのガス排出口１０ｄが設けられている。不活性ガスはガス導入口１０ｃからチャンバー１０内に導入され、その導入量はバルブにより制御される。また密閉されたチャンバー１０内の不活性ガスはガス排出口１０ｄからチャンバー１０の外部へ排気されるので、チャンバー１０内で発生するＳｉＯガスやＣＯガスを回収してチャンバー１０内を清浄に保つことが可能となる。
【0035】
磁場発生装置２１は上下方向に対向する上部コイル２１ａ及び下部コイル２１ｂを用いて構成されており、一対の磁場発生用コイルにそれぞれ逆向きの電流を流すことによってチャンバー１０内にカスプ磁場を発生させる。図中では、「・」は紙面から出てくる電流の流れを示し、「×」は紙面に入っていく電流の流れを示している。
【0036】
カスプ磁場は引き上げ軸に対して軸対称であり、磁場中心点では互いの磁界が打ち消し合って垂直方向の磁場強度はゼロとなる。磁場中心点から外れた位置では垂直方向の磁場は存在し、半径方向に向かう水平磁場が形成される。またカスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置（磁場中心高さ）はシリコン融液２の液面よりも上方に位置させる。特に液面位置の上方１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましい。このように、シリコン融液２にカスプ磁場を印加することで磁力線に直交する方向の融液対流を抑制することができる。その結果、石英ルツボ１１からシリコン融液２への酸素取り込み量が低減されるとともに、シリコン融液２からの酸素の蒸発も促進されることにより、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン単結晶を安定的に製造することができる。また、熱処理後の酸素析出起因の欠陥の発生を防止することができる。
【0037】
メインチャンバー１０ａの上部には内部を観察するための覗き窓１０ｅが設けられており、カメラ２２は覗き窓１０ｅの外側に設置されている。単結晶引き上げ工程中、カメラ２２は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口を通して見えるシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部の画像を撮影する。カメラ２２は画像処理部２３に接続されており、撮影画像は画像処理部２３で処理され、処理結果は制御部２４において結晶引き上げ条件の制御に用いられる。
【0038】
【0039】
図２及び図３に示すように、シリコン単結晶の製造では、石英ルツボ１１内のシリコン原料を加熱してシリコン融液２を生成する（ステップＳ１１）。シリコン融液２に窒素をドープするため、石英ルツボ１１内には高純度多結晶シリコン塊と共にシリコン窒化物が充填される。シリコン窒化物としては、窒化膜付きシリコンウェーハを用いることができる。窒素をドープする際は、所定の結晶位置で所望の窒素濃度となるように、偏析を考慮した分量の窒化物を加える必要がある。
【0040】
次に、ワイヤー１８の下端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２に着液させる（ステップＳ１２）。その後、シリコン融液２との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げてシリコン単結晶３を成長させる結晶引き上げ工程（ステップＳ１３～Ｓ１６）を実施する。
【0041】
結晶引き上げ工程では、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部３ａを形成するネッキング工程（ステップＳ１３）と、結晶直径が徐々に増加したショルダー部３ｂを形成するショルダー部育成工程（ステップＳ１４）と、結晶直径が一定に維持されたボディー部３ｃを形成するボディー部育成工程（ステップＳ１５）と、結晶直径が徐々に減少したテール部３ｄを形成するテール部育成工程（ステップＳ１６）が順に実施され、単結晶が融液面から最終的に切り離されて結晶引き上げ工程が終了する。
【0042】
