(57)【要約】【課題】窒素添加のＣＺシリコン単結晶基板において、製品用シリコン単結晶基板の正確な抵抗率保証を行うことを可能にするシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法及びシリコン単結晶基板の製造方法並びにシリコン単結晶基板を提供する。【解決手段】少なくとも、ＣＺ法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、前記シリコン単結晶棒に窒素を添加し、前記育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切断し、前記切断した検査用シリコン単結晶基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、前記熱処理した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率を測定し、前記測定した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率の値を、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から切断する製品用シリコン単結晶基板の抵抗率の保証値として用いるシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶基板の抵抗率を保証する方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、前記シリコン単結晶棒に窒素を添加し、前記育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切断し、前記切断した検査用シリコン単結晶基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、前記熱処理した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率を測定し、前記測定した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率の値を、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から切断する製品用シリコン単結晶基板の抵抗率の保証値として用いることを特徴とするシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項２】
前記育成するシリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすることを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項３】
前記育成するシリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３〜５×１０１５個／ｃｍ３とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項４】
前記育成するシリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項５】
前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項６】
前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項７】
前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、１０秒〜１２０分間行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法。
【請求項８】
シリコン単結晶基板を製造する方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、前記シリコン単結晶棒に窒素を添加し、前記育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切断し、前記切断した検査用シリコン単結晶基板を、８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、前記熱処理した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率を測定し、前記測定した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率の値が所定規格範囲内の値である時、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板を切断することを特徴とするシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項９】
前記切断した製品用シリコン単結晶基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理することを特徴とする請求項８に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１０】
前記育成するシリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１１】
前記育成するシリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３〜５×１０１５個／ｃｍ３とすることを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１２】
前記育成するシリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とすることを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１３】
前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることを特徴とする請求項８乃至請求項１２のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１４】
