JP2005075670A - 化合物半導体単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い歩留りを以て化合物半導体単結晶を製造することのできるＬＥＣ法による化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】チャンバー９内に設置されたルツボ７を適宜加熱し、ルツボ７内部の下層をＧａＡｓ融液６、上層を三酸化硼素融液とし、ここへ種結晶２を接触させて引き上げ、単結晶径ｄ₁を有する単結晶３を製造する際、内径Ｄ₁を有する略円筒型の輻射防止筒々部１０内で引き上げるが、このときｄ₁とＤ₁とから、α＝ｄ₁／Ｄ₁としたとき、α≦０．８としながら単結晶３を引き上げる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長装置に関し、特には、液体封止チョクラルスキー法（以下、ＬＥＣ法と記載する。）等により化合物半導体単結晶を製造する化合物半導体単結晶成長方法に関する。

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、例えば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、１０⁷Ω・cm以上の比抵抗のウエハが製造容易という特徴がある。

これらの化合物半導体単結晶の成長方法として、例えば、化合物半導体原料と液体封止材原料とをルツボ内で溶融させ、その化合物半導体原料融液表面に種結晶を接触させて回転させながら徐々に引き上げることにより化合物半導体単結晶を育成するＬＥＣ法が公知である。このＬＥＣ法により、化合物半導体単結晶として例えばＧａＡｓ単結晶を成長させる際、当該結晶が有転位結晶であるため、転位集合防止のためにその固液界面形状は融液側に凸となる形状で行うのが好ましい。特に、成長させる結晶径が１００mm以上の大口径結晶では、当然ながら固液界面の重要性は小口径結晶よりも増し、安定的に融液側に凸であることが好ましい。しかし、実際の化合物半導体単結晶製造工程においては、固液界面形状が融液側に凹面となりやすいという課題がある。

例えば特許文献１には、育成中の結晶が受ける熱量を減少させ、結晶内を上方向に伝わる熱量を大きくするため、ＧａＡｓ単結晶の冷却促進を目的として、抵抗加熱ヒータからの熱輻射を遮蔽する目的で、ＧａＡｓ単結晶の周囲に熱遮蔽筒を配置した化合物半導体単結晶成長装置が提案されている。

また特許文献２には、育成単結晶の周囲に熱遮蔽板に載せた円筒形断熱体を配置し、原料融液表面から一定の間隔を置いて熱遮蔽板を保持するための支持棒を設けた化合物半導体単結晶成長装置が提案されている。

さらに特許文献３には、チャンバーの内周に、上方から下方に向けて漸次縮径するテーパー管と、このテーパー管の下端から下方に伸長する円筒部とからなる環状隔壁とを設け、テーパー管に設けられた環状鍔部によって前記ルツボ上方のヒーターとルツボ側方のヒーターの間隙に相当する位置で前記密封容器と同軸状に内接支持され、更に、前記環状隔壁の全長を、目的とする単結晶の全長以上とし、前記円筒部の内径が前記単結晶の外径より大きく、且つその外径を前記ルツボの内径より小さくすることで、緩やかな温度勾配下での結晶成長を可能とし、多結晶化の起こりにくい固液界面形状を得られることが提案されている。
特開平９−５２７９０号公報 特開平６−１６９２号公報 特開平６−２９８５９７号公報

以上説明したように例えば特許文献１〜３には、ＬＥＣ法等により引き上げられる化合物半導体単結晶の周囲に断熱手段を設けることにより、化合物半導体単結晶融液と引き上げられる化合物半導体単結晶との間の固液界面形状が融液側に凸となり、良好な単結晶が歩留り良く生産できる旨、記載されているが、本発明者らの試験によればその歩留りは５０〜７０％程度のものであった。

本発明は、上述の背景を基になされたものであり、高い歩留りを以て転位の存在量が所定量以下である化合物半導体単結晶を製造することのできる化合物半導体単結晶の製造方法を提供する。

引き上げられる化合物半導体単結晶の周囲に断熱手段を設けることにより、化合物半導体単結晶融液と引き上げられる化合物半導体単結晶との間の固液界面形状が融液側に凸とし、良好な単結晶を歩留り良く生産することを目指しても、その製造歩留りが５０〜７０％程度に留る原因について、本発明者らは、鋭意研究を行った。

その結果、従来の技術に係る熱遮蔽筒や環状隔壁は、加熱手段からの熱輻射が化合物単結晶体へ到達するのを抑止する効果はあるものの、加熱された化合物単結晶体が、自らの熱輻射や周囲のガス対流によって放熱する工程を阻害していることに想到した。

そこで本発明者らは、熱遮蔽筒等が加熱手段からの熱輻射を抑止する効果は保ちながら、化合物単結晶体が自らに熱輻射や周囲のガス対流によって放熱可能となる構成についてさらに研究を行い、輻射防止筒の内径と化合物半導体単結晶の径との間に、適宜な間隔を設ける構成に想到した。

