JP2004323327A

JP2004323327A - 化合物半導体単結晶成長装置

Info

Publication number: JP2004323327A
Application number: JP2003123519A
Authority: JP
Inventors: Koji Taiho; 幸司大宝; Michinori Wachi; 三千則和地
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】円筒形ヒータの内周とスリット幅合計長さの関係を規定することにより、固液界面の融液面に対する凹面化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上し得るＬＥＣ法による化合物半導体単結晶成長装置を提供すること。
【解決手段】円筒形ヒータ５の内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを上記０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に、最適には、ほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定する。
【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成長する装置、特に半絶縁性ＧａＡｓ単結晶を成長するのに適した化合物半導体単結晶成長装置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単結晶の成長方法を、本発明の実施形態に係る図３を併用して説明する。
【０００４】
図３に示すＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶成長装置は、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ＰｙｒｏｌｙｔｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ（略称：ＰＢＮ）製のルツボ３と、このルツボを受ける為のルツボ軸９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グラファイト製のヒータ５とを有する構造となっている。このとき使用するヒータ５は、通常図２に示すように略円筒形であり、その壁に、図１に示すように、その上端および下端から縦方向に上部スリット５１および下部スリット５２を交互に設けた形状をしている。
【０００５】
ＬＥＣ法によるＧａＡｓ単結晶の成長方法については、図３において、先ず原料の容器となるルツボ３に、化合物半導体原料のＧａ及びＡｓと、Ａｓの揮発防止剤（液体封止剤）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を取り付ける。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、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）の中心位置と一致させる。
【０００８】
次いで、引上軸８、ルツボ軸９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となったならば、直径を一定に保つため、直胴部の外形を制御をしつつＧａＡｓ単結晶７を成長する。
【０００９】
ところで、上記のＬＥＣ法によってＧａＡｓ単結晶の成長に際しては、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、初期原料融液のルツボ内深さと、ヒータの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複した部分の長さとの関係に着目し、一定の条件下で成長させるもの（例えば、特許文献１参照。）や、ヒータの上部スリットと下部スリットの縦方向の重複した部分の長さと、ヒータの内径との関係に着目し、一定の条件下で成長させるもの（例えば、特許文献２参照。）がある。
【００１２】
【特許文献１】
特公平６−８８８７３号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平１１−１１６３９０号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来装置の場合、使用するヒータは通常抵抗値を規定するが、円筒形ヒータの内周とスリット幅合計長さの関係を規定したものはない。
【００１５】
既に触れたように、ＬＥＣ法による半絶縁性ＧａＡｓ単結晶の成長における多結晶化の原因の１つとして、結晶成長中の固相と液相の界面（固液界面）の形状が液相側に凹面形状となっていることが挙げられる。凹面形状になると、多結晶化の原因となる転位は固液界面に垂直に伝播するので、転位が集合し、多結晶化してしまう。
【００１６】
本発明者等は、円筒形ヒータの内周とスリット幅合計長さの関係に着目し、鋭意研究を重ねた結果、従来技術では、円筒形ヒータのスリットの間隔が広すぎる為、単結晶の引き上げ方向に対して垂直方向の温度分布が均一ではなく、液相内に不規則な自然対流が発生してしまい、その結果、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となって転位が集合し、多結晶化することを見い出した。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、円筒形ヒータの内周とスリット幅合計長さの関係を規定することにより、固液界面の液相側に対する凹面化を防ぎ、全域単結晶の生産歩留りを向上し得るＬＥＣ法による化合物半導体単結晶成長装置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、本発明は、次のように構成したものである。
【００１９】
請求項１の発明に係る化合物半導体単結晶成長装置は、原料融液を収容するルツボと、ルツボ内の原料融液及び液体封止剤を加熱すべく、ルツボの外周に該ルツボを囲んで設けられ、且つ、その上端および下端から縦方向に上部スリットおよび下部スリットを交互に形成された円筒形（略円筒形の場合を含む）ヒータと、前記原料融液に接触させた種結晶を支持し、前記原料融液から成長する結晶を引き上げる引上軸とを有する化合物半導体単結晶成長装置において、単結晶を囲む円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを、０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に設定したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１記載の化合物半導体単結晶成長装置において、前記円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを、ほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定したことを特徴とする。
【００２１】
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成長装置において、前記円筒形ヒータの上部スリットと下部スリットのスリット間隔が等間隔であることを特徴とする。
【００２２】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、ＬＥＣ法による化合物半導体単結晶成長装置において、上記課題を解決するために、円筒形ヒータのスリット幅合計長さを、円筒形ヒータの内周の０．１倍以上０．２未満としたことにある。すなわち、円筒形ヒータの内径をＬ、ヒータのスリット幅合計長さをＸとすると、円筒形ヒータの内周Ｙは（π×Ｌ）で表すことができる。本発明では、円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に設定し、この０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の関係の円筒形ヒータを備えた成長装置を用いて、化合物半導体単結晶を成長することにある。
【００２３】
表１に示すように、円筒形ヒータのスリット幅合計長さＸが円筒形ヒータの内周Ｙの０．１倍未満（Ｘ／Ｙ＜０．１）の場合、単結晶成長中に円筒形ヒータが劣化し、単結晶の引き上げ方向に対して垂直方向の温度分布が不均一となり、液相内に不規則な自然対流が発生してしまい、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となり、多結晶化する。また、スリット幅合計長さＸが円筒形ヒータの内周Ｙの０．２倍以上（Ｘ／Ｙ≧０．２）の場合、単結晶の引き上げ方向に対して垂直方向の温度分布が均一ではなく、液相内に不規則な自然対流が発生してしまい、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となり、多結晶化する。
【００２４】
【表１】

