JP2008266090A - シリコン結晶素材及びこれを用いたｆｚシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶のシリコン結晶素材であって、ＦＺ法単結晶製造の原料棒として用いられ、クラックや破断が生じることなく、ＦＺ炉内に懸垂保持するための被把持部を有する大口径の有転位又は多結晶のシリコン結晶素材を提供すること。
【解決手段】ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いられるシリコン結晶素材であって、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンであり種結晶部と、この種結晶部から結晶成長した漸次拡径する肩部と、円柱状の直胴部と、漸次縮径する尾部と、を有する。そして、ＣＺ炉内で結晶成長させて炉内から取り出される前に、所定時間かけて所定温度にまで徐冷される徐冷工程を経て製造され、３００℃下における残留応力が０．６ＭＰａ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明はＦＺ法（フローティングゾーン法、浮遊帯液溶融法）によるシリコン単結晶製造の原料棒として用いられるシリコン結晶素材、及びこれを用いたＦＺシリコン単結晶の製造方法に関する。特に、大口径のＦＺシリコン単結晶を製造する際に用いられる、ＣＺ法により製造されたシリコン結晶素材、及びこれを用いたＦＺシリコン単結晶の製造方法に関する。

現在、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）等のデバイスとして工業的に広く用いられている半導体としては、シリコンが代表的である。このような半導体産業等において用いられるシリコン単結晶は、多結晶シリコンを原料として、多結晶棒に誘導加熱で溶融帯を作りこれを凝固させて単結晶を成長させる浮遊帯溶融法（フローティングゾーン法、ＦＺ法と略称される。）、又は、多結晶を坩堝に入れて加熱溶融し、種結晶を融液に浸漬してから引き上げて種結晶後方に単結晶インゴットを成長させる引上げ法（チョクラルスキー法、ＣＺ法と略称される。）によって製造されている。

これらの製法は単結晶の用途によって適宜選択され、通常、ＦＺ法によって製造された単結晶は高抵抗率の用途、ＣＺ法により製造された単結晶は低〜中抵抗率の用途に供される。

近年では、移動体通信用の半導体デバイスや最先端のＣ−ＭＯＳデバイスにおいて、寄生容量の低減が必要とされている。信号の伝送ロスやショットキーバリヤダイオードにおける寄生容量は、高抵抗率の基板を用いることによって効果的に低減できることが報告されている。このため、高耐圧パワーデバイスやサイリスタ等のパワーデバイス作製用には、フローティングゾーン法（ＦＺ法）により製造された高抵抗率のシリコンウェハが使用されてきた。

ところで、近年、半導体デバイスの性能向上とコストの低減のため、大口径のシリコンウェハが求められている。このため、直径が２００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶が求められており、このような大口径のシリコン単結晶を製造する方法の開発が望まれていた。

ＦＺ法により、大口径、特に１５０ｍｍ以上のシリコン単結晶を製造する場合には、１４０ｍｍ以上の口径の多結晶シリコン素材を原料棒として用いることが好ましいとされている。例えば、直径２００ｍｍのシリコン単結晶の製造する方法として、直径１４５ｍｍ以上の多結晶シリコンをシリコン原料棒とする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

このように、通常は出来るだけ直径の大きいシリコン原料棒からシリコン単結晶を製造することが生産性等の点で有利であるが、市販されている多結晶シリコンのシリコン原料棒は、気相成長により製造されているため、口径の大きい、特に直径１５０ｍｍ以上の多結晶シリコンを製造するのは困難である。また、多結晶シリコンは大口径になると均一な粒界組織にならないという欠点を有する。従って、例えば直径１６０ｍｍの多結晶シリコン原料棒を使用して、ＦＺ法により直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造した場合、１回のＦＺ法による単結晶の製造では無転位にならず、この操作を繰り返す必要があるため、製造歩留りが極めて低くなるという問題が報告されている。また、大口径の多結晶シリコンは単価が高いという欠点も有する。

これに対して、大口径のシリコン結晶棒をＣＺ法により製造し、得られたＣＺシリコン結晶棒を用いてＦＺシリコン単結晶を製造する試みがなされている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００３−５５０８９号公報 特開２００５−２８１０７６号公報 特開２００５−３０６６５３号公報