前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことを特徴とする請求項８乃至請求項１３のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１５】
前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、１０秒〜１２０分間行うことを特徴とする請求項８乃至請求項１４のいずれか１項に記載されたシリコン単結晶基板の製造方法。
【請求項１６】
請求項８乃至請求項１５のいずれか１項に記載された方法により製造されたものであることを特徴とするシリコン単結晶基板。
【請求項１７】
前記シリコン単結晶基板の直径が１５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１６に記載のシリコン単結晶基板。
【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（ＣＺ法）で育成され、窒素が添加されたシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法及び窒素が添加されたシリコン単結晶基板の製造方法、並びにシリコン単結晶基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の製造において、半導体回路の高集積化に伴う回路素子の微細化に伴い、その基板となるＣＺ法で育成されたシリコン単結晶（ＣＺシリコン単結晶）に対する品質要求が高まってきている。特に、ＣＺシリコン単結晶中には、ＦＰＤ（Ｆｌｏｗ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｄｅｆｅｃｔ）、ＬＳＴＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  Ｄｅｆｅｃｔ）、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）等のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と呼ばれ、酸化膜耐圧特性やデバイスの特性を悪化させる単結晶成長起因の欠陥が存在し、その低減が重要視されている。
【０００３】
そこで、通常のシリコン単結晶基板上に新たにシリコン層をエピタキシャル成長させたエピタキシャル基板や、水素及びアルゴン雰囲気中で高温にてアニール熱処理を施したアニール基板、そしてＣＺシリコン単結晶の成長条件を改良して製造された、全面Ｎ領域（ＯＳＦリングの外側で、転位クラスターの無い領域）基板などＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥の少ない単結晶基板がいくつか開発されている。
【０００４】
これらの中で、窒素を添加（ドープ）した窒素ドープ基板にアニール熱処理を施した基板（以下、窒素ドープアニール基板と呼ぶことがある）は、基板表層部のＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が低減され、かつバルク中のＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）密度も高い基板として非常に有益である。これは、窒素ドープによるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥凝集抑制効果と酸素析出促進効果を利用して開発された基板で、通常の結晶よりも欠陥のサイズが小さくなるため、アニールによる表層欠陥の消滅効率が良く、バルク中のＢＭＤ密度も高いので有効なゲッタリング能力を有する基板である。
【０００５】
一方、例えば１０００℃以上の高温領域における熱処理の際にシリコン単結晶基板に発生する熱応力による転位発生の抑制、あるいは単結晶育成時の結晶欠陥の発生を防止する目的で、シリコン単結晶育成時に窒素を添加することも知られている。
【０００６】
ところが、このように窒素が添加されたシリコン単結晶基板は、熱処理を施すと、基板の抵抗率が熱処理前の値から変化することが知られている。このため、このような窒素が添加されたシリコン単結晶基板に、前述のような半導体素子の製造工程中の熱処理を行うと、基板の抵抗率が変化し、製造する半導体素子の特性も変化してしまうという好ましくない問題があった。
【０００７】
このような問題点に対して、少なくとも半導体素子製造工程前に、例えばフローティングゾーン法（ＦＺ法）により育成されたシリコン単結晶基板に９００〜１２５０℃の温度で約１０〜６０分の熱処理を行うことにより、半導体素子製造工程で行われる熱処理によっても抵抗率が変化しないシリコン単結晶基板を製造する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
また、ＣＺシリコン単結晶に関しては、単結晶育成時に石英製のルツボを用いるため、ルツボ内壁の石英が溶出してシリコン単結晶中に酸素原子が混入する。このシリコン単結晶の育成後の冷却工程の際に３５０〜５００℃程度の低温熱処理が施されると、複数個の酸素原子が集まって電気的に活性な酸素ドナー（サーマルドナー）が形成され、目標とする抵抗率が得られなかったり、後の半導体素子製造工程中の熱処理によって抵抗率が変化してしまうという問題もある。
この問題を防ぐために、従来、酸素ドナーを消去する熱処理が行なわれていた。通常、この酸素ドナー消去は、シリコン単結晶基板を不活性ガス雰囲気下で、６５０℃〜７００℃の温度で１０分〜１時間熱処理することによって行なう。
【０００９】
また、ＣＺシリコン単結晶基板において、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以上のシリコン単結晶基板に、ゲッタリング能力強化を目的として水素ガス及び／またはアルゴンガスの雰囲気下で１０００〜１２００℃の温度範囲で１〜２０時間の熱処理を行ない酸素を析出させ、格子間酸素濃度を８ｐｐｍａ以下と低くして酸素のドナー化の影響を少なくすることにより、抵抗率の変動を抑制する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【００１０】
