JP2014198664A - 半導体装置用シリコン部材及び半導体装置用シリコン部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一方向凝固シリコンから作製されていながら、単結晶シリコンから作製されものとほぼ同等の性能を発揮でき、かつ比較的大型のものでも製作可能な半導体装置用シリコン部材を提供することを課題とする。
【解決手段】るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置し、るつぼ内の溶融シリコンを一方向凝固させることにより複数個の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られた柱状晶シリコンインゴットから切り出して作製した。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置用シリコン部材及び半導体装置用シリコン部材の製造方法に関するものである。より具体的にはドライエッチング用シリコン部材に関するものである。

シリコン半導体デバイスを製造する工程で用いられる例えばプラズマエッチング装置は、酸化膜の部分除去等のために、ＣＦ₆やＳＦ₆などのフッ化系のガスを用いている。エッチング対象であるシリコンウエハとの間に高周波電圧を印加される、多数の穴を開けた極板（電極板）にこれらフッ化系のガスを通し、プラズマ化させたガスを用いて、シリコンウエハ表面のシリコン酸化膜のエッチングを行っている（下記特許文献１参照）。これらの電極板には、通常単結晶のシリコンが用いられ（下記特許文献２参照）、エッチングの均一性を確保するために、エッチング対象であるシリコンウエハより大きなサイズのものが一般的に必要とされている。

特開２００４−７９９６１号公報 特公平７−４０５６７号公報

最近、次世代の４５０ｍｍシリコンウエハの使用に向けた動きが活発化してきている。４５０ｍｍシリコンウエハの場合には、４５０ｍｍφより大きな電極板が必要となる。電極板は、４８０ｍｍφ、５００ｍｍφ、望ましくは５３０ｍｍφ以上の電極板が必要となるが、このような大口径のシリコン単結晶を成長することは現状では難しく、また、可能となった場合でも大幅なコストアップが見込まれる。角形の半導体部材の場合には、少なくとも１辺が４５０ｍｍより大きいサイズが必要となる。１辺が５００ｍｍ、望ましくは１辺が５３０ｍｍの半導体部材が必要となる。

そこで、５３０ｍｍφ以上のサイズの電極板を製造することが可能な柱状晶シリコンが注目されている。しかし、柱状晶シリコンは通常多結晶シリコンであり、電極板に多結晶シリコンを用いた場合は、シリコンウエハにパーティクルが形成されやすい、電極板の結晶粒界へ偏析している不純物やＳｉＯ_２などがシリコンウエハ上に降下する、異なる結晶方位によるエッチング速度の差により結晶粒界に段差が発生する等の問題が生じる。このため、パーティクルの低減、不純物によるデバイス不良の低減、あるいは、電界の不均一性によるシリコンウエハに対するエッチングの均一性確保が困難になるおそれがある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、一方向凝固シリコン鋳造法から作製されていながら、単結晶シリコンから作られものとほぼ同等の性能を発揮でき、かつ比較的大型のものでも製作可能な半導体装置用シリコン部材を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の半導体装置用シリコン部材は、るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置し、るつぼ内の溶融シリコンを一方向凝固させることにより前記複数個の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られた柱状晶シリコンインゴットから作製されることを特徴とする。

上記構成の半導体装置用シリコン部材によれば、複数の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られた柱状晶シリコンインゴットから切り出して作製されるものであり、従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られるものに比べて、結晶粒界が非常に少ないかあるいは全くない。このため、例えばプラズマエッチング用の電極板に用いる場合、パーティクルの発生、結晶粒界へ偏析した不純物やＳｉＯ_２などの降下によるデバイス不良が低減し、また、結晶粒に起因する段差の発生が少なくなる。この結果、ほぼ均一なエッチングが可能となる。
また、種結晶の結晶方位面を任意に選択することにより、各種結晶それぞれから所望の面方位を持って単結晶を成長させた柱状晶シリコンインゴットを得ることができ、これにより、所望の面方位の半導体装置用シリコン部材を得ることができる。
また、上記半導体装置用シリコン部材は、４５０ｍｍφより大きいことが好ましく、５００ｍｍφ以上であることがより好ましく、５３０ｍｍφ以上であることがより一層好ましい。
また、上記半導体装置用シリコン部材は、ドライエッチング用シリコン部材として用いられることが好ましい。

また、前記るつぼ底部に複数個の前記種結晶を配置する際に、各種結晶を縦横及び成長方向に同じ結晶方位で配列することが好ましい。
この場合、各種結晶が同じ結晶方位で配列しているので、それら種結晶から成長する単結晶は同じ結晶方位となり、あたかも単結晶のシリコンインゴットが得られる。この結果、このようなあたかも単結晶のシリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材をプラズマエッチング用の電極板として用いる場合、エッチングの均一性をより高めることができる。また、パーティクルの発生、結晶粒界へ偏析した不純物やＳｉＯ_２などの降下によるデバイス不良を低減できる。