【００２５】
しかし、単結晶を囲む円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを上記０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に規定すると、円筒形ヒータのスリットの間隔が適切な値となって、単結晶の引き上げ方向に対して垂直方向の温度分布が均一となり、液相内に不規則な自然対流が発生しなくなる。その結果、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となることが防止され、全域単結晶の生産歩留りを向上することができる。
【００２６】
特に、円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙをほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定すると、多結晶化を完全に防止し、単結晶の収率を１００％にすることができる。
【００２７】
【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。
【００２８】
前提となる成長装置は、円筒形ヒータの構造を除き、図１について上述したところと同一とした。すなわち、この化合物半導体単結晶成長装置は、原料融液を収容するＰＢＮ製のルツボ３と、このルツボ３を受ける為のルツボ軸９と、ルツボ３内の原料融液及び液体封止剤を加熱すべくルツボ３の周囲を取り巻いて設置された加熱手段としてのグラファイト製のヒータ５と、上記原料融液に接触させた種結晶２を支持し上記原料融液６から成長する結晶を引き上げる引上軸８とを有する。
【００２９】
ヒータ５は、図２に示すように円筒形（略円筒形の場合を含む）であり、その壁に、図１に示すように、その円筒形ヒータの上端および下端から縦方向に上部スリット５１および下部スリット５２を交互に設けた形状をしている。上部スリット５１および下部スリット５２は、円筒形ヒータの周方向に見た各スリット間の間隔ｄが均等となるように設けられている。この上部スリット５１および下部スリット５の各スリット幅Ｗは同一である。
【００３０】
ここで、スリット間隔ｄないしスリット幅Ｗは、次のように設定されている。上部スリット５１および下部スリット５２の両者が縦方向に重複する領域（長さｈ）内において周方向に合計したスリット幅Ｗの総和をスリット幅合計長さ「Ｘ」とし、ヒータ内径Ｌの円筒形ヒータの内周（＝Ｌ×π）を「Ｙ」とすると、スリット幅合計長さＸがヒータの内周Ｙの０．１倍以上０．２未満となるように、すなわち、円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙが０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に入るように設定されている。
【００３１】
上記成長装置を用いたＧａＡｓ単結晶の成長方法は、基本的に従来技術で説明したＬＥＣ法のＧａＡｓ単結晶成長方法と同じである。すなわち、図１において、高圧容器１内にＧａ及びＡｓを配置したルツボ３に三酸化硼素４を入れ、真空・ガス置換を実施する。その後、高圧容器１内を円筒形ヒータ５により融点温度以上に加熱し、ＧａＡｓ融液６を形成する。ルツボ３を移動させ、ＧａＡｓ融液６の最上面の位置を円筒形ヒータ５の発熱する部分の中心の位置と一致させる。その後、種結晶２を下降させてＧａＡｓ融液６に接触させ、円筒形ヒータ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、ＧａＡｓ単結晶７を成長させる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００３３】
［実施例１〜５］
上記成長装置のＬＥＣ法の高圧炉を用い、ガリウム１００００ｇ、砒素１０５００ｇ及び封止剤である酸化硼素２０００ｇをＰＢＮ製のルツボ３内に収納する。円筒形ヒータ５として、その内周がＹ＝１０００ｍｍ、スリット間隔ｄが等間隔であり、総スリット長（スリット幅合計長さ）を、Ｘ＝１００ｍｍ（実施例１）、Ｘ＝１３０ｍｍ（実施例２）、Ｘ＝１５０ｍｍ（実施例３）、Ｘ＝１８０ｍｍ（実施例４）、Ｘ＝１９０ｍｍ（実施例５）と変えたグラファイト製のヒータを用いた。すなわち比率（Ｘ／Ｙ）＝０．１０、（Ｘ／Ｙ）＝０．１３、（Ｘ／Ｙ）＝０．１５、（Ｘ／Ｙ）＝０．１８、（Ｘ／Ｙ）＝０．１９と変えたグラファイト製のヒータを用いて、融点温度以上に加熱しＧａＡｓ融液６を形成した。その後、単結晶７の引き上げ育成を行ない、直径１１５ｍｍで重量約１７０００ｇのＧａＡｓ単結晶を作製した。
【００３４】
以上の実施例１〜５の条件で、それぞれ１０本の結晶を作製した。この結果を表２に示す。
【００３５】
【表２】

