JP2003313089A - 単結晶シリコンの製造方法、単結晶シリコンウェーハの製造方法、単結晶シリコン製造用種結晶、単結晶シリコンインゴットおよび単結晶シリコンウェーハ - Google Patents

単結晶シリコンの製造方法、単結晶シリコンウェーハの製造方法、単結晶シリコン製造用種結晶、単結晶シリコンインゴットおよび単結晶シリコンウェーハ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】CZ法で種結晶を引上げ単結晶シリコンを成長
させるに際して、太い径ですべり転位を除去できるよう
にすることによって、大口径、大重量の単結晶シリコン
インゴットを引き上げることができるようにする。 【解決手段】{111}結晶面の稜線方向8が軸方向9
に対して傾斜するように、<110>結晶方位10が軸
方向9に対して所定角度θだけ傾斜している種結晶1を
用いて単結晶シリコンが製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶シリコンを
製造するに際してすべり転位を除去する方法、すべり転
位を除去できる種結晶、すべり転位が除去された単結晶
シリコンインゴット、単結晶シリコンウェーハに関する
ものである。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】単結
晶シリコンの製造方法の1つにCZ法がある。
【0003】これは、単結晶引上げ用容器つまりCZ炉
内に石英るつぼを設け、この石英るつぼ内で多結晶シリ
コンを加熱し溶融し、溶融が安定化すると、シードチャ
ックに取り付けた種結晶を融液に浸漬し、シードチャッ
クおよびるつぼを互いに同方向あるいは逆方向に回転し
つつシードチャックを引上げ単結晶シリコンを成長させ
て単結晶シリコンインゴットを製造するというものであ
る。
【0004】CZ法で単結晶シリコンを成長させる際に
避けられない問題の1つに「すべり転位」がある。すべ
り転位は、1次元の結晶欠陥であり、種結晶が融液に着
液したときの熱応力に起因して発生し、一定の方向に沿
って伝播する。
【0005】すべり転位が、成長した単結晶シリコンに
取り込まれると、この単結晶シリコンに基づき製作され
る半導体デバイスの品質を低下させることになる。この
ためすべり転位は、これを除去する必要がある。
【0006】表面が{100}結晶面となっているシリ
コンウェーハ(<100>軸結晶)を製造する場合につ
いては、従来よりすべり転位を除去する技術が確立され
ている。すなわち<100>結晶方位が種結晶の軸方向
と一致するように、種結晶を引き上げる際には、種結晶
を融液に着液させた後に、単結晶シリコンの直径を徐々
に絞るネッキング処理を施すことで、すべり転位を単結
晶シリコンから容易に除去することができる。
【0007】しかし、表面が{110}結晶面となって
いるシリコンウェーハ(<110>軸結晶)を製造する
場合、つまり<110>結晶方位が種結晶の軸方向と一
致するように引き上げる場合には、すべり転位を除去す
ることは困難であることが判明し、すべり転位を除去す
る技術は未だ確立されていない。
【0008】<110>結晶方位が種結晶の軸方向と一
致するように引き上げる場合には、ネッキング工程で、
単結晶シリコンの径を相当絞ったとしても、結晶中心部
に転位が残存し易く、半導体デバイス不良の要因にな
る。単結晶シリコンの径を<100>軸結晶を引き上げ
るときよりも相当細く絞らないと、すべり転位を除去す
ることができない。
【0009】ところが近年、大径のシリコンウェーハ製
造の要請があり、大径で大重量の単結晶シリコンインゴ
ットを、問題なく引き上げることが要求されており、単
結晶シリコンの径を細く絞ったとすると、すべり転位は
ある程度除去されるものの、径が細すぎて大径、大重量
の単結晶シリコンインゴットの引上げは不可能になるお
それがある。
【0010】ここに磁場印加引上げ法(MCZ法)と呼
ばれる技術がある。これは融液に磁場を印加することで
融液の粘性を高くし、融液中の対流を抑制して安定した
結晶成長を行うという方法である。
【0011】磁場印加引上げ法を適用して融液に磁場を
印加しつつ単結晶シリコンを引き上げる場合には、磁場
を印加しない場合と比較して、単結晶シリコンの径を更
に細くしなければ、すべり転位を除去することができな
い。単結晶シリコンの径を2.5mm程度まで細くしな
いとすべり転位を除去できないことが実験的に確かめら
れている。
【0012】特開平9−165298号公報には、<1
10>結晶方位が種結晶の軸方向と一致するように引き
上げるに際して、磁場印加法を適用して磁場を印加しつ
つ単結晶シリコンを引上げネッキング工程で径を2.0
mm未満にして、すべり転位を除去せんとする発明が記
載されている。
【0013】しかし、この公報記載のものを、大口径、
大重量の単結晶シリコンインゴットを引き上げる場合に
適用すると、ネッキング部の破断および結晶落下が生じ
るおそれがあるため、これを採用することはできない。
【0014】また単結晶シリコンの径を単に絞るのでは
なく、特殊な形状にすることで、すべり転位を除去する
技術が、外国公報USP4002523に記載されてい
る。この外国公報には、ネッキング工程で多段にわたり
絞りを施して「バルジ形状」にすることで、すべり転位
を除去せんとする技術が開示されている。
【0015】しかしバルジ形状にすること自体は技術的
に可能ではあるが、自動化させたプロセスでこれを行う
ことは実際には困難である。