上記の特許文献１及び特許文献２においては、ＦＺ法、ＣＺ法のいずれの方法で育成された結晶においても、抵抗率が１００Ω・ｃｍを超える高抵抗結晶の抵抗率変動が大きくなり、問題となることが開示されている。
【００１１】
一方、近年需要が高くなっている抵抗率が２０Ω・ｃｍ程度のシリコン単結晶基板であっても、それを用いて製造された半導体素子の閾値電圧Ｖｔｈが設計値からずれてしまうことがあり、半導体素子の特性設計上の問題が生じる場合がある。
【００１２】
【特許文献１】特許第２７４２２４７号公報
【特許文献２】特開２００２−１００６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、窒素が添加されたＣＺシリコン単結晶基板において、製品用シリコン単結晶基板の正確な抵抗率保証を行うことを可能にするシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法及びシリコン単結晶基板の製造方法並びにシリコン単結晶基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的達成のため、本発明は、シリコン単結晶基板の抵抗率を保証する方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、前記シリコン単結晶棒に窒素を添加し、前記育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切断し、前記切断した検査用シリコン単結晶基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、前記熱処理した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率を測定し、前記測定した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率の値を、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から切断する製品用シリコン単結晶基板の抵抗率の保証値として用いることを特徴とするシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法を提供する（請求項１）。
【００１５】
このように、窒素を添加してＣＺ法で育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板（以下、単に検査用基板と記載することがある）を切り出して、これらの検査用基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃〜１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、その後検査用基板の抵抗率を測定すれば、酸素のみならず、添加した窒素、及び窒素酸素混合物のドナー作用が熱処理により消去された後の抵抗率を測定できる。このようにして測定した検査用基板で得られた抵抗率は、その後基板表層に無欠陥（ＤＺ）層を形成するアニール工程や半導体素子を製造する工程において熱処理が行なわれても大きく変化しない。従って、測定した検査用基板の抵抗率を、検査基板を切り出した後の、シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板（以下、製品用基板ということがある）を切り出した際に、その製品用基板の抵抗率の保証値として用いれば、製品用基板の正確な抵抗率保証が可能となる。
【００１６】
この場合、前記育成するシリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすることが好ましい（請求項２）。
このように、シリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ：日本電子工業振興協会規格）とすれば、機械的強度が高く、適度にゲッタリング能力を有する高品質のシリコン単結晶となる。
また、酸素濃度を８ｐｐｍａ以上とすれば、酸素のドナーとしての抵抗率に対する寄与が大きいため、その作用を消去する熱処理を行なうことにより抵抗率変化の抑制効果もより高いものとなり、本発明に従う抵抗率保証方法によってより正確な抵抗率保証が可能となる。
【００１７】
また、前記育成するシリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３〜５×１０１５個／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項３）。
このように、シリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３個／ｃｍ３以上とすれば、窒素をドープすることによる酸素析出促進効果が明らかであり、５×１０１５個／ｃｍ３以下とすれば、単結晶引き上げ時の単結晶化の妨げとなったり、連続操業の不安定化を引き起こしたりすることもない。
また、窒素濃度を１×１０１３個／ｃｍ３以上とすれば、窒素のドナーとしての抵抗率に対する寄与が大きいため、その作用を消去する熱処理を行なうことにより抵抗率変化の抑制効果もより高いものとなり、本発明に従う抵抗率測定方法によってより正確な抵抗率保証が可能となる。
【００１８】
また、前記育成するシリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい（請求項４）。
このように、シリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とした場合に、抵抗率に対する酸素、窒素、及び窒素酸素混合物によるドナーの影響が顕著になるので、８００℃〜シリコンの融点のいずれかの温度で熱処理してその影響を消去する効果が大きくなる。
【００１９】
また、前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることが好ましい（請求項５）。
このように、検査用基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすれば、検査用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用の消去を効果的に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率を保証することができる。尚、酸素雰囲気はウェットもしくはドライでもよく、酸素と窒素、窒素と水素、窒素とアルゴン、水素とアルゴンを混合した雰囲気としてもよい。