しかしながら、ＦＺ法による結晶成長の場合、原料のシリコン棒であるシリコン結晶素材をＦＺ炉内に懸垂保持する必要があるところ、通常の円筒形のＣＺ法により製造されたシリコン結晶素材では、これを把持する部分がない。このため、ＣＺ法により製造されたシリコン結晶素材の肩部、尾部を切断した後、溝等の機械加工を施し、この部分を把持してＦＺ炉内に装填する必要があった。また、特許文献２及び３に開示されているように、ネジ等で固定する必要があった。このため、シリコン結晶素材に把持するための溝等の加工作業を要するので、製造工程が煩雑となるだけでなく、材料の加工ロス、サイクルタイムが長くなる等の不都合があった。

本発明者らはこの問題点に着目し、ＣＺ法でシリコン結晶素材を製造する際に、結晶の成長条件を一時的に変更して作成した被把持部を有するシリコン結晶素材及びその製造方法を提案している。これによれば、被把持部を有する口径の大きなシリコン結晶素材が比較的低コストで製造することができるが、ＣＺシリコン単結晶の結晶成長条件に変更を加えて被把持部を形成するためには、結晶成長条件を制御する必要がある。

ところで、前述した通り、ＣＺ法で製造された口径の大きなシリコン結晶を用いてＦＺシリコン単結晶を製造することは従来から行われていたが、有転位又は多結晶のシリコン結晶素材をＣＺ法により製造し、これをＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いることはこれまで行われていなかった。これは、５００℃程度の高温度下のＣＺ炉内から急に結晶を取り出す際に、単結晶のシリコン結晶ではクラックや破断を生じないのに対して、有転位又は多結晶のシリコン結晶素材ではクラックや破断を生じやすく、ＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いた場合に、シリコン結晶素材が破損して脱落するおそれがあったことによる。

しかしながら、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶のシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として利用できれば、上述したような結晶成長条件を制御する必要もなくなり、有益である。

本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いることが可能なシリコン結晶素材として、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンであっても、ＣＺ製造工程に工夫を凝らすことにより、高い機械的強度を有するシリコン結晶素材が得られ、ＦＺ法によるシリコン単結晶製造の原料棒として用いることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

より具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。

（１） ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いられるシリコン結晶素材であって、前記シリコン結晶素材は、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンであることを特徴とするシリコン結晶素材。

（１）によれば、ＦＺ法によるシリコン単結晶製造の原料棒として、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンを用いることができる。ＣＺ法により大口径の原料棒を製造できるため、大口径のＦＺシリコン単結晶を製造することができる。また、ＣＺシリコン単結晶の結晶成長条件に変更を加えて被把持部を形成する方法のように、結晶成長条件を制御する必要が無い。従って、大口径のＦＺシリコン単結晶を低コストで簡易に製造することが可能である。

（２） 前記有転位又は多結晶シリコンは、３００℃下における残留応力が０．６ＭＰａ以下である（１）記載のシリコン結晶素材。

（２）によれば、有転位又は多結晶シリコンの３００℃下における残留応力が０．６ＭＰａ以下であり、多結晶シリコンの破壊強度０．７５ＭＰａ／ｍ^２を下回っていることから、ＦＺシリコン単結晶の原料棒としての用途に求められる高い機械的強度を有している。このため、該シリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶の原料棒として用いた場合であっても、該シリコン結晶素材を加熱しながら溶解させ、ＦＺシリコン単結晶を成長させている過程で、該シリコン結晶素材にクラックや破断が生じて脱落するおそれがない。

（３） 前記有転位又は多結晶シリコンは、種結晶部と、この種結晶部から結晶成長した漸次拡径する肩部と、円柱状の直胴部と、漸次縮径する尾部と、を有する（１）又は（２）記載のシリコン結晶素材。

（３）によれば、ＣＺ法で用いた種結晶部から直接、結晶成長させて直胴部と一体化させたシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶の原料棒として用いることができる。即ち、有転位又は多結晶シリコンであるので、ＣＺ単結晶製造工程において通常行われるダッシュネック作業（種結晶を細く絞る作業）を行うことなく、種結晶部から直接、結晶成長させて直胴部を形成させることができる。このため、直胴部と種結晶部間における機械的強度が高いことから、種結晶部を把持してＦＺシリコン単結晶の原料棒として用いた場合であっても、破損することなくＦＺ炉内に懸垂保持することができる。

