JP2004250297A

JP2004250297A - 化合物半導体単結晶の製造方法

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Publication number: JP2004250297A
Application number: JP2003044159A
Authority: JP
Inventors: Michinori Wachi; 三千則和地
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】断面積一定部３ｃにおける結晶化速度を断面積増加部３ｂにおける結晶化速度より速くすることにより、断面積増加部３ｂ及び断面積一定部３ｃにおける固液界面１３の形状が共に原料融液１１側に凸面形状となるので、結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶１２が得られる。この場合、固液界面の形状が原料融液側に向かって凸面となる最大結晶化速度を種付け部を含む断面積増加部で予め求めておき、上部種付け部を含む断面積増加部における結晶化速度を上記最大速度以下であり、且つ断面積一定部の結晶化速度以下とするのが好ましい。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は化合物半導体単結晶の製造に用いられる製造装置の概念図である。
【０００３】
この製造装置１は、主に、種結晶２を収容する種結晶収容部３ａ、種結晶収容部３ａの上側に形成され、上側に向かって断面積が増加する略漏斗状の断面積増加部３ｂ及び断面積増加部３ｂの上側に形成され断面積が一定の円筒状の断面積一定部３ｃを有する有底無蓋の容器（るつぼ）３と、この容器３を収容するためのるつぼサセプタ９からなり、るつぼ３と略同形状のるつぼサセプタ９と、るつぼサセプタ９を保持するサセプタ４と、るつぼサセプタ９の外側にるつぼサセプタ９を包囲するように配置され、下側から上側に向かって温度が高くなる温度勾配を有するヒータ５と、サセプタ４の下端に支持軸１６０が接続され、容器３をその支持軸１６０と共に昇降、回転自在とする機構と、圧力容器８とで構成されている。
【０００４】
なお、図中、１０はるつぼサセプタ９の蓋であり、容器３内には原料融液１１と結晶固化部（単結晶）１２とが示されている。また、排気手段やガス導入手段は省略されている。
【０００５】
この種の製造装置１を用いた化合物半導体単結晶の製造方法として、容器３の種結晶収容部３ａに予め化合物半導体の種結晶２を配置しておき、その容器３内に化合物半導体単結晶の図示しない原料（固体）及び液体封止剤１６となる封止剤（固体）を収容し、容器３をるつぼサセプタ９内に収容し、るつぼサセプタ９を圧力容器８内のサセプタ４に装填し蓋１０をるつぼサセプタ９に被せ、圧力容器８内を不活性ガスで置換し、ヒータ５で容器３を加熱して原料を溶融して原料融液１１とし、固体の封止剤を溶融した後、容器３ごとるつぼサセプタ４を、温度勾配に対して相対的に移動させることで種結晶２との接触部（種付け部２ａ）から徐々に上方に単結晶化させ、最終的には原料融液１１全体を単結晶化させて化合物半導体単結晶のインゴット（図示せず。）を得ることが行われている（垂直ブリッジマン法「ＶＢ法」、垂直温度勾配凝固法「ＶＧＦ法」）。
【０００６】
なお、図３は従来の化合物半導体単結晶の製造方法における単結晶の種付け部からの成長長さと結晶化速度との関係を示す図であり、横軸が種付け部からの化合物半導体単結晶の成長長さを示し、縦軸が結晶化速度を示す。
【０００７】
同図に示すように、結晶化速度は種付け部から結晶成長最終部まで一定であるのが分かる。
【０００８】
これらＶＢ法やＶＧＦ法は、引き上げ法に比べて小さな温度勾配の下で単結晶を成長させることができるので、転位等の結晶欠陥の少ない単結晶を得ることができる。
【０００９】