【0016】以上のような実状があることから、ネッキ
ング処理(絞り処理)以外の手法ですべり転位を除去で
きるようにして、大口径、大重量の単結晶シリコンイン
ゴットを問題なく引き上げることができる技術が要求さ
れている。
【0017】またネッキング処理(絞り処理)以外の手
法で、転位を含む欠陥を除去せんとする技術に関して
は、以下のように従来より種々公知になっている。特開
昭57−17494号公報には、InSbなどの化合物半
導体の単結晶を成長させるに際して、種結晶の引上げ方
向を、<110>結晶方位に対して5〜10度傾斜させ
た方向にして、同化合物半導体単結晶を引上げ、エッチ
ピットを除去するとともに、不純物濃度を均一にさせる
という発明が記載されている。
【0018】しかし、この公報には、エッチピットを除
去することに関して記載されてはいるものの、すべり転
位を除去することに関しては記載されていない。またこ
の公報記載の発明は、InSbなどの化合物半導体単結晶
を対象とするものであり、シリコン単結晶を対象とする
ものではない。
【0019】また特開平3−80184号公報には、同
様にGaAsなどの化合物半導体の単結晶を成長させるに
際して、種結晶の引上げ方向を、<001>結晶方位と
<101>結晶方位との間の任意の方向にして、同化合
物半導体単結晶を引上げ、成長方向に真っ直ぐに伝播す
る軸上転位を除去するという発明が記載されている。ま
た、この公報には、化合物半導体で発生するすべり転位
に関して、「不純物を添加することによってその発生を
低減できる」という記載がある。
【0020】このように、この公報には、GaAsなどの
化合物半導体で発生するすべり転位を不純物添加によっ
て除去することに関して記載されてはいるものの、単結
晶シリコンで発生するすべり転位を除去する技術に関し
ては記載されていない。
【0021】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、CZ法で種結晶を引上げ単結晶シリコンを成
長させるに際して、<100>軸結晶と同様の太い径で
すべり転位を除去できるようにすることによって、大口
径、大重量の単結晶シリコンインゴットを引き上げるこ
とができるようにすることを解決課題とするものであ
る。
【0022】
【課題を解決するための手段および効果】第1発明は、
種結晶を融液に浸漬させ、前記種結晶をその軸方向に沿
って引き上げることにより単結晶シリコンを製造する単
結晶シリコンの製造方法において、<110>結晶方位
が前記種結晶の軸方向に対して傾斜された状態で当該種
結晶を引き上げることを特徴とする。
【0023】第2発明は、種結晶を融液に浸漬させ、前
記種結晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単
結晶シリコンを製造する単結晶シリコンの製造方法にお
いて、<110>結晶方位が軸方向に対して所定角度θ
だけ傾斜された種結晶を用意し、前記種結晶が前記融液
に着液された後に、単結晶シリコンを直径d1まで徐々
に絞る転位網除去工程と、単結晶シリコンの直径を概ね
d1に維持しつつ、少なくとも長さd1/tanθだけ更
に成長させるすべり転位除去工程とを含むことを特徴と
する。
【0024】第3発明は、第1発明または第2発明にお
いて、<110>結晶方位が単結晶シリコンインゴット
の軸方向に対して所定角度θだけ傾斜する向きは、その
<110>結晶方位に対して垂直な位置関係にある別の
<110>結晶方位を回転軸として回転する向きである
ことを特徴とする。
【0025】第4発明は、種結晶を融液に浸漬させ、前
記種結晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単
結晶シリコンインゴットに成長させ、この単結晶シリコ
ンインゴットをスライスすることにより単結晶シリコン
ウェーハを製造する単結晶シリコンウェーハの製造方法
において、<110>結晶方位が前記種結晶の軸方向に
対して所定角度θだけ傾斜された状態で当該種結晶を引
き上げ単結晶シリコンインゴットに成長させる引上げ工
程と、前記単結晶シリコンインゴットを、<110>結
晶方位に対して垂直な方向または略垂直な方向にスライ
スして単結晶シリコンウェーハを取り出すスライス工程
とを含むことを特徴とする。
【0026】第5発明は、種結晶を融液に浸漬させ、前
記種結晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単
結晶シリコンインゴットに成長させ、この単結晶シリコ
ンインゴットをスライスすることにより単結晶シリコン
ウェーハを製造する単結晶シリコンウェーハの製造方法
において、<110>結晶方位が軸方向に対して所定角
度θだけ傾斜された種結晶を用意し、前記種結晶が前記
融液に着液された後に、単結晶シリコンを直径d1まで
徐々に絞る転位網除去工程と、単結晶シリコンの直径を
概ねd1に維持しつつ、少なくとも長さd1/tanθだ
け更に成長させるすべり転位除去工程と、更に前記種結
晶を引き上げ単結晶シリコンインゴットを製造するイン
ゴット製造工程と、前記単結晶シリコンインゴットを、
<110>結晶方位に対して垂直な方向または略垂直な
方向にスライスして単結晶シリコンウェーハを取り出す
スライス工程とを含むことを特徴とする。
【0027】第6発明は、第4発明または第5発明にお
いて、<110>結晶方位が単結晶シリコンインゴット
の軸方向に対して所定角度θだけ傾斜する向きは、その
<110>結晶方位に対して垂直な位置関係にある別の