前記るつぼの底部に前記種結晶を配置する際に、互いの種結晶同士の間に隙間を形成することなく密着して配置することが好ましい。
この場合、種結晶を密着して配置するので、種結晶の間で結晶が個々に成長する現象を回避することができ、結晶粒界のより少ない一方向凝固シリコンインゴットを得ることできる。この結果、このような結晶粒界のより少ない一方向凝固シリコンインゴットから切り出して得られるドライエッチング用シリコン部材をプラズマエッチング用の電極板として用いる場合、エッチングの均一性をより高めることができる。また、パーティクルの発生、結晶粒界へ偏析した不純物やＳｉＯ_２などの降下によるデバイス不良を低減できる。

使用部位表面に露出している面積の少なくとも３５％以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められることが好ましい。
従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材では、通常、使用部位表面において１つの結晶粒で占められる面積が使用部位表面全体の１／３に満たない。このような従前の半導体装置用シリコン部材に比べ、本願発明の半導体装置用シリコン部材ものは、結晶粒界が非常に少ない。このため、上記半導体装置用シリコン部材を例えばプラズマエッチング用の電極板に用いる場合には、均一性の高いエッチングが可能となる。

使用部位の全体がひとつの結晶粒からなっていることが好ましい。
この場合、単結晶のシリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材とほぼ同等の性能を発揮することができる。

また、断面における結晶粒の粒界長さの合計ＬＳと断面積Ａとから算出される粒界密度Ｐ＝ＬＳ／Ａが０．２４以下とされていることが好ましい。
この構成の半導体装置用シリコン部材においては、上述の結晶密度Ｐが０．２４以下と結晶粒界が少なくされているので、上記半導体装置用シリコン部材を例えばプラズマエッチング用の電極板に用いる場合には、均一性の高いエッチングが可能となる。

さらに、結晶中の酸素濃度が４．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下であることが好ましい。
この構成の半導体装置用シリコン部材においては、結晶中の酸素濃度が４．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下であることから、エッチング速度を遅くすることが可能となる。

また、結晶中の窒素濃度が７．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｍｌ以上３．１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下であることが好ましい。
この構成の半導体装置用シリコン部材においては、窒素濃度が７．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｍｌ以上３．１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下の範囲内とされていることから、エッチング速度を遅くすることが可能となる。

本発明の半導体装置用シリコン部材の製造方法は、るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置する単結晶シリコン板配置工程と、前記単結晶シリコン板が配置されたるつぼ内にシリコン原料を装入し、前記単結晶シリコン板が完全に溶解しない条件で前記シリコン原料を溶融してシリコン融液を得るシリコン原料溶融工程と、前記シリコン融液を、前記単結晶シリコン板が配置される前記るつぼ底部から上方に向けて一方向凝固させて柱状晶シリコンインゴットを得る一方向凝固工程と、前記柱状晶シリコンインゴットを加工して半導体装置用シリコン部材とする加工工程と、を備えていることを特徴とする。
上記構成の半導体装置用シリコン部材の製造方法によれば、従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られるものに比べて、結晶粒界が非常に少ないかあるいは全くない半導体装置用シリコン部材を得ることができる。

従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られるものに比べて、結晶粒界が非常に少ない。このため、例えばプラズマエッチング用の電極板に用いる場合、パーティクルの発生、結晶粒界へ偏析した不純物やＳｉＯ_２などの降下によるデバイス不良が低減し、また、結晶粒に起因する段差の発生が少なくなり、この結果、ほぼ均一なエッチングが可能となる。