以上により、単結晶の上端（トップ）から下端（ボトム）に向かって順に、ネック部３ａ、ショルダー部３ｂ、ボディー部３ｃ（直胴部）、及びテール部３ｄを有するシリコン単結晶インゴットが完成する。
【0043】
シリコン単結晶３のボディー部３ｃの窒素濃度は１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。窒素濃度が下限値未満では無欠陥結晶を育成可能な引き上げ速度マージンを拡大させることが困難となり、上限値を超えるとシリコン中の窒素が固溶限界に近づいてしまい、無転位で単結晶を育成することができなくなるからである。シリコン単結晶中の窒素濃度がこの範囲内であれば、無欠陥結晶を育成可能な引き上げ速度マージン（特にＰｖ領域が得られる引き上げ速度マージン）を広げて無欠陥結晶の歩留まりを高めることができる。シリコン単結晶３のボディー部３ｃの窒素濃度を上記範囲内に収めるためには、ボディー部の上端部の窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるようにシリコン単結晶中の窒素濃度を調整することが好ましい。シリコン単結晶中の窒素濃度は偏析によって引き上げの進行と共に徐々に高くなるからである。シリコン単結晶中の窒素濃度はＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次イオン質量分析法）によって測定することができる。
【0044】
またシリコン単結晶３のボディー部３ｃの酸素濃度は４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である。これにより、酸素ドナー等の発生による抵抗変動のないＩＧＢＴの基板材料として好適なシリコンウェーハを製造することができる。なお、本明細書中に規定するシリコン単結晶中の酸素濃度はすべてASTM F-121(1979)の規格に従ったＦＴＩＲ法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy：フーリエ変換赤外分光法）による測定値である。
【0045】
ＣＺ法により製造されるシリコン単結晶３に含まれる欠陥の種類や分布は、単結晶の引き上げ速度Ｖと結晶成長方向の温度勾配Ｇとの比Ｖ／Ｇに依存する。
【0046】
図４は、Ｖ／Ｇと結晶欠陥の種類及び分布との関係を示す模式図である。
【0047】
図４に示すように、Ｖ／Ｇが大きい場合には単結晶中の空孔が過剰となり、単結晶の引き上げ軸方向と直交する面内全域にわたり、空孔型点欠陥の凝集体であるＣＯＰが発生する。ＣＯＰはボイド欠陥の一種であるが、ボイド欠陥には検出方法によっていくつかの異なる呼称が存在する。レーザー光線をウェーハ表面に照射し、その反射光・散乱光などを検出するパーティクルカウンターによって観察された欠陥は、ＣＯＰと呼ばれる。赤外レーザー光線をウェーハ表面に入射し、その散乱光を検出する赤外散乱トモグラフ（Laser Scattering Tomography）によって観察された欠陥は、ＬＳＴＤ（Laser Scattering Tomography Defect）と呼ばれる。これらの欠陥は検出方法が異なっているが、すべてボイド欠陥であると考えられている。
【0048】
一方、Ｖ／Ｇが小さい場合には、格子間シリコンが過剰となり、格子間シリコンの凝集体である転位クラスターが発生する。転位クラスターは、選択エッチング液内でサンプルを搖動させないで比較的長時間放置した後に貝殻状の大きなピットとして観察される。
【0049】
さらに、ＣＯＰが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、Ｖ／Ｇが大きいほうから順に、ＯＳＦ領域、Ｐｖ領域、Ｐｉ領域の３つの領域が存在する。ＯＳＦ領域は、As-grown状態（単結晶成長後に何ら熱処理を行っていない状態）でＯＳＦ核を含んでおり、１０００～１２００℃の熱酸化処理を施した場合にＯＳＦ（Oxidation Induced Stacking Fault：酸素誘起積層欠陥）が発生する領域である。またＰｖ領域は、空孔が優勢な無欠陥領域であり、熱酸化処理を施しても欠陥が生じない領域である。Ｐｉ領域は、格子間シリコンが優勢な無欠陥領域であり、熱酸化処理を施しても欠陥が生じない領域である。本発明において、Grown-in欠陥とは、ＣＯＰ、転位クラスター及びＯＳＦ核のことをいう。