<110>結晶方位を回転軸として回転する向きである
ことを特徴とする。
【0028】第7発明は、第4発明または第5発明にお
いて、<110>結晶方位が種結晶の軸方向に対して傾
斜する所定角度θは、0.6゜≦θ≦ 10゜の範囲で
あることを特徴とする。
【0029】第8発明は、CZ法で単結晶シリコンを製
造するに際して使用される単結晶シリコン製造用種結晶
であって、<110>結晶方位が軸方向に対して傾斜し
てなる単結晶シリコン製造用種結晶であることを特徴と
する。
【0030】第9発明は、第8発明において、<110
>結晶方位が種結晶の軸方向に対して傾斜する向きは、
その<110>結晶方位に対して垂直な位置関係にある
別の<110>結晶方位を回転軸として回転する向きで
あることを特徴とする。
【0031】第10発明は、CZ法により製造された単
結晶シリコンインゴットであって、<110>結晶方位
が軸方向に対して所定角度θだけ傾斜してなる単結晶シ
リコンインゴットであることを特徴とする。
【0032】第11発明は、第10発明において、<1
10>結晶方位が単結晶シリコンインゴットの軸方向に
対して所定角度θだけ傾斜する向きは、その<110>
結晶方位に対して垂直な位置関係にある別の<110>
結晶方位を回転軸として回転する向きであることを特徴
とする。
【0033】第12発明は、第10発明において、<1
10>結晶方位が単結晶シリコンインゴットの軸方向に
対して傾斜する所定角度θは、 0.6゜≦θ≦10
゜の範囲である単結晶シリコンインゴットであることを
特徴とする。
【0034】第13発明は、CZ法により製造された単
結晶シリコンインゴットをスライスすることにより取り
出された単結晶シリコンウェーハであって、<110>
結晶方位が軸方向に対して所定角度θだけ傾斜された単
結晶シリコンインゴットを、<110>結晶方位に対し
て垂直な方向または略垂直な方向にスライスして取り出
されてなる単結晶シリコンウェーハであることを特徴と
する。
【0035】第1発明、第4発明、第8発明、第10発
明、第13発明によれば、図2、図3に示すように、
{111}結晶面の稜線方向8が軸方向9に対して傾斜
するように、<110>結晶方位10が軸方向9に対し
て所定角度θだけ傾斜している種結晶1を用いて単結晶
シリコンが製造される。
【0036】上記種結晶1を用いて単結晶シリコンが引
上げられると、すべり転位5が単結晶シリコンの軸方向
9に対し傾斜して伝播するため、すべり転位5がいずれ
単結晶シリコンの壁面に到達して消滅する。このためネ
ッキング工程で単結晶シリコンの径を<100>軸結晶
と同程度に絞れば、結晶中心部のすべり転位が容易に除
去される。この結果、大口径、大重量の単結晶シリコン
インゴットを引き上げることができる。
【0037】第2発明、第5発明によれば、図1に示す
ようにすべり転位除去部4にて、単結晶シリコンの直径
が概ねd1に維持されつつ、少なくとも長さd1/tan
θだけ成長される。
【0038】すべり転位5が単結晶シリコンの軸方向9
に対し所定角度θだけ傾斜して伝播するため、長さd1/
tanθだけ単結晶シリコンを成長させると、すべり転
位5は単結晶シリコンの壁面に到達して消滅する。この
ように長さが少なくともd1/tanθのすべり転位除去
部4で、すべり転位5が単結晶シリコンから除去され
る。この後は、無転位の単結晶成長工程に移行する。
【0039】第3発明、第6発明、第9発明、第11発
明によれば、図2、図6に示すように、<110>結晶
方位10が、その<110>結晶方位10に対して垂直
な位置関係にある別の<110>結晶方位13を回転軸
として回転する向き11に傾斜される。この結果、結晶
方位を検出する際にX線の回折面として使用する{22
0}面は、他の<100>軸結晶や<111>軸結晶に
おける{220}面と平行な位置関係になるので、他の
<100>軸結晶や<111>軸結晶で使用されている
通常の加工装置をそのまま共用することができる。この
ためオリエンテーションフラットやノッチの加工に要す
るコストを抑えることができる。
【0040】第7発明、第12発明によれば、<110
>結晶方位10が軸方向9に対して傾斜する所定角度θ
は、 0.6゜≦θ≦10 ゜の範囲とされる。
【0041】すなわち傾斜角度θが小さく浅いと、図1
に示すすべり転位除去部4が長くなるので、CZ炉の高
さには制限があることから引き上げられる単結晶シリコ
ンの長さは、短くなる。また転位除去部4が長くなれば
なる程、製品とはならない部分の引上げに時間を要し生
産効率が損なわれる。このため傾斜角度θは、単結晶シ
リコンの引上げ工程を考慮すると、大きい程よい。
【0042】これに対して傾斜角度θが大きくなればな
る程、図4に示すように、有用な単結晶シリコンウェー
ハ30以外の無駄な部分20a(斜線で示す)が大きく
なり、歩留まりが低下する。このため傾斜角度θは、イ
ンゴット20をスライスする工程を考慮すると、小さい
ほどよい。
【0043】したがって単結晶シリコンの引上げとイン
ゴット20のスライスの両方を考慮したとき最も望まし
い傾斜角度θの範囲が存在し、その範囲は0.6゜≦θ
≦10゜の範囲となる。これにより単結晶シリコンの引
上げ長さ、引上げに要する時間を短縮しつつ、単結晶シ
リコンインゴット20をスライスするときに発生する無
駄な部分20aの量を抑えることができ、製造コストを
総合的に最小にすることができる。
【0044】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して実施の形態に