本実施形態である半導体装置用シリコン部材の素材となる柱状晶シリコンインゴットを製造する際に用いられる柱状晶シリコンインゴット製造装置の概略図である。 （ａ）は単結晶シリコンから作製した電極板、図２（ｂ）は本発明に係る擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板を示す平面図である。 図２（ｂ）におけるIIIで示す拡大断面図であり、図３（ａ）は擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板の使用前の断面図、図３（ｂ）は擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板の使用後の断面図である。 本実施形態の比較のために示すものであって、図４（ａ）は従前の柱状晶シリコンインゴットから作製した電極板の使用前の断面図、図４（ｂ）は、従前の柱状晶シリコンインゴットから作製した電極板の使用後の電極板の断面図である。 本実施形態であるドライエッチング用リングＲを示す平面図である。 従前の柱状晶シリコンインゴットの縦断面の模式図ある。 従前の柱状晶シリコンインゴットの横断面の模式図ある。 擬単結晶シリコンインゴットの一例の縦断面の模式図ある。 擬単結晶シリコンインゴットの一例の横断面の模式図ある。図中破線で囲んだ領域は擬単結晶インゴット中の種結晶対応単結晶領域である。 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の縦断面の模式図ある。 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の横断面の模式図ある。図中破線で囲んだ領域は擬単結晶インゴット中の種結晶対応単結晶領域である。（角型結晶で種結晶を隙間を空けずに配置した場合） 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の縦断面の模式図ある。 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の横断面の模式図ある。図中破線で囲んだ領域は擬単結晶インゴット中の種結晶対応単結晶領域である。（角型結晶で種結晶を隙間を空けて配置した場合） 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の縦断面の模式図ある。 擬単結晶シリコンインゴットの他の例の横断面の模式図ある。図中破線で囲んだ領域は擬単結晶インゴット中の種結晶対応単結晶領域である。（角型結晶で種結晶を隙間を空けず配置した場合） 擬単結晶シリコンインゴット鋳造時の種結晶の配置例。結晶の面方位関係は図中の矢印で示す。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体装置用シリコン部材の実施形態を説明する。
本実施形態である半導体装置用シリコン部材は、ドライエッチング用シリコン部材として用いられるものである。この半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）は、多結晶シリコンインゴットから得られるものであり、より具体的には、特殊な工程を得て一方向凝固によって製造される柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られるものである。

この本実施形態で用いる柱状晶シリコンインゴットは、鋳造において製造されるが、その製造過程が通常の柱状晶シリコンインゴットの場合とは異なる。すなわち、本実施形態で用いる柱状晶シリコンインゴットは、るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置し、るつぼ内の溶融シリコンを一方向凝固させることにより複数個の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られる柱状晶シリコンインゴット（以下、擬単結晶シリコンインゴットと呼ぶ）である。
このように本実施形態の擬単結晶シリコンインゴットは、種結晶から成長させた単結晶部位を複数もつシリコンインゴットであり、種結晶の配置によっては、シリコンインゴット全体をほぼ単結晶にすることも可能である。

次に、本実施形態である半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）の素材となる擬単結晶シリコンインゴットを製造する際に用いられる柱状晶シリコンインゴット製造装置１０について、図１を参照して説明する。
この柱状晶シリコンインゴット製造装置１０は、シリコン融液Ｌが貯留されるるつぼ２０と、このるつぼ２０が載置されるチルプレート１２と、このチルプレート１２を下方から支持する下部ヒータ１３と、るつぼ２０の上方に配設された上部ヒータ１４と、を備えている。また、るつぼ２０の周囲には、断熱材１５が設けられている。
チルプレート１２は、中空構造とされており、供給パイプ１６を介して内部にＡｒガスが供給される構成とされている。

るつぼ２０は、水平断面形状が角形（四角形）又は丸形（円形）とされており、本実施形態では、角形（四角形）と丸形（円形）とされている。
このるつぼ２０は、石英（ＳｉＯ_２）で構成されており、その内面にシリコンナイトライド（Ｓｉ_３Ｎ_４）がコーティングされている。すなわち、るつぼ２０内のシリコン融液Ｌが石英（ＳｉＯ_２）と直接接触しないように構成されているのである。

次に、この柱状晶シリコンインゴット製造装置１０を用いて擬単結晶シリコンインゴットを製造する方法について説明する。まず、るつぼ２０の内にシリコン原料を装入する。具体的には、るつぼ２０の底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶Ｃをるつぼ２０の底面に沿って平行に配置する（単結晶シリコン板配置工程）。それら種結晶Ｃは、同じ結晶方位で配列することが好ましいが、必ずしもその必要はない。また、それら種結晶Ｃは、間に隙間を形成することなく密着して配置するのが好ましいが、これについても必ずしもその必要はない。
擬単結晶シリコンインゴット鋳造時の種結晶Ｃの配置例を図１６に示す。（ａ）は角型るつぼの底部に同じ結晶方位で隙間を空けて配列した場合、（ｂ）は角型るつぼの底部に同じ結晶方位で隙間を空けずに配列した場合、（ｃ）は丸型るつぼの底部に同じ結晶方位で隙間を空けて配列した場合を示す。また、図中の矢印と記号は種結晶Ｃの配置時の方位を示す。
そして、それら種結晶Ｃの上側に１１Ｎ（純度９９．９９９９９９９９９）の高純度ポリシリコンを砕いて得られた「チャンク」と呼ばれる塊状のものを配置する。この塊状のシリコン原料の粒径は、例えば、３０ｍｍから１００ｍｍとされている。