（４） 前記有転位又は多結晶シリコンは、ＣＺ炉内で結晶成長させて炉内から取り出される前に、所定時間かけて所定温度にまで徐冷される徐冷工程を経て製造されたものである（１）から（３）いずれか記載のシリコン結晶素材。

（４）によれば、ＣＺ炉内で結晶成長させて炉内から取り出される前に、所定時間かけて所定温度にまで徐冷される徐冷工程を経て製造されているので、シリコン結晶素材に内在する残留応力が緩和され、クラックや破断が抑制される。このため、このシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造用の原料棒として用いた場合であっても、シリコン結晶素材にクラックや破断が生じて脱落することがない。

この徐冷の方法としては、ＦＺ法でシリコン単結晶を製造する際に、クラックや破断が生じない程度にシリコン結晶素材中の残留応力が低減されるものであれば、特に限定されない。例えば、ＣＺ法による結晶の成長を終了して融液から切り離された後、所定速度で所定高さまで引き上げて所定時間保持する工程を少なくとも１回以上行う等が挙げられる。そして、この徐冷によってシリコン結晶素材の材温が約３００℃程度までに冷却されることが好ましい。

（５） 前記徐冷工程は、前記有転位又は多結晶シリコンを所定速度で所定高さまで引き上げて所定時間保持する工程を少なくとも１回含む（４）記載のシリコン結晶素材。

（５）によれば、有転位又は多結晶シリコンを所定速度で所定高さまで引上げて所定時間保持することで、融液面よりも温度が低い雰囲気下で所定時間保持されるので、ＣＺ炉内で結晶成長したシリコン結晶素材は徐々に冷却されることになる。このため、シリコン結晶素材に内在する残留応力が十分に緩和され、ＦＺシリコン単結晶製造の原料棒としての用途に十分に対応できる高い機械的強度が得られる。

（６） （１）から（５）いずれか記載のシリコン結晶素材を用いてＦＺシリコン単結晶を製造することを特徴とするＦＺシリコン単結晶の製造方法。

（６）によれば、（１）から（５）いずれかに記載のシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いるため、大口径のＦＺシリコン単結晶を低コストで簡易に製造することができる。特に、ダッシュネック作業を行わずに種結晶部から直接、結晶成長させたＣＺシリコン結晶素材や、所定の徐冷工程を経る等して所定値以下の残留応力に調整されたＣＺシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いることにより、高い機械的強度が得られるため、破損することなくＦＺ炉内に懸垂保持することができる。

本発明によれば、ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いることが可能なシリコン結晶素材として、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンを提供できる。より詳しくは、所定の徐冷工程等を経る等して残留応力が緩和されたＣＺシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いることにより、破損することなくＦＺ炉内に懸垂保持することができる。また、ダッシュネック作業を行わずに種結晶部から直接、結晶成長させたＣＺシリコン結晶素材をＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いることにより、種結晶部を把持してＦＺシリコン単結晶の原料棒として用いた場合であっても、破損することなくＦＺ炉内に懸垂保持することができる。

以下、本実施形態のシリコン結晶素材について具体的に説明する。

本実施形態に係るシリコン結晶素材は、有転位又は多結晶のＣＺシリコン結晶素材であって、種結晶部と、この種結晶部から結晶成長した漸次拡径する肩部と、円柱状の直胴部と、漸次縮径する尾部と、を有し、高い機械的強度を有することを特徴とする。

また、本実施形態に係るシリコン結晶素材は、ＦＺシリコン単結晶製造の原料棒として用いる大口径の有転位又は多結晶シリコン結晶素材をＣＺ法により製造する過程で、結晶成長終了後の結晶を所定温度まで徐冷する工程を経て製造されたものである。また、ダッシュネック作業を実施することなく、ＣＺシリコン結晶素材を成長させることにより製造されたものであることを特徴とする。

以下、本実施形態に係るシリコン結晶素材について、図面を参照しながら説明する。尚、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲も、これに限定されるものではない。また、以下の実施形態の説明にあたって、同一の構成要件については同一の符号を付し、その説明は省略若しくは簡略化する。

図１は、本実施形態に係るシリコン結晶素材１の模式的縦断面図であり、シリコン結晶素材１は、ざくり部１ｅを有する種結晶部１ｄと、該種結晶部１ｄに連続する肩部１ａと、本体部分の直胴部１ｂと、尾部１ｃとからなる有転位又は多結晶なシリコン結晶である。このため、ＦＺシリコン単結晶の原料棒として用いる際に、種結晶部１ｄを把持することでＦＺ炉内に懸垂保持することができる。

