JP2004315270A - 化合物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、結晶直径を変更した場合の、固液界面の融液面に対する凹面化を防ぎ、且つ結晶表面からのＡｓが揮発することによる多結晶化を防ぐ。
【解決手段】単結晶の直径をＷ、ヒータの発熱部の長さをＬとしたとき、結晶直径を変更した場合にも、（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を保持して製造する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＥＣ法（液体封止チョクラルスキー法）により化合物半導体単結晶を製造する方法、特に半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を製造するのに適した方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体はその単結晶の高品質化により、高速集積回路、光−電子集積回路やその他の電子素子に広く用いられるようになってきた。なかでも、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）は電子移動度がシリコンに比べて早く、１０^７Ω・ｃｍ以上の比抵抗のウエハが製造容易という特徴がある。現在では上記ＧａＡｓの単結晶は、主に液体封止引き上げ法（ＬＥＣ法）により製造されている。
【０００３】
ＧａＡｓ単結晶の製造方法を、本発明の実施形態に係る図１を併用して説明する。
【０００４】
図１に示すＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶製造装置は、炉体部分である高圧容器１と、結晶を引き上げる為の引上軸８と、原料の容器であるＰｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（略称：ＰＢＮ）製のルツボ３と、このＰＢＮルツボを受ける為の図示してないルツボ軸と、上記ルツボ３の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのカーボンヒータ５とを有する構造となっている。
【０００５】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の製造方法については、図１において、先ず原料の容器となるＰＢＮルツボ３に、化合物半導体原料のＧａ及びＡｓと、Ａｓの揮発防止材である三酸化硼素４を入れ、これを高圧容器１内にセットする。又、引上軸８の先端に結晶の元となる種結晶２を取りつける。高圧容器１に原料をセットした後、高圧容器１内を真空にし、不活性ガスを充填（真空・ガス置換）する。
【０００６】
その後、高圧容器１内にルツボ３を取り巻いて設置してあるヒータ５に通電し、高圧容器１内の温度を昇温させ、ＧａとＡｓを合成し融液化させて、ＧａＡｓ融液６とする。
【０００７】
次に、ＰＢＮルツボ３を移動させ、ＧａＡｓ融液６の最上面の位置を、ヒータ５の発熱する部分（発熱部の長さＬ）の中心位置と一致させる。
【０００８】
次いで、引上軸８、ルツボ軸を回転方向が逆になるように回転させつつ、引上軸８を、先端に取り付けてある種結晶２がＧａＡｓ融液６に接触するまで下降させる。続いて、ヒータ５の出力の調整により高圧容器１内の温度を徐々に下げつつ、引上軸８を一定の速度で上昇させることで、種結晶２（種付け部）から徐々に直胴部まで太く結晶を成長させる。目標とする結晶直径（Ｗ）となったならば、直径（Ｗ）を一定に保つため、直胴部の外形を制御をしつつＧａＡｓ単結晶７を製造する。
【０００９】
ところで、上記のＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶の製造に際しては、結晶が多結晶化するのを防止して単結晶部分をできるだけ長くすることが好ましい。単結晶部分が長ければ、１本の材料からより多くのウェハをスライスすることができ、また引上げ炉の準備時間と準備回数を削減でき、さらには特性評価の回数も減らすことができる。また、引き上げに用いる消耗品（ルツボ、封止剤）費用の原価に対する割合を下げることができる。
【００１０】
上記の多結晶化の原因は主として２つあり、一つは固液界面形状が凹凸になり、その部分に熱応力が集中して転位が発生して起こるものであり、他の一つは結晶の表面荒れ、つまり結晶表面が輻射熱を受けて高温となり、Ａｓが解離して残されたＧａが表面を伝って固液界面に達して起こるものである。
【００１１】
前者の原因を解消すべく、ヒータの発熱量の制御、ヒータやホットゾーンの形状等を改良する試みがなされている。例えば、スリットの入った保温筒を用い、結晶が引き上がるにつれて変化する融液の深さに応じてルツボを上昇させて、引き上げ中に液体封止剤とルツボが接している部分とスリットの部分が常に重なるようにし、液体封止剤と接しているルツボ側面の部分を他の部分より加熱されやすいようにして、引上げ結晶と液体封止剤の接している部分が局所的に加熱されるようにする方法がある（例えば、特許文献１参照。）。これによれば、結晶側面から液体封止剤に逃げる熱量を減らし、結晶、融液、封止剤が接している部分の下にある固液界面の形状が融液面に対して凹面になるのを防ぐことが可能になる。
【００１２】
また後者の原因の解消策としては、結晶の周りに筒や板を設けて輻射熱を遮ったり、筒や板或いは結晶にガスを吹き付けることが試みられている。また、結晶の引上げ長さに応じて炉内雰囲気ガスの熱伝導率を徐々に高くする方法も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−１６３０９４号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平５−１７２８９号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＧａＡｓ単結晶の製造方法の場合、ヒータの形状は、製造する単結晶の直径（Ｗ）に変更があったときでも、変更しない。このため、次のような課題があった。
【００１６】