【0050】
引き上げ速度Ｖを徐々に低下させていくと、ＣＯＰ領域は縮小し、単結晶の外周部からＯＳＦ領域がリング状に出現する。このＯＳＦ領域は、引き上げ速度Ｖの低下に伴ってその径が次第に縮小し、引き上げ速度がＶ１になると消滅する。これに伴い、ＯＳＦ領域に代わって無欠陥領域（Ｐｖ領域）が出現し、単結晶の面内全域がＰｖ領域及びＰｉ領域で占められる。そして、引き上げ速度がＶ２まで低下すると、格子間シリコン型点欠陥の凝集体である転位クラスターが出現し、ついには無欠陥領域（Ｐｉ領域）に代わって単結晶の面内全域が転位クラスターで占められる。
【0051】
したがって、ＣＯＰなどの各種の点欠陥を排除し、面内全域にわたって無欠陥領域が分布するシリコン単結晶を育成するには、Ｖ／Ｇが、面内全域にわたり、格子間シリコン型点欠陥の凝集体が発生しない第１臨界点（Ｖ１／Ｇ）以上かつ空孔型点欠陥の凝集体が発生しない第２臨界点（Ｖ２／Ｇ）以下の範囲内に収まるように引き上げ速度Ｖを管理する必要がある。
【0052】
温度勾配Ｇは、結晶成長界面近傍のホットゾーンに依存し、ホットゾーンはシリコン単結晶を取り囲む熱遮蔽体１７によって制御される。シリコン単結晶の引き上げ速度Ｖはその径方向のどの位置でも一定であるため、結晶成長方向の温度勾配Ｇが径方向のどの位置でもできるだけ一定となるようにホットゾーンを予め設計しておく必要がある。
【0053】
シリコン単結晶の直径制御は主に引き上げ速度Ｖを調整することにより行われる。直径変動を抑えるために結晶引き上げ速度Ｖを適宜変化させているため、引き上げ速度Ｖの変動を完全になくすことはできない。そのため、引き上げ速度Ｖの狙いをＶ１とＶ２の間（例えば両者の中央値）に設定し、育成中に引き上げ速度Ｖが変動してもＶ１～Ｖ２の範囲（「引き上げ速度マージン」又は「ＰｖＰｉマージン」という）に収まるように管理する。
【0054】
本実施形態においては、シリコン単結晶３のボディー部３ｃの窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となるように、シリコン融液２に高濃度の窒素がドープされているので、引き上げ速度マージンを広げることができ、これにより無欠陥結晶の歩留まりを高めることができる。窒素原子にはＣＯＰのサイズを小さくする作用があると考えられ、これにより第１臨界点（Ｖ１／Ｇ）が持ち上がり、Ｐｖ領域が得られる引き上げ速度マージンが拡大するものと考えられる。
【0055】
結晶引き上げ工程中、シリコン融液２にはカスプ磁場が印加される。カスプ磁場は結晶引き上げ軸を中心とした軸対称であり、磁場中心点では互いの磁界が打ち消しあって垂直方向の磁場強度はゼロとなる。磁場中心点から外れた位置では垂直方向の磁場が存在し、半径方向に向かう水平磁場が形成される。このように、シリコン融液２にカスプ磁場を印加することで磁力線に直交する方向の融液対流を抑制することができ、これにより石英ルツボ１１からシリコン融液２に溶け込む酸素の量を低減することができる。また、シリコン融液２からの酸素の蒸発も促進されることにより、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下のシリコン単結晶を安定的に製造することができる。
【0056】
ボディー部育成工程Ｓ１５において、カスプ磁場の垂直方向の磁場中心位置はシリコン融液２の液面よりも上方に位置させることが好ましく、液面よりも上方に１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内に設定されることが好ましい。磁場中心位置が液面の上方１０ｍｍよりも低い場合には酸素析出評価熱処理後の酸素析出を抑制することができない。また磁場中心位置が液面の上方１００ｍｍよりも高い場合にはシリコン単結晶の有転位化の確率が高くなる。
【0057】