シリコン結晶素材１は、以下で説明するように、ＣＺ法によるシリコン結晶製造において、ダッシュネック作業を行うことなく、種結晶部からシリコン結晶を成長させ、結晶成長終了後に所定時間かけて所定温度にまで徐冷する徐冷工程を経た後に炉内から取り出されて製造される。このため、シリコン結晶素材１中の残留応力が低下されるため、ＦＺ法によるシリコン単結晶製造用の原料棒として用いても、クラックや破断が生じてシリコン結晶素材が脱落することがない。

［有転位又は多結晶のシリコン結晶素材の製造方法］
以下、本実施形態に係る有転位又は多結晶シリコン結晶素材１の製造方法について説明する。図２は、本実施形態に係るシリコン結晶素材１を製造するためのＣＺシリコン結晶素材製造装置の部分模式図で、該ＣＺシリコン結晶素材製造装置２は、ＣＺ炉体３内には、引き上げるべきシリコン結晶素材１の原料である多結晶シリコンの融液４を貯留する石英坩堝５と、石英坩堝５を収容する黒鉛坩堝６とが回転及び昇降自在に設置されている。黒鉛坩堝６の周囲には環状のヒータ７及び黒鉛断熱材８が設置されている。尚、このシリコン結晶素材製造装置２は一例であり、これに特定されるものではない。

次に、このシリコン結晶素材製造装置２を用いたシリコン結晶素材１の引上げ工程について説明する。このシリコン結晶素材１の引上げ工程は、通常行われるダッシュネック作業を行わずに、融液４から引上げられたシリコン結晶素材１を融液４から切り離した後、ＣＺ炉体３内から取り出す前に徐冷する工程を付加するものである。以下、具体的に説明する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、シリコン結晶素材を製造する工程を説明する説明図であり、（ａ）は種結晶を融液から引上げつつ、シリコン結晶素材を成長させる状態を示す図であり、（ｂ）は成長終了後に融液からシリコン結晶素材が切り離された状態を示す図であり、（ｃ）はあらかじめ決められた位置で停止し保持されている状態を示す図であり、（ｄ）は低速度で再上昇される状態を示す図である。

先ず、ヒータ７をオンにし、坩堝５、６内の温度プロファイルを所望の状態に設定し、原料となる塊状の多結晶シリコンを溶融する。その後、ＣＺ炉体３の上部よりＡｒガスを供給してＣＺ炉体３の下部より排気し、例えば炉内圧力を１３３３Ｐａ、Ａｒガスの流量を５０ｌ／ｍｉｎとする。

続いて、多結晶シリコンを溶融した融液４中に種結晶部１ｄを浸漬し、種結晶部１ｄを所定の引上げ速度（通常の引上げ速度０．１〜１ｍｍ／ｍｉｎ）で引上げを行うことにより、肩部１ａを育成する。その後、図３（ａ）に示すように、０．５〜１．５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引き上げを行うことにより、所定の直径を維持しつつ所定の長さの直胴部１ｂを育成する。すなわち、ＣＺ法によるシリコン単結晶製造において、通常に実施されているダッシュネック作業は行わずに、種結晶部１ｄから直接、シリコン結晶素材１の直胴部１ｂの育成が行われる。これにより、有転移又は多結晶のシリコン結晶素材１が育成されることになる。

所定の長さまでに直胴部１ｂを育成した後、急激な熱的歪の増加を避けるため結晶径を徐々に減少させて、尾部１ｃを形成しながらシリコン結晶素材１を図３（ｂ）に示すように、融液４から切り離す。

融液４から引上げられたシリコン結晶素材１は、その下端が、融液４表面から、１００〜２００ｍの高さに到達するまで、通常のＣＺ法において行われている引上げ速度（通常０．１〜１ｍｍ／ｍｉｎ）で、引き上げを行う。又、ヒータ７の出力を落とし、融液４の温度を低下させる。

