CN1323196C - 单晶硅的制造方法及单晶硅以及硅晶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用不进行达斯颈部法的柴可劳斯基法而进行的单晶硅的制造方法，利用前端部的角度为28°以下的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，在使上述晶种的前端部接触硅熔液之前，使其停止在硅熔液的正上方并予以加温，之后，使上述晶种的前端部接触硅熔液，沉入硅熔液直至成为期望直径为止，之后，转为拉升而进行单晶的拉升时，至少在使上述晶种的前端部接触硅熔液而转为拉升的期间，使硅熔液表面的温度变动保持在±5℃以内。由此，在不使用达斯颈部法而利用柴可劳斯基法来育成单晶硅的方法中，可以提高以无位错育成单晶的成功率的同时，即使是结晶方向为(110)的单晶硅的育成，也可以育成固定直径部直径超过200mm的大直径高重量的单晶硅。

Description

单晶硅的制造方法及单晶硅以及硅晶片

技术领域

本发明涉及利用柴可劳斯基法(Czochralski Method，以下也称为「CZ法」)的单晶硅的制造方法，更详细地说，涉及利用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种、不利用达斯颈部(Dash Necking)法而是通过柴可劳斯基法来育成制造单晶硅的方法，以及由此所制造的单晶硅及硅晶片。

背景技术

作为形成半导体元件的衬底材料的晶片，主要是使用将由CZ法所育成的单晶硅加工为晶片状的硅晶片。一般在利用CZ法的单晶硅育成中，是使图2A、2B所示形状的晶种与被加热为熔点1420℃以上的硅熔液轻轻接触，在晶种温度稳定后，慢慢将晶种往熔液上方提升，以在晶种下方实现单晶硅的育成。此时，由于将晶种接触高温的硅熔液时所带来的热冲击，在晶种上发生无数的滑动位错，所以为了去除此滑动位错的目的，如图4所示，形成使成长于晶种下方的结晶直径一旦逐渐变细至3～5mm程度的缩小部。而且，在滑动位错可从育成结晶上去除时，此次慢慢扩大结晶直径至期望的直径(扩径部的形成)，拉升具有必要的固定直径部直径的略圆柱状的单晶硅。

通过将结晶直径缩小变细至3～5mm程度以去除晶种接触硅熔液时所产生的滑动位错的方法，也称为达斯颈部法，是在利用CZ法的单晶硅的育成中被广为利用的制造方法。

另一方面，在最近的单晶硅制造中，为了提高单晶硅本身的生产性，采用使单晶硅的固定直径部尽可能变长的生产形态，以半导体元件的大型化或提高产品率为目的，需要直径大的硅晶片，因此，拉晶的单晶硅的大直径化、高重量化正进步中。

在育成此种大直径、高重量的单晶硅时，依赖不将缩小部的直径做在5mm以下则无法去除滑动位错的达斯颈部法来进行生产的方式上，自然会有极限。

因此，在最近不利用达斯颈部法，以无位错来育成单晶硅的方法也渐被检讨着。例如，在日本专利特开平10-203898号公报中，揭示了利用前端尖形状或者去掉尖前端的形状的晶种，不形成缩小部来使单晶硅成长的技术。

如利用揭示在此日本专利特开平10-203898号公报中的技术时，即使不将成长于晶种前端的结晶的直径缩小变细至5mm以下，也可以成长无位错的硅结晶，所以在育成大直径结晶或高重量结晶上有利。

但是，在记载于上述的日本专利特开平10-203898号公报的单晶硅的制造技术中，在使晶种接触硅熔液时，如何备齐作业条件以便不产生滑动位错为问题所在。例如，即使是前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，其在接触硅熔液时，晶种和硅熔液的温度差大到必要以上时，无数的滑动位错进入晶种，如不施以缩细，不可能消除滑动位错。另外，在将晶种前端部浸渍于硅熔液中直至期望直径的期间，硅熔液的温度如变化太大时，滑动位错进入晶种等，具有很多在作业面应检讨的问题。

另外，在此硅晶片方面，由于在物理特征或结晶成长或者制造半导体元件的工序的优越性，形成半导体元件的晶片主面的面方向很多采用“100”或“111”的硅晶片。但是，近年来由于形成半导体元件时的载子移动与结晶方向有很大关系，所以，以半导体元件的动作速度的高速化为目的，可期待开关速度的高速化的面方向“110”的硅晶片逐渐受到瞩目(日経マイクロデバイス(日经微器件)，2001年2月号No.188日经BP公司，2001年2月1日发行：)。

为了获得此面方向“110”的硅晶片，有将结晶方向为<100>或<111>的单晶硅加工为“110”面成为晶片主面，或者从开始便育成结晶方向为<110>的单晶硅而加工成硅晶片的方法。但是，在利用前者的结晶方向<100>或<111>的单晶来制造主面的面方向为“110”的硅晶片的方法中，由于需要将圆筒状的结晶斜切断成主面为“110”面，所以，在获得被做成一般的半导体元件的衬底的略圆形的硅晶片时，弄齐形状用的切削工作量成为大的损失，加工所需要的时间也长，所以工业上在批量生产硅晶片时，并不是效率好的方法。

相对于此，一开始便育成结晶方向为<110>的单晶来制造将“110”面作为主面的硅晶片的方法中，与其它面方向的硅晶片相同地，如将单晶硅对于拉升轴方向垂直切割，而施以镜面研磨加工，可以获得以“110”面为主面的硅晶片。如依据此方法，在拉升单晶后的加工工序中，可以进行与面方向“100”或“111”的晶片相同的加工，所以在弄齐晶片形状时所产生的研磨损失，或者可将弄齐形状时的加工时间抑制在最小限度，可以进行没有浪费而有效率的晶片加工。