即ち、改題を解決するための第１の手段は、ルツボ内に充填された化合物半導体の原料を加熱して溶融させ、化合物半導体原料融液とした後、前記化合物半導体原料融液の上面に種結晶を接触させ、これを引き上げて化合物半導体単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法であって、
前記化合物半導体単結晶を引き上げる際、前記ルツボの内面と前記化合物半導体単結晶側面との間にある前記化合物半導体原料融液の上面から、少なくとも前記加熱手段の上端位置までを、筒形状を有する輻射防止筒で覆い、
前記輻射防止筒の筒部内径を（Ｄ₁）、前記化合物半導体単結晶の径を（ｄ₁）、α＝ｄ₁／Ｄ₁としたとき、α≦０．８としながら、前記化合物半導体単結晶を引き上げることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法である。

第２の手段は、第１の手段に記載の化合物半導体単結晶の製造方法であって、
前記輻射防止筒の上部に略円盤形状の鍔部を設け、前記鍔部により前記加熱手段から発生する熱気流が前記化合物半導体単結晶に接触するのを抑制しながら、前記化合物半導体単結晶を引き上げることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法である。

第３の手段は、第１または第２の手段に記載の化合物半導体単結晶の製造方法であって、
前記輻射防止筒はグラファイト製であることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法である。

課題を解決するための手段にて記載したように、前記化合物半導体単結晶を引き上げる際、前記ルツボの内面と前記化合物半導体単結晶側面との間にある前記化合物半導体原料融液の上面から、少なくとも前記加熱手段の上端位置までを、筒形状を有する輻射防止筒で覆い、
前記輻射防止筒の筒部内径を（Ｄ₁）、前記化合物半導体単結晶の径を（ｄ₁）、α＝ｄ₁／Ｄ₁としたとき、α≦０．８としながら、前記化合物半導体単結晶を引き上げることで、単結晶からの熱輻射および周囲のガス対流により熱伝導量が大きくなる結果、単結晶からの放熱が大きくなって、好ましい固液界面形状が形成され、単結晶の製造歩留りを高い水準に維持することが可能となった。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる化合物半導体単結晶製造装置の模式的な縦断面図である。

図１において、耐圧容器であるチャンバー９の底面にはルツボ軸８が、気密を保ちながら回転および上下動自在に設置されており、その上端にはルツボ保持部１３が設けられている。ルツボ保持部１３にはＰＢＮ製のルツボ７が保持されているが、ルツボ７はその周囲を取り囲むヒーター５によって適宜加熱されている。ルツボ７は、ルツボ内径ｄ₂を有し、内部の下層にＧａＡｓ融液６、上層に三酸化硼素融液４が充填されている。

一方、チャンバー９の上面には引上軸１が、気密を保ちながら回転および上下動自在に設置されており、その下端には種結晶２が設置されている。種結晶２は、ルツボ７内のＧａＡｓ融液６より単結晶３を引き上げるが、単結晶３は種結晶２より肩部１５を介して円筒部１６に続き固液界面１４に至る。ここで円筒部１６の径を単結晶径ｄ₁とした。

本発明の実施の形態においては、ルツボ７の内側の三酸化硼素融液４上面の直上から、略円筒型の輻射防止筒々部１０が設けられている。この輻射防止筒の筒部の内径をＤ₁、外径をＤ₂とする。この輻射防止筒々部１０の下端は、三酸化硼素融液４上面の直上にあるが、筒部はそこから上方に向かって長さＬに亘って延び、そこで円盤状の輻射防止筒鍔部１１に連なる。円盤状の輻射防止筒鍔部１１は輻射防止筒鍔部外径Ｄ₃を有し、この輻射防止筒鍔部外径の部分で輻射防止筒支持部１２によりチャンバー９内に支持される。このとき、筒部の長さＬを少なくともヒーター５の上端位置を超えて延ばし、輻射防止筒鍔部外径Ｄ₃をヒーター５の設置されている外径を超えて延ばすことで、ヒーター５が、ルツボ保持部１３、輻射防止筒々部１０、輻射防止筒鍔部１１、輻射防止筒支持部１２およびチャンバー９の底部に囲まれた形とすることが好ましい。

次に、本発明の実施の形態にかかる化合物半導体単結晶製造装置を用いた、単結晶の引き上げについて説明する。

ルツボ７内に所定量のＧａ、Ａｓ、三酸化硼素、添加剤等を充填し、ルツボ保持部１３に充填した後、チャンバー９内に設置する。一方、引上軸１の下端に目的の方位を有する種結晶２を取り付けた後、チャンバー９内を真空にし、次に所定の不活性ガス雰囲気とし、ヒーター５に通電してチャンバー９内の温度を昇温しルツボ７内のＧａとＡｓとを反応させてＧａＡｓ多結晶を調製する。その後、さらに昇温を続けて充填物を溶融し、ＧａＡｓ融液６と三酸化硼素融液４とにする。

ここで、ルツボ軸８と引上軸１とを、それぞれ所定の回転数で相対的に逆回転させながら、所定の上下動をおこなって、種結晶２の下端部をＧａＡｓ融液６の上面に接触させ、次に所定の条件で単結晶３をゆっくり引き上げることにより、まず肩部１５を形成する。そして単結晶３の径が所定の径に達したら、引き上げ条件、加熱条件を適宜制御して円筒部１６の形成に入る。このとき、単結晶３の円筒部１６の径ｄ₁と、前記輻射防止筒の筒部内径Ｄ₁との間で、α＝ｄ₁／Ｄ₁としたとき、αの値を規定しながら単結晶３を引き上げる構成を採る。当該構成を採ることで、製造される単結晶３の製造歩留りを高い水準に維持することが可能となった。