【００２０】
また、前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことが好ましい（請求項６）。
このように、検査用基板に行なう熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なえば、検査用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用の消去する熱処理を効果的に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率を保証することができる。
【００２１】
また、前記検査用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、１０秒〜１２０分間行うことが好ましい（請求項７）。
このように、検査用基板に行う熱処理を１０秒〜１２０分間行えば、検査用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用の消去を十分に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率を保証することができる。
【００２２】
また、本発明は、シリコン単結晶基板を製造する方法であって、少なくとも、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶棒を育成する際に、前記シリコン単結晶棒に窒素を添加し、前記育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切断し、前記切断した検査用シリコン単結晶基板を、８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、前記熱処理した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率を測定し、前記測定した検査用シリコン単結晶基板の抵抗率の値が所定規格範囲内の値である時、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板を切断することを特徴とするシリコン単結晶基板の製造方法を提供する（請求項８）。
【００２３】
このように、窒素を添加してＣＺ法で育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用基板を切り出して、検査用基板を、８００℃〜シリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃〜１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、その後検査用基板の抵抗率を測定すれば、検査用シリコン単結晶基板中の酸素や添加した窒素、及び窒素酸素混合物のドナー作用が熱処理により消去された後の抵抗率を測定できる。このように測定した基板の抵抗率は、その後基板表層にＤＺ層を形成するアニール工程や半導体素子を製造する工程において熱処理が行なわれても大きく変化しない。従って、測定した検査用基板の抵抗率の値が所定の規格範囲内の時に、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用基板を切り出して製造すれば、その後の半導体素子製造工程等における熱処理により抵抗率の値が規格範囲内になることが保証されたシリコン単結晶基板の提供が可能となる。
【００２４】
この場合、前記切断した製品用シリコン単結晶基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して熱処理することが好ましい（請求項９）。
このように、前記切断した製品用基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃〜１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理すれば、検査用基板により保証された規格範囲内の抵抗率となったシリコン単結晶基板の提供が可能となる。
【００２５】
また、前記育成するシリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすることが好ましい（請求項１０）。
このように、シリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすれば、機械的強度が高く、適度にゲッタリング能力を有する高品質のシリコン単結晶となる。また、酸素濃度を８ｐｐｍａ以上とすれば、酸素のドナーとしての抵抗率に対する寄与が大きいため、その作用を消去する熱処理を行なうことにより抵抗率変化の抑制効果もより高いものとなり、本発明に従う製造方法によってより確実に安定した抵抗率のシリコン単結晶基板の提供が可能となる。
【００２６】
また、前記育成するシリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３〜５×１０１５個／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項１１）。
このように、シリコン単結晶棒の窒素濃度を１×１０１３個／ｃｍ３以上とすれば、窒素をドープすることによる酸素析出促進効果が明らかであり、５×１０１５個／ｃｍ３以下とすれば、単結晶引き上げ時の単結晶化の妨げとなったり、連続操業の不安定化を引き起こしたりすることもない。また、窒素濃度を１×１０１３個／ｃｍ３以上とすれば、窒素のドナーとしての抵抗率に対する寄与が大きいため、その作用を消去する熱処理を行なうことにより抵抗率変化の抑制効果もより高いものとなり、本発明に従う製造方法によってより確実に安定した抵抗率のシリコン単結晶基板の提供が可能となる。
【００２７】
また、前記育成するシリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい（請求項１２）。