但是，此方法在育成结晶方向成为<110>的单晶硅时存在问题。

即由于热冲击而带给晶种的滑动位错，如果是结晶方向为<110>或<111>的结晶时，对于结晶成长界面以50～70°前后的角度导入，所以，如果将结晶直径缩小变细至3～5mm的程度时，可从育成结晶中去除滑动位错。但是，在结晶方向为<110>的结晶中，滑动位错对于结晶成长界面以略垂直方向进入，所以难于从育成结晶中简单地去除滑动位错，如在日本专利特开平9-165298号公报等所示，要求利用将缩小部直径极端变细至小于2mm的方法，或者反复将缩小部直径缩小变细至3～5mm的程度、之后使直径变粗的操作，并利用在缩小部制作多段的凹凸来去除滑动位错等的特别方法，来育成单晶硅。

特别是在育成结晶方向为<100>或<111>的单晶硅时，如果热冲击使在晶种前端产生的滑动位错少，则基于利用前端形状尖或者去掉尖前端的形状的晶种的效果，在将晶种浸渍至期望直径的期间，也可以消灭滑动位错。但是，在结晶方向为<110>的结晶中，如上所述，滑动位错相对于晶种的融解面以略垂直方向进入，所以即使为少量，如晶种中一旦有滑动位错进入，便极难予以消灭。

因此，在利用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，不使用达斯颈部法来育成结晶方向<110>的单晶硅时，比起育成结晶方向<100>或<111>的单晶硅的情况，需要形成更适宜的作业条件。

另外，在结晶方向<110>的单晶硅的育成中，在生产高重量、大直径的单晶硅上，为了去除滑动位错，利用达斯颈部法形成缩小部，另外为了确实去除位错，将缩小部的最小直径变细至2～3mm的程度，此无论如何都无法拉升直径200mm以上的大直径、100kg以上的高重量的单晶硅。为了支承拉升此种高重量、大直径的单晶硅，形成在晶种前端的结晶直径，最小直径部份也必须是5mm以上的直径。

发明内容

本发明的目的在于提供如下的单晶硅的制造方法及单晶硅：在利用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种、不使用达斯颈部法而以CZ法来育成单晶硅时，可以提高能够以无位错拉升单晶的成功率，同时，即使是结晶方向为<110>的单晶硅的育成，也可以育成使形成在晶种前端的结晶的最小值径在5mm以上、单晶固定直径部的直径为200mm或者在其以上的大直径的单晶硅。还提供直径在200mm以上的面方向“110”的大直径硅晶片。

为了解决上述课题，本发明的单晶硅的制造方法，是利用不进行达斯颈部法的柴可劳斯基法进行，利用前端部的角度为小于等于28°的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，在使上述晶种的前端部接触硅熔液之前，使其停止在硅熔液的正上方而予以加温，之后，使上述晶种的前端部接触硅熔液，沉入硅熔液中直至期望直径为止，然后转为拉升以进行单晶的拉升的情况下，至少在使上述晶种的前端部接触硅熔液而转为拉升的期间，使硅熔液表面的温度变动保持在±5℃以内；并且，使上述晶种之前端部接触硅熔液时的硅熔液的温度设定成比在利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中适合于使晶种接触硅熔液的温度还高10～20℃的硅熔液温度，使晶种接触硅熔液来进行沉入，至少在停止上述晶种的下降而转为拉升后开始至形成在晶种下方的结晶直径开始扩大的期间的减径部的形成中，将拉升速度设在0.5mm/min以下，来拉升单晶。

由于不利用达斯颈部法，所以形成在晶种前端的结晶直径可以确保为5mm以上的直径，能够拉升直径200mm以上的大直径、100kg以上的高重量的单晶硅。

特别是在使用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，不利用达斯颈部法(将形成在晶种前端的结晶直径一旦变细为3～5mm的程度并去除滑动位错)，以无位错来育成单晶硅时，期望晶种是利用前端部的角度在28°以下之前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，来进行结晶成长。通过利用晶种前端部的角度为28°以下的晶种，可以提高以无位错拉升单晶的成功率。

前端部的角度如在28°以下，容易缓和在使晶种接触硅熔液时所产生的热冲击，另外，即使在产生少许滑动位错时，通过使晶种前端部的角度成为28°以下，也容易使滑动位错逃出晶种外。但是，在前端部的角度超过28°时，热容量在晶种的前端部位变大，在使前端部接触硅熔液时，产生温度差而产生热冲击，由此，滑动位错便被导入结晶。另外，浸渍在硅熔液后的晶种前端部的直径也自然变粗，所以所导入的滑动位错也难于逃出到结晶外。

由此种理由，在本发明的制造方法中，为了抑制硅熔液和晶种接触时的热冲击，利用晶种前端部的角度为28°以下的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种。

而且，在使上述晶种接触硅熔液之前，需要在硅熔液的正上方加热，直至其成为与硅熔液表面的温度大致相同的温度为止。

通过在使晶种接触硅熔液之前予以加温，并且使晶种前端部的温度充分接近硅熔液的温度，可消除浸渍硅熔液的晶种前端部与硅熔液的温度差，因而得以抑制热冲击的发生。此时，在硅熔液正上方的晶种的加温，最好以5～60分钟的程度，更适当为20～30分钟的程度为适当。

如在5～60分钟的范围加温晶种前端部，通过使晶种前端部的温度和硅熔液表面的温度充分接近，进行加温，不会降低单晶硅的生产性。更佳的是，晶种的加温将硅熔液和晶种前端部之间隙保持在1～5mm程度的范围，加温20～30分钟，而进行对硅熔液的浸渍，可以使晶种接触硅熔液时的热冲击成为尽可能小。