このようにして配置したシリコン原料を、上部ヒータ１４と下部ヒータ１３とに通電して加熱する。このとき、るつぼ２０の底部に配置した種結晶Ｃが完全に溶けないように、下部ヒータ１３の出力を調整し、主として種結晶Ｃの上側のチャンクを上側から溶かす（シリコン原料溶融工程）。これにより、るつぼ２０内にシリコン融液が貯留される。
種結晶Ｃが完全に溶けてしまうと、液相エピタキシャル成長ができず、多数の結晶核がるつぼ底面で発生し多結晶となり単結晶がうまく成長しない。

次に、下部ヒータ１３への通電量をさらに下げて、チルプレート１２の内部に供給パイプ１６を介してＡｒガスを供給する。これにより、るつぼ２０の底部を冷却する。さらに、上部ヒータ１４への通電を徐々に減少させることにより、るつぼ２０内のシリコン融液Ｌは、るつぼ２０の底部に配置した種結晶Ｃをそのまま引きついで結晶成長する。その結果、種結晶Ｃから該種結晶Ｃの結晶方位を引き継ぎながら成長し、ほぼ種結晶Ｃと平面的に同サイズの単結晶部をもつ一方向凝固法による柱状晶シリコンインゴット（擬単結晶シリコンインゴット）を鋳造する（一方向凝固工程）。ここでは、このようにして得られた擬単結晶シリコンインゴットは、多結晶でありながら単結晶の性質も併せもつ。

こうして得られた擬単結晶シリコンインゴットを加工し、表面を鏡面研磨以上の平坦度となるように研磨する（加工工程）。これにより、半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）、例えばプラズマエッチング用の反応室内部で使用されるプラズマエッチング用シリコン部材が製造される。ここでは、プラズマエッチング用シリコン部材の例として電極板を挙げる。

図２は、プラズマエッチング用電極板（以下単に電極板という）を示し、図２（ａ）は単結晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅａ、図２（ｂ）は本発明に係る擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｂである。図２（ｂ）からわかるように擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｂは、一部に結晶粒界Ｅｂａがみられ、多結晶からなっていることがわかる。

電極板Ｅａ、Ｅｂには、フッ化系のガスを通すために複数の孔Ｈがそれぞれあけられている。擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｂでは、孔Ｈが単結晶部位に形成されている。図３（ａ）は、図２（ｂ）において矢印IIIで示すように孔Ｈを含む位置で切断した電極板Ｅｂ使用前の拡大した断面図、図３（ｂ）は電極板Ｅｂの使用後の拡大した断面図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）は本実施形態の比較のために示すものであって、図４（ａ）は従前の柱状晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｃの使用前の断面図、図４（ｂ）は、従前の柱状晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｃの使用後の断面図である。

従前の柱状晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｃでは、使用後において孔Ｈのガス出口付近がフッ化系ガスの腐食によって拡がっている（図中符号Ｈａ）。また、電極板Ｅｃの表面に結晶粒に起因する段差の発生が見られる。これは、各結晶によって表面に向く結晶方位が異なるため、表面のエッチング速度が異なるためである。

一方、擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板Ｅｂでは、使用後において孔Ｈのガス出口付近がフッ化系ガスの腐食によって拡がっているものの（図中符号Ｈａ）、電極板Ｅｂの表面に結晶粒に起因する段差の発生が見られない。これは、電極板Ｅｂがひとつの結晶によって構成され表面に向く結晶方位が同じであるため、表面のエッチング速度に差異が生じないからである。

以上のような構成とされた本実施形態である半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）によれば、複数の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られた擬単結晶シリコンインゴットから切り出して作製されるものであり、従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られるものに比べて、結晶粒界が非常に少ないかあるいは全くないので、例えばプラズマエッチング用の電極板Ｅｂに用いる場合、シリコンウエハのパーティクルの発生、結晶粒界へ偏析した不純物やＳｉＯ_２などの降下によるデバイス不良が低減する。また、電極板に結晶粒に起因する段差の発生が少なくなり、ほぼ均一なエッチングが可能となる。

また、るつぼ２０の底部に複数個の種結晶Ｃを配置する際に、各種結晶Ｃを同じ結晶方位で配列する場合には、それら種結晶Ｃから成長する単結晶は同じ結晶方位となり、あたかも単結晶のシリコンインゴットが得られる。この結果、このようなあたかも単結晶のシリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）を例えばプラズマエッチング用の電極板として用いる場合には、エッチングの均一性をより高めることができる。