ついて説明する。本実施形態では、表面が{110}結
晶面となっているシリコンウェーハ(<110>軸結
晶)を製造する場合を想定して説明する。
【0045】図1は実施形態の単結晶シリコンの製造方
法を説明する図であり、種結晶(シード)1をシリコン
融液6に浸漬して引き上げられる単結晶シリコンの上端
部分を示している。
【0046】すなわち単結晶引上げ用容器つまりCZ炉
内に石英るつぼが設けられ、この石英るつぼ内でシリコ
ンが加熱し溶融される。溶融が安定化すると、シードチ
ャックに取り付けた種結晶1がシリコン融液6に浸漬さ
れ、シードチャックおよびるつぼを互いに同方向あるい
は逆方向に回転しつつシードチャックが引上げられ単結
晶シリコンが成長される。CZ法では種結晶1の長手軸
方向9と引上げ方向とは一致する。本実施形態では種結
晶1を融液表面6aに着液させた後に、単結晶シリコン
の径を徐々に絞るネッキング処理(絞り処理)が施され
る。図1で種結晶1の下方の径が細くなっている部分
が、ネッキング処理が施されたネッキング部2である。
【0047】CZ法で単結晶シリコンを成長させる際に
避けられない問題の1つに「すべり転位」がある。すべ
り転位は、1次元の結晶欠陥であり、種結晶1が融液6
に着液したときの熱応力に起因して発生し、一定の方向
に沿って伝播する。
【0048】すべり転位が、成長した単結晶シリコンに
取り込まれると、この単結晶シリコンに基づき製作され
る半導体デバイスの品質を低下させることになる。この
ためすべり転位は、これを除去する必要がある。
【0049】本発明者らは、以下に述べるようにシリコ
ン結晶におけるすべり転位発生のメカニズムを見いだ
し、すべり転位を除去する方法を発見するに至った。以
下図5、図6、図7、図8を併せ参照して説明する。
【0050】シリコン原子の結晶の配列構造は立方晶系
の構造であり、図5は立方晶系の基本結晶方位を示して
いる。同図に示すように各結晶方位<100>、<01
0>、<001>、<110>、<111>は、X−Y
−Z座標系の原点を基点とする方位で定義される。同図
5に示す斜線が{110}結晶面となる。
【0051】図6はシリコン結晶7を斜視図にて示して
いる。同図6に示す矢印10は、{110}結晶面の法
線方向たる<110>結晶方位であり、また矢印8は、
{111}結晶面の稜線方向である。
【0052】本発明者らは、{111}結晶面の稜線方
向8に沿ってすべり転位が伝播することを発見するに至
った。
【0053】図7、図8は、CZ法を用いて単結晶シリ
コンを引き上げる際の種結晶1の軸方向(結晶引上げ方
向)9と、シリコン結晶7の<110>結晶方位10、
{111}結晶面の稜線方向8との関係を示している。
【0054】図7を図面正面から見た方向は、図6の矢
視A方向に相当しており、図8を図面正面から見た方向
は、図6の矢視B方向に相当している。
【0055】図7、図8に示すように、{111}結晶
面稜線方向8が種結晶1の軸方向9と一致するように、
<110>結晶方位10を種結晶1の軸方向9と一致さ
せて種結晶1を引き上げたとすると、すべり転位5が単
結晶シリコンの軸方向に沿って伝播するため、すべり転
位5を単結晶シリコンから除去することは困難である。
種結晶1を融液表面6aに着液させた後に、単結晶シリ
コンの直径を徐々に絞るネッキング処理を施し、単結晶
シリコンの径を相当絞ったとしても、結晶中心部に転位
が残存し易く、半導体デバイス不良の要因になる。
【0056】そこで図2、図3に示すように、{11
1}結晶面稜線方向8が種結晶1の軸方向(結晶引上げ
方向)9に対して傾斜するように、<110>結晶方位
10を種結晶1の軸方向(結晶引上げ方向)9に対して
傾斜させて種結晶1を引き上げる。これによりすべり転
位5が単結晶シリコンの軸方向9に対し傾斜して伝播す
るため、すべり転位5がいずれ単結晶シリコンの壁面に
到達して消滅する。このためネッキング工程で単結晶シ
リコンの径を<100>軸結晶と同程度に絞れば、結晶
中心部の転位を容易に除去することが可能になる。
【0057】ここで、図2、図3はそれぞれ図7、図8
に対応する図であり、CZ法を用いて単結晶シリコンを
引き上げる際の種結晶1の軸方向(結晶引上げ方向)9
と、シリコン結晶7の<110>結晶方位10、{11
1}結晶面の稜線方向8との関係を示している。図2を
図面正面から見た方向は、図6の矢視A方向に相当して
おり、図3を図面正面から見た方向は、図6の矢視B方
向に相当している。
【0058】図2と図3とでは、<110>結晶方位1
0が種結晶1の軸方向9に対して傾斜する向きが異なっ
ている。図2は、図6に矢印11で示すように、<11
0>結晶方位10が種結晶1の軸方向9に対して傾斜す
る向きが、{110}結晶面に隣接する{111}結晶
面の向き11になっている場合、つまり<110>結晶
方位10に対して垂直な位置関係にある別の<110>
結晶方位13を回転軸として回転する向き11になって
いる場合を示している。
【0059】図3は、図6に矢印12で示すように、<
110>結晶方位10が種結晶1の軸方向に対して傾斜
する向きが、{110}結晶面に隣接する{100}結
晶面の向き12である場合、つまり<110>結晶方位
10に対して垂直な位置関係にある<100>結晶方位
14を回転軸として回転する向き12である場合を示し
ている。
【0060】以下図2の実施形態について説明する。
【0061】(種結晶の準備)まず、図1に示すよう