ＬＥＣ法により製造された半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の製造において、多結晶化の原因の１つに融液中の対流の影響が挙げられる。融液中の対流には大別して二つある。結晶の回転により固液界面付近で渦巻く強制対流と、融液内の温度差によりルツボ側壁付近で上昇してから成長結晶に向かって流れる自然対流とであり、両者の相互関係が固液界面形状に大きな影響を与えている。
【００１７】
しかるに、従来技術では、製造する単結晶の直径（Ｗ）の変更があっても、ヒータ形状の変更を行わない。このため、結晶直径を大型化すると、つまり成長結晶の直胴部の目標直径を大きなものに変更すると、結晶回転による強制対流が、融液内の温度差による自然対流よりも支配的となる。このため、固液界面が融液面に対して凹面形状となり、転位が集中し多結晶化することが課題として残っている。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、結晶直径を変更した場合における、固液界面の融液面に対する凹面化を防ぎ、且つ結晶表面からのＡｓが揮発することによる多結晶化を防ぐことができる、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２０】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法は、ルツボ内に化合物半導体原料及び液体封止剤を入れて圧力容器内に収容し、ルツボの周囲に配設したヒータにより加熱融解し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、製造する単結晶の直径の大きさに対応してヒータの発熱部の長さを変更し、ヒータの発熱部の長さが、製造する単結晶直径の１．２倍以上１．８倍未満の長さとなるようにすることを特徴とする。
【００２１】
これは、製造する単結晶の直径Ｗに対するヒータの発熱部の長さＬに関して、（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を保つようにする化合物半導体単結晶の製造方法である。
【００２２】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、製造する単結晶の直径に比例して、ヒータの発熱部の長さを長くすることを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、製造する化合物半導体単結晶の直径が１００ｍｍ以上の大口径の結晶であることを特徴とする。
【００２４】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、ＬＥＣ法により製造した化合物半導体単結晶において、上記課題を解決するために、単結晶の直径をＷとし、ヒータの発熱部の高さ方向長さ（発熱長）をＬとしたとき、（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を保って製造することにある。
【００２５】
上記の手段を取った理由は次の通りである。単結晶収率を向上させるためには、固液界面を成長過程全般に渡り、融液側に凸形状に制御することが重要である。ヒータの発熱長Ｌが単結晶の直径Ｗに対し１．２Ｗ未満と短い場合（Ｌ＜１．２Ｗの場合）、強制対流が自然対流と比較して支配的となり、固液界面が融液面に対して凹面形状となり、転位が集中して多結晶化する。また、ヒータの発熱長Ｌが単結晶の直径Ｗに対し１．８Ｗ以上と長い場合（１．８Ｗ≦Ｌの場合）、製造中に結晶頭部が長時間に渡り過大に加熱され、結晶表面からＡｓが揮発し、組成不良となり多結晶化する。これらをまとめて表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
本発明では、（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を保持して製造するため、結晶直径を変更した場合にも、ＬＥＣ法の化合物半導体単結晶の固液界面の凹面化を防ぎ、且つ結晶表面からのＡｓが揮発することによる多結晶化を防ぐことができる。
【００２８】
上記した条件の許容範囲内においては、製造する単結晶の直径に比例してヒータの発熱部の長さを長くすることで、結晶直径を変更したことに追随することができる。
【００２９】
発明の製造方法は、製造する化合物半導体単結晶の直径が１００ｍｍ以上の大口径の結晶である場合に特に有効となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３１】
前提となる製造装置には図１のものを用いた。製造方法は、ヒータの発熱部の長さＬの切り換え制御を除き、基本的に従来技術で説明したところと同じである。すなわち、不活性ガスを充填した耐圧容器たる高圧容器１内に収容され、ヒータ５により加熱されたルツボ３に、ＧａＡｓの原料融液、液体封止剤の三酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３）を収納し、種結晶２を原料融液に接触させつつ種結晶２とルツボ３とを相対的に移動させて、ＬＥＣ法により化合物半導体単結晶を成長する。
【００３２】
ただし、ヒータ５は、その高さ方向の発熱部の高さ方向長さＬが最長のものをカバーする長さで配設されており、その高さ方向の長さの所定間隔位置から必要個数だけの中間タップ（電気的な接続端子）が引き出されている。そして、このヒータ５の中間タップを切換器により切り換えることにより、ヒータ５の発熱部の長さ（発熱長）Ｌを可変できる構成となっている。
【００３３】
［実施例１］
上記構造の図１に示したＬＥＣ法の高圧炉を用い、ガリウム１０，０００ｇ、砒素１０，５００ｇ及び封止剤である酸化硼素２，３００ｇをＰＢＮルツボ内に収納する。本発明における条件である（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を満たすものとして、ヒータ５の発熱部の長さ（ヒータ発熱長）Ｌが２２０ｍｍであるヒータを用いて、融点温度以上に加熱し、ＧａＡｓ融液を形成した後、単結晶の引上げ育成を行ない、直径Ｗが約１６０ｍｍで、重量約１７，０００ｇのＧａＡｓ単結晶を作製した。以上の条件で、１０本の結晶を作製した結果、多結晶化は発生しなかった。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は１００％となった。