また、るつぼ２０の底部に種結晶Ｃを配置する際に、互いの種結晶Ｃ同士の間に隙間を形成することなく密着させる場合には、種結晶Ｃの間で結晶が個々に成長する現象を回避することができ、結晶粒界がより少ない柱状晶シリコンインゴットを得ることできる。この結果、このような結晶粒界がより少ない柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）を例えばプラズマエッチング用の電極板として用いる場合には、エッチングの均一性をより高めることができる。

ここで、実施形態の半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）では、使用部位表面に露出している面積の少なくとも３５％以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められることが好ましく、同面積の１/２以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められることがより好ましく、同面積の２/３以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められることがさらにより好ましい。
この場合、従前の柱状晶シリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）では、通常、使用部位表面において１つの結晶粒で占められる面積が使用部位表面全体の１／３に満たない。このような従前の半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）材を例えばプラズマエッチング用の電極板として用いる場合には、前記「発明が解決しようとする課題」で述べた不具合が生じる。

これに比べ、本願発明の半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）は、使用部位表面に露出している面積の少なくとも３５％以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められるので、結晶粒界が少ない。このため、上記不具合が解消される。また、使用部位表面に露出している面積の少なくとも１/２以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められる場合には、より均一性の高いエッチングが可能となる。さらに、使用部位表面に露出している面積の少なくとも２/３以上が１つの結晶粒とみなされる結晶（面方位が同じ）で占められる場合には、より一層均一性の高いエッチングが可能となる。

また、実施形態の半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）は使用部位の全体がひとつの結晶粒からなっていることが好ましい。
この場合、単結晶のシリコンインゴットから切り出して得られる半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）とほぼ同等の性能を発揮することができる。
また、本願発明の半導体装置用シリコン部材（ドライエッチング用シリコン部材）は、５３０ｍｍφ以上の比較的大型のサイズの部材を容易に製作することができる。
尚、結晶粒の大きさは、エッチング速度の結晶方位依存性の高いＫＯＨやＮａＯＨなどのアルカリエッチングをおこない、個々の結晶を判別し画像解析装置を用いてサイズを測定した。

ところで、ＣＺ法による単結晶シリコンから作製された電極板は、一方向凝固シリコン（多結晶、擬単結晶）より酸素濃度が高く、また、窒素は一般的に含有されていないので、プラズマエッチング時のエッチングレートが大きく電極の消耗が速い。ここで、一方向凝固シリコン（多結晶、擬単結晶）の酸素濃度が低いのは、シリカるつぼの内面にシリコンナイトライドをコーティングしているので直接シリコン融液と接しないため、ＳｉＯ_２の溶け込みが非常に小さい為である。また、窒素が含有されるのは、シリカるつぼ内面のシリコンナイトライドコーティング層のシリコンナイトライドがシリコン融液に溶解して溶け込むためである。酸素濃度が低く、窒素が固溶限以下で固溶している場合は、プラズマエッチングによるエッチングレートが小さいので、一方向凝固シリコンは、ＣＺ法の単結晶シリコンに比べてエッチングレートが小さいという特徴を持っている。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、前記実施形態では、本発明の半導体装置用シリコン部材として、プラズマエッチング用の電極を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、図５に示すように、プラズマエッチング用として用いる、保護リング、シールリング、アースリング等の各種リングＲ等に用いても良い。なお、ここでは、リングＲの一部に、多結晶からなる部位Ｒａが見られる。
また、本発明の半導体装置用シリコン部材は、必ずしも、プラズマエッチング用シリコン部材に限られることなく、プラズマを用いることなく反応ガス中に材料に曝す反応性ガスエッチング用シリコン部材にも適用可能である。

以下、本発明の実施例を説明する。
参考例として、ポリシリコン１７６ｋｇを入れた内径５７０ｍｍφのるつぼを鋳造炉に入れ溶解し、従前の手法である一方向凝固により、内径５７０ｍｍφ×３００ｍｍＨの円柱状の一方向凝固シリコンインゴットを鋳造した。図６はこの柱状晶シリコンインゴットＩａの縦断面の模式図、図７はこの柱状晶シリコンインゴットＩａの横断面の模式図である。図７中の複数の直線は全て直線近似された粒界Ｌを示し、後述する総粒界長さＬＳとは、測定範囲内に存在する粒界Ｌの総和を意味する。この柱状晶シリコンインゴットＩａは平均結晶粒径が５ｍｍであった。