另外，在使上述晶种的前端部接触硅熔液并沉入硅熔液直至期望直径为止后反转为拉升的期间，需要将晶种附近的硅熔液表面的温度变动保持在±5℃以内以进行浸渍。

硅熔液由于通过配置在其周围的加热器加热而保持为熔液，所以硅熔液经常产生热对流，温度不断地微妙变化。如果此热对流引起的温度变化过大，即使配合硅熔液的温度以加温晶种使得接触硅熔液，热冲击会作用至晶种前端部，而发生滑动位错。另外，在使晶种的前端部沉入硅熔液中时，如果在前端部的沉入中途晶种附近的硅熔液温度变化太大，则由于晶种和熔液温度的温度差，在晶种会产生热变形，滑动位错进入晶种，此后，要以无位错使单晶成长变得困难。

为了尽可能抑制此种滑动位错的导入，需要在从使前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种的前端部接触硅熔液时开始至使前端部沉入硅熔液至期望直径为止而反转为拉升的期间，使晶种前端部附近的熔液表面温度变动保持在以晶种接触时的温度为中心的±5℃以内，进行单晶拉升。硅熔液的温度变动如超过±5℃，在接触熔液时或浸渍时，滑动位错容易进入晶种，以无位错拉升单晶硅的成功率会降低。

特别是在一旦滑动位错一被导入便难于消灭位错的结晶方向<110>的单晶硅中，浸渍晶种的部份的硅熔液的温度变动如超过±5℃时，以无位错育成单晶硅的可能性变得极小。至少在利用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种、不应用达斯颈部法来拉升结晶方向<110>的单晶硅时，需要将浸渍晶种前端部的附近的硅熔液的温度变动相对于使晶种接触熔液时的熔液温度保持在±5℃以内，进行使晶种成为期望直径的浸渍。

另外，更理想的是使硅熔液的温度变动抑制在±3℃以内。如使晶种的浸渍部附近的熔液温度变动变得更小，相对于接触晶种时的熔液温度保持在±3℃以内以进行拉升，即使是结晶方向为<110>的单晶，几乎不会发生由于硅熔液的温度变动所带来的滑动位错，所以可以几乎确实地以无位错拉升具有期望直径的单晶硅。

如果硅熔液的温度比在利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中适合于使晶种接触硅熔液的适宜温度低、或者即使比该适宜温度高其差也不超过10℃的情况下，在将晶种浸渍于硅熔液时，浸渍部位无法顺利融解在硅熔液，结果存在可产生固化等引起结晶成长异常的可能性。

另一方面，如果硅熔液的温度比在利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中适合于使晶种接触硅熔液的适宜温度超过20℃以上而过高时，则这次在使晶种接触硅熔液之前前端部融解，有可能无法使晶种顺利接触硅熔液。

如考虑以上情形，浸渍晶种时的硅熔液温度应该保持为比在利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中适合于使晶种接触硅熔液的适宜温度还高10～20℃的温度范围，使晶种接触硅熔液而予以沉入。

而且，在直至达到期望直径为止的晶种前端部的向硅熔液的沉入结束、并停止晶种的下降而转为拉升后开始至形成于晶种下方的结晶直径开始扩大为止的期间的减径部的形成中，期望将拉升速度保持在0.5mm/min以下，以进行单晶硅的育成。

在结束至直达到期望直径为止的晶种前端部的沉入并反转为拉升后，形成在晶种下方的结晶一旦结晶直径比晶种沉入结束时刻的直径变细少许，进行结晶成长(减径部的形成)。此时，如果以必要以上的快速度进行拉升，形成在晶种下方的结晶直径会变得太细，有时会产生结晶由硅熔液分离等的意外情形。

为了抑制此种问题，在停止晶种的沉入而转为拉升后、至形成于晶种下方的结晶直径开始扩大的期间的减径部的形成中，使拉升速度保持在0.5mm/min以下进行结晶成长为适当。

另外，为了容易形成上述的晶种的接触熔液浸渍条件，至少在使上述晶种的前端部接触硅熔液的时刻至形成于晶种下方的减径部的形成结束而开始结晶直径的扩大为止的期间，可以对硅熔液施加中心磁场强度为1000G以上的水平磁场，以谋求单晶硅的育成。

在本发明中，重要的是将浸渍晶种前端部的附近的硅熔液的温度变动相对于使晶种接触熔液时的熔液温度保持在±5℃以内进行以育成。为了抑制此种收容在坩锅的硅熔液的温度变动，需要尽可能小地抑制由于配置在坩锅外围的加热器的加热所产生的硅熔液的热对流。为了有效抑制此热对流，以一面在硅熔液施加磁场一面利用谋求单晶的育成的磁场施加CZ法(以下，称为MCZ法)为适当。其中，为了使接触晶种而进行浸渍时的晶种附近的硅熔液温度稳定，期望将使坩锅内的硅熔液的温度梯度变小的效果较大的水平磁场施加于硅熔液，在从晶种的接触至浸渍为止的期间进行。此种单晶硅的育成方法，有水平磁场施加CZ法(以下，称为HMCZ法)。

利用此HMCZ法，一面对硅熔液施加磁场强度为1000G(高斯)以上的磁场，一面使晶种的前端部接触硅熔液，浸渍于熔液中至所期望直径为止，其间，可以容易地将浸渍部位附近的硅熔液的温度变动抑制在±5℃以内。但是，不限定于此种控制方法，在磁场强度小于1000G时，或者即使在不施加磁场时，以其它的控制方法，例如利用灯管加热来加热硅熔液的表面，使硅熔液内的上下方向的温度梯度缓和，可以抑制热对流，通过将硅熔液量设定成较小，以使熔液深度变浅，也可以抑制硅熔液的热对流，另外，与磁场施加并用，将浸渍晶种部份的硅熔液的温度变动抑制在±5℃以内而予以育成，也可以获得同样的效果。