また、カスプ磁場の磁場強度は５００～７００Ｇであることが好ましい。磁場強度が５００Ｇよりも小さい場合には融液対流を抑制する効果が得られず、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低酸素濃度の単結晶を引き上げることが困難となるからである。また既存の磁場発生装置では７００Ｇを超える磁場を安定的に出力することが難しく、消費電力の観点からもできるだけ低い磁場強度が望ましいからである。なお、カスプ磁場の磁場強度の値は、垂直方向には磁場中心位置、水平方向には石英ルツボ１１の側壁位置である。
【0058】
水平磁場を印加するＨＭＣＺ（Horizontal Magnetic field applied CZ）法の場合、磁力線の方向は一方向であるため、磁力線と直交する方向の融液対流を抑制する効果はあるが、磁力線と平行な方向の融液対流を抑制することができない。一方、カスプ磁場の場合、磁力線の方向は放射状であり、引き上げ軸を中心に平面視で対称性を有するため、石英ルツボの周方向の融液対流を抑制する効果が高い。したがって、石英ルツボからの酸素の溶出を抑えてシリコン単結晶中の酸素濃度を低減することが可能となる。
【0059】
ボディー部育成工程Ｓ１５において、シリコン単結晶３の回転速度は１５～２０ｒｐｍであることが好ましい。結晶回転速度が１５ｒｐｍよりも小さい場合には、抵抗率および酸素濃度の面内分布の均一性を高めることができないからであり、また結晶回転速度が２０ｒｐｍよりも大きい場合にはシリコン単結晶３がスパイラル状に変形して有転位化しやすくなるだけでなく、結晶引き上げ後にシリコン単結晶３を外周研削した際に結晶直径がウェーハ直径未満となる不良個所が発生するからである。
【0060】
ボディー部育成工程Ｓ１５において、石英ルツボ１１の回転速度は３～６ｒｐｍであることが好ましい。ルツボ回転速度が３ｒｐｍよりも小さい場合には、酸素濃度及び抵抗率の面内分布が悪化するからである。ルツボ回転速度が６ｒｐｍよりも大きい場合には、ルツボの溶損量が増加してシリコン融液中の酸素濃度が高くなり、４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低酸素濃度の単結晶を引き上げることが困難となる。
【0061】
以上の結晶引き上げ条件下でシリコン単結晶３を引き上げることにより、シリコン単結晶３のボディー部の格子間酸素濃度を４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下にすることができるだけでなく、抵抗率の面内ばらつきを３．５％以下に抑えることができ、窒素が添加されていても熱処理後に酸素析出起因の欠陥が発生しないシリコン単結晶３を製造することができる。このように酸素析出が抑制される理由は明らかではないが、カスプ磁場を印加した場合には水平磁場を印加した場合と比べて固液界面形状が大きく変化し、これが結晶成長速度に影響を与え、無欠陥結晶の引き上げ速度が増加し、結晶引き上げ中の酸素析出核の形成が阻害されるからではないかと推察される。
【0062】
以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、窒素がドープされたシリコン融液にカスプ磁場を印加しながらGrown-in欠陥が発生しない引き上げ速度でシリコン単結晶を引き上げるので、窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素濃度が１×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、酸素析出評価熱処理後におけるＬＳＴＤ密度が検出限界以下となるシリコン単結晶を引き上げることができる。したがって、ＩＧＢＴ用低酸素シリコンウェーハをＣＺ法により製造することができ、ＩＧＢＴ用ウェーハの量産性を向上させることができる。
【0063】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【実施例】
【0064】
ＣＺ法において水平磁場を印加しながらシリコン単結晶の引き上げを行った。始めに、石英ルツボ内に多結晶シリコン原料を投入し、原料を溶融してシリコン融液を生成した。シリコン原料にはドーパントとしてリンを追加した。さらに、シリコン原料には窒化膜付きシリコンウェーハを追加した。窒素のドープ量は、シリコン単結晶のボディー部の上端部の窒素濃度が１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３となるように調整した。