に、{111}結晶面稜線方向8が、軸方向9に対して
傾斜するように(図2参照)、<110>結晶方位10
が軸方向9に対して所定角度θだけ傾斜している種結晶
1が用意される。この場合、図6に矢印11で示すよう
に、<110>結晶方位10が種結晶1の軸方向9に対
して所定角度θだけ傾斜する向きは、{110}結晶面
に隣接する{111}結晶面の向き11、つまり<11
0>結晶方位10に対して垂直な位置関係にある別の<
110>結晶方位13を回転軸として回転する向き11
とされる。
【0062】(転位網除去工程)上記種結晶1をシード
チャックに取り付け、種結晶1を多結晶シリコン融液6
の表面6aに着液させる。すると着液時の熱ショックに
よって図2でハッチングにて示すように転位網が発生す
る。そこで着液後に、引き上げられる単結晶シリコンの
径を徐々に絞り、転位網の転位密度を徐々に減少させ
る。転位網が除去されたときの単結晶シリコンの直径
(以下最小直径)をd1とする。このように図1に示す
転位網除去部3で、転位網が単結晶シリコンから除去さ
れる。
【0063】(すべり転位除去工程)転位網除去工程で
単結晶シリコンから除去されていない転位が、すべり転
位となって単結晶シリコンに残存している。
【0064】そこで、つぎに単結晶シリコンの最小直径
をd1に維持しつつ、更に長さd1/tanθだけ単結晶
シリコンを成長させる。なお最小直径は概ねd1に維持
されればよい。
【0065】ここで前述したように、すべり転位5が単
結晶シリコンの軸方向9に対し所定角度θだけ傾斜して
伝播するため、長さd1/tanθだけ単結晶シリコンを
成長させると、すべり転位5は単結晶シリコンの壁面に
到達して消滅する。このように図1に示すすべり転位除
去部4で、すべり転位5が単結晶シリコンから除去され
る。この後は、無転位の単結晶成長工程に移行する。な
おすべり転位除去工程では、単結晶シリコンの直径を概
ねd1に維持しつつ、少なくとも長さd1/tanθだけ
単結晶シリコンを成長させればよく、長さd1/tanθ
よりも長く単結晶シリコンを成長させてもよい。実験で
は単結晶シリコンの最小直径d1を6mmに絞る程度
で、すべり転位の除去が確認された。
【0066】以上のようにネッキング工程で、一般的に
引き上げられている<100>軸結晶の絞り部の直径と
同程度に絞ることで、結晶中心部の転位を容易に除去す
ることができる。太い径ですべり転位を除去できたた
め、大口径、大重量の単結晶シリコンインゴットを容易
に引き上げることができる。
【0067】単結晶シリコンの最小直径d1を6mm以
下にすれば、すべり転位を高い確率で完全に除去できる
ことが確認されている。このように従来、結晶中心部分
に残存していたすべり転位を高い確率で、かつ完全に除
去することができるため、単結晶取得率が大幅に向上す
る。従来の単結晶化成功率は10%であったが、本実施
形態を適用したところ単結晶化成功率は95%に向上し
た。
【0068】(インゴット製造工程)すべり転位除去工
程に続く工程では、更に種結晶1が引き上げられ、図4
(a)に示す単結晶シリコンインゴット20が製造され
る。すなわち肩作り工程を経てトップ部22が形成さ
れ、直胴工程を経て直胴部21が形成され、テール工程
を経てテール部23が形成される。
【0069】(スライス工程)つぎに単結晶シリコンイ
ンゴット20を、<110>結晶方位10に対して垂直
な方向にスライスして、図4(b)に示すように、表面
が{110}結晶面となっている単結晶シリコンウェー
ハ30、つまり<110>結晶方位が表面の法線方向に
なっている単結晶シリコンウェーハ30(<110>軸
結晶)が取り出される。
【0070】ところで、特に単結晶シリコンインゴット
20を、<110>結晶方位10に対して垂直な方向に
スライスしてウェーハ30を取り出すと、後段のエピタ
キシャル成長工程でガスをウェーハ30上に導入したと
き表面が荒れるおそれがある。そこで、これを避けるた
めに単結晶シリコンインゴット20を、<110>結晶
方位10に対して垂直になる角度から1〜2度程度僅か
にずらした角度でスライスすることが高品質のウェーハ
を製作する上で望ましい。なお単結晶シリコンウェーハ
上にエピタキシャル層を設けたウェーハを製造する場合
に限らず、その他製品の仕様によっては、角度をずらし
てスライスすることで高品質のウェーハを製作すること
ができる場合がある。
【0071】以上のように取り出された単結晶シリコン
ウェーハ30を用いて半導体デバイスを製造したとこ
ろ、従来、シリコンウェーハ30の面内中央部に残存し
ていたすべり転位が完全に除去されているため、デバイ
ス製作時の歩留まりが大幅に向上した。
【0072】つぎに、<110>結晶方位10が軸方向
9に対して傾斜する角度θの望ましい範囲について考察
する。
【0073】傾斜角度θが小さく浅いと、図1に示すす
べり転位除去部4が長くなる。CZ炉の高さには制限が
あることから引き上げられる単結晶シリコンの長さはそ
の分短くなる。また転位除去部4が長くなればなる程、
製品とはならない部分の引上げに時間を要し生産効率が
損なわれる。このため傾斜角度θは、単結晶シリコンの
引上げ工程を考慮すると、大きい程よい。
【0074】これに対して傾斜角度θが大きくなればな
る程、図4に示すように、有用な単結晶シリコンウェー
ハ30以外の無駄な部分20a(斜線で示す)が大きく
なり、歩留まりが低下する。このため傾斜角度θは、イ
ンゴット20をスライスする工程を考慮すると、小さい
ほどよい。
【0075】したがって単結晶シリコンの引上げとイン