如果想对硅熔液施加磁场来适当地抑制硅熔液的温度变动，则以对硅熔液施加中心的磁场强度为1000G以上的水平磁场来接触前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种来实现浸渍为适当。

另外，如考虑装置结构或实用范围的磁场施加等因素，则在HMCZ法时的施加于硅熔液的磁场的最大强度，在当前条件下即使最大，中心的磁场强度的上限也应为9000～10000G。

利用此HMCZ法，在对硅熔液施加1000G以上的水平磁场以拉升单晶硅的方法中，特别在结晶直径超过200mm的大型的单晶硅育成上，相当有效。在育成结晶直径大的单晶时，考虑生产性或产品率，一般保持硅熔液的坩锅使用大型坩埚，将超过100kg的大量的原料一次放入坩锅以进行单晶育成。

保持在坩锅的原料，即硅熔液的量如增加，接近加热器的硅熔液的外围部和熔液中心附近的温度差变大，热对流变得活跃，要使晶种浸渍部份附近的熔液温度稳定有困难。此时，如对硅熔液施加1000G以上的所期望磁场，坩锅内的热对流受到抑制，可以谋求晶种的浸渍部份附近的熔液温度的稳定。

另外，施加于硅熔液的水平磁场的强度，在考虑硅熔液的温度稳定之外，可以配合育成的单晶的直径或品质条件而适当选择。

通过利用此种单晶硅的制造方法，将前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种接触硅熔液而予以浸渍时的熔液温度变稳定，可以尽可能降低由于热冲击所导致的滑动位错的发生，或者完全不使其发生，将晶种浸渍至期望直径为止。

由此，可以提高以无位错拉升具有期望固定直径部直径的单晶硅的成功率，同时利用迄今为止的达斯颈部法的限制，在利用CZ法的单晶硅的育成上有困难的结晶方向<110>的上述晶种，可以拉升结晶方向<110>的单晶硅，另外，一种利用柴可拉斯基法所育成的单晶硅，单晶硅的结晶方向为<110>，而且具有直径为200mm以上的单晶固定直径部的单晶硅，或者一种此种单晶硅，由硅熔液所拉升的结晶的总重量为100kg以上，另外，即使超过300kg的单晶硅，也可以子以拉升。

而且，如将利用上述制造方法所育成的结晶方向<110>的单晶硅通过与结晶方向<100>或<111>的结晶相同的制造工序，进行圆筒研磨予以切片而施以镜面研磨加工，工业上可以有效率地生产成为制作半导体元件时的主材料的晶片王面的面方向为(110)的硅晶片。

特别是可以获得在以往的方法中育成困难的固定直径部超过200mm的结晶方向<110>的单晶硅，能够容易生产晶片的主直径为200mm以上且晶片主面的面方向为(110)的硅晶片。另外，此处所谓硅晶片的主直径是指不含定向平面(orientation flat)或者定向凹槽(orientation notch)的晶片主面的直径。

如使用此面方向(110)、直径200mm以上的硅晶片，能够以产品率好且大量生产具有高性能的半导体元件。

结晶轴方位<110>的单晶硅的育成，由于使晶种接触硅熔液时的热冲击所带来的滑动位错相对于结晶成长界面为略垂直进入，所以在利用达斯颈部法的方法中，难于消灭滑动位错，要大量生产有困难。另外，利用达斯颈部法的结晶方向为<110>的单晶硅的育成中，为了消灭滑动位错，需要使缩小部的直径细至2mm以下，无法有效率地生产结晶直径大的200mm或者300mm以上的大直径高重量的结晶。

但是，通过利用本发明的制造方法，即使是结晶直径超过200mm的大直径的结晶方向<110>的单晶硅，或者可以尽可能长地拉升固定直径部直径而重量在100kg以上的结晶方向<110>的单晶硅，也可以安全而有效率地进行生产。

而且，同时在采用结晶方向<110>以外的不利用达斯颈部法来育成单晶硅的无位错附着晶种法的单晶硅的育成中，可以获得提高以无位错拉升单晶的成功率的效果。

附图说明

图1是用于实施本发明的单晶硅制造方法的、设有磁场施加装置的CZ法单晶制造装置的概略图。

图2A至图2F是表示在达斯颈部法中使用的晶种和在本发明的制造方法中使用的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种的图。

图3是表示利用本发明的制造方法育成的结晶方向<110>、直径约200mm的单晶硅的一部份的照片。

图4是说明通过达斯颈部法进行滑动位错的去除的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。图2C、2D、2E、2F所示附图是表示在本发明的单晶硅的育成中使用的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种的概略图。

图2C表示具有圆柱状的直筒部3c并具有圆锥状前端部4c的晶种1c，图2D表示具有方柱状的直筒部3d并具有角锥状前端部4d的晶利1d。

另外，图2E及图2F表示去掉图2C的晶种的前端部4c的形状的晶种前端部，图2E表示水平去掉晶种1c的前端部4c之后的前端部4e，图2F表示斜去掉前端部4c的前端部4f。在去掉前端部的形状的晶种中，图2E、2F所示的前端部4e、4f的最下端的面积如果过大，晶种接触熔液时容易产生热冲击，所以最好晶种最初接触硅熔液时的面积在5mm²以下。

另外，在本发明中所谓的晶种前端部的角度，在图2E或图2F所示的去掉前端部4c的形状的晶种的情况下，是指假想去掉前端部4c之前的端部形状时的晶种前端部的顶角。

而且，这些晶种是在单晶育成时，通过设置在晶种直筒部3c及3d上的卡合固定部2c、2d使直筒部3c、3d被卡合固定在图1所示的单晶制造装置10的晶种保持器28内，而用于单晶的制造。