この高さ位置で、図３（ｃ）に示すように、６０〜１００分間、引き上げを停止して保持する。これにより、引上げられたシリコン結晶素材１は、所定温度まで冷却が行われる。そして、図３（ｄ）に示すように、再び所定の低速度で引き上げを行うことにより、シリコン結晶素材１の育成が完了する。尚、これら停止、保持の工程は、複数回に分けて行ってもよい。このようにして融液４から引上げられたシリコン結晶素材１は、ＣＺ炉体３内で徐冷される。尚、上記の停止、保持の高さ位置や保持時間等の条件は、ＣＺ炉の構造やホットゾーンに応じて、３００℃下における残留応力が０．６ＭＰａ以下となるように適宜設定される。

その後、ＣＺ炉体３を開放して製造したシリコン結晶素材１を種結晶部１ｄ部分が破損しないようにして、ＣＺ炉体３から取り出し、室温まで冷却する。

これにより、シリコン結晶素材１をＦＺシリコン単結晶の製造の原料棒として用いる際に、種結晶部を把持しても破損することがなく、ＦＺ炉内への懸垂保持が可能となる。また、シリコン結晶素材内の残留応力が０．６ＭＰａ以下に低減されたものとなる。

引上げの際に用いる上記種結晶部１ｄの太さは、特に限定されないが、好ましくは１５ｍｍ以上の太さであるのがよい。これは、製造されたシリコン結晶素材１がＦＺシリコン単結晶製造の原料棒としてＦＺ炉内に懸垂保持される際に、種結晶部１ｄが被把持部となって把持されるので、１５ｍｍより細いと破損するおそれがあるためである。また、ざくり部１ｅが形成されたものであるのが好ましいが、形成されてなくてもよい。

［ＦＺシリコン単結晶の製造方法］
次に、本実施形態のシリコン結晶素材１用いたＦＺシリコン単結晶の製造方法について説明する。

図４は、本実施形態に係るＦＺシリコン単結晶製造装置の一例を示す模式的部分断面図である。ＦＺシリコン単結晶製造装置１１は、通常のＦＺシリコン単結晶製造装置と同様の構造のものであり、上部に原料棒（シリコン結晶素材）１４を把持する把持具１３とこれに連続する上軸１２とを、又、下部にＦＺシリコン単結晶用の種結晶１７を保持する結晶保持具１６とこれに連続する下軸１５とを、又、これらの中間部位に誘導加熱コイル（高周波コイル）１９を備える。そして、上軸１２と下軸１５とで回転及び上下方向に移動可能となっている。

上記のＣＺ法により製造されたシリコン結晶素材１は、図４に示すように、ＦＺ成長炉のチャンバー（図示せず）内に設置されたＦＺシリコン単結晶製造装置１１の上軸１２の把持具１３で把持されて、シリコン原料棒１４として取り付けられ、下軸１５の下部結晶保持具１６にはＦＺシリコン単結晶製造用の種結晶１７を取り付ける。

シリコン結晶素材１の単結晶製造装置１１への取り付けは、具体的に以下のようにして行う。

図５に示すように、把持具１３の把持ロッド１３ｂでシリコン結晶素材１の種結晶部１ｄを把持する。この場合の把持具１３としては、種結晶部１ｄを把持できる機構を備えていれば特に限定されるものではないが、例えば、板状の支持部１３ａと、該支持部１３ａに回動可能に取り付けられた複数本（重量のあるシリコン結晶素材を支持するには安定性の観点から３個が好ましく、又それ以上であってもよい）の把持ロッド１３ｂから構成されている。そして、把持ロッド１３ｂの種結晶部１ｄに対向する側面に、シリコン結晶素材側に出し入れ自在にピン１３ｃが形成されているのが好ましい。これによって、種結晶部１ｄの形成されたざくり部１ｅ（図１参照）に、把持ロッド１３ｂのピン１３ｃが挿入されるので、より確実にシリコン結晶素材１が懸垂保持される。尚、図５は、本発明のシリコン結晶素材を把持した状態を模式的に示す部分断面図である。