ゴット20のスライスの両方を考慮したとき最も望まし
い傾斜角度θの範囲が存在し、その範囲は0.6゜≦θ
≦10゜の範囲であることが実験的に確かめられた。そ
の理由は以下のとおりである。
【0076】まず傾斜角度θが0.6゜未満の場合を想
定する。種結晶1を融液6に接触させ、径を絞ることに
よって転位網を除去するには転位網除去部3として長さ
100mm程度を要する。転位網除去部3の最小直径d
1を3mmとした場合、傾斜角度θが0.6゜未満で
は、つぎのすべり転位除去部4の長さは、d1/tanθ
=3/tan0.6゜より、約290mmとなり、29
0mmを超える。したがって転位網除去部3の長さ10
0mmと併せてネッキング部2全体で390mmを超え
る絞り長さが必要となる。通常の絞り長さが200mm
以内であることから、製造可能な単結晶シリコンの長さ
が少なくとも190mmを超えて短くなってしまい製造
コストの上昇を招く。転位網除去部3で最小直径d1を
3mm以下にすれば多少絞り長さを短縮することはでき
るが、最小直径d1を3mm以下にすると大重量のイン
ゴットを引き上げることができなくなる。したがって傾
斜角度θの下限は0.6゜とされる。
【0077】つぎに傾斜角度θを10゜が超えたときを
想定する。このような傾斜角度θで製造された単結晶シ
リコンインゴット20を4つのブロックに切り分けよう
とすると、直径が200mmのシリコンウェーハ30の
場合、図4において無駄な部分20aの長さは、200
×tan10×4で求められ約141mmとなる。これ
は重量で約10kgに相当する。1つの単結晶シリコン
インゴット20で重量10kgは歩留まりロスの限界で
ある。
【0078】以上のように傾斜角度θは、0.6゜≦θ
≦10゜の範囲であることが望ましい。
【0079】つぎに図3に示すように、<110>結晶
方位10が種結晶1の軸方向に対して所定角度θだけ傾
斜する向きが、図6に示す{110}結晶面に隣接する
{100}結晶面の向き12である場合、つまり<11
0>結晶方位10に対して垂直な位置関係にある<10
0>結晶方位14を回転軸として回転する向き12であ
る場合の実施形態について説明する。
【0080】(種結晶の準備)まず、図1に示すよう
に、{111}結晶面稜線方向8が、軸方向9に対して
傾斜するように(図3参照)、<110>結晶方位10
が軸方向9に対して所定角度θだけ傾斜している種結晶
1が用意される。この場合、図6に矢印12で示すよう
に、<110>結晶方位10が種結晶1の軸方向9に対
して所定角度θだけ傾斜する向きは、{110}結晶面
に隣接する{100}結晶面の向き12、つまり<11
0>結晶方位10に対して垂直な位置関係にある<10
0>結晶方位14を回転軸として回転する向き12であ
るとされる。
【0081】以下の(転位網除去工程)、(すべり転位
除去工程)、(インゴット製造工程)、(スライス工
程)は、図2に示す実施形態と同様であるので説明を省
略する。本実施形態においても、図2に示す実施形態と
同様の効果が得られる。
【0082】ただし図2に示す実施形態がオリエンテー
ションフラットやノッチ加工を施す上で望ましい。その
理由を以下説明する。
【0083】半導体素子用結晶には、特定の結晶方位を
表すオリエンテーションフラットやノッチを加工する必
要がある。これらオリエンテーションフラットやノッチ
は、ウェーハ状に加工した結晶についてその結晶方位を
示す印となり、半導体素子製造時の基準として使用され
る。
【0084】通常、これらオリエンテーションフラット
やノッチは、スライスしてウェーハ状に加工する前のイ
ンゴット20の状態で行われ、大抵の場合、これを行う
加工機には、結晶の外周部の凹凸を除去する機構、結晶
方位を検出する機構、検出された方位に基づいてオリエ
ンテーションフラットやノッチを加工する機構が備えら
れている。
【0085】結晶方位を検出する方法としては、X線回
折法が主流である。X線回折法によって結晶方位を検出
する場合、{110}面と平行な{220}面を回折面
として使用するのが一般的である。これは<110>軸
結晶以外の<100>軸結晶や<111>軸結晶でも同
じである。
【0086】X線回折法は、結晶にX線を照射させなが
ら、結晶引上げ軸を回転中心として結晶を回転させ、X
線の回折ピークを検出することで{220}面を検出す
る、という手順で行われる。このとき<110>結晶方
位10が隣接する{111}結晶面の向きに傾斜されて
いると、つまり<110>結晶方位10が、その<11
0>結晶方位10に対して垂直な位置関係にある別の<
110>結晶方位13を回転軸として回転する向きに傾
斜されていると、結晶方位を検出する際にX線の回折面
として使用する{220}面は、他の<100>軸結晶
や<111>軸結晶における{220}面と平行な位置
関係になるので、他の<100>軸結晶や<111>軸
結晶で使用されている通常の加工装置をそのまま共用す
ることができる。
【0087】これに対して上記向き以外に<110>結
晶方位10を傾斜させた場合、たとえば図3の実施形態
のように、<110>結晶方位10を、{110}結晶
面に隣接する{100}結晶面の向き、つまり<110
>結晶方位10に対して垂直な位置関係にある<100
>結晶方位14を回転軸として回転する向きに傾斜させ
た場合には、そのときの{220}面は他の<100>
軸結晶や<111>軸結晶面における{220}面とは
平行関係にならなくなる。平行関係にないということ