在本发明的单晶硅的制造方法中，如图2C、2D、2E及2F所示，在使晶种接触硅熔液时，为了不因热冲击而使滑动位错进入晶种，例如即使进入也只有少许，所以晶种前端部4c～4f做成尖或者去掉尖前端的形状，与在利用达斯颈部法的制造方法中所使用的晶种，形状明显不同。

作为利用达斯颈部法的单晶硅的育成中使用的晶种的例子，在图2A中表示略圆柱状的晶种，在图2B中表示方柱状的晶种。

另外，在单晶硅的育成中，为了使育成的单晶硅的结晶方向成为期望的方位，使用与育成的单晶具有相同结晶方向的晶种，以谋求单晶的育成。例如在育成结晶方向<110>的单晶时，可以使用拉升轴方向的结晶方向为<110>的晶种。

而且，在将前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种浸渍于硅熔液时，将图2A至2F所示的晶种1c或者1d在熔液正上方加温至与硅熔液M略相同温度，在晶种的温度稳定后，缓缓将前端部4c、4d或者4e、4f沉入硅熔液M，在前端部沉入至所期望直径为止后，予以反转为拉升，得以育成具有任意的减径部SO的图1所示的单晶硅S。

图1是表示利用本发明的方法来育成单晶硅的制造装置的概略图。单晶制造装置10包括保持硅熔液M以进行单晶育成的育成炉12，以及用于收容从硅熔液M中被拉升的单晶硅S并取出的上部育成炉14。

在上部育成炉14的上方，设置育成单晶时旋转拉升结晶的卷绕旋转机构26，在由此卷绕旋转机构26所卷出的卷线24的前端，有卡合固定晶种27(图2A-2F中例示的晶种1c或者1d)的晶种保持器28。在单晶育成时，将晶种27的直筒部卡合固定于晶种保持器28，由卷绕旋转机构26卷出卷线24，将晶种前端部浸渍于硅熔液M中直至期望位置，一边使晶种27旋转一边以特定的速度拉升，以谋求在晶种27的下方育成单晶硅S。

另一方面，在育成炉12的内部具备保持硅熔液M用的坩锅18，由于要保持高温的硅熔液M，所以坩锅18的内侧为石英制坩锅18a，为了保护石英制坩锅18a，其外侧以石墨制坩锅18b构成。此坩锅18通过坩锅支持轴16配置在育成炉12的略中央，在育成单晶时，为了将熔液面保持为固定，或者在CZ法或MCZ法中一边使坩锅18旋转一边进行结晶育成，在坩锅支持轴16的下方安装有坩锅驱动机构20。

另外，为了熔解作为原料的多晶硅并作为硅熔液M保持，在坩锅18的外侧设置石墨制加热器23，通过调整加热器23的发热量，进行将硅熔液M的温度保持在适合结晶育成的温度的作业。

在加热器23的外侧和育成炉12的底部具备隔热材22及底部隔热材21，在对育成炉12内部保温的同时，也防止来自加热器23的辐射热直接接触育成炉12的炉壁。

而且，在图1的单晶制造装置10中，以控制硅熔液M的对流来进一步谋求温度的稳定为目的，在育成炉12的外侧具备对硅熔液M施加水平磁场用的装置的电磁铁33。

在此单晶制造装置10中，为了有效抑制熔液温度的变动，将水平磁场的中心配置在硅熔液M内，在晶种27浸渍时，可在硅熔液M内获得所期望的磁场强度的中心磁场强度为1000G以上的水平磁场。

另外，以在从单晶育成开始到制炉内回到常温为止的期间、防止硅熔液M或配置在单晶制造装置10内的构造物氧化等的目的，需要在炉内通以氩(Ar)等的惰性气体以进行作业。因此，在上部育成炉14安装控制流通在制造装置10内的惰性气体流量用的气体流量控制装置30，及在育成炉12的底部安装调整内部压力用的压力控制装置32。作业时，配合单晶的育成条件，通过这些装置实现流通在单晶制造装置10内的惰性气体的流量和压力的调整。

接着，详述依据本发明的方法的单晶硅的育成方法。

首先，将作为原料的多晶硅装入坩锅18，使加热器23发热，融解多晶硅。多晶硅全部融解成为熔液后，将硅熔液M降温为适合于单晶育成的温度。此时，一边整备掺杂剂的投入、硅熔液M面的位置调整等将晶种27接触熔液予以浸渍用所必要的条件，一边通过电磁铁33开始磁场施加，以使中心磁场强度为1000G以上的水平磁场施加在硅熔液M。另外，此磁场至少施加在由晶种27的前端部接触硅熔液M起至形成在晶种27下部的减径部SO的形成结束而结晶直径开始扩大为止的期间。

硅熔液M的温度达到规定温度(最好为比利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中设为适合于使晶种接触硅熔液的温度还高10～20℃的高温)后，等待温度稳定，将前端部的顶角为28°以下的晶种27下降至硅熔液M正上方，等待晶种27的前端部的温度被加热至与硅熔液M的温度略微相同。

之后，晶种27被加温至与硅熔液M的温度略相同，另外浸渍晶种S的坩锅18中心附近的硅熔液M表面的温度稳定至在±5℃以内变动后，缓缓使晶种27接触硅熔液M而予以浸渍。至少在使晶种27的前端部接触硅熔液M而转为拉升的期间，为了抑制滑动位错的导入，晶种S浸渍的部份的硅熔液M表面的温度变动最好保持在±5℃以内，更好为在±3℃以内。