【００３６】
上記実施例の中でも、特に、内周がＹ＝１０００ｍｍ、スリット幅合計長さがＸ＝１５０ｍｍ、すなわち比率（Ｘ／Ｙ）＝０．１５の円筒形ヒータを用いた実施例３の場合には、得られた１０本のＧａＡｓ単結晶のどれにも多結晶化が発生しなかった。
【００３７】
実施例１、すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．１０の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が２本発生した。実施例２、すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．１３の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が２本発生した。実施例４、すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．１８の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が２本発生した。実施例５、すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．１９の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が２本発生した。
【００３８】
これに対し、比較例１すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．０３の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が７本発生した。比較例２すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が０．０７の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が３本発生した。比較例３すなわち比率（Ｘ／Ｙ）が２．００の円筒形ヒータを用いて引き上げ育成を実施した場合には、多結晶化が５本発生した。
【００３９】
比較例１、比較例２の多結晶化の原因は次による。すなわち、円筒形ヒータ劣化により、円筒形ヒータのスリット間隔が埋まり、引き上げ方向に対して、垂直方向の温度分布が不均一となり、液相内に不規則な自然対流が発生してしまい、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となり、転位が集合し多結晶化した。
【００４０】
また比較例３の多結晶化の原因は次による。すなわち、引き上げ方向に対して、垂直方向の温度分布が不均一となり、液相内に不規則な自然対流が発生してしまい、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となり、転位が集合し多結晶化した。
【００４１】
上記の試作結果から、単結晶の収率ないし歩留りを向上させるには、本発明の内容である、円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを、０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に設定することが好ましく、また最適条件としては比率Ｘ／Ｙをほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定することが良いことが判る。
【００４２】
上記実施例では、ＬＥＣ法によりＧａＡｓ単結晶を成長する場合について述べたが、本発明の化合物半導体単結晶成長装置は、ＧａＡｓ単結晶の成長に限らず、ＧａＰやＩｎＰ等の全ての化合物半導体を成長する場合に適用することが可能である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の化合物半導体単結晶成長装置では、単結晶を囲む円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを上記０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に規定しているので、単結晶の引き上げ方向に対して垂直方向の温度分布が均一となり、液相内に不規則な自然対流が発生しなくなる。その結果、固液界面が局所的に液相側に凹面形状となることが防止され、単結晶成長中の固液界面形状を安定させ、全域単結晶の生産歩留りを向上することができる。
【００４４】
特に、円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙをほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定することで、多結晶化を完全に防止し、全域単結晶の生産歩留りを１００％にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体単結晶成長装置におけるヒータの側面を示す概略図である。
【図２】本発明の化合物半導体単結晶成長装置におけるヒータの上面を示す概略図である。
【図３】本発明の化合物半導体単結晶成長装置の全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１高圧容器
２種結晶
３ルツボ
４三酸化硼素
５円筒形ヒータ
６ＧａＡｓ融液
７単結晶
８引上軸
９ルツボ軸
５１上部スリット
５２下部スリット
ｄスリット間隔
Ｗスリット幅
Ｘスリット幅合計長さ
Ｙヒータの内周

Claims

原料融液を収容するルツボと、ルツボ内の原料融液及び液体封止剤を加熱すべく、ルツボの外周に該ルツボを囲んで設けられ、且つ、その上端および下端から縦方向に上部スリットおよび下部スリットが交互に形成された円筒形ヒータと、
前記原料融液に接触させた種結晶を支持し、前記原料融液から成長する結晶を引き上げる引上軸とを有する化合物半導体単結晶成長装置において、
円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを、０．１≦（Ｘ／Ｙ）＜０．２の範囲に設定したことを特徴とする化合物半導体単結晶成長装置。
前記円筒形ヒータの内周Ｙに対するスリット幅合計長さＸの比率Ｘ／Ｙを、ほぼ（Ｘ／Ｙ）＝０．１５に設定したことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体単結晶成長装置。
前記円筒形ヒータの上部スリットと下部スリットのスリット間隔が等間隔であることを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体単結晶成長装置。