このように、シリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とする場合に、酸素、窒素、及び窒素酸素混合物によるドナーの影響が顕著になるので、８００℃〜シリコンの融点のいずれかの温度で熱処理してその影響を消去する効果が大きくなる。
【００２８】
また、前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることが好ましい（請求項１３）。
このように、検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理の雰囲気を、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすれば、検査用又は製品用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用の消去を効果的に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率が保証されたシリコン単結晶基板を製造できる。尚、酸素雰囲気はウェットもしくはドライでもよく、酸素と窒素、窒素と水素、窒素とアルゴン、水素とアルゴンを混合した雰囲気としてもよい。
【００２９】
また、前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことが好ましい（請求項１４）。
このように、検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行なう熱処理を、抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なえば、検査用又は製品用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用を消去する熱処理を効果的に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率が保証されたシリコン単結晶基板を製造できる。
【００３０】
また、前記検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理を、１０秒〜１２０分間行うことが好ましい（請求項１５）。
このように、検査用又は製品用シリコン単結晶基板に行う熱処理を１０秒〜１２０分間行えば、検査用又は製品用シリコン単結晶基板中の酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用の消去を十分に行なうことができるので、その後より正確かつ迅速に抵抗率が保証されたシリコン単結晶基板を製造できる。
【００３１】
また、本発明は、前記のいずれかの方法により製造されたものであることを特徴とするシリコン単結晶基板を提供する（請求項１６）。
このように、前記のいずれかの方法により製造されたシリコン単結晶基板であれば、半導体素子製造工程等における熱処理により抵抗率の値が規格範囲内になることが確実に保証された窒素ドープＣＺシリコン単結晶基板であり、これを基板として作製された半導体素子の抵抗率や閾値電圧の安定性が高く、動作規格の高精度な半導体素子の作製に適し、かつ基板表層の結晶欠陥が極めて少ない高品質のシリコン単結晶基板とすることができる。
【００３２】
この場合、前記シリコン単結晶基板の直径が１５０ｍｍ以上であることが好ましい（請求項１７）。
このように、シリコン単結晶基板の直径が１５０ｍｍ以上の大口径であれば、高品質の半導体素子を収率よく製造するのに適し、特に近年需要が高まっている直径２００ｍｍや３００ｍｍの大口径基板とすることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に従い、窒素を添加してＣＺ法で育成したシリコン単結晶棒の直胴円筒部の両端より検査用基板を切り出して、検査用基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃からシリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃から１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理し、その後検査用基板の抵抗率を測定し、測定した検査用基板の抵抗率を、シリコン単結晶棒の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板を切り出した際に、その製品用基板の抵抗率の保証値として用いれば、製品用基板の正確な抵抗率保証が可能となる。
また、このように測定した検査用基板の抵抗率の値が所定の規格範囲内の時に、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板を切り出して製造すれば、その後の熱処理により抵抗率の値が規格範囲内になることが確実に保証されたシリコン単結晶基板の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明について詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、近年需要が高くなっている抵抗率が２０Ω・ｃｍ程度のシリコン単結晶基板であっても、実際に製造された半導体素子の閾値電圧Ｖｔｈが設計値からずれてしまうことがあり、特性設計上の問題が生じる場合があった。
【００３５】
本発明者らは、このような閾値電圧の設計値からのずれの原因は、実際のシリコン単結晶基板の抵抗率と、半導体素子設計の際に用いた抵抗率の保証値のずれにより生じていることを見出した。
【００３６】
上記のように抵抗率のずれが生じるシリコン単結晶基板は、窒素が添加されたＣＺシリコン単結晶から作製されたものであり、抵抗率の保証値を測定する際には、不活性ガス雰囲気下で６５０℃、２０分の熱処理を施し、酸素ドナーを消去したものであった。そこで本発明者らは、このような抵抗率のずれの発生は、窒素酸素混合物のドナー（ＮＯドナー）が基板内に残留していることが主な原因ではないかと考えた。
【００３７】
そこで、これらのドナーを消去する熱処理条件を求めるため、次の実験を行なった。
（実験）