次に、同サイズのるつぼを用い、るつぼの底部に２００ｍｍ(縦)×２００ｍｍ(横)×１０ｍｍ（厚さ）、結晶面方位[００１]の単結晶シリコン板からなる種結晶Ｃをそれぞれ１ｃｍの隙間を空けて配置した。なお、るつぼの底部の内周部分には、２００ｍｍ(縦)×２００ｍｍ(横)×１０ｍｍ（厚さ）、結晶面方位[００１]の単結晶シリコン板をウォータージェットで矩形に切断したものを、隙間を生じさせることなく過不足なく埋めた。原料シリコンの総重量は、底部に敷き詰めた種結晶を含めて１７６ｋｇとした。種結晶Ｃの配置例を図１６（ｃ）に示す。下部の種結晶が完全に溶けないように、下部ヒータの出力を調整し、シリコン原料を上から溶かした。るつぼの底部の温度を１３８０℃にし、結晶を一方向に凝固させる為に、下部ヒータと上部ヒータの各出力をコントロールして当該結晶を成長させた。
このようにして製造したものが、図８、図９に示す擬単結晶シリコンインゴットＩｂである。図８は擬単結晶シリコンインゴットＩｂの縦断面の模式図、図９は擬単結晶シリコンインゴットＩｂの横断面の模式図である。

擬単結晶シリコンインゴットＩｂでは、種結晶Ｃと種結晶Ｃの境目にわずかに小さい結晶が形成されたが、ほぼ、底部の単結晶をそのまま引きついで結晶成長した。その結果、種結晶部分から単結晶の結晶方位を引き継ぎながら結晶が成長し、ほぼ単結晶板と同サイズの単結晶部Ｉｂaをもつ擬単結晶シリコンインゴットＩｂを鋳造できた。単結晶部Ｉｂaの最大サイズは一辺が１４０ｍｍ、対角線で２００ｍｍ長であった。単結晶部Ｉｂaの結晶面方位は[００１]であった。
また、同様に２００ｍｍ(縦)×２００ｍｍ(横)×１０ｍｍ（厚さ）、結晶面方位[１１１]の単結晶シリコン板からなる種結晶Ｃを用いて、上述したものと同様な方法で擬単結晶を鋳造した。この場合でも、ほぼ同様の擬単結晶シリコンインゴットを得ることができた。その際の単結晶部Ｉｂaの結晶面方位は[１１１]であった。

次に、るつぼの底部の平坦性の良い一辺６７０ｍｍ×６７０ｍｍ×４２０ｍｍの角形るつぼを選び、内底面の外周部を除いて６００ｍｍ×６００ｍｍの領域に、３００ｍｍ×３００ｍｍ×１０ｍｍ、結晶面方位[００１]の単結晶シリコン板からなる種結晶Ｃを隙間が無いように敷き詰めた。種結晶Ｃの配置例を図１６（ｂ）に示す。前述の底部に種結晶Ｃを配して一方向に凝固させてシリコンインゴットＩｂを鋳造したときと同じ条件で擬単結晶シリコンインゴットＩｃを鋳造した。図１０は製造した擬単結晶シリコンインゴットＩｃの縦断面の模式図、図１１は同擬単結晶シリコンインゴットＩｃの横断面の模式図である。
擬単結晶シリコンインゴットＩｃでは、中央の６００ｍｍ×６００ｍｍの領域Ｉｃａに小さな結晶粒が形成されず、この領域は全体が単結晶状になった。この単結晶部位の結晶面方位は[００１]であった。また、この擬単結晶シリコンインゴットＩｃにおいて外周３５ｍｍの領域Ｉｃｂは、平均結晶粒径が５ｍｍの柱状晶であった。

また、るつぼの底部の平坦性の良い一辺６７０ｍｍ×６７０ｍｍ×４２０ｍｍの角形るつぼを選び、内底面の外周部を除いて６００ｍｍ×６００ｍｍの領域に、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍ、結晶面方位[００１]の単結晶シリコン板からなる種結晶Ｃを隙間が無いように敷き詰めた。種結晶Ｃの配置例を図１６（ｂ）に示す。前述の底部に種結晶Ｃを配して一方向に凝固させてシリコンインゴットＩｃを鋳造したときと同じ条件で擬単結晶シリコンインゴットIｅを鋳造した。図１４は製造した擬単結晶シリコンインゴットＩｅの縦断面の模式図、図１５は同擬単結晶シリコンインゴットＩｅの横断面の模式図である。
擬単結晶シリコンインゴットＩｅは、中央の６００ｍｍ×６００ｍｍの領域Ｉｅａに小さな結晶粒が形成されず、この領域は全体が単結晶状になった。この単結晶部位の結晶面方位は[００１]であった。また、この擬単結晶シリコンインゴットＩｅにおいて外周３０ｍｍの領域Ｉｅｂは、平均結晶粒径が５ｍｍの柱状晶であった。