次いで、シリコン原料棒１４の尾部１ｃの下端をカーボンリング（図示せず）で予備加熱する。その後、チャンバー下部より窒素ガスを含んだＡｒガスを供給しチャンバー上部より排気して、例えば炉内圧力を０．２０ＭＰａ、Ａｒガスの流量を２０ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内窒素濃度を０．５％とする。そして、シリコン原料棒１４を誘導加熱コイル（高周波コイル）１９で加熱溶融した後、尾部１ｃの先端を種結晶１７に融着させ、絞りにより無転位化し、上軸１２と下軸１５を回転させながらシリコン原料棒１４を下降させることで溶解させ、溶融帯（メルト）２０へ融液を供給する。そして、溶融帯２０の下部からＦＺシリコン単結晶２１を１．０〜３．０ｍｍ／ｍｉｎの速度で成長させる。このとき、シリコン原料棒１４を育成する際に回転中心となる上軸１２と、再結晶化の際にシリコン単結晶２１の回転中心となる下軸１５とは同軸とし、回転中心が一致するようにして回転する。そして、この回転は順転と反転とを交互に行いながら単結晶を育成することが好ましい。このように順転と反転とを交互に繰り返すことにより再結晶化の際に溶融状態を攪拌させ、製造するシリコン単結晶２１の面内抵抗率分布等の品質を均一化することができる。順転及び反転の移動角度、回転速度等は例えばシリコン単結晶の直径に応じて適宜設定すればよい。

こうして、ＣＺ法により製造されたシリコン原料棒（シリコン結晶素材）１４中に含まれる不純物（ドーパント）を溶融帯中に均一分散させることができるので、ＦＺシリコン単結晶２１中のドーパントは均一に分散されたものとでき、その結果、結晶面内の抵抗率分布が良好なシリコン単結晶となる。

また、再結晶化を行う際に、ドーパントをガスドープしてもよい。この場合、ドープガス種の選択、ドープ量の調整により、シリコン単結晶の導電型を原料棒の導電型と同じものにも反対のものにもでき、抵抗率を任意に調整することができる。

以下、本発明の実施例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。

［実施例１］
ＣＺ法において通常行われるダッシュネック作業を実施せずに、太さφ２０ｍｍの種結晶を用いて、直胴部の直径が１５０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのＦＺシリコン単結晶用の原料棒となるシリコン結晶素材を引き上げた。このとき、ボロン、リン、砒素、アンチモン等のドーパント（不純物）は添加しなかった。そして、種結晶部１ｄとシリコン結晶素材１の直胴部１ｂの肩部１ａとがそのまま繋がって一体化しているシリコン結晶を成長させた。

ＣＺ炉内での結晶成長終了後に、融液面から切り離した後、６２５ｍｍ／ｍｉｎの速度で、１３５ｍｍの高さ位置まで引上げ、同位置で保持して７６分間放置した。この時間内に、ヒータの出力を落として、坩堝内に残った融液を凝固させた。この操作により、シリコン結晶素材の材温の最高温度は、１４００℃から９３４℃まで冷却された。

次に、再び６２５ｍｍ／ｍｉｎの速度で、８５４ｍｍの高さ位置に引上げ、同位置で保持して１２０分間放置した。この操作により、シリコン結晶素材の材温の最高温度は、９３４℃から７４７℃まで冷却された。

この後、０．０１ｍｍ／ｍｉｎの速度で１６０分間引上げた。この操作により、シリコン結晶素材の材温の最高温度は、７４７℃から３５７℃まで冷却された。

更に、１．０ｍｍ／ｍｉｎの速度で２０分間引上げた。この操作により、シリコン結晶素材の材温の最高温度は、３５７℃から３０４℃まで冷却された。参考までに、シュミレーションにより、この最終段階での応力値を算出すると、０．５５ＭＰａであった。

上記まで材温を下げた後に、炉を開放し、シリコン結晶素材を取り出し、炉外で室温までに冷却させた。尚、シリコン結晶素材をＣＺ炉内から取り出す際には、種結晶部を破損することなく、そのまま取り出した。

このようにして、種結晶と結晶本体（直胴部）とが繋がって一体化した直胴部の直径が１５５ｍｍ、長さが１０００ｍｍの有転移又は多結晶のシリコン結晶素材を製造した。

得られたシリコン結晶素材の表面を混酸洗浄した後、内部に種結晶部を収納してピンを種結晶部のざくり部分に挿入する把持具にて、シリコン結晶素材の種結晶部を把持して、ＦＺ炉内にシリコン結晶素材を装填した。尚、装填に当たっては、ＣＺ結晶成長時に、種結晶と本体部結晶（直胴部）の回転中心は一致しているので、ＦＺ炉内でのシリコン結晶素材回転のための芯だし作業は不要であった。