直径２００ｍｍ、酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、窒素濃度５×１０１３個／ｃｍ３、抵抗率２０Ω・ｃｍ（目標値）のシリコン単結晶棒をＣＺ法により育成した。このシリコン単結晶棒の直胴円筒部をスライス切断して作製したシリコン単結晶基板を複数用意し、酸素ドナーを消去するため、アルゴン雰囲気下、６５０℃の温度で２０分保持する熱処理を抵抗加熱炉にて行ない、このときの抵抗率（ρ１）を測定した。その後、ＮＯドナーを消去するため、アルゴン雰囲気下、急速加熱炉にて６５０℃〜１２００℃の範囲内の温度で１５秒の熱処理を行い、各々の温度で熱処理された基板それぞれの抵抗率（ρ２）を測定した。
【００３８】
図１は、上記ＮＯドナー消去のための熱処理温度と、熱処理前後の抵抗率の差（Δ（ρ２−ρ１））、すなわちＮＯドナー消去の効果を示すグラフである。これより、８００℃、より好ましくは９００℃以上の熱処理で抵抗率差が大きくなり、ＮＯドナーが消去されること、及び９００℃以上であれば抵抗率差がほぼ一定であり、ドナー消去の効果が一様であることが判った。
なお、同様の実験を抵抗率１０Ω・ｃｍ（目標値）のシリコン単結晶基板について行なったところ、ρ１は約９．８３Ω・ｃｍ、ρ２は約９．７３Ω・ｃｍであり、その差は−０．１０Ω・ｃｍであった。このことから、１０Ω・ｃｍ以上で、ＮＯドナーの影響が顕著になると考えられる。
【００３９】
また、上記のシリコン単結晶基板にはＮＯドナーが存在し、酸素ドナー消去の熱処理では消去されないＮＯドナーが、上記の熱処理で消去されることを確認するため、ＦＴ−ＩＲスペクトル測定を行なった。
図２は、上記実験と同じ条件で作製した基板であって、酸素ドナー消去の熱処理を行なった基板（Ｂ）、及びその後ＮＯドナー消去のために抵抗加熱炉にて１２００℃で１時間の熱処理をおこなった基板（Ｃ）のＦＴ−ＩＲスペクトルであり、横軸は波数、縦軸は吸光度を示す。なお、比較のため、抵抗率を低めに設定し、窒素を添加しない以外は上記実験と同じ条件で作製した基板に酸素ドナー消去の熱処理を行なった基板（Ａ）のＦＴ−ＩＲスペクトルも測定した。
【００４０】
図中の約２４５ｃｍ−１のピークは抵抗率調整用のドーパントであるボロンの吸収によるピークである。矢印で示した約２４０ｃｍ−１及び２５０ｃｍ−１の位置がＮＯドナーの吸収の位置であるが、（Ｂ）の基板のみＮＯドナーの吸収が認められ、特に２５０ｃｍ−１で顕著であった。
この結果は、窒素の添加されていない基板にはＮＯドナーが存在せず、酸素ドナー消去の熱処理では消去されないＮＯドナーが、その後のＮＯドナー消去のための１２００℃で１時間の熱処理で消去されたことを示している。
【００４１】
本発明者らは、これらの実験結果に基づいて、窒素の添加されたＣＺシリコン単結晶基板の抵抗率の保証方法について鋭意検討し、本発明を完成した。
【００４２】
以下では、本発明の実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。最初に本発明のシリコン単結晶基板の抵抗率保証方法の一例について具体的に説明する。
まず、回転する石英ルツボ中に収容された多結晶シリコン原料の融液に種結晶を接触させ、これを回転させながらゆっくりと引き上げて所望の直径の単結晶棒を育成する公知のＣＺ法、あるいはこのＣＺ法においてシリコン融液に磁場を印加して融液の対流を制御して単結晶を引き上げる公知のＭＣＺ法によりシリコン単結晶棒を育成する。
【００４３】
このとき、育成するシリコン単結晶棒に窒素を添加するが、窒素の添加は、例えば石英ルツボの原料多結晶中に、予め表面に窒化膜が形成されたシリコン基板等の窒化物を投入しておくことにより容易に行うことができる。このとき、窒素濃度が１×１０１３〜５×１０１５個／ｃｍ３となるように窒化物を投入することが好ましい。このような窒素濃度とするのに必要な窒化物の量は、原料多結晶の量、及び窒素の偏析係数などから計算により容易に求めることができる。
【００４４】
また、シリコン単結晶棒の初期格子間酸素濃度を８〜２０ｐｐｍａとすることが好ましい。初期格子間酸素濃度を上記の所望の値にするためには、従来の方法を用いればよい。例えば、ルツボの回転数、導入ガス流量、雰囲気圧力、シリコン融液の温度分布及び対流、あるいは印加する磁場強度等のパラメータを適宜に調整することで、ルツボから融け出す酸素の量および結晶に取り込まれる酸素の量を調整することができる。
【００４５】
また、シリコン単結晶棒の抵抗率を１０Ω・ｃｍ以上とすることが好ましい。このような抵抗率にするには、例えば石英ルツボの原料多結晶中に予めボロンやリン等の公知の抵抗率調整用ドーパント等を投入しておくことにより容易に行うことができる。
【００４６】
次に、こうして育成したシリコン単結晶棒の頭部と尾部を、通常の方法に従いワイヤーソーあるいは内周刃スライサー、外周刃スライサー等の切断装置で切断し、直胴円筒部の両端より検査用シリコン単結晶基板を切り出す。このとき、必要に応じてシリコン単結晶棒を２つ以上の単結晶棒に分割し、各々の単結晶棒の両端から検査用基板を切り出してもよい。
このように直胴円筒部の両端より検査用基板を切り出してその両方を検査に用いれば、直胴円筒部の片端より切り出した検査用基板のみを検査に用いる場合より、より正確な検査が可能となる。
【００４７】
次に、このように切断した検査用基板を、少なくとも半導体素子製造工程前に８００℃〜シリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃〜１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理することにより、窒素や酸素、及び窒素酸素混合物のドナー作用を消去する。このような高温熱処理で、ＮＯドナーのみならず、酸素、窒素ドナーも消去できる。そしてこのような熱処理は、例えば抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことが可能であり、１０秒〜１２０分間行うことが好ましい。
また、この熱処理の雰囲気は、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることが好ましい。このとき酸素雰囲気はドライでもウェットでもよい。また、酸素と窒素、窒素と水素、窒素とアルゴン、水素とアルゴン、あるいは３つ以上を混合した雰囲気としてもよい。
【００４８】
次に、このようにして熱処理してドナー作用を消去した検査用基板の抵抗率を測定する。測定方法は、例えば四探針法等の公知の方法を用いることができる。