ＶＢ法やＶＧＦ法は、このような種結晶２を収容する種結晶収容部３ａ、断面積増加部３ｂ及び断面積一定部３ｃを有する容器３を用いるのが一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−２３８８７０号公報（第３頁、図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、化合物半導体の単結晶を製造するに際し、ＶＢ法やＶＧＦ法により、結晶化速度が一定になるように設定して単結晶成長を行うと、原料融液と結晶固化部との界面（以下「固液界面」という。）は、種結晶から上側に向かって断面積（径）が増加する「増径部」と、断面積（径）が最大のまま上側に向かう「成長結晶部」の増径部では原料融液側に凹面形状となり、成長結晶部の中期から後期では原料融液側に凸面形状となるのが一般的である。
【００１２】
ここで、固液界面形状の変化について図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【００１３】
図４（ａ）は図２に示した製造装置を用いた化合物半導体単結晶の増径部の成長過程における状態を示す断面図であり、図４（ｂ）は図２に示した製造装置を用いた化合物半導体単結晶の成長結晶部の成長過程における状態を示す断面図である。
【００１４】
図４（ａ）に示すように、原料融液１１から固液界面１３を経て単結晶１２に矢印１４方向に伝導する熱の量が、種結晶２から外部に伝導する熱の量（放熱量）よりも大きくなり、熱流は容器３内の断面積一定部３ｃから断面積増加部３ｂに向かう。このため、熱流の方向と垂直な形状を呈する固液界面１３は原料融液１１側に凹面形状となる。
【００１５】
一方、単結晶成長の中期から後期においては図４（ｂ）に示すように、原料融液１１から固液界面１３を経て単結晶１２に矢印１５方向に伝導する熱の量は容器３の壁面から外部に伝導する熱の量（放熱量）よりも単結晶１２から下方に向かう熱の量が支配的となり、固液界面１３の形状は原料融液１１側に凸面形状となるのが一般的である。
【００１６】
このため、化合物半導体単結晶１２の製造に際し、固液界面１３が原料融液１１側に凹面形状の場合、容器３の壁から受ける応力に起因して結晶欠陥が生じやすくなり、リネージや亜粒界の集積に繋がり、多結晶化の要因となるという問題があった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、種結晶を収容する種結晶収容部、種結晶収容部の上側に形成され上側に向かって断面積が増加する断面積増加部及び断面積増加部の上側に形成され断面積が一定の断面積一定部を有する容器内に、種結晶及び化合物半導体の原料を収容し、下側から上側に向かって温度が高くなる温度勾配を有するヒータで容器を加熱して原料を融液化した後、上記容器と上記温度勾配を相対的に移動させることで、種結晶にて種付けを行い、順次上側に単結晶化させる化合物半導体単結晶の製造方法において、上記種付け部を含む断面積増加部の単結晶化速度がそれ以降の断面積一定部の単結晶化速度以下とするものである。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、原料融液と単結晶との固液界面の断面形状が原料融液側に向かって凸面となる最大結晶化速度を上記種付け部を含む断面積増加部で予め求めておき、上記種付け部を含む断面積増加部における結晶化速度を上記最大結晶化速度以下であり、且つ上記断面積一定部の結晶化速度以下とするのが好ましい。
【００２０】
本発明によれば、種付け部を含む断面積増加部における結晶化速度を断面一定部における結晶化速度より遅くすることにより、種付け部を含む断面積増加部及び断面積一定部における固液界面形状が共に原料融液側に凸面形状となるので、結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶の製造方法を提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述する。
【００２２】
本発明の化合物半導体単結晶の製造方法は、図２に示すような種結晶２を収容する種結晶収容部３ａ、種結晶収容部３ａの上側に形成され上側に向かって断面積が増加する断面積増加部３ｂ及び断面積増加部３ｂの上側に形成され断面積が一定の断面積一定部３ｃを有する容器３内に、種結晶２及び化合物半導体の原料を収容し、下側から上側に向かって温度が高くなる温度勾配を有するヒータ５で容器３を加熱して原料を溶融して原料融液１１とした後、容器３を温度勾配に対して相対的に移動させる化合物半導体単結晶の製造方法であって、種付け部を含む断面積増加部３ｂにおける結晶化速度を断面積一定部３ｃにおける結晶化速度より遅くするものである。