さらに、るつぼの底部の平坦性の良い一辺６７０ｍｍ×６７０ｍｍ×４２０ｍｍの角形るつぼを選び、内底面の外周部を除いて６００ｍｍ×６００ｍｍの領域に、３００ｍｍ×３００ｍｍ×１０ｍｍ、結晶面方位[００１]の単結晶シリコン板からなる種結晶Ｃを隙間を空けて配置した。種結晶Ｃの配置例を図１６（ａ）に示す。前述の底部に種結晶Ｃを配して一方向に凝固させてシリコンインゴットＩｂを鋳造したときと同じ条件で擬単結晶シリコンインゴットＩｄを鋳造した。図１２は製造した擬単結晶シリコンインゴットＩｄの縦断面の模式図、図１３は同擬単結晶シリコンインゴットＩｄの横断面の模式図である。
なお、これら擬単結晶を鋳造する場合、２００ｍｍ(縦)×２００ｍｍ(横)×１０ｍｍ（厚さ）、結晶面方位[１１１]の単結晶シリコン板を種結晶Ｃとして用い、上述したものと同様の方法で、擬単結晶を鋳造した。この場合でも、ほぼ同様の擬単結晶シリコンインゴットを得ることができた。その際の単結晶部Ｉｄａの結晶面方位は[１１１]であった。

上述の柱状晶シリコンインゴットＩａ、擬単結晶シリコンインゴットＩｂ、Ｉｃ、Ｉｅと従来から用いている単結晶からなるシリコンインゴットから、それぞれ３８０ｍｍφ×１０ｍｍのドライエッチング用電極板を作製した。従前の柱状晶シリコンインゴットＩａから作製したものを「柱状晶」、擬単結晶シリコンインゴットＩｂから作製したものを「擬単結晶１」、擬単結晶シリコンインゴットＩｃから作製したものを「擬単結晶２」、擬単結晶シリコンインゴットＩｅから作製したものを「擬単結晶３」、単結晶シリコンインゴットから作製したものを「単結晶」と呼ぶ。これら試料について、モニター用３００ｍｍシリコンウエハを用い、その３００ｍｍφの単結晶シリコンウエハ表面のパーティクルの数と表面の不純物濃度を測定し比較した。尚、パーティクル数はパーティクルカウンター（KLA-Tencor Surfscan）を用いて測定した。

パーティクル数の測定は、以下の手順で実施した。３００ｍｍφ用酸化膜ドライエッチャーの平行平板型装置を用い、電極板に単結晶シリコンと柱状晶シリコンをそれぞれ用いた。動作圧力は７００ｔｏｒｒ、ＲＦパワー：３００Ｗ、ガスはＣＦ_４、Ｈｅを４：１に混合したガスを８００ｃｍ^３／ｍｉｎ流した。２００回エッチングを実施した後、装置中にモニター用３００ｍｍφウエハを置き、ＲＦパワーはｏｆｆとして不活性ガスのＡｒを流した状態で１分間暴露し、暴露前後のパーティクルの増加数を調べた。その後、表面の不純物濃度を測定した。
その結果を下記表１に示す。

表１から、従前の柱状晶シリコンインゴットＩａから作製した電極板（柱状晶）に比べ、擬単結晶シリコンインゴットＩｂ、Ｉｃ、Ｉｅから作製した電極板（擬単結晶１，２，３）を用いた場合、ともにパーティクルが少なくなっていることが確認された。特に、擬単結晶２及び擬単結晶３の電極板は、単結晶シリコンから作製したものまでに減少しないまでも、それに近づく程度まで減少していることが確認できた。

また、不純物濃度は、電極板に使用した柱状晶、擬単結晶1、擬単結晶２、擬単結晶３、単結晶に使用した結晶の一部を用いて、ＩＣＰ−ＭＳ法を用いて測定した。
その結果を下記表２に示す。

表２から、従前の柱状晶シリコンインゴットＩａから作製した電極板（柱状晶）に比べ、擬単結晶シリコンインゴットＩｂ、Ｉｃ、Ｉｅから作製した電極板（擬単結晶１，２，３）を用いた場合、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎの不純物濃度が減少していることが確認された。

また、上述のドライエッチング用電極板について単結晶領域面積を測定し、全断面積に対する割合を算出した。なお、単結晶領域は図９、図１１、図１３、図１５中の破線で示すように、大きな単結晶領域の外側の多結晶領域の多結晶から内側数ｍｍを単結晶との境として単結晶領域を矩形で囲み、この面積の総和を元の結晶の横断面積で割って求めた。
その結果を下記表３に示す。

表３から、角型擬単結晶1では単結晶領域が３６％、角型擬単結晶２では単結晶領域が５１％、角型擬単結晶３では単結晶領域が５４％であることがわかる。また、丸型擬単結晶１では単結晶領域が３５％であることがわかる。