而且，前端部沉入硅熔液M至规定直径为止后，减缓晶种27的下降速度，一边调整晶种27的上升速度和硅熔液的温度一边转为拉升。

另外，在将晶种27转为拉升时，如果拉升速度过快或熔液温度不适当，则晶种27的前端会从熔液中分离，形成在前端的结晶直径会比期望直径还细。在将晶种27转为拉升时，一面观察形成在晶种前端的结晶直径，不使育成的结晶直径成为期望直径以下，一面调整拉升速度予以缓缓拉升。

特别是在将晶种27转为拉升后，成长在晶种27下端的结晶直径比起晶种前端部的沉入后的前端直径，一面显示变细的倾向一面形成结晶。此时，如果无理地要扩大结晶直径，会引起在晶种27中导入滑动位错、或育成结晶从熔液分离等的缺陷，所以在由浸渍反转为拉升后，需要调整拉升速度以使形成在晶种27前端的结晶比浸渍的晶种27前端部的沉入直径还稍微减径(减径部SO的形成)。期望此时的拉升速度保持在0.5mm/min以下予以拉升。

另外，晶种27的前端部的沉入直径需要考虑在转为拉升时形成在前端的结晶一旦变细的情况，进行浸渍。

确认了比前端部的沉入直径还细的结晶形成在晶种27的下端后，逐渐改变拉升速度及/或者熔液温度，然后转移到扩大结晶直径的扩径工序(扩径部S1的形成)。

通过扩径工序，扩大形成在晶种27下方的单晶S的直径至所期望直径，在到达规定直径后，停止扩径部S1的形成，再度调整拉升速度及/或者熔液温度，转移到单晶固定直径部S2的形成。在固定直径部S2的形成中，配合所育成的结晶的品质或炉内环境，一面调整作业条件，一面拉升固定直径部S2的长度至规定长度为止(固定直径部S2的形成)。

然后，在规定长度的固定直径部S2的形成结束时，变更育成条件(拉升速度、熔液温度等)，使结晶直径逐渐变小，以制作尾部S3(尾部S3的形成)。

尾部形成一旦结束，将育成结晶由硅熔液M切离，上卷至上部育成炉14，等待结晶温度下降至常温，将单晶硅S由单晶制造装置10取出外部，结束育成。

而且，对于通过上述方法所育成的单晶施以切断/圆筒研磨加工，之后，利用周知的方法，加工为镜面晶片，可以获得制作半导体元件的王材料的硅晶片。

以下，虽示出实施例来具体说明本发明，但是本发明并不限定于这些实施例。

(实验1)

开始，为了育成难于制造的结晶方向<110>的单晶硅，检讨到底期望哪种作业条件，利用图1所示的单晶硅的制造装置，不对硅熔液施加磁场，而采用使用达斯颈部法的拉升方法，来制造结晶固定直径部的直径约150mm(6英寸)的单晶硅。

由于在晶种中利用达斯颈部法来谋求位错去除并育成单晶硅，所以晶种使用与硅熔液接触的面为水平的、一边15mm的方柱状的结晶方向为<110>的晶种(图2B所示形状的晶种)。

首先，在单晶硅的制造装置中放入口径为450mm的石英制坩锅，在坩锅中填充作为原料的60kg的多晶硅，以氩(Ar)气体置换制造装置的内部后，使石墨制加热器发热，将多晶硅加热成硅熔液。

在确认全部的原料融解结束后，投入并调整掺杂剂以使育成单晶的电阻率成为p型且10Ωcm前后的电阻率，之后，一面将硅熔液降温调整成为适合于单晶育成的温度，一面等待熔液的温度变得稳定。在其间，一面整备流经制造装置的惰性气体(Ar气体)的量和内部的压力，以及坩锅旋转等的作业条件为育成单晶用的制造条件，一面等待熔液温度的稳定。

关于熔液温度的稳定，是从单晶制造装置的外部，透过设置用于目视制造装置内部的玻璃窗，利用放射温度计(CHINO制造，IR-02C)测量浸渍晶种的坩锅中心的熔液表面的温度而确认。在认为已经变成适合于单晶育成的温度时，测量温度。

结果，如表1的“熔液温度变动幅度”所示，在认为温度已经稳定时，虽然重复测量坩锅中心的熔液表面温度，但测量点的温度变动只在±6℃的范围内上下重复而已，温度变动无法变得更小。

在此时刻，停止温度测量，将晶种在硅熔液正上方加温5分钟后，缓缓接触硅熔液，利用达斯颈部法尝试滑动位错的去除。

但是，在达斯颈部法中，难于消灭结晶方向<110>的晶种的滑动位错，在5次左右位错去除失败后，在第6次的达斯颈部法中，使结晶缩小部的最小直径细至2mm，滑动位错消失，在缩小部的无位错化成功实现。

但是，虽然通过达斯颈部法成功实现在缩小部的位错消灭，但由于硅熔液的温度变动大，或是在将结晶固定直径部育成为60cm的时刻滑动位错进入单晶，结果无法在无位错的状态拉升结晶。(参考表1的“上升成功的有无”栏位。O标记表示以无位错上升单晶硅的情况，X标记表示无法以无位错育成单晶的情况。)

另外，关于实验1和后述的实验2以及实施例1的拉升结果，为了做比较，将其详细数据归纳在表1中。

表1：

(结晶方向<110>的单晶硅的育成结果)

	施加磁场强度(水平磁场)	育成结晶直径	晶种缩小方法	晶种附着失败数	熔液温度变动幅度	结晶拉升是否成功
							实验1	无施加	15cm	达斯颈部法	6次	±6℃	×

实验2	无施加	20cm	无位错种附着法	9次	±8℃	×
							实施例1	4000G	20cm	无位错种附着法	0次	±1.5℃	○

(实验2)