【００２３】
ここで、原料融液１１と単結晶１２との固液界面１３の断面形状が原料融液１１側に向かって凸面となる最大結晶化速度を上記種付け部を含む断面積増加部で予め求めておき、上記種付け部から上記断面積一定部における結晶化速度を上記最大結晶化速度以下であり、且つ上記断面積一定部の結晶化速度以下とするのが好ましい。
【００２４】
このように化合物半導体単結晶を成長させることにより、結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶が得られる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１及び図２に基づいて詳述する。
【００２６】
図１は本発明の化合物半導体単結晶の製造方法の一実例を示す説明図である。図１において、横軸は種付け部からの化合物半導体単結晶の成長長さを示し、縦軸は結晶化速度を示す。
【００２７】
本実施例では化合物半導体として砒化ガリウム（以下「ＧａＡｓ」という。）の単結晶をＶＢ法（若しくはＶＧＦ法）により製造する場合について説明する。
【００２８】
図２に示す成長容器３としては、ＰｙｒｏｌｉｔｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ（以下「ＰＢＮ」という。）製の容器（るつぼ）を用いた。
【００２９】
容器３の形状は、種結晶収容部３ａの直径が１０ｍｍであり、断面積増加部３ｂの円錐の母線の単結晶の中心軸に対する角度が４５度であり、断面積一定部３ｃの直径が１１０ｍｍであり、断面積一定部３ｃの長さが３００ｍｍであるものを用いた。
【００３０】
まず、容器３の種結晶収容部３ａ内にＧａＡｓの種結晶２を配置し、容器３の断面積増加部３ｂ及び断面積一定部３ｃ内に１１，５００ｇのＧａＡｓ多結晶原料と、液体封止材１６としての２，０００ｇの三酸化硼素（以下「Ｂ_２Ｏ_３」という。）とを投入した（このとき、ＧａＡｓ多結晶及びＢ_２Ｏ_３は共に固体である。）。
【００３１】
この容器３を圧力容器８内に装填し、圧力容器８内を不活性ガス（例えば、窒素ガス）で置換し、ヒータ５に給電し、原料及びＢ_２Ｏ_３を溶融させる。
【００３２】
次に種付けを行うため、ヒータ５の温度を調整し、固液界面１３近傍で１０℃／ｃｍの温度勾配を設定して、容器３の降下速度を種付け部で０ｍｍ／ｈとし、断面積一定部で４ｍｍ／ｈとなるように一定の割合で加速して降下させるのである。
【００３３】
図１に示すような降下速度で容器３を降下させると、容器３の降下速度と概同一の結晶化速度で化合物半導体の単結晶１２が成長する。
【００３４】
ここで、基本的（理論的）には容器３の降下速度＝結晶化速度となるが、実際に容器３の降下速度を加速すると、結晶化速度の追随が遅れるが、ほぼ、容器３の降下速度＝結晶化速度と見なしても問題は生じない。
【００３５】
なお、上記実施例では、種付け部から断面積一定部までの容器３の降下速度を一定の割合で加速したが、これは制御の容易性を確保するためで、固液界面形状が原料融液側に凸となる速度であれば、一定の割合以外の加速でも何ら問題はない。
【００３６】
本発明の製造方法により化合物半導体の単結晶成長を５０回行った。その結果、種付け部２ａから成長結晶部の最終部まで、全域単結晶（以下「ＡｌｌＳｉｎｇｌｅ」という。）の確率は、従来技術での確率６０％以下に対して、本実施例では８５％以上の高い確率で得られた。また、成長した化合物半導体単結晶１２を容器３より取り出し、この化合物半導体単結晶１２を成長方向に対して直角（図では水平）な方向に切断し、その切断面にラッピング処理及びポリッシング処理を施して鏡面にし、ＡＢエッチングを施して固液界面１３の形状を露呈させた。固液界面１３の形状は、結晶成長全般にわたり原料融液１１側に凸面状になっていることが分かった。
【００３７】
次に、容器３の降下速度の設定方法について述べる。
【００３８】
まず、任意の一定速度で種付け部２ａから成長結晶部の最終部まで結晶成長を行って固液界面１３の形状を観察し、原料融液１１側へ凹面から凸面に反転する位置を測定する。
【００３９】