また、上述のドライエッチング用電極板について粒界密度を測定した。なお、粒界密度は以下のように定義した。断面内のすべての結晶粒の粒界の長さを足し、それを元の結晶の断面積で割った値を粒界の密度とした。なお、本実施例では、一方向凝固の凝固方向に直交する断面で測定した。
その結果を下記表４に示す。

表４から、角型柱状晶では粒界密度が０．２６、角型擬単結晶1では粒界密度が０．１７、角型擬単結晶２では粒界密度が０．１１、角型擬単結晶３では粒界密度が０．１０であることがわかる。また、丸型柱状晶では粒界密度が０．２８、丸型擬単結晶１では粒界密度が０．２４であることがわかる。

また、上述の柱状晶シリコンインゴット、擬単結晶シリコンインゴット、従来から用いている単結晶からなるシリコンインゴットから作製された半導体装置用シリコン部材のプラズマエッチングレートを評価した

プラズマエッチング用試料は、各インゴットから、１００ｍｍ角×厚さ１ｍｍの板を切り出し、板の主面を鏡面研磨して供試材を製造した。プラズマエッチング装置（株式会社ユーテック製ＹＲ−４０１１ １Ｈ−ＤＸII）を用いてプラズマエッチング処理を行い、エッチング部とマスク部との段差を、表面粗さ計（Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製Ｄｅｋｔａｋ）を用いて測定し、エッチング速度を算出した。なお、プラズマエッチング条件は、真空度：５０ｍＴｏｒｒ、エッチング時間：３０分、エッチングガス：ＳＦ_６、エッチングガス流量：１０ｓｃｃｍ、出力：１００Ｗとした。
また、これらの半導体装置用シリコン部材の酸素濃度及び窒素濃度、並びに、エッチング後のパーティクルの個数を測定した。
その結果を下記表５に示す。

表５から、酸素濃度が４．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下で、窒素濃度が７．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｍｌ以上３．１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下で、エッチングレートが遅いことが分かる。窒素濃度が４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｍｌ以上ではＳｉ_３Ｎ_４の析出物が生じる為である。なお、４５０ｍｍφ、５００ｍｍφ、５３０ｍｍφでも同様の結果が得られた。

Ｃ 種結晶
Ｉｂ 擬単結晶シリコンインゴット
Ｉｃ 擬単結晶シリコンインゴット
Ｉｅ 擬単結晶シリコンインゴット
Ｅｂ 擬単結晶シリコンインゴットから作製した電極板
Ｒ 擬単結晶シリコンインゴットから作製したリング

Claims (10)

1. るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置し、るつぼ内の溶融シリコンを一方向凝固させることにより前記複数個の種結晶それぞれから単結晶を成長させて得られた柱状晶シリコンインゴットから作製されることを特徴とする半導体装置用シリコン部材。
2. 請求項１に記載の半導体装置用シリコン部材がドライエッチング用シリコン部材として用いられることを特徴とする半導体装置用シリコン部材。
3. 前記るつぼ底部に複数個の前記種結晶を配置する際に、各種結晶を同じ結晶方位で配列することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置用シリコン部材。
4. 前記るつぼの底部に前記種結晶を配置する際に、互いの種結晶同士の間に隙間を形成することなく密着して配置することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
5. 使用部位表面に露出している面積の少なくとも３５％以上が１つの結晶粒にみなされる結晶（面方位が同じ）で占められることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
6. 使用部位の全体がひとつの結晶粒からなっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
7. 断面における結晶粒の粒界長さの合計ＬＳと断面積Ａとから算出される粒界密度Ｐ＝ＬＳ／Ａが０．２４以下とされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
8. 結晶中の酸素濃度が４．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
9. 結晶中の窒素濃度が７．５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｍｌ以上３．１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｍｌ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置用シリコン部材。
10. るつぼ底部に単結晶シリコン板からなる複数個の種結晶を配置する単結晶シリコン板配置工程と、
    前記単結晶シリコン板が配置されたるつぼ内にシリコン原料を装入し、前記単結晶シリコン板が完全に溶解しない条件で前記シリコン原料を溶融してシリコン融液を得るシリコン原料溶融工程と、
    前記シリコン融液を、前記単結晶シリコン板が配置される前記るつぼ底部から上方に向けて一方向凝固させて柱状晶シリコンインゴットを得る一方向凝固工程と、
    前記柱状晶シリコンインゴットを加工して半導体装置用シリコン部材とする加工工程と、
    を備えていることを特徴とする半導体装置用シリコン部材の製造方法。

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