【0065】
次に、シリコン融液に水平磁場を印加しながら直径８インチのシリコン単結晶の引き上げを行った。磁場強度は３５００Ｇ、磁場中心位置は液面の上方２５ｍｍの位置に設定した。ルツボの回転速度は０．１ｒｐｍ、結晶回転速度は５ｒｐｍとした。
【0066】
図５に示すように、結晶引き上げ工程中は、引き上げ速度Ｖを高速から低速まで徐々に変化させる速度変量引き上げを行い、単結晶中にＣＯＰ領域（ボイド欠陥領域）、無欠陥領域、転位クラスター領域を順に形成した。こうして、比較例によるシリコン単結晶インゴットを得た。
【0067】
その後、引き上げられたシリコンインゴットの無欠陥領域をスライスしてウェーハを切り出し、ラッピング、エッチング等の表面処理を施した。このようにして、直径２００ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍのシリコンウェーハを製造した。続いて、これらのシリコンウェーハの酸素濃度及び抵抗率分布を測定した。
【0068】
抵抗率分布はウェーハ外周から内側５ｍｍを除いた面内領域において、ウェーハの中心から径方向に２ｍｍピッチで四探針法により測定した。さらに抵抗率の測定結果から、抵抗率の面内ばらつきを示すＲＲＧ（Radial Resistivity Gradient：径方向抵抗率分布）を求めた。測定範囲内における抵抗率の最大値をρMax、最小値をρMinとするとき、ＲＲＧの計算式は以下のようになる。
ＲＲＧ（％）＝｛（ρMax－ρMin）／ρMin｝×１００
ＲＲＧ（％）＝｛（ρMax－ρMin）／ρMin｝×１００
【0069】
次に、無欠陥領域から切り出した複数のシリコンウェーハに対して酸素析出評価熱処理を行い、各ウェーハのＬＳＴＤ密度を赤外散乱トモグラフにより測定した。詳細には、酸化雰囲気で７８０℃で３時間および１０００℃で１６時間の熱処理を行った後、ウェーハを劈開し、劈開断面をライトエッチング液で２μｍエッチングした後、表面検査装置（レイテックス社製ＭＯ－４４１）を用いて劈開断面のＬＳＴＤ密度を測定した。
【0070】
その結果、まず無欠陥領域の酸素濃度は全て４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となった。また、無欠陥領域から切り出したウェーハ面内（径方向）の抵抗率分布を図６（ａ）に示す。具体的には、図６（ａ）中、実線は結晶固化率が０．２７１％の結晶位置、破線は結晶固化率が０．２８０％の結晶位置から切り出したウェーハの面内の抵抗率分布を示すもので、各ウェーハの抵抗率の面内ばらつき（ＲＲＧ）の値は、それぞれ４．９２％、４．５４％であった。
【0071】
また、単結晶育成方向（単結晶直胴部の結晶トップ～結晶ボトム位置）のＬＳＴＤ密度分布を図７に示す。無欠陥領域から切り出したシリコンウェーハであるにも係わらず、酸素析出評価熱処理後のＬＳＴＤ密度は結晶トップ側で高くなり、１×１０７個／ｃｍ３を上回る値となった。これは、高濃度の窒素添加により拡大されたＰｖ領域において酸素析出起因の欠陥が発生したことによるものである。
【0072】
次に、水平磁場に代えてカスプ磁場を印加しながら直径８インチのシリコン単結晶の引き上げを行った。磁場強度は６００Ｇ、磁場中心位置は液面の上方２５ｍｍに設定した。ルツボの回転速度は４．５ｒｐｍ、結晶回転速度は１８ｒｐｍとし、実施例によるシリコン単結晶インゴットを得た。
【0073】
その後、引き上げられたシリコンインゴットの無欠陥領域をスライスしてウェーハを切り出し、ラッピング、エッチング等の表面処理を施した。このようにして、直径２００ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍのシリコンウェーハを製造した。続いて、これらのシリコンウェーハの酸素濃度及び抵抗率分布を測定した。さらに、これらのシリコンウェーハに対して酸素析出評価熱処理を行い、各ウェーハのＬＳＴＤ密度を赤外散乱トモグラフにより測定した。