は、X線の回折方向が両者で異なることを意味する。し
たがってX線回折装置の位置を変更したり、複数台のX
線回折装置を用意したり、専用の加工機そのものを別途
用意したりするなどの対処が必要となり、製造コストが
上昇する。
【0088】以上のような理由からオリエンテーション
フラットやノッチの加工に要するコストを抑える点で、
図2の実施形態が望ましい。
【0089】上述した実施形態には、種々の変形が可能
であり、以下に述べる技術を上述した実施形態に更に適
用してもよい。
【0090】(種結晶の予熱)種結晶1が融液6に着液
するときに発生する熱応力に起因してすべり転位が発生
することから、着液時の熱応力を低くすれば、すべり転
位が種結晶1中に導入されない方向に向かう。
【0091】そこで、着液前の種結晶1の先端の温度と
融液6との温度差ΔTが縮小されるように、種結晶1を
着液前に予熱する。これにより種結晶1が融液6に着液
したときに発生する熱応力が低くなり、融液6に接触す
ることで接触界面から下方向へ発生する転位密度が、予
熱しない場合よりも低くなる。この結果すべり転位の種
結晶1への導入を、予熱しない場合と比較して抑制する
ことができる。また予熱しない場合と比較してすべり転
位の導入が抑えられるので、その分転位網除去部3の最
小直径d1を、太くすることができる。実験では、種結
晶1を予熱しておけば、最小直径d1を8mmまで太く
したとしても、すべり転位5を完全に除去できることが
確認された。
【0092】(種結晶に不純物添加)文献「K.Hoshikaw
a,X.Huang,T.Taishi,et.al.,"Dislocation-Free Czochr
alski Silicon Crystal Growth without the Dislocati
on-Elimination-Necking Process",Jpn.J.Appl.Phys.vo
l.38(1999)pp.L1369-L1371」によれば、「育成される結
晶に転位を導入しない条件として、シード中に必要なボ
ロン(B)の濃度は1E18atoms/cm3以上である」という
実験結果が開示されている。
【0093】そこで、種結晶1に不純物としてボロン
(B)を添加し、望ましくはその不純物濃度を1E18atom
s/cm3以上にする。これによりすべり転位の種結晶1中
への導入が抑制される。また不純物を添加しない場合と
比較してすべり転位の導入が抑えられるので、その分転
位網除去部3の最小直径d1を、太くすることができ
る。 なお不純物としてはボロン(B)以外に、ゲルマ
ニウム(Ge)、インジウム(In)を種結晶1に添加す
る実施も可能である。
【0094】なおまた上述した(種結晶の予熱)、(種
結晶に不純物添加)という技術を、傾斜角度θが零の場
合に適用してもよい。すなわち表面が{110}結晶面
となる(<110>結晶方位が表面法線方向となる)単
結晶シリコンウェーハ30を製造するに際して、<11
0>結晶方位が軸方向9と一致している(傾斜角度θが
零の)種結晶1を用い、この種結晶1に、上述したよう
に着液前に予熱を施すか、不純物を添加する実施も可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は実施形態の種結晶を用いて単結晶シリコ
ンを製造する工程を説明する図である。
【図2】図2はシリコン結晶の結晶方位と、種結晶の軸
方向との関係を説明する図である。
【図3】図3はシリコン結晶の結晶方位と、種結晶の軸
方向との関係を説明する図である。
【図4】図4(a)、(b)は単結晶シリコンインゴッ
トをスライスして単結晶シリコンウェーハを取り出す様
子を説明する図である。
【図5】図5は立方晶系の基本結晶方位を示す斜視図で
ある。
【図6】図6のシリコン結晶の構造を示す斜視図であ
る。
【図7】図7はシリコン結晶の結晶方位と、種結晶の軸
方向との関係を説明する図である。
【図8】図8はシリコン結晶の結晶方位と、種結晶の軸
方向との関係を説明する図である。
【符号の説明】
1 種結晶 2 ネッキング部(単結晶シリコン) 3 転位網除去部 4 すべり転位除去部 5 すべり転位 6 融液 7 シリコン結晶 8 {111}面稜線方向 9 種結晶方向(結晶引上げ方向) 10 <110>結晶方位 11、12 傾斜の向き 20 単結晶シリコンインゴット 30 単結晶シリコンウェーハ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 末若 良太 神奈川県平塚市四之宮三丁目25番1号 コ マツ電子金属株式会社内 (72)発明者 冨岡 純輔 神奈川県平塚市四之宮三丁目25番1号 コ マツ電子金属株式会社内 Fターム(参考) 4G077 AA02 BA04 CF10 ED02 HA12 PJ02

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 種結晶を融液に浸漬させ、前記種結
    晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単結晶シ
    リコンを製造する単結晶シリコンの製造方法において、 <110>結晶方位が前記種結晶の軸方向に対して傾斜
    された状態で当該種結晶を引き上げることを特徴とする
    単結晶シリコンの製造方法。
  2. 【請求項2】 種結晶を融液に浸漬させ、前記種結
    晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単結晶シ