依据实验1，利用达斯颈部法的滑动位错的去除，在结晶方向为<110>的单晶中成功率低，此外，为了谋求无位错化，需要使缩小部份的最小直径细至2mm的程度，知道作为拉升具有重量的大直径结晶的方法是有其极限的。

因此，不利用达斯颈部法而使用前端尖的晶种，通过以无位错来育成单晶硅的方法(以下，称为无位错晶种附着法)，实际拉升固定直径部直径约200mm(8英寸)的单晶以进行确认能否育成结晶直径大的单晶。

利用于单晶育成的装置是使用与实验1相同的装置，不对于硅熔液施加磁场而实施制造。但是，在实验2中，由于要育成结晶直径约200mm的结晶方向<110>的单晶硅，放入制造装置中的石英制坩锅为口径600mm，装入作为原料的多晶硅共150kg，与实验1相同地进行加热成为硅熔液。

而且，在硅熔液稳定至适合于单晶育成的温度的期间，在熔液中投入掺杂剂以使得结晶电阻率成为p型10Ωcm前后的值，整备Ar气体量、制造装置内的压力等作业条件，等待温度的稳定。

另外，使用于实验2的晶种，由于不进行达斯颈部，需要排除由于热冲击所导致的滑动位错的导入而进行拉升，所以使用图2C所示形状的晶种，即晶种直筒部的直径为15mm的圆柱状、前端部的顶角为15°的尖圆锥状的晶种。

而且，硅熔液的温度在稳宅为比在实验1使晶种接触硅熔液时的温度高13℃的温度时，与实验1相同地，利用放射温度计从育成装置的外部测量坩锅中心的硅熔液表面温度，如表1所示，在±8℃的变动幅度内上下重复。但是，无法调整为使温度变动幅度比其更小、熔液温度更稳定。

在此状态下，将晶种缓缓下降至硅熔液面的正上方1mm处，约20分钟程度加温至晶种的温度略与熔液温度相同后，使晶种接触硅熔液，沉入熔液至期望直径为止，之后，将拉升速度保持在0.5mm/min以下，缓缓加以拉升，在晶种下方尝试单晶硅的形成。

但是，在几乎全部的情况下，在将晶种的前端部浸渍在熔液中至期望直径为止的期间，被认为由于热冲击所导致的滑动位错进入晶种，一面更换晶种，一面尝试利用同样的无位错晶种附着法的结晶育成共9次，但是9次都无法以无位错拉升单晶。

此理由是坩锅变大，收容的硅熔液量增加，所以坩锅内的硅熔液的温度差变大，整体而言，熔液温度变得不稳定，在浸渍中途对晶种带来滑动位错。

由实验2的结果可知，利用前端部尖的晶种，在不进行达斯颈部而要消除由热冲击所导致的滑动位错的导入并进行单晶硅的育成时，需要将晶种浸渍时的硅熔液温度变动抑制为更小。

(实验3～5)

对于晶种浸渍时的硅熔液的温度变动对晶种的滑动位错的影响进行确认。此温度的控制方法是设定如实验例的表2所示的一定的育成条件，在实验3中施加磁场强度为500G，在实验4中施加磁场强度为750G，另外在实验5中，以减少硅熔液的深度方向的温度差、抑制热膨胀引起的自然对流、减少温度变动为目的，利用灯管加热在硅熔液表面照射红外线。将晶种浸渍至规定长度而形成减径部后，扩径至直径200mm，通过确认表示单晶的状态的晶界线来进行无位错的判断，据此判断对晶种的滑动位错的有无。这是因为，在位错残留于晶种时，出现在单晶的表面的特征晶界线会消失，所以是可以容易判断单晶化的一般方法。另外，使用的晶种是上述的图2C所示形状的晶种，即晶种直筒部的直径为15mm的圆柱状，前端部的顶角为15°的尖圆锥状。

表2：

(结晶方向<110>的单晶硅的有位错化的结果)

	施加磁场强度(水平磁场)	石英坩锅口径	硅融解量	熔液温度变动幅度	有位错化的状况
						实验3	500G	600mm	150kg	±10℃	有位错
实验4	750G	600mm	150kg	±5.6℃	有位错
						实验5	0G	600mm	150kg	±4.3℃	无位错

由表2的实验4及实验5可知，在熔液温度变动幅度超过5℃的条件下，在扩径部，结晶表面的晶界线消失，有位错化现象。另外，由实验5可确认，熔液温度变动幅度如在5℃以下，则不会产生有位错化而育成单晶。

另外，以实验2的育成条件施加磁场来控制硅熔液的温度变动时，如果施加1000G以上的磁场，可以容易控制在±5℃以内。依据育成条件等，最适当的磁场强度等虽稍有不同，但是知道施加此种程度磁场的方法是有效的。另外，在本发明中，控制硅熔液的温度变动，特别是控制在±5℃以内很重要，如能以此条件进行控制，即使在施加磁场的方法以外也有效。

(实施例1)

因此，与实验2相同，在育成结晶直径约200mm、结晶方向<110>的单晶硅时，一边对硅熔液施加水平磁场、一边进行晶种对熔液的接触和浸渍，以尝试单晶硅的育成。

首先，利用与在实验2使用的装置相同的装置，将口径600mm的石英制坩锅放入装置，填充150kg的多晶硅，使石墨制的加热器发热，加热原料做成硅熔液。

多晶硅全部融解完毕后，进行降温至适合单晶育成的期望温度，在熔液中放入掺杂剂以使结晶电阻率成为p型10Ωcm，等待熔液温度稳定。在此期间，使配置在单晶硅的制造装置外侧的磁场施加装置(电磁铁)动作，对硅熔液施加磁场中心的强度为4000G的水平磁场。