【0074】
実施例による無欠陥領域から切り出したウェーハ面内（径方向）の抵抗率分布を図６（ｂ）に示す。具体的には、図６（ｂ）中、実線は結晶固化率が０．２６２％の結晶位置、破線は結晶固化率が０．２９７％の結晶位置から切り出したウェーハの面内の抵抗率分布を示すもので、各ウェーハの抵抗率の面内ばらつき（ＲＲＧ）は、それぞれ３．３７％、３．４１％であり、いずれも抵抗率の面内ばらつきが３．５％以下という面内抵抗分布に優れる結果が得られた。
【0075】
【0076】
図８（ａ）から明らかなように、無欠陥領域の酸素濃度は４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であった。さらに図８（ｂ）から明らかなように、窒素を高濃度に添加しているにも係わらず、無欠陥領域の酸素析出評価熱処理後のＬＳＴＤ密度は検出限界値の１×１０５個／ｃｍ３であった。なおＬＳＴＤ測定に使用した表面検査装置（ＭＯ－４４１）のＬＳＴＤ検出下限サイズは２０ｎｍである。
【0077】
次に、カスプ磁場中心位置が結晶品質に与える影響について評価した。そのため、磁場中心位置を変更した点以外は実施例と同じ条件でシリコン単結晶の引き上げを行った。磁場中心位置は、－２５ｍｍ、＋１０ｍｍ、＋４０ｍｍ、＋１００ｍｍの４通りとした。
【0078】
その後、引き上げられたシリコンインゴットの無欠陥領域から切り出したウェーハの酸素濃度を測定した。さらに、これらのシリコンウェーハに対して酸素析出評価熱処理を行い、各ウェーハのＬＳＴＤ密度を赤外散乱トモグラフにより測定して酸素析出の有無を評価した。
【0079】
図９は、カスプ磁場中心位置が異なる４条件で引き上げたシリコン単結晶インゴットの無欠陥領域の酸素濃度の結晶成長方向における変化を示すグラフであり、横軸は結晶成長方向の位置、縦軸は酸素濃度をそれぞれ示している。
【0080】
図９に示すように、カスプ磁場中心位置が融液面の下方２５ｍｍの場合には、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を上回った。これに対し、カスプ磁場中心位置が融液面の上方１０ｍｍ、４０ｍｍ、及び１００ｍｍの場合には、酸素濃度が４×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下となった。
【0081】
次に、これらのシリコンウェーハに対して酸素析出評価熱処理（７８０℃×３時間＋１０００℃×１６時間）を行い、各ウェーハのＬＳＴＤ密度を赤外散乱トモグラフにより測定し、酸素析出物の有無を調べた。その結果、表１に示すように、カスプ磁場中心位置が液面位置－２５ｍｍの場合には、熱処理後に酸素析出物が発生した。しかし、カスプ磁場中心位置が液面位置＋１０ｍｍ、＋４０ｍｍ、及び＋１００ｍｍの場合には、熱処理後に酸素析出物が発生しなかった。
【0082】
【表1】
【符号の説明】
【0083】
１ 単結晶製造装置
２ シリコン融液
３ シリコン単結晶（インゴット）
３ａ ネック部
３ｂ ショルダー部
３ｃ ボディー部
３ｄ テール部
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２１ 磁場発生装置
２１ａ 上部コイル（磁場発生用コイル）
２１ｂ 下部コイル（磁場発生用コイル）
２２ カメラ
２３ 画像処理部
２４ 制御部
２ シリコン融液
３ シリコン単結晶（インゴット）
３ａ ネック部
３ｂ ショルダー部
３ｃ ボディー部
３ｄ テール部
１０ チャンバー
１０ａ メインチャンバー
１０ｂ プルチャンバー
１０ｃ ガス導入口
１０ｄ ガス排出口
１０ｅ 覗き窓
１１ 石英ルツボ
１２ サセプタ
１３ 回転シャフト
１４ シャフト駆動機構
１５ ヒーター
１６ 断熱材
１７ 熱遮蔽体
１８ ワイヤー
１９ ワイヤー巻き取り機構
２１ 磁場発生装置
２１ａ 上部コイル（磁場発生用コイル）
２１ｂ 下部コイル（磁場発生用コイル）
２２ カメラ
２３ 画像処理部
２４ 制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】