    リコンを製造する単結晶シリコンの製造方法において、 <110>結晶方位が軸方向に対して所定角度θだけ傾
    斜された種結晶を用意し、 前記種結晶が前記融液に着液された後に、単結晶シリコ
    ンを直径d1まで徐々に絞る転位網除去工程と、 単結晶シリコンの直径を概ねd1に維持しつつ、少なく
    とも長さd1/tanθだけ更に成長させるすべり転位除
    去工程とを含むことを特徴とする単結晶シリコンの製造
    方法。
  3. 【請求項3】 <110>結晶方位が種結晶の軸
    方向に対して傾斜する向きは、その<110>結晶方位
    に対して垂直な位置関係にある別の<110>結晶方位
    を回転軸として回転する向きであることを特徴とする請
    求項1または2記載の単結晶シリコンの製造方法。
  4. 【請求項4】 種結晶を融液に浸漬させ、前記種結
    晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単結晶シ
    リコンインゴットに成長させ、この単結晶シリコンイン
    ゴットをスライスすることにより単結晶シリコンウェー
    ハを製造する単結晶シリコンウェーハの製造方法におい
    て、 <110>結晶方位が前記種結晶の軸方向に対して所定
    角度θだけ傾斜された状態で当該種結晶を引き上げ単結
    晶シリコンインゴットに成長させる引上げ工程と、 前記単結晶シリコンインゴットを、<110>結晶方位
    に対して垂直な方向または略垂直な方向にスライスして
    単結晶シリコンウェーハを取り出すスライス工程とを含
    むことを特徴とする単結晶シリコンウェーハの製造方
    法。
  5. 【請求項5】 種結晶を融液に浸漬させ、前記種結
    晶をその軸方向に沿って引き上げることにより単結晶シ
    リコンインゴットに成長させ、この単結晶シリコンイン
    ゴットをスライスすることにより単結晶シリコンウェー
    ハを製造する単結晶シリコンウェーハの製造方法におい
    て、 <110>結晶方位が軸方向に対して所定角度θだけ傾
    斜された種結晶を用意し、 前記種結晶が前記融液に着液された後に、単結晶シリコ
    ンを直径d1まで徐々に絞る転位網除去工程と、 単結晶シリコンの直径を概ねd1に維持しつつ、少なく
    とも長さd1/tanθだけ更に成長させるすべり転位除
    去工程と、 更に前記種結晶を引き上げ単結晶シリコンインゴットを
    製造するインゴット製造工程と、 前記単結晶シリコンインゴットを、<110>結晶方位
    に対して垂直な方向または略垂直な方向にスライスして
    単結晶シリコンウェーハを取り出すスライス工程とを含
    むことを特徴とする単結晶シリコンウェーハの製造方
    法。
  6. 【請求項6】 <110>結晶方位が種結晶の軸
    方向に対して所定角度θだけ傾斜する向きは、その<1
    10>結晶方位に対して垂直な位置関係にある別の<1
    10>結晶方位を回転軸として回転する向きであること
    を特徴とする請求項4または5記載の単結晶シリコンウ
    ェーハの製造方法。
  7. 【請求項7】 <110>結晶方位が種結晶の軸
    方向に対して傾斜する所定角度θは、0.6 ゜≦θ≦
    10゜の範囲であることを特徴とする請求項4または
    5記載の単結晶シリコンウェーハの製造方法。
  8. 【請求項8】 CZ法で単結晶シリコンを製造する
    に際して使用される単結晶シリコン製造用種結晶であっ
    て、 <110>結晶方位が軸方向に対して傾斜してなること
    を特徴とする単結晶シリコン製造用種結晶。
  9. 【請求項9】 <110>結晶方位が種結晶の軸方
    向に対して傾斜する向きは、その<110>結晶方位に
    対して垂直な位置関係にある別の<110>結晶方位を
    回転軸として回転する向きであることを特徴とする請求
    項8記載の単結晶シリコン製造用種結晶。
  10. 【請求項10】 CZ法により製造された単結晶シ
    リコンインゴットであって、 <110>結晶方位が軸方向に対して所定角度θだけ傾
    斜してなることを特徴とする単結晶シリコンインゴッ
    ト。
  11. 【請求項11】 <110>結晶方位が単結晶シ
    リコンインゴットの軸方向に対して所定角度θだけ傾斜
    する向きは、その<110>結晶方位に対して垂直な位
    置関係にある別の<110>結晶方位を回転軸として回
    転する向きであることを特徴とする請求項10記載の単
    結晶シリコンインゴット。
  12. 【請求項12】 <110>結晶方位が単結晶シ
    リコンインゴットの軸方向に対して傾斜する所定角度θ
    は、 0.6゜≦θ≦10 ゜の範囲であることを特徴
    とする請求項10記載の単結晶シリコンインゴット。
  13. 【請求項13】 CZ法により製造された単結晶シ
    リコンインゴットをスライスすることにより取り出され
    た単結晶シリコンウェーハであって、 <110>結晶方位が軸方向に対して所定角度θだけ傾
    斜された単結晶シリコンインゴットを、<110>結晶
    方位に対して垂直な方向または略垂直な方向にスライス
    して取り出されてなることを特徴とする単結晶シリコン
    ウェーハ。
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