そして、このように測定した基板の抵抗率は、半導体素子を製造する工程等において熱処理が行なわれても大きく変化しない。従って、測定した検査用基板の抵抗率を、検査用基板を切り出した後のシリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用基板を切り出した際に、その製品用基板の抵抗率の保証値として用いれば、製品用基板の正確な抵抗率保証が可能となる。
【００４９】
次に、本発明のシリコン単結晶基板の製造方法の一例について具体的に説明する。シリコン単結晶棒の育成、検査用基板の切断、検査用基板を８００℃〜シリコンの融点の間のいずれかの温度で保持して行なう熱処理、検査用基板の抵抗率の測定については、抵抗率保証方法と同様な方法及び手順で行なうことができる。
【００５０】
次に、このようにして測定した検査用基板の抵抗率を製品の抵抗率の規格値と比較する。そして、検査用基板の抵抗率が、このような所定の規格範囲内の値である時には、前記シリコン単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分から製品用シリコン単結晶基板を前述のような切断装置を用いて切断する。そして、このように切断された製品用基板は、必要に応じて面取り、ラッピング、エッチング、研磨、洗浄等の工程が施される。このようにして、その後の熱処理により抵抗率の値が規格範囲内になることが保証された製品用基板が製造できる。
【００５１】
そして、この製品用基板に、少なくとも半導体素子製造工程前に、８００℃〜シリコンの融点（１４２０℃）、好ましくは９００℃〜１２５０℃の間のいずれかの温度で保持して熱処理することにより、検査用基板と同様に規格範囲内の抵抗率となった製品用基板が製造できる。この熱処理は、前述のように、例えば抵抗加熱炉または急速加熱炉を用いて行なうことが可能であり、１０秒〜１２０分間行うことが好ましい。また、この熱処理の際の雰囲気は、酸素、窒素、水素、アルゴンのうち少なくとも１つ以上を含む雰囲気とすることが好ましい。このとき酸素雰囲気はドライでもウェットでもよい。また、酸素と窒素、窒素と水素、窒素とアルゴン、水素とアルゴン、あるいは３つ以上を混合した雰囲気としてもよい。
【００５２】
そして、上記の方法により製造されたシリコン単結晶基板は、酸素、窒素、及び窒素酸素混合物のドナーとしての作用が十分に消去されたものであり、これを基板として作製された半導体素子の抵抗率や閾値電圧の安定性が高く、設定通りの規格を有する高品質な半導体素子の作製に適し、かつ窒素がドープされているため基板表層の結晶欠陥が極めて少ない高品質のシリコン単結晶基板となる。
【００５３】
また、このシリコン単結晶基板の直径が１５０ｍｍ以上の大口径であれば、上記のような高品質の半導体素子を収率よく製造するのに適し、特に近年需要が高まっている直径２００ｍｍや３００ｍｍ、あるいはそれ以上の大口径基板とすることができる。
【実施例】
【００５４】
以下に本発明の実施例および比較例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
直径２００ｍｍ、酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、窒素濃度５×１０１３個／ｃｍ３、抵抗率２０Ω・ｃｍ（目標規格値）のシリコン単結晶棒をＣＺ法により育成した。そしてこの単結晶棒の直胴円筒部の両端部より検査用シリコン単結晶基板をスライス切断し、酸素、窒素、窒素酸素混合物のドナーとしての作用を消去する目的で、抵抗加熱炉にて９００℃の温度で２０分保持する熱処理を行なった。その後抵抗率を測定したところ、２０．０〜２０．２Ω・ｃｍであった。
【００５５】
この値は、目標規格値（２０．０±０．２Ω・ｃｍ）の範囲内の値であったため、前記単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分からシリコン単結晶基板１００枚をスライス切断し、抵抗加熱炉により１２００℃の温度で１時間保持するアニール熱処理を行い、アニール基板を作製した。
この１００枚のアニール基板の抵抗率を測定したところ、２０．０〜２０．２Ω・ｃｍの間であった。
【００５６】
（比較例）
実施例と同様に、直径２００ｍｍ、酸素濃度１４ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）、窒素濃度５×１０１３個／ｃｍ３、抵抗率２０Ω・ｃｍ（目標規格値）のシリコン単結晶棒をＣＺ法により育成した。そしてこの単結晶棒の直胴円筒部の両端部より検査用シリコン単結晶基板をスライス切断し、酸素のドナーとしての作用を消去する目的で、抵抗加熱炉にて６５０℃の温度で２０分保持する熱処理を行なった。その後抵抗率を測定したところ、２０．６〜２０．８Ω・ｃｍであった。
【００５７】
次に前記単結晶棒の直胴円筒部分の残りの部分からシリコン単結晶基板１００枚をスライス切断し、抵抗加熱炉により１２００℃の温度で１時間保持するアニール熱処理を行い、アニール基板を作製した。
この１００枚のアニール基板の抵抗率を測定したところ、２０．０〜２０．２Ω・ｃｍの間であり、検査用基板の抵抗率に対して約０．６Ω・ｃｍだけ低い値となった。
【００５８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【００５９】
例えば、上記実施例では、シリコン単結晶基板の抵抗率の規格値が２０Ω・ｃｍの場合について例示したが、１０Ω・ｃｍ以上であれば、本発明の効果が得られるものとなる。また、シリコン単結晶基板の直径についても、２００ｍｍに限らず、３００ｍｍあるいはそれ以上であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ＮＯドナー消去のための熱処理温度と、熱処理前後の抵抗率の差（Δ（ρ２−ρ１））、すなわちＮＯドナー消去の効果を示すグラフである。
【図２】酸素ドナー消去の熱処理を行なった基板（Ｂ）、及びその後ＮＯドナー消去のために１２００℃で１時間の熱処理をおこなった基板（Ｃ）、並びに比較のために窒素を添加せずに酸素ドナー消去の熱処理を行なった基板（Ａ）のＦＴ−ＩＲスペクトルである。
【図１】
2005206391.tif 000002
【図２】
2005206391.tif 000003