次に、固液界面１３の形状が原料融液１１側へ凹面から凸面に反転する位置までの容器３の降下速度を低下させて、結晶成長を行い、同様に固液界面１３の形状を観察し、原料融液１１側へ凹面から凸面に反転する位置を測定する。
【００４０】
このような操作を繰り返し、固液界面１３の形状が結晶成長全般にわたり原料融液１１側に凸面となる条件を見出す。容器３の降下速度及び容器３の降下速度切換位置に関しては、生産性や単結晶収率を考慮するのは当然である。
【００４１】
また、本実施の形態では、ＧａＡｓ単結晶を成長させる場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ等の化合物単結晶の製造方法に適用しても同様の効果が得られる。
【００４２】
ここで、本発明の化合物半導体単結晶の製造方法で得られる化合物半導体単結晶は、従来の製造方法よりもＡｌｌＳｉｎｇｌｅの確率が高いだけでなく、従来の製造方法で得られた化合物半導体単結晶に比べて、転位等の結晶欠陥が少ない。これは、固液界面形状が最適な形状に制御されたことに基づくと考えられる。本発明で得られる化合物半導体単結晶ウェハは、この化合物半導体単結晶ウェハを用いて電界効果トランジスタ等の素子を作製した場合、転位等の結晶欠陥に基づく素子歩留まりの低下を防止することができる。このため、工業生産における経済的効果は多大なものがある。
【００４３】
以上において、本発明によれば、ＶＢ法、ＶＧＦ法での化合物半導体単結晶の製造方法において、結晶成長全般にわたり固液界面形状が容易にかつ安定して融液側に凸面となるように種付け部を含む断面積増加部における結晶化速度を断面積一定部の結晶化速度以下とすることで、転位等の結晶欠陥の少ない良質な化合物半導体単結晶が得られる収率を大幅に向上させることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、結晶欠陥の少ない化合物半導体単結晶の製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶の製造方法の一実例を示す説明図であり、化合物半導体単結晶の種付け部からの成長長さとの結晶化速度との関係を示す図である。
【図２】化合物半導体単結晶の製造に用いられる製造装置の概念図である。
【図３】従来の化合物半導体単結晶の製造方法における単結晶の種付け部からの成長長さと結晶化速度との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は図２に示した製造装置を用いた化合物半導体単結晶の増径部の成長過程における状態を示す断面図であり、（ｂ）は図２に示した製造装置を用いた化合物半導体単結晶の成長結晶部の成長過程における状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１製造装置
２種結晶
３容器（るつぼ）
３ａ種結晶収容部
３ｂ断面積増加部
３ｃ断面積一定部
４サセプタ
５ヒータ
８圧力容器
９るつぼサセプタ
１０蓋
１１原料融液
１２結晶固化部（単結晶）
１３固液界面
１６原料封止剤

Claims

種結晶を収容する種結晶収容部、該種結晶収容部の上側に形成され上側に向かって断面積が増加する断面積増加部及び該断面積増加部の上側に形成され断面積が一定の断面積一定部を有する容器内に、種結晶及び化合物半導体の原料を収容し、下側から上側に向かって温度が高くなる温度勾配を有するヒータで上記容器を加熱して上記原料を融液化した後、上記容器と上記温度勾配を相対的に移動させることで、上記種結晶にて種付けを行い、順次上側に単結晶化させる化合物半導体単結晶の製造方法において、種付け部を含む断面積増加部の単結晶化速度が断面積一定部の単結晶化速度以下であることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
上記原料融液と単結晶との固液界面の断面形状が上記原料融液側に向かって凸面となる最大結晶化速度を上記種付け部を含む断面積増加部で予め求めておき、上記種付け部を含む断面積増加部における結晶化速度を上記最大結晶化速度以下であり、且つ上記断面積一定部の結晶化速度以下とする請求項１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法。