另外，在实施例1中，从融解结束而谋求熔液温度稳定的时刻开始到单晶育成结束且结晶尾部从熔液分离为止，继续磁场施加。

对硅熔液施加磁场后，在认为熔液温度稳定为与实验2的熔液温度略相同的温度的时候，以与实验2相同的放射温度计测量坩锅中心附近的熔液表面温度，温度变动稳定在±1.5℃的范围，确认到了保持将晶种接触熔液所需的良好的状态。

在制造装置的晶种保持器中装入晶种的直筒部直径为15mm、前端部的顶角为15°尖圆锥状的、与实验2相同形状的结晶方向<110>的晶种。

在确认熔液温度稳定后，缓缓将晶种下降至硅熔液正上方1mm，等待20分钟前后的晶种加温。而且，在晶种温度被加温为与硅熔液的温度相同程度时，缓缓将晶种前端下降于熔液中，沉入硅熔液中，直至晶种前端的圆锥部(前端部)成为期望直径为止。

在将晶种沉入至期望直径的时候停止晶种的下降，缓缓转为拉升。另外，用放射温度计测量使此晶种接触硅熔液后转为拉升的期间的硅熔液表面的温度变动，确认到了温度变动保持在±1.5℃的范围。而且，将晶种的拉升速度保持在0.5mm/min以下，一面调整硅熔液的温度，一面在晶种下方形成减径部，之后，扩大结晶直径为规定直径，育成固定直径部直径约为200mm的单晶硅。

将固定直径部育成至使单晶固定直径部长度成为规定长度后，形成使结晶直径逐渐变细的尾部，通过从硅熔液中切割育成的结晶，结束单晶硅的育成。

慢慢冷却育成的单晶硅，取出到制造装置外，测量重量，获得图3所示直径208mm、重量120kg的大直径高重量单晶。而且，未发生在育成中途因滑动位错的进入而从开始工序重复进行结晶育成的失败，可以没有问题地育成以无位错为目标的结晶方向<110>的大直径高重量结晶。另外，拉升后的测量结果，在图3所示的晶种下端形成的减径部的最小直径在5mm以上，确认到了即使不利用达斯颈部法，也可以育成单晶。

由此可知，利用本发明的制造方法，即使是被认为不可能育成大直径高重量的单晶的结晶方向<110>的单晶硅，以含MCZ法的CZ法也可以适当地加以制造。

另外，如依据本发明的方法，知道使用前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，在采用不依靠达斯颈部法来育成单晶硅的无位错晶种附着法时，也可以提高其成功率。

另外，本发明的制造方法并不限定于上述实施方式。上述的实施方式为所示例子，具有与本发明的申请专利范围所记载的技术思想实质上相同的构造而有同样作用效果的实施方式，不管哪种方式都属于本发明的技术范围。

例如，在本发明的实施形态中，虽举直径200mm(8英寸)的单晶硅的结晶育成为例而做说明，但是在育成其以下直径的单晶硅时，也可以充分获得其效果，不需要进行利用达斯颈部法的晶种的缩小，所以对于高重量化也有效，例如，在本发明中，形成在晶种前端的结晶直径即使最小直径部份也可以确保5mm以上的直径，所以近年来扩大利用的300mm(12英寸)或者其以上的大直径单晶硅，特别是结晶重量超过300kg的高重量的单晶硅的制造上也可以适用。

另外，在本实施方式中，关于结晶方向，虽以拉升最为困难的<110>为例做了说明，但是在其它结晶方向的拉升当然也可以适用。结晶方向为<100>或者<111>的结晶的拉升，虽没有<110>结晶的拉升般困难，尽管如此，通过本发明方法，晶种附着的失败频度会减少，因而也有效。

Claims (6)

1、一种单晶硅的制造方法，利用不进行达斯颈部法的柴可劳斯基法进行，其特征在于：

利用前端部的角度为小于等于28°的前端尖或者去掉尖前端的形状的晶种，在使上述晶种的前端部接触硅熔液之前，使其停止在硅熔液的正上方而予以加温，之后，使上述晶种的前端部接触硅熔液，沉入硅熔液中直至期望直径为止，然后转为拉升以进行单晶的拉升的情况下，至少在使上述晶种的前端部接触硅熔液而转为拉升的期间，使硅熔液表面的温度变动保持在±5℃以内；

使上述晶种的前端部接触硅熔液时的硅熔液的温度成为比在利用达斯颈部法的单晶硅的制造方法中适合于使晶种接触硅熔液的温度还高10～20℃的硅熔液温度，使晶种接触硅熔液并沉入，至少在停止上述晶种的下降而转为拉升后开始至形成在晶种下方的结晶直径开始扩大的期间的减径部的形成中，将拉升速度设成小于等于0.5mm/min，以拉升单晶。

2、如权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，至少在从上述晶种的前端部接触硅熔液的时刻起至形成于晶种下方的减径部的形成结束而开始结晶直径扩大的期间，对硅熔液施加中心磁场强度大于等于1000G的水平磁场，来拉升单晶硅。

3、如权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，利用结晶方向为<110>的上述晶种，来拉升结晶方向为<110>的单晶硅。

4、一种单晶硅，其特征在于，

是利用权利要求1至3中任一项所述的单晶硅的制造方法来育成的单晶硅，该单晶硅的结晶方向为<110>，并且具有直径大于等于200mm的单晶固定直径部。

5、如权利要求4所述的单晶硅，其特征在于，从硅熔液中拉升的上述单晶的总重量大于等于100kg。

6、一种硅晶片，其特征在于，是将利用权利要求1至3中任一项所述的单晶硅的制造方法来育成的单晶硅切割而得到的硅晶片，晶片的主直径大于等于200mm，并且晶片主面的面方向为“110”。

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