その後、通常に行われているＦＺ法によりシリコン単結晶の成長を行い、直胴部の直径が１５０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。尚、引上げの最中には、ガスドープによりフォスフィンを吹きつけながら実施することでＮ型の単結晶とした。

［比較例１］
通常に行われているＣＺ法により、直胴部の直径が１５５ｍｍ、長さが１０００ｍｍのシリコン結晶素材を製造した。

次いで、得られたシリコン結晶素材の肩部又は尾部を切り落とし、切り落とした側の近傍の外周面に深さ５ｍｍ、幅５ｍｍの溝を機械加工により形成した。

次に、この溝を利用して、シリコン結晶素材を把持具に取り付け、ＦＺ炉内に装填した。そして、シリコン結晶素材回転のための芯だしを行った。

その後、実施例１と同様の条件でＦＺ法によりＦＺシリコン単結晶の育成を行い、直胴部の直径が１５０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。

［比較例２］
ＦＺシリコン単結晶の原料棒として、市販されている直胴部の直径が１５５ｍｍ、長さが１０００ｍｍの多結晶素材について、比較例１と同様にして溝を機械加工により形成し、比較例１と同様にして、この溝を利用して、シリコン結晶素材を把持具に取り付け、ＦＺ炉内に装填した。そして、シリコン結晶素材回転のための芯だしを行った。その後、実施例１と同様の条件で、直胴部の直径が１５０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのＦＺシリコン単結晶を製造した。

実施例１及び比較例１で得られたそれぞれのＦＺシリコン単結晶について、結晶の抵抗率分布、酸素濃度、結晶欠陥分布を評価した。その結果を表１に示した。

表１の結果より、実施例１のＦＺシリコン単結晶は、比較例１、２のＦＺシリコン単結晶と結晶品質において同等であることが確認された。

本発明に係るシリコン結晶素材の模式的縦断面図である。 本発明に係るシリコン結晶素材を製造するために用いられるＣＺシリコン結晶素材製造装置の模式図である。 本発明に係るシリコン結晶素材の製造工程を説明するための図面である。 本発明に係るＦＺシリコン単結晶製造装置の一例を模式的に示す部分断面図である。 本発明に係るシリコン結晶素材を把持した状態を模式的に示す部分断面図である。

符号の説明

１ シリコン結晶素材
１ａ 肩部
１ｂ 直胴部
１ｃ 尾部
１ｄ 種結晶部（被把持部）
１ｅ ざくり部
２ ＣＺシリコン結晶素材製造装置
３ ＣＺ炉体
４ 融液
５ 石英坩堝（ＣＺ坩堝）
６ 黒鉛坩堝
７ ヒータ
８ 黒鉛断熱材
１１ ＦＺシリコン単結晶製造装置
１３ 把持具
１３ａ 支持部
１３ｂ 把持ロッド
１３ｃ ピン
１４ シリコン原料棒（シリコン結晶素材）
１９ 誘導加熱コイル（高周波コイル）
２０ 溶融帯
２１ ＦＺシリコン単結晶

Claims (6)

1. ＦＺ法によるシリコン単結晶の製造に用いられるシリコン結晶素材であって、
   前記シリコン結晶素材は、ＣＺ法により製造された有転位又は多結晶シリコンであることを特徴とするシリコン結晶素材。
2. 前記有転位又は多結晶シリコンは、３００℃下における残留応力が０．６ＭＰａ以下である請求項１記載のシリコン結晶素材。
3. 前記有転位又は多結晶シリコンは、種結晶部と、この種結晶部から結晶成長して形成された漸次拡径する肩部と、円柱状の直胴部と、漸次縮径する尾部と、を有する請求項１又は２記載のシリコン結晶素材。
4. 前記有転位又は多結晶シリコンは、ＣＺ炉内で結晶成長させて炉内から取り出される前に、所定時間かけて所定温度にまで徐冷される徐冷工程を経て製造されたものである請求項１から３いずれか記載のシリコン結晶素材。
5. 前記徐冷工程は、前記有転位又は多結晶シリコンを所定速度で所定高さまで引上げて所定時間保持する工程を少なくとも１回含む請求項４記載のシリコン結晶素材。
6. 請求項１から５いずれか記載のシリコン結晶素材を用いてＦＺシリコン単結晶を製造することを特徴とするＦＺシリコン単結晶の製造方法。

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