ここで、αの値と単結晶３の製造歩留りとの関連を図２に示す。

図２は、横軸にαの値、縦軸に単結晶３の製造歩留りの値をとったグラフである。尚、比較のため、輻射防止筒を設けなかった場合の製造歩留りの値も「筒無し」として記載した。

図２の結果から明らかなように、α≦０．８のとき単結晶３の製造歩留りが８０％以上の高水準となることが判明した。一方、例えば、生産性の観点からはαが大きい方が好ましい場合もあるので、α≦０．８の範囲で適宜な値を選択すればよい。

また、α≦０．８の範囲で単結晶３の製造歩留りが８０％以上の高水準となるのは、α≦０．８となることで、ヒーター５で発生した熱がＧａＡｓ融液６から固液界面１４を通過し、単結晶３からの熱輻射および周囲のガス対流により熱伝導量が大きくなる結果、単結晶３からの放熱が大きくなって固液界面１４の形状が下方に凸面となり、単結晶３が成長するのに好ましい固液界面形状を形成するためと考えられる。

加えて、上述のα≦０．８とする効果は、輻射防止筒円筒部の上部に略円盤形状の鍔部を設け、前記鍔部により前記加熱手段から発生する熱気流が前記化合物半導体単結晶に接触するのを抑制させることで、さらに顕著なものになっていると考えられる。

尚、輻射防止筒の材質としては、耐熱性が高く、チャンバー内を汚染する可能性が低く、高い輻射防止効果を発揮する観点からグラファイトの適用が好ましい。

以上、説明した本発明の実施の形態に対し、例えば、特許文献１〜３に記載した従来の技術に係る化合物半導体単結晶製造装置においては、引き上げられる単結晶の周囲に、各々、遮蔽体、断熱体、テーパー管を有していても、それらと、引き上げられる単結晶との間に、本発明が有する構成を備えていない、あるいは、それらの上部に通気孔が設けられ、または上部が開放されている。そのため、単結晶の周りに有効なガス対流が発生できなかったり、ヒーターからの輻射熱によって、チャンバー内上部の温度が上昇してしまう。チャンバー内上部が昇温することにより、引き上げられた単結晶からの熱輻射が阻害されてしまう。この結果、固液界面形状が下側に凹面状になり易くなるものと考えられる。転位は固液界面に垂直に伝播する為、固液界面が下側に凹面状の場合、そこに転位が集合して多結晶化し、得られる単結晶が多結晶化し易いと考えられる。

本発明に係る化合物半導体単結晶の製造方法により、転位の存在量が所定量以下である化合物半導体単結晶を、高い歩留りを以て製造することが可能となった。

化合物半導体単結晶成長装置の縦断面図である。 αの値と単結晶の製造歩留り水準との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 引上軸
２ 種結晶
３ 単結晶
４ 三酸化硼素融液
５ ヒーター
６ ＧａＡｓ融液
７ ルツボ
８ ルツボ軸
９ チャンバー
１０ 輻射防止筒々部
１１ 輻射防止筒鍔部
１２ 輻射防止筒支持部
１３ ルツボ保持部
１４ 固液界面
１５ （単結晶の）肩部
１６ （単結晶の）円筒部
Ｄ₁ 輻射防止筒の筒部内径
Ｄ₂ 輻射防止筒の筒部外径
Ｄ₃ 輻射防止筒鍔部外径
ｄ₁ 単結晶（の円筒部）径
ｄ₂ ルツボ内径

Claims (3)

1. ルツボ内に充填された化合物半導体の原料を加熱して溶融させ、化合物半導体原料融液とした後、前記化合物半導体原料融液の上面に種結晶を接触させ、これを引き上げて化合物半導体単結晶を成長させる化合物半導体単結晶の製造方法であって、
   前記化合物半導体単結晶を引き上げる際、前記ルツボの内面と前記化合物半導体単結晶側面との間にある前記化合物半導体原料融液の上面から、少なくとも前記加熱手段の上端位置までを、筒形状を有する輻射防止筒で覆い、
   前記輻射防止筒の筒部内径を（Ｄ₁）、前記化合物半導体単結晶の径を（ｄ₁）、α＝ｄ₁／Ｄ₁としたとき、α≦０．８としながら、前記化合物半導体単結晶を引き上げることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法。
2. 請求項１に記載の化合物半導体単結晶の製造方法であって、
   前記輻射防止筒の上部に略円盤形状の鍔部を設け、前記鍔部により前記加熱手段から発生する熱気流が前記化合物半導体単結晶に接触するのを抑制しながら、前記化合物半導体単結晶を引き上げることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の化合物半導体単結晶の製造方法であって、
   前記輻射防止筒はグラファイト製であることを特長とする化合物半導体単結晶の製造方法。
   
   

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