【００３４】
［比較例１〜６］
上記実施例１と異なる条件で次のように比較例１〜６を製造した。これを評価した結果として、１０ロット中の多結晶発生本数と、単結晶歩留りを表２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
比較例１は、ヒータの発熱長Ｌが単結晶の直径Ｗに対し１．２Ｗ未満と短い場合（Ｌ＜１．２Ｗの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを１５０ｍｍとし、直径１６０ｍｍの引上げ育成を実施した。固液界面が凹面形状となり、結晶欠陥であるリネージが集積し５本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は５０％に止まった。
【００３７】
比較例２は、ヒータの発熱長Ｌが単結晶の直径Ｗに対し１．８Ｗ以上と長い場合（１．８Ｗ≦Ｌの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを３００ｍｍとし、直径１６０ｍｍの引上げ育成を実施した。結晶表面からのＡｓの揮発が原因で３本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は７０％に止まった。
【００３８】
比較例３はヒータの発熱長Ｌが短すぎる場合（Ｌ＜１．２Ｗの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを１３０ｍｍとし、直径１３０ｍｍの引上げ育成を実施した。固液界面が凹面形状となり、リネージが集積し３本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は７０％に止まった。
【００３９】
比較例４はヒータの発熱長Ｌが長すぎる場合（１．８Ｗ≦Ｌの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを２５０ｍｍとし、直径１３０ｍｍの引上げ育成を実施した。結晶表面からのＡｓ揮発が原因で２本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は８０％に止まった。
【００４０】
比較例５はヒータの発熱長Ｌが短かすぎる場合（Ｌ＜１．２Ｗの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを１１０ｍｍとし、直径１１０ｍｍの引上げ育成を実施した。固液界面が凹面形状となり、リネージが集積し２本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は８０％に止まった。
【００４１】
比較例６はヒータの発熱長Ｌが長すぎる場合（１．８Ｗ≦Ｌの場合）の例であり、ヒータ発熱長Ｌを２２０ｍｍとし、直径１１０ｍｍの引上げ育成を実施した。結晶表面からのＡｓ揮発が原因で２本の多結晶化が発生した。従って、単結晶（全域単結晶）を得る歩留は８０％に止まった。
【００４２】
上記の試作結果（実施例１と比較例１〜６）から、Ｌ＜１．２Ｗの範囲及び１．８Ｗ≦Ｌの範囲、つまり本発明の範囲である（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）を外れた範囲では、全域単結晶を得る歩留が低下すること、従って本発明の範囲が最適条件であることが判る。
【００４３】
上記実施例はＬＥＣ法により製造されたＧａＡｓ単結晶のついてのみ述べたが、本発明の製造方法はＧａＰ、ＩｎＰ等の全ての化合物半導体に適用することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、単結晶の直径をＷ、ヒータの発熱部の高さ方向長さをＬとしたとき、（１．２Ｗ）≦Ｌ＜（１．８Ｗ）の関係を保持して製造するため、結晶直径を変更した場合にも、ＬＥＣ法の化合物半導体単結晶の固液界面の凹面化を防ぐことができ、且つ結晶表面からのＡｓが揮発することによる多結晶化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を適用したＬＥＣ法の化合物半導体単結晶製造装置を示した図である。
【符号の説明】
１ 高圧容器
２ 種結晶
３ ＰＢＮルツボ
４ 三酸化硼素
５ ヒータ
６ ＧａＡｓ融液
７ 単結晶
８ 引上軸

Claims (3)

1. ルツボ内に化合物半導体原料及び液体封止剤を入れて圧力容器内に収容し、ルツボの周囲に配設したヒータにより加熱融解し、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とルツボとを相対的に移動させて、化合物半導体単結晶を成長させるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法において、
   製造する単結晶の直径の大きさに対応してヒータの発熱部の長さを変更し、ヒータの発熱部の長さが、製造する単結晶直径の１．２倍以上１．８倍未満の長さとなるようにすることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
2. 請求項１記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
   製造する単結晶の直径に比例して、ヒータの発熱部の長さを長くすることを特徴とする化合物半導体単結晶の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶の製造方法において、
   製造する化合物半導体単結晶の直径が１００ｍｍ以上の大口径の結晶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。

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